水煮和提取处理对中草药干物质消化率和小肠可消化蛋白质的影响
田秀娥, 万美娇, 王永军*, 张阳
西北农林科技大学动物科技学院,陕西 杨凌 712100
*通信作者. E-mail: dkxywyj@163.com

作者简介:田秀娥(1964-),女,陕西泾阳人,副教授。E-mail: 449181829@qq.com

摘要

研究水煮和提取处理对中草药干物质消化率和小肠可消化蛋白质的影响,揭示提取过程对营养价值影响的作用机理,对于客观评定中草药提取残渣的营养价值具有重要意义。采用尼龙袋试验分别测定黄芪、麦芽和甘草3种原料及其经水煮和提取处理后产物的瘤胃降解动力学参数,并分别估算其主要养分在瘤胃的有效降解率(effective degradability,ED);采用移动尼龙袋试验分别测定3种原料及其经水煮和提取处理后产物瘤胃未降解干物质(nondegradable dry matte,UDM)和未降解蛋白质(nondegradable protein,UDP)的小肠消化率(intestinal digestibility,Idg),在此基础上分别估算其干物质消化率(dry matter digestibility,DDM)和小肠可消化粗蛋白质(intestinal digestible crude protein,IDCP)含量。结果表明:1)3种中草药经水煮和提取处理后产物的EDDM(effective degradability of dry matter)和EDCP(effective degradability of crude protein)均分别显著低于其未处理原料( P<0.05),但EDNDF(effective degradability of NDF)和EDADF(effective degradability of ADF)均分别显著高于其未处理原料( P<0.05);2) 3种中草药经水煮和提取处理后产物的IdgUDM (intestinal digestibility of UDM)和IdgUDP (intestinal digestibility of UDP)均显著高于其未处理原料( P<0.05);3)水煮处理显著提高了3种中草药处理后产物的DDM( P<0.05),显著提高了麦芽处理后产物的IDCP和IDCP/CP,提取处理显著提高了麦芽提取残渣的DDM、IDCP和IDCP/CP( P<0.05),显著降低了甘草提取残渣的IDCP和IDCP/CP和黄芪的IDCP( P<0.05)。在无特殊需求时完全没有必要对饲料进行水煮处理;麦芽提取残渣具有作为优质精饲料的营养潜力;黄芪和甘草提取残渣具有作为优质粗饲料的营养潜力。

关键词: 水煮处理; 提取处理; 中草药; 干物质消化率; 小肠可消化粗蛋白质
Effect of boiling and extraction on dry matter digestibility and intestine-digestible crude protein levels in plant residue following Chinese medicinal herb preparation
TIAN Xiu-e, WAN Mei-jiao, WANG Yong-jun*, ZHANG Yang
College of Animal Science and Technology, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China
*Corresponding author. E-mail: dkxywyj@163.com
Abstract

The aim of this study was to assess the effects of boiling and extraction on dry matter digestibility and intestine-digestible protein content of plant residue from production of Chinese herbal medicines. This information is relevant to assessing the usefulness of these residues for animal feeding. Using a mobile nylon bag technique, various digestive degradation kinetic parameters were determined for processing residues of Astragalus ( Astragalus membranaceus), malt ( Hordeum vulgare) and Licorice ( Glycyrrhiza uralensis). Parameter estimates obtained for the three plant materials included: the effective degradability (ED) in the rumen of the main dry matter (DM) nutritive components (crude protein, neutral and acid detergent fiber; CP, NDF, ADF, respectively), the small intestine digestibility (Idg), and their rumen non-degradable dry matter (UDDM) and non-degradable protein (UDP) for both raw plant materials and after boiling and extraction. It was found that: 1) The EDDM and EDCP of the three tested residues after boiling and extraction were significantly lower than those of the untreated raw materials ( P<0.05), while EDNDF and EDADF were significantly higher than the untreated materials ( P<0.05); 2) The IdgUDDM and IdgUDP after boiling and extraction, of the three tested Chinese herbal medicine preparation residues, were significantly higher than those of the untreated raw materials ( P<0.05); 3) Boiling significantly increased the DDM of all 3 tested residues ( P<0.05), and also the IdgCP, and IdgCP/CP of malt extract residue ( P<0.05), but significantly reduced IdgCP, and IdgCP/CP of licorice extract residues and the IdgCP of Astragalus extract residues ( P<0.05). These results indicate that it is not necessary to boil these feeds unless there is a special requirement to do so. Malt extract residues have good nutritional potential as a high-quality refined feed; Astragalus and licorice extraction residues have nutritional potential as a quality roughage.

Keyword: boiled treatment; extraction treatment; Chinese herbal medicine; dry matter digestibility; intestinal digestible crude protein

中药材的相当部分是植物类, 其主要药用部分是植物类的根、茎、叶、花、果实部分, 其本身即可作为饲料利用[1]。目前, 随着中草药提取技术的不断发展, 其在获得中药提取物的同时, 也产生了大量提取后残留物, 这些提取后残留物无疑具有成为新型饲料的潜质, 而通过开展水煮和提取处理对中草药干物质消化率和小肠可消化蛋白质的影响研究, 揭示提取过程对养分消化率的影响规律, 对于客观进行中草药提取残渣的饲料营养价值评价以及加速其饲料化利用均具有重要意义。关于中草药提取残渣的饲料化利用, 目前的研究主要集中在残渣的营养价值评定[1]、药用价值评定[2, 3, 4]和饲喂效果[5, 6]等方面, 但关于中草药提取过程对提取残渣主要养分消化性的影响研究则鲜见报道。本研究采用尼龙袋试验(nylon bag technique, NBT)和移动尼龙袋试验(mobile nylon bag technique, MNBT)相结合的研究方法, 以黄芪(Astragalus membranaceus)、麦芽(Hordeum vulgare)和甘草(Glycyrrhiza uralensis)3种原料以及其经水煮和提取处理后产物的瘤胃降解动力学参数以及瘤胃未降解干物质和未降解蛋白质的小肠消化率测定为切入点, 在此基础上进一步估算其干物质消化率(dry matter digestibility, DDM)和小肠可消化粗蛋白质(intestinal digestible crude protein, IDCP), 以期初步揭示提取过程对其营养价值的影响规律, 为中药提取残渣的资源评定提供基础研究资料。

1 材料与方法
1.1 样品采集与处理

2017年5月在甘肃省定西市陇西县一方制药采集黄芪、甘草和麦芽原料药样品各3~4 kg, 将其分成大体相当的3份, 其中一份作为原料样品, 对另两份分别进行提取处理和水煮处理。提取处理严格按照一方制药目前所采用的煎煮法提取工艺(两步提取法)在实验室进行提取(每步完成后经内径为0.069 mm筛过滤, 收集提取液), 提取工艺见表1。水煮处理工艺与提取工艺基本相同, 所不同的是蒸煮过程中不过滤收集药液。将经过提取处理和水煮处理后的残渣放入65 ℃烘箱中烘干至恒重, 密封袋保存备用。3种中草药及其水煮和提取处理后产物的常规营养成分见表2

表1 中草药提取工艺 Table 1 The extraction process of Chinese herbal medicine
表2 3种中草药经不同处理后主要营养成分(以干物质为基础) Table 2 The main nutrients of 3 Chinese herbal medicines treated by different treatments (based on dry matter, %)
1.2 尼龙袋试验

选择4只年龄相同(2~3岁)、体况良好、体重一致、且安装永久性瘤胃瘘管的成年空怀期母羊作为试验动物, 按照王慧娟[7]介绍的方法进行尼龙袋试验。

1.3 移动尼龙袋试验

分别选择4只年龄相同(2~3岁)、体况良好、体重一致、且安装永久性瘤胃瘘管和永久性十二指肠“ T” 型瘘管的成年空怀期母羊作为试验动物, 按照王慧娟[7]介绍的方法进行移动尼龙袋试验。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 主要养分瘤胃降解动力学参数 依据试验测定结果计算饲料养分在瘤胃不同时间点的动态降解率(P, %)[7]:P=$\frac{降解前养分-降解后养分}{降解前养分}$× 100%; 利用最小二乘法对饲料养分在瘤胃不同时间点动态降解率曲线进行Ф crskov方程拟合:P=a+b(1- eKd×t); 按下式计算饲料养分在瘤胃的有效降解率(effrctive degradability, ED):ED=a+b× KdKd+Kp

在上述各式中, P(%)表示饲料养分在瘤胃内不同时间点的动态降解率, a为当t=0时的截距, 表示快速降解部分, b(%)为慢速降解部分, Kd为慢速降解部分降解的速率常数, Kp为瘤胃食糜的外流速度。在本研究中, 黄芪、甘草的Kp值取0.0253, 麦芽的Kp值取0.08。

1.4.2 小肠消化率(intestinal digestibility, Idg) 按照下式分别计算饲料瘤胃未降解干物质(nondegradable dry matter, UDM)及未降解蛋白质(nondegradable protein, UDP)的小肠消化率(intestinal digestibility, Idg)IdgUDM和IdgUDP[7]:

Idg=$\frac{样品过瘤胃残渣养分含量-小肠消化后残渣养分含量}{样品过瘤胃残渣养分含量}$× 100%

1.4.3 干物质消化率和小肠可消化粗蛋白质估算 依据干物质和粗蛋白质瘤胃降解动力学参数及瘤胃未降解干物质和未降解蛋白质小肠消化率测定结果, 按照王永军等[8]介绍的方法进行干物质消化率和小肠可消化粗蛋白质估算, 估算公式如下:

DDM (%)=EDDM+(1-EDDMIdgUDM-CP× EDCP× CMCP× (1-Idgmcp)

IDCP=CP× (1-EDCPIdgUDP+CP× EDCP× CMCP× IdgMCP

式中:MCP为瘤胃微生物蛋白质, CMCP为饲料瘤胃降解蛋白质(RDP)在瘤胃转化为瘤胃微生物蛋白质(MCP)的转化效率, IdgMCP为瘤胃微生物蛋白质在小肠的降解率[9]。在本研究中, CMCP暂取值0.9, IdgMCP暂取值0.8[7, 8]

1.5 数据处理

用 Excel 2013对试验数据进行初步整理, 然后用SPSS 22.0统计软件包中非线性指数模型进行Ф crskov方程拟合, 确定养分在瘤胃降解的动力学参数abKd, 进而计算ED, 用SPSS 22.0对结果进行方差分析, 用Duncan法进行均值的多重比较, 结果用“ 平均数± 标准差” 表示。

2 结果与分析
2.1 处理方式对中草药主要养分瘤胃有效降解率的影响

表3, 4可知, 3种中草药经水煮和提取处理后产物的EDDM和EDCP均分别低于其未处理原料, 且二者均呈现“ 原料> 水煮> 提取” 的规律性, 其中除黄芪水煮产物的EDDM和甘草处理产物的EDCP与未处理组差异不显著外, 其余均与未处理组差异显著(P< 0.05); EDNDF和EDADF均分别明显高于其未处理原料, 但原料与水煮和提取处理后产物3者间并不存在明显的规律性, 其中除黄芪水煮产物的EDNDF和EDADF与未处理组差异不显著外, 其余均与未处理组差异显著(P< 0.05)。上述结果表明, 水煮和提取处理虽然有利于提高纤维物质的瘤胃降解率, 但对于干物质和蛋白质的瘤胃降解产生了明显的“ 负效应” 。

表3 尼龙袋法测定的DM和CP瘤胃降解动力学参数 Table 3 The rumen degradation kinetic parameters of DM and CP by nylon bag method (%)
表4 尼龙袋法测定的NDF和ADF瘤胃降解动力学参数 Table 4 The rumen degradation kinetic parameters of DM and CP by nylon bag method (%)
2.2 处理方式对中草药UDM和UDP小肠消化率的影响

表5可知, 3种中草药经水煮和提取处理后产物的IdgUDM均显著高于其未处理原料(P< 0.05), 且均呈现“ 原料< 水煮< 提取” 的规律性; 黄芪和麦芽经水煮和提取处理后产物的IdgUDP均显著高于其未处理原料(P< 0.05), 甘草水煮和提取处理组IdgUDP略低于未处理原料, 但均与未处理组差异不显著(P> 0.05), 但3种中草药不同处理间的IdgUDP并不存在明显的规律性。上述结果表明, 水煮和提取处理均可以显著改善3种中草药经不同处理后产物干物质和粗蛋白质的小肠消化特性。

表5 移动尼龙袋法测定的3种中草药经不同处理后的瘤胃未降解干物质和蛋白质小肠消化率 Table 5 The UDM and UDP intestinal digestibility of 3 Chinese herbal medicines after different treatments by MNBT (%)
2.3 处理方式对中草药DDM和IDCP的影响

干物质和粗蛋白质的瘤胃有效降解率以及UDM和UDP小肠消化率测定结果, 分别从瘤胃降解和小肠消化两个不同方面揭示了3种中草药经不同处理后的消化特性, 为客观评定不同处理方式条件下3种中草药的DDM和IDCP提供了基础研究数据(表6)。由表可知, 水煮处理均显著提高了3种中草药处理后产物的DDM(P< 0.05), 显著提高了麦芽处理后产物的IDCP和IDCP/CP, 对黄芪和甘草处理后产物的IDCP和IDCP/CP无显著影响(P> 0.05); 提取处理显著提高了麦芽提取残渣的DDM、IDCP和IDCP/CP(P< 0.05), 显著降低了甘草提取残渣的IDCP和IDCP/CP以及黄芪的IDCP(P< 0.05), 一定程度降低了甘草提取残渣的DDM和黄芪的IDCP/CP(P> 0.05), 一定程度提高了黄芪提取残渣的DDM(P> 0.05), 一定程度降低了黄芪提取残渣的IDCP/CP(P> 0.05)。

表6 3种中草药经不同处理后的干物质消化率和小肠可消化粗蛋白质 Table 6 The DDM and IDCP of 3 Chinese herbal medicines after different treatments (%)

结果表明, 水煮处理总体有利于提高处理产物的营养价值; 提取处理有利于提高麦芽提取残渣(具有精饲料利用潜质)的营养价值, 但一定程度降低了黄芪和甘草提取残渣(具有粗饲料利用潜质)的营养价值。

3 讨论
3.1 水煮和提取处理对中草药瘤胃降解特性和小肠消化特性的影响

本研究结果表明, 水煮和提取处理有利于提高纤维物质的瘤胃降解率, 但对于干物质和蛋白质的瘤胃降解产生了明显的“ 负效应” ; 水煮和提取处理总体显著改善了3种中草药经不同处理后产物干物质和粗蛋白质的小肠消化特性。上述结果可能与处理过程中对处理产物养分含量、组成及其结构的影响以及高温处理对优质蛋白质的“ 过瘤胃保护” 作用有关。

在本研究中, 中草药在水煮和提取处理过程中均出现不同程度的质量损失(黄芪、麦芽和甘草在水煮和提取处理过程中的质量损失率分别为13.38%、11.62%、5.04%和37.34%、29.13%、21.36%, 该结果将另文报道), 这种质量损失不仅仅体现为量的减少, 同时也使处理产物中各养分含量的组成发生了改变。根据康奈尔净碳水化合物和净蛋白质体系(CNCPS), 可将粗蛋白质和碳水化合物均划分为快速降解部分、中速降解部分、慢速降解部分和不可利用部分[10, 11], 由此可知水煮和提取处理过程中的质量损失主要是快速降解部分(本研究中3种中草药水煮和提取处理后的a值均低于其未处理原料与上述理论完全相符)。这种各养分含量组成的改变, 可能是导致处理后产物EDDM和EDCP均分别低于其未处理原料的主要因素之一。

现有研究结果表明, 加热是保护优质饲料蛋白质过瘤胃很有效的保护方法, 加热可降低蛋白质在瘤胃中的溶解度并使瘤胃NH3-N的产生量下降[12, 13], 降低了蛋白质在瘤胃内的降解率, 相应提高了进入小肠的蛋白质的数量和可消化性, 其结果是一定程度提高了IdgUDP和IdgUDM。值得注意的是, 热处理时温度过高或者时间过长所导致的赖氨酸等碱性氨基酸的ε -氨基与还原糖发生Maillard反应(不可逆反应)可在一定程度消减“ 过瘤胃保护” 提高IdgUDP和IdgUDM的作用效果[14, 15]。此外, 水煮过程中的高温、高湿条件, 木质素软化, 纤维结构一定程度被破坏, 使得纤维间连接强度降低[12, 13], 有利于纤维物质的消化, 这可能是水煮和提取处理有效改善处理产物EDNDF、EDADF、IdgUDP和IdgUDM的另一重要因素之一, 而EDNDF和EDADF的较大幅度提高对EDDM和EDCP的降低起到了一定的缓冲效应。

3.2 水煮处理对中草药营养价值的影响

在饲料营养价值评定过程中, 人们通常重点关注的是蛋白质和能量的营养价值[16]。关于能量和蛋白质的营养价值评定, 一般可包括潜在营养价值、可消化营养价值和可利用营养价值评定3个不同的层次[8], 其中能量的可消化营养价值即消化能(DE)可通过DDM进行估计[17, 18], 蛋白质的可消化营养价值通常可用IDCP含量指标进行量化度量[8]

在本研究中, 由于水煮处理对处理产物营养成分含量以及瘤胃降解特性和小肠消化特性的多重影响, 导致3种中草药水煮处理产物的DDM分别较未处理原料提高了15.73%, 13.98%和6.26%, 麦芽水煮处理产物的IDCP和IDCP/CP分别较未处理原料提高了11.88%和10.43%, 而黄芪的IDCP仅降低了0.60%, 甘草处理后产物的IDCP和IDCP/CP仅分别降低了0.70%和4.63%。综合分析发现, 水煮处理总体一定程度提高了处理产物的营养价值。

虽然水煮处理一定程度提高了单位处理产物的营养价值, 但由于水煮处理对中草药原料营养价值的影响同时体现在质量损失、营养成分含量变化以及对瘤胃降解特性和小肠消化特性的影响等不同层次。如果考虑质量损失因素, 即以单位质量中草药原料所提供的DE和IDCP作为评价标准, 则必须对表6结果用质量损失率(quality loss rate, QLR)进行校正。黄芪、麦芽和甘草的DDM经校正后分别为77.46%, 81.27%和77.15%, 相当于原料的100.25%, 100.74%和100.91%; 经校正后的IDCP分别为10.46%, 6.84%和7.72%, 相当于原料的89.10%, 98.87%和94.25%。综合分析后发现, 本研究过程中的水煮处理一定程度上降低了饲料的营养价值。该结果提示我们, 在无特殊需求时完全没有必要对饲料进行水煮处理。

3.3 提取处理对中草药营养价值的影响

与水煮处理对中草药营养价值的影响所不同的是, 研究提取处理对中草药营养价值影响的目的并非关注单位质量中药原料经提取后所提供的DDM和IDCP的数量问题, 而是重点考察提取残渣的饲料化利用潜力— — 作为饲料利用的营养价值, 故不考虑提取过程中的QLR因素的影响(仅作为资源总量的评价指标)。

在本研究中, 提取处理显著提高了麦芽提取残渣的DDM、IDCP和IDCP/CP(P< 0.05), 也就是说提取处理显著提高了麦芽提取残渣的营养价值。该结果提示我们, 具有精饲料利用潜质的中药原料, 其提取残渣完全可以作为优质精饲料加以利用。

但是, 本研究发现, 黄芪和甘草(具有粗饲料利用潜质)中药原料经提取后, 虽然其提取残渣的EDDM、EDCP均较大幅度降低, 但由于IdgUDM的大幅度提高(黄芪和甘草提取残渣的IdgUDM分别较原料提高了250.64%和78.36%), 其DDM仍分别相当于未处理原料的101.88%和97.36%, 与原料的DDM相比并未发生明显变化。该结果表明, 黄芪和甘草提取残渣与其原料具有基本相同的消化能含量。另外, 由于提取导致CP含量降低, 黄芪和甘草提取残渣的IDCP仅分别相当于未处理原料的80.02%和80.37%, 明显低于其未处理原料。该结果表明, 黄芪和甘草提取残渣的蛋白质营养价值明显低于其未处理原料。综合分析发现, 黄芪和甘草提取残渣的营养价值相对于原料而言均不同程度降低。虽然如此, 但并不能由此低估其提取残渣饲料的营养价值。

虽然黄芪和甘草提取残渣的IDCP均明显低于其未处理原料, 这是提取过程的必然结果, 但二者的IDCP仍分别高达9.72%和6.58%, 高于常见粗饲料, 且蛋白质的利用效率(IDCP/CP)仍分别相当于未处理原料的98.76%和89.10%。进一步分析发现, 二者的IDCP/CP的降低幅度均小于其原料质量损失率, 这可能与提取过程中的高温和高湿条件使蛋白质与纤维间连接强度降低所导致的IdgUDP提高有关, 尚待进一步研究。上述结果表明, 黄芪和甘草提取残渣具有作为优质粗饲料的营养潜力。

4 结论

1)水煮和提取处理有利于提高纤维物质的瘤胃降解率, 但对于干物质和蛋白质的瘤胃降解产生了明显的“ 负效应” ; 水煮和提取处理总体显著改善了3种中草药经不同处理后产物干物质和粗蛋白质的小肠消化特性。

2)水煮处理虽然提高了处理产物的营养价值, 但却一定程度上降低了饲料原料的营养价值, 在无特殊需求时完全没有必要对饲料进行水煮处理。

3)提取处理显著提高了麦芽提取残渣的营养价值。黄芪和甘草提取残渣的营养价值相对于原料而言均不同程度降低, 但并不能由此低估其提取残渣饲料的营养价值。

4)麦芽以及黄芪和甘草提取残渣分别具有作为优质精饲料和粗饲料的营养潜力。

The authors have declared that no competing interests exist.

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