引用本文
芦岩, 张伶俐, 罗远琴, 魏利, 薛雪, 孙新文, 向春和, 毛胜勇, 王新峰, 张文举. 不同比例棉秆和甜菜渣混合发酵产物的体外产气特性及发酵参数的研究. 草业学报, 2020,29(5): 58-66
LU Yan, ZHANG Ling-li, LUO Yuan-qin, WEI Li, XUE Xue, SUN Xin-wen, XIANG Chun-he, MAO Sheng-yong, WANG Xin-feng, ZHANG Wen-ju. In vitro gas production characteristics and fermentation parameters of feedstuffs with varying proportions of cotton stalks and beet pulp . Acta Prataculturae Sinica,2020,29(5): 58-66  
Doi:10.11686/cyxb2019357
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不同比例棉秆和甜菜渣混合发酵产物的体外产气特性及发酵参数的研究
芦岩1, 张伶俐2,*, 罗远琴1, 魏利1, 薛雪1, 孙新文1, 向春和1, 毛胜勇3, 王新峰1,*, 张文举1,*
1.石河子大学动物科技学院, 新疆 石河子 832003
2.汕头大学医学院, 广东 汕头 515041
3.南京农业大学动物科技学院, 江苏 南京 210095
*通信作者. E-mail: wxf-4@163.com, zhangll_007@163.com, zhangwj1022@sina.com

作者简介:芦岩(1994-),男,河南三门峡人,在读硕士。E-mail: 392589637@qq.com

收稿日期: 2019-08-14
基金项目:国家自然科学基金(31360558),广东省创新强校工程项目青年创新人才项目(2018KQNCX083),动物消化道营养国际联合研究中心开放课题和国家重点研发计划子课题(2018YFD0502101)资助
摘要

本试验旨在利用体外发酵法评价棉秆与甜菜渣混合发酵产物的产气特性和营养品质并筛选出最佳发酵组合。甜菜渣的添加比例分别为10%、30%和50%,尿素添加比例分别为0.1%、0.2%和0.3%,菌液添加比例分别为0.05%、0.1%和0.2%,食盐添加量为0.2%的三因素三水平的正交试验设计,研究各组发酵产物的营养品质,筛选出最佳的发酵条件。结果表明,48 h累积产气量I组与K组差异极显著( P<0.01),与A、D、F组差异显著( P<0.05);G组显著高于K组56.03%( P<0.05);其他组间差异不显著( P>0.05);I组可消化有机物(DOM)和代谢能(ME)最高,分别为722.40 g·kg-1和9.75 MJ·kg-1;各组慢速降解参数(b),I组与K组差异极显著( P<0.01),与A、D、F组差异显著( P<0.05);G、H组与K组差异显著( P<0.05);各组快速降解参数(a)、产气速率(c)差异不显著;H组氨态氮浓度与其他各组差异显著( P<0.05),K组与D和F组差异不显著( P>0.05);H、I组可溶性糖与其他各组差异显著( P<0.05),H组显著高于B组44.06%、K组31.23%,K组与其他各组差异显著;pH值、乳酸和微生物蛋白则均无显著性差异( P>0.05);H组的总挥发性脂肪酸(VFA)浓度最高,为100.31 mmol·L-1,显著高于除G组外的其他各组( P<0.05);乙酸和丁酸浓度也最高,显著高于除G和I组外的其他各组( P<0.05);丙酸浓度则为G组最高,显著高于除H组外的其他各组( P<0.05);同时,其乙酸/丙酸(A/P)最低,显著低于A、B、C和K组( P<0.05)。通过对棉秆与甜菜渣混合发酵产物隶属函数分析及综合价值排序得出各组隶属函数平均值分别为I组(0.719)>H组(0.692)>F组(0.595)>G组(0.591)>C组(0.407)>E组(0.400)>B组(0.395)>K组(0.374)>D组(0.307)>A组(0.243)。综上,以干物质基础棉秆与甜菜渣比例50∶50,添加尿素0.1%,复合菌液0.2%,食盐0.2%的I组,其混合发酵产物的体外产气量最高,可消化有机物和代谢能最大,乙酸和丁酸浓度较高,发酵组合综合价值排序最高,为最佳发酵组合,可作为饲喂反刍动物的粗饲料。

关键词: 棉秆; 甜菜渣; 产气特性; 发酵参数
In vitro gas production characteristics and fermentation parameters of feedstuffs with varying proportions of cotton stalks and beet pulp
LU Yan1, ZHANG Ling-li2,*, LUO Yuan-qin1, WEI Li1, XUE Xue1, SUN Xin-wen1, XIANG Chun-he1, MAO Sheng-yong3, WANG Xin-feng1,*, ZHANG Wen-ju1,*
1.College of Animal Science & Technology, Shihezi University, Shihezi 832003, China
2.Medical College, Shantou University, Shantou 515041, China
3.College of Animal Science & Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
*Corresponding author. E-mail: wxf-4@163.com, zhangll_007@163.com, zhangwj1022@sina.com
Abstract

This experiment evaluated the nutritional quality, gas production characteristics and the fermentation products of mixed feedstuffs comprising cotton stalk and beet pulp. A three-factor, three-level orthogonal treatment combination and an in vitro fermentation method were used, in order to identify the optimal fermentation conditions. Beet pulp was added to cotton stalk in proportions of 10%, 30% or 50%, with 0.1%, 0.2% or 0.3% added urea, and 0.05%, 0.1% or 0.2% added bacterial liquid (lactic acid bacteria and yeast are the main components), with salt added 0.2% in all cases. From the 27 available combinations, 9 were chosen for inclusion in the experiment, designated A-I, and a control, K, as follows: A) 10% beet pulp, 90% cotton stalk, 0.1% urea, 0.05% bacterial liquid, 0.2% salt; B) 10% beet pulp, 90% cotton stalk, 0.2% urea, 0.1% bacterial liquid, 0.2% salt; C) 10% beet pulp, 90% cotton stalk, 0.3% urea, 0.2% bacterial liquid, 0.2% salt; D) 30% beet pulp, 70% cotton stalk, 0.3% urea, 0.05% bacterial liquid, 0.2% salt; E) 30% beet pulp, 70% cotton stalk, 0.1% urea, 0.1% bacterial liquid, 0.2% salt; F) 30% beet pulp, 70% cotton stalk, 0.2% urea, 0.2% bacterial liquid, 0.2% salt; G) 50% beet pulp, 50% cotton stalk, 0.2% urea, 0.05% bacterial liquid, 0.2% salt; H) 50% beet pulp, 50% cotton stalk, 0.3% urea, 0.1% bacterial liquid, 0.2% salt; I) 50% beet pulp, 50% cotton stalk, 0.1% urea, 0.2% bacterial liquid, 0.2% salt and control group K (100% cotton stalk, 0 urea, 0 bacterial liquid, 0.2% salt). It was found that for gas production at 48 hours, Group I was significantly higher than groups A, D, F ( P<0.05), and group K ( P<0.01), while, there were no significant difference between the other groups ( P>0.05). Group I had the highest organic matter digestibility and metabolizable energy: 722.40 g·kg-1 and 9.75 MJ·kg-1, respectively. The slow degradation parameter, b, was significantly higher in group I than in groups A, D, F ( P<0.05), and group K ( P<0.01). Groups G and H, were also significantly higher than group K ( P<0.05), while there were no significant differences between the other groups ( P>0.05). The rapid degradation parameter (a), and the gas production rate (c), did not differ significantly between any of the groups. The concentration of ammonia nitrogen in group H was significantly lower ( P<0.05) than in other groups, and group K was significantly lower than groups A, B, C and E. Soluble sugar was significantly higher ( P<0.05) in groups H and I than other groups, and in group H was 44.06% and 31.23% higher than the lowest groups, B and K, respectively. No significant differences between groups for pH, lactic acid and microbial protein were detected ( P>0.05). The highest total volatile fatty acid (VFA) concentrations occurred in groups was group H and G (100.31 and 99.73 mmol·L-1, respectively), and these values were which was significantly ( P<0.05) higher than those of other groups. For the volatile fatty acids, acetate and butyrate were highest in Groups G, H, and I and propionate was highest in Groups G and H, while acetate:propionate ratio was lowest in groups G, H, and I. Using a membership function analysis for multivariate ranking of the mixed fermentation products of cotton stalk and beet pulp, the average membership function values of each group were I (0.719)>H (0.692)>F (0.595)>G (0.591)>C (0.407)>E (0.400)>B (0.395)>K (0.374)>D (0.307)>A (0.243). In conclusion, a dry matter-based ratio of cotton stalk to beet pulp of 50∶50, with 0.1% urea, 0.2% bacterial liquid, and 0.2% salt (group I) is recommended based on this research. The mixed fermentation product of this mixture has the highest in vitro gas production, the highest digestible organic matter and metabolic energy content, the higher concentration of acetic acid and butyric acid, and the highest multivariate score of the fermentation products. It is the best among the fermentation combinations tested and is suitable as a roughage for ruminants.

Keyword: cotton straw; beet pulp; gas production characteristics; fermentation parameters

新疆地区是我国重要的羊产品生产区, 但因其特定的气候与地理位置, 当地的常规饲料难以满足牛、羊等反刍动物的需要(尤其南疆地区)。据统计, 2017年新疆棉花(Gossypium spp.)种植的总面积达到180.52万hm2, 棉花总产量达到359.4万t, 棉花秸秆大约有1437.6万t; 2017年新疆甜菜(Beta vulgaris)渣的总产量达到448.3万t, 占全国总产量的47.77%[1]。新疆地区棉花秸秆中粗蛋白、纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为6.5%、44.0%、10.7%和15.3%[2], 比玉米(Zea mays)秸、稻草(Oryza sativa)和小麦(Triticum aestivum)秸的粗蛋白含量都要高, 但木质素含量高导致其质地坚硬, 适口性差, 影响了棉秆的饲料化利用, 同时棉秆中较高浓度的有毒性的游离棉酚也是影响反刍动物利用的因素之一。甜菜渣的主要成分是碳水化合物, 占干物质重量的74.8%, 含丰富的果胶, 甜菜渣含有丰富的纤维素和半纤维素, 但粗蛋白含量较低, 维生素水平整体也较低, 这些因素使得甜菜渣的利用受到了限制[3]。棉花秸秆的粗纤维含量高, 单贮不易发酵, 发酵品质差, 甜菜渣碳水化合物含量高, 但水分过高使其不宜保存和使用, 将棉秆和甜菜渣混合发酵后, 不仅降低了棉秆中游离棉酚的含量, 提高了发酵产物的营养价值, 改善其适口性, 增加了新疆粗饲料的供给量, 还降低了养殖成本, 提高了农牧民的经济收入。因此, 如何开发利用棉秆与甜菜渣混合发酵产物作为粗饲料资源成为解决新疆部分地区饲料资源匮乏的重要途径。自从Menke等[4]通过体外产气的测定, 结果发现体外产气量与体内的消化参数具有很高的相关性。大量学者开始使用体外产气法预测饲料的消化率、研究饲料对瘤胃微生物活性的影响和研究从发酵底物中分离出的发酵产品。本试验以棉秆和甜菜渣混合, 添加尿素(urea)、菌液(microbial)和食盐(salt)进行发酵后的发酵产物为研究对象, 采用体外法模拟其在瘤胃内的消化过程, 通过产气量的变化、可消化有机物(digestible organic matter, DOM)和代谢能(metabolic energy, ME)的估测、产气参数和发酵参数对10种棉秆与甜菜渣混合发酵产物进行营养品质的评定, 筛选出最优的发酵组合, 为衡量棉秆混合发酵产物的营养品质和推广利用提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 试验材料与仪器

1.1.1 试验材料 试验所用饲料样品来自前期本实验室棉秆与甜菜渣混合发酵产物(发酵产物于2017年11月23日-2018年1月23日在石河子大学动物科技学院实验站进行发酵)。

1.1.2 试验仪器 璐瑶型100 mL玻璃注射器(宁波和平注射器厂制造)、PHS-25数显pH仪(上海仪电科学仪器股份有限公司)、Heraeus Megafuge 8R型离心机(赛默飞世尔科技中国有限公司)、HH-S6数显恒温水浴锅(金坛市医疗仪器厂)和722型分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)。

1.2 试验设计

利用2 L(50 cm× 35 cm)的自封袋作为发酵容器, 以甜菜渣为碳源与已粉碎的棉秆混合(含水率在65%左右)加入菌液(主要为乳酸菌和酵母菌)、尿素(提供微生物生长所需氮源)和0.2%(以总重量为基础)的粗盐(提供微生物生长所需的矿物质), 密闭条件下恒温发酵60 d, 制备混合发酵产物。本试验共3个试验因素, 分别为碳源、氮源和菌液, 每个因素3个水平, 采用正交设计, 甜菜渣干物质的添加水平为10%、30%和50%; 复合菌液的添加水平为0.05%、0.1%和0.2%; 尿素的添加水平为0.1%、0.2%和0.3%; 共计9个组合, 以100%的棉秆为对照组(表1)。

表1 试验分组 Table 1 Group of trials (%)
1.3 试验动物饲喂管理

选择3只1岁左右、健康、生长发育正常、体重35~40 kg, 装有永久性瘘管的哈萨克羊, 舍饲, 日粮由精料补充料(精料成分为玉米51%、麸皮24%、豆粕18%、尿素1.5%、食盐1%、碳酸氢钙2.5%、添加剂2%)、苜蓿(Medicago sativa)青干草和麦秸组成, 每天饲喂两次, 自由饮水。预饲期15 d, 正试期开始后, 采集瘤胃液用于体外发酵。

1.4 试验方法

1.4.1 体外动态产气量测定 饲料样品的准备:以100 mL玻璃注射器为发酵容器(检查密闭性及编号), 称取烘干棉秆混合发酵产物样品200 mg, 加入事先在39 ℃的水浴(自制恒温搅动式培养箱)中预热的100 mL注射器内。样品称取完毕后, 管塞涂抹凡士林保证其密闭性和润滑性。每组样品6个重复(试验于2018年11月在石河子大学动物科技学院进行), 每批设3个空白(瘤胃液/缓冲液混合液)。最后将注射器放入39 ℃的恒温振荡水浴器中培养。

人工瘤胃液配方:人工瘤胃液配方采用 Menke等[4]的方法准备缓冲液, 并将缓冲液按照要求的顺序和比例进行混合, 置于水浴摇床或水浴锅内, 通入CO2气体(气流不易过大), 使人工唾液由蓝色转变为粉红色, 最终为无色。

瘤胃液的采集:晨饲前经瘤胃瘘管从3只哈萨克羊瘤胃中吸取瘤胃内容物, 迅速装入预热至39 ℃的容器中。混合均匀后经4层纱布过滤, 按照人工培养液与瘤胃液2∶ 1的体积比量取所需瘤胃液, 加入到人工配制的缓冲液中, 混合均匀并通入CO2, 制成人工瘤胃培养液。

产气量的记录:向100 mL玻璃注射器中加入30 mL人工瘤胃培养液, 放置到恒温震荡水浴器上开始培养, 发酵过程中, 记录2、4、6、8、12、24、36、48 h的产气量, 当玻璃注射器中的读数超过60 mL时, 及时排气并记录排气后的刻度值。待饲料在体外培养48 h后, 将注射器分别取出放入冰水中使其停止发酵。将培养管中各时间段的产气量累加, 即为全程累计产气量。

1.4.2 体外产气测定指标及方法 各样品的产气量计算公式:产气量(mL)=该时间段内培养管气体产生量-对应时间段内空白管气体平均产生量。

产气速率和产气参数:根据Ø rskov等[5]提出的指数方程p=a+b(1-e-ct)计算, 其中p表示培养t小时注射器中的产气量; a, b, c为指数方程中的常数。a表示快速降解部分的产气量(mL· g-1); b表示慢速降解部分的产气量(mL· g-1); c(%· h-1)表示产气速率, a+b为潜在产气量(mL· g-1)。

可消化有机物和代谢能:以200 mg样品作为底物发酵时, 可根据体外发酵24 h的累积产气量来计算可消化有机物(DOM, g· kg-1), 计算公式如下:

DOM=(7.65± 0.062)× GP24h+(353± 0.59)[6]。

式中:GP24h为24 h累积产气量(mL)。

根据下列公式计算代谢能(ME, MJ· kg-1):

DO=17.04+1.1085× GP24h

ME=-0.20+0.1410× DO[4]

式中:DO为有机物消化率(digestible organic, %)。

发酵参数测定:使用数显pH仪(PHS-25)测定pH值; 苯酚-次氯酸钠比色法测定氨态氮浓度[7]; 蒽酮-硫酸比色法测定可溶性糖浓度[8]; 乳酸试剂盒测定乳酸浓度(南京建成工程生物研究所); 考马斯亮蓝法测定微生物蛋白(microbial protein, MCP)浓度[9]; 参照秦为琳[10]的方法测定挥发性脂肪酸含量。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2010软件对数据进行初步整理。用SPSS 18.0软件进行多因素方差分析和非线性回归分析, 采用Duncan法进行多重比较, 结果以平均值± 标准差表示, 其中P< 0.05表示差异显著, P< 0.01表示差异极显著。采用隶数函数评价法评价出最佳处理[11], 具体公式如下:

UX(+)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin); UX(-)=1-UX(+)

式中:Xij为样品各测定指标值, Ximin为样品各测定指标值的最小值, Ximax为样品各测定指标值的最大值, UX(+)为各指标呈正相关隶数函数值, UX(-)为各指标呈负相关隶数函数值。

2 结果与分析
2.1 棉秆与甜菜渣混合发酵产物的体外产气量动态变化

10种棉秆与甜菜渣混合发酵产物的产气量都随着时间的延长呈增长的趋势。其中I组产气量增加的最快且最终48 h的产气量最大。12 h之前, 各组发酵产物的产气量增加比较迅速, 12 h后, 各组发酵产物的产气量增长减慢(图1)。

图1 10种发酵产物的体外产气量Fig.1 In vitro gas production of 10 fermentation products

2.2 棉秆与甜菜渣混合发酵产物的产气量、 DOM和ME估测及产气参数变化

48 h的产气量由高到低依次为I组(60.35 mL)> G组(52.64 mL)> H组(50.53 mL)> C组(47.83 mL)> B组(45.86 mL)> E组(45.30 mL)> F组(44.56 mL)> D组(42.88 mL)> A组(39.19 mL)> K组(33.63 mL)(表2)。对48 h总的产气量分析发现, 其中I组与K组呈极显著差异(P< 0.01), 与A、D、F组达到显著差异水平(P< 0.05); 显著高于K(79.45%)、A(53.99%)、D(40.74%)和F组(35.44%); G组与K组存在显著差异(P< 0.05), 显著高于K组(56.03%); 其他组间差异不显著(P> 0.05)。A~K组24 h产气量由大到小分别为I组48.29 mL、G组42.99 mL、H组40.49 mL、C组37.93 mL、E组36.01 mL、B组35.16 mL、F组34.77 mL、D组33.94 mL、A组30.34 mL和K组24.80 mL。I组与K组相比存在极显著差异(P< 0.01), 与A组存在显著差异(P< 0.05), 分别显著高于K(94.72%)和A组(59.16%); G、H组均显著高于K组73.35%和63.27%; 其他组差异均不显著(P> 0.05)。可消化有机物(DOM)最高的为I组(722.40 g· kg-1), 最低的为K组(542.72 g· kg-1)。代谢能(ME)最高的为I组(9.75 MJ· kg-1), 最低的为K组(6.08 MJ· kg-1)。可消化有机物和代谢能由24 h产气量计算而来, 其显著性和24 h产气量呈正相关关系。

表2 体外发酵48、24 h的产气量、DOM和ME Table 2 Gas production by fermentation in vitro for 48, 24 h, DOM and ME (mean± SD, n=6)

由表3可见, 棉秆与甜菜渣混合发酵产物的快速降解部分(a)和产气速率(c)各组均不存在显著差异(P> 0.05)。慢速降解部分(b)中I组与K组相比呈极显著水平(P< 0.01), 与A、D、F组均存在显著性差异(P< 0.05); G、H与K组相比, 呈显著差异(P< 0.05), 其他组间均不存在显著差异(P> 0.05)。

表3 产气参数变化 Table 3 Gas production parameter change (mean± SD, n=6)
2.3 棉秆与甜菜渣混合发酵产物的发酵参数变化

氨态氮从A到I组整体上大致呈下降趋势; K组与D组氨态氮浓度差别不大(表4)。H组均显著低于其他各组(P< 0.05), 显著低于B组(42.44%)、K组(31.01%); K组除与D和F组不存在显著差异外, 与其他各组均存在显著差异。可溶性糖从A组到I组大体上呈现上升的趋势; H、I组与其他各组均存在显著差异(P< 0.05), H组显著高于B组(44.06%)和K组(31.23%); K组与其他各组均存在显著差异。pH值、乳酸和微生物蛋白均无显著性差异(P> 0.05)。H组的总挥发性脂肪酸(total volatile fatty acid, VFA)浓度最高, 为100.31 mmol· L-1, 显著高于除G组外的其他各组(P< 0.05); 乙酸和丁酸浓度也为最高, 显著高于除G和I组外的其他各组(P< 0.05); 丙酸浓度则为G组最高, 显著高于除H组外的其他各组(P< 0.05); 同时, 其乙酸/丙酸(acetate/propionate, A/P)最低, 显著低于B和C组(P< 0.05)。

表4 发酵参数变化 Table 4 Fermentation parameter change (mean± SD, n=6)
2.4 棉秆与甜菜渣混合发酵产物的综合价值评定

由于各处理在各指标上表现不相同, 所以以任何单一指标来评价最佳的发酵处理是不全面的, 将7个指标进行隶属函数分析, 可消化有机物、代谢能和有机物消化率都是以24 h的产气量来进行估测。其中以Gp24h、可溶性糖、乳酸、微生物蛋白、总挥发性脂肪酸为正向指标, 以氨态氮(NH3-N)和pH值为负向指标。平均7项指标的隶属函数值进行综合排序, 平均值越大, 其发酵处理就越佳, 各处理的排序为(表5):I组(0.719)> H组(0.692)> F组(0.595)> G组(0.591)> C组(0.407)> E组(0.400)> B组(0.395)> K组(0.374)> D组(0.307)> A组(0.243)。

表5 棉秆与甜菜渣混合发酵产物隶属函数分析及综合价值排序 Table 5 Membership function analysis and comprehensive value sorting treatment of mixed fermentation products of cotton stalk and beet pulp
3 讨论
3.1 棉秆与甜菜渣混合发酵产物的体外产气量动态变化

产气量作为综合反映饲料可发酵程度的指标, 它不仅能够体现瘤胃微生物的总体活动趋势, 还是反映饲料蛋白质营养价值的综合指标[12], 产气量的大小能反映饲草的可消化性大小, 也代表有机物的降解程度与可降解性, 它们之间存在正相关关系, 饲料的可降解性越强, 瘤胃微生物的活性就越高, 产气量就越大[13]。程鹏辉等[14]研究表明牧草品质越好, 产气量越大。粗饲料体外发酵产气的底物主要是碳水化合物, 本试验中G、H、I组的产气量明显优于其他各组, I组产气量高于K组79.45%、A组53.99%、D组40.74%和F组35.44%, 由此可推断 I组棉秆与甜菜渣混合发酵产物的可消化性、有机物降解程度、饲料的发酵和干物质降解都为最佳。以I组48 h累积产气量与何亭漪[15]测得新疆地区苜蓿48 h累积产气量为对比, 其营养价值为苜蓿的79.06%。这与I组中棉秆与甜菜渣的比例为50∶ 50有着密不可分的关系, 甜菜渣干物质重量的74.8%为碳水化合物, 大量的碳水化合物为体外发酵提供了能量; 此外I组的菌液添加量为0.2%, 菌液的适量添加促进了各发酵底物充分发酵, 提高了棉秆与甜菜渣混合发酵产物的营养品质, 这与上述对其各项指标进行隶属函数综合分析的结果是一致的。

3.2 棉秆与甜菜渣混合发酵产物的DOM和ME估测及产气参数变化

禾本科牧草ME的变化范围是从羊草(Leymus chinensis)的6.09 MJ· kg-1到黑麦草(Lolium perenne)的10.16 MJ· kg-1; 秸秆ME的变化范围是从小麦的5.12 MJ· kg-1到玉米秸秆的7.90 MJ· kg-1[15]。本试验估测的可消化有机物和代谢能最高的为I组722.40 g· kg-1和9.75 MJ· kg-1; 最低的为K组542.72 g· kg-1和6.08 MJ· kg-1。与上述ME值比较, 本试验估测的ME值K组与羊草接近, I组与黑麦草接近。这表明经混合发酵后, 代谢能有了明显的提高, 这可能与发酵原料含有较高的代谢能和发酵提高了混合发酵产物的发酵品质有关。杨泰等[16]研究表明反刍动物对甜菜渣的消化率可达80%, 消化能也达到了13.39 MJ· kg-1, 对混合发酵产物代谢能的提升起着至关重要的作用。有研究表明, 快速降解部分与粗蛋白(crude protein, CP)的含量成正相关[17]。b值和最大产气量主要与无灰分中性洗涤纤维和消化性成正相关[18]。本试验中快速降解部分a无明显差别, 说明各发酵组的CP含量差异不是很大。可能与发酵原料中棉秆和甜菜渣的CP含量不高有关。慢速降解部分b值中I组最高, 说明I组可消化性最好, 这可能与发酵原料中含有丰富的纤维素和混合发酵提高了发酵产物的发酵品质有关。

3.3 棉秆与甜菜渣混合发酵产物的发酵参数变化

pH值是反应瘤胃内环境的重要指标, pH过高或者过低对瘤胃微生物的生长、繁殖和发酵都会产生巨大的影响。一般正常瘤胃液的pH值为6.0~7.0。本试验的发酵液pH值都在正常范围内, 表明饲喂混合发酵产物后, 不会对瘤胃pH值造成影响, 对维持瘤胃内环境稳态有积极的作用。

氨态氮是瘤胃内饲料肽、氨基酸、蛋白质、尿素、氨化物及其他非蛋白氮化合物分解的最终产物, 也是瘤胃微生物合成蛋白质的主要原料[19]。其含量的高低直接影响瘤胃微生物的生长繁殖, 其浓度也是反映瘤胃代谢的重要指标, 能间接地反映瘤胃微生物分解粗蛋白产生的氨态氮和利用氨态氮合成MCP的平衡情况[20]。Murphy等[21]的研究显示微生物发酵的最佳浓度为0.63~2.75 μ g· mL-1。除G、H、I组, 其他各发酵组48 h的NH3-N 浓度已经超出了微生物发酵的最佳浓度。在整个发酵过程中, 生成的NH3-N一部分用来合成MCP, 一部分则溶解在发酵液中。碳水化合物是限制瘤胃微生物利用NH3-N的主要因素[22]。因此可以推测G、H、I组高比例的甜菜渣的添加, 提供了大量的碳水化合物, 增强了微生物的活性和对NH3-N的利用和转化。

微生物蛋白是反刍动物最主要的氮源, 能提供蛋白所需的40%~80%, 微生物蛋白浓度的大小反映了微生物利用氨态氮的能力, 也反映了微生物培养体系中的微生物种群数量。本试验微生物蛋白各组差异不明显, 可能是因为随着发酵的不断延长, 高浓度的氨态氮限制了微生物对氨态氮的利用和转化, 使得发酵体系中微生物合成MCP的量受到了限制。

瘤胃碳水化合物发酵的主要产物是乙酸、丙酸和丁酸等挥发性脂肪酸。它们是反刍动物维持和生产的主要能量来源, 为反刍动物提供60%~80%的可消化能[23]。当饲料类型和结构不同时, 挥发性脂肪酸的浓度和组成都会发生改变。挥发性脂肪酸的产量和比例也可显著影响反刍动物对营养物质的吸收、利用和生产能力的发挥[11]; 乙酸是反刍动物乳脂合成的前体物质, 而丙酸则是糖异生的主要前体物质。I组发酵产物中因较高的复合菌液和甜菜渣添加比例, 为瘤胃微生物提供大量能量, 促进了微生物的活动与繁殖, 进而提高了挥发性脂肪的生成; 其中I组的乙酸和丙酸浓度都相对较高, 为机体提供了乳脂前体物质和糖异生的前体物质, 有利于动物自身生产性能的发挥; I组的A/P低于K组且显著低于B和C组, 说明在饲喂动物后, 可能对于瘤胃微生物的发酵影响倾向于丙酸模式。

4 结论

本研究表明, 以干物质基础棉秆与甜菜渣比例50∶ 50, 添加尿素0.1%, 复合菌液0.2%, 食盐0.2%的I组, 其混合发酵产物的体外产气量最高, 可消化有机物和代谢能最大, 乙酸和丁酸浓度较高, 发酵组合综合价值排序最高, 为最佳发酵组合, 可作为饲喂反刍动物的粗饲料。

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