利用体外产气法对不同处理秸秆-薯渣混合料营养价值的评价研究

张微微， 何晓伟， 柴新义， 张永根， 向玉勇

（1.滁州学院生物与食品工程学院，安徽滁州239000；2.东北农业大学动物科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150030）

利用体外产气法对不同处理秸秆-薯渣混合料营养价值的评价研究

张微微1， 何晓伟1， 柴新义1， 张永根2， 向玉勇1

（1.滁州学院生物与食品工程学院，安徽滁州239000；2.东北农业大学动物科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150030）

本试验旨在通过体外产气法评定不同处理水稻秸秆-马铃薯淀粉渣混合料（PSF：秸秆-薯渣混合料、SSF：秸秆-薯渣固态发酵产物、SFS：秸秆-薯渣青贮）的营养价值。混合料通过体外发酵试验，测定不同时间点的累积产气量，以及24 h体外发酵参数和养分降解率，并分析其发酵动力学参数与养分之间的相关性。结果表明：SFS除72 h，其余时间点的累积产气量均显著高于PSF和SSF（P＜0.05），SFS和SSF理论最大产气量显著高于PSF（P＜0.05），分别提高67.2%和71.6%，但PSF产气速度、产气延滞期显著高于SSF和SFS（P＜0.05）。相比PSF，SSF和SFS显著提高体外干物质降解率（IVDMD）、体外中性洗涤纤维降解率（IVNDFD）和体外粗蛋白质降解率（IVCPD）（P＜0.05），分别提高34.5%和5.1%、41.8%和5.9%、57.8%和50.0%。饲料最大产气量与酸性洗涤纤维（ADF）含量呈显著正相关关系（P＜0.05），产气速度与ADF呈显著负相关关系（P＜0.05），产气延滞期与ADF之间呈极显著负相关关系（P＜0.01），饲料发酵参数与粗蛋白质（CP）、粗灰分（Ash）、中性洗涤纤维（NDF）无相关性（P＞0.05）。结合产气量与体外降解数据可知，SSF和SFS饲用价值较高，为秸秆-薯渣混合料作为饲料原料合理配制反刍动物日粮提供理论指导。

体外产气；营养价值；水稻秸秆；马铃薯渣

马铃薯淀粉渣是加工过程中产生的富含高营养物质的残渣（Karl和Pedersen，2005），是一种较理想的反刍动物粗饲料原料 （雷恒等，2011；Aibibula等，2004）。马铃薯淀粉鲜渣中可分离30多种菌种，且含水量高达90%，从而使得其应用受限（Mayer，1998）。研究发现，将秸秆等高纤维性吸收剂和马铃薯淀粉渣混合饲喂家畜，或者利用微生物进行发酵可以减缓薯渣和秸秆废弃物对环境造成的污染（Wang等，2016；Liu等，2013；Sugimoto等，2010；Okine等，2005），通过发酵还可以良好贮存薯渣，提高其利用率（Fransen和Strubi，2006、1998）。饲料品质优劣会直接影响反刍动物营养水平，饲料原料不同的处理方式，会造成原料在瘤胃内发酵情况不同，从而影响反刍动物生长（王芳等，2016；曹志军等，2015；Linehna等，1978）。因此，对不同处理的薯渣-秸秆混合饲料进行营养价值评定，使其在日粮配制中得到合理利用，充分发挥其饲用价值是非常必要的。目前评定饲料营养价值的方法主要有体外法、体内法和尼龙袋法（赵江波等，2016）。Menke等（1979）研究的体外法相比较体内法与尼龙袋法具有简单、快速、重复性好、样品数量大等优点而被广泛应用（王芳等，2016；薛艳峰等，2015；陈光吉等，2015）。

本试验主要利用体外产气法评定不同处理水稻秸秆-马铃薯淀粉渣混合料的瘤胃发酵特性与体外降解情况，并分析其营养成分与产气参数的相关性，为其在反刍动物日粮中合理配制提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料制备 PSF（秸秆-薯渣混合料）：水稻秸秆与马铃薯淀粉渣（以干基计）混合配制成含水量70%的饲料原料，该原料不做任何处理。

SSF（秸秆-薯渣固态发酵产物）：将PSF混合料装入500 mL锥形瓶，蒸汽灭菌5 min，冷却至室温，接种5%混合菌液白地霉：黑曲霉变种=10∶1 （V/V），菌种购自中国微生物工业菌种保藏中心，料层厚度6 cm，28℃发酵，发酵时间60 h。

SFS（秸秆-薯渣青贮）：将PSF混合料抽真空，袋封（聚乙烯袋，550×650 mm），暗处通风，冬季室温23℃左右发酵45 d。

以上三种样品由本实验室前期制取，所有饲料原料均已经65℃烘干，粉碎过40目，密封保存。

1.2 体外发酵试验 体外产气量测定所采用的体外装置是根据Menke等（1979）提出的，经由实验室改装的人工瘤胃发酵装置，具体步骤参考刘薇等（2012）进行。本试验发酵系统为注射器系统。瘤胃液取自3头装有永久瘤胃瘘管的非泌乳期中国荷斯坦奶牛。晨饲2 h前采集不同位点瘤胃液，装入预热并通入CO2保温瓶中，封口，迅速带回实验室。用四层纱布过滤瘤胃液，按体积比与人工唾液混合（瘤胃液∶人工唾液1∶2），再快速分装至装有0.2 g（精确至万分之一），且已预热并持续通有CO2的玻璃注射器（容积100mL，最小分度1mL），39℃恒温水浴摇床培养。其中人工唾液根据Menke等（1979）方法进行配制。每个处理3个空白管，除24 h增加3个培养管，用于测定体外发酵参数，其余时间点设置3个重复，用于测定体外产气量，用发酵装置主体为DSHZ-600恒温水浴摇床，箱体具有56支培养管的圆形PVC材质插孔，水浴温度和振荡频率都是可以调节的，培养管是德国制造的特种玻璃注射器，容积100mL，每次使用前涂少量液体石蜡层在针管移动四周，防止漏气，并减少其向上移动的阻力。在产气过程中，记录2、4、8、10、12、16、24、36、48、72 h产气量，并在发酵24 h后，迅速取出培养管，冰浴，将管中液体迅速排出测定pH （Sartorius PB-10型酸度计），然后培养液低温离心（4℃，8000 r/min，15 min），上清液-20℃保存，用于测定挥发性脂肪酸（VFA）与氨氮（NH3-N）含量，具体参照辛杭书等（2015）方法进行测定。同时将离心沉淀物于自来水细流下冲洗，直至水澄清透亮，没有任何气味为止。然后65℃烘干，备用测定体外干物质降解率（IVDMD）、体外中性洗涤纤维降解率（IVNDFD）、体外粗蛋白质降解率（IVCPD）。

1.3 养分测定及指标计算公式

1.3.1 常规养分测定 饲料的干物质（DM）、粗蛋白质 （CP）、粗灰分 （Ash）含量测定按照杨胜（1993）中的方法进行。中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维 （ADF）含量分析根据Van Soest等（1981）方法进行测定。

1.3.2 计算方法 某一时间段净产气量/mL=某时间段累积产气量/mL-对应时间段空白平均产气量/mL。采用以下模型进行产气动力学参数计算：Y=B（1-e-c（t-lag））

其中，该方程式主要针对底物0.2000 g；Y为t时间点的该底物DM的累积产气量；B为该底物DM理论最大产气量；c为产气速度，mL/h；t为体外培养时间，h；lag为产气延滞期，h。

体外DM（NDF、CP）降解率/%=[样品中DM （NDF、CP）量－降解后残渣中DM（NDF、CP）量]/样品中DM（NDF、CP）量×100。

1.4 数据处理 数据用Excel进行整理，用SAS 9.0软件的ANOVA程序分析和Duncan氏多重比较，并采用SAS中的CORR程序对饲料发酵动力学参数与营养成分之间做相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对秸秆-薯渣混合料成分组成的影响由表1可知，SSF处理组DM含量最高，占鲜重（FM）42.88%，显著高于其他两个处理组 （P＜0.05）。SFS处理组CP含量最低，为6.60%DM，最高为SSF处理组，含量为7.77%DM。PSF处理组Ash含量最低，为10.84%DM，显著低于其他两个处理组（P＜0.05）。

表1 不同处理对秸秆-薯渣成分组成的影响

2.2 不同处理秸秆-薯渣对累积产气量及产气参数的影响 由表2可知，三种不同处理的秸秆饲料原料在体外培养中，产气量随着发酵时间的延长逐渐增加。在72 h之前，SFS产气量一直处于最高，各个时间点的累积产气量显著高于其他两个处理组（P＜0.05）。SSF各个时间点的累积产气量一直比PSF高，且差异显著（P＜0.05），而SSF 和SFS两组间差异不显著 （P＞0.05）。相比较PSF，SSF和 SFS产气量分别提高了 67.2%和71.6%。PSF的产气速度和产气延滞期显著高于其他两个处理组 （P＜0.05）。SFS产气速度为0.0712 mL/h，显著高于SSF（P＜0.05），而产气延滞期显著低于SSF，其值为0.8110 h（P＜0.05）。

表2 不同处理秸秆-薯渣对累积产气量及产气参数的影响

2.3 不同处理秸秆-薯渣对pH、挥发性脂肪酸与氨氮含量的影响 由表3可知，不同处理方法对秸秆-薯渣混合料体外培养pH无显著影响 （P＞0.05）。但是不同处理组体外培养对氨氮浓度影响显著（P＜0.05），其中PSF氨氮浓度最高，其次是SFS处理组，最低为SSF处理组。不同处理方法对秸秆-薯渣混合物体外发酵的总挥发性脂肪酸、异丁酸、丁酸含量有显著影响（P＜0.05），其中，SSF的总挥发性脂肪酸、异丁酸、丁酸含量最高，其次是SFS，最低是PSF处理组。与PSF处理组相比，SSF和SFS处理组间乙酸含量显著提高 （P＜0.05），但SSF和SFS两处理组乙酸含量差异不显著 （P＞0.05）。SFS丙酸含量显著高于 SSF和PSF，而SSF和PSF丙酸含量无显著差异 （P＜0.05）。SFS与PSF异丁酸含量差异不显著 （P＞0.05），而显著低于SSF（P＜0.05）。PSF异戊酸含量显著高于SSF和SFS（P＜0.05）。SFS戊酸含量显著高于PSF和SSF（P＜0.05），而PSF和SSF戊酸含量无显著差异（P＞0.05）。SSF、PSF与SFS乙酸与丙酸比值差异显著（P＜0.05），且SSF乙酸与丙酸比值显著高于PSF和SFS（P＜0.05）。

2.4 不同处理秸秆-薯渣对体外发酵降解率的影响 由表4可知，与PSF处理组相比，SSF和SFS处理组均显著提高了体外干物质降解率、体外粗蛋白质降解率和体外中性洗涤纤维降解率 （P＜0.05），其中SSF处理组体外干物质降解率、体外粗蛋白质降解率和体外中性洗涤纤维降解率分别提高了34.5%、41.8%和57.8%。

2.5 产气参数与营养成分的相关分析 由表5可知，不同处理秸秆-薯渣混合料体外发酵参数与酸性洗涤纤维存在相关性，与粗蛋白质和中性洗涤纤维无相关性。理论最大产气量与酸性洗涤纤维含量呈现显著正相关（P＜0.05），产气速度与酸性洗涤纤维含量呈现极显著负相关（P＜0.01），产气延滞期与酸性洗涤纤维含量呈现显著负相关（P＜0.05）。最大产气量与产气速度与中性洗涤纤维、粗蛋白质和粗灰分不存在相关性，而产气延滞期与粗灰分含量呈现显著正相关（P＜0.05）。

表3 不同处理秸秆-薯渣对pH、挥发性脂肪酸含量与氨氮含量的影响

表4 不同处理秸秆-薯渣混合物的体外降解率%

表5 体外产气参数与营养成分的关系

3 讨论

3.1 秸秆与薯渣混合料营养成分 本研究中SSF的DM含量最高，主要原因可能是SSF是采用固态发酵秸秆-薯渣混合物的产物，其含水量必须满足固态发酵要求（郭维烈和郭庆华，2000）。而SSF的CP含量也最高，主要原因可能是SSF混合接种中有白地霉，该菌株在发酵过程中可生成饲料蛋白。SFS的DM、NDF、CP与ADF含量比PSF低，这是因为饲料在青贮过程中会造成营养物质流失，从而导致营养物质下降，这和王加启等（2005）研究结果一致。

3.2 不同处理秸秆体外产气量与体外降解率瘤胃微生物主要利用饲料中含碳部分代谢产生气体，体外产气量对于评价饲料价值，尤其对于组分含量相似的饲料营养价值，体外产气量更具有高度正相关性 （Muck等，2007）。本试验中SFS和SSF理论最大产气量比PSF高，因此，SFS和SSF具有较高的营养价值，说明微生物发酵在一定程度上可提高饲料质量。同时也有研究表明，饲料中蛋白组分含量越高，其产气量越低（布同良，2006；王芳等，2016），王芳等（2016）还指出经过微生物作用，可以改变纤维类成分的相对含量，从而利于瘤胃微生物发酵。

体外发酵产气量可以有效预测饲料消化率，但不能直接衡量饲料降解率，必须结合营养物质的体外降解指标来综合评定其营养价值（Menke等，1979）。本研究中SSF和SFS产气量都高于PSF，其营养物质降解率比PSF要高，说明PSF营养价值最低。本试验中，SSF的IVDMD最高，主要原因可能是SSF是接种黑曲霉和白地霉发酵薯渣和秸秆混合物的产物。其中黑曲霉可以利用纤维物质产生柠檬酸，而白地霉可以分解含氮物质生产菌体蛋白，因此提高了饲料中可降解部分。而SFS的IVDMD含量也高于PSF，主要原因在于秸秆-薯渣经过青贮，其产物含有大量非结构性碳水化合物，利于瘤胃微生物作用，且研究证明青贮处理可以提高饲料的营养价值 （Muck等，2007）。IVCPD是反刍动物蛋白质体系的基本参数。SFS由于纤维含量高而导致IVCPD较低。

饲料NDF组分会影响其在瘤胃中的降解率。NDF主要有纤维素、半纤维素和木质素组成。一般动物对木质素难以利用，因此，NDF含量与消化率并不存在一定的相关关系（王芳等，2016）。本试验结果显示，SSF的IVNDFD最高，主要是SSF中含有的黑曲霉可以高效利用纤维物质，使得其纤维组分发生变化，从而提高了NDF降解。而SFS的IVNDFD比PSF高，主要是青贮处理可以改变原料纤维类成分的相对比值，从而有效提高秸秆类饲料的瘤胃利用率 （王芳等，2016），同时TVFA的提高也为瘤胃微生物生长创造了更好的环境，利于纤维素的降解，这与张元庆等（2006）研究结果一致。

3.3 不同处理秸秆pH、氨氮与挥发性脂肪酸瘤胃液pH值是衡量瘤胃发酵状况的主要指标，当瘤胃内环境特别是pH改变时，会对纤维物质的消化产生影响。本试验中处理组间的pH值没有显著差异性，其值为6.65～6.71，与DePeters和Bath（1986）报道一致。

瘤胃内氨氮浓度可以综合反映饲料蛋白质在瘤胃中的降解以及微生物利用氮的情况。氨氮主要为微生物合成菌体蛋白提供氮源。一般情况下，NH3-N最适浓度为20～50mg/L，而PSF处理组NH3-N含量＞5 mg/100 mL（5.21 mg/100 mL），不在最适宜的氨氮浓度范围之内，容易造成氨中毒，进而降低动物采食量，影响生产性能（Calabro等，2009）。其中SSF处理组NH3-N含量低于SFS处理组，这可能是由于SSF处理组中的支链脂肪酸含量高于SFS处理组，促进微生物蛋白质的合成，因此减少了氨氮的产生。

在反刍动物瘤胃中，绝大部分碳水化合物被微生物降解为挥发性脂肪酸（VFA），成为瘤胃微生物增殖的主要碳架来源（王芳等，2016），主要由乙酸、丙酸和丁酸构成。本研究结果显示，SSF 和SFS提高了TVFA，说明青贮和固态发酵可以提高饲料的TVFA，可能由于饲料在微生物作用下，原料细胞壁结构松动，底物易于被微生物利用，产生更多 TVFA（Calabro等，2009）。SSF和SFS的乙酸/丙酸提高，说明其发酵模式倾向于乙酸模式。乙酸是乳脂合成主要物质，因此，该原料经过微生物作用提高了乙酸比例，促进了反刍动物生产性能。

3.4 产气参数与营养成分的相关性 饲料在发酵过程中所产生的气体主要来源于碳水化合物发酵。本试验结果表明，饲料体外瘤胃发酵参数主要受饲料中ADF组分的影响。该结果显示产气量与ADF存在正相关性，这与隋美霞研究结果一致（隋美霞，2009）。瘤胃体外发酵参数与NDF和CP含量不存在相关性，这可能是由于体外产气仅是模拟瘤胃环境，与真实体内环境有一定的差距，其次可能是饲料中部分NDF的缓慢降解与CP溶解性等引起饲料各成分化学性质不均一（王芳等，2016；王加启等，2005）。

4 结论

本研究结果表明，青贮或者固态发酵等微生物作用可以提高秸秆-薯渣混合料的体外产气量，促进原料的瘤胃消化率，还可以提高瘤胃乙酸型发酵，促进反刍动物生产性能。相关分析表明，饲料CP和NDF与体外瘤胃发酵参数无相关性，Ash仅与产气延滞期呈现负相关性，而ADF含量与体外瘤胃发酵参数最大理论产气量呈现显著正相关性，与产气速度与延滞期呈现不同程度负相关性。

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The objective of this study was to evaluate the nutritional value of straw-pulp at different treatments using in vitro gas production.The treatments were PSF，SSF and SFS.The PSF was the combination of the rice straw and the potato pulp with no additive.The SSF was the solid-state fermentation of the rice straw and the potato pulp.The SFSwas the silage of the rice straw and the potato pulp.The volume of gas production in different time，fermentation parameters and nutrient degradation rate of the three different feeds（PSF，SSF，SFS）at 24 h by in vitro weremeasured.Otherwise，the relationships between fermentation kinetics and nutrient composition were analyzed.The results showed that the volume of gas production of the SFS，was significantly increased except at 72 h compared with PSF and SSF（P＜0.05）.The theoretical gas production of the SFS and SSF were significantly increased compare with the PSF（P＜0.05），the value were 67.2% and 71.6%.But the rate of gas production and the demurrage time of the gas production in PSFwere both higher than the other two groups（P＜0.05）.The IVDMD，IVNDFD and IVCPD of the SSF and SFSwere higher than the PSF（P＜0.05）. Comparing to PSF the IVDMD in the two groups were increased by 34.5%and 5.1%，the IVNDFD were increased by 41.8%and 5.9%；the IVCPD were increased by 57.8%and 50.0%.Correlation analyses indicated that the theoreticalmaximum gas production was significant positively related to ADF（P＜0.05），the rate of gas production was significant negatively related to ADF（P＜0.05），and the demurrage time of the gas production was extremely significantnegatively related to ADF（P＜0.01）.But the gas production kinetic parameterswere no significant related to CP，Ash and NDF（P＞0.05）. Considering to the gas production and the degrade rate，the SSF and SFS have the high nutrition value as forage，which could supply scientific basis for diet formulation in dairy practice.

in vitro gas production；nutrient value；rice straw；potato pulp

S816.15

A

1004-3314（2017）01-0018-05

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20170104

安徽省高校自然科学研究项目（K2015B18）；滁州学院科研启动金（2014qd046）；农业部现代农业（奶牛）产业技术体系 （CARS-37）；滁州学院规划项目（2014GH47）