營養(yǎng)學(xué)中體外產(chǎn)氣法的運(yùn)用

1、營養(yǎng)學(xué)中體外產(chǎn)氣法的運(yùn)用 作者：金恩望 周凌云 卜登攀 孫鵬 姜雅慧 李發(fā)弟 單位：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 1體外產(chǎn)氣法的原理 體外產(chǎn)氣法的主要理念是通過體外產(chǎn)氣裝置模擬瘤胃發(fā)酵。體外產(chǎn)氣系統(tǒng)有發(fā)酵裝置、恒溫晃動裝置、氣體量或壓力測定裝置和微生物培養(yǎng)液組成。發(fā)酵裝置一般是注射器、血清管或玻璃瓶；恒溫晃動裝置一般是恒溫培養(yǎng)箱或恒溫水浴搖床；氣體量或壓力測定裝置一般是在發(fā)酵裝置上標(biāo)定刻度或是壓力傳感器；微生物培養(yǎng)液是瘤胃液與人工唾液按一定比例配合的混合液。飼料的消化率不同，在限定時(shí)間內(nèi)不同發(fā)酵階段的產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣率不同。飼料發(fā)酵體系在恒溫厭氧的密閉空間內(nèi)產(chǎn)生氣

2、體進(jìn)而導(dǎo)致密閉空間的壓力變化。體外產(chǎn)氣法即利用飼料底物在體外產(chǎn)氣系統(tǒng)中分解代謝產(chǎn)生的co2、ch4等氣體后引起反應(yīng)空間體積或壓力變化，通過定量這種體積或壓力的變化來定量發(fā)酵產(chǎn)生氣體量和產(chǎn)氣速率，并測定底物降解后的殘余量和發(fā)酵產(chǎn)物生成量等，實(shí)現(xiàn)對飼料營養(yǎng)價(jià)值的評價(jià)。體外產(chǎn)氣法測得的有機(jī)物質(zhì)消化率與在反芻動物活體內(nèi)測定的結(jié)果呈高度正相關(guān)（menke等，1979）。當(dāng)體外利用緩沖瘤胃液消化飼料時(shí)，碳水化合物會降解成短鏈脂肪酸（scfa）、氣體和微生物的細(xì)胞成分。碳水化合物在降解為乙酸、丙酸、丁酸的過程中產(chǎn)生氣體，主要包括co2、ch4和h2。產(chǎn)氣量取決于底物發(fā)酵和揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量及其摩爾比例（dav

3、ies等，2000），與碳水化合物相比，蛋白質(zhì)降解時(shí)的產(chǎn)氣量要低（wolin等，1960），脂肪的產(chǎn)氣量可以忽略不計(jì)。 2體外產(chǎn)氣法在動物營養(yǎng)中的應(yīng)用 21體外產(chǎn)氣法在評價(jià)飼料營養(yǎng)價(jià)值方面的應(yīng)用體外產(chǎn)氣法的一個(gè)最重要、最原始的應(yīng)用是評價(jià)反芻動物飼料的消化率和能值（krishnamoorthy等，2005）。體外產(chǎn)氣系統(tǒng)能有效評價(jià)營養(yǎng)物質(zhì)的利用率，通過飼料降解過程中的產(chǎn)氣量能較精確地評定飼料在動物體內(nèi)的消化率（sallam等，2007）。huhtanen等（2008a）用自動體外產(chǎn)氣法預(yù)測15種牧草青貯中性洗滌纖維的可消化性和潛在可消化中性洗滌纖維的一級有效消化率，結(jié)果表明可以用一個(gè)含6個(gè)參數(shù)的

4、復(fù)雜的產(chǎn)氣動態(tài)模型評價(jià)一級消化率。kazemi等（2009）用體外產(chǎn)氣法和半體內(nèi)法評價(jià)假高粱、鉀豬毛菜和田旋花等野生牧草的營養(yǎng)價(jià)值，結(jié)果表明假高粱與其他野生牧草相比具有較高的營養(yǎng)價(jià)值。murillo等（2011）用體外產(chǎn)氣法評價(jià)了放牧閹牛日糧營養(yǎng)價(jià)值隨季節(jié)性的變化規(guī)律，結(jié)果表明體外產(chǎn)氣量是評價(jià)放牧牛日糧營養(yǎng)價(jià)值的一個(gè)很好的指標(biāo)。利用體外產(chǎn)氣法能對飼料可溶解部分和不可溶解部分的消化動態(tài)提供有用的數(shù)據(jù)，越來越多的研究者采用體外產(chǎn)氣法對非傳統(tǒng)飼料資源進(jìn)行營養(yǎng)價(jià)值評價(jià)。songsak等（2005）用體外產(chǎn)氣法評價(jià)了椰子樹、棕櫚樹等熱帶飼料的營養(yǎng)價(jià)值，預(yù)測這些非牧草高纖維的熱帶飼料在瘤胃中會有較高的發(fā)酵

5、活性。sallam等（2007）用體外產(chǎn)氣法預(yù)測稻草、亞麻子秸稈、甘蔗渣和埃及車軸草等飼料，瘤胃可發(fā)酵有機(jī)物質(zhì)比例、產(chǎn)氣動態(tài)、代謝能、凈能和有機(jī)物質(zhì)消化率，得出不同粗飼料碳水化合物的發(fā)酵能力具有很大的差別。razligi等（2011）用體外產(chǎn)氣法研究高壓滅菌30和60min對紅花籽凈能的影響，結(jié)果表明，從節(jié)省時(shí)間和能量的觀點(diǎn)講，高壓滅菌30min對增加紅花籽凈能有較好的效果。為了降低畜牧業(yè)生產(chǎn)的成本，大量的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品如棉籽殼、稻殼和甜菜渣等也用來飼喂反芻動物，這些農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值可以通過體外產(chǎn)氣法進(jìn)行評定。aghsaghali等（2011）用體外產(chǎn)氣法評價(jià)干番茄皮渣的營養(yǎng)價(jià)值，試驗(yàn)結(jié)果表明

6、，番茄皮渣可以作為一種有價(jià)值的副產(chǎn)品應(yīng)用于反芻動物飼料中。akinfemi等（2009）用體外產(chǎn)氣法評價(jià)了5種尼日利亞農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品飼料的營養(yǎng)價(jià)值，結(jié)果表明體外產(chǎn)氣法能用于評價(jià)熱帶農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值和區(qū)別它們的潛在可消化性和代謝能值，并證明了這些農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品具有成為反芻動物日糧的潛力。 22體外產(chǎn)氣法在預(yù)測ch4方面的應(yīng)用1991年美國環(huán)保局對全球ch4排放源和排放量進(jìn)行了初步估測，結(jié)果表明反芻動物ch4排放量占ch4排放總量的1525（李華偉，2008），是全球溫室效應(yīng)的重要來源。瘤胃發(fā)酵能量損失主要來源于ch4的排放，有215的飼料能量以ch4的形式被損耗（華金玲等，2007），因此對瘤胃中c

7、h4進(jìn)行調(diào)控、預(yù)測ch4產(chǎn)量是很有必要的。體外產(chǎn)氣法可以用來估算或測定日糧降解過程中ch4產(chǎn)生量，快速篩選日糧，評估并制定瘤胃中ch4緩釋策略以提高反芻動物生產(chǎn)性能（bhatta等，2007）。villa等（2011）用產(chǎn)氣法評價(jià)多年生黑麥草和2種紅三葉草的3個(gè)不同收割時(shí)期的體外瘤胃發(fā)酵ch4產(chǎn)量，結(jié)果表明ch4產(chǎn)量的降低與牧草發(fā)酵程度的下降有關(guān)。在反芻動物營養(yǎng)中簡單、準(zhǔn)確地預(yù)測ch4產(chǎn)量并建立ch4產(chǎn)生模型對任何飼喂模式都是很重要的（blummel等，2005）。getachew等（2005b）對全混合日糧進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)體外產(chǎn)氣法測定的ch4產(chǎn)量和公式推測值相似，且飼喂高粗日糧的反芻動

8、物的ch4產(chǎn)生量可以通過體外產(chǎn)氣法預(yù)測。李華偉（2008）用體外產(chǎn)氣法與六氟化硫示蹤法兩種方法測定內(nèi)蒙古白絨山羊ch4產(chǎn)生量，并據(jù)此建立的回歸方程為：y0684x9798（r20840），結(jié)果表明完全可以通過體外產(chǎn)氣法估測放牧絨山羊的ch4產(chǎn)生量。geough等（2011）用體外產(chǎn)氣法定量幾種青貯飼料發(fā)酵產(chǎn)生的ch4產(chǎn)量和總產(chǎn)氣量，并對這些飼料的化學(xué)成分進(jìn)行回歸分析以評估變量之間的關(guān)系，得出每單位飼料發(fā)酵ch4產(chǎn)量變異的96是由體外有機(jī)物質(zhì)消化率、中性洗滌纖維和灰分所導(dǎo)致的。顯然，體外產(chǎn)氣法作為一種相對廉價(jià)的方法，能大規(guī)模地測定ch4排放和評判抑制ch4產(chǎn)生的策略。 23體外產(chǎn)氣法在預(yù)測自由采

9、食量方面的應(yīng)用反芻動物的生產(chǎn)性能主要取決于動物所采食飼料的質(zhì)和量，主要反映在動物自由采食量和飼料在瘤胃內(nèi)的消化率（getachew等，2005a）。反芻動物對粗飼料利用的主要限制是自由采食量，因此準(zhǔn)確地預(yù)測自由采食量對現(xiàn)代飼料評價(jià)系統(tǒng)是很重要的（yearsley等，2001）。體外產(chǎn)氣法可以用于預(yù)測干物質(zhì)采食量，許多研究者已經(jīng)報(bào)道體外產(chǎn)氣量與干物質(zhì)采食量之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性（chenost等，1997；pashaei等，2010）。中性洗滌纖維比整體粗飼料的發(fā)酵產(chǎn)氣量與自由采食量的相關(guān)性要高（82和75）（getachew等，1998），所以用中性洗滌纖維的產(chǎn)氣量預(yù)測采食量更為準(zhǔn)確。通過建立數(shù)

10、學(xué)模型預(yù)測采食量也是一種很好的方式。體外產(chǎn)氣法導(dǎo)出的動態(tài)參數(shù)能較好地預(yù)測羊的采食量（rodrigues等，2002）。hetta等（2007）通過體外產(chǎn)氣法建立干樣和濕樣青貯料發(fā)酵的預(yù)測青貯料干物質(zhì)采食量的模型，建議用產(chǎn)氣法估測采食量時(shí)用青貯干樣進(jìn)行發(fā)酵。kamalak等（2005）用體外產(chǎn)氣法預(yù)測成年羊?qū)追N牧草的干物質(zhì)采食量及其消化率，結(jié)果表明所有時(shí)間點(diǎn)的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣常數(shù)與干物質(zhì)采食量或干物質(zhì)消化率顯著相關(guān)（p0001），說明體外產(chǎn)氣法在預(yù)測干物質(zhì)采食量和干物質(zhì)消化率方面具有很好的潛力。#p#分頁標(biāo)題#e# 24體外產(chǎn)氣法在評價(jià)飼料組合效應(yīng)方面的應(yīng)用反芻動物日糧配比時(shí)凈能或代謝能值一般是通

11、過其所包含各種飼料原料能值求和計(jì)算得來的，這種計(jì)算基于各種飼料原料與其他原料配合飼喂時(shí)凈能或代謝能值不變的假設(shè)成立，但這種假設(shè)并不一定正確（robinson等，2009）。盧德勛（2000）對組合效應(yīng)做了明確的定義，日糧的組合效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是指來自不同飼料源的營養(yǎng)性物質(zhì)、非營養(yǎng)性物質(zhì)及抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)之間互作的整體效應(yīng)。近幾年來反芻動物飼料組合效應(yīng)的研究成為熱點(diǎn)。kiran等（2007）通過產(chǎn)氣法評價(jià)日糧時(shí)指出飼料間的組合效應(yīng)發(fā)生在發(fā)酵12h以內(nèi)。robinson等（2009）用體外產(chǎn)氣法測定4種飼料的兩兩組合在發(fā)酵72h內(nèi)的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的組合效應(yīng)以確定這些組合在相同的時(shí)間是否有相同的組合效應(yīng)。nasse

12、r等（2009）用體外產(chǎn)氣法研究了未處理或生物學(xué)處理的亞麻稻草和埃及車軸草之間的組合效應(yīng)，當(dāng)未處理和生物學(xué)處理過的亞麻稻草與干草混合發(fā)酵時(shí)均對產(chǎn)氣量表現(xiàn)出正的組合效應(yīng)，因此可以通過與埃及車軸草等優(yōu)質(zhì)牧草混合發(fā)酵來提高亞麻稻草的降解率，而不必經(jīng)過生物學(xué)處理。由此可見，體外產(chǎn)氣法可以用于反芻動物粗飼料組合效應(yīng)的評價(jià)。 25體外產(chǎn)氣法在人和其他單胃動物營養(yǎng)中的應(yīng)用體外產(chǎn)氣法多用于反芻動物研究，但是也能用于人和其他單胃動物食物營養(yǎng)價(jià)值的評價(jià)和后腸消化及發(fā)酵的預(yù)測（williams等，2005）。后腸道微生物菌群對單胃動物和人的健康都有重要的影響，對微生物發(fā)酵有益的刺激是提高豬腸道健康的一個(gè)途徑（wil

13、liams等，2001）。williams等（2001）提議用體外產(chǎn)氣法評價(jià)單胃動物飼料成分的發(fā)酵特性的可能性。rink等（2011）用改進(jìn)的體外產(chǎn)氣法研究添加甜菜堿對豬糞基質(zhì)微生物的發(fā)酵活性，結(jié)果表明了改進(jìn)的體外產(chǎn)氣法是評價(jià)碳水化合物與蛋白質(zhì)組合體外發(fā)酵特性的一種經(jīng)濟(jì)、快速和可靠的方法，同時(shí)也說明了飼料添加劑對豬腸道微生物發(fā)酵過程有促進(jìn)作用。 3體外產(chǎn)氣法中產(chǎn)氣數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用 反芻動物對粗飼料的利用主要是靠瘤胃微生物的降解作用，掌握粗飼料降解特征，并依據(jù)降解特征來評價(jià)粗飼料品質(zhì)和在反芻動物營養(yǎng)中飼料在瘤胃中發(fā)酵模式是非常重要的。體外產(chǎn)氣法可以通過詳細(xì)描述產(chǎn)氣動力學(xué)研究飼料不同成分的降解特性（

14、krishnamoorthy等，2005）。不同化學(xué)成分發(fā)酵產(chǎn)氣的速率能反映瘤胃微生物的生長和對飼料的利用程度。通過記錄不同時(shí)間點(diǎn)的產(chǎn)氣量，形成產(chǎn)氣量的動態(tài)變化曲線，分析動態(tài)數(shù)據(jù)來評價(jià)不同飼料組成的發(fā)酵程度和預(yù)測飼料消化率（隋美霞，2009）。飼料發(fā)酵的動力學(xué)參數(shù)主要與飼料中可溶、不可溶但能降解和不能降解部分的相對比例有關(guān)，可以由發(fā)酵產(chǎn)氣量和緩沖液緩沖短鏈脂肪酸所釋放的氣體量計(jì)算得到。體外累積產(chǎn)氣的測定給瘤胃液中飼料動態(tài)消化提供了有價(jià)值的信息。數(shù)學(xué)模型是描述和解釋體外產(chǎn)氣動力學(xué)必要的工具，隨著體外產(chǎn)氣法的不斷完善和發(fā)展，許多應(yīng)用于體外產(chǎn)氣法的數(shù)學(xué)模型相繼被提出，主要包括指數(shù)模型和s型模型兩種（

15、france等，2000）。rskova等（1979）建立了可以用體外產(chǎn)氣法動力學(xué)描述的指數(shù)模型：yb（lect），其中，y表示t時(shí)間點(diǎn)的產(chǎn)氣量；b表示潛在產(chǎn)氣量；c表示產(chǎn)氣速率。mcdonald等（1981）在指數(shù)模型基礎(chǔ)上提出了與尼龍袋法估測降解率相近的新指數(shù)模型：pab（lect），其中，p表示培養(yǎng)t時(shí)間點(diǎn)的產(chǎn)氣量；a表示速溶物質(zhì)；b表示不溶可發(fā)酵物質(zhì)；c表示b的產(chǎn)氣常數(shù)。邏輯斯蒂模型和岡珀茨模型都是經(jīng)典生長模型，基于產(chǎn)氣率受流通的微生物量和底物水平影響的假說，schofield等（1994）首次用邏輯斯蒂模型和岡珀茨模型研究體外產(chǎn)氣動力學(xué)；岡珀茨模型具有較好的擬合度，然而，邏輯斯蒂模型

16、具有正的截距，預(yù)測產(chǎn)氣量時(shí)將產(chǎn)生模型所固有的誤差。米氏模型多用來描述酶學(xué)動力學(xué)，groot等（1996）第一次用米氏模型描述體外產(chǎn)氣動力學(xué)；米氏模型沒有固定拐點(diǎn)和能表現(xiàn)出較寬范圍曲線形狀。一些研究者報(bào)道米氏模型能降低均方根而表現(xiàn)出較高的擬合度（calabrò等，2005；huhtanen等，2008b）。groot等（1996）建立了三段模型來區(qū)分飼料中可溶、不可溶但能降解和不能降解的部分。從理論上來講，此模型能夠提供很有用的數(shù)據(jù)，但該模型的利用需要大量時(shí)間點(diǎn)的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)支撐。wang等（2011）在邏輯斯蒂模型的基礎(chǔ)上引入一個(gè)形狀參數(shù)，建立具有更靈活函數(shù)功能的邏輯斯蒂指數(shù)模型，并通過與6個(gè)單池模型