营养学中体外产气法的运用

作者：金恩望 周凌云 卜登攀 孙鹏 姜雅慧 李发弟 单位：中国农业科学院北京畜牧兽医研究所 甘肃农业大学动物科学技术学院

１体外产气法的原理

体外产气法的主要理念是通过体外产气装置模拟瘤胃发酵。体外产气系统有发酵装置、恒温晃动装置、气体量或压力测定装置和微生物培养液组成。发酵装置一般是注射器、血清管或玻璃瓶；恒温晃动装置一般是恒温培养箱或恒温水浴摇床；气体量或压力测定装置一般是在发酵装置上标定刻度或是压力传感器；微生物培养液是瘤胃液与人工唾液按一定比例配合的混合液。饲料的消化率不同，在限定时间内不同发酵阶段的产气量与产气率不同。饲料发酵体系在恒温厌氧的密闭空间内产生气体进而导致密闭空间的压力变化。体外产气法即利用饲料底物在体外产气系统中分解代谢产生的ＣＯ２、ＣＨ４等气体后引起反应空间体积或压力变化，通过定量这种体积或压力的变化来定量发酵产生气体量和产气速率，并测定底物降解后的残余量和发酵产物生成量等，实现对饲料营养价值的评价。体外产气法测得的有机物质消化率与在反刍动物活体内测定的结果呈高度正相关（Ｍｅｎｋｅ等，１９７９）。当体外利用缓冲瘤胃液消化饲料时，碳水化合物会降解成短链脂肪酸（ＳＣＦＡ）、气体和微生物的细胞成分。碳水化合物在降解为乙酸、丙酸、丁酸的过程中产生气体，主要包括ＣＯ２、ＣＨ４和Ｈ２。产气量取决于底物发酵和挥发性脂肪酸产量及其摩尔比例（Ｄａｖｉｅｓ等，２０００），与碳水化合物相比，蛋白质降解时的产气量要低（Ｗｏｌｉｎ等，１９６０），脂肪的产气量可以忽略不计。

２体外产气法在动物营养中的应用

２．１体外产气法在评价饲料营养价值方面的应用体外产气法的一个最重要、最原始的应用是评价反刍动物饲料的消化率和能值（Ｋｒｉｓｈｎａｍｏｏｒｔｈｙ等，２００５）。体外产气系统能有效评价营养物质的利用率，通过饲料降解过程中的产气量能较精确地评定饲料在动物体内的消化率（Ｓａｌｌａｍ等，２００７）。Ｈｕｈｔａｎｅｎ等（２００８ａ）用自动体外产气法预测１５种牧草青贮中性洗涤纤维的可消化性和潜在可消化中性洗涤纤维的一级有效消化率，结果表明可以用一个含６个参数的复杂的产气动态模型评价一级消化率。Ｋａｚｅｍｉ等（２００９）用体外产气法和半体内法评价假高粱、钾猪毛菜和田旋花等野生牧草的营养价值，结果表明假高粱与其他野生牧草相比具有较高的营养价值。Ｍｕｒｉｌｌｏ等（２０１１）用体外产气法评价了放牧阉牛日粮营养价值随季节性的变化规律，结果表明体外产气量是评价放牧牛日粮营养价值的一个很好的指标。利用体外产气法能对饲料可溶解部分和不可溶解部分的消化动态提供有用的数据，越来越多的研究者采用体外产气法对非传统饲料资源进行营养价值评价。Ｓｏｎｇｓａｋ等（２００５）用体外产气法评价了椰子树、棕榈树等热带饲料的营养价值，预测这些非牧草高纤维的热带饲料在瘤胃中会有较高的发酵活性。Ｓａｌｌａｍ等（２００７）用体外产气法预测稻草、亚麻子秸秆、甘蔗渣和埃及车轴草等饲料，瘤胃可发酵有机物质比例、产气动态、代谢能、净能和有机物质消化率，得出不同粗饲料碳水化合物的发酵能力具有很大的差别。Ｒａｚｌｉｇｉ等（２０１１）用体外产气法研究高压灭菌３０和６０ｍｉｎ对红花籽净能的影响，结果表明，从节省时间和能量的观点讲，高压灭菌３０ｍｉｎ对增加红花籽净能有较好的效果。为了降低畜牧业生产的成本，大量的农业副产品如棉籽壳、稻壳和甜菜渣等也用来饲喂反刍动物，这些农业副产品的营养价值可以通过体外产气法进行评定。Ａｇｈｓａｇｈａｌｉ等（２０１１）用体外产气法评价干番茄皮渣的营养价值，试验结果表明，番茄皮渣可以作为一种有价值的副产品应用于反刍动物饲料中。Ａｋｉｎ－ｆｅｍｉ等（２００９）用体外产气法评价了５种尼日利亚农业副产品饲料的营养价值，结果表明体外产气法能用于评价热带农业副产品的营养价值和区别它们的潜在可消化性和代谢能值，并证明了这些农业副产品具有成为反刍动物日粮的潜力。

２．２体外产气法在预测ＣＨ４方面的应用１９９１年美国环保局对全球ＣＨ４排放源和排放量进行了初步估测，结果表明反刍动物ＣＨ４排放量占ＣＨ４排放总量的１５％～２５％（李华伟，２００８），是全球温室效应的重要来源。瘤胃发酵能量损失主要来源于ＣＨ４的排放，有２％～１５％的饲料能量以ＣＨ４的形式被损耗（华金玲等，２００７），因此对瘤胃中ＣＨ４进行调控、预测ＣＨ４产量是很有必要的。体外产气法可以用来估算或测定日粮降解过程中ＣＨ４产生量，快速筛选日粮，评估并制定瘤胃中ＣＨ４缓释策略以提高反刍动物生产性能（Ｂｈａｔｔａ等，２００７）。Ｖｉｌｌａ等（２０１１）用产气法评价多年生黑麦草和２种红三叶草的３个不同收割时期的体外瘤胃发酵ＣＨ４产量，结果表明ＣＨ４产量的降低与牧草发酵程度的下降有关。在反刍动物营养中简单、准确地预测ＣＨ４产量并建立ＣＨ４产生模型对任何饲喂模式都是很重要的（Ｂｌｕｍｍｅｌ等，２００５）。Ｇｅｔａｃｈｅｗ等（２００５ｂ）对全混合日粮进行发酵时，结果发现体外产气法测定的ＣＨ４产量和公式推测值相似，且饲喂高粗日粮的反刍动物的ＣＨ４产生量可以通过体外产气法预测。李华伟（２００８）用体外产气法与六氟化硫示踪法两种方法测定内蒙古白绒山羊ＣＨ４产生量，并据此建立的回归方程为：ｙ＝０．６８４ｘ＋９．７９８（Ｒ２＝０．８４０），结果表明完全可以通过体外产气法估测放牧绒山羊的ＣＨ４产生量。Ｇｅｏｕｇｈ等（２０１１）用体外产气法定量几种青贮饲料发酵产生的ＣＨ４产量和总产气量，并对这些饲料的化学成分进行回归分析以评估变量之间的关系，得出每单位饲料发酵ＣＨ４产量变异的９６％是由体外有机物质消化率、中性洗涤纤维和灰分所导致的。显然，体外产气法作为一种相对廉价的方法，能大规模地测定ＣＨ４排放和评判抑制ＣＨ４产生的策略。

２．３体外产气法在预测自由采食量方面的应用反刍动物的生产性能主要取决于动物所采食饲料的质和量，主要反映在动物自由采食量和饲料在瘤胃内的消化率（Ｇｅｔａｃｈｅｗ等，２００５ａ）。反刍动物对粗饲料利用的主要限制是自由采食量，因此准确地预测自由采食量对现代饲料评价系统是很重要的（Ｙｅａｒｓｌｅｙ等，２００１）。体外产气法可以用于预测干物质采食量，许多研究者已经报道体外产气量与干物质采食量之间存在很强的相关性（Ｃｈｅｎｏｓｔ等，１９９７；Ｐａｓｈａｅｉ等，２０１０）。中性洗涤纤维比整体粗饲料的发酵产气量与自由采食量的相关性要高（８２％和７５％）（Ｇｅｔａｃｈｅｗ等，１９９８），所以用中性洗涤纤维的产气量预测采食量更为准确。通过建立数学模型预测采食量也是一种很好的方式。体外产气法导出的动态参数能较好地预测羊的采食量（Ｒｏｄｒｉｇｕｅｓ等，２００２）。Ｈｅｔｔａ等（２００７）通过体外产气法建立干样和湿样青贮料发酵的预测青贮料干物质采食量的模型，建议用产气法估测采食量时用青贮干样进行发酵。Ｋａｍａｌａｋ等（２００５）用体外产气法预测成年羊对几种牧草的干物质采食量及其消化率，结果表明所有时间点的产气量和产气常数与干物质采食量或干物质消化率显著相关（Ｐ＜０．００１），说明体外产气法在预测干物质采食量和干物质消化率方面具有很好的潜力。