反刍动物日粮中淀粉与纤维的组合效应及其机理的研究

摘要

本课题比较了两种常用的体外产气体系(注射器体系和RPT体系)的差异，并选择合适的体系对稻草颗粒料中稻草和玉米的组合效应，进而从纯营养素的角度研究了反刍动物饲料间中性洗涤纤维(NDF)与淀粉的组合效应，并利用分子生物学技术定量瘤胃液中纤维素利用菌、甲烷菌，结合纤维素酶活和甲烷产量探讨组合效应的机理。 试验一以稻草NDF、羊草NDF和玉米淀粉为底物，设计了两个系列的混合物作为底物，混合物中淀粉的比例分别为0，10.0，20.0，25.0，33.3，50.0，55.6，62.5，71.4，83.3和100％，同时利用两个体系培养底物。记录0，2，4，6，9，12，24，36，48和72小时的产气量，并测定发酵底物中的挥发性脂肪酸和甲烷的产量。结果显示，两个体系之间的潜在产气量没有显著差异(p＞0.05)，但RPT体系短时间培养时的产气量和产气速度常数显著低于注射器体系。基于两个体系得到的24小时产气量(Gp24h)具有强相关性：注射器体系Gp24h(ml)=1.2628×RPT体系Gp24h(ml)+6.2592(R2=0.9784；P＜0.01；n=132)。RPT体系发酵后挥发性脂肪酸浓度显著低于注射器体系，但乙丙酸比例没有显著差异(p＞0.05)，完全消化单位底物时甲烷的产量也没有显著差异(p＞0.05)，这表明两种体系培养同一种底物时发酵模式是一致的。从本试验结果可知，两种体系的Gp24h可以相互换算，通过所建立的关系换算后可以将基于注射器体系所建立的一些公式和模型应用在RPT体系中；两种体系培养同一种底物时的发酵模式一致，当只需要对多种饲料的营养价值进行比较时，两种体系均可选择。研究者可以根据试验的目的和两种体系的优缺点，选择适合的体外产气体系。 试验二以稻草和玉米为原料，加入梯度变化的复合处理剂，制成系列稻草颗粒饲料，通过注射器体系评价颗粒料中稻草与NDF的组合效应。经过处理后的颗粒饲料的NDF含量在53.6％-66.6％之间，纤维的成份也有所改变，经过处理后的纤维更易消化，其他营养成份以及精粗比完全相同。各颗粒料中稻草和玉米发生的组合效应差异显著(p＜0.01)，组合效应值在0.6％-17.2％之间。颗粒中稻草与玉米的组合效应与NDF和玉米的比例呈强烈的二次线性关系：Y=-1.0919X2+34.23X-243.97(11≤X≤13)(R2=0.9841)(Y，组合效应值，％；X，玉米占玉米与NDF总和的百分比，％)。该试验结果表明精粗比并不是粗饲料与易发酵碳水化合物组合效应的决定因素，粗饲料与易发酵碳水化合物的实质是饲料中NDF与淀粉的比例。 试验三从营养素的角度出发，直接提取稻草NDF与纯玉米淀粉组合，玉米淀粉的含量分别为0，10.0，20.0，25.0，33.3，50.0，55.6，62.5，71.4，83.3和100％，通过RPT体系体外培养，记录0，2，4，6，9，12，24，36，48和72小时的产气量，研究其组合效应，并利用实时荧光定量PCR技术测定其纤维利用菌和甲烷菌的含量。体外评价时，所有的组合均发生正的组合效应，组合效应值随淀粉比例的上升而增高，当玉米淀粉占33.3％时表现出最大的组合效应值17.9％(24h)，随之开始下降。组合效应值随体外培养时间的变化而变化，在36h时达到最大值。当发生组合效应时，两种关键纤维素酶活(羧甲基纤维素酶和微晶纤维酶)、两种纤维素利用菌(黄化瘤胃球菌和产琥珀酸瘤胃杆菌)、总挥发性脂肪酸浓度、乙丙酸比例和甲烷产量也表现正的组合效应。 试验四选择具有代表性的三种NDF：劣质禾本科稻草NDF、优质禾本科羊草NDF和豆科苜蓿NDF，两种淀粉：慢速发酵的玉米淀粉和快速发酵的小麦淀粉，按3×2二因子设计六个系列的混合物，每个系列中淀粉的含量为0，10.0，20.0，25.0，33.3，50.0，55.6，62.5，71.4，83.3和100％，通过RPT体系体外培养，记录0，2，4，6，9，12，24，36，48和72小时的产气量，研究其组合效应，并利用实时荧光定量PCR技术测定其纤维利用菌和甲烷菌的含量。所有的NDF与淀粉均发生显著的正组合效应，没有发生明显负的效应。NDF和淀粉的来源及两者间的互作对组合效的最大值以及最大值发生的点有显著影响，易消化的NDF添加少量的淀粉(10％)组合效应即可达到最大值，而不易消化的NDF需要添加较多量的淀粉(33.3％)，组合效应才达最大值；不易消化的NDF与淀粉所产生的组合效应要明显，效应值大。易消化的NDF与不同来源的淀粉组合时，产生的组合效应差异则不明显。禾本科的NDF与淀粉发生组合效应时规律明显，但豆科NDF与淀粉发生组合时则无明显的规律，且效应值也要小。瘤胃慢速发酵的淀粉与NDF所产生的组合效应比易发酵的淀粉所产生的效应要明显，效应值更大。与试验三结果一致，纤维素酶活(羧甲基纤维素酶和微晶纤维酶)、纤维素利用菌(黄化瘤胃球菌和产琥珀酸瘤胃杆菌)、总挥发性脂肪酸浓度、乙丙酸比例和甲烷产量也表现正的组合效应。结果表明纤维素利用菌的增加及其分泌物纤维素酶活的增加是稻草NDF与玉米淀粉产生组合效应的机理之一，但消化层次上发生正组合效应时，消化能转化为代谢能以及代谢能转化为净能的效率均下降，即组合效应可能在消化层次和代谢层次上的表现不一致。 综上所述，本研究建立了两种体外产气体系之间的关系，并通过研究稻草复合处理颗粒料中的组合效应，确定了劣质粗饲料与易发酵碳水化合物之间组合效应的实质是NDF与淀粉的组合效应；描述了不同NDF与淀粉组合效应的规律；通过对微生物的研究，确认纤维素利用菌的增加及其分泌物纤维素酶活的增加是稻草NDF与玉米淀粉产生组合效应的机理之一，而且初步发现组合效应在消化层次上和代谢层次上的表现不尽一致。

目录

论文说明：图表一览表、缩略语与符号一览表

第一章文献综述

第一节反刍动物饲料间的组合效应

1现行反刍动物日粮配合模式及其存在问题

2反刍动物饲料间组合效应的概念

3反刍动物饲料间组合效应的衡量指标和研究方法

4反刍动物饲料间组合效应发生的可能机制

第二节体外产气技术

1体外技术的发展

2体外产气技术的原理及用途

3体外产气技术的种类

小结

第三节现代分子生物学技术在瘤胃微生态系统研究中的应用

1核酸探针

2基因序列分析

3遗传指纹技术

4全细胞原位杂交

5实时荧光定量PCR技术

小结

第四节本研究的目的意义与主要研究内容

第二章注射器式与压力式体外培养体系的比较

第一节两种培养体系对产气量及发酵模式的影响

1材料与方法

2结果与分析

第二节两种体外培养体系对发酵产物的影响

1材料与方法

2结果与分析

小结

第三章秸秆颗粒料中的组合效应

第一节颗粒料的制备及常规营养成份分析

1材料与方法

2结果与讨论

第二节体外培养及组合效应的分析

1材料与方法

2结果与讨论

小结

第四章稻草NDF与玉米淀粉组合效应的研究

第一节发酵参数

1材料与方法

2结果与分析

第二节纤维素消化的相关细菌及酶活

1材料与方法

2结果与分析

第三节甲烷菌及甲烷产量

1材料与方法

2结果与讨论

小结

第五章不同的NDF与不同淀粉组合效应的研究

第一节组合效应

1材料与方法

2结果与分析

第二节纤维素消化的相关细菌及酶活

1材料与方法

2结果与讨论

第三节甲烷菌及甲烷产量

1材料与方法

2结果与讨论

小结

第六章综合讨论

1体外产气体系

2 NDF与淀粉的组合效应

3 NDF与淀粉组合效应的机理

结论、创新点及后续研究展望

参考文献

博士期间发表论文

致谢