毛宏祥,陸相龍,金宜全,楊 光,王文丹,吳天佑,李倩倩,蘇衍菁*
(1.光明牧業(yè)有限公司,上海 200436;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南長沙 410128)
揮發(fā)性脂肪酸(Volatile Fatty Acids,VFA)是飼料中碳水化合物和蛋白質(zhì)在瘤胃微生物發(fā)酵下可利用的終產(chǎn)物,是維持反芻家畜生命和生產(chǎn)的主要能量來源,為反芻家畜提供70%~80%的能量。VFA 包括乙酸、丙酸、丁酸和其他短鏈脂肪酸,其中乙酸、丙酸和丁酸占瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生VFA 總產(chǎn)量的95%[1]。乙酸和丙酸分別是反芻家畜合成乳脂和乳蛋白的前體物,丁酸是脂肪合成的前體物[2]。據(jù)Dong 等[3]和Kliem 等[4]報道,VFA產(chǎn)量及各組分比例影響奶牛的產(chǎn)奶量和乳蛋白與乳脂含量,對維持奶牛的正常能量代謝至關(guān)重要。
VFA 產(chǎn)量及各組分比例受日糧組成、日糧加工方式、瘤胃液pH、瘤胃微生物種類、能量攝入水平和環(huán)境溫度等多種因素影響[5-6]。目前,對于群體中(如牧場所有牛只)反芻家畜瘤胃VFA 產(chǎn)量及各組分比例的測定比較困難,且耗時耗財,因此許多科研人員建立了相應(yīng)的模型來預(yù)測VFA 產(chǎn)量及各組分比例,但是利用這些模型在評估不同時間和不同地區(qū)的數(shù)據(jù)時估算精度差異較大[7]。迄今為止,我國反芻家畜瘤胃VFA 產(chǎn)量及各組分比例的模型研究較少,而且模型的估算精度并不一致。本文就反芻家畜瘤胃VFA 的生成機制和國內(nèi)外經(jīng)典預(yù)測模型進行綜述,旨在為進一步研究VFA 模型的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。
碳水化合物在被瘤胃微生物降解的過程中會產(chǎn)生大量的電子載體,其中大部分電子載體被微生物利用,并代謝生成乙酸、丙酸、丁酸以及其他短鏈脂肪酸(圖1)。Guyader 等[8]研究發(fā)現(xiàn),瘤胃中VFA 產(chǎn)量及各組分比例差異的根本原因是日糧組成上的差異性(主要是淀粉和中性洗滌纖維的含量),這導(dǎo)致瘤胃中微生物數(shù)量、種類和各種微生物的活性和比例不同,最終影響瘤胃內(nèi)VFA 產(chǎn)量及各組分比例。Prieto 等[9]報道,提高日糧精料比例會增加VFA 產(chǎn)量、改變VFA 各組分比例,從而提高反芻家畜的生產(chǎn)性能(如產(chǎn)奶量)。然而VFA作為弱酸,大部分在瘤胃中電解離釋放出H+,導(dǎo)致瘤胃液pH 降低,當(dāng)VFA 產(chǎn)量過高,且已超過瘤胃中和釋放出H+的能力時,可能會引發(fā)瘤胃酸中毒[10]。因此,利用飼料中的營養(yǎng)成分來預(yù)測VFA 產(chǎn)量及各組分比例對反芻家畜的健康和生產(chǎn)具有一定意義。
圖1 碳水化合物生成VFA 途徑
反芻家畜瘤胃VFA 數(shù)學(xué)模型包括機制模型和經(jīng)驗?zāi)P?,其中機制模型也稱化學(xué)計量學(xué)模型?;瘜W(xué)計量學(xué)模型主要通過測定或估算日糧各化學(xué)組分在瘤胃內(nèi)的有效降解量,建立日糧各化學(xué)組分和VFA 各組分之間的關(guān)系;經(jīng)驗?zāi)P椭饕峭ㄟ^統(tǒng)計大量數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)之間的規(guī)律,通過線性擬合建立相應(yīng)的模型。一般來說,機制模型大多可以預(yù)測瘤胃VFA 產(chǎn)量,通過VFA 產(chǎn)量進一步確定VFA 各組分比例,故VFA 產(chǎn)量模型是兩者兼之;經(jīng)驗?zāi)P痛蠖鄶?shù)只能預(yù)測瘤胃VFA 比例,主要是因為對于瘤胃中VFA 產(chǎn)量測定的方法還沒有建立成熟,且已有文獻中以VFA 比例形式居多。但以上兩者并不是絕對的,如通過體外發(fā)酵可以獲取VFA 產(chǎn)量數(shù)據(jù)進而可以建立產(chǎn)量模型(經(jīng)驗?zāi)P停?/p>
2.1 機制模型的發(fā)展 1975 年,Koong 等[11]認為日糧中的碳水化合物一部分被微生物降解生成VFA,而另一部分則被微生物利用用于維持自身的生長和繁殖,故提出了利用可溶性碳水化合物(Sc)、纖維素(Ce)、半纖維素(Hc)和蛋白質(zhì)(Pt)4 類化學(xué)組分來預(yù)測瘤胃VFA 的產(chǎn)量模型(簡稱KOO 模型)。該模型以山羊為試驗動物,利用無限疊代和最小二乘法構(gòu)建了國際上首個機制模型。相關(guān)模型:
PAc=YAc,Sc×USc+YAc,Hc×UHc+ YAc,Ce×UCe+ YAc,Pt×UPt
PPr=YPr,Sc×USc+YPr,Hc×UHc+ YPr,Ce×UCe+ YPr,Pt×UPt
PBu=YBu,Sc×USc+YBu,Hc×UHc+ YBu,Ce×UCe+ YBu,Pt×UPt
PBc=YBc,Sc×USc+YBc,Hc×UHc+ YBc,Ce×UCe+ YBc,Pt×UPt
PAc,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
PPr,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
PBu,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
PBc,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
其中,Ac、Pr、Bu 和Bc 分別代表乙酸、丙酸、丁酸以及其他短鏈脂肪酸(1 - Ac - Pr - Bu);Ui 為i在瘤胃中的真實降解量;Yj,i 代表i 轉(zhuǎn)化為j 的系數(shù);Pi 為i 的產(chǎn)量;Pi,VFA表示i 占TVFA 的比例。
該模型僅有8 組實測數(shù)據(jù),不具有代表性,需要更多的數(shù)據(jù)進一步驗證模型的估算精度。此外,Gastelen等[12]報道,淀粉(St)作為碳水化合物中重要的一種組分,影響反芻家畜瘤胃的發(fā)酵模式,即高淀粉含量傾向于丙酸的生成,低淀粉含量傾向于乙酸的生成。綜上所述,這些因素可能會影響該模型的估算精度,但為科技人員提供了VFA 機制模型的研究思路。
1982 年,Murphy 等[13]在KOO 模型的基礎(chǔ)上增加了淀粉數(shù)據(jù),利用5 類化學(xué)組分,構(gòu)建了新的產(chǎn)量模型(簡稱MUR 模型)。模型方程:
PAc=YAc,Sc×USc+ YAc,St×USt+YAc,Hc×UHc+ YAc,Ce×UCe+YAc,Pt×UPt
PPr=YPr,Sc×USc+ YPr,St×USt+YPr,Hc×UHc+ YPr,Ce×UCe+YPr,Pt×UPt
PBu=YBu,Sc×USc+ YBu,St×USt+YBu,Hc×UHc+ YBu,Ce×UCe+YBu,Pt×UPt
PBc=YBc,Sc×USc+ YBc,St×USt+YBc,Hc×UHc+ YBc,Ce×UCe+YBc,Pt×UPt
PAc,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
PPr,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
PBu,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
PBc,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
方程式中的參數(shù)與上述模型相同。該模型主要以干草為粗飼料資源,獲取了大量的肉牛和山羊2 種反芻家畜瘤胃VFA 數(shù)據(jù)。該模型還將日糧分為精料組和粗料組,建立了2 種日糧的模型計量系數(shù)。精料日糧和粗料日糧分別是指日糧精飼料干物質(zhì)占日糧干物質(zhì)總重量大于等于或小于50%,這主要考慮到不同類型日糧在瘤胃中有2 種發(fā)酵類型,即乙酸型發(fā)酵(粗飼料偏多)和丙酸型發(fā)酵(精飼料偏多)[14]。此外,粗飼料在瘤胃中的流通速率小于精飼料[15],將日糧類型分開有利于提高模型的估算精度。1988 年,Argyle 等[16]利用幾種常見的日糧進行體外發(fā)酵,通過測定日糧中淀粉和糖類在瘤胃中的降解量以及發(fā)酵液中pH 和VFA 等數(shù)據(jù)建立了VFA 比例模型(簡稱ARY 模型)。與MUR 模型相比,該模型減少了可溶性碳水化合物、半纖維素、纖維素和蛋白質(zhì)等因子對估算精度的影響。
1992 年,Dijkstra 等[17]認為反芻家畜瘤胃產(chǎn)生的VFA 并不是全部用于提供能量,還有一部分被瘤胃壁吸收利用,因此該產(chǎn)量模型引入了乙酸、丙酸、丁酸、戊酸以及其他VFA 的吸收速率[18-19](簡稱DIJ 模型)。此外,VFA 吸收是一個被動過程,碳原子含量越多,吸收的速率越快,即戊酸-丁酸-丙酸-乙酸,其吸收速率還受到瘤胃pH 等影響[20]。Banninik 等[21]也認為瘤胃pH 影響可溶性碳水化合物和淀粉的發(fā)酵,因此也將瘤胃pH 作為影響VFA 生成的重要影響因子。該模型方程與MUR 模型一樣,僅是在建立模型系數(shù)時考慮了瘤胃的pH 和VFA 各組分的吸收速率。
2006 年,Bannink 等[22]在前人研究基礎(chǔ)上,考慮了碳水化合物降解生成VFA 路徑不同。例如,1 mol 碳水化合物(包括可溶性碳水化合物、淀粉、纖維素、半纖維素)的己糖單位降解可生成2 mol 乙酸和丙酸、1 mol 丁酸和其他酸,而1 mol 蛋白質(zhì)等效于0.55 mol碳水化合物的己糖,從而在構(gòu)建模型時,五大化學(xué)組分轉(zhuǎn)化為乙酸和丙酸的模型方程式中在原來的基礎(chǔ)上乘以2。此外,該模型也引入了VFA 各組分的吸收速率,假定了乙酸、丙酸、丁酸和其他酸的吸收速率相同,從而構(gòu)建了新的產(chǎn)量模型(簡稱BAN 模型)。
PAc=(YAc,Sc×USc+ YAc,St×USt+YAc,Hc×UHc+ YAc,Ce×UCe)×2+ YAc,Pt×UPt×1.1
PPr=(YPr,Sc×USc+ YPr,St×USt+YPr,Hc×UHc+ YPr,Ce×UCe)×2+ YPr,Pt×UPt×1.1
PBu=(YBu,Sc×USc+ YBu,St×USt+YBu,Hc×UHc+ YBu,Ce×UCe)×1+ YBu,Pt×UPt×0.55
PBc=(YBc,Sc×USc+ YBc,St×USt+YBc,Hc×UHc+ YBc,Ce×UCe)×1+ YBc,Pt×UPt×0.55
PAc,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
PPr,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
PBu,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
PBc,VFA=PAc/(PAc+PPr+PBu+PBc)
2006 年,Sveinbjorn 等[23]利用北歐170 組奶牛和山羊瘤胃VFA 數(shù)據(jù)建立了新的產(chǎn)量模型(簡稱SVE 模型),該模型的構(gòu)建原理與BAN 模型基本相同,而不同的是該模型的輸出參數(shù)發(fā)生了變化,輸出參數(shù)包括粗飼料中性洗滌纖維含量(fNDF)、精飼料中性洗滌纖維含量(cNDF)、淀粉、乳酸、蛋白質(zhì)以及有機物以外的其他部分(DM- fNDF- cNDF-淀粉-乳酸-蛋白質(zhì))。此外,該模型還將精飼料中的粗脂肪含量和奶牛飼養(yǎng)水平作為影響瘤胃VFA 發(fā)酵的重要因素。
2.2 機制模型精度評估 以上5 個模型(MUR 模型、ARY 模型、DIJ 模型、BAN 模型和SVE 模型)構(gòu)建原理基本相同,都是在KOO 模型的基礎(chǔ)上增加或減少變量因子以及考慮VFA 的生成途徑,從而建立了新的VFA 模型或模型計量系數(shù)。MUR 模型、DIJ 模型、SVE 模型和BAN 模型中VFA 的數(shù)據(jù)是引用已發(fā)表的文章,且文章中缺少各種營養(yǎng)成分含量和瘤胃有效降解量,因此需要首先查看飼料庫,并利用流通速率和降解速率的模型來預(yù)測各種營養(yǎng)成分在瘤胃中的降解量,這可能會影響模型的估算精度。
毛宏祥等[24]利用我國45 組泌乳奶牛瘤胃VFA 數(shù)據(jù)對MUR 模型、DIJ 模型和BAN 模型進行評估分析發(fā)現(xiàn),BAN 模型乙酸的估算精度是3 個模型中最高的,預(yù)測誤差均方根(The Root of Mean Square Prediction Error,RMSPR)小于20%,且模型的偏差主要來自于隨機效應(yīng),這可能是BAN 模型考慮VFA 的生成途徑更加全面,從而提高了模型的估算精度,但模型的精度仍然偏低,且3 個模型均無法預(yù)測丙酸、丁酸和其他酸。據(jù)報道,瘤胃pH 和VFA 各組分的濃度會影響VFA 各組分的吸收速率[25]。Dijkstra 等[26]以泌乳奶牛為試驗動物,通過暫時清空和清洗瘤胃來研究吸收速率和pH的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)瘤胃pH 較低時,乙酸的吸收速率低于丙酸和丁酸,這與Murphy 等[27]研究結(jié)果一致。而Bannik 等[27]假定VFA 各組分的吸收速率相同,可能會提高乙酸比例,進而會影響模型的估算精度。Alemu等[28]利用141 組泌乳奶牛瘤胃VFA 數(shù)據(jù)對MUR 模型和BAN 模型進行評估分析發(fā)現(xiàn),MUR 模型乙酸和丙酸的估算精度均偏低,模型偏差主要來自于回歸斜率的偏離。Chamberlain 等[29]和Loncke 等[30]研究結(jié)果顯示,肉牛瘤胃乙酸與丙酸的比例高于羊,這可能是造成MUR 模型估算精度較低的最為重要原因。Morvay 等[31]利用101 組泌乳奶牛VFA 數(shù)據(jù)對MUR 模型、ARY 模型、BAN 模型和SVE 模型進行評估分析發(fā)現(xiàn),BAN 模型乙酸、丙酸和丁酸的估算精度是4 個模型中最高的,這與毛宏祥等[24]的研究結(jié)果一致;MUR 模型和SVE 模型乙酸和丁酸的估算精度較低,原因可能是MUR 模型和SVE 模型利用肉牛和羊數(shù)據(jù)建立的模型轉(zhuǎn)化系數(shù)可能不適合奶牛;ARY 模型丁酸和其他酸的估算精度偏低,這與Bannnik 等[32]研究結(jié)果一致,可能原因是體外發(fā)酵并不能很好模擬瘤胃的發(fā)酵模式,進而影響模型的估算精度[33]。
2.3 經(jīng)驗?zāi)P偷陌l(fā)展 經(jīng)驗?zāi)P鸵彩穷A(yù)測瘤胃VFA 各組分比例的一種有效有段。1998 年,F(xiàn)riggens 等[34]以11頭裝有永久性瘤胃瘺管的奶山羊為試驗動物,通過飼喂16 種日糧并測定日糧中有機物、可溶性碳水化合物、糖類、淀粉、纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)、中性不溶蛋白和酸性不溶蛋白以及干物質(zhì)采食量等數(shù)據(jù),利用線性擬合建立了乙酸、丙酸和丁酸的比例模型(簡稱FRI 模型)。相比以上機制模型,該模型的構(gòu)建原理相對簡單(y=ax+b),但增加了上述模型中沒有的變量因子(中性不溶蛋白和酸性不溶蛋白),探討了這些因子與VFA 之間的關(guān)系。2010 年,Noziere 等[35]也提出了一種經(jīng)驗?zāi)P蛠砉浪懔鑫竀FA 的比例模型(簡稱NOZ 模型)。該比例模型參數(shù)包括干物質(zhì)采食量(DMI)、有機物降解率(dOM)、淀粉降解率(RStD)和中性洗滌纖維降解率(dNDF),并通過對這些參數(shù)與乙酸、丙酸和丁酸之間的關(guān)系進行了Mate 分析,建立了相應(yīng)的模型方程。相關(guān)模型:
Ac(mmol/L)=54.2+12.0×log(100×dNDF/dOM)-0.052×RStD×1.99×DMI
Pr(mmol/L)=19.7 - 6.63×log(100×dNDF/dOM)+0.07×RStD+2.62×DMI
Bu(mmol/L)=19.0-3.39×log(100×dNDF/dOM)-0.026×RStD
2.4 經(jīng)驗?zāi)P途仍u估 Sutton 等[36]報道,相比機制模型,經(jīng)驗?zāi)P蜎]有考慮到日糧淀粉、纖維和蛋白質(zhì)來源不同,導(dǎo)致各種營養(yǎng)成分在瘤胃中的降解量不一樣,例如,高精料條件下,保證日糧中營養(yǎng)成分相同,用大麥代替玉米會顯著影響瘤胃淀粉的降解率和VFA 的發(fā)酵模式。此外,在不改變飼料組成的情況下,物理或化學(xué)處理都會改變各種營養(yǎng)成分在瘤胃的降解率,進而會影響瘤胃的發(fā)酵模式[37-38]。這2 種情況都可能會影響模型的估算精度。
Morvay 等[31]利 用101 組 泌 乳 奶 牛VFA 數(shù) 據(jù) 對FRI 模型進行評估分析發(fā)現(xiàn),F(xiàn)RI 模型乙酸、丙酸和丁酸的估算精度較高,均方根百分比誤差(RMSPE)均小于20%,且偏差主要來自于隨機效應(yīng),這與Alemu等[28]研究結(jié)果相反。Dijkstra 等[39]認為無論是經(jīng)驗?zāi)P瓦€是機制模型都不能準確預(yù)測瘤胃VFA 的比例,最主要的原因是模型建立時的數(shù)據(jù)源不同。例如,F(xiàn)RI 模型(英國)獲取的VFA 數(shù)據(jù)主要是基于青貯為粗飼料,而Morvay 等(荷蘭)[40]和Alemu(加拿大)等[41]獲取的VFA 數(shù)據(jù)分別基于青貯和牧草為粗飼料,這可能導(dǎo)致Morvay 等[40]在評估模型時精度偏高。此外,相關(guān)學(xué)者也證實了不同的飼料原料會引起瘤胃VFA 各組分的變化,進而會影響模型的系數(shù)變化。Alemu 等[28]對NOZ 模型的評估分析也發(fā)現(xiàn),NOZ 模型預(yù)測丙酸和丁酸的估算精度均偏低,偏差主要來自斜率偏差的偏離,這可能與飼養(yǎng)水平的差異有關(guān)。
目前,中國研究人員在參考國外模型研究的基礎(chǔ)上,利用肉牛相關(guān)數(shù)據(jù)也建立了VFA 產(chǎn)量模型[42]。該模型選擇了55 種常用的肉牛經(jīng)典日糧,基于康奈爾凈碳水化合物和蛋白質(zhì)體系(CNCPS)將日糧中的碳水化合物分為糖(CA)、淀粉和果膠(CB1)、可利用纖維(CB2)3 種組分[43],利用飼料庫計算日糧中3 種組分的含量,并通過MATLAP 軟件分析3 種營養(yǎng)組分與VFA(體外發(fā)酵獲取數(shù)據(jù))之間的關(guān)系,建立了相應(yīng)的VFA 產(chǎn)量模型。但是該模型主要是利用肉牛VFA數(shù)據(jù)構(gòu)建的模型,在奶牛和山羊等其他反芻家畜中有待驗證模型的估算精度。此外,該模型中VFA 的數(shù)據(jù)通過體外發(fā)酵獲取,在動物試驗中也有待驗證。
綜上所述,VFA 是反芻家畜最為重要的能量物質(zhì),其產(chǎn)量及各組分比例影響動物的健康和繁殖。然而,無論是經(jīng)驗?zāi)P瓦€是化學(xué)計量學(xué)模型都不能準確預(yù)測瘤胃VFA 產(chǎn)量及各組分比例,其原因主要為數(shù)據(jù)源差異、動物類型差異、飼養(yǎng)水平差異及VFA 生成機制考慮不全面,因此,有必要增加一些影響因子,如瘤胃微生物數(shù)量和飼料中果膠以及其他營養(yǎng)成分來預(yù)測瘤胃VFA的組成比例,從而提高模型的估算精度。