■張 麗 李 川 陳薪芋 邱清華 許蘭嬌 熊小文 溫慶琪 歐陽(yáng)克蕙
(江西省動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料安全創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),江西 南昌 330045)
傳統(tǒng)的反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)認(rèn)為,瘤胃微生物可合成宿主所需的各種氨基酸,不需要從日糧中額外補(bǔ)充[1]?,F(xiàn)代反芻動(dòng)物生產(chǎn)中,隨著動(dòng)物生產(chǎn)性能的提高以及飼料結(jié)構(gòu)的改變,對(duì)日糧外源氨基酸的需求也越來(lái)越受到關(guān)注。一方面,氨基酸的添加滿足了瘤胃微生物的需要,為高產(chǎn)奶牛和快速生長(zhǎng)的肉牛、肉羊提供優(yōu)質(zhì)而足量的微生物蛋白(MCP)來(lái)源。有學(xué)者指出,十二指腸的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源在很大程度上取決于瘤胃微生物發(fā)酵提供的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量和比例[2]。Schwab等[3]和Atasog?lu 等[4]認(rèn)為,瘤胃微生物存在限制性氨基酸和必需氨基酸,缺乏某些氨基酸時(shí)會(huì)影響瘤胃微生物的生長(zhǎng)繁殖[5],降低微生物蛋白的供給。Kong等[6]發(fā)現(xiàn),賴氨酸缺失改變了微生物氨基酸代謝功能,影響微生物蛋白氨基酸的組成。Abdelmegeid 等[7]發(fā)現(xiàn),蛋氨酸(Met)可刺激瘤胃微生物的生長(zhǎng),提高纖維的消化率,增強(qiáng)細(xì)菌氮與微生物脂肪酸的合成。另一方面,一些氨基酸盡管在動(dòng)物機(jī)體內(nèi)需要量較低,但在機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝與結(jié)構(gòu)功能方面起著特殊功效,被稱為功能性氨基酸[8]。精氨酸(Arg)、谷氨酸(Glu)是反芻動(dòng)物兩種重要的功能性氨基酸,其在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用[9]。Arg 可通過(guò)尿素循環(huán)促進(jìn)多胺生成,參與DNA和蛋白質(zhì)的合成,促進(jìn)妊娠時(shí)期胚胎發(fā)育,并起到免疫調(diào)節(jié)的作用[10],提高幼齡反芻動(dòng)物生長(zhǎng)性能[11]和奶牛泌乳性能[12]。Glu及其衍生物N-氨甲酰谷氨酸(NCG)有促進(jìn)奶牛生產(chǎn)性能、瘤胃發(fā)酵及消化代謝,緩解熱應(yīng)激對(duì)奶牛帶來(lái)的不利影響[13-14]。目前,反芻動(dòng)物氨基酸營(yíng)養(yǎng)多集中在過(guò)瘤胃氨基酸對(duì)幼齡動(dòng)物和奶牛生產(chǎn)上的研究,氨基酸對(duì)肉牛瘤胃發(fā)酵特別是飼糧結(jié)構(gòu)改變下肥育肉牛中的研究較少。因此,本研究旨在通過(guò)體外試驗(yàn),探究在肥育肉牛高精料日糧條件下添加Arg、Glu 對(duì)瘤胃發(fā)酵特性的影響,為反芻動(dòng)物生產(chǎn)中氨基酸的營(yíng)養(yǎng)研究提供數(shù)據(jù)。
3 頭安裝永久瘤胃瘺管的雜交公牛[西門(mén)塔爾(♂)×錦江黃牛(♀),350 kg左右],單欄飼喂,每日8:00和18:00 飼喂,自由采食和飲水;L-精氨酸(純度≥98%,上海麥克林生化有限公司);L-谷氨酸(純度≥99.5%,上海麥克林生化有限公司);發(fā)酵底物為瘺管牛日常飼糧,其組成及營(yíng)養(yǎng)水平見(jiàn)表1。
表1 發(fā)酵底物的組成及營(yíng)養(yǎng)水平(干物質(zhì)基礎(chǔ))
試驗(yàn)采用體外法,試驗(yàn)分為3 組,分別為HC 組(高精料混合料,精粗比8:2)、HCA 組(高精料混合料+0.1%L-精氨酸)、HCG組(高精料混合料+0.1%L-谷氨酸),每組4個(gè)重復(fù),培養(yǎng)3、6、12 h和24 h后終止發(fā)酵。
于晨飼前1 h 采集3 頭瘺管牛瘤胃液,保溫瓶中混合保存并迅速轉(zhuǎn)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室,使用4 層紗布對(duì)瘤胃液進(jìn)行過(guò)濾。參考Menke 等[15]的方法配制人工唾液:準(zhǔn)確量取0.175 mL A 液(13.2 g CaCl2·2H2O、10 g MnCl2·4H2O、1 g CoCl2·6H2O、8 g FeCl3·6H2O,定容至100 mL)、350 mL B 液(39 g NaHCO3,定容至1 000 mL)、350 mL C液(5.7 g Na2HPO4、6.2 g KH2PO4、0.6 g MgSO4·7H2O,定容至1 000 mL)、1.75 mL D 液(0.1%刃天青)、70 mL E 液(4 mL 1 mol/L NaOH、625 mg Na2S·9H2O,定容至100 mL)、700 mL純化水,充入CO2至溶液從淡藍(lán)色轉(zhuǎn)為無(wú)色,按瘤胃液:人工唾液=1:2配制混合發(fā)酵液,39 ℃下保存?zhèn)溆?。配制發(fā)酵底物,其中HCA 組中添加了0.1%(W/W)的精氨酸,HCG 組中添加了0.1%(W/W)的谷氨酸。分別稱取底物0.4 g 裝入100 mL 的玻璃發(fā)酵瓶中,然后向每個(gè)發(fā)酵瓶加入40 mL混合發(fā)酵液,發(fā)酵瓶注滿CO2,橡膠塞密封。放入恒溫?fù)u床模擬瘤胃發(fā)酵。分別在培養(yǎng)3、6、12 h和24 h后冰浴終止發(fā)酵,測(cè)定產(chǎn)氣量,過(guò)濾后測(cè)定發(fā)酵液pH,收集發(fā)酵液于-20 ℃保存,測(cè)定氨態(tài)氮(NH3-N)、MCP及揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度。
1.4.1 飼料營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定
參照張麗英[16]的《飼料分析及飼料質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)》,粗蛋白含量采用凱式定氮法測(cè)定,酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量采用濾袋法測(cè)定,粗灰分含量采用灼燒法測(cè)定,鈣(Ca)含量采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定,磷(P)含量采用鉬黃比色法測(cè)定。
1.4.2 發(fā)酵液pH測(cè)定
采用pHS-3S型高精度酸度計(jì)測(cè)定發(fā)酵液的pH。
1.4.3 發(fā)酵產(chǎn)氣量測(cè)定
每隔3 h接通一次玻璃注射器,通過(guò)刻度觀察產(chǎn)氣量,記錄完后排氣。獲取3、6、12 h和24 h的總產(chǎn)氣量。
1.4.4 發(fā)酵液NH3-N濃度測(cè)定
取瘤胃液4 mL 渦旋振蕩1 min,在1 450×g 下離心10 min,取上清液后參考馮宗慈等[17]方法測(cè)定。
1.4.5 發(fā)酵液MCP濃度測(cè)定
取3 mL 發(fā)酵液,解凍,在450×g 下離心5 min 后取上清液1.5 mL,隨后在4 ℃離心機(jī)中以20 000×g離心30 min,棄上清,在底物中加入1.5 mL 氫氧化鈉(0.5 mol/L),100 ℃水浴15 min,然后在4 ℃環(huán)溫中以20 000×g離心30 min。采用考馬斯亮藍(lán)法[18]測(cè)定。
1.4.6 發(fā)酵液VFA濃度測(cè)定
使用安捷倫7890氣相色譜儀,色譜柱DB-WAX,毛細(xì)管柱(長(zhǎng)25 m,內(nèi)徑0.32 mm,膜厚0.20 μm),氮?dú)庾鳛檩d氣,流量1.2 mL/min,程序升溫120 ℃保持1 min,以5 ℃/min 的速率升至200 ℃;檢測(cè)器FID 溫度300 ℃,氫氣流量40 mL/min,空氣流量400 mL/min,尾吹流量30 mL/min,以2-丁烯酸為內(nèi)標(biāo)物。參照秦為琳[19]的內(nèi)標(biāo)法測(cè)定VFA濃度。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA),并使用Duncan’s法進(jìn)行多重比較檢驗(yàn),以P<0.05為差異顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)。
表2 高精料混合料下添加Arg、Glu對(duì)體外瘤胃發(fā)酵pH、NH3-N、MCP及產(chǎn)氣量的影響
由表2 可知,在高精料混合料下,隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),pH逐漸降低。相較于HC組,HCA組和HCG組在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)均能升高pH,在發(fā)酵前期(3~6 h),HCA組和HCG組的pH顯著升高(P<0.05)。而HCA組和HCG組相比,pH值均差異不顯著(P>0.05)。
由表2 可知,隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),產(chǎn)氣量逐漸增加,在發(fā)酵前期(3~6 h),與HC組相比,HCA組產(chǎn)氣量顯著降低(P<0.05),HCG 組產(chǎn)氣量顯著升高(P<0.05),HCA 組和HCG 組相比,HCG 組產(chǎn)氣量顯著高于HCA組(P<0.05)。在發(fā)酵后期(12~24 h),3組之間的產(chǎn)氣量均差異不顯著(P>0.05)。
由表2可知,在發(fā)酵后期(12~24 h),12 h HCA組的NH3-N濃度顯著高于HC組(P<0.05),在24 h時(shí),NH3-N濃度有升高但不顯著(P>0.05)。而HCG組相較于HC組,差異不顯著(P>0.05)。HCA組與HCG組相比,在發(fā)酵12 h時(shí),HCA組的氨態(tài)氮濃度顯著高于HCG組(P<0.05)。其他時(shí)間段3組間差異不顯著(P>0.05)。
由表2 可知,隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),MCP 濃度呈逐漸增加趨勢(shì)。與HC組相比,在發(fā)酵3、24 h時(shí),HCA組和HCG組MCP濃度有所提高但差異不顯著(P>0.05)。在發(fā)酵6 h時(shí),HCG組的MCP濃度顯著高于HC組(P<0.05),12 h 時(shí),HCA 組和HCG 組的MCP 濃度均顯著高于HC 組(P<0.05),HCA 組與HCG 組相比,MCP 濃度差異不顯著(P>0.05)。
表3 高精料混合料下添加Arg、Glu對(duì)體外瘤胃發(fā)酵VFA的影響
由表3 可知,隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),3 組的TVFA 濃度逐漸增加。HCA組與HCG組相比,在各個(gè)時(shí)間點(diǎn),乙酸、丙酸、異丁酸、異戊酸、TVFA濃度及乙丙比均無(wú)差異。在發(fā)酵3 h時(shí),與HC組相比,HCA組和HCG組的乙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸均顯著降低(P<0.05),而丙酸、TVFA 濃度及乙丙比均表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)。在發(fā)酵6 h 時(shí),與HC 組相比,HCA 組的丁酸濃度顯著降低(P<0.05),HCG組的戊酸顯著升高(P<0.05),HCA組和HCG組的乙酸、丙酸、異丁酸、異戊酸、TVFA 濃度及乙丙比均表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05),HCG 組丁酸和戊酸濃度顯著高于HCA 組(P<0.05)。在發(fā)酵12 h 時(shí),與HC 組相比,HCA 組和HCG 組的乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、TVFA 濃度及乙丙比均表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)。而在發(fā)酵24 h 時(shí),與HC 組相比,HCA 組和HCG 組的乙酸和乙丙比均顯著降低(P<0.05),丙酸、丁酸及異丁酸均顯著升高(P<0.05),異戊酸、戊酸和TVFA濃度均表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)。
Arg和Glu作為功能性氨基酸在反芻動(dòng)物生產(chǎn)上的研究已有報(bào)道。Silva等[20]研究表明,在含有賴氨酸和蛋氨酸的代乳粉中補(bǔ)充1%氨基谷氨酸對(duì)犢牛采食量和生產(chǎn)性能影響不明顯。而Sato 等[21]在0.5 g 底物中添加5 mg 及以上味精發(fā)酵母液,能對(duì)體外瘤胃發(fā)酵有促進(jìn)作用。Teixeira 等[22]發(fā)現(xiàn)在公牛飼糧上添加約0.08%的精氨酸對(duì)生產(chǎn)性能影響不大,但能提高肉品質(zhì)。針對(duì)以上研究發(fā)現(xiàn),本試驗(yàn)遵循低蛋白日糧原則,選擇在日糧中添加0.1%的Arg 和0.1% Glu,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其對(duì)體外瘤胃發(fā)酵有一定促進(jìn)作用。
瘤胃pH對(duì)維持瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、保證瘤胃微生物生命活動(dòng)的正常進(jìn)行起重要作用。瘤胃液的pH主要受日糧性質(zhì)、唾液量、氨氮含量、VFA的生成和利用等因素的綜合影響[23]。宋良榮等[24]認(rèn)為添加不同氨基酸組成的三肽能有效降低瘤胃液pH,其原因是促進(jìn)了瘤胃碳水化合物的發(fā)酵,增加了酸的產(chǎn)量。Bahram[25]、劉玉潔等[26]及宋鈺等[27]發(fā)現(xiàn)添加Arg、Glu或谷氨酸渣均能提高瘤胃液的pH,但均未闡明其作用機(jī)制。在本試驗(yàn)中,在高精料中分別添加Arg或Glu對(duì)發(fā)酵3、6、12 h 和24 h 時(shí)的pH 均有所升高,結(jié)果與Bah?ram[25]、劉玉潔等[26]及宋鈺等[27]研究一致,而與宋良榮等[24]的結(jié)果不一致。其原因可能是發(fā)酵底物不同所致。當(dāng)反芻動(dòng)物飼喂高精料日糧時(shí),瘤胃pH會(huì)降低[28]。Marquis等[29]和Higuchi等[30]報(bào)道在培養(yǎng)基中添加Arg或Glu,各種鏈球菌、銅綠假單胞菌和乳酸桿菌通過(guò)精氨酸脫氨酶(ADI)系統(tǒng)和谷氨酸脫羧酶(GAD)系統(tǒng)分別代謝生成堿性物質(zhì)NH3和γ-氨基丁酸(GABA),最終提高了培養(yǎng)液的pH。本試驗(yàn)中添加Arg或Glu可以提高發(fā)酵液pH的作用機(jī)制可能與上述研究一致。
產(chǎn)氣量是評(píng)價(jià)日糧體外瘤胃發(fā)酵程度的重要指標(biāo),在一定程度上反映了微生物的生長(zhǎng)速率及底物的可利用性[31]。Menke 等[32]利用體外發(fā)酵法評(píng)價(jià)得出產(chǎn)氣量與體內(nèi)有機(jī)物質(zhì)的消化率具有非常顯著的正相關(guān)性。Bahram等[25]的研究結(jié)果表明在精粗比為55:45的條件下添加1 mmol/L Arg能顯著增加12、24 h后的發(fā)酵產(chǎn)氣量。并且Sato等[21]也發(fā)現(xiàn)味精副產(chǎn)物對(duì)瘤胃體外發(fā)酵產(chǎn)氣量有正相關(guān)性。而姜寧等[33]發(fā)現(xiàn)在日糧中添加不同包被方式的蛋氨酸和賴氨酸對(duì)24 h 時(shí)體外發(fā)酵產(chǎn)氣量沒(méi)有顯著影響,其產(chǎn)氣量還略有所降低。本試驗(yàn)中,在發(fā)酵3、6 h時(shí),HCG組的產(chǎn)氣量高于高精料組,而在發(fā)酵12、24 h 時(shí)的產(chǎn)氣量沒(méi)有顯著影響,與Bahram[25]結(jié)果相一致。說(shuō)明發(fā)酵前期(3~6 h),添加Glu 有促進(jìn)發(fā)酵、提高產(chǎn)氣量的效果;但在發(fā)酵后期(12~24 h),由于底物消耗較大,添加Glu 對(duì)產(chǎn)氣量沒(méi)有影響。本試驗(yàn)中,HCA 組的產(chǎn)氣量低于對(duì)照組,在發(fā)酵前期(3~6 h)達(dá)到顯著水平,這一結(jié)果與姜寧等[33]結(jié)果相一致。以上結(jié)果說(shuō)明不同氨基酸(AA)對(duì)瘤胃發(fā)酵產(chǎn)氣量影響不同。
氨態(tài)氮是反芻動(dòng)物瘤胃微生物將飼料中含氮物質(zhì)發(fā)酵生成的主要物質(zhì),也是合成瘤胃微生物蛋白的主要來(lái)源[34]。瘤胃液中氨態(tài)氮濃度反映了飼料中含氮物質(zhì)降解和微生物合成利用之間的平衡狀態(tài)。Colmenero 等[35]認(rèn)為日糧中蛋白質(zhì)水平的提高有利于提高瘤胃液中NH3-N 水平。而李晴等[36]研究認(rèn)為補(bǔ)充支鏈氨基酸有助于瘤胃微生物脫氨生成NH3-N。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后期(12~24 h),高精料中添加Arg和Glu都能提高發(fā)酵液NH3-N濃度,且Arg組高于對(duì)照組。這與Bahram等[25]的研究結(jié)果一致。而本次試驗(yàn)中3、12 h和24 h在高精料中添加Glu對(duì)氨態(tài)氮含量有所提高,但差異不顯著,這與Sato等[21]針對(duì)味精副產(chǎn)物的研究結(jié)果一致。高精料添加Arg 和Glu 發(fā)酵6 h后,NH3-N濃度有所下降,但差異不顯著。與宋鈺等[27]在日糧中添加谷氨酸渣飼喂肉牛及Padunglerk等[37]使用富含谷氨酸的味精副產(chǎn)品替代20%豆粕飼喂奶牛能降低瘤胃NH3-N濃度的結(jié)果相一致,這可能是因?yàn)樵? h時(shí)添加Arg或Glu幫助了提高瘤胃發(fā)酵及NH3-N的快速利用,提高了MCP的合成。
高精料日糧下,非結(jié)構(gòu)性碳水化合物發(fā)酵菌增多,其生長(zhǎng)更多依賴于氨基酸[38]。Guliye等[39]研究表明在缺失酪氨酸(Tyr)、色氨酸(Trp)、苯丙氨酸(Phe)、亮氨酸(Leu)、蛋氨酸(Met)時(shí)會(huì)導(dǎo)致瘤胃發(fā)酵率下降,并且支鏈氨基酸(BCAA)可能是影響瘤胃微生物蛋白合成量的最大因素。張斌等[40]在釀酒發(fā)酵過(guò)程中發(fā)現(xiàn),發(fā)酵前后Arg 和Glu 含量分別降低96.37%和87.69%,表明微生物生長(zhǎng)對(duì)Arg 和Glu 的需求量大,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充Glu 有助于微生物發(fā)酵。Schwab 等[3]研究表明,在缺乏Glu時(shí),瘤胃微生物的生長(zhǎng)速率降低;而在肉牛日糧中添加谷氨酸渣可顯著提高M(jìn)CP 含量。本試驗(yàn)中,在高精料組中添加Arg 或Glu 均能有效提高M(jìn)CP 含量,這表明在高精料日糧中添加Arg 或Glu 有利于提高瘤胃發(fā)酵速率和MCP 合成,這與以上的研究結(jié)果一致。但Bahram等[25]的研究表明,在底物精粗比為55:45 的瘤胃發(fā)酵液中添加Arg,培養(yǎng)12、24 h時(shí),MCP含量顯著降低,其原因尚未被解釋清楚。
VFA 是反芻動(dòng)物主要的能量來(lái)源,其中乙酸、丙酸、丁酸約占瘤胃發(fā)酵揮發(fā)性脂肪酸的95%左右[41]。徐愛(ài)秋等[42]研究證明不同氨基酸模式對(duì)瘤胃微生物生長(zhǎng)及發(fā)酵效率有影響。Abbasi等[43]利用瘤胃模擬技術(shù)和體外消化技術(shù),發(fā)現(xiàn)在低蛋白日糧中添加高劑量過(guò)瘤胃蛋氨酸能提高瘤胃pH,并增加真胃和回腸中的TVFA及丙酸含量。而Zhang等[44]研究發(fā)現(xiàn)添加3種支鏈氨基酸(纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸)發(fā)酵72 h能顯著降低瘤胃體外發(fā)酵過(guò)程中乙酸和丙酸比值,并且顯著提高TVFA 濃度。而在本次試驗(yàn)中,高精料日糧中添加Arg或Glu能顯著降低24 h時(shí)的乙丙比,這與Zhang等[44]、常樂(lè)[45]的研究結(jié)果一致;但對(duì)TVFA 總量無(wú)明顯影響,與Sato 等[21]在濃縮料中添加味精副產(chǎn)物對(duì)體外發(fā)酵48 h后的TVFA含量無(wú)顯著影響的結(jié)果相一致。并且本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在24 h時(shí)顯著提高丙酸、丁酸、異丁酸含量,這表明在高精料中添加Arg或Glu促進(jìn)了瘤胃微生物對(duì)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的發(fā)酵利用。
在高精料混合料中添加Arg或Glu有助于提高瘤胃液pH,增加發(fā)酵后期瘤胃液NH3-N濃度,促進(jìn)瘤胃微生物生長(zhǎng)和MCP的生成,并且能改變VFA組成,但對(duì)TVFA濃度無(wú)影響。