體外產氣技術的發展及應用

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　　體外產氣技術的發展及應用

　　史良1 2 刁其玉2

　　(1 中國醫學科學院實驗動物所 北京 2 中國農業科學院飼料所 北京)

　　【摘要】體外產氣技術是利用體外方法評定反芻動物飼料營養價值的方法與技術。本文針對體外產氣法的原理、特點及應用進行了評述.

　　【關鍵詞】體外產氣法，產氣量，營養價值，反芻動物

　　The Development and Application of in Vitro Gas Production Technique

　　SHI Liang1 2 DiaoQiYu2

　　(1 Chinese Academy of Medicial Science Institute of Laboratory Animal Science

　　2 Chinese Academy of Agricutural Science Feed Research Institute)

　　【Abstract】In vitro gas production techniques are widely used for assessment of nutritional quality of ruminant feeds.The theory , advantageand and application of this techniques were reviewed。

　　【Key words】 in vitro gas production;gas;nutritional value;ruminants

　　粗飼料的采食量和消化率會極大影響反芻動物的生產性能，但通過體內法測定飼料的采食量和消化率費時、費力、價格昂貴、需要大量的飼料品而且不能大量地測定，所以，科學家一直在嘗試通過實驗室方法來測定采食量和消化率。

　　1 體外技術的發展

　　二十世紀五十年代以來建立的體外法，包括英國學者Tilly-Terry(1963年)建立的兩階段法，Raab L.等(1983年)、德國荷恩海姆大學動物營養研究所Menke K.H.(1979)等人發展的產氣法(The gas production method)、真菌纖維素酶法和尼龍袋法。

　　瘤胃降解與氣體產量之間的關系很早就被關注，但直到上世紀40年代才開始測定瘤胃的氣體產量(Quin，1943)。Menke等(1979)通過體外產氣的測定，發現體外產氣量與體內的消化參數具有很高的相關性。在此之后，產氣技術才被確定為評價飼料營養價值的有效方法之一。

　　2 體外產氣技術的原理

　　2.1 體外產氣技術的原理

　　當體外利用緩沖瘤胃液消化飼料時，碳水化合物會降解成短鏈的脂肪酸(SCFA)、氣體(主要是二氧化碳和甲烷)和微生物的細胞成份。氣體主要是碳水化合物在降解為乙、丙、丁酸的過程中產生的，與碳水化合物相比，蛋白質降解時的產氣量要低(Wolin，1960)，脂肪的產氣量可以忽略不計。

　　體外產氣技術中的氣體成份主要是發酵產生的二氧化碳、甲烷以及緩沖液緩沖短鏈脂肪所釋放的二氧化碳。當利用碳酸鹽緩沖液培養粗飼料時，約50%的氣體為緩沖液緩沖短脂肪酸時所產生，其余的則為發酵產生(Blummel 和Ørskov,1993)，當所產生的丙酸比例較高時(精料)，緩沖液釋放的二氧化碳可達總產量的60%。利用磷酸鹽緩沖液時，每1mmol的短鏈脂肪酸能使緩沖液釋放0.8-1 mmol的二氧化碳(Beuvik和Spoelstra，1992;Blummel 和Ørskov,1993) 。

　　2.2 產氣量的理論計算

　　若體外培養的產物能進行測定，可以通過這些數據計算體外的產氣量，理想的計算值與實際觀測值之間具有高度的相關性(Beuvik和Spoelstra,1992)，另外，還可以通過短鏈脂肪酸的摩爾比以及總量計算出發酵時二氧化碳和甲烷的產量。

　　3 體外產氣技術的用途

　　3.1 消化參數的預測

　　Menke等(1979)對體外產氣量和各種化學成份進行多元回歸，建立了飼料體內有機物消化率與這些因素的回歸方程(R=0.98;S.D.=0.25)。其他學者們(Chenost等，1997)也報導了體外產氣量與體內消化率具有顯著的相關性，若考慮飼料中蛋白對產氣量的影響則能進一步提高對體內消化率的預測。

　　Raab等(1983)在Menke等(1979)的注射器式產氣技術和氨測定技術基礎上，提出了測定瘤胃蛋白降解率的方法。飼料在缺乏或存在碳水化合物的體外體系中培養，由于產氣量與培養液中氨的濃度是呈負相關的，這樣就能夠計算出在沒有可發酵碳水化合物時氨氮的釋放量，飼料所釋放的凈的氨氮量就可以用總氨氮量減去通過計算得到的空白氨氮量(不含底物培養時的氨氮)而得，這樣就可以計算出飼料蛋白的體外降解率。

　　3.2 發酵的動力學研究及產氣的數學模型

　　飼料發酵的動力學參數可以通過發酵產氣量和緩沖液緩沖短鏈脂肪酸所釋放的氣體計算得到，這些參數主要與飼料中可溶、不可溶但能降解和不能降解的部分所占的比例有關，通過對產氣特性的數學描述可以分析數據、評價底物和培養液造成的差異和飼料溶解成份及慢速發酵成份的降解率。研究者們已經建立了很多模型來描述體外產氣。Ørskov和McDonald(1979)基于尼龍袋法所建立的指數模型已被廣泛的用來評價飼料的降解動力學參數。該方法也可用作體外產氣法時的動力學描述(Blumen等，1991;Siaw等，1993)，該模型假定飼料的降解速度是恒定的，即描述的是動力學的第一級參數(Groot等，1996)。但由于有一些飼料顆粒的發酵速度并不一致，所以該模型不能試用所有飼料。Beuvik和Kogut(1993)比較了多種產氣模型，發現與S型模型相比，指數模型會導致比較大的殘余平均方差。Groot等(1996)建立了“三段”模型來區分飼料中可溶、不可溶但能降解和不能降解的部分，從理論上來說，該模型能夠提供非常有用的數據，但利用該模型時，需要非常復雜的設備來記錄各個時間點的產氣量。熊本海等(2001)采用Jerson等(1996)多項組合數學模型模擬產氣擬合曲線，結合分析不同培養時間后的殘余物，可以確定底物降解的動力學特征。

　　3.3 隨意采食量的預測

　　隨意采食量是限制反芻動物利用粗飼料的一個重要因素，所以預測采食量特別是纖維類物質的采食量，是反芻動物營養學的一個重要研究領域。眾多學者均報道體外產氣量與干物質采食量有顯著性的相關性(Blummel和Becker，1997;Chenost等，1997)，利用體外產氣量可以預測動物的采食量。與全飼料的產氣量相比，從飼料中提取的中性洗滌纖維的產氣量與隨意采食量的相關性更高，中性洗滌纖維的產氣量較全飼料的產氣量更能準確的預測采食量(82%vs75%)(Blummel和Becker，1997)。

　　3.4 抗營養因子的研究

　　產氣技術可能還比化學分析法更能準確地定量飼料中的抗營養因子。化學方法只是根據某一個抗營養因子的理化特性來測定其含量，但抗營養因子在動物體內表現的是其生物學上的特性，而且同一個抗營養因子在不同的飼料中可能會再現出不同的特性，而體外產氣技術則是綜合地體現出營養因子在生物層面上對發酵的影響。Makkar等(1995)利用體外產氣技術研究了單寧和茶皂素的作用，并測定了它們對微生物蛋白合成的影響，發現單寧和茶皂素的作用是累加的，相互不會抵消對方的作用。飼料中的酚類物質對消化有負面作用，而且通過體外產氣技術得到的影響比尼龍袋法得到的更為顯著(Khazaal等，1993)。

　　Makkar和Becker(1995)利用單寧的生物學特性，在體外培養時加入聚乙烯乙二醇6000(PEG6000)來研究單寧的活性，該配體能與單寧結合為PEG-單寧從而使產氣量升高，單寧對瘤胃微生物的影響越大，產氣量的升高幅度就越大。然后根據產氣量和Menke(1979)建立的公式計算出代謝能和有機物的消化率，從而評價含有單寧的飼料中單寧對飼料代謝能和有機物消化率可能的影響。

　　3.5 評價飼料間組合效應

　　在配制反芻動物日糧時,我們假設配合日糧中總的營養物質等于單個飼料組分的加權和值。然而有時配合日糧的表觀消化率并不等于日糧中各單個飼料組分表觀消化率的加權和值。

　　Sampath等(1995)利用體外產氣技術測定了基礎日糧與補充料混合物的產氣量，從而研究基礎日糧與補充料之間的組合效應，該試驗顯示，易發酵的飼料補充料能提高瘤胃微生物的活性，從而促進粗飼料的降解?；ㄉ炁c稻草之間存在正組合效應，而與稻糠之間則出現負組合效應。他們還發現，在培養的早期(12h)的組合效應比培養末期(52h和166h)要強得多。蘇海涯(2001)利用體外產氣技術研究了桑葉與各種餅粕類飼料間的組合效應，并從能氮平衡上解釋了組合效應產生的機制，發現用產氣量評定的結果同用消化率評定的結果在趨勢上高度一致，他認為可以以直接用氣體產量評定飼料間的組合效應。Liu等(2002)采用體外產氣法研究了未處理稻稈和化學處理稻稈中添加黑麥草和桑樹葉時也發現了正組合效應。他們認為這是由于添加的牧草或蛋白質類飼料(如花生餅、棉餅)增加了組合料中的易發酵物質(如能量、氨基酸或縮氨酸),從而促進了瘤胃微生物的生長,使組合料在體外培養時產生了組合效應。

　　使用這種方法，Sandoval-Castro等(2002)研究兩種粗飼料(L.leucocephala和L.latisiliquum)與精料或干草之間的組合效應，以總產氣量為衡量發現粗飼料與精料間存在組合效應而與干草之間卻不出現組合效應。Getachew等(2003)研究了玉米青貯、大麥、豆粕和苜蓿干草之間的組合效應。發現超過10%的正組合效應發生在體外培養的早期階段(例如6h)，但是，隨著培養時間的延長，這些效應則逐漸消失。同時，使用三種原料的混合在6h時組合效應值為7%-11%，而到了24h時，下降到3%-4%，在72h時則為1%-2%。

　　在體外產氣法中，組合效應發生的程度隨著飼料的種類和不同比例而變化，特別是隨著培養時間而變化，因此，在某些情況下應用體內法來驗證體外法的結果是必需的。

　　3.7 甲烷的測定

　　甲烷是導致溫室效應的主要因素之一。反芻動物是主要的甲烷排放源，同時甲烷是瘤胃發酵能量損失的主要原因，約有6%-15%的飼料能量以甲烷的形式被損耗，因此對瘤胃甲烷產量調控、測定甲烷含量是必要的。使用體外技術被認為是比較可行的測定甲烷含量的有效方法(Soliva等，2003;Mohammed等，2004)。

　　Getachew等(2005)利用體外產氣法評價7種TMR日糧的總產氣量和甲烷產量。結果表明，甲烷含量在6和24h時沒有差異，但在48和72h則有差異。Lee等(2003)應用產氣法測定了24h甲烷產量。谷物的甲烷產量范圍為34-58ml/gDM，而粗飼料的甲烷含量范圍在12-30ml/gDM變化。許多應用產氣法測定甲烷產量與體內法測定的結果是相似的(Moss等，2002)，表明這種方法在測定甲烷產量變化是可行的。

　　4結語

　　體外產氣法是評定反芻動物飼料營養價值的一種非常有效的方法，一次可進行大量樣本的測定，與體內法相比，不需要大量的實驗動物，并且結果與體內法具有高度相關性，已經越來越多的應用在反芻動物飼料營養研究上。

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swordman33

拿分走人

ghfei30

路過。太深奧了

kayrowengreen

不錯哈，不過有一些英文文獻也是寫的比較全面的，可以參考一下