体外产气技术的发展及应用

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　　体外产气技术的发展及应用

　　史良1 2 刁其玉2

　　(1 中国医学科学院实验动物所 北京 2 中国农业科学院饲料所 北京)

　　【摘要】体外产气技术是利用体外方法评定反刍动物饲料营养价值的方法与技术。本文针对体外产气法的原理、特点及应用进行了评述.

　　【关键词】体外产气法，产气量，营养价值，反刍动物

　　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

　　粗饲料的采食量和消化率会极大影响反刍动物的生产性能，但通过体内法测定饲料的采食量和消化率费时、费力、价格昂贵、需要大量的饲料品而且不能大量地测定，所以，科学家一直在尝试通过实验室方法来测定采食量和消化率。

　　1 体外技术的发展

　　二十世纪五十年代以来建立的体外法，包括英国学者Tilly-Terry(1963年)建立的两阶段法，Raab L.等(1983年)、德国荷恩海姆大学动物营养研究所Menke K.H.(1979)等人发展的产气法(The gas production method)、真菌纤维素酶法和尼龙袋法。

　　瘤胃降解与气体产量之间的关系很早就被关注，但直到上世纪40年代才开始测定瘤胃的气体产量(Quin，1943)。Menke等(1979)通过体外产气的测定，发现体外产气量与体内的消化参数具有很高的相关性。在此之后，产气技术才被确定为评价饲料营养价值的有效方法之一。

　　2 体外产气技术的原理

　　2.1 体外产气技术的原理

　　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的脂肪酸(SCFA)、气体(主要是二氧化碳和甲烷)和微生物的细胞成份。气体主要是碳水化合物在降解为乙、丙、丁酸的过程中产生的，与碳水化合物相比，蛋白质降解时的产气量要低(Wolin，1960)，脂肪的产气量可以忽略不计。

　　体外产气技术中的气体成份主要是发酵产生的二氧化碳、甲烷以及缓冲液缓冲短链脂肪所释放的二氧化碳。当利用碳酸盐缓冲液培养粗饲料时，约50%的气体为缓冲液缓冲短脂肪酸时所产生，其余的则为发酵产生(Blummel 和Ørskov,1993)，当所产生的丙酸比例较高时(精料)，缓冲液释放的二氧化碳可达总产量的60%。利用磷酸盐缓冲液时，每1mmol的短链脂肪酸能使缓冲液释放0.8-1 mmol的二氧化碳(Beuvik和Spoelstra，1992;Blummel 和Ørskov,1993) 。

　　2.2 产气量的理论计算

　　若体外培养的产物能进行测定，可以通过这些数据计算体外的产气量，理想的计算值与实际观测值之间具有高度的相关性(Beuvik和Spoelstra,1992)，另外，还可以通过短链脂肪酸的摩尔比以及总量计算出发酵时二氧化碳和甲烷的产量。

　　3 体外产气技术的用途

　　3.1 消化参数的预测

　　Menke等(1979)对体外产气量和各种化学成份进行多元回归，建立了饲料体内有机物消化率与这些因素的回归方程(R=0.98;S.D.=0.25)。其他学者们(Chenost等，1997)也报导了体外产气量与体内消化率具有显著的相关性，若考虑饲料中蛋白对产气量的影响则能进一步提高对体内消化率的预测。

　　Raab等(1983)在Menke等(1979)的注射器式产气技术和氨测定技术基础上，提出了测定瘤胃蛋白降解率的方法。饲料在缺乏或存在碳水化合物的体外体系中培养，由于产气量与培养液中氨的浓度是呈负相关的，这样就能够计算出在没有可发酵碳水化合物时氨氮的释放量，饲料所释放的净的氨氮量就可以用总氨氮量减去通过计算得到的空白氨氮量(不含底物培养时的氨氮)而得，这样就可以计算出饲料蛋白的体外降解率。

　　3.2 发酵的动力学研究及产气的数学模型

　　饲料发酵的动力学参数可以通过发酵产气量和缓冲液缓冲短链脂肪酸所释放的气体计算得到，这些参数主要与饲料中可溶、不可溶但能降解和不能降解的部分所占的比例有关，通过对产气特性的数学描述可以分析数据、评价底物和培养液造成的差异和饲料溶解成份及慢速发酵成份的降解率。研究者们已经建立了很多模型来描述体外产气。Ørskov和McDonald(1979)基于尼龙袋法所建立的指数模型已被广泛的用来评价饲料的降解动力学参数。该方法也可用作体外产气法时的动力学描述(Blumen等，1991;Siaw等，1993)，该模型假定饲料的降解速度是恒定的，即描述的是动力学的第一级参数(Groot等，1996)。但由于有一些饲料颗粒的发酵速度并不一致，所以该模型不能试用所有饲料。Beuvik和Kogut(1993)比较了多种产气模型，发现与S型模型相比，指数模型会导致比较大的残余平均方差。Groot等(1996)建立了“三段”模型来区分饲料中可溶、不可溶但能降解和不能降解的部分，从理论上来说，该模型能够提供非常有用的数据，但利用该模型时，需要非常复杂的设备来记录各个时间点的产气量。熊本海等(2001)采用Jerson等(1996)多项组合数学模型模拟产气拟合曲线，结合分析不同培养时间后的残余物，可以确定底物降解的动力学特征。

　　3.3 随意采食量的预测

　　随意采食量是限制反刍动物利用粗饲料的一个重要因素，所以预测采食量特别是纤维类物质的采食量，是反刍动物营养学的一个重要研究领域。众多学者均报道体外产气量与干物质采食量有显著性的相关性(Blummel和Becker，1997;Chenost等，1997)，利用体外产气量可以预测动物的采食量。与全饲料的产气量相比，从饲料中提取的中性洗涤纤维的产气量与随意采食量的相关性更高，中性洗涤纤维的产气量较全饲料的产气量更能准确的预测采食量(82%vs75%)(Blummel和Becker，1997)。

　　3.4 抗营养因子的研究

　　产气技术可能还比化学分析法更能准确地定量饲料中的抗营养因子。化学方法只是根据某一个抗营养因子的理化特性来测定其含量，但抗营养因子在动物体内表现的是其生物学上的特性，而且同一个抗营养因子在不同的饲料中可能会再现出不同的特性，而体外产气技术则是综合地体现出营养因子在生物层面上对发酵的影响。Makkar等(1995)利用体外产气技术研究了单宁和茶皂素的作用，并测定了它们对微生物蛋白合成的影响，发现单宁和茶皂素的作用是累加的，相互不会抵消对方的作用。饲料中的酚类物质对消化有负面作用，而且通过体外产气技术得到的影响比尼龙袋法得到的更为显著(Khazaal等，1993)。

　　Makkar和Becker(1995)利用单宁的生物学特性，在体外培养时加入聚乙烯乙二醇6000(PEG6000)来研究单宁的活性，该配体能与单宁结合为PEG-单宁从而使产气量升高，单宁对瘤胃微生物的影响越大，产气量的升高幅度就越大。然后根据产气量和Menke(1979)建立的公式计算出代谢能和有机物的消化率，从而评价含有单宁的饲料中单宁对饲料代谢能和有机物消化率可能的影响。

　　3.5 评价饲料间组合效应

　　在配制反刍动物日粮时,我们假设配合日粮中总的营养物质等于单个饲料组分的加权和值。然而有时配合日粮的表观消化率并不等于日粮中各单个饲料组分表观消化率的加权和值。

　　Sampath等(1995)利用体外产气技术测定了基础日粮与补充料混合物的产气量，从而研究基础日粮与补充料之间的组合效应，该试验显示，易发酵的饲料补充料能提高瘤胃微生物的活性，从而促进粗饲料的降解。花生饼与稻草之间存在正组合效应，而与稻糠之间则出现负组合效应。他们还发现，在培养的早期(12h)的组合效应比培养末期(52h和166h)要强得多。苏海涯(2001)利用体外产气技术研究了桑叶与各种饼粕类饲料间的组合效应，并从能氮平衡上解释了组合效应产生的机制，发现用产气量评定的结果同用消化率评定的结果在趋势上高度一致，他认为可以以直接用气体产量评定饲料间的组合效应。Liu等(2002)采用体外产气法研究了未处理稻秆和化学处理稻秆中添加黑麦草和桑树叶时也发现了正组合效应。他们认为这是由于添加的牧草或蛋白质类饲料(如花生饼、棉饼)增加了组合料中的易发酵物质(如能量、氨基酸或缩氨酸),从而促进了瘤胃微生物的生长,使组合料在体外培养时产生了组合效应。

　　使用这种方法，Sandoval-Castro等(2002)研究两种粗饲料(L.leucocephala和L.latisiliquum)与精料或干草之间的组合效应，以总产气量为衡量发现粗饲料与精料间存在组合效应而与干草之间却不出现组合效应。Getachew等(2003)研究了玉米青贮、大麦、豆粕和苜蓿干草之间的组合效应。发现超过10%的正组合效应发生在体外培养的早期阶段(例如6h)，但是，随着培养时间的延长，这些效应则逐渐消失。同时，使用三种原料的混合在6h时组合效应值为7%-11%，而到了24h时，下降到3%-4%，在72h时则为1%-2%。

　　在体外产气法中，组合效应发生的程度随着饲料的种类和不同比例而变化，特别是随着培养时间而变化，因此，在某些情况下应用体内法来验证体外法的结果是必需的。

　　3.7 甲烷的测定

　　甲烷是导致温室效应的主要因素之一。反刍动物是主要的甲烷排放源，同时甲烷是瘤胃发酵能量损失的主要原因，约有6%-15%的饲料能量以甲烷的形式被损耗，因此对瘤胃甲烷产量调控、测定甲烷含量是必要的。使用体外技术被认为是比较可行的测定甲烷含量的有效方法(Soliva等，2003;Mohammed等，2004)。

　　Getachew等(2005)利用体外产气法评价7种TMR日粮的总产气量和甲烷产量。结果表明，甲烷含量在6和24h时没有差异，但在48和72h则有差异。Lee等(2003)应用产气法测定了24h甲烷产量。谷物的甲烷产量范围为34-58ml/gDM，而粗饲料的甲烷含量范围在12-30ml/gDM变化。许多应用产气法测定甲烷产量与体内法测定的结果是相似的(Moss等，2002)，表明这种方法在测定甲烷产量变化是可行的。

　　4结语

　　体外产气法是评定反刍动物饲料营养价值的一种非常有效的方法，一次可进行大量样本的测定，与体内法相比，不需要大量的实验动物，并且结果与体内法具有高度相关性，已经越来越多的应用在反刍动物饲料营养研究上。

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swordman33

拿分走人

ghfei30

路过。太深奥了

kayrowengreen

不错哈，不过有一些英文文献也是写的比较全面的，可以参考一下