小麦秸秆的化学成分和体外有机物质消化率的变化

小麦秸秆的化学成分和体外有机物质消化率的变化

近年来，许多外国研究人员致力于研究如何提高食品的营养成分[1、2、3、4、5、6]，但大多数采用预处理法提高营养成分。由于预处理(特别是化学处理)费用较高,很少在生产实践中得到有效的应用。因此,探讨不经预处理而提高秸秆饲料营养价值是一个十分重要的课题。研究这一课题,首先必须阐明桔秆饲料营养价值的特性及其变化规律。为此,作者在澳大利亚墨尔本大学工作期间,开展了小麦秸秆饲料营养特性的研究。本研究以小麦秸秆(籽实收割前应称为植株,收获后称为秸秆)为材料,研究小麦在正常生长发育条件下,麦秆(包括茎秆、叶鞘和叶片)的化学成分、体外有机物质消化率(Invitroorganicmatterdigestibility,用IVOMD表示)和细胞壁消化率(Neutraldetergentfibredigestibility,用NDFD表示)的变化特性,分析各形态部分的细胞壁和细胞内容物的营养价值,探讨整个小麦秸秆营养物质的转化规律,以便为获得最佳营养价值的麦秆提供科学依据。材料和方法一、播种与收获时间供试作物是生长在正常栽培管理条件下的小麦(TritiumaestivumCV.Millewa),于1985年5月24日在澳大利亚墨尔本大学Mt.Derrimut实验农场播种,粘壤土。每公顷播种量75公斤。播种时,每公顷施磷酸铵75公斤。10月初开花(澳大利亚位于南半球,季节与我国相反,10月为春季),50%开花期是10月13日,12月初籽实成熟,1月底收获。作物生长期(5-11月)平均降雨量为50.2毫米。二、形态变异植株干物质量的测定从8月中旬(生长发育期)至成熟收获期,每周采样1次,每隔3个试验小区,取一采样区,每区采样长度不限,宽为3米左右,每次取50个植株。每一采样区的采样点,随机确定,从距地头1米处开始沿纵向进行采样,但不连续采集毗邻的植株。采样后,立即将植株放入4℃冷库中存放,随后根据穗头的丰满度,将植株划分为大、小分蘖两种,再把大分蘖植株解剖为节段、茎秆、节、叶鞘、叶片和穗头等形态部分。且据各形态部分所在植株的不同位置,从上到下分别划分为节段1-5、叶鞘1-5和叶片1-5(分别以S1-5、LSI-5和LB1-5表示)。测量每个节段的长度(精确到毫米)。测定各形态部分的湿重。取约占湿重30%的样品,置一70℃冷库中贮存,以备随后作形态学研究,剩余样品在55℃烤箱中初步干燥,再取一份样品置100℃烤箱中烘干24小时,测定各自的干物质量(Drymatter用DM表示)。同时,于小麦成熟期从维多利亚州选择23个采样点,按上述同样方法采集TDN.CON-D.P62和TDI等16个小麦品种的麦秆,以备分析比较用。三、微胶囊化学成分的检测烘干样品,经粉碎机粉碎(通过1毫米网眼的铜筛)制备成化学分析样品。对全植株不同节段、各形态部分进行化学分析测定。用Goringvansoest(1972)方法测定中性洗涤纤维(Neutraldetergentfibre,用NDF表示)、酸性洗涤纤维(Aciddeter-gentfibre,用ADF表示)、木质素和剩余灰分;细胞可溶性物质(Neutraldetergentsolubles,用NDS表示)由100-NDF计算而得;半纤维素由NDF-ADF计算而得;纤维素由ADF-72%酸性剩留物计算而得,把样品置于600℃C马福炉内灼烧3小时测定总灰分。用Mcleond和Minson(1978)的胃蛋白一纤维素消化酶(日本Yakult生化药品公司产)方法测定OMD,测定后的剩留物进行中性洗涤剂提取,测定NDFD。细胞可溶性物质消化率(Neutraldetergentsolublesdigestibility用NDSD表示)由100-NDFD计算而得。结果与分析一、不同发育时期植株的生长特性以及造成的生态功能植株第一节段茎秆不同形态部分化学成分和消化率见表1、2。(一)不同生长发育时期,各形态部分化学成分的变化特性:由表1可知,在整个生长发育时期里,茎秆与叶鞘和叶片比较,NDF(p<0.05)、半纤维素(p<0.05)、纤维素(p<0.05)和木质素(p<0.05)含量均较高。除半纤维素外,叶鞘的各化学成分值均处于叶片和茎秆之间。叶片与叶鞘和茎秆比较,NDF、纤维素和木质素含量均较低。从第一次到最后一次采样,随着植株的成熟,茎秆纤维素和木质素的平均重均有所增加。但从开花后一周起,茎秆的半纤维素却相对保持稳定。各阶段叶鞘的NDS、纤维素和木质素的变化情况基本与茎秆相同,但均比茎秆各相应值低。叶片的木质素有所增加,而纤维素却相对减少。总之,随着植株的成熟,各部分的NDF(p<0.05)、ADF(p<0.05)、纤维素(p<0.05)和木质素有所增加,而NDS(p<0.05)和半纤维素(p<0.05)则有所减少。(二)不同生长发育时期,各形态部分干物质量(DM)的变化特性:由图一可知,从播种到开花的前一周,叶鞘和叶片的DM缓慢增加。随后,叶鞘的DM相对稳定在170毫克左右。到开花前后一周,叶片的DM相对稳定,最后下降到120毫克左右。从播种到开花后两周,茎秆的DM迅速增加(13毫克/天),随后缓慢下降,最后相对稳定在300毫克左右。总之,随着植株的成熟到开花前后,各部分的DM逐渐增加,至开花前后达到高峰,以后缓慢下降。这说明,随着小麦的生长发育和光合作用的加强,合成物质迅速积累于茎秆之中,而随着开花后籽实的逐渐成熟,积累于茎秆中的物质转运到籽实中去,从而DM量也逐渐下降,到籽实成熟后,茎秆中的DM则相对稳定在一定水平上。从秸秆营养学角度看,要正确选择和确定既保证籽实充分成熟又能使秸秆含有较高的DM和营养物质的最佳收获时期。(三)不同生长发育时期IVOMD和NDFD的变化特性:由图二、三可知,茎秆的IVOMD和NDFD最低,其次为叶鞘,叶片最高。这与茎秆比叶鞘(片)含有较多的NDF、半纤维素和木质素是一致的。随着小麦的生长发育,各部分的IVOMD值均有下降,但各自下降的程度不同,互相间差异非常显著(p<0.01)。开花前,茎秆和叶鞘的IVOMD值迅速下降(每天分别下降3.45%和1.3%)。开花后两周内IVOMD变化甚微。在整个生长发育时期,叶片的IVOMD以相当稳定的速率(0.24%/天)下降。而且叶片的NDFD也以相似的速率(0.25%/天)下降。与IVOMD比较,叶片和茎秆的NDFD变化略有不同,尽管NDFD在开花前迅速下降(每天分别下降4.3%和1.6%),但开花后则变化甚微。经统计分析,茎秆和叶鞘的IVOMD值与NDFD下降呈极显著的正相关(Y=1.29X,r=0.99),叶片的IVOMD值与NDFD的下降也呈极显著正相关(Y=1.06X-6.6,r=0.98)。总之,随着植株的生长发育和成熟,纤维素成分含量增加,而IVOMD值随之下降,其营养价值也降低。因此,植株各部分IVOMD值的大小,取决于NDS量的多少和NDFD的大小。二、秸秆营养价值的测定以上提出的是植株第一节段营养价值的变化特性。其它各节段的测定结果表明,该特性相互间极为相似,但各自的变化程度有所不同,而以第一、二节段最为典型。(一)全植株各形态部分营养价值的比较1.IVOMD:成熟期麦秆不同形态部分的IVOMD值差异很大。叶片比茎秆有较高的营养价值。叶片占全植株含量比例越高,营养价值也越高。这说明,凡能提高叶片占秸秆总量比例的措施,都可能提高秸秆的营养价值(见表3)。2.DM:成熟期叶片和叶鞘(特别是叶片)往往只占秸秆DM总量的一小部分,所以它对整个秸秆营养价值的影响也较小,真正对其营养价值起重大作用的是茎秆质量的高低(见表4)。小麦植株上部通常比下部枯萎衰老较迟,具有较高的消化率。因此,秸秆的刈割高度对营养价值的大小有很大的影响。确定适宜的刈割高度,就能得到较高质量的秸秆。(二)全植株细胞学营养价值的比较1.秸秆细胞壁营养价值:秸秆细胞壁(NDF)主要包括纤维素、半纤维素、木质素以及少量的矿物质和蛋白质。上面提到,茎秆的DM占其总量的38%以上,而茎秆的主要成分是细胞壁。因此,秸秆细胞壁营养价值如何,决定了整个秸秆的营养价值。而细胞壁的营养价值可以从以下两方面去分析。(1)NDF与DM的关系:小麦从播种到开花后3-4周,细胞壁一直在伸长和增厚。因此NDF随着DM的增加而增加。到开花3-4周后,达到高峰,到成熟和收获时,NDF无明显变化。但随着成熟,DM明显下降,收获时则变化甚微。(2)IVOMD值:在植株生长发育早期,IVOMD值最高;随着植株的成熟,IVOMD值降低;到成熟收获期,IVOMD直最低。同时,由于下部茎秆比上部成熟早,所以上部有较高的IVOMD值。按各节段IVOMD值的大小,其顺序为S1>S2>S3>S4>S5。这说明,未成熟的植株有较高的IVOMD值,而成熟植株则相当低。2.秸秆细胞内容物(NDS)的营养价值:NDS包括贮存淀粉和细胞内的胞质、叶绿体、细胞膜和少量其它物质。由于细胞内的物质含量甚微,可用贮存淀粉代表NDS分析细胞内容物的营养价值。对于秸秆来说,最重要的是贮存淀粉,因为淀粉越多,消化率则越高。在开花前,叶片(鞘)的NDS量比茎秆高。但随着植株的生长发育,到开花期发生了质的变化,茎秆NDS于开花后3-4周达到最高值(约590毫克),积累在茎秆中的NDS迅速增加,大大超过在叶片(鞘)中的含量。叶片(鞘)NDS量于开花时达到最高值(约380毫克)。以后随着植株的成熟,NDS量迅速下降,到收获前1-2周,降至最低值,但始终是茎秆的NDS高于叶片(鞘)。由此可知,秸秆的贮存淀粉,在小麦开花期,大部分迅速地转运到籽实中去,促进籽实的成熟;一部分仍贮存在茎秆中;还有一部分在进行呼吸作用时被消耗。因此,从秸秆营养角度看,提高秸秆的营养价值,要在保证籽实营养需要的前提下,确保茎秆含有较多的贮存淀粉,并使之得到充分的利用。3.NDFD和NDSD的变化特性:在整个生长发育阶段中,均是NDSD最高,其次为IVOMD和NDFD最低,但三者均在开花前两周左右最高。从开花前到开花后4-5周内,NDSD均保持很高的消化率(约90%),到成熟后期,急剧下降,至收获时最低。在开花后3-4周,IVOMD相对稳定,随后急剧下降,成熟期降至最低,以后保持相对稳定状态。从开花至开花后3-4周,NDFD明显下降,在成熟期前后,保持相对稳定状态。这说明,当大多数贮存淀粉被转运到籽实中时,NDSD即下降,随之IVOMD也下降。所以,IVOMD与NDSD密切相关。小麦秸秆营养价值分布情况本研究和其他许多研究证明,遗传和环境因素(或两者的相互作用)影响小麦秸秆营养价值的差异性。小麦品种、管理和生长发育条件以及小麦的收获、脱粒和秸秆贮存方法,都能影响秸秆的营养价值。在遗传因素方面,不同品种的小麦秸秆,其营养价值亦不同。在16个小麦品种间,全植株的IVOMD值相差14个单位(见表3)。Kernan等(1979)报道,不同小麦品种间,IVOMD值相差5个单位以上,不同燕麦品种间相差6个单位以上。这说明,品种(基因型)不同,秸秆营养质量亦不同。在环境因素方面,土壤类型、施用肥料种类和数量、播种和收获时间、降雨量、灌溉条件、温度、光照和病虫害以及人工施用植物激素等都能影响秸秆的营养质量。Kernan等(1979)报道,不同年份同一地点生长的小麦(Neepanwa),麦秆IVOMD值变化范围为5个单位,同一年份不同地点生长的小麦,IVOMD值变化范围为10个单位。Purser(1982)报道,在降雨量为300-800毫米范围内生长的小麦,IVOMD值变化范围为15个单位。此外,高温(Deinum,1975)和光照强度不足(Wong,1978)以及许多病虫害(Khush,1986)均能降低秸秆的消化率。这说明,不同的环境因素能导致秸秆营养价值的巨大差异性。在管理因素方面,籽实收获、脱粒和贮存方式都能影响秸秆的营养价值。Kent等(1986)报道,刈割高度不同,秸秆IVOMD值相差20%左右。Hilmersen等(1984)报道,用机械法脱粒秸秆的营养价值比用手工脱粒高。Devendera(1982)报道,分别采用秸秆全部覆盖、部分暴露、全部暴露三种贮存方法,秸秆营养价值亦不同,其粗蛋白含量分别为5.6%,5.2%和3.4%,钙分别为0.31%、0.24%和0.21%,磷分别为0.11%、0.05%和0.02%。这说明,管理因素也能导致秸秆营养质量不同。本研究证明,小麦在分蘖末期和开花前期(约播种后110-120天),是植株物质合成的临界期。此时营养物质的合成速度逐渐增加,营养物质的量也随之增多,开花前后达到高峰(约播种后140-150天)。小麦灌浆期(约播种后160-180天)是植株物质转运临界期,此时积累于植株茎秆中的营养物质迅速转运到籽实中去,到籽实成熟后(约播种后200-210天),营养物质转运趋于停止,此时秸秆的营养价值最高。由于小麦秸秆饲料的营养价值存在着较大的差异性,另外小麦在生长发育过程中,植株营养物质的合成和转运有明显的规律性,使人们有可能采取多种途径和方法去提高它的营养价值。其方法有:(1)根据小麦基因型的差异,通过选择、繁育或杂交改良,培育出“双高双优”的小麦新品种(籽实和秸秆均高产优质);(2)在小麦生长发育过程中,调控环境因素,使其在良好的生长发育条件下,向着“双高双优”的方向发展;(3)小麦收获后,调控收藏过程中的收割、脱