作者：金恩望 周凌云 卜登攀 孙鹏 姜雅慧 李发弟 单位：中国农业科学院北京畜牧兽医研究所 甘肃农业大学动物科学技术学院
1体外产气法的原理
体外产气法的主要理念是通过体外产气装置模拟瘤胃发酵。体外产气系统有发酵装置、恒温晃动装置、气体量或压力测定装置和微生物培养液组成。发酵装置一般是注射器、血清管或玻璃瓶；恒温晃动装置一般是恒温培养箱或恒温水浴摇床；气体量或压力测定装置一般是在发酵装置上标定刻度或是压力传感器；微生物培养液是瘤胃液与人工唾液按一定比例配合的混合液。饲料的消化率不同，在限定时间内不同发酵阶段的产气量与产气率不同。饲料发酵体系在恒温厌氧的密闭空间内产生气体进而导致密闭空间的压力变化。体外产气法即利用饲料底物在体外产气系统中分解代谢产生的CO2、CH4等气体后引起反应空间体积或压力变化，通过定量这种体积或压力的变化来定量发酵产生气体量和产气速率，并测定底物降解后的残余量和发酵产物生成量等，实现对饲料营养价值的评价。体外产气法测得的有机物质消化率与在反刍动物活体内测定的结果呈高度正相关（Menke等，1979）。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脂肪酸（SCFA）、气体和微生物的细胞成分。碳水化合物在降解为乙酸、丙酸、丁酸的过程中产生气体，主要包括CO2、CH4和H2。产气量取决于底物发酵和挥发性脂肪酸产量及其摩尔比例（Davies等，2000），与碳水化合物相比，蛋白质降解时的产气量要低（Wolin等，1960），脂肪的产气量可以忽略不计。
2体外产气法在动物营养中的应用
2．1体外产气法在评价饲料营养价值方面的应用体外产气法的一个最重要、最原始的应用是评价反刍动物饲料的消化率和能值（Krishnamoorthy等，2005）。体外产气系统能有效评价营养物质的利用率，通过饲料降解过程中的产气量能较精确地评定饲料在动物体内的消化率（Sallam等，2007）。Huhtanen等（2008a）用自动体外产气法预测15种牧草青贮中性洗涤纤维的可消化性和潜在可消化中性洗涤纤维的一级有效消化率，结果表明可以用一个含6个参数的复杂的产气动态模型评价一级消化率。Kazemi等（2009）用体外产气法和半体内法评价假高粱、钾猪毛菜和田旋花等野生牧草的营养价值，结果表明假高粱与其他野生牧草相比具有较高的营养价值。Murillo等（2011）用体外产气法评价了放牧阉牛日粮营养价值随季节性的变化规律，结果表明体外产气量是评价放牧牛日粮营养价值的一个很好的指标。利用体外产气法能对饲料可溶解部分和不可溶解部分的消化动态提供有用的数据，越来越多的研究者采用体外产气法对非传统饲料资源进行营养价值评价。Songsak等（2005）用体外产气法评价了椰子树、棕榈树等热带饲料的营养价值，预测这些非牧草高纤维的热带饲料在瘤胃中会有较高的发酵活性。Sallam等（2007）用体外产气法预测稻草、亚麻子秸秆、甘蔗渣和埃及车轴草等饲料，瘤胃可发酵有机物质比例、产气动态、代谢能、净能和有机物质消化率，得出不同粗饲料碳水化合物的发酵能力具有很大的差别。Razligi等（2011）用体外产气法研究高压灭菌30和60min对红花籽净能的影响，结果表明，从节省时间和能量的观点讲，高压灭菌30min对增加红花籽净能有较好的效果。为了降低畜牧业生产的成本，大量的农业副产品如棉籽壳、稻壳和甜菜渣等也用来饲喂反刍动物，这些农业副产品的营养价值可以通过体外产气法进行评定。Aghsaghali等（2011）用体外产气法评价干番茄皮渣的营养价值，试验结果表明，番茄皮渣可以作为一种有价值的副产品应用于反刍动物饲料中。Akin－femi等（2009）用体外产气法评价了5种尼日利亚农业副产品饲料的营养价值，结果表明体外产气法能用于评价热带农业副产品的营养价值和区别它们的潜在可消化性和代谢能值，并证明了这些农业副产品具有成为反刍动物日粮的潜力。
2．2体外产气法在预测CH4方面的应用1991年美国环保局对全球CH4排放源和排放量进行了初步估测，结果表明反刍动物CH4排放量占CH4排放总量的15％～25％（李华伟，2008），是全球温室效应的重要来源。瘤胃发酵能量损失主要来源于CH4的排放，有2％～15％的饲料能量以CH4的形式被损耗（华金玲等，2007），因此对瘤胃中CH4进行调控、预测CH4产量是很有必要的。体外产气法可以用来估算或测定日粮降解过程中CH4产生量，快速筛选日粮，评估并制定瘤胃中CH4缓释策略以提高反刍动物生产性能（Bhatta等，2007）。Villa等（2011）用产气法评价多年生黑麦草和2种红三叶草的3个不同收割时期的体外瘤胃发酵CH4产量，结果表明CH4产量的降低与牧草发酵程度的下降有关。在反刍动物营养中简单、准确地预测CH4产量并建立CH4产生模型对任何饲喂模式都是很重要的（Blummel等，2005）。Getachew等（2005b）对全混合日粮进行发酵时，结果发现体外产气法测定的CH4产量和公式推测值相似，且饲喂高粗日粮的反刍动物的CH4产生量可以通过体外产气法预测。李华伟（2008）用体外产气法与六氟化硫示踪法两种方法测定内蒙古白绒山羊CH4产生量，并据此建立的回归方程为：y＝0．684x＋9．798（R2＝0．840），结果表明完全可以通过体外产气法估测放牧绒山羊的CH4产生量。Geough等（2011）用体外产气法定量几种青贮饲料发酵产生的CH4产量和总产气量，并对这些饲料的化学成分进行回归分析以评估变量之间的关系，得出每单位饲料发酵CH4产量变异的96％是由体外有机物质消化率、中性洗涤纤维和灰分所导致的。显然，体外产气法作为一种相对廉价的方法，能大规模地测定CH4排放和评判抑制CH4产生的策略。
2．3体外产气法在预测自由采食量方面的应用反刍动物的生产性能主要取决于动物所采食饲料的质和量，主要反映在动物自由采食量和饲料在瘤胃内的消化率（Getachew等，2005a）。反刍动物对粗饲料利用的主要限制是自由采食量，因此准确地预测自由采食量对现代饲料评价系统是很重要的（Yearsley等，2001）。体外产气法可以用于预测干物质采食量，许多研究者已经报道体外产气量与干物质采食量之间存在很强的相关性（Chenost等，1997；Pashaei等，2010）。中性洗涤纤维比整体粗饲料的发酵产气量与自由采食量的相关性要高（82％和75％）（Getachew等，1998），所以用中性洗涤纤维的产气量预测采食量更为准确。通过建立数学模型预测采食量也是一种很好的方式。体外产气法导出的动态参数能较好地预测羊的采食量（Rodrigues等，2002）。Hetta等（2007）通过体外产气法建立干样和湿样青贮料发酵的预测青贮料干物质采食量的模型，建议用产气法估测采食量时用青贮干样进行发酵。Kamalak等（2005）用体外产气法预测成年羊对几种牧草的干物质采食量及其消化率，结果表明所有时间点的产气量和产气常数与干物质采食量或干物质消化率显著相关（P＜0．001），说明体外产气法在预测干物质采食量和干物质消化率方面具有很好的潜力。#p#分页标题#e#
2．4体外产气法在评价饲料组合效应方面的应用反刍动物日粮配比时净能或代谢能值一般是通过其所包含各种饲料原料能值求和计算得来的，这种计算基于“各种饲料原料与其他原料配合饲喂时净能或代谢能值不变”的假设成立，但这种假设并不一定正确（Robinson等，2009）。卢德勋（2000）对组合效应做了明确的定义，日粮的组合效应实质上是指来自不同饲料源的营养性物质、非营养性物质及抗营养物质之间互作的整体效应。近几年来反刍动物饲料组合效应的研究成为热点。Kiran等（2007）通过产气法评价日粮时指出饲料间的组合效应发生在发酵12h以内。Robinson等（2009）用体外产气法测定4种饲料的两两组合在发酵72h内的多个时间点的组合效应以确定这些组合在相同的时间是否有相同的组合效应。Nasser等（2009）用体外产气法研究了未处理或生物学处理的亚麻稻草和埃及车轴草之间的组合效应，当未处理和生物学处理过的亚麻稻草与干草混合发酵时均对产气量表现出正的组合效应，因此可以通过与埃及车轴草等优质牧草混合发酵来提高亚麻稻草的降解率，而不必经过生物学处理。由此可见，体外产气法可以用于反刍动物粗饲料组合效应的评价。
2．5体外产气法在人和其他单胃动物营养中的应用体外产气法多用于反刍动物研究，但是也能用于人和其他单胃动物食物营养价值的评价和后肠消化及发酵的预测（Williams等，2005）。后肠道微生物菌群对单胃动物和人的健康都有重要的影响，对微生物发酵有益的刺激是提高猪肠道健康的一个途径（Williams等，2001）。Williams等（2001）提议用体外产气法评价单胃动物饲料成分的发酵特性的可能性。Rink等（2011）用改进的体外产气法研究添加甜菜碱对猪粪基质微生物的发酵活性，结果表明了改进的体外产气法是评价碳水化合物与蛋白质组合体外发酵特性的一种经济、快速和可靠的方法，同时也说明了饲料添加剂对猪肠道微生物发酵过程有促进作用。
3体外产气法中产气数学模型的应用
反刍动物对粗饲料的利用主要是靠瘤胃微生物的降解作用，掌握粗饲料降解特征，并依据降解特征来评价粗饲料品质和在反刍动物营养中饲料在瘤胃中发酵模式是非常重要的。体外产气法可以通过详细描述产气动力学研究饲料不同成分的降解特性（Krishnamoorthy等，2005）。不同化学成分发酵产气的速率能反映瘤胃微生物的生长和对饲料的利用程度。通过记录不同时间点的产气量，形成产气量的动态变化曲线，分析动态数据来评价不同饲料组成的发酵程度和预测饲料消化率（隋美霞，2009）。饲料发酵的动力学参数主要与饲料中可溶、不可溶但能降解和不能降解部分的相对比例有关，可以由发酵产气量和缓冲液缓冲短链脂肪酸所释放的气体量计算得到。体外累积产气的测定给瘤胃液中饲料动态消化提供了有价值的信息。数学模型是描述和解释体外产气动力学必要的工具，随着体外产气法的不断完善和发展，许多应用于体外产气法的数学模型相继被提出，主要包括指数模型和S型模型两种（France等，2000）。rskova等（1979）建立了可以用体外产气法动力学描述的指数模型：Y＝b（l－e－ct），其中，Y表示t时间点的产气量；b表示潜在产气量；c表示产气速率。McDonald等（1981）在指数模型基础上提出了与尼龙袋法估测降解率相近的新指数模型：P＝a＋b（l－e－ct），其中，P表示培养t时间点的产气量；a表示速溶物质；b表示不溶可发酵物质；c表示b的产气常数。逻辑斯蒂模型和冈珀茨模型都是经典生长模型，基于产气率受流通的微生物量和底物水平影响的假说，Schofield等（1994）首次用逻辑斯蒂模型和冈珀茨模型研究体外产气动力学；冈珀茨模型具有较好的拟合度，然而，逻辑斯蒂模型具有正的截距，预测产气量时将产生模型所固有的误差。米氏模型多用来描述酶学动力学，Groot等（1996）第一次用米氏模型描述体外产气动力学；米氏模型没有固定拐点和能表现出较宽范围曲线形状。一些研究者报道米氏模型能降低均方根而表现出较高的拟合度（Calabrò等，2005；Huhtanen等，2008b）。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。从理论上来讲，此模型能够提供很有用的数据，但该模型的利用需要大量时间点的产气数据支撑。Wang等（2011）在逻辑斯蒂模型的基础上引入一个形状参数，建立具有更灵活函数功能的逻辑斯蒂———指数模型，并通过与6个单池模型和4个双池模型比较评价逻辑斯蒂———指数模型的性能，结果表明逻辑斯蒂———指数模型能够代替其他模型描述产气曲线。
4小结
体外产气法能为饲料营养价值评价提供重要的信息，在饲料营养价值评价和发酵动力学研究方面的应用体现出了其在反刍动物营养研究中许多新领域的潜在应用价值。作为一种体外模拟技术，体外产气法的试验环境与动物实际生理状况有一定的差异，结合化学成分分析法等其他方法能起到更好的效果。不同实验室所采用的技术细节、发酵底物和产气装置等都不太一致，所以不同实验室之间数据的变异性有待于进一步探讨。
