小麦与玉米的营养成分、瘤胃体外发酵参数及二级分子结构差异研究

赵欣雅， 刘桐博#， 田雨佳 ， 张学炜， 袁文焕， 潘振亮

（1.天津农学院动物科学与动物医学学院，天津市农业动物繁育与健康养殖重点实验室，天津 300392；2.天津市武清区农业发展服务中心，天津 301700；3.北京凰畜牧科技有限公司，北京 100020）

近年来， 国内传统畜牧行业总体发展势头较好，对玉米的实际需求量有所增加，但由于季节性极端天气条件、 疫情等问题导致玉米成本明显增加（张静波等，2021），从而极大地增加了饲料成本（ 张志栋，2020）。养殖业如果继续使用玉米-豆粕型日粮，将会极大的增加养殖成本。 因此，养殖技术人员致力于不断寻找代替玉米的能量原料。 实践表明， 使用小麦替代玉米可以显著节约饲料成本，为全国畜牧行业创造可观的经济效益。但在饲料配方中小麦替代玉米的比例及如何最大程度地发挥其营养优势成为当下研究的热点问题。 冯艳武等（ 2019）研究表明，小麦的粗蛋白质（CP）、粗纤维（CF）、中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）水平都远高于玉米。 刘梅等（2021）研究发现，小麦次粉作为玉米的替代物，在其他动物饲料中已被广泛使用并且有显著效果。 庞培等（2021）研究发现， 通过广泛使用饲料酶制剂和动物氨基酸平衡技术， 小麦饲料可以部分或完全替代玉米饲料而无负面影响； 但是小麦淀粉结构与玉米淀粉结构不同，其3/4 为支链淀粉，黏性高，会降低适口性。卢萍和王卫国（2003）研究发现，在牛饲料的应用上由于瘤胃的作用， 小麦的抗营养因子对其他营养物质的生理消化或吸收都没有产生显著地影响， 但研究小麦对反刍动物的特殊营养价值仍需要仔细考虑它们在动物瘤胃系统中的生理发酵特性。 玉米和小麦的各种营养成分含量高低并不能完全准确解释对动物的营养价值水平。 玉米和小麦的二级结构特征可能能够解释这些变化。Theodoridou 等（2013）研究指出，不同饲料的二级分子结构差异， 会影响饲料营养物质的可利用性及消化代谢指标。 傅里叶变换红外光谱技术可通过二级分子结构特征图谱揭示蛋白质或碳水化合物分子结构的差异（Zhang 等，2012）。

本文旨在以玉米和小麦的营养价值为研究对象，通过对两种饲料原料的营养成分指标、体外发酵参数和二级分子结构特征参数进行比较， 进一步探索小麦在反刍动物日粮中替代玉米的可行性， 为我国小麦的基础研究应用和更合理地开发推广奠定基础。

1 试验材料和方法

1.1 样品的制备与分组 2021 年5 月在河北省、河南省、 山东省采集有代表性的玉米和小麦样品各1 份， 共6 份。 采用四分法对每个样品缩分至0.5 kg 左右，用烘箱干燥（65 ℃，48 h）后，用粉碎机粉碎过40 目筛。 将采集的6 份样品进行分组，分为玉米组和小麦组，每组做三个重复（每个地区是一个重复）， 每个样品取3 个平行样进行测定。瘤胃液采自6 头体况相近且良好的泌乳后期中国荷斯坦奶牛，试验牛由昊瑞丰牧业有限公司提供。

1.2 常规营养成分测定 测定两组的干物质（DM）、 粗灰分 （Ash）、CP、 粗脂肪（EE）、NDF、ADF、钙（Ca）和磷（P）含量（周春元等，2022）。非蛋白氮（NPN）采用三氯乙酸法测定；可溶性蛋白质（SCP） 主要使用硼酸盐-磷酸盐缓冲溶液进行测定（周荣，2011）； 结果以DM 基础计算。

1.3 碳水化合物成分分析 碳水化合物成分测定的指标包括阿拉伯木聚糖、总糖、淀粉和可溶性糖。 使用蒽酮比色法测定总糖，采用Megazyme 淀粉总量检测试剂盒（α-淀粉酶方法）测定淀粉，采用间苯三酚法测定阿拉伯木聚糖（章慧等，2019；高杨等，2012），采用蒽酮比色法测定可溶性糖（李晓旭，2013）。

1.4 瘤胃体外发酵参数的测定 将瘤胃液与玉米组和小麦组分别培养32 h，记录产气量。 采用PH400 台式pH 计测定瘤胃液的pH。 采用苯酚-次氯酸钠比色法测定氨态氮（NH3-N）浓度，采用气象色谱仪测定挥发性脂肪酸 （VFA） 的含量（Liu 等，2014）。

1.5 玉米及小麦二级分子结构分析 使用已处理好的样品， 启动ATR-FT/IR-7600 扫描波段为800 ～4000 nm，扫描次数为64 次，每个样品平行扫描8 次，共采集48 个图谱，同时采集环境图谱。将所采集图谱由GIF 格式转化为CSV 格式，然后利用OMNIC 7.5 软件分析两组所采集的图谱（江国庆等，2016）。

碳水化合物分子结构参数主要包括结构性碳水化合物吸收峰的峰高 （STCHOH） 及峰面积（STCHOA）、 总碳水化合物第一亚峰峰高（TCHO1H）及峰面积（TCHO1A）、总碳水化合物第二亚峰峰高（TCHO2H）及峰面积（TCHO2A）、总碳水化合物第三亚峰峰高 （TCHO3H） 及峰面积（TCHO3A） 和总碳水化合物吸收峰的总峰高（TCHOH）及总峰面积（TCHOA）。

蛋白质分子结构特征参数包括酰胺I 区面积、酰胺I 区高度、酰胺II 区面积、酰胺II 区高度、酰胺I 区与酰胺II 区面积和、酰胺I 区与酰胺II 区面积比、 酰胺I 区与酰胺II 区高度比、α-螺旋区中心高度、β-折叠区中心高度、α-螺旋区与β-折叠区中心高度比。

1.6 数据处理 采用SPSS 21.0 软件对玉米组和小麦组测定的营养成分指标和体外发酵参数进行单因素分析， 再分别对碳水化合物组分和蛋白质组分与二级结构做相关性分析，P＜0.05 为差异显著，P＜0.01 为差异极显著。

2 结果与分析

2.1 常规营养组分测定结果 从表1 可见，玉米组的DM、CP、NDF、SCP 和NPN 含量极显著低于小麦组（P＜0.01）；玉米组的EE 含量极显著高于小麦组（P＜0.01）； 玉米组和小麦组的Ash、Ca、ADF 和P 含量相比差异不显著（P＞0.05）。

表1 玉米组与小麦组常规营养组分差异%

2.2 碳水化合物组分测定结果 从表2 可见，玉米组的总糖、 阿拉伯木聚糖含量都极显著低于小麦组（P＜0.01）。玉米组与小麦组的淀粉和可溶性糖含量相比差异不显著（P＞0.05）。

表2 玉米与小麦碳水化合物成分的差异

2.3 瘤胃体外发酵参数测定结果 从表3 可见，玉米组的pH 显著低于小麦组（P＜0.05）；玉米组的NH3-N 含量和乙酸与丙酸的比值都极显著低于小麦组（P＜0.01）；玉米组和小麦组的产气量、乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸和总挥发性脂肪酸含量相比差异不显著（P＞0.05）。

表3 玉米与小麦在瘤胃体外发酵参数的差异

2.4 碳水化合物二级分子结构特征参数测定结果 从表4 可见：玉米组的TCHO1A 极显著高于小麦组（P＜0.01），TCHO2A 均显著高于小麦组（P＜0.05）。 玉米组与小麦组的STCHOH、STCHOA、TCHO1H、TCHO2H、TCHO3H、TCHO3A、TCHOH、TCHOA 无显著差异（P＞0.05）。

表4 玉米与小麦碳水化合物分子结构特征参数的差异

2.5 蛋白质组分二级分子结构特征参数测定结果 从表5 可见，玉米组中蛋白质分子酰胺I 区基线范围为1764.547/1579.414，小麦组酰胺I 区基线范围为1774.189/1579.414，玉米组的酰胺I 区峰面积和峰高均极显著低于小麦组（P＜0.01）。 玉米组中酰胺II 区基线范围为1579.414/1486.848， 小麦组中酰胺II 区基线范围为1579.414/1484.919，玉米组的酰胺II 区峰面积和峰高均极显著低于小麦组（P＜0.01） 。 酰胺I 区与酰胺II 区面积比和高度比均存在显著差异，玉米组显著高于小麦组（P＜0.05） 。 玉米组酰胺I 区与酰胺II 区面积和均极显著低于小麦组（P＜0.01） 。 玉米组的α-螺旋区峰高极显著低于小麦组（P＜0.01），β-折叠区峰高显著低于小麦组（P＜0.05）。 玉米组与小麦组的α-螺旋区与β-折叠高度比无显著性差异（P＞0.05）。

表5 玉米组与小麦组蛋白质分子结构特征参数的差异

2.6 碳水化合物组分与二级分子结构特征参数的相关性 将表1 和表2 中显著的指标与表4中显著的指标进行相关性分析， 结果由表6 可知，玉米组和小麦组样品中AX、总糖、NDF 的含量与TCHO1A 和TCHO2A 之间无显著相关关系（P＞0.05）。

表6 玉米小麦AX、总糖、NDF 与二级分子结构特征参数的相关性%

2.7 蛋白质组分与二级分子结构特征参数的相关性 将表1 中蛋白相关显著的指标和表5 中显著的指标进行相关性分析，结果由表7 可知，SCP的含量与酰胺I 区高度和β-折叠区中心高度相关性不显著（P＞0.05），与酰胺I 区面积（r=0.824，P=0.044）、酰胺II 区面积（r=0.826，P =0.043）、酰胺I 区与酰胺II 区面积和（r=0.827，P =0.042）、酰胺II 区高度（r=0.817，P =0.047）和α-螺旋区中心高度（r=0.815，P =0.048）呈显著正相关（P＜0.05），其中与酰胺I 区与酰胺II 区面积和的相关系数最高达到0.827。CP 含量与酰胺I 区高度和β-折叠区中心高度相关性不显著（P＞0.05）， 与酰胺I区面积（r=0.918，P＜0.010）、酰胺II 区面积（r=0.952，P＜0.010）、 酰胺I 区与酰胺II 区面积和（r=0.930，P＜0.010）、酰胺II 区高度（r=0.957，P＜0.010）和α-螺旋区中心高度（r=0.923，P＜0.010）呈极显著正相关（P＜0.01），其中与酰胺II 区高度的相关系数最高达到0.957。

表7 玉米小麦NPN、SCP、CP 与二级分子结构特征参数的相关性%

3 讨论

3.1 常规营养组分测定结果 在动物饲料营养成分分析中， 常规营养组分测定可用于快速有效判断饲料品质优劣（张鹏，2013）。日粮中DM 含量过多会造成日粮适口性下降，从而影响牛的食欲，使牛体重下降； 在本试验中小麦组的DM 含量极显著高于玉米组，所以在小麦替代玉米的应用中，可通过膨化等方法改变适口性。 CP 和EE 的含量都会影响牛的发情、受胎和妊娠；纤维素含量高低可反映粗饲料质量， 其中NDF 是维持乳脂率、正常反刍等功能的重要营养成分。 SCP 是一种体内重要的渗透功能调节的物质和营养物质， 对细胞的生命物质及细胞生物膜能起到一定保护作用。反刍动物瘤胃微生物能够利用其日粮中的NPN转化并合成其他可供其机体自身利用的蛋白质（张静波，2021）。 张辉耀等（2022）研究结果表明，小麦的CP、NDF 含量都高于玉米，EE 含量低于玉米，本试验结果与其一致，说明在这2 种样品中，小麦在补充蛋白方面价值更高， 适用于饲喂需高蛋白饲料的动物; 玉米中EE 的含量较高，Ash、Ca、ADF 和P 的含量适中， 说明玉米在供应储存能量方面能起到一定作用（江国庆，2016）。

3.2 碳水化合物测定结果 在本试验中，玉米组的总糖、阿拉伯木聚糖含量都显著低于小麦组。玉米组与小麦组的淀粉和可溶性糖含量相比都差异不显著。有研究数据表明，小麦碳水化合物中含有的非淀粉多糖物质 （NSP） 的含量远高于谷物玉米， 其中与营养关系影响最大的物质是阿拉伯木聚糖（郭伟等，2020）。小麦中阿拉伯木聚糖的抗营养作用会影响营养物质的吸收，降低消化能力。有研究表明在动物日粮中适量添加可溶性糖可改善瘤胃内环境，并能够提高对纤维物质的降解率（尤亮亮，2015；刘才福，2008）。在这一个营养指标上，小麦组与玉米组可溶性糖的差异可以忽略不计。由于小麦淀粉在瘤胃中的降解速度很快， 为防止酸中毒， 可对小麦进行适当加工或者控制添加比例，提高小麦的利用效率，减少瘤胃酸中毒的发生（卢萍等，2003）。两组的分析结果中碳水化合物相关指标出现差异性的原因， 可能是不同的分子结构营养价值也不同（Liu 等，2011）。

3.3 瘤胃体外发酵参数的分析 研究发现，瘤胃体外发酵是评估饲料营养价值的快速方法（雒瑞瑞等，2018）。 瘤胃pH 是可消化吸收营养成分的主要决定因素（吴万成等，2020）。瘤胃中长时间处于低pH 会影响动物采食量。体外发酵pH 指标的变化主要与发酵底物干物质有效微生物降解率强弱有关，降解率主要会受到底物来源的影响（马绍南等，2018；Lei 等，2018）。 瘤胃内环境pH 的高低能够决定微生物活性，一般瘤胃pH 控制在5.5 ～7.5（邢星，2021）。 本试验中，在相同发酵时间小麦组的pH 极显著高于玉米组，且玉米组pH 在6.3 ～6.6，小麦组pH 在6.3 ～7.0，因此，本试验表明小麦替代玉米不会对瘤胃微生物产生不利影响。Omar 等（2021）研究证明，pH 6.0 ～6.4 是瘤胃发酵的最佳范围， 玉米组更加能为反刍动物提供适当健康状态。

NH3-N 浓度是反映瘤胃内环境的重要指标（张一为等，2020）。瘤胃内NH3-N 浓度过低时，分解纤维素和微生物合成蛋白质的效率受到明显限制；浓度过高时，会造成氮的资源浪费（ 牛骁麟等，2020）。 NH3-N 浓度在6 ～30 mg/100 mL 时，不会影响动物的正常生理活动 （ 张艳玲等，2022）。本试验中，玉米组的NH3-N 的平均浓度在9.97 ～12.56 mg/100 mL，小麦组的NH3-N 平均浓度在21.52 ～25.52 mg/100 mL， 均属在正常生理范围内， 说明使用小麦中蛋白质代替玉米中蛋白质不会影响蛋白质降解。

乙酸与丙酸的比值能够反映瘤胃的发酵类型（邢星，2021）。瘤胃乙酸发酵有助于反刍动物的乳脂合成（张丽媛等，2021）。在本试验中小麦组乙酸与丙酸的比值极显著高于玉米组，因此，在奶牛生产中小麦替代玉米有助于提高牛奶的乳脂率。

3.4 碳水化合物分子结构分析 不同的分子结构在理论上会产生不同的营养价值 （Liu 等，2011） 。 本试验中玉米组的TCHO1A 和TCHO2A均显著高于小麦组。 说明2 种样品内不同碳水化合物官能团吸收值不同， 相应的分子结构和营养价值也存在差异， 需要进一步对分子结构的影响进行深入的探索。

3.5 蛋白质分子结构分析 蛋白质的生理活性在很大程度上与其二级结构有关 （赵茉含等，2019）。 本试验中玉米组的酰胺I 区峰面积和峰高、酰胺II 区峰面积和峰高、α－螺旋区峰高和β－折叠区峰高均显著低于小麦组， 玉米组的酰胺I区与酰胺II 区面积和、面积比和高度比均显著高于小麦组， 说明玉米组和小麦组之间存在蛋白质二级结构的差异。 Yu（2007）研究指出，蛋白质二级结构α 螺旋和β 折叠的比值和饲料对蛋白质的有效降解率有高度相关。本研究中，玉米小麦的α－螺旋和β－折叠的比值没有显著差异，说明小麦替代玉米不会对饲料蛋白质的有效降解率造成影响。

3.6 碳水化合物组分与二级分子结构特征参数的相关性 张晓红等（2021）研究显示，NDF 与测定中TCHO1A、TCHO2A 均呈正相关， 本试验结论与该试验结果不一致， 可能与所取样品不同有关； 可能还有一些其他外源因素或其他分子结构特征会对碳水化合物组分造成影响， 这也是今后可进行研究的一个方向。

3.7 蛋白质组分与二级分子结构特征参数的相关性 当饲料进入牛瘤胃中， 瘤胃微生物会对其饲料成分进行分解， 若瘤胃降解蛋白含量仍过高会影响消化率（袁翠林等，2015）。 本研究显示，可溶性蛋白与酰胺I 区面积、酰胺II 区面积、酰胺I区与酰胺II 区面积和、 酰胺II 区高度、α－螺旋区中心高度有强烈的相关性。 这证实了玉米小麦的蛋白质二级结构可直接作为分析反刍动物蛋白消化率的理论依据。

4 结论

综上所述，从营养学角度分析，用小麦代替玉米是可行的。 小麦作为一种蛋白质、碳水化合物含量高，粗脂肪含量较低的谷物，在反刍动物日粮中能否代替玉米取决于阿拉伯木聚糖等多种非淀粉多糖的含量；此外，小麦在反刍动物日粮中应用时的添加比例也会对小麦替代玉米造成影响，未来应根据我国奶牛的饲养水平、日粮的组成及小麦的种类、 加工方式等来对其进行深入研究， 进一步确定其在反刍动物日粮中应用时的添加比例。