优化仙人掌（Nopalea cochenillifera）、提夫顿干草与尿素组合提升巴西半干旱地区反刍动物饲养效率的研究

《Ruminants》：Optimizing a Mix of Forage Cactus (Nopalea cochenillifera), Tifton (Cynodon sp.) Hay and Urea for Efficient Feeding of Ruminants in the Brazilian Semi-Arid Ecotype

本研究针对干旱半干旱地区饲料短缺问题，评估了无刺仙人掌（Miúda）与提夫顿85百慕大草（Tifton 85）干草及不同比例尿素（1%、2%、3%，干物质基础）混合青贮的体外发酵特性。结果表明，含2%尿素的青贮料有机物降解率（OM）最佳，累计产气量未受显著影响，而3%尿素则因氨释放过快与能量（非纤维碳水化合物NFC）供应不足导致发酵效率下降。该研究为开发低成本、高营养的反刍动物替代粗饲料提供了理论依据。

　　

引言

在热带牧草系统中，为反刍动物提供充足的营养并确保食品安全是一项重大挑战。在干旱时期，干旱和半干旱地区经历严重的水资源短缺，导致牧草休眠和本地植物质量下降，这对动物的发育和生产性能产生负面影响。在这种条件下，有必要通过补充饲料来缓解负能量平衡。掺入高消化率的牧草是解决营养缺乏、提供必需膳食能量和代谢前体的常见策略。

使用本地干旱物种，如饲用仙人掌，已被广泛研究作为一种低成本且具有气候适应性的牲畜饲料选择，特别是在长期干旱和牧草短缺期间。饲用仙人掌尤其因其抗旱性、高能量和高含水量而受到重视。例如，一些研究表明，这种植物在全价日粮中具有高价值：Godoi等人发现，将无刺仙人掌与热带牧草结合可以作为绵羊的唯一饲料，而不会影响其生产性能。此外，Moreno等人证明，摄入250克/千克无刺仙人掌的山羊不需要额外的饮水。

尽管有这些优点，但最大化利用饲用仙人掌需要解决其固有的营养限制。 indiscriminate use of forage cactus as the primary ingredient in diets raises some nutritional concerns。虽然它富含非结构性碳水化合物（NSC）并且是极好的能源，但饲用仙人掌的粗蛋白（CP）和纤维含量较低，这可能会限制其有效性并导致营养失衡，可能引起代谢紊乱。具体来说，高含量的NSC被瘤胃微生物迅速分解，产生大量挥发性脂肪酸和有机酸。这会降低pH值，增加瘤胃酸中毒的风险，从而影响动物健康和生产性能。维持NSC和纤维之间的平衡对于促进嗳气、唾液分泌和维持有利的瘤胃条件至关重要。

除了平衡能量和纤维外，将饲用仙人掌与合适的氮源结合对于支持瘤胃微生物的蛋白质代谢是必要的。这种组合，提供来自仙人掌的能量以及诸如尿素的氮源，可以促进微生物生长和整体瘤胃发酵。非蛋白氮（NPN）源，特别是尿素，被广泛认为是具有成本效益的补充剂。然而，与饲用仙人掌一样，尿素也因其快速水解成氨而具有局限性。这种快速分解可能导致氨在瘤胃和血液中积累，导致与日粮不同步，并可能引起中毒。因此，仙人掌和尿素是反刍动物日粮的重要替代品，但它们成功的组合应用需要制定策略来优化仙人掌能量释放和氮可用性之间的同步。

Souza等人在他们的研究中强调，需要更多关于饲用仙人掌的科学研究，特别是在干旱地区，以更好地了解其生理特性，包括水分利用效率、消化率以及各种基因型的最佳栽培技术。选择合适的仙人掌物种应考虑其营养成分、适应性、产量和降解率。虽然将饲用仙人掌和尿素结合用于反刍动物的普遍做法已经确立，但在确定与高能量仙人掌物种有效利用和同步所需的最佳氮添加水平方面仍然存在关键空白。

因此，本研究旨在通过体外测定来评估饲用仙人掌的发酵潜力和瘤胃微生物的利用情况，这些测定模拟了受控的瘤胃环境，从而可以评估饲料的降解率。目的是评估和比较由Miúda饲用仙人掌或提夫顿草干草制成并补充不同水平尿素的青贮副产品的降解率和累计产气量。

材料与方法

实验在巴西伯南布哥州弗洛雷斯塔的塞尔唐·伯南布哥诺联邦教育、科学与技术研究所食品分析实验室进行。青贮饲料由Miúda基因型的饲用仙人掌（Nopalea cochenillifera Salm-Dyck）或提夫顿干草组成，并基于干物质含量添加四种水平的尿素-硫酸铵溶液：0%尿素、1%尿素、2%尿素和3%尿素。含有提夫顿干草、小麦麸、大豆和尿素的传统补充剂用作对照。每种青贮饲料的配料比例和化学成分分别详见表1和表2。

干物质（DM）采用方法920.39测定，有机物（OM）和矿物质（MM）采用方法942.05测定，粗脂肪（EE）再次采用方法920.39测定，粗蛋白（CP）采用方法954.01测定。中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）的分析遵循Detmann等人描述的程序，该方法改编自Van Soest。NDF使用耐热α-淀粉酶测定并校正残留灰分。

总碳水化合物（TC）和非纤维碳水化合物（NFC）是基于碳水化合物、纤维、矿物质、粗脂肪和粗蛋白的总和构成饲料的完整百分组成这一原理估算的。总碳水化合物通过方程TC (%) = 100 ? [CP + EE + MM]计算，由Sniffen等人提出；NFC使用Weiss等人提出的公式计算：NFC (%) = 100 ? [NDF + CP + EE + MM]。

青贮饲料被装入4升的PVC微型青贮窖中，青贮60天。然后使用半自动体外产气技术评估瘤胃发酵动力学。将每份样品1克放入160毫升玻璃瓶中孵化，这些瓶子预先用CO₂冲洗并保持在4°C，以防止接种前发生不必要的发酵。在实验开始前五小时，将瓶子转移到39°C的烘箱中，并在该温度下保持直至接种。

瘤胃接种物取自五头非特定品种的杂交牛，这些牛在弗洛雷斯塔（巴西伯南布哥州）当地屠宰场屠宰和取出内脏后获得。这些动物是常规屠宰过程的一部分，并在主人同意的情况下，在屠宰前15天饲喂了Miúda饲用仙人掌、甘蔗渣、提夫顿干草和尿素。该程序属于标准动物饲养实践，不涉及任何伦理问题。因此，不需要伦理批准，并获得了伯南布哥联邦研究所动物使用伦理委员会（CEUA-IFPE）的豁免。在实验室中，瘤胃液在连续CO₂流下通过棉纱布过滤，并在39°C的水浴中保存。每个实验瓶制备含有90毫升培养基、10毫升瘤胃液接种物和1克测试底物（干物质基础）。培养基通过混合500毫升蒸馏水、200毫升缓冲溶液、200毫升大量矿物质溶液、60毫升还原剂溶液、0.1毫升微量矿物质溶液和1毫升刃天青溶液配制。含有瘤胃液（10毫升）和培养基（90毫升）的对照瓶按照Theodorou等人的方法制备。

为了监测发酵，在6、12、24、48和96小时的时间点将瓶子从孵化中取出。每个处理在每个时间点重复三次。在每个指定终点（6小时、12小时、24小时、48小时和96小时）之前，每2小时对每个处理进行一次测量（见表3）。

为了测定DM含量，使用孔隙度为1的坩埚（Pirex-Vidrotec）过滤发酵残留物，并在100°C的烘箱中干燥48小时。使用连接到0.6毫米针头的压力传感器（Press DATA 800, LANA, CENA-USP, Piracicaba, Brazil）记录每个样品的气体压力。获得的压力（P）（磅/平方英寸）通过二次方程V (mL) = 0.17454 P²+ 0.00315转换为气体体积（mL），由Pereira等人提出。估算了体外和体内结果之间的相关性。

累计产气量数据使用Schofield等人提出的双室逻辑模型进行分析，其中用于拟合随时间变化的累计产气量（V_(t)）的方程是两个逻辑函数的总和：

V_(t)= V_f1/ [1 + e^{(2 - 4m₁(L - t))}] + V_f2/ [1 + e^{(2 - 4m₂(L - t))}]

其中：

V_(t)= 产生的气体总体积最大值

V_f1= 快速消化部分（NFC）的气体最大体积

V_f2= 缓慢消化部分（FC）的气体最大体积

m₁= 快速降解部分（NFC）的比生长速率

m₂= 缓慢降解部分（FC）的比生长速率

L = 消化初始事件的持续时间（定植时间）

T = 发酵时间

使用SAS 9.1（2003）中的NLIN程序进行统计分析。累计产气量数据也使用SAS（2003）版本9.1中的PROC MIXED程序进行分析，显著性水平设定为0.05。使用均方根误差（RMSE）等标准评估非线性拟合程序NLIN，以验证模型的适用性和估计动力学参数的可靠性。

使用Dunnett检验和正交对比比较均值。应用的对比是：

I—尿素水平的线性效应；

II—尿素水平的二次效应；

III—尿素水平的三次效应。

分析后，确定滞后期为2小时，每种处理的衰减率常数在补充材料表S1中报告。

结果

Miúda仙人掌青贮饲料的累计产气量和最终产气量随着尿素的添加而减少（表4）。在所有处理中，含有3%尿素和16%无刺饲用仙人掌的处理显示出最低的产气量。然而，在添加1%和2%尿素的处理之间没有观察到显著差异。

Miúda青贮饲料降解率的结果（表S2），受不同尿素添加水平和孵化时间的影响，如图1所示。总体而言，降解率随时间推移趋于增加。尽管所有处理在6小时时表现出相似的降解率，但随着孵化时间的延长，数值开始出现差异。值得注意的是，与其它处理相比，含3%尿素的处理显示出降解率逐渐下降，并且在48和96小时时，其降解率最低。

有机物（OM）降解率随时间和不同尿素水平变化的结果如图2和表S3所示。到最终孵化期时，用2%尿素处理的青贮饲料表现优于含1%和3%尿素的青贮饲料。此外，如图3所示，所有尿素水平的降解率都随着孵化时间的增加而增加，直到72小时趋于稳定。

讨论

如结果部分所述，研究表明，虽然使用尿素作为非蛋白氮源与无刺仙人掌青贮饲料结合可以为反刍动物营养带来益处，但超过某些阈值可能会产生问题。在本研究中，通过用超过2%水平的尿素替代一部分饲用仙人掌（从190降至160 g/kg DM）来改变能量蛋白比，这与可能诱发瘤胃环境失衡的潜力相关，因为它显著影响了累计产气量（表2）。

观察到的累计产气量趋势表明，含有1%尿素+180 g/kg DM仙人掌和2%尿素+170 g/kg DM仙人掌的处理在所评估的配方中对于营养同步化是最有效的。虽然这些发现并非所有日粮配方的绝对阈值，但减少饲用仙人掌的添加量以适应更高的尿素水平在本研究中被证明对产气量适得其反。这表明来自仙人掌的易发酵碳水化合物（NFC）的减少限制了微生物有效利用过剩氮的能力，从而损害了整体发酵动力学。

该结果与现有文献中的发现一致。Alipour等人研究了含有0%、0.5%、1.0%和1.5%尿素的日粮对肉牛性能的影响。作者得出结论，在动物饲料中添加高达1.5%的尿素不会对营养摄入、消化率或整体牛性能产生负面影响。他们发现，不同的尿素水平对干物质摄入和消化率、平均日增重、饲料转化率或胴体产量没有显著影响（p > 0.05）。重要的是要注意，与体外发酵动力学不同，体内研究受宿主动物的影响很大。将体外结果直接外推到全动物 outcomes 是有限的。

用超过2%的尿素替代日粮可能导致瘤胃中氨过量，由于不适当的氮碳比以及通过尿液和牛奶的氮损失，导致微生物失衡。瘤胃中的氮平衡与日粮的碳水化合物和氨基酸含量密切相关，因为具有不同降解率的营养物质会影响细菌种类的分布和平衡，从而对累计产气量产生负面影响。那么，在3%尿素水平观察到的产气量减少主要是由有害的代谢失衡引起的。该尿素水平导致快速、过量的氨释放，超过了微生物的同化能力，导致氨从瘤胃流失而不是转化为微生物蛋白，从而降低了发酵活性。这种效应因Miúda饲用仙人掌添加量的同时减少而加剧，这减少了易发酵NFC的必要供应。NPN过载和能量同步受损的结合损害了微生物效率，导致最低的累计产气量。

Acedo等人研究了尿素浓度对动物补充的影响。他们发现，提高尿素水平会破坏瘤胃可降解蛋白与纤维材料瘤胃降解率之间的平衡。作者指出，尿素浓度超过干物质的1.6%可能导致牧草摄入量减少。类似地，Benedeti等人报告，用缓释尿素替代豆粕会导致DM、CP和OM的摄入量呈线性下降，这取决于替代水平。

从另一个角度来看，Santos等人评估了十三种不同仙人掌基因型的累计产气量。他们观察到，低结构碳水化合物含量和高NFC水平的饲料显著促进了产气。此外，他们报告说，饲用仙人掌中的高果胶浓度增强了发酵，增加了气体体积并促进了干物质降解。这一发现与本研究一致，在本研究中，尿素水平的提高与青贮饲料中无刺仙人掌和NFC浓度的降低相关，最终导致产气量降低。这种行为可以通过添加尿素（在DM基础上替代了仙人掌）来解释。此外，正如Boukrouh等人所报告，纤维和消化率之间存在负相关。

Casta?eda-Trujano等人进行了一项评估仙人掌掌状茎在羊育肥日粮中使用的实验。测试的日粮包括一种不含青贮饲料的日粮，一种含有玉米青贮饲料的日粮，以及其他含有10%或20%仙人掌青贮饲料（由64%仙人掌掌状茎、11%仙人掌果、10%木槿籽和15%燕麦秸秆组成）的日粮。这种添加增加了非结构性碳水化合物和可降解纤维的水平，导致日粮中可用能量部分更大。值得注意的是，这种增加并未对育肥生产力产生负面影响，表明仙人掌可以提高消化效率，同时减少日粮的环境影响。

Miúda青贮饲料DM降解率随时间和较高尿素水平而增加的趋势可以通过以下事实解释：基于尿素的日粮在瘤胃中迅速水解。因此，必须将这些日粮与易利用的能源一起消耗，以使微生物能够有效利用释放的氮。仙人掌的主要特征之一是其高含量的易消化碳水化合物，这些碳水化合物可作为瘤胃微生物的能源。因此，提供快速降解的氮源对于优化瘤胃微生物群对能量的利用至关重要。这种组合显著影响微生物的生长和活性，从而增强瘤胃降解率。

Lins等人和Santos等人研究了掺入饲用仙人掌的日粮，发现动物饲料中高氨水平和过量尿素会对适口性和瘤胃发酵产生负面影响。这种影响主要是由于NPN的高可用性和来自缓慢消化NFC的低能量贡献，导致瘤胃微生物所需的能量蛋白比失衡。有趣的是，虽然在本研究中，3%尿素处理并未严重损害干物质降解率（图3），但气体体积的下降表明发生了代谢转变。这种差异表明，虽然底物消耗保持不变，但微生物发酵途径可能已转向替代代谢物而不是气态终产物。

Wang等人进行了实验，评估含有大豆、玉米和小麦麸的羊日粮中不同尿素补充水平的影响。他们观察到，超过2.5%的尿素浓度会对动物性能产生不利影响，导致DM消化率降低和平均日增重降低。因此，作者建议，为确保动物安全和最佳性能，尿素水平应保持在1.5%以下。这个值明显比本研究报告的阈值保守，因为我们已经证明，当与饲用仙人掌结合时，高达2%的尿素水平是有益的。

降解率随孵化时间增加并在72小时后趋于稳定，这可能受到瘤胃微生物初始定植期间存在的大量纤维物质的影响。所有五条降解曲线都表现出相似的趋势，仅在96小时孵化后观察到微小差异。这一结果强调了不同尿素水平如何影响累计产气量。由于尿素在瘤胃中的高可用性，当与易发酵碳水化合物源配对时，它可以成为反刍动物的有效补充剂。然而，报告尿素的潜在不利影响和局限性很重要。Boukrouh等人测试了山羊日粮，尽管添加尿素以使CP水平相等，但发现饲喂苦野豌豆的山羊肉中蛋白质含量较低。他们明确将此结果归因于必需和限制性氨基酸（例如蛋氨酸和半胱氨酸）含量较低以及抗营养因子的存在。这一结果突显了尿素在动物性能中的一个可能的关键限制：作为非蛋白氮（NPN）源，它不提供预先形成的必需氨基酸。因此，尽管尿素成功帮助达到了目标CP水平，但该研究强调吸收的氨基酸谱的质量可能对动物 performance 产生一些影响。

根据Paliwal等人的说法，可溶性部分较低的饲料需要更长的定植时间。相反，Moreira等人发现，富含果胶和快速消化碳水化合物的饲料表现出更高的降解率。Faria等人评估了在玉米青贮饲料中添加丙二醇或莫能菌素对碳水化合物降解动力学的影响，确定了累计产气量与降解率之间存在97%的相关性。

多年来，许多研究人员报告，在动物日粮中添加尿素可增强营养摄入、瘤胃发酵和降解率。这种改善主要归因于尿素水解后以氨形式提供的氮促进了瘤胃微生物的生长速率。

结论

本研究中分析的处理表明，无刺仙人掌具有显著的瘤胃降解潜力和对累计产气量的积极影响。用提夫顿干草、Miúda饲用仙人掌和尿素（1%、2%或3%）配制的青贮饲料显示出超过60%的有机物降解动力学。然而，当仙人掌添加量减少至160 g/kg DM并添加3%尿素时，累计产气量受到显著抑制。这种效应可能与瘤胃代谢失衡有关，这是由于易发酵碳水化合物减少和同时氨释放过量，阻碍了能量同步。在这个意义上，当结合尿素在青贮饲料中效应的整体分析时，尽管在测试限度内降解率没有统计学差异，但在配制的日粮中添加超过2%的尿素可能会对瘤胃健康造成问题，而添加高达2%的尿素，保持170 g/kg DM的仙人掌，代表了一种有前途的动物补充替代方案，因为它不影响累计产气量。最后，建议使用等能量日粮进行进一步研究，以分离尿素毒性的特定影响与非结构性碳水化合物水平的影响。这种方法将允许更精确地校准最佳尿素阈值。

补充材料

以下支持信息可在以下网址下载：https://www.mdpi.com/article/10.3390/ruminants6010004/s1，表S1：每个处理的样品、重复和衰减率常数；表S2：每个时间点干物质降解率值（平均值和标准误）；表S3：每个时间点有机物降解率值（平均值和标准误）。