3种工业大麻副产物对奶牛的营养价值

王一强 吴清华 马浩凯 李 洋 张永根

(东北农业大学动物科学技术学院,哈尔滨 150030)

工业大麻(industrial hemp)是大麻科(Cannabinaceae)大麻属(Cannabis)的1年生草本植物,其植株中四氢大麻酚(tetrahydrocanabinol,THC)含量少于0.3%。工业大麻是一种多用途植物,如籽实用于榨油、茎杆用于制作纤维、花叶用于提取药物等[1]。不同的加工方式会产生不同的副产物,如籽粕、麻叶和提取残余物等。随着我国和世界上很多国家种植政策的实施,工业大麻的种植面积和产量逐年增加,使得工业大麻加工副产物的处理成为棘手的问题[2]。每年农作物加工都会产生大量的副产物,这些副产物通常可以被反刍动物利用,其丰富的营养和低廉的价格逐渐进入饲料营养专家们的视野[3-4]。因此,探究工业大麻副产物的营养成分,将工业大麻副产物应用于动物饲料可能是一个很好的解决方案,对我国非常规饲料资源的开发具有重要意义。

以往对工业大麻副产物的研究主要集中在工业大麻籽粕上,其粗蛋白质(CP)含量为344 g/kg,与油菜籽粕相比含有更多的过瘤胃蛋白质,是反刍动物优良的瘤胃保护蛋白质来源[5-6]。在奶牛饲粮中添加一定量的工业大麻籽粕可提高产奶量和乳脂含量,改善乳品质[7]。此外,有研究表明,工业大麻花叶糠皮混合物具有较高营养价值,其中CP含量为16.3%,粗脂肪(EE)含量为10.8%,可以作为反刍动物饲料资源[8]。除了上面提到的,关于工业大麻其他加工副产物的研究鲜有报道,如酿酒蒸馏副产物、乙醇提取副产物和麻叶等。有研究表明,工业大麻乙醇提取副产物中不含有真菌毒素、萜烯或提取过程中的有机物残留[9],且将其饲喂奶牛不影响奶牛的采食量和营养物质消化率[10]。据统计,截止2021年我国工业大麻种植面积已达到23 200 hm2,产量达12.8万t[11]。目前,对这些工业大麻副产物的营养成分分析和消化降解特性还没有系统的研究,这将限制其作为饲料在畜牧生产中的应用。

康奈尔净碳水化合物和蛋白质体系(CNCPS)可以科学评价饲料中碳水化合物和蛋白质的营养价值[12]。在反刍动物饲料价值评定中,常用瘤胃原位尼龙袋技术和三步体外法模拟预测营养物质的瘤胃降解率和小肠消化率。因此,本研究采用常规化学分析方法与上述方法相结合,比较不同工业大麻副产物的营养成分、碳水化合物和蛋白质组成、瘤胃原位降解率和小肠消化率。同时根据美国国家科学、工程和医学科学院(NASEM)的模型估算了所有副产物的消化能值,为工业大麻副产物作为非常规饲料资源在奶牛生产中的应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验中的工业大麻蒸馏副产物和工业大麻乙醇提取副产物由大兴安岭金杉工业大麻生物科技有限公司提供,工业大麻叶取自黑龙江省黑河市孙吴县。工业大麻蒸馏副产物为工业大麻叶与大米酿酒蒸馏加工后分离出的工业大麻副产物。工业大麻乙醇提取副产物为工业大麻叶乙醇提取其中大麻二酚后的副产物。工业大麻叶为工业大麻制纤维时没有利用价值的叶子。每个副产物都收集5个样品作为重复。以上样品均在55 ℃烘箱强制烘干至恒重,制成风干样品装袋待测。

1.2 常规营养成分测定

所有风干样品,使用微型粉粹机粉碎后通过1 mm筛,装袋保存,用于后续的化学成分分析。根据AOAC(2000)[13]方法,测定干物质(DM)、CP、EE、粗灰分(Ash)含量。可溶性蛋白质(SCP)、非蛋白氮(NPN)、中性洗涤不溶蛋白质(NDICP)、酸性洗涤不溶蛋白质(ADICP)含量按Licitra等[14]的方法测定。中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)和酸性洗涤木质素(ADL)含量采用Ankom 220纤维分析仪(Ankom公司,美国),按照Van Soest等[15]的方法进行分析。用Megazyme总淀粉测定试剂盒(K-TSTA;Megazyme国际爱尔兰有限公司,爱尔兰)测定样品淀粉(Starch)含量。根据NRC(2001)[16]计算非纤维性碳水化合物(NFC)含量,计算公式如下:

NFC(% DM)=100-NDF(% DM)-CP(% DM)-
EE(% DM)-Ash(% DM)。

钙(Ca)含量按照《饲料中钙的测定》(GB/T 6436—2018)中的方法测定,磷(P)含量按照《饲料中总磷的测定分光光度法》(GB/T 6437—2018)中的方法测定。

1.3 CNCPS组分计算

根据CNCPS计算饲料蛋白质和碳水化合物(CHO)组分[17]。蛋白质组分细分为A、B1、B2、B3和C,依次代表了非蛋白氮(PA)、快速降解蛋白质(PB1)、中速降解蛋白质(PB2)、慢速降解蛋白质(PB3)和不可利用氮(PC)。描述CHO组分的方法与蛋白质类似。CHO进一步被分为A、B1、B2和C组分,依次代表了快速降解碳水化合物(CA)、中速降解碳水化合物(CB1)、慢速降解碳水化合物(CB2)和不可降解碳水化合物(CC)。计算公式如下:

PA(g/kg CP)=NPN(g/kg SCP)×
0.001×SCP(g/kg CP);
PB1(g/kg CP)=SCP(g/kg CP)-PA(g/kg CP);
PB2(g/kg CP)=1 000-PA(g/kg CP)-
PB1(g/kg CP)-PB3(g/kg CP)-
PC(g/kg CP);
PB3(g/kg CP)=NDICP(g/kg CP)-
ADICP(g/kg CP);
PC(g/kg CP)=ADICP(g/kg CP);
CHO(g/kg DM)=1 000-CP(g/kg DM)-
EE(g/kg DM)-Ash(g/kg DM);
CC(g/kg CHO)=1 000×[NDF(g/kg DM)×
0.001×ADL(g/kg NDF)×2.4]/
CHO(g/kg DM);
CB2(g/kg CHO)=1 000×[(NDF(g/kg DM)-
NDICP(g/kg CP)×0.001×CP(g/kg DM)-
NDF(g/kg DM)×0.001×
ADL(g/kg NDF)×2.4)]/CHO(g/kg DM);
非结构性碳水化合物(NSC,g/kg CHO)=1 000-
CB2(g/kg CHO)-CC(g/kg CHO);
CB1(g/kg CHO)=Starch(g/kg NSC)×[1 000-
CB2(g/kg CHO)-CC(g/kg CHO)]/1 000;
CA(g/kg CHO)=[1 000-Starch(g/kg NSC)]×
[1 000-CB2(g/kg CHO)-
CC(g/kg CHO)]/1 000。

1.4 瘤胃降解试验

所有风干样品粉碎并通过2 mm筛网,准确称量7 g样品至已知重量的尼龙袋(40 μm,10 cm×20 cm)中,并使用橡皮筋扎紧袋口。选用3头装有瘘管的荷斯坦干奶牛[体重为(613.0±10.2) kg]为试验动物[10]。试验牛饲粮组成为15.8%玉米青贮、42.7%羊草和41.5%精料混合料,每天投喂2次,自由饮水。将所有尼龙袋置于网兜(36 cm×42 cm)中,并在瘤胃内原位降解0、4、8、12、16、24、36、48和72 h,每个样品每头牛每个时间点3个平行。尼龙袋取出后,立刻使用冷水冲洗至水澄清,并在55 ℃烘箱烘干48 h后称重。将降解剩余物粉碎并通过1 mm筛网,进行后续DM、CP和NDF分析。

根据Ørskov等[18]的方法对饲料中的DM、CP和NDF的瘤胃降解参数进行计算,公式如下:

p=a+b(1-e-ct)。

式中:p是t(h)时营养物质的消失率;a是快速降解部分;b是慢速降解部分;c是慢速降解部分的降解速率。副产物营养物质的瘤胃有效降解率(ED)计算公式如下:

ED=a+b×c/(c+kp)。

式中:常数a、b、c同上;kp是外流速度,依据工业大麻副产物与苜蓿干草相似的营养特性及奶牛粗饲料常用kp值[9,19],因此假设kp为45 g/(kg·h)。

1.5 小肠消化率的计算

采用Calsamiglia等[20]的体外三步法测定在瘤胃内原位降解16 h后残渣的小肠消化率。将处理后的尼龙袋在冷水下洗至水澄清后,在55 ℃烘箱中干燥48 h,然后称重并分析CP含量。计算公式如下:

小肠养分消化率(g/kg)=[(瘤胃降解16 h后
残渣养分含量-小肠消化后残渣养分含量)/瘤胃
降解16 h后残渣养分含量]×1 000;
全肠道消化蛋白质(TTDP,g/kg CP)=瘤胃降解
蛋白质(RDP,g/kg CP)+小肠消化
蛋白质(IDP,g/kg CP)。

1.6 能值预测

根据NASEM(2021和2016)模型[21-22],计算所有饲料的脂肪酸(FA)、剩余有机物(ROM)、总能(GE)、NDF消化率(dNDF)、CP消化率(dCP)、消化能(DE)、总可消化养分(TDN)、代谢能(ME)、维持净能(NEm)和增重净能(NEg)。

奶牛部分计算公式如下:

FA=EE×0.567 8;
ROM=1 000-Ash-NDF-Starch-(FA/1.06)-

(CP-0.64×NPN);

GE(MJ/kg)=[0.042×NDF+0.042 3×Starch+
0.04×ROM+0.094×FA+0.056 5×(CP-
NPN)+0.008 9×NPN] ×0.418 4;
dNDF=1 000×0.75×(NDF-ADL)×[1-(ADL/
NDF)0.667]/NDF;
dCP=1 000×(RDP+dRUP)/CP;
DE(MJ/kg)=[0.042×NDF×dNDF/1 000+
0.042 3×Starch×0.91+0.094×FA×0.73+
0.056 5×(RDP-NPN+dRUP) +0.008 9×NPN+
0.04×ROM×0.96-0.056 5×(15.6+16.5)-
0.04×34.3]×0.418 4。

肉牛部分计算公式如下:

TDN(g/kg DM)=0.98×{1 000-[(NDF-
NDICP)+CP+EE+Ash]}+CP×exp[-1.2×

(ADICP/CP)]+(EE-10)×2.25 +0.75×[(NDF-
NDICP)-ADL]×{1-[ADL/(NDF-
NDICP)]0.667}-70;
DE(MJ/kg)=[TDN(g/kg DM)×4.409/
1 000]×4.184;
ME(MJ/kg)=DE(MJ/kg)×0.82;
NEm(MJ/kg)={1.37×ME(MJ/kg)×0.239-
0.138×[ME(MJ/kg)×0.239]2+0.010 5×
[ME(MJ/kg)×0.239]3-1.12}×4.184;
NEg(MJ/kg)={1.42×ME(MJ/kg)×0.239-
0.174×[ME(MJ/kg)×0.239]2+0.012 2×
[ME(MJ/kg)×0.239]3-1.65}×4.184。

式中:FA、EE、ROM、Ash、NDF、Starch、CP、NPN、ADL、RDP、dRUP、NDICP、ADICP单位均为g/kg DM,dNDF单位为g/kg NDF。

1.7 数据分析

本试验所有数据均采用SAS 9.4软件进行分析,采用NLIN程序计算瘤胃原位降解参数(a、b和c)。对化学成分、CP和CHO组分、瘤胃原位降解参数、小肠消化率和能量值使用GLM模块进行方差分析,使用Duncan氏法进行多重比较,P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 常规营养成分

由表1可知,3种不同工业大麻副产物之间的营养成分差异很大。工业大麻蒸馏副产物含有最低的DM,仅260 g/kg。在DM基础下,工业大麻蒸馏副产物的EE、CP和NPN含量最高,显著高于其他2个副产物(P<0.05);工业大麻乙醇提取副产物的Ash和P含量最高,显著高于其他2个副产物(P<0.05);工业大麻叶的SCP、NDICP、NDF和Starch含量最高,显著高于其他2个副产物(P<0.05)。工业大麻蒸馏副产物和工业大麻叶的ADICP、ADF和ADL含量显著高于工业大麻乙醇提取副产物(P<0.05)。工业大麻乙醇提取副产物和工业大麻叶的NFC和Ca含量显著高于工业大麻蒸馏副产物(P<0.05)。

表1 不同工业大麻副产物的营养成分

2.2 CNCPS组分

由表2可知,3种工业大麻副产物的PA含量差异不显著(P>0.05)。工业大麻蒸馏副产物的PB2和CC含量最高,显著高于其他2个副产物(P>0.05);工业大麻乙醇提取副产物的PC、CB1和CC含量最低,显著低于其他2个副产物(P<0.05);工业大麻叶的PB1、CHO和CB1含量最高,显著高于其他2个副产物(P<0.05)。工业大麻蒸馏副产物的NSC和CA含量显著高于工业大麻叶(P<0.05)。此外,工业大麻乙醇提取副产物和工业大麻叶的PB3和CB2含量显著高于工业大麻蒸馏副产物(P<0.05)。

表2 不同工业大麻副产物的CNCPS组分分析

2.3 瘤胃降解特性

由表3可知,3种工业大麻副产物的DM瘤胃降解c值和NDF瘤胃降解b值和a+b值差异不显著(P>0.05)。在DM瘤胃降解参数中,工业大麻蒸馏副产物的b、a+b和ED值最高,显著高于其他2种副产物(P<0.05),工业大麻乙醇提取副产物的a值显著高于工业大麻叶(P<0.05)。在CP瘤胃降解参数中,同样工业大麻蒸馏副产物的b、a+b、c和ED值最高,显著高于其他2种副产物(P<0.05),而工业大麻乙醇提取副产物和工业大麻叶的a值显著高于工业大麻蒸馏副产物(P<0.05),因此,工业大麻乙醇提取副产物的瘤胃不可降解蛋白质(RUP)值最高,其次是工业大麻叶。在NDF瘤胃降解参数中,工业大麻叶的a值最高,显著高于其他2种副产物(P<0.05),而工业大麻蒸馏副产物的c和ED值最高,显著高于其他2种副产物(P<0.05)。

续表3项目Items工业大麻蒸馏副产物IHDB工业大麻乙醇提取副产物IHEEB工业大麻叶IHLSEMP值P-value中性洗涤纤维瘤胃降解参数 Neutral detergent fiber rumen degradation parametersa/(g/kg)157b144b220a15.200.03b/(g/kg)72669266015.700.07a+b/(g/kg)88383688024.800.38c/[g/(kg·h)]28.8a17.6b17.9b1.57<0.01ED/(g/kg)440a338c406b7.23<0.01

2.4 小肠消化率

由表4可知,3种工业大麻副产物的小肠消化干物质、小肠消化瘤胃不可降解蛋白质和小肠消化蛋白质的差异不显著(P>0.05),而工业大麻蒸馏副产物的全肠道消化蛋白质含量显著高于工业大麻叶(P<0.05)。

2.5 能值预测

由表5可知,3种工业大麻副产物的能值[DE、ME和净能(NE)]具有相同的规律,工业大麻乙醇提取副产物和工业大麻叶之间的能值差异不显著(P>0.05),而工业大麻蒸馏副产物的能值显著高于其他2种副产物(P<0.05)。

表5 不同工业大麻副产物消化能值的估算

续表5项目Items工业大麻蒸馏副产物IHDB工业大麻乙醇提取副产物IHEEB工业大麻叶IHLSEMP值P-value消化能 DE/(MJ/kg DM)8.71a7.21b7.22b0.11<0.01肉牛能值的预测 Predicted energy value for beef cattle真可消化养分 TDN/(g/kg DM)615a505b508b7.10<0.01消化能 DE/(MJ/kg DM)11.30a9.32b9.38b0.13<0.01代谢能 ME/(MJ/kg DM)9.30a7.64b7.69b0.11<0.01维持净能 NEm/(MJ/kg DM)5.69a4.12b4.17b0.10<0.01增重净能 NEg/(MJ/kg DM)3.27a1.83b1.87b0.09<0.01

3 讨 论

3.1 常规营养成分

本研究中3种工业大麻副产物的营养成分差异较大,但是CP含量均较高,其中工业大麻蒸馏副产物最高(368 g/kg),工业大麻乙醇提取副产物最低(165 g/kg),均高于苜蓿干草(113 g/kg)和全株青贮玉米(82.4 g/kg)[23],可以为反刍动物提供更多的蛋白质。三者的NDF含量与苜蓿干草(426 g/kg[23]、493 g/kg[8])接近,而工业大麻乙醇提取物的ADF含量小于苜蓿干草(323 g/kg)[23]。Parker等[9]研究表明,工业大麻乙醇提取副产物具有与苜蓿干草类似的营养品质。3种副产物的NDICP水平较高,使得它们的蛋白质部分更多可以在反刍动物瘤胃中被慢速降解。本研究中,工业大麻乙醇提取副产物的营养成分与Altman等[24]的研究结果相比,含有较高的NDF、NDICP和ADICP,而CP和EE含量较低,这可能与工业大麻的种植地区不同有关。工业大麻叶的营养成分与Kleinhenz等[25]的研究结果相似,其中CP、NDF和ADF含量较高,而Ash和EE含量较低,这可能与工业大麻叶的取样部位不同有关。此外,3种工业大麻副产物加工过程中均不接触重金属等有毒有害物质,也不含有提取过程中的有机物残留[9]。还应注意的是由于粉碎的加工方式,工业大麻乙醇提取副产物的颗粒度较小,因此在应用于奶牛配方中时应注意与其他较长纤维的粗饲料搭配使用[10]。

3.2 CNCPS组分

CNCPS是将反刍动物的营养需求与饲料价值相联系的饲料分析数学模型[26]。在蛋白质组分中,PA是反刍动物良好的氮源,瘤胃微生物可以利用PA快速转化的氨氮合成优质微生物蛋白[26]。3种工业大麻副产物的PA值与小麦秸(325～393 g/kg CP)、苜蓿(276～405 g/kg CP)和羊草(202～270 g/kg CP)相比较小,这与它们的SCP和NPN含量较小有关,表示它们含有更多的真蛋白质。PB1是一种真正的蛋白质,在瘤胃中迅速且几乎完全降解,而PB2是一种中速降解的蛋白质,在瘤胃中被部分降解[26]。工业大麻蒸馏副产物含有较多的PB2和较少的PB3,因此相比与其他2种副产物更容易在瘤胃中被降解。PC是ADICP为主要成分的不可降解氮,被认为是反刍动物不能有效利用的饲料蛋白质部分[27]。工业大麻蒸馏副产物和工业大麻叶的PC含量较多,这与二者的ADICP含量较高相关。工业大麻蒸馏副产物的NSC含量较高,可在瘤胃中迅速降解,提高饲料的能量水平。在CHO组分中,CA是一种快速发酵的水溶性物质,主要由糖组成,但也含有有机酸和短的寡糖[26]。工业大麻蒸馏副产物CA含量较多可以在瘤胃中被快速降解。3种工业大麻副产物的CC含量与小麦秸(149～199 g/kg CHO)、玉米秸(139～174 g/kg CHO)和苜蓿(186～244 g/kg CHO)相比均较高,与三者的ADL含量较高有关,不能被反刍动物有效利用,因此,在生产应用中应注意添加用量。

3.3 瘤胃降解特性

综合3种工业大麻副产物的瘤胃降解参数来看,工业大麻蒸馏副产物营养成分的瘤胃ED较高,与其可消化部分和慢速降解部分降解速率较高有关,可以被奶牛瘤胃快速发酵和降解,有利于提高采食量[28]。有研究表明,蒸汽处理可以提高秸秆的消化率,因此工业大麻蒸馏副产物的高降解率可能与其蒸汽处理方式有关[29]。饲料蛋白质进入瘤胃被微生物降解为氨,其降解率取决于饲料在瘤胃内的停留时间、NPN和真蛋白的含量和饲料真蛋白质部分的物理和化学特性[16]。用最少的饲料蛋白质来满足瘤胃微生物最佳合成效率所需的瘤胃降解蛋白质的同时,使饲料可消化的瘤胃非降解蛋白质满足小肠可吸收的要求是反刍动物蛋白质营养的目标[16]。工业大麻乙醇提取副产物和工业大麻叶的蛋白质瘤胃ED较低,与二者的PB2含量较低和PB3含量较高有关,使得更多的蛋白质逃脱瘤胃的降解,而进入后消化道进行进一步的消化。来自饲料的NDF能够促进咀嚼和唾液分泌,维持瘤胃健康[16]。工业大麻乙醇提取副产物和工业大麻叶的NDF慢速降解部分和慢速降解部分的降解速率差异不显著,但快速降解部分显著低于工业大麻叶,导致其ED较低。尽管工业大麻乙醇提取副产物的NDF瘤胃ED在3种副产物中最低,但也高于玉米秸秆[(265.5±1.2) g/kg]、稻草[(285.9±7.4) g/kg]和玉米秸青贮[(324.9±1.8) g/kg]等粗饲料,仍然可以为奶牛提供丰富的纤维,具有很高的利用价值。

3.4 小肠消化率

小肠可以消化未被瘤胃降解的过瘤胃蛋白质,较多的过瘤胃蛋白质比例对于生长发育快和蛋白质需求大的奶牛来说至关重要[30]。3种工业大麻副产物的小肠消化瘤胃不可降解蛋白质(IDRUP)和IDP含量差异不显著,但IDP含量与苜蓿干草(205 g/kg)相比较小[8]。结合瘤胃中蛋白质的降解情况得出,工业大麻蒸馏副产物的全肠道消化蛋白质含量显著高于工业大麻叶,而工业大麻乙醇提取副产物与它们差异不显著。尽管工业大麻乙醇提取副产物和工业大麻叶与工业大麻蒸馏副产物相比提供了更多的过瘤胃蛋白质,似乎差异不显著的小肠消化蛋白质并没有增加前两者的蛋白质利用率,但是较多的CP含量仍然使工业大麻乙醇提取副产物和工业大麻叶可以满足奶牛的蛋白质需求。3种工业大麻副产物中CP含量较高的工业大麻蒸馏副产物更能为泌乳期的奶牛提供更加丰富的蛋白质营养。

3.5 能值预测

根据NASEM(2021)[21],饲料被分成更多的组分:NDF、淀粉、FA、CP、Ash和ROM。ROM主要是糖、有机酸(主要是乳酸和乙酸)、甘油和可溶性纤维。对奶牛的DE计算是基于NASEM[21]的要求,即奶牛以体重3.5%的比例摄入DM,并在饲粮中添加26%的淀粉和30%的NDF。本试验结果表明,3种工业大麻副产物的不同能值水平(DE、ME和NE)表现出相同的规律,工业大麻蒸馏副产物可为奶牛提供大量能量,而工业大麻乙醇提取副产物和工业大麻叶之间可提供能量水平差异不显著。这些副产物能值可为奶牛饲料配方的制作提供有用参考。

4 结 论

3种工业大麻副产物具有较高的营养价值,且营养成分和降解特性各不相同,综合数据分析可知,工业大麻蒸馏副产物具有较高的营养物质瘤胃降解率和能量水平,工业大麻乙醇提取副产物和工业大麻叶可以为反刍动物提供丰富的蛋白质和纤维。3种工业大麻副产物都可以考虑作为非常规饲料资源加入奶牛的饲粮配方当中,其中工业大麻蒸馏副产物可为泌乳期奶牛提供更多的蛋白质营养。