棉酚对多浪羊生长性能、营养物质表观消化率和棉酚代谢的影响

赵林波 白天天 杨 成 朱振宇 王明根 郭雪峰,3*

(1.塔里木大学动物科学与技术学院,阿拉尔 843300;2.新疆畜牧科学院饲料研究所,乌鲁木齐 830011;3.塔里木大学畜牧科技兵团重点实验室,阿拉尔 843300)

新疆不仅是我国畜牧业大省,也是产棉大省,2022年据国家统计局报道棉花种植面积超过3 000 hm2,棉花总产量598万t,合理利用产量丰富的棉副产品(棉籽壳、棉籽粕和全棉籽等)是解决新疆家畜饲粮短缺的有效方法之一。然而,棉副产品的色素腺体含有抗营养物质棉酚(C50H50O8),以游离棉酚(C30H30O8)对家畜的毒性最大,表现为贫血、胃肠炎和尿结石等病症[1],限制了棉副产品在家畜养殖过程中的大量应用。

与单胃动物相比,成年反刍动物对游离棉酚毒性耐受性更强,推测可能的机制是由于瘤胃微生物可降解游离棉酚[2]或可溶性蛋白质与游离棉酚结合[3],但具体机制尚不清楚。然而,当游离棉酚的摄入量超过了瘤胃解毒能力,可能会影响反刍动物生长性能、生理代谢和引起组织器官等功能丧失甚至死亡[4-5]。游离棉酚可与赖氨酸和精氨酸的胺基残基结合,影响蛋白质和酶的可消化性使反刍动物的消化功能紊乱[6];与铁离子和钙离子结合,增加血红细胞脆性和影响血红蛋白的形成使反刍动物贫血[7];此外,游离棉酚破坏肾小球和肾小管上皮细胞通透性,引起磷酸根、钾离子和镁离子等物质过滤异常,导致反刍动物尿结石形成[8]。但也有报道饲喂过量的游离棉酚饲粮未引起上述现象[9-10],这可能与饲喂周期、地域环境和品种对游离棉酚耐受性不同有关。游离棉酚化学性质活泼,分子中的活性基团易被氧化,高纯度游离棉酚的制备难度大,试验研究常用化学性质较稳定的醋酸棉酚代替。Danke等[11]报道,羔羊饲喂68 d棉副产品(棉籽粕26%和棉籽壳33%)并未引起棉酚中毒,然而通过注射醋酸棉酚(9和18 mg/kg)可引起死亡。Calhoun等[12]研究表明,羔羊饲喂28 d醋酸棉酚(159、319和659 mg/kg)毒性较同含量棉副产品(棉籽壳、棉籽粕和棉籽油)中游离棉酚毒性强,Wang等[13]推测这种现象可能与2种来源棉酚的化学性质有关。

课题组调研发现,新疆当地农牧民将棉籽粕和棉籽壳作单一饲粮饲喂绵羊(估测游离棉酚含量≥700 mg/kg),未出现中毒现象。《饲料卫生标准》限定成年羊饲粮游离棉酚含量≤300 mg/kg[14]。鉴于文献报道和实践生产的差异,本试验通过120 d饲养试验,研究2种来源棉酚饲粮对多浪羊生长性能、营养物质表观消化率和棉酚代谢的影响,为反刍动物定量应用棉副产品提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

棉籽粕(未脱酚)和棉籽壳原料购于阿克苏邦泰牧业专业合作社。醋酸棉酚(纯度98%)购于北京迈瑞达科技有限公司,放入4 ℃冰箱保存,避光。

1.2 试验设计

试验选用平均体重为(37.13±4.78) kg、安装永久性瘤胃瘘管的成年多浪羊毛用羯羊18只,随机分为3组,每组6个重复,每个重复1只羊。对照组(CK组)为常规不含棉酚饲粮,游离棉酚组(FG组)饲粮中棉副产品游离棉酚含量为524.12 mg/kg(棉籽粕和棉籽壳中游离棉酚含量分别为1 683.53和442.45 mg/kg),醋酸棉酚组(AG组)饲粮中外源性醋酸棉酚添加量为524.12 mg/kg(根据FG组游离棉酚含量计算AG组外源性醋酸棉酚添加量)。

1.3 饲养管理及饲粮

试验于2022年1月3日至2022年5月4日在塔里木大学动科试验站消化代谢室进行,试验羊单栏饲养,将饲喂的粉状精料、粗饲料及醋酸棉酚平均分为2份,于每日09:30和20:00分2次饲喂(限饲1.20 kg/d),各组均先喂粉状精料后再喂粗饲料,AG组添加醋酸棉酚628.94 mg(根据FG组饲喂1.20 kg/d计算AG组外源性醋酸棉酚添加量)与精料混匀提前饲喂,以保证醋酸棉酚完全采食,待绵羊采食完毕后,将剩余粗饲料投喂,自由饮水,试验期间,定期清理饮水桶、代谢笼和圈舍,保持良好试验环境。为了满足羯羊营养需要,根据张宏福[15]主编的《动物营养参数与饲养标准》(第2版)和结合实际生产配制基础饲粮,精粗比为4∶6,饲粮组成及营养水平见表1。

表1 饲粮组成及营养水平(风干基础)

1.4 样品收集及处理

瘤胃液采集:于试验期第94～96天晨饲后连续采集每只绵羊0、2、4、6和8 h的瘤胃液,经4层纱布过滤,将瘤胃液置于50 mL离心管内(采集晨饲前作为瘤胃液游离棉酚对照)。

饲粮样、粪样和尿样采集:消化试验采用全收粪法和全收尿法,于试验第100～107天晨饲前收集剩料、粪样和尿样,剩料和粪样使用电子天平称重,尿样使用量筒称量备用,选取未被污染粪样2份,以每日排粪重量的10%保留,其中一份加入10%硫酸溶液混匀浸泡,尿样同样以每日排尿量的10%保留,一份加入少许甲苯[16],保存于-20 ℃,待饲养试验结束后,将每只试验绵羊7 d粪样和尿样分别混合,粪样烘箱烘干至恒重粉碎过40目筛备用。

血液采集:于试验第120天晨饲前使用普通真空采血管静脉采血,立即将样品放置在冰上,3 h内运回实验室,用冷冻离心机(5 ℃)以2 000 r/min离心15 min,将上层蛋黄色液体使用吸管吸出分装入离心管,保存于-20 ℃,分析血浆游离棉酚含量。

1.5 指标测定

1.5.1 生长性能测定

每次饲喂时准确称量饲粮的投喂量和次日清晨剩余量,并于试验期第90和120天晨饲前进行空腹称重并记录,分别记为初始体重和终末体重,用以计算干物质采食量(DMI)、平均日增重(ADG)和料重比(F/G)。

ADG=(终末体重-初始体重)/饲养天数;F/G=DMI/ADG。

1.5.2 营养物质表观消化率测定

参照GB/T 14924.9—2001的方法测定饲粮和粪样中的干物质(DM)、粗蛋白质(CP)、有机物(OM)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)和粗脂肪(EE)含量[17]。

某营养物质表观消化率(%)=100×(B-C)/B。

式中:B为饲粮中该营养物质含量;C为粪样中该营养物质含量。

1.5.3 棉酚代谢指标测定

饮水量:第1天水和桶重减去第2天水和桶重(放5只水桶测定环境中水重损失)。

排尿量:通过量筒测量绵羊每天排尿量。

尿pH:通过笔式pH检测计测定。

尿蛋白含量:参照王孝平等[18]的考马斯亮蓝法测定。

排粪量:通过电子天平称量晨饲前鲜粪重。

尿液、粪便、血液和瘤胃液中游离棉酚含量:参照王彩蝶[19]测定游离棉酚含量方法进行检测。高效液相色谱仪(HPLC)的色谱条件是流动相为乙腈:0.20%磷酸水溶液(体积比为85∶15),流速为l mL/min,进样量为20 μL,检测波长为235 nm,色谱柱为Thermo TC-C18(4.60 mm×250 mm,5 μm),柱温为30 ℃。

1.6 数据统计

FG组和AG组瘤胃液中游离棉酚含量数据采用SPSS 26.0软件进行独立样本t检验,其他试验数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA),平均值采用Duncan氏法进行多重比较。P≤0.05表示差异显著,P>0.05表示差异不显著。

2 结 果

2.1 2种来源棉酚饲粮对多浪羊生长性能的影响

由表2可知,饲喂2种来源棉酚饲粮对多浪羊生长性能具有一定影响。FG组的DMI最高,试验组的ADG低于CK组,但均不存在显著差异(P>0.05)。与CK组相比,FG组的F/G显著高于CK组(P<0.05),但与AG组差异不显著(P>0.05),AG组和CK组F/G差异不显著(P>0.05)。

表2 2种来源棉酚饲粮对多浪羊生长性能的影响

2.2 2种来源棉酚饲粮对多浪羊营养物质表观消化率的影响

由表3可知,饲喂2种来源棉酚饲粮会影响多浪羊营养物质表观消化率。各组干物质摄入量和干物质排粪量差异不显著(P>0.05);试验组DM、CP、NDF和ADF表观消化率显著低于CK组(P<0.05);FG组EE表观消化率显著高于CK组(P=0.05),但与AG组差异不显著(P>0.05)。各组OM表观消化率差异不显著(P>0.05)。

表3 2种来源棉酚饲粮对多浪羊营养物质表观消化率的影响

2.3 2种来源棉酚饲粮对多浪羊棉酚代谢的影响

2.3.1 2种来源棉酚饲粮对多浪羊饮水量、排尿量、尿pH、尿蛋白含量和排粪量的影响

由表4可知,AG组饮水量和排尿量最高,FG组尿蛋白含量和排粪量最高,但饲喂2种来源棉酚饲粮对多浪羊的饮水量、排尿量、尿蛋白含量和排粪量不存在显著影响(P>0.05)。FG组尿pH显著低于CK组和AG组(P<0.05),但CK组和AG组尿pH不存在显著差异(P>0.05)。

表4 2种来源棉酚饲粮对多浪羊饮水量、排尿量、尿pH、尿蛋白含量和排粪量的影响

2.3.2 2种来源棉酚饲粮瘤胃液游离棉酚含量分析

由表5可知,晨饲前瘤胃液游离棉酚含量最低,晨饲后瘤胃液游离棉酚含量呈先上升后下降的变化趋势,FG组上升到4 h时瘤胃液游离棉酚含量最高,AG组上升到2 h时瘤胃液游离棉酚含量最高,随后缓慢下降。晨饲前FG组瘤胃液游离棉酚含量显著低于2和4 h(P<0.05),但0、6和8 h与其他时间点瘤胃液游离棉酚含量差异不显著(P>0.05);AG组晨饲前瘤胃液游离棉酚含量显著低于0、2和4 h(P<0.05),但6和8 h与其他时间点瘤胃液游离棉酚含量差异不显著(P>0.05)。

表5 2种来源棉酚饲粮瘤胃液游离棉酚含量分析

2.3.3 2种来源棉酚饲粮多浪羊血浆、尿液和粪便游离棉酚含量分析

由表6可知,多浪羊饲喂2种来源棉酚后,FG组粪便游离棉酚含量高于AG组,FG组血浆游离棉酚含量低于AG组,但2组的血浆游离棉酚和粪便游离棉酚含量均差异不显著(P>0.05);FG组尿液游离棉酚含量显著低于AG组(P<0.05)。

表6 2种来源棉酚饲粮多浪羊血浆、尿液和粪便游离棉酚含量分析

3 讨 论

3.1 2种来源棉酚饲粮对多浪羊生长性能的影响

生长性能是反刍动物对饲粮营养物质吸收利用最直接的表现,影响反刍动物生长性能的因素包括饲粮精粗比、饲粮类型、饲粮适口性和瘤胃发育情况等[20]。影响反刍动物DMI的因素包括:饲粮适口性、体重、环境条件和饲喂方式等,而适口性是影响动物食欲的关键因素之一[21]。本试验结果显示,FG组DMI最高,AG组DMI最低。在饲喂过程中发现,多浪羊比较喜食FG组饲粮,可能与棉籽壳中含有少量的棉籽仁或棉籽壳适口性较稻草好有关[22],长期以来,新疆的农牧民多用棉籽粕和棉籽壳等棉副产品饲喂多浪羊,因此这种适口性差异也可能与地域环境和长期选择饲喂有关。试验组与CK组ADG差异不显著,但饲喂2种来源棉酚饲粮有降低ADG的趋势,说明饲喂120 d棉酚饲粮对多浪羊ADG有一定影响。FG组ADG最低,与DMI结果不一致,推测是棉副产品中棉酚与单宁、黄酮和环丙烯脂肪酸等抗营养物质共同作用的结果[23]。杨会国等[24]研究阿勒泰羊饲喂不同含量游离棉酚(200、300和400 mg/kg)的棉副产品饲粮(棉籽粕和棉籽壳)60 d,发现整个试验期间含游离棉酚含量为400 mg/kg的棉副产品饲喂绵羊ADG最低,甚至个别羊出现负增长,表明饲喂高含量棉酚饲粮对阿勒泰羊的生长产生了严重影响。Risco等[4]研究荷斯坦犊牛饲喂不同含量游离棉酚(100、200、400和800 mg/kg)的全棉籽饲粮120 d,发现各组之间DMI和ADG不存在显著差异,但试验期间饲喂全棉籽游离棉酚含量为400和800 mg/kg的饲粮发现分别有1和4头犊牛死亡。Wang等[25]研究哈萨克斯坦母羊饲喂不同含量醋酸棉酚(600和1 200 mg/kg)饲粮47 d,发现对照组和棉酚组绵羊ADG和DMI不存在显著差异,当醋酸棉酚含量增加至1 200 mg/kg时,DMI降低了4%。本试验中,FG组F/G显著高于CK组,说明多浪羊对高含量游离棉酚饲粮的利用效率较差。侯良忠等[26]研究小尾寒羊饲喂不同含量游离棉酚(74.55、141.17、158.65、189.81和196.39 mg/kg)的棉秆饲粮70 d,发现随着棉杆饲粮中游离棉酚含量增加,F/G和DMI呈增加趋势,ADG呈降低趋势,表明棉杆饲粮中高含量游离棉酚对小尾寒羊生长性能有不利影响,本试验与上述结果类似。

3.2 2种来源棉酚饲粮对多浪羊营养物质表观消化率的影响

反刍动物对饲粮营养的吸收和利用能力可以通过饲粮营养物质消化率来反映,其主要影响因素包括饲粮的营养水平、结构、纤维含量、加工方式、动物采食量和环境条件的变化等[27]。本试验结果显示,饲喂棉酚饲粮显著降低了多浪羊DM、CP、NDF和ADF表观消化率,FG组EE表观消化率显著高于CK组,对多浪羊OM表观消化率无显著影响,推测2种来源棉酚可能降低瘤胃内相关纤维降解菌数量或棉酚与瘤胃内可溶性蛋白等物质发生反应形成结合棉酚或相关棉酚衍生物来降低多浪羊对饲粮营养物质的吸收。Ismartoyo[23]研究绵羊饲喂不同比例全棉籽饲粮(150、300和500 g/d)28 d,发现饲喂500 g/d的全棉籽饲粮降低了DM、ADF和NDF表观消化率,而对OM表观消化率没有显著影响,并表明降解纤维的瘤胃微生物活性或数量可能下降,推测是全棉籽饲粮含有的游离棉酚(193 mg/kg)以及其他抗营养因子共同造成。Luginbuhl等[28]研究公山羊饲喂不同含量游离棉酚(463、942和1 402 mg/kg)全棉籽饲粮113 d,发现公山羊的ADG呈线性下降,显著降低了DM、ADF和NDF表观消化率,增加了EE表观消化率,表明饲喂高含量游离棉酚的全棉籽饲粮对公山羊的生长性能和营养物质表观消化率有不利影响,与本试验结果类似。

3.3 2种来源棉酚饲粮对多浪羊棉酚代谢的影响

3.3.1 2种来源棉酚饲粮对多浪羊饮水量、排尿量、尿pH、尿蛋白含量和排粪量的影响

反刍动物尿结石的形成与饲粮结构、饮水条件和气候环境等多种因素有关[29]。而影响动物对饮水需求的主要因素是采食量、饲粮成分(饲粮粗蛋白质、干物质含量)、季节、环境温度和饲养方式等[30]。本试验是在室内饲养,具有暖气设备,室温在14～18 ℃,相对湿度在49.00%～58.86%,饲喂方式相同,且各组饲粮粗蛋白质和干物质含量相近,可排除这些因素的影响。研究显示,饲喂2种来源棉酚饲粮对饮水量、排尿量、尿蛋白含量和排粪量均无显著影响,这与李艳丽[31]研究饲喂不同含量醋酸棉酚(984、1 353和1 722 mg/d)饲粮对雄性哈萨克羊的饮水量、排尿量、DMI和排粪量无显著影响的结果一致。试验组饮水量和尿蛋白含量高于CK组,AG组排尿量和尿液pH最高,FG组DMI和排粪量最高。Menual[32]观察到使用全棉籽饲喂成年雄性绵羊导致排尿量增加。刘芳[33]报道,尿蛋白和尿液pH是影响尿结石形成重要因素,正常绵羊尿液pH范围6.5～7.2,偏弱酸性,尿蛋白含量<0.5 g/L,当尿蛋白含量升高,说明肾脏受损,实践调研发现新疆细毛羊饲喂棉籽饼和棉籽壳游离棉酚含量分别为443和907 mg/kg,会使绵羊尿液pH和尿蛋白含量升高。本试验结果显示,各组绵羊尿液pH整体较高,偏碱性,这可能与绵羊饮用碱性水(pH为7.56)和缺少运动有关[30],FG组尿液pH显著低于AG组和CK组,可能与饲粮类型有关。赛买提·艾买提[34]研究雄性阿勒泰羊饲喂不同含量游离棉酚(500、800、1 100和1 400 mg/kg)棉籽壳饲粮65 d,发现饲喂高含量游离棉酚的棉籽壳饲粮能降低绵羊排尿量,认为绵羊过量摄入游离棉酚会导致尿结石形成。本试验多浪羊饲喂棉酚饲粮120 d,添加棉副产品占总饲粮比例的74.7%,棉籽粕和棉籽壳每天分别饲喂187.2和709.2 g,每天棉酚摄入量为628.94 mg,并未观察到上述现象,可能与试验设计、绵羊品种对棉酚的耐受性不同有关。

3.3.2 2种来源棉酚饲粮多浪羊瘤胃液、血浆、粪便和尿液中游离棉酚含量的影响

瘤胃作为反刍动物独特的消化器官对游离棉酚的解毒有着重要的作用。本试验使用高效液相色谱仪(HPLC)测定FG组和AG组瘤胃液游离棉酚含量最高分别为2.52和2.54 mg/L,晨饲后试验组瘤胃液游离棉酚含量呈先上升后下降的变化趋势,晨饲前的瘤胃液游离棉酚含量均低于晨饲后,多浪羊瘤胃液中游离棉酚含量很低,瘤胃是游离棉酚消失的主要场所[35]。游离棉酚的降解与反刍动物的反刍行为有关,崔浩然等[36]研究发现,饲喂高比例棉籽壳(58%)能增加多浪羊反刍时长,且夜间反刍次数高于昼间。推测多浪羊晨饲前的瘤胃游离棉酚含量低于晨饲后,可能与夜间绵羊增加反刍行为有关。晨饲后FG组4 h时瘤胃液游离棉酚含量达到最高,AG组2 h达到最高,随后游离棉酚含量缓慢下降至饲喂前水平,说明FG组瘤胃液游离棉酚含量达到最高峰时间晚于AG组,表明2种来源棉酚在瘤胃液中游离棉酚的释放速率不同,以醋酸棉酚在瘤胃液中释放速率快,这与体外试验研究结果[37]一致。游离棉酚存在于在棉副产品的色素腺体内,色素腺体周围为肉质组织,推测当瘤胃微生物对肉质组织进行降解时,游离棉酚可能从色素腺体内缓慢释放于瘤胃液。王彩碟[19]研究醋酸棉酚对绵羊代谢的影响,推测醋酸棉酚和棉籽壳中游离棉酚在瘤胃中具有不同释放速率,棉籽壳中游离棉酚释放速度缓慢,而添加的醋酸棉酚是直接作用于瘤胃液。赛买提·艾买提[34]报道,绵羊饲喂棉籽壳饲粮(含500 mg/kg的游离棉酚)65 d,通过苯胺法检测瘤胃液游离棉酚含量达到194.79 mg/kg,与本试验瘤胃液游离棉酚含量相差较大,可能与游离棉酚含量测定方法有关。Botsoglou[38]报道,使用苯胺法测定游离棉酚含量缺乏敏感性和特异性,测定的结果会出现假阳性,而HPLC可以高精确度和高分辨率测定游离棉酚含量。Ismartoyo等[39]报道,瘤胃液中大部分游离棉酚可能与可溶性蛋白质结合,还可能与瘤胃液中的其他成分如脂质和铁盐结合。Abou-Donia等[40]报道,反刍动物对游离棉酚耐受性可能是由于咀嚼、瘤胃内环境和水热条件等,促进游离棉酚结合到蛋白质上,结合棉酚在消化道里很大程度上未被吸收,随粪便排出体外。

反刍动物饲喂高含量游离棉酚的棉副产品可能会中毒,血浆棉酚可用作评估棉副产品安全使用的指标,其含量直接反映棉酚在肠道中吸收和肝脏代谢情况[7]。Calhoun等[41]建议,5 mg/L是长期饲喂棉副产品反刍动物血浆棉酚含量的安全上限。Santos等[42]报道,反刍动物血浆棉酚含量为7 mg/L时会阻碍胚胎发育和生存能力,最终损害反刍动物的繁殖能力。Smalley等[43]报道,当血浆棉酚含量超过10 mg/L时,会引起3头成年泌乳奶牛死亡。钟荣珍[44]研究奶牛饲喂全棉籽饲粮游离棉酚含量分别为315、630和945 mg/kg,奶牛每天摄入的游离棉酚量分别为6.30、12.93和20.34 g,120 d后使用HPLC测定血浆游离棉酚含量分别为0.14、0.07和0.13 mg/kg,认为血浆游离棉酚含量未达到棉酚中毒剂量。本试验2种来源棉酚饲粮的棉酚含量为524.12 mg/kg,饲喂120 d,每天摄入棉酚628.94 mg,FG组和AG组血浆游离棉酚含量分别为0.66和0.89 mg/L,没有发现任何临床中毒症状,说明2种来源棉酚饲粮均未对多浪羊构成危害。AG组血浆游离棉酚含量较FG组高,推测醋酸棉酚在多浪羊消化道释放或吸收速率较棉副产品中游离棉酚快,可能与2种来源棉酚化学性质有关。

国外关于棉酚在单胃动物(鸡[45]、猪[46])尿液和粪便中的代谢已有报道,表明游离棉酚主要是通过粪便排出体外,只有少部分由尿液排出,棉酚在反刍动物尿液和粪便代谢的研究引起研究人员重视。赛买提·艾买提[34]研究雄性阿勒泰羊饲喂含有不同含量游离棉酚的棉籽壳饲粮65 d,发现饲喂棉籽壳游离棉酚含量为500 mg/kg的饲粮,绵羊粪便中游离棉酚含量为26.40 mg/kg,尿液游离棉酚含量为50.21 mg/kg,表明绵羊粪便中游离棉酚排泄率非常低可忽略不计,猜测通过绵羊粪排出的是结合棉酚。与本试验结果不一致,可能与测定游离棉酚含量的方法、绵羊品种和试验设计等因素有关。Rogers等[47]报道,反刍动物可以耐受全棉籽中较高含量的游离棉酚,推测原因是反刍动物由于咀嚼和反刍过程中全棉籽游离棉酚在消化道释放缓慢。本试验结果显示,FG组尿液游离棉酚含量低于AG组,FG组粪便游离棉酚含量高于AG组,这可能与2种来源棉酚饲粮在体内棉酚释放速率有关,另一原因可能是棉副产品游离棉酚未在绵羊消化道中完全释放相关[48]。

4 结 论

饲喂2种来源棉酚饲粮降低了多浪羊营养物质表观消化率,增加了瘤胃液、血浆、尿液和粪便游离棉酚含量,继而对多浪羊的生长性能和消化代谢造成一定影响。实际生产中多浪羊饲粮中棉酚含量应低于524.12 mg/kg。