胚乳物理结构和化学键组成对玉米淀粉瘤胃降解的影响及其机制

发布时间：2020-07-19 18:42

【摘要】：反刍动物营养研究多关注粗饲料的利用,对于精饲料(淀粉)的研究相对较少,并且多集中在不同用量和比例对瘤胃健康和生产性能的影响,对于淀粉降解机制缺少系统研究。为此,本研究旨在从胚乳物理结构和化学键组成两个层面探究玉米内在结构差异,并结合瘤胃降解参数,系统解析玉米瘤胃降解机制。在比较玉米和小麦(淀粉)瘤胃降解特性的基础上,选用玉米为材料,研究了不同品种玉米内在结构、蒸汽预处理改变玉米内在结构等对瘤胃降解特性的影响,并从玉米淀粉瘤胃发酵过程中微生物粘附、降解参数等方面分析了作用机制。1玉米和小麦淀粉的瘤胃发酵特征以玉米、小麦作为精料,稻草为粗料。按照3个精粗比(35:65、50:50、65:35)、4个小麦与玉米比(20:80、40:60、60:40、80:20)进行体外模拟瘤胃发酵试验,测定产气量和发酵参数,并计算氮利用效率(ENU):ENU(%)=微生物N(g)/可利用N(g)×100。结果发现,随着底物中小麦比例的提高,产气量、挥发性脂肪酸和氨态氮浓度线性提高,微生物蛋白合成、干物质降解率和ENU降低。随着精料含量的提高,挥发性脂肪酸浓度和微生物蛋白合成线性增加,ENU线性降低。利用扫描电镜和共聚焦显微镜观察玉米和小麦胚乳结构(starch-protein matrix)发现,玉米胚乳中大部分淀粉颗粒被蛋白质包被,小麦淀粉颗粒却相对散布于胚乳中。结果显示,玉米和小麦胚乳结构明显差异,这些差异可能导致了它们在瘤胃中发酵特征的不同。2不同品种玉米内在结构差异对瘤胃降解特性的影响选用三个玉米品种(LM01,LM10和LD999),用4头瘘管泌乳荷斯坦奶牛(DIM = 250±20d),按照尼龙袋法测定其瘤胃降解参数;同时利用傅里叶红外光谱仪测定它们的化学结构,用扫描电镜和小角度散射技术测定了各品种玉米的胚乳和淀粉颗粒形态学结构;分析了玉米内在理化结构与瘤胃降解参数的关联。2.1胚乳形态结构LD999胚乳中存在较大面积的层状蛋白膜片,淀粉颗粒呈规则且表面光滑的圆球形,但LM10和LM01淀粉颗粒表面存在较大的碎片状蛋白颗粒;小角度散射技术分析结果,玉米淀粉颗粒晶型和颗粒结晶度在三种品种间无显著差异。2.2化学键组成碳水化合物相关化学键(C=O)的红外吸收峰(ca.1187-950 cm-1)峰强在LM01中高于LM10和LD999,表明三种玉米对应的碳水化合物内在化学结构和物质总量存在差异。非结构性碳水化合物对应的化学键及官能团吸收峰(ca.950-820cm-1)在三种玉米品种间差异显著;LD999的蛋白(-CO-NH-)相关吸收峰(AmideI和Amide Ⅱ)及次级结构(α-helix和β-sheet)吸收峰峰强均高于LM10和LM01,表明LD999中含有更多的蛋白质。2.3瘤胃降解参数瘤胃可降解干物质(%RDDM)、瘤胃可降解淀粉(%RDSt)在LM01中最高,但淀粉降解速率(Kd)的品种间差异不显著;LM01的瘤胃可降解蛋白(%RDP)高于LM10和LD999,由于蛋白含量有差异,LD999的瘤胃可降解蛋白总量(RDP,g/kg DM)最大。通过分析这些参数与胚乳形态、化学键的关系发现,玉米DM和淀粉的瘤胃降解率同碳水化合物相关化学键和原子基团吸收峰峰强成正相关,蛋白降解率同肽键含量成正相关,并且受到胚乳结构和淀粉颗粒形态的影响。3蒸汽压片处理改变玉米内在结构对瘤胃降解参数的影响对两种玉米原料处理前(RC-I和RC-II)和处理后(SFC-I和SFC-II)的样品进行胚乳内在结构、化学键和原子基团组成及瘤胃降解参数测定,分析玉米内在理化结构与瘤胃降解参数的关系。3.1胚乳形态结构SFC中淀粉颗粒与纤维、蛋白间的铰链作用受到严重破坏,醇溶蛋白γ-zein的两种单体16kDa和27kDa浓度在蒸汽压片玉米(SFC)中显著低于未处理玉米(RC)。对淀粉颗粒进行扫描电镜和粒径分布分析发现,SFC胚乳中淀粉颗粒出现明显塌陷,由规则的球状变成不规则的圆饼状,且淀粉颗粒粒径变大;SFC的淀粉颗粒晶型与RC无显著差异,但是颗粒结晶度却显著降低,表明蒸汽压片处理显著改变了玉米胚乳物理形态结构。3.2化学键和原子基团组成总碳水化合物(ca.1188-950cm-1)和非结构性碳水化合物(ca.950-820 cm-1)相关的化学键(C=O)和官能团相对应的红外吸收峰峰强在SFC中显著高于RC,表明SFC含有更高的可利用碳水化合物。SFC的蛋白相关化学键(-CO-NH-)吸收峰低于RC,且二次结构a-helix和β-sheet显著低于RC,说明蒸汽压片处理破坏了蛋白质结构,降低了蛋白质含量。3.3瘤胃降解参数SFC的干物质和淀粉瘤胃降解速率(Kd)及降解率显著高于RC,瘤胃可溶性部分显著降低;SFC的蛋白降解率(%RDP)显著低于RC,但蛋白降解速率两者间无显著差异。相关性分析表明,碳水化合物化学键组成与玉米DM、淀粉降解率成正相关,蛋白化学基团相关吸收峰同蛋白降解率成正相关。通过分析这些参数与胚乳形态、化学键的关系发现,蒸汽压片处理改变了玉米胚乳和淀粉颗粒形态结构,并破坏了玉米碳水化合物和蛋白相关化学键和原子基团振动模式,进而改善了蒸汽压片玉米的瘤胃降解。4玉米内在结构影响瘤胃降解的分子机制选取蒸汽压片处理前后的玉米(RC和SFC),通过测定其瘤胃发酵过程中的化学键组成,并结合荧光标记和原位荧光杂交(FISH)技术,从化学键组成和细菌粘附两个角度探究玉米瘤胃降解机制。4.1瘤胃发酵过程中化学结构变化随着瘤胃发酵时间延长,RC和SFC发酵残余物中的非结构性碳水化合物相关化学键和基团(ca.950-820 cm-1)逐渐减少至0,总碳水化合物相关化学键吸收峰(ca.1188-950cm-1)逐渐降低,但蛋白相关化学键吸收峰(ca.1720-1480cm-1)呈升高趋势。主成分分析显示,瘤胃发酵0、2、4、8和12 h残余物的化学键和原子基团组成在RC与SFC间无显著差异,但前12 h与24 h、48 h发酵的残余物化学键组成差异显著。RC和SFC发酵残余物中的淀粉含量随发酵时间延长而降低,在前12h发酵过程中,RC的淀粉含量无显著降低,但SFC的淀粉含量呈线性降低。4.2 淀粉降解菌(starch hydrolyzing bacteria,SHB)的粘附作用在RC样品中,SHB丰度在4 h发酵时间点达到峰值,然后逐渐降低;Ruminococcaceae、phylum Firmicutes 丰度(R_SHB)存在相似趋势。在 SFC 发酵过程中,SHB和R_SHB丰度在4h和24h两个时间点出现峰值,并且以24h丰度最高。结合RC和SFC样品中化学键组成与SHB丰度分析发现,SHB丰度与化学键组成无显著相关性,但是SHB丰度在RC和SFC之间存在显著差异,说明淀粉颗粒的物理结构很大程度上影响了 SHB对淀粉颗粒的粘附。综上所述,玉米瘤胃降解过程受到胚乳物理结构和化学键组成的影响。在物理水平上,胚乳中的starch-protein matrix结构、淀粉颗粒形态、粒径大小、结晶度,醇溶蛋白含量等均会对玉米干物质和淀粉瘤胃降解产生影响;在化学水平上,玉米的官能团组成和化学键强度影响其瘤胃降解。淀粉降解菌在不同结构的玉米表面粘附程度有差异,这种差异会显著影响玉米的瘤胃降解。结果提示,通过改变玉米的内在理化结构,可以改善玉米的瘤胃降解特性。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S816
【图文】：

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奶牛养殖业在我国发展历程呈现出一定的阶段性，总体以２００８年“三聚氰逡逑胺”事件为转折点。２００８年之前，我国奶牛养殖业的快速发展以散养和家庭养殖逡逑为主要增长点，年存栏量１－４头的家庭养殖户奶牛存栏量占奶牛总存栏量达到１／３逡逑（中国奶业年鉴，２０１４），但是１００头奶牛存栏量以上的规模养殖场数量不足整体逡逑养殖场数的２％。这一阶段我国奶牛养殖业发展重在整体规模的扩张，奶牛存栏量逡逑快速增长，但是“规模小、分布散、水平低”的状况依然严重（周振峰等，２０１３）。逡逑快速增长的蛋白需求维持了此阶段的奶牛养殖业的发展，整体的奶牛养殖水平并逡逑未呈现出与奶牛存栏量增长相一致的代际提升。２００８年奶业危机，消费者对于本逡逑土乳制品的消费信心断崖式降低，开始大量的进口国外乳制品，进一步加剧了奶逡逑牛养殖业的困境，加速了整个奶牛养殖业的转型升级。从消费端倒逼乳企在上游逡逑养殖板块加大投入，提升养殖水平。经过６年时间的阵痛调整，我国奶牛养殖业逡逑进入了新的发展阶段，大量的小型散养户逐渐退出，奶牛养殖业规模化程度快速逡逑

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