生物精炼草料压榨饼作为粗饲料对荷斯坦奶牛生产性能及甲烷排放的影响研究

《Journal of Dairy Science》：Implementing press cake from biorefined grass as a roughage in the diet of Holstein Friesian dairy cows

本研究针对奶牛养殖中因高蛋白牧草青贮导致的氮利用率低、氨排放高等问题，探讨了利用生物精炼技术从新鲜草料中提取压榨饼（GS-PC）并青贮后，部分替代传统优质牧草青贮（GS-POS）或低质牧草青贮（GS-NEG）对荷斯坦奶牛生产性能、营养物质消化率及肠道气体排放（包括CH4、CO2、H2）的影响。结果表明，GS-PC在维持奶牛干物质采食量（DMI）和脂肪蛋白校正乳（FPCM）产量方面与GS-POS相当，且显著优于GS-NEG；同时，GS-PC组奶牛氮利用效率（N efficiency）提高，而甲烷产率（g CH4/kg DMI）未显著增加。该研究为通过生物精炼技术降低奶牛日粮粗蛋白（CP）含量、减少氮排放而不影响生产性能提供了重要实践依据，对可持续畜牧业发展具有重要意义。

　　

在集约化奶牛养殖系统中，黑麦草等牧草作为日粮粗饲料的主要组成部分，往往具有较高的粗蛋白（CP）含量。这虽然有利于牛奶合成，但也带来了一个棘手的问题：当牧草青贮在日粮中占比很高时，氮的利用率相对较低，导致大量氮随尿液排出，并引发牛舍内高浓度的氨气排放。尽管养殖户会通过搭配其他饲料成分来平衡牧草青贮的高蛋白问题，但要想大幅降低日粮CP含量以控制氨排放，其可行空间十分有限。更令人担忧的是，与玉米青贮等替代粗饲料相比，牧草通常会导致更高的肠道甲烷（CH₄）排放，而甲烷是一种强效温室气体。有研究表明，在生长季早期收割或非常幼嫩阶段刈割的黑麦草能显著减少肠道甲烷排放，但其CP含量会更高。若不对此进行补偿，氮排放的增加及其产生的温室气体等效可能远超所降低的甲烷排放效益。因此，寻找一种能够同时降低日粮蛋白含量且不牺牲奶牛生产性能、不增加甲烷排放的牧草替代品，成为畜牧业可持续发展的关键挑战。

生物精炼（Biorefinery）作为一种物理加工技术，为解决这一难题提供了新思路。该技术通过压榨将新鲜草料分离成不同的组分。液体部分（压榨汁）富含可溶性蛋白质、游离氨基酸、糖分等，可进一步精炼成蛋白质、糖和矿物质分数，用于食品链的其他环节。而剩余的纤维状固体部分经过青贮处理后，即得到草料压榨饼（Grass Press Cake, GS-PC）。这种青贮压榨饼具有低蛋白、低磷的特点，有望成为替代传统牧草青贮或玉米青贮的优质粗饲料资源。通过生物精炼，可以在草料营养价值和氮含量最高的幼嫩阶段进行收割，因为其中的氮素会在精炼过程中被大量移除，从而从源头上避免与之相关的氮排泄和氮排放。

然而，青贮草料压榨饼能否成功应用，关键在于其营养价值是否与原始草料制成的青贮饲料相近。此前有研究表明，青贮草料压榨饼（或称草浆）对奶牛生产性能有明确的积极影响，但这并非源于更高的干物质采食量（DMI）。不过，这些研究并未专门探索压榨饼降低蛋白含量的潜力，因为其试验日粮（包含压榨饼）的CP含量反而高于基于牧草青贮的对照日粮，且日粮蛋白水平是通过添加豆粕来控制的。此外，人们还担心压榨饼较高的纤维含量可能导致肠道甲烷排放增加，因为已知高纤维日粮往往会产生更高的甲烷产量。

为了明确回答这些问题，一项发表在《Journal of Dairy Science》上的研究应运而生。来自荷兰瓦赫宁根大学与研究中心（Wageningen University & Research）的 André Bannink 及其合作者进行了一项严谨的饲养试验。该研究旨在探究在泌乳奶牛日粮中，用青贮草料压榨饼部分替代牧草青贮对奶牛生产性能的影响，重点评估其降低日粮CP含量的潜力。研究人员提出了两个核心假设：第一，具有高纤维和低CP含量的青贮草料压榨饼，其营养价值与作为阳性对照的常规优质牧草青贮相似，并且高于作为阴性对照的低蛋白牧草青贮；第二，应用青贮压榨饼可以降低氮排泄并提高氮利用效率，且不会对奶牛生产性能和肠道甲烷排放产生负面影响。

为了验证这些假设，研究团队开展了一项为期12周的试验。试验选取了60头处于泌乳中期（平均泌乳天数116天，胎次3.5，脂肪蛋白校正乳FPCM产量34 kg/d）的荷斯坦奶牛。这些奶牛根据其自身性状和产奶性能被分成20个区组，每个区组内的3头奶牛被随机分配到3种不同的日粮处理中。所有奶牛先进行2周的预饲期，饲喂相同的基准日粮（包含10%的青贮压榨饼）。随后进入为期10周的正式试验期，期间奶牛分别接受三种日粮处理：阳性对照日粮（GS-POS，全部使用优质牧草青贮）、压榨饼日粮（GS-PC，用青贮压榨饼替代一半的牧草青贮，约占日粮干物质的20%）以及阴性对照日粮（GS-NEG，用低质牧草青贮替代一半的优质牧草青贮）。研究人员详细监测了奶牛的采食量、产奶性能、体重变化，并利用GreenFeed系统测量了肠道气体（CH₄, CO₂, H₂）排放。在试验的第10周（即处理第8周），还利用二氧化钛（TiO₂）作为标记物，对一半的奶牛（每组10头）进行了消化率测定。

本研究成功实施的关键在于几个核心技术的综合运用。首先是试验设计，采用了完全随机区组设计，确保了组间的可比性。其次是精准的日粮配制与饲喂管理，通过自动饲喂系统（Trioliet 饲料混合机器人）和粗饲料摄入控制（RIC）料槽，实现了个体奶牛采食量的精确记录。第三是气体排放的实时监测，依托三台GreenFeed系统单元，对每头奶牛自愿访问时产生的CH₄、CO₂和H₂进行持续测量，获得了可靠的气体排放数据。第四是消化率的体内测定，通过饲喂含TiO₂标记物的日粮并采集直肠粪样，计算各种营养物质的表观消化率。最后是全面的样品化学分析，由Eurofins实验室采用湿化学方法（如凯氏定氮法测定氮，范索氏提取法测定粗脂肪等）和近红外光谱（NIRS）技术对饲料和粪样成分进行标准化分析，确保了数据的准确性。此外，还补充进行了绵羊体内消化试验，以独立评估另一批次压榨饼的能量价值。

饲料摄入量和饲料效率

数据分析显示，日粮处理对奶牛的干物质采食量有显著影响。与GS-POS和GS-PC相比，GS-NEG组奶牛的混合日粮（PMR）干物质采食量分别降低了7.3%和5.6%。然而，GS-POS和GS-PC组之间的采食量没有显著差异。在蛋白质摄入方面，三种处理呈现出由高到低的顺序：GS-POS > GS-PC > GS-NEG。值得注意的是，尽管GS-PC日粮的CP含量较低，但其饲料效率（kg FPCM/kg 总DMI）与GS-POS相当，并且GS-PC和GS-NEG的氮利用效率（g 乳氮/g 总氮摄入量）均比GS-POS显著提高了约3.1%。这表明，使用压榨饼可以在不牺牲生产效率的前提下，更有效地利用氮源。

泌乳特性和体况指标

在产奶性能方面，GS-NEG组的产奶量显著低于GS-POS和GS-PC组，降幅分别为7.7%和6.4%。GS-POS和GS-PC组在产奶量、乳脂率、乳蛋白率及乳糖率方面均无显著差异。相应地，GS-NEG组的乳脂肪、乳蛋白和乳糖产量也显著较低。就关键的脂肪蛋白校正乳（FPCM）产量而言，GS-NEG比GS-PC和GS-POS分别低6.1%和6.9%，而GS-PC与GS-POS之间无差异。在体况方面，各组奶牛的体况评分（BCS）无差异，但GS-NEG组的体重显著低于其他两组。这些结果综合表明，用青贮压榨饼替代部分优质牧草青贮，能够维持与优质青贮相当的产奶性能，而使用低质青贮则会导致生产性能下降。

消化率、氮利用效率及排泄

在试验第10周进行的消化率测定揭示了更深层次的原因。尽管GS-PC日粮的纤维含量较高，但其干物质（DM）和粗脂肪的消化率显著高于GS-POS日粮。其他营养物质（如有机物OM、粗蛋白CP、中性洗涤纤维NDF、酸性洗涤纤维ADF）的消化率在GS-PC组也呈现数值上的升高趋势。基于消化率计算的氮平衡显示，GS-POS组的氮摄入量和计算的总氮排泄量最高，GS-NEG组最低，GS-PC组处于中间水平。但在氮的分配比例（粪便氮、乳氮、尿液氮占摄入氮的百分比）和氮效率方面，三个处理组之间没有显著差异。这表明压榨饼可能由于其纤维结构在生物精炼过程中被打开和细化，从而更易于被瘤胃微生物降解和消化吸收，这是其能维持高生产性能的重要生理基础。

气体排放

在环境影响的评估上，气体排放结果尤为引人注目。整个试验期内，GS-NEG组的甲烷产率（g CH₄/kg DMI）和甲烷强度（g CH₄/kg FPCM）均显著高于GS-POS和GS-PC组。然而，在GS-POS和GS-PC之间，无论是甲烷产量还是产率均无显著差异。尽管GS-PC的纤维含量远高于GS-POS，但其甲烷产率并未显著增加。此外，GS-NEG的氢气（H₂）产率和H₂/CH₄比值也显著高于另外两组，这可能暗示其瘤胃发酵模式有所不同。这些结果强有力地支持了研究人员的第二个假设：青贮草料压榨饼的应用不会增加肠道甲烷排放。

研究的讨论部分对上述发现进行了深入剖析。与通过延迟刈割或粗放化管理来降低牧草CP含量的传统方法相比，生物精炼技术展现出显著优势。传统方法虽然能降低氮摄入和排泄，但往往以牺牲牧草营养价值、降低消化率和奶牛生产性能、并增加甲烷排放为代价。而本研究证实，青贮草料压榨饼作为一种替代粗饲料，成功地规避了这些弊端。其更高的消化率很可能是由于压榨过程使纤维结构更易被微生物利用，从而补偿了其本身较高的纤维含量可能带来的能量价值损失。研究人员还将本试验结果与一项独立的绵羊体内消化试验进行了对比，后者同样表明，基于化学成分和体内消化系数计算的压榨饼净能（NEL）值高于通过常规牧草青贮近红外校准模型预测的值，进一步佐证了压榨饼被低估的营养价值。

综上所述，这项研究得出了明确的结论：通过生物精炼技术获得的青贮草料压榨饼，可以作为一种高效的粗饲料，部分替代泌乳奶牛日粮中的优质牧草青贮。在替代日粮约20%干物质的情况下，它能够在不影响奶牛干物质采食量、产奶性能以及不增加肠道甲烷排放的前提下，有效降低日粮粗蛋白含量，提高氮利用效率，减少氮排泄。这与使用低质牧草青贮作为替代方案所导致的生产性能下降和甲烷排放增加形成鲜明对比。该研究成果为奶牛养殖业提供了一条既能保障生产效率，又能显著减轻环境负荷的可持续发展路径，对于推动畜牧业向更高效、更环保的方向转型具有重要的理论和实践意义。