使用回归方法研究大麦和豆粕对鹌鹑雏鸟回肠钙消化率的真实影响

《Poultry Science and Management》：True ileal calcium digestibility of barley and soybean meal in quail chicks using the regression method

　　摘要
背景
钙（Ca）的消化率是影响家禽生长性能和骨骼发育的关键因素。大麦和大豆粕（SBM）是常用的饲料成分，但它们在鹌鹑体内的真实回肠钙消化率尚未得到充分研究。本研究旨在使用回归方法估算鹌鹑雏鸟中大麦和大豆粕的真实回肠钙消化率系数（TIDC）。

材料与方法
共600只日本鹌鹑雏鸟被分配到8种实验饮食中，这些饮食中含有不同比例的大麦或大豆粕，并喂养5天。记录了生长性能、饲料摄入量（FI）、体重增加（G）和饲料转化率（FCR）。评估了钙排出量（CaO）、回肠钙消化率以及骨骼特征（胫骨/大腿尺寸和抗折强度）。使用回归分析确定每种成分中的钙消化率系数（TIDC）。

结果
回归分析显示，大麦的钙消化率系数（0.2457；R2 = 0.90）明显低于大豆粕（0.6567；R2 = 0.96）。喂食大麦的鹌鹑钙排出量（CaO）较高（4.11–5.16 g/kg DM摄入量），但骨骼质量较差，包括胫骨和大腿尺寸减小及抗折强度降低。相反，喂食大豆粕的鹌鹑钙排出量较低（0.99–1.33 g/kg DM摄入量），骨骼特征有所改善（P < 0.001）。相关性分析支持这些趋势，表明矿物质保留与骨骼完整性之间存在强烈关联。

结论
回归分析有效估算了鹌鹑雏鸟的钙消化率。大麦的钙利用效率较低，导致骨骼表现较差，而大豆粕提供了更易消化的钙，并显著提升了生长性能和骨骼发育。生长中的日本鹌鹑雏鸟中，大麦的钙消化率系数为0.2457，大豆粕的钙消化率系数为0.6567。

引言
近几十年来，家禽产业经历了重大变革，这得益于遗传选择、营养科学和精准喂养策略的进步。钙（Ca）占鸟类骨骼系统的99%，在骨骼矿化、蛋壳形成、肌肉功能和细胞信号传导中起着关键作用[1]。尽管钙在石灰石基补充剂中含量丰富，但新兴研究强调了钙利用方面的关键挑战，特别是在商业饲料中总钙含量与其生物利用度之间的脱节[1, 2]。从总钙指标转向可消化钙指标已成为必然，因为目前的过剩情况而非缺乏威胁着现代家禽品种的骨骼完整性和代谢平衡[1]。同时，行业面临着优化替代饲料成分（如大麦和大豆粕）的压力，这些成分具有经济和可持续性优势，但也带来了独特的营养挑战。大麦中的高β-葡聚糖含量会增加肠道粘度，阻碍营养吸收[3]，而大豆粕中含有抗营养因子（ANFs），可能影响蛋白质和矿物质的利用[4]。这些问题在生长速度较快且生理特性独特的物种（如日本鹌鹑）中更加明显。传统的总肠道消化率评估方法未能考虑到盲肠的作用，可能会高估钙的可用性[2]。最近在肉鸡研究中被验证的回肠消化率方法通过隔离小肠吸收部位，提高了准确性，因为小肠是矿物质吸收的主要场所。此外，现有模型很少考虑成分间的相互作用。例如，大麦中的可溶性纤维可能与钙结合，而大豆粕中的植酸可能影响矿物质的结合[3, 4]。鉴于生产者增加大麦比例以应对玉米价格上涨的情况，这种知识差距尤为重要，因为它可能影响钙的生物利用度。本研究通过双轴研究钙消化率动态及其对鹌鹑性能和骨骼发育的系统性影响，解决了这些问题。鸟类的钙代谢受甲状旁腺激素、维生素D3和雌激素的复杂调控，以平衡骨骼沉积与产蛋和肌肉功能的生理需求[1]。现代快速生长和早期产蛋的鹌鹑品种将这些稳态机制推向极限。过量的膳食钙会破坏这种平衡，导致高钙血症和肾脏钙化，而供应不足则会导致骨骼畸形和蛋壳缺陷[1]。真实回肠消化率系数（TIDC）已成为一个关键指标，反映了摄入钙在到达盲肠前被吸收的比例。最近在肉鸡中的研究确定石灰石的TIDC值为0.45–0.70，但植物性成分的数据仍然不足[2, 5]。这种差异降低了饮食配方的准确性，尤其是在使用不同钙来源（如大麦（0.3–0.5% Ca）和大豆粕（0.2–0.3% Ca）时。大麦在饲料中的比例受到β-葡聚糖（3–7%）的限制，这会增加食物的粘度，减少营养物质的通过时间，并促进远端肠道的微生物发酵[3]。这些效应可能通过物理化学结合或微生物植酸水解作用捕获钙，从而改变矿物质的溶解度。相比之下，尽管大豆粕在蛋白质质量上更优，但其含有的植酸（0.3–0.6%）和寡糖可能螯合矿物质或加速肠道 Passage[4]。发酵和酶预处理可以减轻这些抗营养因子的影响，提高钙的释放，但由于成本限制，它们在鹌鹑饲料中的应用受到限制。这些成分特异性因素与钙生物利用度之间的相互作用在鹌鹑中尚未量化，导致饲料配方存在不确定性。通过使用二氧化钛标记物的回归方法，本研究的方法绕过了传统平衡试验的局限性，能够精确区分可消化和不可消化的钙部分。研究结果将为制定针对性饮食策略提供依据，优化鹌鹑生产系统中的钙利用，并减轻与现代密集饲养方式相关的骨骼疾病。因此，本研究旨在使用回归方法测定生长中的鹌鹑雏鸟中大麦和大豆粕的钙消化率系数（TIDC）。

伦理批准
本研究方案符合伊朗动物护理委员会的伦理标准，并遵循ARRIVE/NIH指南[6]。它获得了Zabol大学研究动物伦理委员会的批准（批准代码：AECUZ-2012-BR）。

化学分析
对玉米、大麦和大豆粕样品进行了干物质（DM；方法930.15；AOAC，2006）、灰分含量（方法942.05，AOAC，2006）、钙（方法934.01，AOAC [7]）、磷（方法965.17，7）、粗纤维（方法978.10，AOAC，2006）、 ether提取物（方法2003.05，AOAC，2006）和粗蛋白（方法990.03，7）的分析。二氧化钛含量使用UV分光光度计测定[8]。

鸟类与饲养环境
本实验使用了600只日本鹌鹑雏鸟。从第1天到第20天，所有鸟类均喂食基于玉米-大豆粕的标准饮食，以满足或超过NRC[9]对生长鹌鹑雏鸟的建议。第21天，对鸟类进行个体称重，并将其分配到8种不同的饮食处理组中，确保每组的平均体重均匀。每个处理组包含5个重复实验，每个重复实验组有15只鹌鹑，采用完全随机设计。室温保持在25 ± 2.3°C，湿度保持在55 ± 3.3%。整个实验期间保持18 L:6D的光周期。

实验饮食
研究采用完全随机设计，包含8种饮食处理，其中包括不同比例的大麦（占饮食的25%、30%、35%和40%）和大豆粕（占饮食的40%、50%、60%和70%），以使用回归方法估算回肠钙消化率。基础饮食为玉米基饮食，通过用玉米粒替代每个测试成分来配制实验饮食，其中测试成分是饮食中钙的唯一来源（表1）。所有饮食中均含有0.5%的二氧化钛作为不可消化标记物，用于消化率计算。

喂养与样本收集
从第21天到第25天，鹌鹑雏鸟可以自由摄取实验饮食和清水。第25天，记录每个围栏的饲料摄入量，并测量每只鸟的体重。然后使用CO?气体对鹌鹑进行安乐死。安乐死后，通过切除回肠远端三分之二的部分并轻轻冲洗以去除消化物来收集回肠内容物。收集的消化物在每个围栏内合并，冷冻干燥后进行分析，测定钙含量。

骨骼特征
实验结束时，每组重复实验中有4只鹌鹑被安乐死，并收集胫骨和大腿样本。从每只鸟身上取出胫骨，清除软组织（肌肉、脂肪、肌腱等），并在?20°C下单独储存以待进一步分析。胫骨首先经过清洗，然后进行煮沸和彻底去除组织，接着称重。随后在109°C下干燥12小时，用丙酮进行化学清洗（48小时），再在109°C下干燥12小时，最后在马弗炉中550°C下灰化以测定灰分含量。使用AOAC [7]方法测定钙和磷含量。使用TA.XTplus100材料测试机（Stable Micro Systems，Godalming，英国）按照Alfonso-Carrillo, Benavides-Reyes [10]描述的方法测量骨骼抗折强度（大腿：TH-brk；胫骨：Tibia-brk）。使用数字卡尺和数字秤测量骨骼长度、宽度和重量。

计算
使用简单线性回归分析，将大麦和大豆粕处理组中回肠消化物钙排出量（g/kg DM摄入量）与饮食中的钙含量（g/kg）进行回归。回归方程的斜率值表示不可消化的钙：
$$
{\rm{Y = a + b}
$$
其中Y = 回肠消化物钙排出量（g/kg DM摄入量）；X = 饮食中的钙浓度（g/kg）；a = 截距（内源性钙损失）；b = 斜率（饮食中不可消化的部分）。
从1中减去该斜率值以获得真实的回肠钙消化率系数（TID）：
$$
{\rm{TID }}\left( {\rm{\% }} \right){\rm{ = 1 - b}}
$$

统计分析
使用SAS（PROC GLM）中的GLM程序分析数据，以评估大麦和大豆粕添加水平对钙消化率的主效应。模型将处理作为固定效应，围栏作为实验单元。使用正交多项式对比（线性和二次方）来评估剂量-响应关系。采用P < 0.05的显著性水平来确定统计显著性。使用PROC CORR计算皮尔逊相关系数，以评估关键性能（每单位干物质摄入量的钙排出量（CaO-DMI）、骨骼相关参数（胫骨和大腿的长度和宽度）和抗折强度之间的关系。

结果
如表2所示，将大麦和大豆粕加入基础饮食影响了所有测量指标（P < 0.05）。喂食逐渐增加的大麦水平的鸟类表现出饲料摄入量（FI）、体重增加（G）和饲料效率的显著下降，随着大麦比例从25%增加到40%，FI从80.2 g/b下降到46.7 g/b，体重增加从12.2 g/b下降到8.2 g/b。相比之下，较高水平的大豆粕（40–70%）提高了鸟类表现，FI从116 g/b上升到120 g/b，体重增加从43.3 g/b上升到47.7 g/b。喂食大豆粕的鸟类饲料转化率（FCR）降低（P < 0.001），最低降至2.52，而基于大麦的饮食则显示出更高的FCR值（最高达7.61），表明其效率低于大豆粕饮食。随着大麦比例的增加，钙排出量从4.11 g/kg DMI上升到5.16 g/kg DMI，而在喂食大豆粕的组中较低（0.99–1.33 g/kg DMI），表明钙的保留量减少。骨骼发育也受到影响，喂食大豆粕的鸟类的大腿和胫骨尺寸及长度更大（P < 0.001），胫骨长度从41.4 mm增加到44.7 mm，大腿长度从32.7 mm增加到36.1 mm。此外，在使用SBM处理的组中，大腿和胫骨的断裂强度都有显著提高，分别达到了27.3和32.3，而喂食大麦的鸟类的骨强度则有所下降（P < 0.001）。有几个参数表现出二次响应（P < 0.05），表明 对测试成分膳食水平的增加存在非线性响应，尤其是在FI、G、FCR和骨骼特征方面。表2 分析了鸟类对实验处理的响应的方差。全尺寸表格。

通过回归方法确定了大麦和SBM中钙的消化率。大麦的TIDC（ true IndigestibilityCoefficient）为0.2457，表明其消化率相对较低。大麦的不可消化性方程为Y = 0.7543X + 3.056，R2值为0.90，反映了膳食钙摄入量与回肠钙输出量之间的强线性关系（图1a）。相比之下，SBM的TIDC显著更高，为0.6567，表明其钙消化率更高。SBM的不可消化性方程为Y = 0.3433X + 0.4780，R2值为0.96，表明拟合度非常好（图1b）。

图1：基于大麦的饮食中膳食钙水平与消化物中钙输出量（CaO-DMI）的线性回归（a）；基于豆粕（SBM）的饮食中膳食钙水平与Ca?-DM的线性回归（b）；皮尔逊相关矩阵显示生长性能（G：增重；F：饲料摄入量（F）；FCR：饲料转化率）、消化物中钙输出量（CaO-DMI）以及胫骨和大腿（TH）特征（包括直径（dim）、长度（len）和断裂强度（brk）之间的关系（c；显著性水平：* P < 0.05，** P < 0.01，*** P < 0.001）。

变量之间的关系

皮尔逊相关热图显示生长、饲料效率、钙保留和骨骼参数之间存在显著关系（图1c）。增重和FI表现出强烈的正相关（r = 0.862），同时两者都与FCR（r = -0.963和r = -0.772）和CaO-DMI（r = -0.866和r = -0.93）高度负相关。值得注意的是，FCR和CaO-DMI之间表现出强烈的正相关（r = 0.83）。胫骨和大腿的骨骼尺寸之间存在强烈的正相关，胫骨长度和胫骨直径（r = 0.785）以及大腿长度和胫骨长度（r = 0.722）也表现出强相关。断裂强度变量（TH-brk：大腿断裂强度；Tibia-brk：胫骨断裂强度）也与骨骼尺寸相关，表明较大的骨骼具有更大的机械强度。相反，饲料效率指标（FCR和CaO-DMI）与骨骼尺寸和强度呈负相关，表明饲料效率低下可能对骨骼发育产生不利影响。这些结果突显了研究对象在生长性能、饲料利用、钙保留和骨骼完整性之间的复杂平衡。

在本次研究中，使用回归方法估计了真实的回肠钙消化率，因为这种方法可以从膳食钙浓度与回肠钙输出量之间的关系斜率来计算消化率[11]，同时通过截距估计内源性钙损失[12]。这种方法减少了对于直接标准化消化率测定中使用的假设基础内源性钙损失的依赖，并且在测试成分的不同添加水平上提供了可靠的估计值。尽管直接方法越来越多地用于标准化钙消化率的测定，但当关系在测试范围内呈线性时，回归方法仍然是一种有效的方法，本研究中获得的高R2值也支持了这一点。

本研究的结果突显了生长中的鹌鹑在钙消化率方面大麦和SBM之间存在显著差异（基于95%置信区间），这对生长性能、骨骼健康和饲料配方具有重要意义。这些结果与之前关于家禽饮食中钙利用的研究结果一致并进行了扩展。通过回归方法得到的大麦中钙的TIDC（0.2457）明显低于SBM的TIDC（0.6567），这与之前使用直接方法的研究结果一致。例如，报道的大麦和SBM在鹌鹑中的标准化回肠消化率（SID）值分别为39.9%和42.9%[13]，而小麦的钙消化率甚至更低（SID：31.2%）[14]。本研究中SBM的较高TIDC可能与方法学差异有关，因为回归方法动态地考虑了内源性损失，而直接方法使用的是固定的基准测量值，如Khajali和Ghazaghi报告的336 ± 52.7 mg/kg干物质摄入量[13]。回归方程中的高决定系数（R2 = 0.90对于大麦，R2 = 0.96对于SBM）证实了膳食钙摄入量与回肠钙输出量之间的强线性关系。这些值与使用类似回归方法在禽类中报道的石灰石（R2 = 0.96）[15]和DCP（R2 = 0.90）[16]的结果相当，进一步证明了我们分析框架的可靠性。在本回归测定中，需要不同添加水平的大麦或豆粕来生成一系列膳食钙浓度，以估计真实的回肠钙消化率。因此，由于测试成分本身的营养成分不同，其他营养素（包括磷供应和钙磷比）在各个处理组中也自然有所变化。我们认识到膳食磷是影响饲料摄入量、生长率和骨骼发育的重要因素；因此，观察到的性能和骨骼特征的部分变化可能受到了不同饮食中可利用磷差异的影响。在解释超出回归得出的钙消化率系数的响应时，应考虑这一限制。由于实验设计为两个独立的逐步添加回归测定（大麦系列和豆粕系列），因此这两个成分系列的饮食在营养上并不完全相同。因此，由于成分本身的组成和配方调整，Na、Cl、K和氨基酸（以及磷）等营养素在大麦基和豆粕基饮食之间有所不同。这些差异可能会影响饲料摄入量和生长响应；因此，在比较大麦与豆粕处理时，应谨慎解释性能和骨骼特征，而每个成分系列内部的回归得出的钙消化率估计值仍然有效。

尽管植酸可以通过形成不溶性的钙-植酸复合物来降低钙的可用性，但豆粕通常含有比大麦更高的植酸-磷浓度。因此，本研究中观察到的大麦较低的钙消化率可能是由其他与成分相关的因素（例如，谷物基质效应如可溶性NSP/β-葡聚糖、改变的消化物特性和矿物质结合相互作用）造成的，而不是由于较高的植酸浓度本身[17]。相比之下，SBM的较高消化率可能归因于其较低的植酸水平和更有利于矿物质吸收的基质[18]。SBM中的蛋白质基质可以与钙和植酸相互作用，可能在较高pH值下形成复合物，从而增强钙的溶解性和吸收[19]。这些结果证实了研究表明，像大麦和小麦这样的富含植酸的谷物与SBM相比表现出较低的钙保留[13, 14]。有证据表明，过量的膳食钙，特别是在高pH值的肠道环境中与植酸结合时，会减少其他关键营养素和矿物质的吸收[1]。

SBM喂食的鸟类在骨骼尺寸（胫骨长度：+8.0%；大腿长度：+10.4%）和强度（胫骨断裂强度：+32.3%）方面的显著改善与观察到的较高钙消化率一致。这与将充足的钙摄入与增强家禽骨骼完整性联系起来的研究结果一致[13]。钙输出量与生长性能之间的负相关（例如，CaO-DMI与增重之间的r = -0.93）表明，钙利用不足会直接影响营养吸收和代谢效率。这些模式与文献中的观点一致，即钙利用不足不仅会损害骨骼沉积，还会影响代谢效率[1]。这些结果强调了膳食钙在骨骼矿化中的核心作用，因为体内99%的钙沉积在骨骼中[]。此外，骨骼尺寸和强度测量值之间的强相关性（例如，胫骨长度和胫骨断裂强度：r > 0.75）进一步强调了骨骼完整性对钙可用性的依赖性。相反，大麦中较低的钙可用性与较高的FCR（高达7.61）和较低的骨骼强度相关，这与钙缺乏对骨骼矿化的影响一致[14]。性能指标的二次趋势进一步强调了饮食中钙含量的非线性响应，需要精确的配方以避免补充不足或过量。这种非线性也在肉鸡中观察到，并突出了钙利用的年龄和成分依赖性[1]。

虽然回归方法提供了关于钙消化率的动态见解，但TID和SID值之间的差异突显了标准化协议的需要。例如，本研究隐含地模拟了内源性钙损失，而直接方法则使用无钙饮食来明确测量它们[13, 14]。家禽中的钙消化率系数受到多种因素的影响，特别是饮食组成和钙来源的特性。饮食中植酸的存在可以提高钙和磷的消化率，因为它有助于分解植酸，从而减少它们的可用性[20]。实际上，大麦基饮食中较低的钙保留率[13]强调了酶介导的干预（例如植酸酶）或补充钙来源的重要性，以减轻对磷利用的拮抗效应。多项研究表明，植酸酶可以提高钙的消化率，尤其是在磷缺乏或植酸丰富的饮食中，通过水解植酸结合的钙并最小化过量植酸的抗营养效应[1]。这对于像大麦这样的谷物尤为重要，因为其中的内源性植酸酶活性不足以有效释放结合的钙。此外，饮食中的钙水平与其他营养素（如磷）之间的相互作用也很重要。高膳食钙水平可能会干扰磷的吸收，而这两种矿物质的最佳水平对家禽的骨骼健康和整体性能都是必需的[21]。了解这些相互作用对于制定最大化矿物质利用和最小化环境影响的饮食至关重要[22]。

另一个复杂因素是适应期长度。据报道，适应期长度会影响TIDC的估计，短期适应（24小时）比长期适应（3-5天）产生更高的消化率值[1]。这些因素强调了需要标准化协议来准确评估家禽的钙消化率，为优化家禽饲料配方提供可靠的数据。

总之，本研究强调了SBM作为生长中鹌鹑可消化钙来源的优势，这可能是由于植酸含量和营养基质的不同所致。本研究揭示了SBM在鹌鹑雏鸟中的钙消化率高于直接技术得到的结果。这些发现对于优化膳食钙的供给具有重要意义，特别是关于方法的标准化以及防止钙消化率的过高或过低估计。