[發明專利]一種固液氣三相分流式瘤胃模擬連續發酵系統及方法

有效

• 申請號: 201110167595.6
• 申請日: 2011-06-21
• 公開（公告）號: CN102286359A
• 公開（公告）日: 2011-12-21
• 發明（設計）人: 王加啟;沈維軍;姜雅慧;陳強;周凌云;楊紅建;卜登攀;安朋朋;徐俊
• 申請（專利權）人: 中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所
• 主分類號: C12M1/00
• 分類號: C12M1/00;C12M1/36;C12M1/34;C12M1/107;C12M1/04;C12M1/02;C12P5/02;C12P1/00
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 程鳳儒

技術領域

本發明涉及反芻動物營養研究技術領域，特別是涉及一種用于模擬牛、羊等反芻動物瘤胃發酵的固相、液相、氣相三相分流式排放的連續發酵系統及其發酵方法。

背景技術

反芻動物瘤胃的消化，主要依靠棲居在瘤胃中的各種微生物和原生動物對日糧中的各種成分的分解和發酵，研究證明，飼料中的干物質約40％～80％在瘤胃中消化，其中80％為碳水化合物；約有60％～80％的有機物，10％～100％的粗脂肪也在瘤胃中消化，而總能量的23％～87％也在瘤胃中消化。尤其是飼料中的粗纖維，約90％在瘤胃內發酵，僅約10％在大腸消化，半纖維素很少或未發現在瘤胃后消化的。

瘤胃作為一個生物發酵罐，應當具備適宜于種群復雜、數量巨大的瘤胃微生物在其中生長繁殖的條件，這些條件隨著微生物的生長繁殖會發生相應變化。但是，微生物的生存環境，包括營養物質、溫度、酸堿度等又要求相對穩定，因此，瘤胃內各種環境因素又必須隨時處于嚴密的調控之中。

目前，研究瘤胃的方法主要有三種，分別為體內法、半體內法和體外法。

體內法是指在動物的左臁部瘤胃背囊處安裝永久性瘤胃瘺管，通過瘺管采集瘤胃內容物樣品進行微生物學研究或飼料營養價值的評定。體內法研究一直是測定飼料營養價值最常用的方法，但是它存在試驗周期長，環境條件不易控制等缺點，這使得該方法不適用于大規模的飼料評定，只能作為一種參比方法。半體內法主要是指尼龍袋法，該方法是直接將飼料樣品裝入尼龍袋中，通過瘤胃瘺管懸置于瘤胃中測定飼料營養成分的消化情況。該法被廣泛應用于評價飼料在瘤胃中的降解程度，但該法需要帶瘺管的反芻動物，其測定結果受多種外界因素影響，導致測定結果變異較大。體外法是指采集新鮮瘤胃食糜或瘤胃液，在模擬瘤胃條件的裝置中進行微生物培養，所以又稱人工瘤胃法，相對于體內法、半體內法來說，體外法具有操作簡單、省時省力、環境條件容易控制、重復性好等特點，并且，它可以在較短時間內測定大量的飼料樣品。該法適合于實驗室的常規分析，這對于日趨復雜的現代反芻動物營養學研究來說顯得尤為重要。

目前，典型的體外法主要有批次培養法和連續培養法。

批次培養法是將微生物接種物和發酵底物一次性加入發酵容器里，經一定時間培養后，在固定時間內結束培養，故又屬于靜態發酵，該法由于不能實現底物和產物的分離，導致瘤胃發酵環境發生改變，因此不適合于長期體外模擬發酵試驗。批次培養法主要有兩階段法、產氣法和簡單消化法等。然而，體外連續培養法實現了底物(飼料)和緩沖液的連續進入和食糜(固相和液相)的連續排出，因而更加接近活體內瘤胃發酵情況，相比于批次培養法來說具有更準確的模擬瘤胃內環境的優點。

目前國際上應用較廣的體外連續培養系統主要有單外流連續培養系統和雙外流連續培養系統。單外流是指消化食糜固相和液相均以相同速度外流的系統；而雙外流是將消化糜固相和液相外流速度分別加以控制的系統。單外流連續體外發酵裝置的典型代表的特點是把被測日糧放入尼龍袋中，再把尼龍袋放入發酵罐內供微生物降解，但該裝置沒有考慮瘤胃內的固相和液相外流速度不同的情況，而且產氣量的測定存在較大誤差。雙外流連續體外發酵裝置的典型代表為連續培養裝置，該裝置依靠發酵罐內的過濾膜保持固體外流速度和液體外流速度的不同，通過持續向發酵罐內通入CO2維持發酵罐內的厭氧環境，但是該裝置無法準確區分已發酵和剛投入的飼料，無法測定單一飼料的消化率。隨后，美國明尼蘇達大學的Hannah等人設計了一套連續培養裝置，該裝置雖然實現了氣、液、固相的分離，并采用了磁力攪拌系統和內部加熱方式，但是排出的固相食糜中液體居多，依然不能很好的將液相與固相分開，而且采用的是內加熱的方式，存在著加熱不勻的現象。

目前，瘤胃模擬技術的應用范圍包括：纖維素消化及其影響因素；非蛋白氮的應用；瘤胃微生物的新陳代謝及其影響因素；反芻動物飼料的營養價值評定；瘤胃發酵動力學研究；瘤胃微生物及其與宿主間的共生關系；極端情況(如高精料，高稀釋率)下瘤胃的發酵情況；藥物和能源開發研究(如產甲烷菌)等。

活體外研究方法的優越性使得人們越來越重視瘤胃模擬技術的運用。但是，由于影響人工瘤胃模擬技術的因素很多，如pH，稀釋率，攪拌速率，飼喂量，飼喂頻率等。因此，控制好體外發酵條件對試驗結果的可靠性和科學性至關重要。而且人工瘤胃裝置需要長時間的連續工作，整個過程中需要實時補液，實時收集發酵時產生的氣體，持續攪拌，定時添加飼料，采集液體、固體樣品，因此工作繁重，需要占用大量人力。

發明內容