动物能量代谢实验技术.docx

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1、动物能量代谢实验技术第一章 动物能量代谢的基本原理 第一节 能量转换的某些热力学概念 研究能的转换和传递过程及其规律的科学成为热力学。 1、 热力学第一定律 能量从一种形式转化为其他形式时，其总量保持不变。 宇宙间能的总量是恒定的，而只是能量的转变与传递。 同一化学反应，不论其经历的过程如何，只要体系的初态与终态一定，则反应的热效应总是相等的。 2、 热力学第二定律 一切自发过程都是不可逆的，热不可能在无外加条件下从低温物体流到高温物体。 3、 动能与位能 动能是指可以用于各种生命活动的能量，如物质运输，肌肉收缩，神经传导等； 位能是指一个物体或一个系统中所束缚着的能量，在一定条件下可释放出来

2、变为动能而作功。 4、熵 系统的位能蕴含于系统的秩序之中，系统愈有秩序则所蕴含的位能就愈多。系统当由高能级转向低能级释放出能量的同时，系统的秩序便随之减小，或者说无序度增大了。热力学把这种无序度成之为熵。物体的温度愈高，其无序度愈大，熵4愈低。理论上认为，熵在-273.15时等于零。 1 第二节 营养物质的能量 一、燃烧热 1克分子物质完全氧化时的热效应称该物质的燃烧热，也就是它的总能。 对于有机物质来说，完全燃烧是指C变成CO2，H变成H2O，S变成SO2等。 热的单位是卡，千克，兆卡。 能量的单位是焦耳，千焦，兆焦。 1卡 = 4.184焦耳。 二、营养物质的燃烧热及测定方法 1、营养物质

3、的燃烧热 营养物质的燃烧热取决于营养物质的分子组成。每克C氧化为CO2时产生8.03千卡热能；每克H氧化为H2O时产生34.5千卡热能。 饲料中的产能物质主要为碳水化合物，脂肪和蛋白质。 碳水化合物平均含C 44%，含H 6%，其燃烧时平均产热4.1千卡/克； 脂肪平均含C 77%，含H 12%，其燃烧时平均产热9.45千卡/克； 蛋白质平均含C 53%，含H 7%，其燃烧时平均产热5.65千卡/克。 2、燃烧热的测定方法 1）用氧弹式测热器测定： 将一定量的待测样本置于一密封的厚壁钢弹内，向内充入过量的纯氧，将钢弹浸入一装有水的容器中，用电点燃钢弹内的样本使其与氧充分化和燃烧，所放之热由水、

4、钢瓶和盛水的容器所吸收，温度升高，将水及整个系统温度上升的度数乘以其比热，就可得知样本燃烧所放之热-样本的燃烧热。 2）由饲料中产能物质的含量进行推算： 燃烧热= 5.72 *+ 9.5 *+ 4.79 * + 4.03 * 此类估算模型很多，不同的估算模型是在不同条件下用不同类型的饲料配合出来的，因而，对于不同类型的饲料应选用不同的模型进行估算。 2 第三节 能量在动物体内的转化及测定方法 消化能 净能 生产净能 生长，肥育 产奶，产毛 工作 代谢能 热增耗 消化活动与发酵热 维持净能 基础代谢 维持时的活动 总能 甲烷能 养分代谢的热 维持体温 尿能 饲料养分代谢不完全的残余物 内源分解

5、粪能 饲料中未消化的部分 消化道分泌物，粘膜，细菌，酶。 饲料能量在动物体内的转化同样遵从能量守恒定律。 总能 = 粪能 + 尿能 + 甲烷能 + 热增耗 + 净能 1、 总能 饲料中所含有的全部能量称饲料的总能，也就是饲料的燃烧热。 饲料的总能一般由氧弹式测热器测定。 在无法用氧弹式测热器测定时也可用数学模型由饲料的营养物质含量估算。 2、 粪能 粪能指饲料被动物采食后由粪中所排出的能量，它不但包含饲料中未被消化吸收的能量，还包含动物消化道的分泌物，动物消化道脱落的粘膜细胞，动物消化道内的细菌等。 粪能用氧弹式测热器测定。 3、 消化能 饲料总能去掉粪能余下的部分称消化能，即饲料中可被动物消

6、化吸收的能量。 DE = GE - FE 消化能的测定需要进行消化试验，即测定动物食入的饲料量与能值和所排出的粪量与能值，并计算两者之差。 由于用体内法测定饲料的消化率比较繁琐，饲料的种类又比较多，因而很多饲料的消化能值是采用体外法测定或采用数学模型估算出来的。如： 3 消化能 = 总能饲料的能量消化率 能量消化率 = 83.3 - 0.15X - O.151X2 又如： 谷物性饲料: DE = GE(OMD-0.013) 饼类饲料: DE = GE(OMD-0.020) 其它精饲料: DE = GE(OMD-0.015) OMD = 90.1 - 0.88 CF (CF粗纤维) (OMD有机

7、物消化率) 不同饲料的消化能变化很大。 4、 尿能 动物采食饲料后从尿中排出的能量称尿能。对于哺乳动物来说，尿能主要来自于尿素，对于禽类来说，尿能主要来自于尿酸，尿素与尿酸都是饲料蛋白或体蛋白不完全代谢的产物。尿能的测定有两种方法，其一为将尿液干燥后用氧弹式测热器测定，其二为先测定尿中的含氮量，然后根据尿素的含氮量、尿素的能量含量推算出尿能。每克尿素含能量5.5千卡，每克尿酸含能6.7千卡。反刍动物每排出克尿氮相当于7.41千卡能量；猪每排出1克尿氮相当于6.7千卡能量；禽类每排出1克尿氮相当于8.13千卡能量。 5、 甲烷能 反刍动物采食后在瘤胃内发酵产生一定量的甲烷，并随嗳气排出，甲烷中含

8、有能量，此即甲烷能。 每升甲烷含有9.45千卡能量. 甲烷的产生量可在气体代谢试验时收集测定，也可以由有关参数进行估测。 甲烷产生量= 4.012x + 17.68 x-100克可消化碳水化合物 甲烷的能量损失 = DE 0.1276 甲烷的能量损失 = DE 0.0919 (适用于粗饲料) (适用于精饲料) 单胃动物的大肠中虽也有微生物的发酵作用，但产生的甲烷量很少，可以忽略不计。 6、 代谢能 代谢能是消化能可在体内转化的部分。 ME = GE FE UE - 甲烷能 代谢能需通过代谢试验进行测定，即测定饲料的进食量，收集动物的排粪量和排尿量及甲烷的产生量，测定其中的能量含量，然后进行计算

9、。 代谢试验比较复杂，需要耗费很大的人力和物力。 消化能与代谢能之间的关系一般比较稳定，可以采用适当的模型根据消化能推算代谢能。 猪 ME= DE * 23 -(0.048 * CP%)/100 4 禽 ME= 0.0081 EE + 0.0039 CP 0.0042 STA + 0.0038 SUG STA淀粉， SUG糖 反刍动物 青粗饲料： ME = 0.82 DE 谷物饲料: ME = 0.85 DE 饼粕类饲料：ME = 0.79 DE 一般平均每克可消化碳水化合物含代谢能4千卡；每克可消化脂肪含代谢能9千卡；每克可消化蛋白含代谢能4千卡。据此可根据饲料或日粮的可消化养分推算其代谢能

10、的含量。此类模型很多。 7、 体增热 体增热指动物在中立温度区内，食入饲料后额外增加的产热。这部分能量在环境气温较低时可作为维持体温的一部分能量来源，但在环境温度较高时则会成为动物体温调节的负担。 体增热在能量代谢中具有重要意义，如何降低体增热是提高动物能量利用效率的重要方面，特别是反刍动物。 体增热的测定方法为测定动物采食前与采食后的产热之差，主要用测热室进行。 8、 净能 净能指动物可以直接利用的能量，包括维持净能和生产净能。 维持净能指动物不进行任何生产活动，只维持其生命所需要的能量。包括心脏跳动、渗透压和体温的维持、神经的传导等所需的能量，还包括维持生命所需的必要活动所需要的能量，其表

11、示方法有基础代谢，绝食代谢等。维持净能一般通过测热室或其他测热装置测定动物在特定的条件下的产热量获得。 生产净能指除去维持生命所需能量以外的其他净能。主要包括产品能和运动作功所消耗的能量。运动作功的情况主要发生在役畜耕地、拉车等活动的情况下和骑乘竞技动物如赛马的奔跑等情况下，其所消耗的能量主要以热的形式表现出来，因而应采用相应的测热方法进行测定。 产品能即动物生产的产品中的能量。动物生产的产品包括体内产品和体外产品两类，体内产品主要是动物增重时所沉积的蛋白与脂肪和妊娠时沉积于胎儿及其它子宫内容物中的能量。体外产品主要是奶、蛋等。 产品能的测定即测定产品中所含有的能量，体外产品能的测定比较简单，

12、用氧弹式量热仪直接测定产品的燃烧热即可。体内产品能的测定就比较复杂，主要原因是体内产品的数量与种类不容易确定，取样也比较困难，需要进行屠宰试验。 生产净能对不同的生产目的有不同的表示方法，主要有增重净能，产奶净能(NEl)等。 代谢能转化为各种净能的效率也可应用不同的模型由计算得到。如英国ARC所采用的模型为： Km = 0.35 (ME/GE) + 0.503 5 Kl = 0.35 (ME/GE) + 0.420 Kf = 0.78 (ME/GE) + 0.006 代谢能转化为净能的效率比较复杂，主要表现在两个方面，其一是用于不同的生产目的，代谢能转化为净能的效率不同，代谢能转化为维持净能

13、的效率最高，产奶净能次之，增重净能最低。其二是用于相同的生产目的时，饲料总能中的代谢能含量愈高，则转化为净能的效率愈高，亦即饲料的消化率愈高，则代谢能转化为净能的效率愈高。 反刍动物代谢能对不同生产目的利用效率的比较 ME/GE 0.6 0.7 0.750 0.665 0.552 0.4 0.5 用于维持的效率(Km) 用于产奶的效率(Kl) 0.643 0.560 0.318 0.678 0.595 0.396 0.714 0.630 0.474 用于生长和肥育的效率(Kf) 6 第四节 能量平衡与C-N平衡 一、能量平衡 能量平衡的概念 根据热力学第一定律-能量守恒定律，利用各种不同的手段

14、，对动物食入的能量在体内的转化进行定量的分析，找出来源与去向的数量关系，这种试验方法称能量平衡。 能量平衡的测定方法 能量平衡的测定方法是：精确测定动物食入的饲料，排出的粪、尿、甲烷的数量，体外产品与体内产品的数量，分析它们的能量含量，并对动物的产热量进行测定，然后通过各种计算，搞清动物食入能量的所有去向。 1、各种能量之间的相互关系 总能 = 净能 + 粪能 + 尿能 + 甲烷能 + 食后体增热 消化能 = 净能 + 尿能 + 甲烷能 + 食后体增热 消化能 = 总能 粪能 代谢能 = 净能 + 食后体增热 代谢能 = 总能 - 代谢能 = 消化能 - 净能 = 维持净能 + 生产净能 净能

15、 = 总能 - 净能 = 消化能 - 净能 = 代谢能 - 食后体增热 生产净能 = 产品能 + 作功能 2、产热 产热即动物所释放出的热量，需要用专门的测热装置进行测定。 产热 = 体增热 + 维持所消耗的能量 + 运动作功所消耗的能量 总能 = 粪能 + 尿能 + 甲烷能 + 产品能 + 产热 产热 = 总能 - 维持生命所消耗的能量和运动作功所消耗的能量都以热的形式表现出来。 维持所消耗的能量可通过基础代谢或绝食代谢来测定。 食后体增热可通过动物采食前与采食后的产热之差来进行测定。在环境温度较低的情况下，体增热可全部或部分用于体温的维持，可作为有用的能量，即维持需要的一部分；但在较高的环

16、境温度下，体增热则成为无用的能量，并给动物的产热造成额外的负担。 运动作功所消耗的能量 = 产热 - 7 3、产品能 产品能即动物产品中所包含的能量，主要包括两个部分，一部分为体内沉积的能量，如体内沉积的蛋白质、脂肪所包含的能量，胎儿及其它子宫内容物所包含的能量等；另一部分为体外产品所包含的能量，如产出的奶、蛋等所包含的能量。 产品能 = 体外产品能 + 体内产品能 产品能 = 总能 - 体外产品能的测定比较容易，体内产品能的测定很困难，需要进行屠宰试验。 体内产品能 = 总能 - 能量平衡试验的困难在于要测定动物的产热，而测定动物的产热需要专门的测热装置。测热装置结构复杂，造价较高，运行和维

17、护工作也比较繁琐。但一旦有了测热装置，产热量的测定就比较容易，结果也比较准确。 知道了动物的产热量，就能估计动物的产品能。产品能中去掉体外产品中的能量，就是体内沉积的能量。 如果没有测热装置，就要测定动物的产品能，以此来估计动物的产热。测定动物体外的产品能比较容易，但测定动物体内沉积的能量就比较困难了，需要进行屠宰试验，费用较高，结果也不准确。 二、C-N平衡 C-N平衡试验的原理 动物饲养中伴随着体重的变化，但人们只根据动物表观的体重变化是不能知道其变化的内容的，是蛋白、脂肪、还是水？ 动物体内沉积、动用等转化的主要营养物质是蛋白质和脂肪。蛋白质与脂肪主要以含C和N为特征。我们可借助于测定C

18、、N的食入与排出，了解其在体内的沉积和动用的情况，此即C-N平衡试验。 C-N平衡试验的方法 C-N平衡试验的方法为，对动物进行定量饲喂，收集动物的粪、尿，收集呼出的气体与嗳气，测定其中C、N的含量，然后进行计算。 C-N平衡试验的难度在于收集动物呼出的气体与嗳气，需要专门的设备，一般用呼吸测热室进行，但不需测定动物的产热。定量饲喂，收集粪、尿，测定其中的C-N含量虽然复杂，但不需要特殊的仪器设备，只要认真，就能办到。 C-N平衡试验的计算 沉积N = 进食N - 粪N - 尿N- NNH3 沉积蛋白质 = 沉积N 6.25 沉积蛋白质中所含有的C = 沉积蛋白质 0.52 (蛋白质的含碳量平

19、均为52%) 沉积C = 进食C -粪C - 尿C - 甲烷C - CCO2 沉积脂肪 = (沉积碳 - 沉积蛋白质中的C) 1.304 (脂肪的平均含碳量为76.7%) 三、能量平衡试验与C-N平衡试验的关系 8 1、 物质是能量的载体，能量贮存于物质中，物质中含有能量，因而在动物的物质转化中必然伴随着能量的转化。 2、 动物体内的主要含能物质是蛋白质与脂肪，在动物的能量转化中必然伴随着蛋白质与脂肪的转化，蛋白质与脂肪的特点是含C和N，因而必然伴随着C与N的转化。 3、 沉积的能量 = 沉积于脂肪中的能量 + 沉积于蛋白质中的能量 沉积于蛋白质中的能量 = 沉积的蛋白质 5.65 沉积于脂肪

20、中的能量 = 沉积的脂肪 9.45 4、 我们可以将能量平衡试验与C-N平衡试验结合起来进行。具体做法是：定量饲喂动物，收粪，收尿，收集呼出气体与嗳气，测定动物的产热量，测定饲料、粪、尿、呼出气体与嗳气中的能量和C、N含量，分别根据能量代谢试验和C-N平衡试验的结果计算动物的能量沉积和蛋白质与脂肪的沉积，并相互验证比较。 四、能量平衡试验与C-N平衡试验的误差问题 我们目前所进行的大多数能量平衡试验与C-N平衡试验都是不完全的平衡试验，也就是在能量平衡试验中或不进行测热试验或不进行体内沉积能的测定，在C-N平衡试验中或不测定呼出气体和嗳气中的C、N含量或不测定体内沉积的C、N量，而是采用差减法

21、，即通过动物食入能量与消耗的能量之差和食入C-N与排出C-N之差来估计沉积于体内产品中的能量与物质，或通过测定食入能量与排除能量、沉积能量之差和食入C、N与排出、沉积C、N之差来估计动物的产热和呼吸气体与嗳气中的C、N含量。这样，我们实际上是将试验过程中所产生的所有误差集中在了最终的结果内。因而要想保证试验结果的准确性，必须注意试验的每一个环节，尽量减少误差。 要检查误差的大小，就必须进行完全的平衡试验，测定食入能量与C、N的所有去向，计算排出能量与产品中沉积的能量之和是否与食入能量相等，排出的C、N与产品中沉积的C、N之和是否与食入的C、N相等，二者之差就是误差。但测定动物体内沉积的能量与C、N含量非常困难，要做专门的屠宰试验，不但要浪费大量的人力、物力，结果也不尽准确。 9