瘤胃保护性胆碱对奶牛的作用

夏 科,赵宏波,郗伟斌,王志博,王 燕,张永根＊

(1.东北农业大学动物科技学院,黑龙江哈尔滨150030;2.沈阳农业大学畜牧兽医学院,辽宁沈阳110161)

胆碱除具有特殊生理功能外,在奶牛围产期、泌乳初期等生理阶段,胆碱对奶牛脂肪肝、酮病等的预防具有重要意义。而胆碱在瘤胃中降解性过高,常需要采用过瘤胃保护的方式饲喂。在围产期或泌乳初期,奶牛为满足胎儿生长和乳腺组织泌乳的能量需要,往往发生对体内脂的过度动用,最终导致非酯化脂肪酸在肝脏中的积累而发生脂肪肝等代谢疾病。胆碱是卵磷脂、鞘磷脂的组成部分,是形成乙酰胆碱的必备物质,可作为甲基供体。胆碱能够缓减肝脏中的脂肪酸的积累,改善围产期奶牛健康,从而提高生产性能。

1 胆碱概述

胆碱分子式为(CH3)3N+CH2CH2OH,即三甲基乙醇胺,是哺乳动物日粮中重要的成分,为正常细胞功能所必须。胆碱由Strecker于1862年发现,但是直到1998年才被认为是人类必需的营养素。胆碱最先被确认对鼠和狗脂肪肝的预防有非常重要的作用[1]。胆碱是合成两种重要分子——磷脂酰胆碱与乙酰胆碱的关键性化合物。

磷脂酰胆碱是反刍动物体内主要的磷脂,对脂肪的吸收与转运、细胞膜的构成、细胞信号传递和脂蛋白的合成有非常重要作用[2]。胆碱合成的另一种化合物-乙酰胆碱,是一种中心神经及周边神经系统的神经传导素,对神经肌肉节的收缩有非常重要的作用。乙酰胆碱由胆碱与乙酰CoA在神经元中合成。胆碱是合成磷脂与神经传递素的关键性化合物,胆碱支持细胞膜结构的完整性,扮演信号的角色,影响胆碱能神经传递与识别 ,而且胆碱是甜菜碱甲基化途径所需甲基的主要来源。虽然十二指肠胆碱流量只能提供奶牛30%胆碱需要量[3],然而在奶牛营养中,胆碱常被视为非必需营养成分。奶牛所需的胆碱大多数必须由S-腺苷-L-甲硫氨酸提供甲基[2]经磷脂酰胆碱连续甲基化从头合成,这一过程能够产生足够的甲基供体来合成磷脂酰胆碱,但这样的合成途径并不意味着提高日粮供给的和肠道吸收的胆碱能够满足奶牛代谢与健康。

2 胆碱在瘤胃中的代谢特性

瘤胃微生物,特别是瘤胃原虫的存在,使得达到奶牛的小肠的胆碱一般以磷脂酰胆碱的形式存在[4]。高精料日粮会减少原虫的数量,从而限制奶牛胆碱的供给。

Sharma和Erdman(1989a)评估了奶牛的常用饲料原料中含有的胆碱在体外培养时瘤胃降解性。大麦、棉籽粕、鱼粉、大豆粕、硬脂胆碱和氯化胆碱的瘤胃可降解胆碱分别是79.4%,84.7%,82.9%,83.8%,98.0%和98.6%[5]。表明以未保护的形式饲喂的日粮胆碱,比如富含胆碱的饲料原料或氯化胆碱,只能轻微地增加瘤胃后胆碱的流量。Atkins等(1988)做了3组试验来量化瘤胃胆碱的降解程度和十二指肠的流量[6]。在前两个试验中,饲喂不同胆碱浓度的日粮(从0到5 g/kg饲料干物质)对奶牛乳产量或脂肪校正乳产量没有影响,但是补充胆碱有提高脂肪产量和乳脂率的趋势。后一试验中,瘤胃和十二指肠瘘管阉牛补充27 g/d胆碱,测定十二指肠的胆碱流量。在非补充组,阉牛平均干物质采食为13.1 kg/d,从而胆碱摄入量46.7 g/d。而每天瘤胃给27 g的组阉牛的胆碱摄入到达到72.6 g/d。虽然十二指肠流量增加了,但瘤胃补充27 g/d胆碱只增加了十二指肠胆碱流量3 g/d(13.7∶16.6 g/d)。与非补充组动物相比,补充27 g/d胆碱有提高动物胆碱表观降解性的趋势(77.1%∶70.6%)。给泌乳奶牛0、10和20 g/d的补充胆碱,总胆碱摄入量从23.5 g/d增加到177 g/d、326 g/d,但十二指肠流量只从1.2 g/d增加到1.3 g/d、2.5 g/d[7]。

由于胆碱在瘤胃中的大量降解,十二指肠胆碱流量仅能满足分泌至乳中的胆碱需要量,而远不能满足成年泌乳奶牛胆碱的总需要。奶中的胆碱浓度实质上是变化的,泌乳量中等的奶牛,不补充胆碱时其乳中胆碱量为72～86 mg/kg[8]。在另一个围产期的奶牛试验中,不补充胆碱的奶牛,其平均乳中胆碱浓度达到了99.7 mg/kg[9]。虽然NRC(2001)对于奶牛的胆碱需要量没有确定,但是,Erdman(1992)指出,十二指肠的胆碱流量比奶牛的需要量少了30%[3]。对于现代的高产奶牛,除非存在体内的重新合成,否则奶牛将长期处在胆碱缺乏中。虽然在现代奶牛未必存在胆碱缺乏,但是考虑到胆碱在磷脂合成及脂肪转运中的作用,补充胆碱可能对奶牛的代谢及健康有利。Sharma和 Erdman等(1988)已经建议,当奶牛的甲基供体不足时,对胆碱的需要就有所提高,而这不能通过补充蛋氨酸来满足[10]。Sharma和Erdman等(1989)通过一系列的瘤胃瘘管试验阐明皱胃灌注不同数量的胆碱提高了泌乳量及乳脂量,而日粮补充胆碱对生产没有效果[5]。因此,由于无论是存在于日粮中胆碱还是向日粮中添加的胆碱,其在瘤胃中大量地被降解,所以必须对胆碱进行保护使其逃过瘤胃降解而发挥对奶牛的价值。

3 瘤胃保护性胆碱对围产期奶牛的作用

3.1 RPC对采食的作用

在分娩前对围产期奶牛补充瘤胃保护性胆碱(rumen-protected choline,RPC)对围产前期的采食量(dry matter intake,DMI)没有影响,但是分娩后补充胆碱,有提高围产后期DMI的趋势[11]。补充RPC对饲料DMI的作用有不同的结论,有些研究中报道没有效果[3,12～14],但是有些研究中观察到提高了DMI[15,16]。胆碱如何影响DMI的机理还不清楚,但是有理由推测胆碱对提高产犊后奶牛健康有间接作用。补充RPC的不同效果可能与所用产品的质量及不同产品针对瘤胃降解的保护方法不同而导致其瘤胃保护程度不同有关[17]。然而,如果胆碱对酮病及脂肪肝的风险有直接影响,那么可以预测,补充胆碱的奶牛的食欲会有所提高。

3.2 补充RPC对产奶量及乳成分的作用

Baldi和Pinotti(2006)研究表明提高肠道胆碱供给量常常能提高泌乳奶牛近7%的产奶量,而且产奶量的提高似乎与提供的RPC的剂量(从6～60 g/d)有关[18]。

Efdman和Sharma(1991)设计了两个试验来评价泌乳以后5周里不同RPC水平的效果及RPC与日粮CP水平相互作用[19]。在试验1中,当补充饲喂RPC,产奶量有上升的趋势,氯化胆碱的摄入量从17～50 g/d。在试验 2中,补充 0～55 g/d RPC提高氯化胆碱的摄入量,结果不受日粮蛋白水平的影响,产奶量呈线性增加。通常饲喂RPC对产奶量及3%的乳脂校正乳产量没有影响[12,20,21]或是提高了[11,13,14,19,22]。在Zahra等(2006)试验中,对于产前体况>4.00的奶牛,补充RPC能提高产奶量[14];然而在Lima等(2007)的试验中,不管分娩时奶牛的体况如何,补充RPC对3.5%脂肪较正乳和能量较正乳都有所提高[11]。因胆碱被用于合成磷脂,表明补充胆碱有利于脂肪吸收和转运,因此有利于乳脂合成[23];然而对血液脂肪相关更多的细节的研究表明补充RPC没有改变泌乳奶牛不同血浆脂肪组份的浓度[21]。在泌乳早期,通过乳腺分泌的脂肪酸大部分由血浆中非酯化脂肪酸(nonesterified fatty acids,NEFA)提供,如果体重损失在产后加深,这种程度将会提高。因为RPC可能根据血浆NEFA的浓度而减少脂肪动员[24,25],有可能胆碱对肠道脂肪吸收、肝脏甘油三酯分泌和进一步转运至乳腺的潜在作用NEFA被乳腺细胞摄取的可能性降低而蒙蔽。

RPC的作用可能也因蛋氨酸等甲基供体或其它一些与甲基化相关的辅助因子如叶酸和VB的使用而所有不同。当灌注蛋氨酸时,阻止泌乳奶牛从蛋氨酸途径的内源性胆碱合成,会减少乳及脂肪校正乳的产量,而当补充胆碱时不会降低乳及脂肪校正乳的产量。此结果证明了蛋氨酸是泌乳奶牛一种重要的甲基供体。然而,经产奶牛饲喂蛋氨酸不足的日粮时,当补充RPC时提高了产奶量,而补充瘤胃保护性蛋氨酸或是甜菜碱时却没有效果[22]。RPC对初产奶牛没有相同的作用,可能是因为产奶量较低,约只有27.5 kg/d。这些试验数据表明,补充胆碱对泌乳性能的提高可能是节省了甲基供体的结果,也可能是胆碱对泌乳的直接作用。补充胆碱而提高的乳及乳成分的产量很可能是因为提高了产后健康状况的结果。脂肪代谢失调严重的奶牛[14]、以及生产潜能大的奶牛[22]可能对补充RPC的响应效果更好,虽然RPC的作用已经被证明与奶牛的生产潜力无关[26]。

Pires和Grummer(2008)总结了16个用 RPC饲喂奶牛的试验对照。在这些试验中,产奶量范围为22～44 kg/d,大多数补充RPC 15 g胆碱。在16个试验中的6个,产奶量得到了显著提高,没有产奶量因奶牛补充胆碱来下降的。这些试验中对 RPC有积极响应的更多的是产奶量30～35 kg/d的奶牛[26]。

3.3 补充RPC对产后健康的作用

泌乳的适应性调整对奶牛健康与生产力至关重要。围产期奶牛脂肪代谢在此调整过程中扮演重要角色。为维持泌乳和乳脂合成,泌乳早期奶牛对脂肪组织的的过度动员将导致临床及亚临床酮病的发生,这两者都将影响到奶牛的繁殖性能。

最近,Lima等(2007)[11]设计了两个试验来评价围产期补充RPC对健康失调的发生率、泌乳和繁殖性能的影响效果。试验1中,362头奶牛从妊娠的253 d进入试验,试验日粮饲喂到泌乳的80 d。日粮完全一致,但是处理组奶牛以每天补充15 g的剂量RPC。试验2中,573头初孕奶牛从妊娠的256 d进出试验处理,只在围产前期使用试验日粮。日粮完全一致,以每天15 g胆碱的剂量给补充RPC。试验1中,在产前、产后饲喂RPC减少了临床、亚临床酮病的发生率及酮尿奶牛的比例。整个围产期采食RPC的奶牛有较少的乳房炎,而胎衣不下、子宫疾病、皱胃移位的发生率没有改变。补充RPC的奶牛酮病和乳房疾病得到控制,试验1中补充RPC组奶牛的整体发病率减少。在试验2中,只在围产前期补充RPC的初产奶牛中,酮病和其它产后疾病的发生率在各处理组中相同。

奶牛的繁殖性能通常不受饲喂胆碱的影响。在Lima等(2007)的试验1中,饲喂RPC对发情奶牛比例、第一次授精怀孕奶牛比例及妊娠维持没有影响。这些数据表明,饲喂RPC可提高分娩后奶牛健康并减轻奶牛发生酮病的危险,但是这些对健康的好处没有反映到繁殖性能的提高上。而且,当初奶牛只是产前饲喂时,RPC没有提高产后健康及繁殖性能。

3.4 补充RPC对脂肪肝的缓解作用

胆碱被用来合成磷脂酰胆碱-细胞维持与复制必需的一种主要磷酯。磷脂酰胆碱亦可由如蛋氨酸等甲基供体以磷脂酰乙醇胺转甲基的形式合成[27]。在单胃动物,胆碱缺乏常表现出脂肪肝[1]。胆碱能够作为甲基供体在氨基酸供应不足的时候代替蛋氨酸。因为胆碱是磷脂磷脂酰胆碱的构成成分,可转化为肝脏脂肪代谢一种重要的成分。磷脂酰胆碱是合成低密度脂肪酸(VLDL)所需要的,VLDL是从肝细胞中转运出甘油三酯的脂蛋白。

在泌乳早期,奶牛过度体脂动用来维持乳及乳脂的合成。因为肝细胞摄取脂肪酸超过线粒体或过氧化合物酶的氧化和以VLDL转出的速度,肝脏将处于积累脂肪酸的风险之下。肝脏中脂肪的过度积累与血液中生化指标的变化有关,并降低生产性能。因为胆碱能影响VLDL的合成,补充胆碱可能使发生脂肪肝的风险降低。

Cooke等(2007)[28]做了两个试验来确定 RPC对奶牛肝脏中甘油三酯的积累与释放的影响。试验1中,24头产前45～60 d奶牛进行限制饲喂,补充0或15 g/d RPC。试验2中,28头产前45～60 d奶牛进行限制饲喂,每天补充0或15 g/d RPC。试验1中,饲喂RPC的奶牛在限饲或能量负平衡期间肝脏组织甘油三酯浓度下降。在试验2中,饲喂RPC的奶牛在限制饲喂停止后进行自由采食,肝脏积累的甘油三酯释放较多。Cooke(2007)[28]的研究数据表明,RPC能够预防并有可能减缓脂肪肝,因为至少在由限制采食诱导的的情况下,补充RPC使得从肝脏释放甘油三酯速度提高。

对于围产期奶牛,饲喂RPC没有减少肝脏的脂肪渗透[13,14],虽然它增加了肝糖原的含量。Piepenbrink和Overton(2003)研究发现的结果表明,围产期奶牛饲喂RPC提高了肝脏VLDL的分泌率,Cooke等(2007)的体外试验加强了这种结论[13,25]。

对脂肪组织的平均脂肪浓度的解释存在一个问题,即在产后的泌乳早期或过度饲喂精料的奶牛其肝脏中的甘油三酯浓度常常是变化的,从而掩盖了试验效果。因此,肝脏甘油三酯浓度的不确定性要求每个处理有很多的奶牛被采样才有机会检测到不同处理之间的不同。

Lima等(2007)给产前25 d至产后80 d的奶牛饲喂RPC,在产后的7～10 d收集肝脏组织分析其化学成分。饲喂15 g RPC对肝脏的干物质重和肝糖原浓度没有影响,但是有降低脂肪组织中甘油三酯浓度、降低脂肪肝的趋势[11]。

4 总结

虽然不认为胆碱是奶牛日粮中的必需营养物质,但是十二指肠灌注试验表明向小肠提供胆碱增加可吸收胆碱能够提高产奶量及奶中脂肪的含量。高产奶牛每天向奶中分泌3～5 g/d的胆碱,因此小肠所提供的量通常是不够的。在已经发表的文献中,有当饲喂瘤胃保护性形式的胆碱时,与对照组相比提高了38%的产奶量。补充RPC产奶量平均提高了6%,约1.5 kg/d。饲喂RPC已经证明能够降低围产期奶牛以及处在限制饲喂中的奶牛血浆中非酯化脂肪酸的浓度。在一些研究中,血浆非酯脂肪酸浓度的降低加上提高了肝脏中甘油三酯的输出,结果降低了肝脏中脂肪浓度,增加了健康。大量的现场研究表明在分娩前后饲喂RPC降低了临床和亚临床酮病的风险,减少整体死亡率,但是对繁殖性能没有直接影响。

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