奶畜能量代谢调控机理与措施

■姚军虎 曹阳春 蔡传江

（西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌 712100）

本课题组以奶畜（奶牛、奶山羊）为研究对象，以提高日粮能量总体利用效率为核心，通过饲养试验、多瘘管代谢试验、屠宰试验、人工瘤胃发酵系统、细胞培养等技术手段，围绕瘤胃能量代谢调控和代谢葡萄糖的营养调控开展系统研究，最终建立奶畜能量高效利用营养调控体系，旨在为奶畜高效生产提供理论依据和技术支撑。

瘤胃能量代谢调控以瘤胃健康为基础、以瘤胃高效发酵的营养调控为目标，通过下列研究最终建立了日粮碳水化合物平衡指数（CBI）体系：①日粮物理有效中性洗剂纤维（peNDF）含量及碳水化合物组成对瘤胃健康与发酵效率的影响；②日粮瘤胃降解淀粉（RDS）含量对瘤胃健康与生产性能的影响；③瘤胃甲烷减排机理与技术；④CBI体系的构建。

代谢葡萄糖（MG）的营养调控以MG的高效供应为调控目标，本课题组主要完成了下列研究：①过瘤胃淀粉（RES）对小肠酶活和消化吸收的影响；②功能性氨基酸对胰腺外分泌功能及小肠消化代谢的影响；③围产期奶牛肝脏能量代谢调控。

本课题组的研究表明，保持饲粮peNDF与RDS的平衡（即，合理的CBI），可维持瘤胃健康与高效发酵，并通过营养调控措施提高RES在小肠中消化吸收率和在肝脏中MG的合成效率，是改善奶畜饲料能量效率和生产效率的重要技术思路（见图1）。

图1 奶畜能量高效利用综合调控技术

1 瘤胃能量代谢调控

1.1 日粮物理有效中性纤维含量及碳水化合物组成对瘤胃健康与发酵效率的影响

物理有效中性纤维是指影响咀嚼活动和瘤胃内容物两相分层的那部分纤维，可有效维持瘤胃内环境（尤其是pH）的稳定。提高日粮peNDF含量可刺激牛羊咀嚼，增加唾液分泌量、瘤胃乳头活力、瘤胃壁厚度、瘤胃收缩力和运动能力，进而维持正常的瘤胃内环境，促进瘤胃壁对VFA和乳酸的吸收，减少有机酸的积累，有利于瘤胃健康和高效发酵。

赵向辉（2009、2010）的研究表明，饲粮peNDF8.0含量与奶山羊的反刍时间、咀嚼时间以及瘤胃pH间具有较强的相关关系，而NDF或peNDF1.18与瘤胃pH间的关系较弱。因此，通常以peNDF8.0表示peNDF；当粗饲料为标准切碎长度的优质粗饲料时，peNDF=FNDF，其中FNDF表示粗饲料来源的NDF。

杜莎（2008）的统计分析表明，咀嚼时间随饲粮peNDF含量的增加而增加，且peNDF对肉牛咀嚼时间的影响更大：

泌乳牛(min/d)=87.5peNDF（kg/d）+15.3DMI（kg/d）（n=23，R2=0.499，P＜0.001）；

肥育牛(min/d)=158.6peNDF(kg/d)+16.1DMI（kg/d）（n=23，R2=0.738，P＜0.001）。

赵向辉（2009、2010）以苜蓿干草为奶山羊的唯一粗饲料，通过改变苜蓿干草的切断长度使日粮peNDF8.0分别为2.15%、5.77%、9.58%和13.09%，结果表明，随着peNDF8.0水平的增加，peNDF8.0的采食量、反刍和咀嚼时间、瘤胃液平均pH显著增加，单位peNDF8.0的采食时间、瘤胃液pH低于5.8的持续时间、瘤胃乙酸浓度显著降低，并趋于降低DM、OM和NFC的采食量以及瘤胃液总VFA和丁酸浓度。张涛（2010）的研究表明，提高日粮peNDF水平降低了养分摄入量和全消化道表观消化率，日粮peNDF水平对养分瘤胃消化率的影响可能是瘤胃pH和微生物接触面积共同作用的结果。高洋（2011）和Cao等（2013）以初花期或盛花期黑麦草为奶山羊唯一粗饲料，结果表明，随着黑麦草粒度的增加，饲粮peNDF8.0含量显著增加；增加黑麦草粒度和NDF中木质素含量，显著提高瘤胃平均pH、采食后16 h的微晶纤维素酶和采食后4 h的水杨苷酶的活性，降低pH低于6.0的持续时间，显著降低瘤胃VFA产量。李飞（2014）在严格控制采食量和主要养分含量的前提下，通过控制苜蓿干草的长度，使奶山羊日粮peNDF8.0含量分别为20.5%和8.4%，结果表明，降低日粮peNDF含量显著提高能量效率、瘤胃pH低于5.60的持续时间、瘤胃VFA浓度、瘤胃F.succinogenes和R.flavefaciens相对丰度、乳中iso C17∶0和trans-10 C18∶1浓度，减少咀嚼时间，不影响各VFA的摩尔比例，降低乳中iso C14∶0，iso C15∶0及trans-11 C18∶1浓度。

曹阳春等（未发表）在某大型现代化奶牛场设置TMR车搅拌时间分别为10、18和60 min，结果表明，泌乳高峰期奶牛TMR日粮peNDF8.0含量分别为11.25%、10.56%和9.02%(P＜0.001)，反刍时间为392.1、382.3和321.6 min/d（P=0.118），瘤胃平均pH为6.04、5.75和5.66(P＜0.001)，瘤胃液中氨态氮浓度分别为13.83、12.88和9.55 mg/dl(P＜0.001)，但未观察到日粮peNDF8.0含量对奶牛泌乳性能和乳成分的影响。

瘤胃健康是维持高效发酵的前提，不同碳水化合物的瘤胃发酵特性不同，对瘤胃内环境的影响各异。当日粮快速发酵碳水化合物含量过高时，瘤胃有机酸（VFA和乳酸等）的产生速度超过瘤胃缓冲能力和吸收能力，造成酸的积累，诱发亚急性瘤胃酸中毒（SARA）和急性瘤胃酸中毒。一般而言，在连续监测的24 h内，当瘤胃pH＜5.6的持续时间超过3 h时，认为发生了SARA。SARA主要是瘤胃VFA累积所致，乳酸含量基本不变或略有增加；而急性酸中毒则是瘤胃乳酸在短时间内的大量积累，属于乳酸中毒。伴随SARA的发生瘤胃内毒素含量增加，影响瘤胃和机体健康，降低日粮纤维的利用率，并引发多种疾病，降低动物生产性能。赵向辉（2012）研究表明，增加苜蓿干草的切割长度可改善奶山羊瘤胃pH，缓解SARA的发生，提高纤维的有效利用率，但是，苜蓿干草的长度过长会降低采食量。李飞（2014）在奶山羊日粮饲草NDF(32.5%)、粗蛋白质(15.1%)和淀粉(29.0%)含量相同的情况下，用35%小麦替代等量玉米，瘤胃丙酸产量和淀粉分解菌数量显著增加，纤维分解菌数量显著减少，瘤胃液中乙丙比降低，每天瘤胃液pH低于5.6的持续时间由1.13 h增至4.72 h，表明已发生SARA，显著降低了苜蓿干草和青贮玉米DM和NDF的瘤胃有效降解度、豆粕和膨化大豆12 hDM及CP消失率。

杜莎（未发表）评估了不同饲料原料的瘤胃产酸力（AV），结果发现瘤胃可降解NFC（RDNFC）是饲料酸产生力的主要来源，AV=0.96+0.15 RDNFC（R2=0.58，P＜0.01）。NFC在瘤胃中降解产生的乳酸又是瘤胃pH下降的重要原因。乙酸、丙酸及丁酸等VFA的酸解离常数平均为4.8，乳酸是3.9，因此，乳酸的酸性比VFA高近10倍，瘤胃中乳酸浓度增加可显著降低瘤胃pH。赵向辉（2011、2012和2013）表明，NFC的组成影响瘤胃乳酸产量和pH，淀粉和蔗糖处理组体外发酵液pH低于果胶和菊粉组；日粮瘤胃可降解蛋白质（RDP）含量充足时，蔗糖和果胶在瘤胃中发酵较快，更易与RDP在速度上保持同步，在微生物合成方面比淀粉更具有优势；果聚糖、果胶质、半乳聚糖和β-葡聚糖合称为中性洗涤可溶性纤维（NDSF），常规饲料中的NDSF主要为果胶质，其中甜菜渣和果渣中果胶质含量较高，在保证瘤胃纤维降解率不受影响的前提下，用NDSF替代部分淀粉可促进瘤胃微生物蛋白合成和小肠蛋白质流量。

1.2 日粮RDS含量对瘤胃健康与生产性能的影响

日粮淀粉包括RDS和RES，通过改变日粮配方、饲料原料、加工、饲喂方法等可调控淀粉的降解部位，继而改变日粮淀粉中RDS与RES的比例。调控淀粉降解部位是提高能量利用效率的主要途径。徐明（2007）分析认为，当淀粉在小肠的消化率低于70%时，应通过谷物的适度加工提高淀粉在瘤胃和小肠降解率，从而增加能量利用效率；但应当避免过度加工使过多的淀粉在瘤胃降解，降低能量利用效率，且危害瘤胃健康。

日粮RDS对反刍动物消化生理及生产性能等的影响取决于日粮peNDF和RDP含量、动物种类、生产水平和年龄。徐明（2004）研究表明，对日粮中粗饲料较多而精料饲喂量较低的中低产奶牛，蒸煮1/3玉米粉或开水浸泡2/3玉米粉（以增加RDS比例）可显著提高产奶量。郝艳霜（2005）研究表明，在饲料组成完全相同的情况下，玉米粒度（整粒、粗粉及细粉玉米，RDS比例由低到高）对泌乳中期莎能奶山羊DMI、乳产量及乳成分含量、饲料利用效率、主要养分的表观消化率和血液指标均无显著影响（P＞0.05），但饲喂整粒玉米趋于降低淀粉消化率（P=0.08）。

董滢（2006）将24只7月龄奶山羊（平均体重为17.53 kg）随机等分为3组，饲喂含细粉（平均粒度0.76 mm）、粗粉（2.57 mm）及整粒玉米的全混日粮(三组日粮配方一致，且日粮中玉米含量均为28.35%)，结果表明，与细粉或整粒玉米相比，粗粉玉米组可提高胰腺α-淀粉酶活性；玉米粒度不影响青年奶山羊胃肠道发育，但整粒玉米组趋于提高青年奶山羊生产性能。王艳红（2007）给9月龄的奶山羊饲喂日粮DM中淀粉含量分别为27.62%、35.20%、45.61%，而相应NDF含量依次为41.54%、34.90%、26.48%的三种日粮，结果表明淀粉的瘤胃和小肠消失量随日粮淀粉水平的提高而提高；胰腺和小肠食糜α-淀粉酶总活性随日粮淀粉水平的提高而降低；淀粉水平对小肠不同部位α-淀粉酶活性影响不一致；高淀粉日粮降低瘤胃乳头高度、乳头表面积以及瘤胃pH；淀粉水平不影响小肠形态及小肠食糜pH；日增重及饲料效率随日粮淀粉水平的提高而提高。

1.3 瘤胃甲烷减排机理与技术

延胡索酸是三羧酸循环的中间产物，可与瘤胃内的氢结合生成丙酸，减少甲烷菌可利用氢的量。日粮CBI综合反映碳水化合物的组成及其在瘤胃内降解特性，低CBI日粮比高CBI日粮产丙酸多，这与延胡索酸抑制甲烷产生的机理相同。刘南南（2014）分析认为延胡索酸与日粮CBI可能在甲烷产生上存在交互作用，并研究证明奶山羊日粮中添加延胡索酸（24 g/d）可增加瘤胃丙酸产量和降低甲烷菌数量，减少甲烷排放；高CBI日粮中添加延胡索酸降低甲烷效果更明显。

韩金涛（2014）和李宗军（2014）给5头安装永久性瘤胃瘘管的奶山羊饲喂全混合饲粮20 d（对照期），添加莫能菌素（32 mg/kg DM，55 d）（试验期1），然后饲喂不添加莫能菌素的对照日粮35 d（试验期2），结果表明，添加莫能菌素5 d时 CH4排放量（L/d，L/kg DMI）显著降低，之后略有增加（P＞0.05），25 d后CH4排放量恢复至对照期的水平（P＞0.05）；添加莫能菌素降低乙酸（P＜0.05）、增加丙酸摩尔浓度（P＜0.01），上述结果说明莫能菌素抑制甲烷具有时间效应和剂量效应，脉冲式添加莫能菌素效果会更显著。

李朝云（2013，2014）的体外发酵试验表明，饲粮中添加壳聚糖可减少甲烷的产生，改变瘤胃发酵模式；添加纤维素酶提高瘤胃中粗饲料的消化，促进瘤胃发酵；壳聚糖与纤维素酶配合使用，在不降低干物质消化率的前提下，减少甲烷的产生，更有益于瘤胃的发酵，提高能量的利用率。

1.4 日粮碳水化合物平衡指数的构建

NFC和peNDF是影响瘤胃pH的关键日粮因素。牛羊日粮NFC的主要成分是淀粉，其中RDS是瘤胃VFA的主要来源，RDS和peNDF含量可分别反映谷物类饲料和粗饲料对瘤胃pH的影响，且二者对瘤胃pH的作用效果相反。为确定RDS和peNDF之间的平衡关系，本课题组（徐明，2007）提出反刍动物碳水化合物平衡指数（CBI8.0=peNDF8.0/RDS，或CBI1.18=peNDF1.18/RDS，或 CBIf=FNDF/RDS），我们建议使用CBI8.0。

徐明（2007）以瘤胃pH和生产性能为判定指标，通过回归分析得到泌乳牛日粮适宜的CBIf为1.0±0.1；并通过改变奶山羊日粮中玉米含量、粗饲料含量和玉米粒度，发现瘤胃乳头高度和表面积随CBIf的提高均呈二次曲线变化（P＜0.05），CBIf约为 1.1时瘤胃乳头高度和表面积达到最大值。

本课题组通过调整日粮中玉米含量、改变玉米粉碎粒度、热水浸泡或水煮日粮中部分玉米、更换粗饲料或谷物种类、改变粗饲料切断长度、控制TMR混合时间、使用不同生长期的牧草等方法调节山羊或奶牛饲粮CBI，开展系列试验研究CBI对反刍动物采食行为、瘤胃和消化道发育、胰腺酶活性和养分降解率的影响。杜莎（2008）对4种CBIf（0.42、0.83、1.42、2.48）饲粮的比较研究表明，综合考虑瘤胃液酶活性和胰腺消化酶分泌量，以及瘤胃NDF、淀粉和CP的有效降解率，山羊日粮的CBIf以0.83为宜。李飞（2014）在奶山羊日粮peNDF8.0（21.2%）和其他养分含量相同的情况下，用小麦替代玉米使日粮CBI8.0值分别为1.19、0.95和0.81，瘤胃pH低于5.6的持续时间依次1.20、1.43和3.05 h（P=0.004），瘤胃总VFA浓度不受影响，但乙酸浓度(mol/100 mol)依次为65.3、65.2和62.7（P=0.048），乳酸浓度（mmol）为1.22、1.53和3.55（P=0.031），苜蓿干草DM在瘤胃中24 h降解率为52.2%、52.0%和49.1%（P=0.08），同时由于瘤胃微生物区系的改变导致瘤胃液中奇数碳和支链脂肪酸含量增加。

peNDF含量和CBI是奶牛日粮的重要营养指标，对维持瘤胃内环境稳定、提高产奶量和产奶效率具有重要意义。李飞（2014）通过Meta分析表明，保证奶牛瘤胃健康及较高DMI的日粮peNDF8.0和CBI8.0分别为12.83%～18.80%和0.70～0.80；保证较高泌乳效率(≥1.5)、乳脂率(≥3.5%)及正常瘤胃发酵模式(乙酸丙酸比≥2.2～3∶1)的 CBIf范围为 0.93～1.30，使瘤胃 pH≥6.16的CBIf应大于1.28。

2 代谢葡萄糖的营养调控

饲料经反刍动物消化吸收后为代谢提供可利用葡萄糖的总量称为代谢葡萄糖（MG），包括异生糖（内源）和小肠吸收葡萄糖（外源）。内源葡萄糖由生糖物质（主要是丙酸）在肝脏内生成。外源葡萄糖由淀粉在小肠中降解生成的葡萄糖提供，调节RES数量及其降解特性和小肠吸收能力等均可调控外源葡萄糖供应量。乳产量低于25 kg/d的奶牛，一般日粮可提供足量MG，乳产量高于30 kg/d时需适量补加小肠可吸收葡萄糖，且乳产量越高需补加的量越大(徐明，2007)。围产期奶牛常处于能量负平衡（NEB）状态，威胁奶牛健康和高效生产。葡萄糖是奶牛的重要能量来源，参与机体能量和蛋白质代谢过程，也是乳腺合成乳糖的重要前体物，保证MG的精准供应，已成为降低围产期NEB和氧化应激的新思路(孙菲菲等，2013)。

2.1 过瘤胃淀粉对小肠酶活和消化吸收的影响

RES在胰腺α-淀粉酶的作用下生成葡萄糖，是反刍动物外源葡萄糖的最主要来源。淀粉在小肠的供能效率比瘤胃高42%，但过多的RES供应会降低淀粉的小肠消化率，造成能量损失。胰腺α-淀粉酶分泌不足是限制RES小肠消化率的最关键因素。

徐明（2007）的屠宰试验表明，保证日粮粗蛋白质含量一致，中等淀粉日粮（35%）比低淀粉（27%）和高淀粉（45%）日粮提高了山羊胰腺组织和小肠食糜α-淀粉酶总活性（P＜0.05）；粗粉玉米比细粉玉米或整粒玉米提高了胰腺组织和小肠食糜α-淀粉酶总活性（P＜0.05）；胰腺α-淀粉酶总分泌活性（IU/d）随RES数量的提高呈二次曲线变化(P＜0.05)，RES为 102 g/d时胰腺α-淀粉酶总分泌量达到最大。王艳红（2007）发现，随日粮淀粉含量增加，山羊空肠绒毛高度呈先增加后下降的变化趋势，淀粉含量为35%时，回肠绒毛高度达到最大值，表明适当提高日粮淀粉水平可增强小肠吸收功能。徐明（2007）综合国内外已有试验证据，提出了日粮淀粉影响胰腺α-淀粉酶表达和分泌的途径和规律（见图2）。

图2 日粮淀粉对反刍动物胰腺α-淀粉酶表达和分泌的影响途径

2.2 功能性氨基酸对胰腺外分泌功能及小肠消化代谢的影响

研究表明，增加十二指肠蛋白质流量可改善反刍动物胰腺α-淀粉酶分泌和小肠淀粉消化。于志鹏（2013）在综合分析前人和本课题组的研究结果的基础上提出假设：蛋白质通过①肠腔AA-CCK-mRNA/mTOR和②血液AA-mRNA/mTOR或血液AA-insu⁃linmRNA/mTOR两条途径调控胰腺发育和消化酶合成（见图3），且苯丙氨酸（Phe)和亮氨酸(Leu)分别是调控两条途径的最有效氨基酸。

图3 蛋白质（氨基酸）对胰腺发育和胰酶表达的调控途径

于红霞（2011）研究十二指肠灌注Leu（0、3、6、9 g/d）对周岁关中奶山羊胰腺外分泌功能、血液葡萄糖及胰岛素浓度、消化道养分表观消化率的影响，结果表明，随Leu灌注水平升高，胰腺α-淀粉酶的分泌呈先升高后降低再回升的变化规律，且Leu对胰腺α-淀粉酶分泌的影响不依赖于胰岛素。

于志鹏（2013和2014）通过十二指肠灌注试验，研究十二指肠Phe和Leu对山羊胰腺发育、血液激素水平、胰腺消化酶转录、翻译和分泌过程的影响，结果表明，十二指肠灌注Leu和Phe可有效调控胰腺外分泌功能和小肠食糜酶活，且这种调控作用主要发生在转录和翻译层次。

刘烨（2013）和刘凯等（2015）对周岁荷斯坦母牛[(215±7)kg]进行十二指肠Leu灌注试验（0、10、20和30 g/d），每期灌注12 h，连续采样36 h，结果表明，十二指肠灌注Leu作为营养信号以时间和剂量依赖性刺激胰腺α-淀粉酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶和脂肪酶的分泌。

刘凯等（2015）通过体外胰腺组织培养研究Leu（0、2.62、5.24和10.48 mg/l）对消化酶活性和mTOR信号通路的影响。结果表明，胰腺组织培养液中添加Leu可通过调控mTOR信号通路而显著提高消化酶的合成。

2.3 围产期奶牛肝脏能量代谢调控

围产期奶牛常处于NEB状态，此时奶牛通过体脂动员来缓解NEB，脂肪组织释放大量非酯化脂肪酸（NEFA），NEFA进入肝脏进行代谢，部分氧化形成酮体，能量效率较低，极易引发奶牛酮病；部分再酯化形成甘油三酯（TG）在肝脏沉积，诱发脂肪肝，降低肝脏功能，造成糖异生障碍，导致机体葡萄糖不足，进一步加剧NEB（见图4）。此外，此阶段奶牛还遭受分娩、泌乳、日粮转换等应激和乳房炎、真胃移位、氧化应激损伤等代谢性疾病，严重威胁奶牛健康和产后泌乳性能。

孙菲菲（未发表）和李生祥（2014）等系统研究了过瘤胃胆碱（RPC）和过瘤胃蛋氨酸（RPM）对围产期奶牛营养代谢和健康的影响。试验分为4个组，每组12头围产期经产奶牛，分别为对照组、添加胆碱组（RPC 15 g/d）、蛋氨酸组（RPM 15 g/d）和混合添加组（15 g/d RPC+15g/d RPM），试验期42 d（即产前和产后各3周）。研究发现：①RPC和RPM均可降低血浆NEFA和β-羟基丁酸（BHBA）浓度，升高血糖水平，并提高奶牛产后DMI，缓解围产期NEB。②RPC和RPM均增加血液载脂蛋白100和极低密度脂蛋白浓度，说明二者可促进脂质转运出肝脏，减少肝脂沉积，从而降低奶牛围产期脂肪肝的发生风险。③二者均提高外周血淋巴细胞亚群（CD4+/CD8+）比例，提高机体免疫机能，增进健康。④RPC和RPM可改善奶牛产后泌乳性能。

图4 围产期奶牛肝脏NEFA的代谢途径