生物素的营养功能及其在奶牛饲养中的应用

■余 超 魏筱诗 孙菲菲 刘宝龙 何家俊 姚军虎

（西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌 712100）

生物素是水溶性维生素，又称Vitamin B7或Vitamin H。奶牛可通过饲料和体内微生物合成两条途径获取生物素，明显的生物素缺乏症状表现不多。Abel等[1]体外试验发现，日粮精料比例增多，瘤胃微生物生物素合成量减少。随着规模化奶牛养殖发展，奶牛生产水平提高，尤其是泌乳期，奶牛采食高精料日粮以满足营养需要，而瘤胃酸性环境会影响微生物合成生物素。研究表明，奶牛补充生物素可改善蹄质健康和完整性[2-3]，提高产奶量[3-5]、乳蛋白产量[4-5]、乳糖产量[5-6]及干物质采食量（DMI）[5]，表明饲料及瘤胃微生物合成的生物素不能完全满足奶牛营养需要，奶牛饲养过程有必要额外补充生物素。

1 生物素的结构及营养功能

生物素有8种可能的异构体，仅d-生物素具有生物活性。化学结构（见图1）中侧链戊酸的羧基可与酶蛋白分子中的赖氨酸残基上的ε-氨基通过酰胺键结合，形成生物胞素（ε-N-生物素酰-L-赖氨酸），它可将活化的羧基转移给酶的相应底物，从而发挥辅酶的作用。动物体内丙酮酸羧化酶（PC）、乙酰辅酶A羧化酶（ACC）、丙酰辅酶A羧化酶（PCC）、甲基丁烯酰辅酶A羧化酶（MCC）都需要生物素作为辅酶来完成固碳反应和羧化过程。

对反刍动物而言，生物素营养功能可从其对碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸等代谢的作用来阐述：①生物素可通过影响丙酮酸羧化酶的活性，进而影响糖异生，促进体内葡萄糖合成。生物素可通过提高葡萄糖激酶活性来降低血糖水平，促进糖原合成。②作为乙酰辅酶A羧化酶的辅酶，生物素在脂肪酸合成起始反应中，可促进乙酰辅酶A合成丙二酰辅酶A，再经过细胞质多酶复合体及脂肪酸合成酶，由丙二酰辅酶A合成棕榈酸。同时，丙二酰辅酶A可生成丙二酰-ACP，它可作为二碳单位供给体参与脂肪酸碳链的延长反应。因此，生物素在脂肪酸合成及其碳链延长反应中都至关重要。生物素还影响反刍动物乳中脂肪酸的组成，间接参与乙酰胆碱和胆固醇的合成。③生物素参与蛋白质合成、氨基酸脱氨（如亮氨酸）、嘌呤合成以及核酸代谢，且为多种氨基酸降解过程中转移脱羧所需。生物素缺乏会降低与亮氨酸降解有关的甲基丁烯酰辅酶A羧化酶的活性。小鼠缺乏生物素时鸟氨酸合成瓜氨酸的速率降低[7]。④生物素与动物基因表达和免疫功能有关，生物素缺乏将导致细胞增殖缓慢，免疫功能受损。

图1 生物素的化学结构

2 奶牛生物素的吸收及代谢

奶牛从饲料中摄取的生物素有游离态和蛋白结合态两种形式，蛋白结合生物素只有被降解为游离态才能被利用。Zinn等[8]测定肉牛小肠流量中几种B族维生素的含量发现，除了生物素和维生素B6几乎不被瘤胃降解外，其他B族维生素都被大量降解。故瘤胃对生物素破坏作用很小，但生物素是否在瘤胃中吸收还未确定。奶牛日粮中的生物素和瘤胃微生物合成的生物素大部分可顺利通过瘤胃到达后肠道供机体吸收。对于生物素后肠道吸收和代谢的研究主要集中在人、小鼠及单胃动物上，在反刍动物上的研究资料很少。普遍研究认为，生物素在小肠中可较好地被吸收，主要在小肠近端吸收。Santschi等[9]发现到达奶牛十二指肠25%～46%的生物素在小肠中被吸收。

生物素吸收后和生物素依赖酶的分布一致，主要在肾脏和肝脏中代谢。未能被吸收的生物素会排出体外。在非反刍动物中，尿液是生物素最主要的排泄途径。Lee等[10]给大鼠注射14C标记的生物素96%～98%由尿液排出，而不是粪便或以CO2形式呼出。Zempleni等[11]以鼠和猪为试验动物发现，通过胆汁和粪排泄的生物素很少，可能是由于肠的重新吸收作用，证明生物素主要由尿排泄。Kopinski等[12]研究发现，猪采食生物素的多少与粪中生物素的排泄量无关，而与尿中生物素排泄量呈正相关。尿中生物素的排泄受肾脏重吸收机制的调节。反刍动物生物素的排泄研究还很少，由单胃动物研究结果可推测奶牛生物素及其代谢物可随尿液、粪便、胆汁排泄或者通过泌乳排出。

3 生物素在奶牛饲养中的应用效果

生物素在猪和禽生产上应用已经很普遍，在奶牛饲粮中补充生物素还不多见。目前研究发现，生物素可提高奶牛蹄质健康、增加产奶量。

3.1 生物素可改善奶牛肢蹄健康

奶牛蹄病影响奶牛健康、生产力和动物福利，是奶牛过早淘汰主要原因之一。蹄病是一种多因素疾病，受环境、疾病、营养和管理等影响。生产中对奶牛危害性最大的四种蹄病是蹄底出血或溃疡、白线病、蹄叶炎和腐蹄病。蹄和爪是皮肤的衍生物，包含大量角质化的角蛋白，角蛋白与蹄健康密切相关。生物素在角质化代谢通路中角蛋白合成以及脂肪形成过程不可或缺，还影响表皮细胞增殖和分化，促进角质生成和提高角品质。给猪[13]和马[14]补充生物素发现蹄质的硬度增强，奶牛补充生物素蹄角水分含量降低而脂肪浓度增高[15]，表明生物素提高了奶牛蹄角的质量。畸形表皮组织如皮肤病变和蹄腐烂等，都与生物素缺乏有关。Bragulla等[16]给小牛饲喂富含抗生物素蛋白的蛋清蛋白粉，小牛皮肤和蹄严重病变。研究发现，奶牛补充生物素可改善蹄质健康，减少蹄病发生[2-3，17-24]，表1就生物素对牛蹄病的研究做了总结。本课题组给围产期奶牛补充30 mg/d生物素并没有发现蹄质硬度和水分含量有明显变化，可能由于试验期仅49 d，生物素对蹄质健康的影响未体现[25]。作者推测，只有长期补充生物素，才能达到改善奶牛蹄质健康的效果，但具体机理还有待研究。

3.2 生物素对奶牛泌乳性能的影响

生物素对奶牛泌乳性能影响的研究较多，但结论并不一致(见表2)。大部分研究发现，奶牛补充生物素可提高产奶量[2,4-6,26-28]，也有部分研究发现，补充生物素对产奶量无影响[24,29-33]。Margerison等[34]给奶牛产后补充20 mg/d生物素，连续补充4个月，发现产奶量增加了2.0 kg/d。Fitzgerald等[18]选取20个牧场，其中10个牧场补充20 mg/d生物素，发现生物素对产奶量并没有影响，可能试验牛是低产奶牛（20 kg/d）的原因。Ferreira等[6]选取20头高产[产奶量(43±5)kg/d]和20头低产[产奶量(23±4)kg/d]奶牛分别补充生物素发现，补充生物素显著提高高产奶牛产奶量（P＜0.05），对低产奶牛产奶量并没有影响（P=0.98）。但Rosendo等[29]选取产奶量为35 kg/d奶牛补充生物素，发现产奶量并没有提高。Lean等[35]通过Meta分析指出补充生物素每头奶牛产奶量可增加1.29 kg/d。本课题组给围产期奶牛补饲30 mg/d生物素，结果显示能显著提高产后第35 d产奶量，改善泌乳初期产奶性能[25]。

表1 生物素对牛蹄病研究总结

表2 生物素对奶牛泌乳性能的影响

生物素提高奶牛产奶量的机理尚不清楚。奶牛蹄质健康，运动成绩更好，采食竞争明显，采食时间加长，DMI比肢蹄病牛更高[36]。奶牛肢蹄病会显著减少产奶量（P＜0.05）[37]。研究结果表明，奶牛补充20 mg/d生物素的305 d能量校正乳比对照组高320 kg[3]和878 kg[2]，因此，研究作者推测奶牛产奶量的增加与补充生物素改善了蹄质健康有关。Zimmerly等[4]发现随着奶牛补充生物素量的增多，产奶量线性增加（36.9、37.8、39.7 kg/d），试验并没有观察到生物素对蹄健康的改善，作者推测补充生物素提高产奶量是通过提高葡萄糖产量或增加奶牛纤维消化率的原因。

生物素对乳脂、乳糖和乳蛋白影响的研究结论也不一致。表2可见，只有五分之二的研究表明，补充生物素可增加乳蛋白产量，其他研究并没发现其影响乳蛋白产量。Ferreira等[6]发现，补充生物素显著增加高产奶牛乳脂产量（P＜0.05），并趋于提高乳蛋白产量（P=0.06），不影响低产奶牛乳脂、乳蛋白产量(P＞0.05)，作者认为乳脂产量增加可能是由于补充生物素提高了乙酰辅酶A羧化酶的活性，进而增加脂肪酸合成。Lean等[35]通过Meta分析指出补充生物素对乳脂和乳蛋白率无影响，对乳脂和乳蛋白产量有增加的趋势。

3.3 生物素对奶牛能量代谢相关指标的影响

生物素在奶牛上的研究主要集中在蹄质健康和产奶性能上，而对能量代谢相关指标的关注很少。作者总结了近些年生物素对奶牛能量代谢相关指标的研究，见表3。DMI决定奶牛能量摄入，表3可见，除Majee等[5]外，大部分研究发现补充生物素对奶牛DMI均无提高。生物素是否提高奶牛DMI及具体调控机理还有待研究。NEFA是肝脏脂肪动员的产物，BHBA是酮体的主要成分，两者是反映奶牛能量平衡状况常用指标。由表3可知，大部分研究并没有发现生物素对NEFA和BHBA产生影响。Rosendo等[29]发现，补充生物素降低了奶牛血浆NEFA浓度，可能是由于生物素提高了血糖浓度间接抑制脂肪分解。血糖浓度是肝脏糖异生或糖原分解象征性指标，大部分研究发现，生物素对血糖浓度没有影响，但杨柯等[27]、张鹏等[24]和Rosendo等[29]发现生物素可提高奶牛血糖浓度，与本课题组前期研究结果相一致[25]。可能是由于生物素作为丙酮酸羧化酶的辅酶，促进奶牛肝脏糖异生作用，葡萄糖合成增多。

表3 生物素对奶牛DMI、NEFA、BHBA和血糖的影响趋势

4 奶牛生物素的适宜添加量

生物素在瘤胃中能够合成，且过瘤胃率很高。如前所述，生物素可改善奶牛蹄质健康，促进蹄子生长和损伤恢复，并且可提高高产奶牛产奶量，增加乳蛋白及乳脂产量。因此，确定奶牛生物素适宜添加量至关重要。由于瘤胃的特殊作用，奶牛生物素适宜添加量应根据奶牛生物素有效利用率及奶牛生物素需要量综合评定。

4.1 生物素的有效利用率

生物素有效利用率与饲料原料和动物种类有关。饲料中生物素只有少部分是游离状态，大部分都与蛋白质连结。蛋白结合态生物素动物吸收率很低。随着不同饲料中生物素与蛋白质连结方式不同，生物素有效利用率变化很大。奶牛常用饲料原料中，干酵母、苜蓿粉和油粕中生物素利用率最高，谷物饲料中生物素主要是蛋白结合态，一般都较差。饲粮中生物素只有50%～60%在小肠中被吸收[38]。奶牛瘤胃对生物素破坏或吸收作用不大，Santschi等[39]估测奶牛口服生物素生物利用率为48%～55%。

4.2 奶牛生物素需要量

不同研究中奶牛生物素的添加量不尽相同（表1、表2、表3），NRC（2001）也未给出相关标准[40]。奶牛年龄、胎次、泌乳和生理阶段以及养殖模式的不同都影响生物素的需要量。定量测定奶牛生物素需要应综合考虑以下因素：①奶牛瘤胃及肠道生物素合成量；②奶牛日粮原料配比；③青贮饲料类型及添加量；④日粮新鲜程度、霉变及所含拮抗物（主要是抗生物素蛋白和链霉素菌抗生物素蛋白）；⑤其他营养素及维生素互作作用；⑥养殖模式；⑦品种。另外，犊牛由于瘤胃未完全发育，生物素需要量应单独讨论。很多研究发现，补充20 mg/d 生物素奶牛生产性能已经有所改善[3，5，18-19，21-22]，高剂量（30、40 mg/d）生物素对奶牛泌乳性能、DMI及饲料转化率并没有线性提高[5，24，28]。因此，作者推测泌乳奶牛最佳生物素添加量应为20～30 mg/d。

5 小结

生物素作为羧化酶辅酶，参与机体糖异生以及蛋白质、脂肪酸合成代谢，可改善奶牛蹄质健康，提高泌乳性能，对奶牛最佳生产性能的发挥有积极作用。由于瘤胃微生物能够合成生物素，奶牛实际生物素需要量也没有相关标准，其合理恰当的应用有待深入研究。此外，生物素调控奶牛泌乳性能的机理及与其他营养素的互作效应还仍需进一步研究。