提高奶山羊瘤胃发酵特性的技术研究进展

李俊霞

（聊城大学，山东聊城 252000）

瘤胃是一个多样、复杂的微生物生态系统，可以将植物生物量转化为蛋白质、挥发性脂肪酸和宿主动物所需的维生素。研究瘤胃微生物之间的的关系相互作用是一项困难的工作，因为不同的微生物有不同的底物、需求和消化作用。但了解微生物之间的关系和相互作用对评估其对环境或所栖息群落的影响很重要，因为它们在动物健康、生产性能、泌乳和肉类质量和组成中起关键作用。因此，本文综述了近年来国内外在提高奶山羊瘤胃发酵技术方面的研究进展和发展前景。

1 奶山羊瘤胃和微生物群落

奶山羊瘤胃pH、微生物组、发酵产物和代谢物随日粮的不同而存在差异。在高水平牧草日粮（牧草与浓缩料9∶1）饲喂条件下，奶山羊瘤胃pH为6.25，在高谷物日粮饲喂条件下，其pH=5.90（Lee等，2019）。一般来说，瘤胃pH与挥发性脂肪酸浓度相关，在Kholif等（2018）的研究中发现，乙酸、丙酸和丁酸浓度分别为59.0、26.4和2.25 mmol/100 mmol总挥发性脂肪酸浓度情况下，泌乳努比亚奶山羊瘤胃中有26.9～29.2 g/L的氨氮和82.0 mmol/L的挥发性脂肪酸。高水平牧草和精料比日粮饲喂的韩国本土奶山羊的瘤胃中氨氮和总挥发性脂肪酸含量相当，只有乙酸产量不同，而高牧草日粮的瘤胃中乙酸产量更高。奶山羊瘤胃微生物区系组成通常以拟杆菌门菌为主，其次为厚壁菌门菌，纤维杆菌的丰度很低。Henderson等（2015）利用高通量测序技术发现，瘤胃原生动物群落结构具有很强的寄主个体性，其中以内毛虫和前毛虫属为主。Wang等（2016）研究11个不同年龄组的55只雄性杂交奶山羊瘤胃微生物群落发现，细菌群落主要由拟杆菌门、厚壁菌门和变形杆菌门组成，古生菌中有古埃及古菌，采用实时定量聚合酶链反应技术研究发现，高牧草日粮饲喂的奶山羊瘤胃中琥珀酸纤维杆菌基因的相对丰度最高，为2.187。

利用宏基因组学对断奶前奶山羊的网状菌、瓣胃和真胃菌群动态进行研究，发现变形杆菌是兼性厌氧菌，变形杆菌可能是通过胎儿在子宫内吞咽羊水从母体胎盘中获得的。在早期生活中，反刍动物胃室的初级成熟阶段、次级成熟阶段和第三成熟阶段分别为网状、瓣胃和真胃。第一阶段发生在出生后的前两周，第二阶段（出生后第14～28 d）是微生物过渡时期。第三个阶段（出生后第28天及以后）是外源性和内源性微生物定植阶段（Lei等，2018）。

2 奶山羊瘤胃微生物群及其在乳成分中的关键作用

日粮组成在反刍动物瘤胃微生物群组成中起至关重要的作用。牛奶中的共轭亚油酸来源于两种物质：一种是牛痘酸在乳腺内的内源性合成，另一种是亚油酸经瘤胃生物氢化产生的中间产物。此外，亚麻籽诱导的脂肪酸浓度随生物氢化反应的进行而改变。亚麻酸的生物氢化途径涉及的脂肪酸与纤维杆菌科具有高度显著相关性，其中，纤维杆菌琥珀酸基因是最丰富的饱和脂肪酸之一，是产生C18：0（硬脂酸）的主要物种。纤维杆菌的琥珀酸基因通过代谢和产生C18：0在瘤胃环境解毒中发挥作用。补充亚麻籽油可以使琥珀弧菌的相对丰度增加50%，使纤维杆菌的相对丰度增加75%。因此，亚麻籽的补充降低了普氏菌属和二甲缩醛的水平，而这两种物质被认为在原生质体中起重要作用。原生质是一类重要的瘤胃脂质，大量存在于厌氧细菌的细胞膜中，与细菌代谢密切相关。瘤胃微生物对不同环境刺激和微生物多样性的响应不同，可以改变瘤胃微生物的质粒含量和组成（Cremonesi等，2018）。

3 瘤胃微生物菌群和肠道甲烷生成

甲烷是瘤胃内饲料正常发酵产物之一，生产甲烷会使反刍动物损失约2%～12%的饲料源能量。甲烷由产甲烷菌通过肠内发酵或产甲烷菌产生。产甲烷菌在古瘤胃中占主导地位，属于广古动物门，其种群数量因反刍动物的种类而异。甲烷杆菌和甲烷细菌中的假脲菌素、甲烷藻中的杂多糖、微生物菌中的蛋白质构成了产甲烷菌细胞壁。产甲烷菌利用二氧化碳、氢、甲酸盐、甲胺、甲醇或乙酸盐作为底物，根据其种类和细胞壁组成产生甲烷（Henderson等，2015）。Pragna等（2018）报道，可以通过3种机制缓解肠道甲烷：以丙酸盐为最终消化产物；提供替代氢；选择性灭活瘤胃产甲烷菌。这些机制通过以下几种策略来减少甲烷的产生：日粮成分（通过增加淀粉、减少细胞壁成分）、脂类（脂肪酸、油、种子和牛脂）、饲料添加剂、甲烷菌素疫苗、莫能菌素、植物化合物（浓缩单宁酸、皂苷和精油）或有机酸（富马酸或苹果酸）。

采食量是影响奶山羊等反刍动物甲烷产量的主要因素，当g/d和g/kg体重为0.75时，在饲粮水平为1.5%、2.0%和2.5%时，奶山羊甲烷产量随饲粮水平的增加呈线性增加，分别为8.5 g/d、10.3 g/d和11.2 g/d。但当甲烷产量以g/kg干物质摄取量、g/kg有机质摄取量和%总能量摄取量表示时情况正好相反（Zhou等，2009）。补充富马酸和单宁酸也可以减少甲烷的产生，单宁酸可以干扰瘤胃细菌的膜，减少甲烷的产生，而富马酸刺激富马酸利用细菌增加丙酸产量，导致甲烷产量下降。

4 日粮干预

日粮干预可以是植物性的、真菌性的、脂肪、酶或酸。这些日粮干预可以单独使用，也可以组合使用。

4.1 日粮干预提高产奶量和乳品质 丰富的亚油酸和丙烯对提高牛奶健康性能至关重要，因为它们有利于共轭亚油酸的积累。共轭亚油酸对动物和人类有积极作用，Kholif等（2018）发现，共轭亚油酸的摄入对免疫系统、动脉粥样硬化和骨骼健康有影响。最近有研究报道，日粮干预可有效增加牛奶产量，干预因素包括粗甘油、外源纤维素酶、亚麻子油、胡敏酸、柠檬草、精油等（Morsy等，2015）。奶山羊日粮添加橄榄油副产品+向日葵油，番茄青贮饲料+向日葵油等可以提高奶山羊乳品质。在奶山羊日粮中添加鱼油和植物油可以调节乳脂组成，且不会降低乳脂含量。Thoh等（2017）报告称，添加5%粗甘油的奶山羊日粮通过将粗甘油发酵成丙酸来增加乳脂肪，增加脂类的每日摄取量和消化率。

4.2 瘤胃微生物群、机体功能和日粮干预的关系 Arco-Perez等（2017）用番茄青贮饲料和向日葵油部分替代传统饲料，在不影响牛奶产量和成分的前提下，提高了泌乳中期奶山羊的体重，改善了奶山羊的机体性能。高通量测序和先进的生物技术已被用来比较品种对瘤胃微生物群的影响及其与饲料效率的关系。Shabat等（2016）发现，瘤胃更高的效率与瘤胃微生物组基因含量和类群的丰富度较低密切相关。

瘤胃内的厌氧微生物可以产生反刍动物自身不能产生的酶。但这些酶不足以降解大多数复杂的植物多糖。因此，外源性纤维分解酶的补充增加了纤维素酶和木聚糖酶的活性，从而增加了纤维的降解。外源性的纤维分解酶有助于消除饲料在消化过程中的结构性障碍，提高消化率，使纤维素分解细菌在植物纤维定殖方面战胜真菌。此外，这一作用是由于能量物质代谢的改善，有助于糖的生成（Shabat等，2016）。此外，精油是植物性挥发性芳香族化合物，具有抗菌、抗病毒、抗真菌、抗线虫、杀虫和抗氧化等特性。钴是维生素B12的辅助因子，据报道，联合补充精油和钴可以提高挥发性脂肪酸的产量，这与拟杆菌属和琥珀弧菌属的丰度呈正相关。此外，在添加精油和钴的微生物群中可以观察到较高的氮利用、生物降解和代谢能力（Lei等，2018）。

5 瘤胃微生物、益生菌和益生元的共生关系

瘤胃微生物群在动物营养物质利用和合成中起重要作用。在瘤胃中，微生物之间既有协同作用也有拮抗作用。益生菌是刺激瘤胃有益微生物的活微生物，而益生元是不可消化的糖类，为有益微生物提供底物，诱导其生长和活动。目前益生菌和益生元广泛应用于畜牧业，以促进生产和发展，并解决抗生素、抗菌素和激素生长促进剂方面的主要公共卫生问题。益生菌已被证明可以通过增加体重、采食量，减少腹泻来促进生长和健康。益生菌产品包含一个或多个选定菌株，通常是革兰氏阳性菌。反刍动物广泛使用的益生菌有芽孢杆菌、双歧杆菌、肠球菌、乳杆菌、片球菌、链球菌、酵母菌和厌氧真菌（米曲霉菌）。除了这些广为人知的益生菌外，人们还在继续研究能刺激瘤胃微生物的新微生物。如一些纤维素分解细菌，纤维素单胞菌纤维素酶、芽孢杆菌、丝孢热单胞菌、醋酸杆菌、白瘤胃菌、纤维素梭菌和纤维溶菌酶或纤维溶酶（Abou等，2016）。

6 结论

“组学”等高通量技术与最新的日粮干预相结合对瘤胃微生物组、代谢物、基因、宿主健康、生产性能和效率之间的关系和相互作用有了更深入的了解。然而，还需要进一步研究来改进和了解奶山羊宿主、微生物组和饲料之间的功能和相互作用。