饲粮组成对牛乳中乳蛋白及乳脂肪合成与调控机理影响的研究进展

李 欣，童津津，熊本海，蒋林树

1 北京农学院动物科学技术学院奶牛营养学北京市重点实验室，北京 102206

2 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193

0 引言

随着生物学研究的不断深入，生物体及其衍生物中的营养物质被不断发现，同时，营养物质的提取工艺不断优化，提取出的营养物质已被广泛应用到相关食品、药品生产中[1]。牛乳可以为人类提供优质的蛋白质、脂肪、糖、维生素和矿物质等多种营养元素，并且几乎可完全被人体消化吸收[2]，因此，乳制品成为人类重要的营养来源。但在我国实现畜牧业可持续发展，高度重视乳制品质量安全的背景下，牛乳中乳蛋白和乳脂肪等含量却显著低于其他发达国家。本文围绕改变奶牛饲粮组成（如改变饲料成分，添加植物提取物、微量元素以及微生态制剂等）对调控牛乳中乳蛋白和乳脂肪影响的研究进展进行综述，以期为提高奶牛的乳蛋白率和乳脂率，优化饲粮配方提供理论基础。

1 饲粮组成对牛乳中乳蛋白合成及调控机制的影响

近几十年来，随着人民生活水平的提高和科学研究的不断深入，以生物源营养物质为天然原料的食品愈发受到人们的关注，其中，牛乳及其营养物质被广泛研究并得到了商业化应用，牛乳的综合价值在多领域得以体现。因此，探索牛乳中乳蛋白和乳脂肪合成机制及调控的理论，是反刍动物营养学科研究的前沿与焦点。

1.1 乳蛋白合成及调控机制

乳蛋白因易于消化，且其前体物氨基酸的比例高，被认为是最优质的蛋白质之一[3]。牛乳中乳蛋白含量为3.5%左右，其在奶牛机体内合成机制极其复杂。奶牛饲粮中的蛋白质一部分在瘤胃中被微生物分解为氨基酸，未降解的部分在小肠内被消化酶分解为氨基酸，随后氨基酸被吸收进入血液成为游离氨基酸（FAA），FAA可被乳腺组织利用在奶牛乳腺上皮细胞中合成乳蛋白[4]。因此，饲粮组成与乳蛋白的合成机制密切相关。

目前发现奶牛体内有3 条信号通路与乳蛋白的合成密切相关，分别是JAK-STAT信号通路，mTOR信号通路[5]和GCN2-eIF2a信号通路[6]。酪氨酸蛋白激酶家族的JAK在生物体的信号传递过程中起重要作用，关系着细胞的生长、增殖和分化。研究发现，转录激活因子（STAT）是JAK的靶蛋白，其被JAK活化后形成二聚体再转入细胞核内调节特定基因的表达。STAT也是重要的传导泌乳信号的激活因子[7]，在乳球蛋白启动子附近发现了包含有STAT5的GAS序列，它是乳蛋白合成的关键位点[6]。现已证实，JAK-STAT信号通路作为奶牛乳腺上皮细胞（BMECs）内重要的信号转导通路，介导生长素（GH）和催乳素（PRL）的作用途径，与乳腺的发育、泌乳及乳成分的合成等密切相关[8，9]。此外，有研究报道，JAK-STAT信号通路也与脂肪代谢密切关联，许多通路因子参与介导肥胖的发生[5]。随着动物营养研究理论和技术的不断完善更新，乳蛋白的合成机制与JAK-STAT信号通路之间错综复杂的反馈调节机制有待进一步的研究与阐明。

研究证明，mTOR信号通路参与蛋白质翻译过程的调控，作为一种信号传递因子广泛存在于机体细胞中，其含有mTOR1和mTOR2两种复合物，分别参与蛋白质的合成和肌动蛋白骨架的建立[10]。乳蛋白合成的前体物氨基酸在mTOR信号通路中发挥了重要作用，Appuhamy等[5]证实在BMECs中添加3.5 mmol/L的必需氨基酸，可使mTOR信号通路中的4EBP1和eEF2蛋白发生磷酸化，这两个蛋白磷酸化的速率分别限制乳蛋白合成的起始和延伸。Tian等[11]研究结果表明，细胞信号通路抑制剂LY294002会下调mTOR信号通路中CSN3基因的表达，抑制乳蛋白的合成；CSN3作为与乳蛋白合成相关且表达较稳定的基因，其表达情况与牛乳中乳蛋白的质量和含量直接相关。杨德莲等[12]研究发现，无乳链球菌能够抑制BMECs内乳蛋白的合成，是通过抑制JAK/STAT和mTOR信号通路发挥作用。前体氨基酸与抑制剂等物质均对mTOR信号通路上与乳蛋白相关基因的表达有影响，进而促进或抑制乳蛋白的合成和分泌，影响乳品质。同时，GCN2-eIF2a信号通路也可调控机体内氨基酸水平，特别是阻遏蛋白激酶2（GCN2），能够及时感知到氨基酸的缺乏，它与空载tRNA可在氨基酸缺乏时相结合并激活，活化后的GCN2可将翻译起始抑制因子eIF2a磷酸化[6]，这一过程将缓解乳蛋白前体物氨基酸的缺乏，有利于乳蛋白的合成。如今，乳蛋白是人们获取高质量蛋白质的重要来源，其含有的酪蛋白和乳清蛋白更是有着多种生物学功能。因此，全面了解乳蛋白的合成信号通路，有利于乳蛋白的合成研究，为合理调控营养供给，提高奶牛的生产效益提供依据。

1.1.1 酪蛋白

酪蛋白是牛乳中主要的营养性蛋白质，也是牛乳中钙、磷的重要来源。在制作高蛋白食物时会添加酪蛋白作为营养补充剂，且有提高食物稳定性的作用[13]，主要归因于酪蛋白是以胶束形式存在的，在热条件下也会保持稳定且具有一定的柔性。目前研究发现，牛乳中酪蛋白主要包括3 种：α-酪蛋白（α-CN）、β-酪蛋白（β-CN）和κ-酪蛋白（κ-CN）。其中，α-CN是牛乳特有的蛋白，昼夜节律蛋白2（PER2）参与α-CN合成的调控机制，增加α-CN的含量[14]。α-CN可为动物生长提供营养物质，同时参与多种生理功能的调节。然而，酪蛋白中抗原性最强的是β-CN。孙姗姗等[15]研究发现，无论是液体乳制品还是固体乳制品，β-CN的含量都是最高的。研究发现，整联蛋白β1-ILK通路促进BMECs对β-CN的分泌上调，即催乳素与BMECs表面催乳素受体结合，激活JAK2-STAT5信号途径，促进与分化相关基因和编码β-CN基因的转录，STAT5的持续激活需整联蛋白β1和层粘连蛋白相互作用[16]。所以，层粘连蛋白促进β-CN合成分泌依赖于整联蛋白β1-ILK通路。κ-CN是使牛乳保持稳定乳浊液状态的重要成分，其作用机制是由于胶束内部的疏水性酪蛋白可与水性环境之间起界面作用[17]。因此，酪蛋白作为牛乳蛋白的主要组成部分，其含量和质量是评判乳品质优劣的必要条件之一。

1.1.2 乳清蛋白

乳清蛋白有着“蛋白之王”的美誉，可以利用合适的温度和等电点经酸化沉淀从牛乳中提取出来。作为优质的蛋白质补充剂，乳清蛋白有易于消化和生物利用率高等优点[10]。乳清蛋白包括α-乳白蛋白（α-LA）、β-乳球蛋白（β-LG）、免疫球蛋白（IgG、IgA、IgM、IgD和IgE）、血清蛋白和乳铁蛋白（Lf）等。刘永峰等[13]研究发现，α-LA能螯合重金属铁离子，降低机体的氧化应激，同时还有合成乳糖、钙载体、免疫调节和抗癌的作用。β-LG是由BMECs合成的反刍动物特有的乳蛋白，具有调节乳腺中磷新陈代谢的功能[18]。众所周知，免疫球蛋白主要起抗菌和免疫保护的作用，Lf具有促进创伤愈合、抗血栓、促进铁的吸收和免疫调节等功能[19]。所以，乳清蛋白具有极高的营养价值和广阔的应用前景。

1.2 饲粮对乳蛋白合成的影响

饲粮的精粗比、营养水平等因素对乳蛋白的合成有显著影响。随着奶牛饲粮精料比例的提高，产奶量增加，乳蛋白、酪蛋白及总蛋白含量也显著上升。添加淀粉型的精饲料通常比添加纤维型精饲料提高乳蛋白率效果更好[20]。采食淀粉会增加血浆中葡萄糖、胰岛素和胰岛素样生长因子-1（IGF-1）的浓度[21]，胰岛素作用于mTOR信号通路，通过下游信号通路的作用底物4EBP1加快蛋白质的翻译过程[6]。碳水化合物是乳蛋白合成的碳骨架，因此，当饲粮中能量充足时，能源物质可合成为氨基酸，提高瘤胃内微生物蛋白的合成量，从而导致乳蛋白产量的升高。饲粮中粗蛋白质含量也对乳蛋白的合成有着非常重要的影响，在奶牛饲粮中添加鱼粉，随着饲粮中粗蛋白水平的升高，奶牛产生的必需氨基酸和乳蛋白等物质的含量均有所提高。主要作用机制可能是必须氨基酸通过抑制mTOR信号通路上AMPK的激活和eEF2磷酸化调控乳蛋白合成。瘤胃微生物可促进饲粮中蛋白质向乳蛋白前体物质——氨基酸的转化，促进瘤胃内蛋白质降解和氨基酸代谢，通常高乳蛋白率奶牛的瘤胃微生物具有较好的促进乳蛋白前体合成的能力。因此，饲粮中需要提供充足的粗蛋白质，以满足合成乳蛋白所需氨基酸的量。

李琮等[23]研究发现，添喂大豆黄酮和芒柄花素这两种含有植物雌激素的物质能够提高乳蛋白率。这两种植物雌激素均可导致体内的雌激素和催乳素升高，且催乳素与其受体结合后使核蛋白体的mRNA表达量增加，从而使酪蛋白mRNA的转录翻译加快乳蛋白率升高。由于植物提取物具有抑菌消炎的功效，在奶牛饲粮中添加可提高奶牛的免疫功能进而提高泌乳性能[24]。例如，添加大蒜素会提高蛋白质的代谢效率，主要原因是大蒜对蛋白质合成和分解代谢都有影响[25]。占今舜[26]研究发现，奶牛饲粮中添加苜蓿黄酮能提升乳蛋白率，苜蓿黄酮可提高STAT5 mRNA的表达，促进乳蛋白的合成。综上所述，当饲粮中营养水平达到适当比例，可以保证氨基酸合成代谢，促进乳蛋白的合成。

奶牛机体微量元素缺乏会引起各种生理异常反应，导致生产性能发生改变，在饲养过程中利用微生态制剂进行微量元素的补充是最常见的方式之一。例如，补充硒可采用在饲粮中添加酵母硒和亚硒酸钠等方式，但酵母硒与亚硒酸钠相比安全性更好、毒性更低、吸收利用率也更高；基础饲粮中添加0.1%的酵母硒可以显著提高产奶量、乳蛋白率等[27]，这是由于酵母硒中富含的有机硒可以提高奶牛的免疫力，促进奶牛生长发育和能量代谢，提高奶牛泌乳能力。硒与其他饲粮添加剂共同使用可使饲粮中营养物质发挥更高效的作用，提高肠道菌群的稳定性，以此保证动物生产性能的稳定。维生素A作为维持动物机体代谢的必需营养素，对多种基因表达有影响，提高动物机体生长发育，免疫及代谢水平，还对动物的脂质代谢有所影响。同时，有研究发现低浓度的维生素A对乳汁中乳蛋白合成的促进效果更好，可显著上调CSN1S1和mTOR基因的表达促进乳蛋白的生成[28]。由此可见，有效合理的改变饲粮的营养结构、添加微生态制剂对提升乳蛋白率有显著作用，为提高奶牛泌乳性能和牧场经济效益提供新途径。

2 不同饲粮组成对牛乳乳脂肪合成及调控机制

2.1 乳脂肪合成及其调控机制

乳脂率是反映奶牛泌乳性能的重要指标之一，乳脂肪在牛乳中的含量为3.0%～5.0%，但我国的乳脂率水平较低，缺乏市场竞争力。研究发现，乳脂肪的存在形式为小球体，其合成主要由脂肪酸数量以及血液到乳腺一系列激素的调节所决定；当瘤胃和乳腺中的能量供给改变时，乳脂肪的组成和含量也会随之发生明显的变化[29]。尤其是瘤胃微生物氢化过程中产生的特定脂肪酸可抑制乳脂的合成，这种现象被称作奶牛饲粮诱导的乳脂抑制（MFD）[30]。MFD发生时，乳腺成脂能力下降，关键成脂基因的转录表达下调。造成MFD的饲粮因素主要分为两大类，一类是高精饲料低粗饲料的饲粮组成；另一类是饲粮中含有大量的不饱和油脂成分[1，2]。Bauman等[30]发现瘤胃生物氢化中间产物产生的两种共轭亚油酸异构体——反式-9，顺式-11型共轭亚油酸和顺式-10，反式-12型共轭亚油酸，均被证明可以降低乳脂的合成。大量的短链和中链脂肪酸在乳腺内从头合成，合成脂肪酸的碳链来源主要是瘤胃发酵产生的乙酸（Ac）和β-羟丁酸（BHBA）[31]。所以，若Ac和BHBA含量减少会降低乳脂肪的合成量。因此，深入阐明乳脂的合成与调节机制，与牛乳品质优劣和乳制品加工密切相关，是提高奶牛养殖核心竞争力的重要方向。

三酰甘油是乳脂的重要组成部分，占到了乳脂含量98.0%以上，在乳腺中通过酶机制合成。由几乎完全从头合成的短链脂肪酸（C4-C14）和来源于循环脂质吸收的长链脂肪酸（C16-C20）共同构成，其对牛乳的疏水性、融化和密度等物理性质起直接作用[32]。乳脂的另一个组成成分为极性脂质，也叫磷脂，是一种活性脂类，主要包含了磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺和鞘磷脂等。极性脂质以第二信使的身份参与跨膜信号的传导、细胞的生长及凋亡等生物学过程[33]。特别是鞘磷脂及其代谢物神经酰胺和鞘氨醇，可显著影响细胞的增殖且具有肿瘤抑制特性[31]。此外，神经鞘磷脂还作用于肠道，参与肠壁对胆固醇的吸收，降低血清中胆固醇的含量，以避免肝脏由于脂肪和胆固醇过多造成伤害[34]。值得注意的是，乳脂中含有大量不同结构的脂肪酸，其中共轭亚油酸在近几年的研究中越来越受重视。共轭亚油酸具有抗动脉粥样硬化、抗癌、降血糖和增强免疫力等生物学功能；反式脂肪酸和饱和脂肪酸也对动脉粥样硬化和冠心病的治疗有显著疗效[33]。乳脂肪除了是牛乳中的重要营养成分，也可作为风味评价指标，因其具有多种生理功能，近几年在乳品行业愈发受到关注，因此，如何提高牛乳中乳脂含量具有重要的研究意义。

2.2 饲粮对乳脂肪合成的影响

牛乳中基本营养物质的含量受多种因素的影响而存在较大差异，其中乳脂肪是变化最大的成分[35]。饲粮的结构、脂肪添加量以及饲粮颗粒的长度均对乳脂率有影响。Peterson等[36]研究发现，饲喂高精料饲粮时，与乳脂肪合成有关的关键基因脂肪酸合成酶（FASN）以及硬脂酰辅酶A去饱和酶（SCD）的mRNA表达量都有所降低。粗饲料会提供大量的物理有效纤维，这些物理有效纤维会促进反刍作用。反刍是动物进食一段时间后将半消化的食物从胃里返回口腔再次咀嚼，咀嚼后与唾液一起返回瘤胃，唾液可调节瘤胃内pH值[37]，pH值升高有利于瘤胃内纤维分解菌活性的提高，从而促进Ac的含量升高。Ac是BMECs合成乳脂肪的前体物质，Ac含量增多会引起乳脂率的升高[38]。此外，Kalscheur等[39]研究证实，在饲粮中添加足量的粗纤维时，MFD发生率降低，因此，在泌乳期奶牛饲养过程中，要保证粗纤维在饲粮中的比例。饲粮中的蛋白质在体内代谢后产生氨，会导致瘤胃内pH值升高，继而影响乳脂的合成[40]。Beever等[41]发现当粗蛋白含量增加至18.0%时，乳脂在牛乳中的含量会减少0.5%，但是其他成分含量不发生变化。这主要是由于饲粮中纤维含量低引起乳脂含量降低，添加纤维的同时也添加粗脂肪，比单独添加纤维更能显著缓解乳脂率的降低[42]。值得注意的是，脂肪酸可以在瘤胃、小肠末端和大肠与阳离子形成不溶的皂类，降低镁在瘤胃中及钙在肠道中的吸收。因此，科学合理的饲粮结构是保障奶牛健康养殖的前提条件。

近年来，利用植物提取物调节牛乳中乳脂率含量的相关研究得到了广泛关注。陈光明[43]发现，适量的槲皮素可增加一氧化氮（NO）的分泌并促进BMECs增殖，但NO浓度过高会导致细胞产生氧化损伤，对乳脂肪的生成产生负面影响。其主要机制是槲皮素可抑制SREBP1和PPAR-γ的表达使SCD和FASN的表达降低，还可以通过抑制CD36的表达，降低脂肪酸的转运，抑制乳脂肪的合成。但另一项研究发现，在饲粮中添加金银花、益母草、连翘、蒲公英等复合植物提取物，乳脂率不变[44]，可能是由于牛乳产量升高产生了“稀释效应”，和乳脂率的下降相抵消，使乳脂率未见下降；或者植物提取物的添加剂量未对乳脂率或乳脂产量产生影响，但对机体的整体免疫系统具有积极的调节作用。

此外，在奶牛生产中可利用微量元素这一饲粮添加剂保障营养平衡，从而对乳脂的合成产生影响。饲粮中添加乙酸钠能够增加机体内的Ac含量，A c 可直接进入细胞转化为乙酰辅酶A 合成乳脂[45]。孙满吉等[46]给山羊的外阴动脉注射乙酸钠，结果发现，不仅乳成分得到改善，产奶量和乳脂率均提高。此外，添加微生态制剂可通过调节瘤胃菌群结构，提高优势菌群的数量，改善瘤胃内环境来提高乳脂率[45]。蒋小艺等[47]研究发现，乳酸菌（LAB）制剂常用作新生反刍动物的饲料添加剂，在饲粮中添加两组不同的LAB制剂，乳脂率均显著上升。闫碧川等[48]研究结果表明，在基础饲粮中添加3 种酵母培养物，均可以提高乳蛋白率、乳糖率和乳脂率。其作用机制可能为，一方面酵母培养物进入奶牛瘤胃后，会调节瘤胃内微生物区系的平衡，增强营养物质的消化吸收，提高饲料的利用率和产奶性能；另一方面酵母培养物可以产生营养物质，如氨基酸、维生素和短链脂肪酸等，促进蛋白质、脂肪、糖类的合成，从而改善乳品质[47]。当给泌乳中期奶牛的饲料中连续60 天添加复合微生态制剂，乳脂率提高至5.6%[49]。综上所述，科学合理的添加饲料营养活性物质，如植物提取物、微量元素、微生态制剂和益生菌等，可有效提高牛乳中乳脂率。

3 小结

目前，我国对牛乳的需求已经向“优质奶”方向转变，因此，对乳成分的组成、产奶量及其影响因素的研究十分重要。饲粮的改变既可以提高泌乳性能又可以减少养殖场的经济支出，合理配比饲粮的营养组成，能有效的提高乳蛋白、乳脂等营养物质产量。对于牛乳生产的研究不应局限于单一物质的影响因素，应走多方面、多途径研究的道路，形成最合理、最高产的黄金配方。因此，在现有研究成果的基础上，及时调整饲粮营养结构，进一步扩大植物提取物、微量元素及微生态制剂等在饲粮中的应用范围，继续深入开展促进泌乳性能、改善乳品质和提高乳中相关营养物质等研究工作，对推动乳品行业的发展具有重要意义。