沙葱及其提取物对反刍动物瘤胃发酵与微生物区系的调控作用

■敖娜仁 德勒黑 萨茹丽* 斯 琴

（1.内蒙古农业大学动物科学学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.阿拉善左旗统战宗教事务服务中心，内蒙古巴彦浩特 750399）

抗生素在动物疾病防治、促进动物生长、提高养殖业经济效益等方面发挥了积极的作用，但是长期使用抗生素会造成病菌产生耐药性、损伤动物免疫器官、降低动物机体免疫力、畜产品中药物残留等负面作用，所以，在畜牧生产中“禁抗”的呼声也越来越高。我国自2020 年7 月1 日起全面禁止了抗生素在动物饲料中的应用。“禁抗”以后，有关“替抗”产品的开发和应用已成为当今养殖领域研究的热点。众多的研究结果证明，具有绿色、安全、无毒副作用的植物提取物是抗生素的良好替代品。

沙葱，又名蒙古韭（Allium mongolicumRegel，AMR），是一种典型的百合科草本植物，主要生长于我国内蒙古中西部和西北等荒漠化地区。沙葱是一种富含粗蛋白的优质牧草，其代谢能含量较高、中性洗涤纤维含量较低、适口性较好，是牛羊等反刍动物喜食的一种天然牧草。沙葱栽培对环境无要求，因其抗病能力及适应能力极强，在荒漠地区易于栽培。沙葱的叶子和花可食用，药用价值颇高，含有高水平的类固醇、多糖和类黄酮。国内外学者研究发现，沙葱中含有较高的粗蛋白及粗脂肪，且有少量的中性洗涤纤维（NDF）及酸性洗洗纤维（ADF）。沙葱脂溶性提取物（AFE）的得率为干物质的28%沙葱粉，水溶性提取物（AWE）的得率为34%沙葱粉。AFE中的主要活性物质为烷烃、氨类化合物、醇类、酸类及一些带芳香气味的酚类；AWE中的主要活性物质是一些天然化合物及其衍生物。

反刍动物的瘤胃就像一个庞大密闭的发酵罐，在其消化过程中起着重要的作用，通过瘤胃可以利用纤维素和非蛋白氮（NPN）。瘤胃内环境以及日粮在瘤胃中发酵的程度，可以通过pH、氨态氮（NH3-N）及挥发性脂肪酸（VFA）浓度这三个指标来进行判断。瘤胃微生物在反刍动物的早期发育、健康以及生理状况中都发挥着重要作用。瘤胃微生物通过分泌不同的酶将日粮中的营养物质转化为反刍动物生长和生产所需的VFA、微生物蛋白（MCP）等主要营养物质。肉羊日粮中添加沙葱总黄酮后可以通过影响其瘤胃内环境指标而优化瘤胃的发酵模式。研究发现：①饲粮中添加沙葱显著提高了瘤胃液丁酸及菌体蛋白浓度，显著降低了异丁酸浓度及原虫数量；②饲粮中添加沙葱及其提取物显著提高了瘤胃液pH、降低了瘤胃液氨态氮的浓度，且显著提高了产琥珀酸丝状杆菌和黄色瘤胃球菌含量；③饲粮中添加沙葱和AFE，显著提高了瘤胃液丙酸浓度；④饲粮中添加沙葱AWE 可以显著提高瘤胃液真菌数量。综上所述，沙葱及其提取物对瘤胃发酵和微生物区系具有一定的调控作用，沙葱及其提取物具有作为反刍动物饲料添加剂的潜在价值。

1 沙葱及其提取物对瘤胃发酵的影响

1.1 沙葱及其提取物对反刍动物瘤胃液pH的影响

瘤胃pH是调节反刍动物瘤胃微生物活性的重要生理参数，瘤胃pH 高低可以直接影响瘤胃发酵及奶牛产奶量。瘤胃pH的稳定不仅决定了畜产品的营养价值，还决定了反刍动物机体的健康，因为pH的碱性和酸性偏差都可能诱发一些营养代谢病，从而给反刍动物养殖业带来巨大的损失。然而，瘤胃pH 与日粮成分、饲喂时间、唾液分泌量等因素有直接关系，在饲喂后瘤胃pH 有下降的趋势，其下降速度与程度又与日粮组成有关。瘤胃内pH在5.2及以上3 h时机体易发生酸中毒，低于5.2 会引发急性酸中毒。瘤胃中产生乳酸的淀粉分解菌可耐过pH 5.5以下，但纤维分解菌在pH 6.0以下就无法存活，而最适合纤维分解菌作用的条件则是pH 6.4。由此可见，反刍动物瘤胃不同微生物种群的数量和比例与瘤胃pH过低有直接的关系，导致瘤胃的发酵功能和饲料的消化率降低。国内外学者研究表明，pH 6.2以上是反刍动物瘤胃微生物对纤维素消化的最适环境，pH 6.2 以下时，纤维素的消化将受到抑制。包玲玲等（2015）通过体外研究发现，添加沙葱黄酮类化合物能够维持瘤胃液pH 在正常范围之内，这说明沙葱黄酮类化合物能够有效调控瘤胃pH 的稳定。赵春艳等（2007）研究发现，在肉羊日粮中添加沙葱可以显著抑制瘤胃液pH 的下降，使之维持在正常范围之内，蒋涛等（2008）也得出类似的结果。以上研究结果表明，沙葱及其提取物可以调控反刍动物瘤胃pH 的稳定性，保障其健康和正常的生产性能。

1.2 沙葱及其提取物对反刍动物瘤胃液NH3-N、MCP浓度的影响

NH3-N是瘤胃微生物降解饲粮中的蛋白质和非蛋白氮（如尿素等）后产生的，是MCP合成的主要氮源之一，也是反映瘤胃发酵的一个重要指标。瘤胃液中NH3-N 的浓度与反刍动物饲粮蛋白质在瘤胃中的降解速率及被微生物利用效率息息相关，因此，MCP的浓度能够间接反映微生物的活力及利用NH3-N 的能力。MCP是反刍动物最为重要的氮源提供者之一，提供其蛋白质需求的40%～80%。近一半的瘤胃微生物以NH3-N 作为唯一氮源用以合成MCP，瘤胃内正常NH3-N浓度为0.35～29.00 mg/100 mL。NH3-N过高造成氮浪费，甚至进入血液引起动物氨中毒；过低会阻碍瘤胃微生物蛋白的合成并造成动物蛋白质营养缺乏。瘤胃中的NH3-N 主要被瘤胃微生物所吸收，NH3-N 的浓度可全面反映瘤胃内NH3的产生和瘤胃微生物利用NH3的平衡状况。包雨洪（2009）选用6只装有永久性瘤胃瘘管的蒙古羯羊,分为对照组、沙葱组、沙葱多糖组，研究发现日粮中添加沙葱和沙葱多糖均显著降低瘤胃中NH3-N的含量，同时显著提高瘤胃中菌体蛋白含量。丁赫等（2019）研究表明，在杜寒杂交羊饲粮中添加沙葱粉可以提高其瘤胃液pH及丙酸浓度，同时也降低了瘤胃液NH3-N浓度。

1.3 沙葱及其提取物对反刍动物瘤胃液VFA的影响

瘤胃中碳水化合物发酵的主要产物是乙酸、丙酸、丁酸等短链的VFA，它们是反刍动物主要的能量来源，也是合成乳脂和体脂的主要原料。VFA为反刍动物提供70%～80%的能量。乙酸和丁酸是产脂养分，丙酸主要用作产糖异生前体物，因此，反刍动物可以利用更多的丙酸合成葡萄糖为机体提供能量。通过丙酸产生的葡萄糖可满足肉羊需要量的30%～50%。改变瘤胃VFA的比例会影响蛋白质的转换、合成和保留效率。当饲粮中纤维素和半纤维素比例较高时，发酵产生的乙酸比例较高；饲粮中淀粉比例提高时，发酵产生的丙酸比例升高，因此，乙酸与丙酸的比值是衡量瘤胃发酵模式的重要指标。反刍动物摄入的粗饲料在瘤胃内产生的乙酸比例较高，摄入精饲料则产生的丙酸比例高，因此在养殖中通过改进日粮精粗比可以调控丙酸及乙酸的比例，提升反刍动物能量利用率。包玲玲（2015）研究发现，通过在绵羊日粮中添加沙葱黄酮类化合物，可显著提高VAF、乙酸及丙酸浓度，显著降低乙酸丙酸比例。蒋涛等（2008）研究发现，基础日粮中添加沙葱或沙葱粉均提高TVFA 浓度，并且能促进瘤胃微生物发酵改善绵羊瘤胃环境。赵国芬等（2006）研究发现，肉羊日粮中添加沙葱、沙葱+油料籽实均能显著提高瘤胃液pH、脂酶活性和MCP含量，显著降低NH3-N 浓度、TVFA 浓度和纤毛虫数量。综上所述，反刍动物瘤胃内TVFA浓度、乙丙比及丁酸浓度与沙葱的不同类提取物和添加量有着紧密关联。

2 沙葱及其提取物对瘤胃微生物区系的影响

2.1 沙葱及其提取物对反刍动物瘤胃细菌的影响

反刍动物瘤胃内栖息着成千上万的微生物，其中主要包括细菌、原虫及厌氧真菌，在反刍动物高效率吸收饲粮中营养物质方面瘤胃微生物起着不可或缺的作用，尤其在吸收利用纤维类物质方面最为明显。瘤胃微生物可将低质量的蛋白质和NPN 转变成高品质的菌体蛋白、合成维生素，并中和其饲粮中的有毒有害成分。饲粮中50%～70%的纤维类物质在瘤胃中被消化，其余部分在大肠中被微生物发酵；而淀粉以及多糖类物质在小肠内被消化吸收。在瘤胃微生物所分泌的纤维素酶和半纤维素酶的作用下纤维素和半纤维素逐步被降解成可以为宿主动物所利用的单糖，为宿主动物提供能量和挥发性脂肪酸等物质。已知的主要纤维素分解菌有瘤胃球菌、丁酸弧菌和纤维菌。张霞（2007）研究发现，添加沙葱及其提取物均能提高瘤胃纤维分解菌的相对数量，瘤胃纤维分解菌的数量从高到低的顺序为鲜沙葱组、水溶性和脂溶性提取物混合组、水溶性提取物组、脂溶性提取物组、对照组。细菌是瘤胃内数量最多、功能最复杂的一类微生物，所以细菌是瘤胃内营养物质消化利用最重要的微生物。日粮中蛋白质水平不同可影响瘤胃内厚壁菌门及拟杆菌门活性。根据瘤胃细菌对饲料营养物质的利用可分为纤维素降解菌、半纤维素降解菌等，它们可将饲粮中的纤维物质转化为反刍动物可利用的营养物质。赵亚星等（2019）研究发现，饲粮中添加沙葱及其提取物，可以显著提高肉羊瘤胃内细菌含量，原因可能是添加沙葱及其提取物抑制了原虫的数量，影响其对细菌的吞噬能力，进而提高了纤维物质在瘤胃内的发酵和降解效率，并且提高其消化利用率。杜红喜（2020）研究发现，在肉羊饲粮中添加沙葱水提物和沙葱脂提物能够改变瘤胃细菌和真菌的菌群结构，从而影响皮下脂肪和大网膜脂肪中饱和脂肪酸（SFA）和多不饱和脂肪酸（PUFA）含量，其中，瘤胃细菌Rikenellanaceae_RC9_gut_group 属与皮下脂肪和大网膜脂肪中C18∶2n6c呈显著负相关，瘤胃新丽鞭毛菌门的属与大网膜脂肪中SFA 呈显著正相关。杜红喜（2020）研究发现沙葱粉及水溶性提取物滤渣通过改变瘤胃微生物群落结构进而导致日增重的提高，肉羊平均日增重与Mollicutes 纲的细菌成员呈正相关，而与Betaproteobactria 和Saccharibacteria 纲的细菌成员呈负相关。

2.2 沙葱及其提取物对反刍动物瘤胃原虫的影响

反刍动物瘤胃中栖息的原虫数量中纤毛虫占的比例较多，而鞭毛虫的数量则较少，原虫可占瘤胃生物量的50%。每毫升瘤胃内容物含纤毛虫105～106个，约占瘤胃内容物重量的2%左右。瘤胃原虫优先附着于植物的薄壁组织，黏附在对植物表皮无附着能力的植物碎片、茎的横截面或叶上。多项研究结果表明，瘤胃原虫对营养物质代谢各有利弊，瘤胃原虫吞噬细菌后降低细菌对饲粮中淀粉的消化作用，同时也可将饲粮中纤维物质和淀粉等转化成VFA，使碳水化合物在反刍动物瘤胃内的发酵速度减缓，从而稳定瘤胃pH。董瑞兰等（2018）研究发现，将原虫和细菌混合培养时，TVFA、乙酸、丙酸和丁酸的产量均显著高于单独的细菌或原虫培养，说明混合培养时其发酵效率较高，表明细菌和原虫在植物细胞壁降解发酵过程中具有协同作用。此外，瘤胃原虫和细菌有吞噬与被吞噬的关系，细菌细胞被选择性吞食进原虫液泡胞质进而协助原虫消化营养物质，同时原虫也可吞食一些细菌生长所需的养分。尽管瘤胃中纤毛虫和真菌能参与饲料的降解，但大部分的发酵是由细菌完成的。赵亚星等（2019）研究发现，在肉羊饲粮中添加沙葱可显著降低瘤胃原虫数量，其原因可能是添加沙葱破坏了原虫的生活环境或者直接作用于原虫，从而导致了原虫数量降低。赵国芬等（2006）研究表明，日粮中添加一定浓度的沙葱+籽实可使绵羊瘤胃中纤毛虫数量显著下降，进而提高瘤胃细菌利用氮合成菌体蛋白的效率。可见，沙葱提取物中的活性成分发挥着驱除原虫的作用，从而提高了瘤胃氮的利用效率。

2.3 沙葱及其提取物对反刍动物瘤胃真菌的影响

瘤胃内真菌产生纤维素酶并可降解植物中的果胶和结构性碳水化合物等物质，同时具有降解蛋白质和淀粉的能力。瘤胃中的厌氧真菌附着于植物表面进而降解植物细胞壁，使植物内部的营养成分得以暴露，加快其他微生物与植物底物的接触，从而有利于植物纤维的降解和利用。

反刍动物与瘤胃微生物之间存在互利共生的关系，通过这种关系为反刍动物瘤胃发酵提供最佳环境条件；微生物通过降解纤维物质和合成微生物蛋白为宿主提供能量和蛋白质。植物多糖消化、VFA 产生、蛋白质消化与合成、维生素合成等微生物活性的重要性已得到广泛认可。张霞（2007）研究发现，在绵羊饲粮中添加沙葱水溶性提取物后显著提高了真菌的数量，其机制可能是沙葱水溶性提取物提高了真菌生长所需要的氮源（铵根离子和氨基酸）浓度，从而导致了真菌数量增加。现已证实，羊肉的膻味主要源自脂肪组织和肌间脂肪中的4-甲基辛酸、4-乙基辛酸和4-甲基壬酸等短链挥发性脂肪酸，正是这些成分形成了膻味。丁赫（2021）发现，在2月龄断奶育肥羔羊基础日粮中添加0.5%沙葱粉，连续饲喂2 个月（简称LALP组）后其背最长肌肌内脂肪中4-烷基支链脂肪酸含量显著降低，而相同添加百分比的短期饲喂（仅育肥最后饲喂一个月，简称S-ALP组）时4-烷基支链脂肪酸并未显著性下降。对上述两组和对照组，采用宏基因组学技术研究羔羊瘤胃液微生物多样性的结果表明，沙葱饲喂组相较于对照组其真菌生物多样性Shannon 指数有增高的趋势（P=0.086）；真菌的相对丰度排在前三的优势物种分别为根瘤菌（Rhizophagus）、荚膜孢子虫（Podospora）和罗泽拉菌（Rozella）。LALP 组分生孢子（Conidiobolus）和Tetrapisispora显著高于对照组（P=0.045 和0.031）；S-ALP 组分生孢子（Conidiobolus）和梭菌（Batrachochytrium）均显著高于对照组（P=0.023 和0.021），由此可见，饲粮中添加沙葱会影响肉羊瘤胃中某些真菌的丰度。赵亚星等（2019）发现，在肉羊饲粮中添加沙葱及其提取物能够促进肉羊瘤胃总细菌和总厌氧真菌的生长，同时降低瘤胃原虫的数量。反刍动物的瘤胃微生物受到动物品种、年龄、生理状态、环境以及饲粮类型等因素的影响，其中饲粮类型发挥着举足轻重的作用，沙葱作为新型饲料添加剂对反刍动物瘤胃微生物发酵具有调控作用，其应用潜力巨大。

3 沙葱提取物对反刍动物品质及屠宰性能的影响

脂肪组织中存在的三种支链脂肪酸（BCFAs）：4-甲基辛酸（MOA）、4-甲基壬酸（MNA）和4-乙基辛酸（EOA）是羊肉膻味的主要来源。在缺氧条件下储存未固化的羊肉脂肪组织样品可抑制其脂质氧化，但可增强羊肉的膻味。

屠宰性能是能够直接反映反刍动物生产性能的指标之一。胴体重、屠宰率与净肉重、净肉率能直接体现产肉量与瘦肉含量。胴体脂肪含量（GR）值可直接评价产肉率，GR值越大，背膘越薄，瘦肉越多。

4 沙葱及其提取物对反刍动物营养物质消化率的影响

动物日粮中不同营养物质的表观消化率可以直接反映动物对营养物质的消化利用及机体的生理状况，是评价饲料饲用价值的重要指标。Jiang 等（2020）对麻黄、甘草、柠条、沙葱、黄芪、胡枝子、百里香7种草本植物进行了营养价值评定，采用尼龙袋法测定滩羊瘤胃干物质、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和粗蛋白的消化率，从干物质、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和粗蛋白的瘤胃降解率可以得出，柠条、沙葱、胡枝子的营养价值显著高于麻黄、甘草、黄芪和百里香（P＜0.05），综合得出沙葱营养价值在7 种草本植物中最高。乔亚杰等（2021）研究发现，日粮中添加沙葱精油会提高小尾寒羊干物质、有机物、蛋白质、中性洗涤纤维、Ca和P的消化率，试验组干物质和蛋白质消化率与对照组具有显著差异（P＜0.05）。综上，沙葱及其提取物能够提高动物对饲粮中营养物质的消化吸收，可能与其提升了能量水平有关，目前其调控机制不明，还有待于进一步研究。

5 小结

不同天然植物提取物的有效成分有所差异，其作用机制各不相同。沙葱提取物是一种无毒、无害和无残留的天然植物添加剂，对肉羊瘤胃发酵、消化率和肉品质等方面均有显著的改善作用，沙葱及其提取物能够改善瘤胃发酵及微生物区系，并能提高畜产品品质。但是，在养殖生产中进行推广应用具有一定的困难，原因在于新鲜沙葱的干物质含量低，其原料来源、加工、提取过程等方面成本过高。沙葱及其提取物具有作为瘤胃调控剂的潜质，关于沙葱及其提取物对反刍动物瘤胃内环境、微生物菌群及消化代谢的调控机制尚需进一步明确。因此，需深入研究其作用机制，筛选出沙葱及其提取物的最佳添加量，开发低成本、高效率的提取技术，以便在肉羊生产中的得到合理应用。