单宁种类和剂量效应在反刍动物生产中的应用

摘要：单宁是一类广泛分布于植物体内的多酚类物质，是植物自身产生的一种次级代谢产物。因其具有结合蛋白质和碳水化合物的特性，适宜剂量的单宁反而有利于反刍动物对营养物质的利用。但因不同植物分子量以及分子结构存在的差异导致不同单宁的特性也不尽相同。本文总结了单宁的化学性质以及结合蛋白质和碳水化合物的特性，重点阐明了不同特性及剂量的单宁在瘤胃内作用效果的差异，为日后合理利用单宁提供科学参考，为未来精准调控反刍动物营养提供新思路。

关键词：植物单宁；反刍动物；瘤胃；蛋白质降解；碳水化合物发酵；微生物区系；生物氢化

中图分类号：S816.7""" 文献标识码：A"""" 文章编号：1007-0435（2024）08-2337-09

Tannin Species and Dose Effects in Ruminant Production

ZHANG Jia-xuan1， GE Zhen-ying2， LIU Ru-jie2， ZHONG Qing-zhen2， SUN Ze-wei2*

（1. College of Forestry and Grass Science， Jilin Agricultural University， Changchun， Jilin Province 130118， China;

2. College of Animal science and technology， Jilin Agricultural University， Changchun， Jilin Province 130118， China）

Abstract：Tannins are a class of polyphenols widely distributed in plants and are secondary metabolites produced by plants. Because of their ability to bind proteins and carbohydrates，appropriate doses of tannins are beneficial to the utilization of nutrients by ruminants. The different properties of different tannins are mainly due to different plant sources as well as differences in the chemical formulas and molecular weights of the tannins. This paper summarized the chemical properties of tannins and the characteristics of binding proteins and carbohydrates，and focused on clarifying the differences of the effects of tannins with different characteristics and doses in the rumen，which could put forward a scientific reference for the rational utilization of tannins and provide new ideas for the future precise regulation of ruminant nutrition.

Key words：Plant tannins;Ruminant;Rumen;Protein degradation;Carbohydrate fermentation;Microflora;Biohydrogenation

单宁因其结合蛋白质，阻碍酶的消化以及独特的苦涩味而影响适口性等因素，通常被认为是饲料中的抗营养因子［1-2］。但越来越多的研究表明，植物单宁中的水解单宁可替代单胃动物饲料中的抗生素和促生长添加剂，起到改善动物健康和提高动物生长性能的作用［3-5］；也可用于抑制反刍动物瘤胃对营养物质的过度发酵，减少反刍动物饲料的营养损失和甲烷排放［6-7］。围绕单宁的研究重心也逐渐由抗营养作用转移到营养作用上。但不同种类、不同剂量单宁对反刍动物瘤胃内蛋白质的降解以及碳水化合物发酵的作用不同，适宜种类和剂量的单宁可有效调控饲料蛋白质和碳水化合物在瘤胃内的发酵降解，进而提高蛋白质和碳水化合物的利用效率，反之，则会降低饲料养分的利用率。因此，本文在简述单宁的种类和化学性质的基础上，重点阐述单宁在反刍动物生产中的利用方式，单宁在反刍动物瘤胃蛋白质降解、碳水化合物发酵、微生物区系变化以及生物氢化过程中的种类和剂量效应，为单宁在反刍动物生产中的科学应用和反刍动物营养的精准调控提供参考。

1 单宁的分类及化学性质

单宁又被称为鞣酸、单宁酸，是植物体自身产生的一种植物次级代谢产物［8］。不同植物产生的单宁其组成和化学结构也有所不同，如图1所示［14］。植物单宁通常可分为缩合单宁（Condensed tannins，CT）和水解单宁（Hydrolysable tannins，HT）［9］。缩合单宁又称原花青素，是黄烷醇类植物多酚，是分子量最大的单宁，最大可达 20 000 Da［10］，主要由儿茶素、表儿茶素、没食子儿茶素和表没食子儿茶素为结构单元聚合而成［11］；水解单宁是以多元醇为核心的复杂分子，其分子量较小，仅有500～3000 Da［12］，易被降解生成次级产物多元醇和酚酸等［6］，其经过弱酸、弱碱、单宁酶或者微生物作用下会分解生成小分子有毒代谢产物［13］。

2 不同类型饲料资源中单宁种类和含量的差异

不同类型的饲料资源中含单宁的种类和含量也不尽相同（如表1所示），有些植物仅含有缩合单宁，有些植物仅含有水解单宁，也有些植物同时含有缩合单宁和水解单宁。牧草中单宁的主要类型为缩合单宁，但也有部分牧草富含水解单宁，同种属的植物中单宁种类基本相同，但生长地区和环境等因素也会导致其单宁含量有较大差异［15］，甚至植物不同器官单宁的种类和含量也有巨大的差异［16］。比如，美国山核桃果仁中既有水解单宁又有缩合单宁，含量分别为0.22 mg·g-1和4.66 mg·g-1；而美国山核桃皮中仅存在缩合单宁，含量在0.5～876 mg·g-1［17-18］。来自北美的三种朔树虽属于同属植物，且所含单宁均为水解单宁，但单宁的含量差异巨大［19］。

3 单宁结合蛋白质和碳水化合物特性

3.1 单宁结合蛋白质特性

早在1962年，单宁被当时的学者定义为一类可以沉淀蛋白质的水溶性多酚类物质［29］。不同类型的单宁因其分子结构以及分子量大小不同，在瘤胃中对蛋白质的吸附程度以及复合体的类型也表现出较大的差异［30］。缩合单宁因其相对分子质量较大，同时通过共价键和非共价键与蛋白质结合，在此过程中发生电子的偏移，这种结合过程是不可逆的［31］。缩合单宁-蛋白质复合体在瘤胃内很难被瘤胃微生物降解；在进入真胃和小肠中可以大量地解体释放蛋白质，供小肠吸收（如图2所示）［6］；水解单宁相对分子质量较小，并以共价键与蛋白质结合，在这个过程中，不会发生电子的偏移，因此与蛋白质结合后形成的水解单宁-蛋白质复合体可能会被瘤胃微生物所降解。

单宁与不同来源的蛋白质结合可以发挥不同作用。单宁可以通过竞争性结合菌体和寄生虫营养所需的蛋白质抑制其生长；单宁也可以抑制或结合寄生虫分泌的酶，进而直接影响到其机体代谢［32］。Villanuev等［33］ 利用天然提取的五种单宁提取物作用于鼠伤寒沙门氏菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，并观察细菌膜的影响，研究结果表明，单宁对测定细菌表现出特异性的抗生物膜活性。Blomstrand等［34］研究表明，利用云杉树皮提取缩合单宁并添加至奶牛日粮中，具有极强的抗球虫作用。

在众多常规饲料原料中也存在单宁［35］，例如大豆、蚕豆［36］等。研究发现，高单宁饲料适口性下降的本质是单宁结合了口腔中唾液蛋白后，在吞咽时增加了摩擦性［37］；高单宁饲料蛋白质消化率低主要归结于单宁结合消化酶降低了动物的消化能力，单宁结合饲料中的蛋白质降低了饲料蛋白质的可消化性。

而在反刍动物中，单宁的蛋白质结合特异性使其可作为瘤胃蛋白质降解的有效调控物质。有研究发现，在日粮中添加低剂量的单宁有利于反刍动物瘤胃氮素的利用［38-40］。反刍动物日粮中存在大量可溶性蛋白质，日粮中单宁可于瘤胃内与可溶性蛋白形成单宁蛋白质复合体，其本质是单宁与蛋白质以氢键和疏水键的方式进行聚合反应［41］。由于单宁蛋白质复合体在瘤胃很难被降解，以过瘤胃蛋白的形式，到达真胃和小肠。而在真胃和小肠的酸性环境下，单宁蛋白质复合体解离释放出蛋白质，从而增加了过瘤胃蛋白比例，提高了反刍动物蛋白质利用效率。

3.2 单宁结合碳水化合物特性

非结构性碳水化合物，如淀粉，在瘤胃中的消化不受单宁的影响，而高浓度的单宁降低了结构性碳水化合物和半纤维素的瘤胃消化［42］。在单宁与蛋白质结合后保持游离的部分单宁可通过与木质素纤维素络合从而阻止微生物消化［43］，亦或是单宁通过直接抑制调控纤维素分解的微生物［44］和纤维分解酶［45］的活性从而抑制纤维消化。适宜类型和剂量的单宁对碳水化合物在瘤胃中的发酵有一定积极的效应。有研究报道，单宁可改变瘤胃的发酵类型［3］，减少反刍动物甲烷的排放［46］。目前有关单宁与碳水化合物结合的机理性文章较少，因此对于具体单宁与碳水化合物的结合方式以及规律仍需进一步地探讨与研究。

4 单宁在反刍动物生产上的应用

目前为止，单宁在反刍动物上的应用主要分三方面：一是将富含单宁的植物及植物加工副产物添加至反刍动物日粮中；二是在粗饲料青贮过程中添加单宁；最后一方面是直接将单宁以添加剂的形式混合至反刍动物日粮中。

4.1 富含单宁的植物及加工副产物添加至反刍动物日粮中的应用

因存在饲料资源短缺的问题，新型饲料资源开发和利用成为了学者们研究的重点。大多数植物中富含天然单宁成分，开发此类植物作为新型饲料资源既有利于节约饲料，又对反刍动物生产具有积极的作用。随着社会发展，例如葡萄渣、苹果渣等这一类食品加工副产物的产量也逐年递增，极大影响环境。因此将加工副产物添加至动物日粮中同样也可以缓解饲料资源短缺［47-48］，并改善环境。

向绵羊日粮中添加富含单宁的葡萄渣可显著降低绵羊瘤胃氨态氮（NH3-N）的含量［49］。使用6%的印度楝叶替代部分日粮饲喂山羊，与未使用印度楝叶替代日粮组相比，显著降低了瘤胃内NH3-N的浓度［50］。但是也有研究表明，利用富含单宁的牧草替代部分日粮饲喂动物显著的增加了瘤胃内NH3-N的含量［51］。其本质原因可能在于不同植物中单宁的类型不同以及替代日粮比例的不同。在影响碳水化合物发酵方面，日粮中添加部分富含单宁的牧草可以减少甲烷（CH4）排放，并且随着替代比例的增加，CH4的产量也显著下降［52］，挥发性脂肪酸（Volatile fatty acid，VFA） 的含量显著增加，其中丙酸和丁酸的比例会显著增加［53］，但也有研究表明添加富含单宁的牧草会导致瘤胃内乙酸与丙酸比值显著上升［54］。其原因可能在于植物内纤维性物质含量的差异。利用加工副产物替代动物日粮也得到相似的结论，将野樱桃果渣按照500 g·kg－1DM的添加量替换部分日粮时显著降低了干物质的瘤胃降解率，以500 g·kg－1DM的添加量将富含水解单宁的红石榴果渣替换部分动物日粮时，显著降低了甲烷的排放量［55］。这些研究表明，在利用了新型饲料资源以及加工副产物的同时，其内部的单宁发挥功效巨大，减缓了蛋白质的瘤胃降解率，同时也抑制了甲烷的排放，但不同植物对反刍动物瘤胃内蛋白质和碳水化合物的影响存在一定差异，这种差异归根结底来源于植物中单宁的类型和含量不同。

4.2 单宁青贮的粗饲料对反刍动物瘤胃发酵的影响

单宁是一种优秀的青贮添加剂，在青贮的过程中，饲料中的真蛋白质会随着微生物的生命活动分解成非蛋白氮，因此单宁的添加可以有效的结合真蛋白质，防止其过度降解，进一步提高青贮饲料品质［56-57］。同时，这种方式青贮的饲料中的蛋白质同样也难以在瘤胃中降解。有研究表明，经过单宁青贮的饲料被反刍动物摄入后，饲料中蛋白质的瘤胃降解率显著下降［4，58］，这由于单宁在青贮的过程中结合蛋白，导致蛋白质组分发生了改变，最终导致瘤胃快速降解蛋白占比显著下降，瘤胃慢速降解蛋白以及瘤胃不可降解蛋白的比例显著升高［59］。陈雷等人的研究表明，在青贮过程中添加4% DM的单宁酸，与对照组相比显著的增加了干物质量和粗蛋白质含量，显著抑制了真蛋白质的降解。在后续的体外瘤胃发酵试验中，添加单宁组显著增加了瘤胃菌体蛋白的数量，同时NH3-N的含量显著下降［60］，这可能由于单宁抑制了瘤胃中蛋白质分解菌的菌群数量所导致［61］。但也有研究表明，与对照组相比添加单宁青贮葛藤茎叶对粗蛋白质含量无显著影响，但是显著的降低了青贮过程中黄曲霉毒素、呕吐毒素以及玉米赤霉烯酮的含量。这证明，单宁在青贮的过程中抑制了各种杂菌的生长［62］。

反刍动物在进食添加单宁青贮的粗饲料时同样会改变瘤胃发酵模式［4］，瘤胃中乙酸的含量显著降低，丙酸含量显著上升，但对于产气量的影响有着很大的差异。谢小来等［63］研究表明，分别以0.2%，0.4%，0.6% DM的单宁酸青贮紫花苜蓿，体外产气量随着单宁酸添加剂量的增加而增加；但也有研究表明，添加10 g·kg－1DM，20 g·kg－1DM，40 g·kg－1DM和60 g·kg－1DM的五倍子鞣酸青贮紫花苜蓿，各处理组中性洗涤纤维瘤胃降解率随着五倍子鞣酸剂量的增加而显著降低，同时各处理组的体外瘤胃产气量也随着五倍子鞣酸剂量的增加而显著下降。

4.3 直接添加单宁至反刍动物日粮中的应用

单宁对反刍动物瘤胃内的影响主要包括对蛋白质的降解、碳水化合物的发酵、瘤胃内微生物区系以及瘤胃内生物氢化的影响。

4.3.1 单宁种类和剂量效应对瘤胃蛋白质降解的影响 目前直接添加单宁至反刍动物日粮中对瘤胃蛋白质降解影响的研究主要表现在对单宁种类效应或剂量效应的单一层面，对于单宁的种类以及剂量的混合效应研究较少。

单一使用一种单宁时无论使用何种单宁，随着剂量的增加，瘤胃中NH3-N均显著下降；对比两种单宁对蛋白质降解的影响，缩合单宁对日粮中瘤胃慢速降解蛋白组分具有更强的保护性［64］；还有研究表明，单宁可以减缓支链氨基酸脱氨，进而导致异VFA的浓度下降［65］。这些研究结果充分的表明单宁会与饲料中的蛋白质结合，可以减少蛋白质在瘤胃中的过度降解，增加过瘤胃蛋白的比例。使用混合单宁的研究结果表明，随着混合单宁添加剂量的增加，NH3-N浓度和异挥发性脂肪酸含量均显著降低［66］。Mezzomo等人［67］研究表明，将缩合单宁和水解单宁混合后添加至日粮中降低了饲料蛋白质在瘤胃中的降解率。

不同类型的单宁对蛋白质的结合能力也不同，混合单宁相对结合效果会更强。但是，蛋白质对单宁的亲和力由分子量的大小决定，蛋白质分子量越大、其三级结构越复杂则表现出来的亲和性越强［68］。因此，日粮中快、中、慢速降解蛋白的比例可能影响单宁的结合。目前的研究结果仅从NH3-N含量的下降，瘤胃蛋白质的降解率下降体现出单宁的积极意义。但目前的研究结果并未明确单宁对瘤胃内氨态氮含量影响的动态范围，以及对反刍动物机体健康是否存在负面影响。混合使用单宁对瘤胃内蛋白质具体组分的影响也并未有很深入的研究。

4.3.2 单宁种类和剂量效应对瘤胃碳水化合物发酵的影响 单宁的种类和剂量效应对于瘤胃碳水化合物发酵也存在一定影响。在甲烷产量方面，缩合单宁和水解单宁均能显著降低CH4产量，这意味着减少了能量的损失，因此单宁可以增加动物摄入日粮中能量的利用效率［69］，但不同种类的单宁对于CH4产量的影响是有显著差异的，水解单宁只降低了24～48 h产气量；而缩合单宁影响了整个发酵时期的CH4产量［70］。但也有研究表明，以15 g·kg-1DM，30 g·kg-1DM和60 g·kg-1DM为剂量添加至以豆粕为发酵底物的体外发酵体系中，水解单宁组15 g·kg-1DM条件下24小时产气量显著下降，而缩合单宁组在60 g·kg-1DM剂量下24小时产气量显著下降［71］。水解单宁与缩合单宁对于产气量的影响是不同的，相比较于单一使用水解单宁，混合使用单宁对产气的抑制性更强［72］。

在影响瘤胃内VFA层面，缩合单宁的添加均会导致TVFA含量显著降低，丙酸的含量显著上升，乙酸的含量显著下降，由乙酸发酵转变为丙酸发酵［70，73］，在抑制碳水化合物发酵的层面更加有效；但使用水解单宁添加至动物日粮中，会显著提高VFA的含量［74］，这是因为水解单宁在被微生物代谢后生成了鞣花酸，鞣花酸进一步代谢可以生成乙酸［75］。Menci等人［66］对比了混合单宁和单一缩合单宁对野豌豆鲜草和干草两种基质体外发酵的差异。试验结果表明，作用于干草基质时，缩合单宁相较于混合单宁组，乙酸含量显著下降，乙酸与丙酸的比值显著下降。这表明，混合单宁中存在水解单宁的组分，因此增加了乙酸的组分。

单宁在反刍动物瘤胃中对碳水化合物的影响是由多方面因素限制的。不仅取决于单宁的类型、剂量以及反刍动物日粮的组成结构，还取决于动物的个体以及种属差异。前人的研究中仅对单一单宁和混合单宁进行比较，有关不同单宁混合比例对碳水化合物发酵影响的文章相对较少，同时，单宁对瘤胃发酵参数的影响并未有明确的参考范围，因此不能确定单宁是否对动物机体产生影响。

4.3.3 单宁种类和剂量效应对瘤胃微生物的影响 瘤胃内相互共生的微生物发挥着丰富而强大的功能，对于调控瘤胃能氮平衡起重要的作用。不同单宁因其分子结构不同对微生物的群落和类别也有着显著不同的影响。且单宁的比例效应和剂量效应对于瘤胃内微生物的影响也同样具有差异。有研究表明，缩合单宁对于蛋白质水解细菌溶纤维丁酸弧菌（B.fibrisolvens）、嗜淀粉瘤胃杆菌（Ruminobacter amylophilus）以及牛链球菌（Streptococcus bovis）的菌群丰度影响巨大，但对栖瘤胃普雷沃氏菌（Prevotella ruminicola）的影响较小［76］。这表明，单宁对蛋白质瘤胃降解率的影响与蛋白质水解菌的菌群丰度有着密切的联系。研究证实，几乎所有类型的单宁添加至反刍动物日粮中均有效降低甲烷杆菌（Methanobacterium）以及产甲烷古菌（Methanogenic Archaea）的菌群丰度［77-78］，这也从微生物的角度印证了单宁可以显著降低瘤胃甲烷的产量。Carrasco等人按照1∶2的比例将栗木水解单宁和坚木缩合单宁进行混合添加至荷斯坦奶牛日粮中，研究结果表明，混合单宁增加了瘤胃内厚壁菌门（Phylum Firmicutes）以及拟杆菌门（Bacteroidetes）的菌群丰度，显著的降低了淀粉分解菌（Amylolytic bacteria）以及纤维分解菌（Trichoderma harzianum）的丰度［79］。

4.3.4 单宁种类和剂量效应对瘤胃内生物氢化的影响 单宁以两种途径调节瘤胃内生物氢化，一是影响生物氢化相关的微生物，二是影响生物氢化中间体的影响。Mnica等人［74］研究结果表明，部分细菌可以参与瘤胃内脂肪酸的调控，缩合单宁相较于水解单宁显著降低了黄色瘤胃球菌（Ruminococcus flavefaciens）、白色瘤胃球菌（Ruminococcus albus）、溶纤维丁酸弧菌的菌群丰度。溶解纤维丁酸弧菌对于生物加氢反应具有一定的影响［80］，而黄色瘤胃球菌以及白色瘤胃球菌对于生物氢化过程中最后一步，由中间体转化成C18∶0起到重要作用［81］。因此，在单宁种类层面，缩合单宁对于生物氢化的影响要高于水解单宁。缩合单宁和水解单宁均会降低RA/LA（瘤胃酸/亚油酸）的比值，即影响了生物氢化的第一步过程［66］。从剂量效应的层面来看，随着单宁剂量的增加，显著的提升了α-亚麻酸（ALA）、LA以及油酸（OA）的含量；降低了硬脂酸（SA），C15∶0，支链C15∶0，C17∶0以及支链C17∶0脂肪酸的含量［66］。在四个单宁种类（两种缩合单宁和两种水解单宁）和四个剂量的两因素试验中，仅橡树水解单宁在20 g·kg-1DM的剂量下显著提高了总多不饱和脂肪酸（tPUFA），C18∶3n-3，C18∶2n-6，t-11 C18∶1的含量，降低了t-10 C18∶1以及C18∶0的含量。这表明，即便单宁种类相同，但是植物来源不同，对于瘤胃生物加氢的影响也是不同的［82］。

5 小结与展望

单宁不仅能通过其抗氧化性、抗菌性和抗寄生虫性来保护反刍动物肠道，从而保证动物机体健康，还因其结合蛋白质和碳水化合物的特性，在反刍动物生产中，可以减少蛋白质在瘤胃中的过度降解，减少甲烷的排放，改善瘤胃的发酵方式；同时单宁亦可以降低瘤胃中产甲烷类型的菌群丰度以及生物氢化相关菌群丰度，提高共轭亚油酸等脂肪酸含量，降低C18∶0的含量。但由于单宁种类、动物种类以及日粮结构的差异，使得研究结果具有一定的差异。在反刍动物生产过程中，应以地区的饲料资源特异性为主，使用当地富含单宁的特色饲料资源或提取的单宁提取物。随着未来科技的进步，单宁将会被越来越广泛的应用于健康养殖领域。

单宁的种类以及植物来源众多，目前仍有很多问题亟待解决，现有研究对于单宁的种类和剂量效应仍不完善，未来可以从以下几个方面进行深入研究：①完善不同种类动物饲养过程中最适宜的单宁种类和使用阈值；②完善单宁对不同品种粗饲料青贮过程中最适的青贮时间以及青贮工艺，最大限度的提升青贮饲料的品质；③深入研究单宁对反刍动物瘤胃代谢的机制，以及单宁在胃后消化道的作用机制，完善单宁对消化道微生物影响机制的研究。最终实现单宁在反刍动物生产上的广泛应用，精准调控反刍动物营养以及反刍动物机体健康。

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（责任编辑 闵芝智）