■姚軍虎 曹陽春 蔡傳江

（西北農林科技大學動物科技學院，陜西楊凌 712100）

本課題組以奶畜（奶牛、奶山羊）為研究對象，以提高日糧能量總體利用效率為核心，通過飼養(yǎng)試驗、多瘺管代謝試驗、屠宰試驗、人工瘤胃發(fā)酵系統(tǒng)、細胞培養(yǎng)等技術手段，圍繞瘤胃能量代謝調控和代謝葡萄糖的營養(yǎng)調控開展系統(tǒng)研究，最終建立奶畜能量高效利用營養(yǎng)調控體系，旨在為奶畜高效生產提供理論依據和技術支撐。

瘤胃能量代謝調控以瘤胃健康為基礎、以瘤胃高效發(fā)酵的營養(yǎng)調控為目標，通過下列研究最終建立了日糧碳水化合物平衡指數（CBI）體系：①日糧物理有效中性洗劑纖維（peNDF）含量及碳水化合物組成對瘤胃健康與發(fā)酵效率的影響；②日糧瘤胃降解淀粉（RDS）含量對瘤胃健康與生產性能的影響；③瘤胃甲烷減排機理與技術；④CBI體系的構建。

代謝葡萄糖（MG）的營養(yǎng)調控以MG的高效供應為調控目標，本課題組主要完成了下列研究：①過瘤胃淀粉（RES）對小腸酶活和消化吸收的影響；②功能性氨基酸對胰腺外分泌功能及小腸消化代謝的影響；③圍產期奶牛肝臟能量代謝調控。

本課題組的研究表明，保持飼糧peNDF與RDS的平衡（即，合理的CBI），可維持瘤胃健康與高效發(fā)酵，并通過營養(yǎng)調控措施提高RES在小腸中消化吸收率和在肝臟中MG的合成效率，是改善奶畜飼料能量效率和生產效率的重要技術思路（見圖1）。

圖1 奶畜能量高效利用綜合調控技術

1 瘤胃能量代謝調控

1.1 日糧物理有效中性纖維含量及碳水化合物組成對瘤胃健康與發(fā)酵效率的影響

物理有效中性纖維是指影響咀嚼活動和瘤胃內容物兩相分層的那部分纖維，可有效維持瘤胃內環(huán)境（尤其是pH）的穩(wěn)定。提高日糧peNDF含量可刺激牛羊咀嚼，增加唾液分泌量、瘤胃乳頭活力、瘤胃壁厚度、瘤胃收縮力和運動能力，進而維持正常的瘤胃內環(huán)境，促進瘤胃壁對VFA和乳酸的吸收，減少有機酸的積累，有利于瘤胃健康和高效發(fā)酵。

趙向輝（2009、2010）的研究表明，飼糧peNDF8.0含量與奶山羊的反芻時間、咀嚼時間以及瘤胃pH間具有較強的相關關系，而NDF或peNDF1.18與瘤胃pH間的關系較弱。因此，通常以peNDF8.0表示peNDF；當粗飼料為標準切碎長度的優(yōu)質粗飼料時，peNDF=FNDF，其中FNDF表示粗飼料來源的NDF。

杜莎（2008）的統(tǒng)計分析表明，咀嚼時間隨飼糧peNDF含量的增加而增加，且peNDF對肉牛咀嚼時間的影響更大：

泌乳牛(min/d)=87.5peNDF（kg/d）+15.3DMI（kg/d）（n=23，R2=0.499，P＜0.001）；

肥育牛(min/d)=158.6peNDF(kg/d)+16.1DMI（kg/d）（n=23，R2=0.738，P＜0.001）。

趙向輝（2009、2010）以苜蓿干草為奶山羊的唯一粗飼料，通過改變苜蓿干草的切斷長度使日糧peNDF8.0分別為2.15%、5.77%、9.58%和13.09%，結果表明，隨著peNDF8.0水平的增加，peNDF8.0的采食量、反芻和咀嚼時間、瘤胃液平均pH顯著增加，單位peNDF8.0的采食時間、瘤胃液pH低于5.8的持續(xù)時間、瘤胃乙酸濃度顯著降低，并趨于降低DM、OM和NFC的采食量以及瘤胃液總VFA和丁酸濃度。張濤（2010）的研究表明，提高日糧peNDF水平降低了養(yǎng)分攝入量和全消化道表觀消化率，日糧peNDF水平對養(yǎng)分瘤胃消化率的影響可能是瘤胃pH和微生物接觸面積共同作用的結果。高洋（2011）和Cao等（2013）以初花期或盛花期黑麥草為奶山羊唯一粗飼料，結果表明，隨著黑麥草粒度的增加，飼糧peNDF8.0含量顯著增加；增加黑麥草粒度和NDF中木質素含量，顯著提高瘤胃平均pH、采食后16 h的微晶纖維素酶和采食后4 h的水楊苷酶的活性，降低pH低于6.0的持續(xù)時間，顯著降低瘤胃VFA產量。李飛（2014）在嚴格控制采食量和主要養(yǎng)分含量的前提下，通過控制苜蓿干草的長度，使奶山羊日糧peNDF8.0含量分別為20.5%和8.4%，結果表明，降低日糧peNDF含量顯著提高能量效率、瘤胃pH低于5.60的持續(xù)時間、瘤胃VFA濃度、瘤胃F.succinogenes和R.flavefaciens相對豐度、乳中iso C17∶0和trans-10 C18∶1濃度，減少咀嚼時間，不影響各VFA的摩爾比例，降低乳中iso C14∶0，iso C15∶0及trans-11 C18∶1濃度。

曹陽春等（未發(fā)表）在某大型現(xiàn)代化奶牛場設置TMR車攪拌時間分別為10、18和60 min，結果表明，泌乳高峰期奶牛TMR日糧peNDF8.0含量分別為11.25%、10.56%和9.02%(P＜0.001)，反芻時間為392.1、382.3和321.6 min/d（P=0.118），瘤胃平均pH為6.04、5.75和5.66(P＜0.001)，瘤胃液中氨態(tài)氮濃度分別為13.83、12.88和9.55 mg/dl(P＜0.001)，但未觀察到日糧peNDF8.0含量對奶牛泌乳性能和乳成分的影響。

瘤胃健康是維持高效發(fā)酵的前提，不同碳水化合物的瘤胃發(fā)酵特性不同，對瘤胃內環(huán)境的影響各異。當日糧快速發(fā)酵碳水化合物含量過高時，瘤胃有機酸（VFA和乳酸等）的產生速度超過瘤胃緩沖能力和吸收能力，造成酸的積累，誘發(fā)亞急性瘤胃酸中毒（SARA）和急性瘤胃酸中毒。一般而言，在連續(xù)監(jiān)測的24 h內，當瘤胃pH＜5.6的持續(xù)時間超過3 h時，認為發(fā)生了SARA。SARA主要是瘤胃VFA累積所致，乳酸含量基本不變或略有增加；而急性酸中毒則是瘤胃乳酸在短時間內的大量積累，屬于乳酸中毒。伴隨SARA的發(fā)生瘤胃內毒素含量增加，影響瘤胃和機體健康，降低日糧纖維的利用率，并引發(fā)多種疾病，降低動物生產性能。趙向輝（2012）研究表明，增加苜蓿干草的切割長度可改善奶山羊瘤胃pH，緩解SARA的發(fā)生，提高纖維的有效利用率，但是，苜蓿干草的長度過長會降低采食量。李飛（2014）在奶山羊日糧飼草NDF(32.5%)、粗蛋白質(15.1%)和淀粉(29.0%)含量相同的情況下，用35%小麥替代等量玉米，瘤胃丙酸產量和淀粉分解菌數量顯著增加，纖維分解菌數量顯著減少，瘤胃液中乙丙比降低，每天瘤胃液pH低于5.6的持續(xù)時間由1.13 h增至4.72 h，表明已發(fā)生SARA，顯著降低了苜蓿干草和青貯玉米DM和NDF的瘤胃有效降解度、豆粕和膨化大豆12 hDM及CP消失率。

杜莎（未發(fā)表）評估了不同飼料原料的瘤胃產酸力（AV），結果發(fā)現(xiàn)瘤胃可降解NFC（RDNFC）是飼料酸產生力的主要來源，AV=0.96+0.15 RDNFC（R2=0.58，P＜0.01）。NFC在瘤胃中降解產生的乳酸又是瘤胃pH下降的重要原因。乙酸、丙酸及丁酸等VFA的酸解離常數平均為4.8，乳酸是3.9，因此，乳酸的酸性比VFA高近10倍，瘤胃中乳酸濃度增加可顯著降低瘤胃pH。趙向輝（2011、2012和2013）表明，NFC的組成影響瘤胃乳酸產量和pH，淀粉和蔗糖處理組體外發(fā)酵液pH低于果膠和菊粉組；日糧瘤胃可降解蛋白質（RDP）含量充足時，蔗糖和果膠在瘤胃中發(fā)酵較快，更易與RDP在速度上保持同步，在微生物合成方面比淀粉更具有優(yōu)勢；果聚糖、果膠質、半乳聚糖和β-葡聚糖合稱為中性洗滌可溶性纖維（NDSF），常規(guī)飼料中的NDSF主要為果膠質，其中甜菜渣和果渣中果膠質含量較高，在保證瘤胃纖維降解率不受影響的前提下，用NDSF替代部分淀粉可促進瘤胃微生物蛋白合成和小腸蛋白質流量。

1.2 日糧RDS含量對瘤胃健康與生產性能的影響

日糧淀粉包括RDS和RES，通過改變日糧配方、飼料原料、加工、飼喂方法等可調控淀粉的降解部位，繼而改變日糧淀粉中RDS與RES的比例。調控淀粉降解部位是提高能量利用效率的主要途徑。徐明（2007）分析認為，當淀粉在小腸的消化率低于70%時，應通過谷物的適度加工提高淀粉在瘤胃和小腸降解率，從而增加能量利用效率；但應當避免過度加工使過多的淀粉在瘤胃降解，降低能量利用效率，且危害瘤胃健康。

日糧RDS對反芻動物消化生理及生產性能等的影響取決于日糧peNDF和RDP含量、動物種類、生產水平和年齡。徐明（2004）研究表明，對日糧中粗飼料較多而精料飼喂量較低的中低產奶牛，蒸煮1/3玉米粉或開水浸泡2/3玉米粉（以增加RDS比例）可顯著提高產奶量。郝艷霜（2005）研究表明，在飼料組成完全相同的情況下，玉米粒度（整粒、粗粉及細粉玉米，RDS比例由低到高）對泌乳中期莎能奶山羊DMI、乳產量及乳成分含量、飼料利用效率、主要養(yǎng)分的表觀消化率和血液指標均無顯著影響（P＞0.05），但飼喂整粒玉米趨于降低淀粉消化率（P=0.08）。

董瀅（2006）將24只7月齡奶山羊（平均體重為17.53 kg）隨機等分為3組，飼喂含細粉（平均粒度0.76 mm）、粗粉（2.57 mm）及整粒玉米的全混日糧(三組日糧配方一致，且日糧中玉米含量均為28.35%)，結果表明，與細粉或整粒玉米相比，粗粉玉米組可提高胰腺α-淀粉酶活性；玉米粒度不影響青年奶山羊胃腸道發(fā)育，但整粒玉米組趨于提高青年奶山羊生產性能。王艷紅（2007）給9月齡的奶山羊飼喂日糧DM中淀粉含量分別為27.62%、35.20%、45.61%，而相應NDF含量依次為41.54%、34.90%、26.48%的三種日糧，結果表明淀粉的瘤胃和小腸消失量隨日糧淀粉水平的提高而提高；胰腺和小腸食糜α-淀粉酶總活性隨日糧淀粉水平的提高而降低；淀粉水平對小腸不同部位α-淀粉酶活性影響不一致；高淀粉日糧降低瘤胃乳頭高度、乳頭表面積以及瘤胃pH；淀粉水平不影響小腸形態(tài)及小腸食糜pH；日增重及飼料效率隨日糧淀粉水平的提高而提高。

1.3 瘤胃甲烷減排機理與技術

延胡索酸是三羧酸循環(huán)的中間產物，可與瘤胃內的氫結合生成丙酸，減少甲烷菌可利用氫的量。日糧CBI綜合反映碳水化合物的組成及其在瘤胃內降解特性，低CBI日糧比高CBI日糧產丙酸多，這與延胡索酸抑制甲烷產生的機理相同。劉南南（2014）分析認為延胡索酸與日糧CBI可能在甲烷產生上存在交互作用，并研究證明奶山羊日糧中添加延胡索酸（24 g/d）可增加瘤胃丙酸產量和降低甲烷菌數量，減少甲烷排放；高CBI日糧中添加延胡索酸降低甲烷效果更明顯。

韓金濤（2014）和李宗軍（2014）給5頭安裝永久性瘤胃瘺管的奶山羊飼喂全混合飼糧20 d（對照期），添加莫能菌素（32 mg/kg DM，55 d）（試驗期1），然后飼喂不添加莫能菌素的對照日糧35 d（試驗期2），結果表明，添加莫能菌素5 d時 CH4排放量（L/d，L/kg DMI）顯著降低，之后略有增加（P＞0.05），25 d后CH4排放量恢復至對照期的水平（P＞0.05）；添加莫能菌素降低乙酸（P＜0.05）、增加丙酸摩爾濃度（P＜0.01），上述結果說明莫能菌素抑制甲烷具有時間效應和劑量效應，脈沖式添加莫能菌素效果會更顯著。

李朝云（2013，2014）的體外發(fā)酵試驗表明，飼糧中添加殼聚糖可減少甲烷的產生，改變瘤胃發(fā)酵模式；添加纖維素酶提高瘤胃中粗飼料的消化，促進瘤胃發(fā)酵；殼聚糖與纖維素酶配合使用，在不降低干物質消化率的前提下，減少甲烷的產生，更有益于瘤胃的發(fā)酵，提高能量的利用率。

1.4 日糧碳水化合物平衡指數的構建

NFC和peNDF是影響瘤胃pH的關鍵日糧因素。牛羊日糧NFC的主要成分是淀粉，其中RDS是瘤胃VFA的主要來源，RDS和peNDF含量可分別反映谷物類飼料和粗飼料對瘤胃pH的影響，且二者對瘤胃pH的作用效果相反。為確定RDS和peNDF之間的平衡關系，本課題組（徐明，2007）提出反芻動物碳水化合物平衡指數（CBI8.0=peNDF8.0/RDS，或CBI1.18=peNDF1.18/RDS，或 CBIf=FNDF/RDS），我們建議使用CBI8.0。

徐明（2007）以瘤胃pH和生產性能為判定指標，通過回歸分析得到泌乳牛日糧適宜的CBIf為1.0±0.1；并通過改變奶山羊日糧中玉米含量、粗飼料含量和玉米粒度，發(fā)現(xiàn)瘤胃乳頭高度和表面積隨CBIf的提高均呈二次曲線變化（P＜0.05），CBIf約為 1.1時瘤胃乳頭高度和表面積達到最大值。

本課題組通過調整日糧中玉米含量、改變玉米粉碎粒度、熱水浸泡或水煮日糧中部分玉米、更換粗飼料或谷物種類、改變粗飼料切斷長度、控制TMR混合時間、使用不同生長期的牧草等方法調節(jié)山羊或奶牛飼糧CBI，開展系列試驗研究CBI對反芻動物采食行為、瘤胃和消化道發(fā)育、胰腺酶活性和養(yǎng)分降解率的影響。杜莎（2008）對4種CBIf（0.42、0.83、1.42、2.48）飼糧的比較研究表明，綜合考慮瘤胃液酶活性和胰腺消化酶分泌量，以及瘤胃NDF、淀粉和CP的有效降解率，山羊日糧的CBIf以0.83為宜。李飛（2014）在奶山羊日糧peNDF8.0（21.2%）和其他養(yǎng)分含量相同的情況下，用小麥替代玉米使日糧CBI8.0值分別為1.19、0.95和0.81，瘤胃pH低于5.6的持續(xù)時間依次1.20、1.43和3.05 h（P=0.004），瘤胃總VFA濃度不受影響，但乙酸濃度(mol/100 mol)依次為65.3、65.2和62.7（P=0.048），乳酸濃度（mmol）為1.22、1.53和3.55（P=0.031），苜蓿干草DM在瘤胃中24 h降解率為52.2%、52.0%和49.1%（P=0.08），同時由于瘤胃微生物區(qū)系的改變導致瘤胃液中奇數碳和支鏈脂肪酸含量增加。

peNDF含量和CBI是奶牛日糧的重要營養(yǎng)指標，對維持瘤胃內環(huán)境穩(wěn)定、提高產奶量和產奶效率具有重要意義。李飛（2014）通過Meta分析表明，保證奶牛瘤胃健康及較高DMI的日糧peNDF8.0和CBI8.0分別為12.83%～18.80%和0.70～0.80；保證較高泌乳效率(≥1.5)、乳脂率(≥3.5%)及正常瘤胃發(fā)酵模式(乙酸丙酸比≥2.2～3∶1)的 CBIf范圍為 0.93～1.30，使瘤胃 pH≥6.16的CBIf應大于1.28。

2 代謝葡萄糖的營養(yǎng)調控

飼料經反芻動物消化吸收后為代謝提供可利用葡萄糖的總量稱為代謝葡萄糖（MG），包括異生糖（內源）和小腸吸收葡萄糖（外源）。內源葡萄糖由生糖物質（主要是丙酸）在肝臟內生成。外源葡萄糖由淀粉在小腸中降解生成的葡萄糖提供，調節(jié)RES數量及其降解特性和小腸吸收能力等均可調控外源葡萄糖供應量。乳產量低于25 kg/d的奶牛，一般日糧可提供足量MG，乳產量高于30 kg/d時需適量補加小腸可吸收葡萄糖，且乳產量越高需補加的量越大(徐明，2007)。圍產期奶牛常處于能量負平衡（NEB）狀態(tài)，威脅奶牛健康和高效生產。葡萄糖是奶牛的重要能量來源，參與機體能量和蛋白質代謝過程，也是乳腺合成乳糖的重要前體物，保證MG的精準供應，已成為降低圍產期NEB和氧化應激的新思路(孫菲菲等，2013)。

2.1 過瘤胃淀粉對小腸酶活和消化吸收的影響

RES在胰腺α-淀粉酶的作用下生成葡萄糖，是反芻動物外源葡萄糖的最主要來源。淀粉在小腸的供能效率比瘤胃高42%，但過多的RES供應會降低淀粉的小腸消化率，造成能量損失。胰腺α-淀粉酶分泌不足是限制RES小腸消化率的最關鍵因素。

徐明（2007）的屠宰試驗表明，保證日糧粗蛋白質含量一致，中等淀粉日糧（35%）比低淀粉（27%）和高淀粉（45%）日糧提高了山羊胰腺組織和小腸食糜α-淀粉酶總活性（P＜0.05）；粗粉玉米比細粉玉米或整粒玉米提高了胰腺組織和小腸食糜α-淀粉酶總活性（P＜0.05）；胰腺α-淀粉酶總分泌活性（IU/d）隨RES數量的提高呈二次曲線變化(P＜0.05)，RES為 102 g/d時胰腺α-淀粉酶總分泌量達到最大。王艷紅（2007）發(fā)現(xiàn)，隨日糧淀粉含量增加，山羊空腸絨毛高度呈先增加后下降的變化趨勢，淀粉含量為35%時，回腸絨毛高度達到最大值，表明適當提高日糧淀粉水平可增強小腸吸收功能。徐明（2007）綜合國內外已有試驗證據，提出了日糧淀粉影響胰腺α-淀粉酶表達和分泌的途徑和規(guī)律（見圖2）。

圖2 日糧淀粉對反芻動物胰腺α-淀粉酶表達和分泌的影響途徑

2.2 功能性氨基酸對胰腺外分泌功能及小腸消化代謝的影響

研究表明，增加十二指腸蛋白質流量可改善反芻動物胰腺α-淀粉酶分泌和小腸淀粉消化。于志鵬（2013）在綜合分析前人和本課題組的研究結果的基礎上提出假設：蛋白質通過①腸腔AA-CCK-mRNA/mTOR和②血液AA-mRNA/mTOR或血液AA-insu?linmRNA/mTOR兩條途徑調控胰腺發(fā)育和消化酶合成（見圖3），且苯丙氨酸（Phe)和亮氨酸(Leu)分別是調控兩條途徑的最有效氨基酸。

圖3 蛋白質（氨基酸）對胰腺發(fā)育和胰酶表達的調控途徑

于紅霞（2011）研究十二指腸灌注Leu（0、3、6、9 g/d）對周歲關中奶山羊胰腺外分泌功能、血液葡萄糖及胰島素濃度、消化道養(yǎng)分表觀消化率的影響，結果表明，隨Leu灌注水平升高，胰腺α-淀粉酶的分泌呈先升高后降低再回升的變化規(guī)律，且Leu對胰腺α-淀粉酶分泌的影響不依賴于胰島素。

于志鵬（2013和2014）通過十二指腸灌注試驗，研究十二指腸Phe和Leu對山羊胰腺發(fā)育、血液激素水平、胰腺消化酶轉錄、翻譯和分泌過程的影響，結果表明，十二指腸灌注Leu和Phe可有效調控胰腺外分泌功能和小腸食糜酶活，且這種調控作用主要發(fā)生在轉錄和翻譯層次。

劉燁（2013）和劉凱等（2015）對周歲荷斯坦母牛[(215±7)kg]進行十二指腸Leu灌注試驗（0、10、20和30 g/d），每期灌注12 h，連續(xù)采樣36 h，結果表明，十二指腸灌注Leu作為營養(yǎng)信號以時間和劑量依賴性刺激胰腺α-淀粉酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶和脂肪酶的分泌。

劉凱等（2015）通過體外胰腺組織培養(yǎng)研究Leu（0、2.62、5.24和10.48 mg/l）對消化酶活性和mTOR信號通路的影響。結果表明，胰腺組織培養(yǎng)液中添加Leu可通過調控mTOR信號通路而顯著提高消化酶的合成。

2.3 圍產期奶牛肝臟能量代謝調控

圍產期奶牛常處于NEB狀態(tài)，此時奶牛通過體脂動員來緩解NEB，脂肪組織釋放大量非酯化脂肪酸（NEFA），NEFA進入肝臟進行代謝，部分氧化形成酮體，能量效率較低，極易引發(fā)奶牛酮病；部分再酯化形成甘油三酯（TG）在肝臟沉積，誘發(fā)脂肪肝，降低肝臟功能，造成糖異生障礙，導致機體葡萄糖不足，進一步加劇NEB（見圖4）。此外，此階段奶牛還遭受分娩、泌乳、日糧轉換等應激和乳房炎、真胃移位、氧化應激損傷等代謝性疾病，嚴重威脅奶牛健康和產后泌乳性能。

孫菲菲（未發(fā)表）和李生祥（2014）等系統(tǒng)研究了過瘤胃膽堿（RPC）和過瘤胃蛋氨酸（RPM）對圍產期奶牛營養(yǎng)代謝和健康的影響。試驗分為4個組，每組12頭圍產期經產奶牛，分別為對照組、添加膽堿組（RPC 15 g/d）、蛋氨酸組（RPM 15 g/d）和混合添加組（15 g/d RPC+15g/d RPM），試驗期42 d（即產前和產后各3周）。研究發(fā)現(xiàn)：①RPC和RPM均可降低血漿NEFA和β-羥基丁酸（BHBA）濃度，升高血糖水平，并提高奶牛產后DMI，緩解圍產期NEB。②RPC和RPM均增加血液載脂蛋白100和極低密度脂蛋白濃度，說明二者可促進脂質轉運出肝臟，減少肝脂沉積，從而降低奶牛圍產期脂肪肝的發(fā)生風險。③二者均提高外周血淋巴細胞亞群（CD4+/CD8+）比例，提高機體免疫機能，增進健康。④RPC和RPM可改善奶牛產后泌乳性能。

圖4 圍產期奶牛肝臟NEFA的代謝途徑