徐曉鋒，張力莉

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)系，寧夏銀川750021）

粗纖維對奶牛的營養(yǎng)作用及寡糖對其酶解誘導(dǎo)調(diào)控

徐曉鋒*，張力莉

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)系，寧夏銀川750021）

本文綜述了纖維素的結(jié)構(gòu)與組成，粗纖維在奶牛瘤胃中的降解及其對乳品質(zhì)影響，寡糖對奶牛瘤胃纖維降解酶合成誘導(dǎo)與調(diào)控，并對奶牛瘤胃纖維降解調(diào)控進(jìn)行了展望。

奶牛；纖維；營養(yǎng)；寡糖；調(diào)控

奶牛養(yǎng)殖業(yè)是現(xiàn)代畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)的重要組成部分，經(jīng)過長期的積累與高速的發(fā)展，已經(jīng)逐步成為一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。粗飼料是奶牛最主要的飼料來源，在奶牛生產(chǎn)中占有重要地位。當(dāng)前我國粗飼料的利用呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：（1）受我國耕地面積限制，優(yōu)質(zhì)苜蓿和青貯玉米產(chǎn)能不足。（2）秸稈等資源豐富、利用率低。隨著奶業(yè)的快速增長，奶業(yè)發(fā)展過程中的矛盾和問題逐漸凸顯，精飼料的過量應(yīng)用會導(dǎo)致奶牛瘤胃液pH值降低，瘤胃微生物降解纖維的活力下降，飼料轉(zhuǎn)化效率降低，乳中脂肪酸組成發(fā)生改變，乳脂率出現(xiàn)下降（Ellis等，2012；Mullins和Bradford，2010），奶牛生產(chǎn)壽命縮短，制約了我國奶牛產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

粗飼料的組成及其在瘤胃中的有效降解與奶牛的產(chǎn)奶量和乳成分合成密切相關(guān)，同時(shí)對奶牛機(jī)體健康有顯著影響。當(dāng)前我國奶業(yè)正處在由傳統(tǒng)數(shù)量增長進(jìn)入質(zhì)量效益階段發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期（李勝利，2013）。我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展與飼料資源的巨大需求之間的矛盾已經(jīng)成為制約我國奶業(yè)發(fā)展的突出問題，提高飼料轉(zhuǎn)化率和牛奶質(zhì)量是衡量奶業(yè)質(zhì)量效益發(fā)展的重要指標(biāo)（王加啟，2011）。

1　粗纖維飼料的結(jié)構(gòu)與組成

植物木質(zhì)素主要由三種聚合物組成：纖維素（40%～50%）、半纖維素（20%～40%）和木質(zhì)素（20%～30%）。這三種聚合物異質(zhì)性地交聯(lián)在一起（Chandra等，2007）。纖維素分子是由葡萄糖分子通過β-1，4葡萄糖苷鍵連接而成的鏈狀高分子聚合物，每個(gè)分子中含的葡萄糖殘基數(shù)從100到20000個(gè)不等。當(dāng)多條葡萄糖鏈聚集形成基元纖絲時(shí)，葡萄糖殘基上的幾乎所有羥基都同與其相鄰的糖鏈上的羥基之間形成了氮鍵，從而形成了連水分子也難以插進(jìn)去的結(jié)晶體（Johnson等，2006）。纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)造成了酶蛋白分子與糖苷鍵接觸的困難，是纖維素酶的酶解效率低的重要原因。

在植物細(xì)胞壁中的半纖維素存在三個(gè)主要類型：木聚糖、木葡聚糖、半乳糖基甘露聚糖。木聚糖是最豐富的半纖維素資源。像纖維素一樣，木葡聚糖骨架由β-1，4連接的D-葡萄糖單元組成，但是葡萄糖殘基可以被D-木糖殘基修飾（Vincken等，1997）。這些木糖殘基可以進(jìn)一步被L-阿拉伯糖、D-半乳糖、L-巖藻糖或乙酰殘基修飾，產(chǎn)生更多樣的木葡聚糖結(jié)構(gòu)（Huisman等，2000）。

2　粗纖維飼料在奶牛瘤胃中的降解及對乳品質(zhì)影響

2.1粗纖維在奶牛瘤胃中的降解瘤胃細(xì)菌、原蟲和真菌通過酶的催化使纖維素和半纖維素分解為瘤胃能夠吸收的小分子物質(zhì)（Zebeli等，2012；Aschenbach等，2011）。瘤胃微生物能分泌產(chǎn)生多種纖維素和半纖維素降解酶，彼此之間產(chǎn)生協(xié)同作用，使得一種微生物的代謝產(chǎn)物成為另一種微生物的代謝底物，使纖維素和半纖維素原料被高效利用（An等，2005），最終分別水解成可發(fā)酵的葡萄糖和木糖進(jìn)而產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸。

2.2粗纖維瘤胃降解對乳品質(zhì)的影響纖維物質(zhì)在瘤胃內(nèi)被分解后生成乙酸，在瘤胃中產(chǎn)生高乙酸比例的日糧，能提高乳脂肪且效率很高，這已在很多研究和生產(chǎn)實(shí)踐中得到證實(shí)。乙酸轉(zhuǎn)化為乳脂肪的效率為67%～71%。

我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展與飼料資源的巨大需求之間的矛盾已經(jīng)成為制約我國奶業(yè)發(fā)展的突出問題，目前生產(chǎn)中的關(guān)注重點(diǎn)還是通過提高日糧精飼料比例來提高營養(yǎng)物質(zhì)攝入量和提高產(chǎn)奶量。但是精飼料的過量應(yīng)用會導(dǎo)致奶牛瘤胃液pH值降低，瘤胃纖維降解菌的活力被抑制，飼料轉(zhuǎn)化效率降低，乳中脂肪酸組成發(fā)生改變，乳脂率出現(xiàn)下降（Ellis等，2012；Mullins和Bradford，2010）。瘤胃pH值降低會抑制瘤胃纖維降解菌的活力（Mullins和Bradford，2010；王海榮，2006；王吉峰，2004），影響纖維的消化（Khorasani等，2001），進(jìn)而導(dǎo)致瘤胃發(fā)酵產(chǎn)物發(fā)生改變，合成乳脂的前體物合成不足造成乳脂率降低（Bauman和Griinari，2003）。

應(yīng)用同位素研究表明，高纖維飼糧條件下，瘤胃微生物蛋白更有利于形成乳蛋白，并且纖維日糧更易使瘤胃食糜流向后段消化道，從而也使更多的微生物蛋白進(jìn)入小腸被吸收入血，在乳腺合成乳蛋白（Hristov和Ropp，2003）。目前生產(chǎn)中由于飼養(yǎng)管理不當(dāng)導(dǎo)致奶牛乳脂乳蛋白偏低已成普遍問題。

2.3奶牛瘤胃纖維降解酶系統(tǒng)參與日糧纖維降解的瘤胃微生物主要有產(chǎn)琥珀酸擬桿菌、白色瘤胃球菌、黃色瘤胃球菌、溶纖維丁酸弧菌、梭菌等（Stewart，1997）。真菌也擁有能水解植物細(xì)胞壁的多種酶（Williams，1994），瘤胃細(xì)菌和瘤胃真菌的有機(jī)組合和協(xié)同作用能更有效地降解纖維素（Kamra等，2005）。

瘤胃微生物分泌產(chǎn)生的多種纖維素降解酶組成了整套的酶系統(tǒng)，其中主要有纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶等。彼此之間產(chǎn)生協(xié)同作用，使得一種微生物的代謝產(chǎn)物成為另一種微生物的代謝底物，使木質(zhì)纖維素原料被高效利用。這些酶有的是分泌到細(xì)胞外的游離酶，有的是錨定在微生物細(xì)胞表面的。在這些酶中，研究最多的為纖維素酶和木聚糖（半纖維素）酶（Schwarz等，2001）。

纖維素酶目前主要有三類：內(nèi)切纖維素酶、外切纖維素酶（包括纖維糊精酶和纖維二糖水解酶）、β葡萄糖苷酶。內(nèi)切纖維素酶在纖維素降解中具有極其重要的地位，是纖維素降解過程的第一步，能在纖維素分子的無定型區(qū)隨機(jī)切斷β-1，4糖苷鍵，產(chǎn)生大量的纖維寡糖，為外切纖維素酶提供開放的游離末端（Krause等，2003）。外切纖維素酶以一種持續(xù)性的方式作用于纖維素多糖鏈的還原和非還原末端，主要釋放葡萄糖（纖維糊精酶）或纖維二糖（纖維二糖水解酶）。外切纖維素酶是唯一一種能夠降解纖維素微晶區(qū)的酶，對于晶體纖維素降解有著極其重要的作用（Teeri，1997）。纖維素酶系統(tǒng)可以展示出一種協(xié)同作用，比各個(gè)酶的活性的總和還強(qiáng)（Teeri等，1998）

半纖維素的主要成分是木聚糖，木聚糖酶是其降解過程中的關(guān)鍵酶，它以內(nèi)切方式水解木聚糖分子中β-1，4-糖苷鍵，生成低聚木糖和少量木糖，低聚木糖由木糖苷酶通過外切方式進(jìn)一步水解為木糖（Dodd等，2009）。瘤胃作為木質(zhì)纖維素高效降解的天然體系，含有豐富的木聚糖降解微生物和降解酶。

瘤胃細(xì)菌和真菌分泌的纖維素酶及半纖維素酶是豐富多樣的，對瘤胃宏基因組研究發(fā)現(xiàn)分別屬于35種糖苷水解酶家族的總共3800多條序列，其中包括GH1、2、3、5、8、9、10、11、16、26、36、43、48、51、92、97家族的纖維素酶或半纖維素酶序列（Brulc等，2009）。目前研究對象主要集中在牦牛、水牛以及羊上面，研究內(nèi)容主要集中在纖維素酶、木聚糖酶的某些基因的克隆與表達(dá)以及多樣性分析，而在奶牛上的開展較少。

3　寡糖對奶牛瘤胃纖維降解酶合成誘導(dǎo)與調(diào)控

目前瘤胃纖維降解酶中只有很少的一部分進(jìn)行了性質(zhì)研究，其中大部分研究集中在GH5內(nèi)切纖維素酶和GH10及GH11木聚糖酶。瘤胃作為有效利用天然粗飼料的轉(zhuǎn)化器尚有待開發(fā)。

寡糖是由2～10個(gè)單糖經(jīng)脫水縮合由糖苷鍵連接形成的具有直鏈或支鏈的低度聚合糖類的總稱。Broderick和Radloff（2004）研究報(bào)道，奶牛日糧添加糖蜜（主要為單糖和二糖）顯著提高了日糧纖維消化率。在綿陽與黃牛日糧中添加甘露寡糖提高了瘤胃纖維的降解率（肖宇，2012；鐘志勇，2012）。Xu等（2013）在不同處理的玉米秸稈飼料中添加糖蜜體外發(fā)酵研究中也得到了相似的結(jié)果。在奶牛上研究發(fā)現(xiàn)蔗糖添加顯著提高了日糧纖維消化率，有助于抑制乳脂下降（Penner等，2009；Firkins，2008）。Martel等（2009）研究報(bào)道，糖蜜添加改變了瘤胃脂肪氫化作用，進(jìn)而提高乳脂率，而脂肪酸氫化與瘤胃纖維降解酶有關(guān)。寡糖對奶牛乳脂下降的調(diào)控具有一定的作用（Firkins，2011；Masahito，2011）。一些研究表明，寡糖對纖維降解酶基因表達(dá)具有調(diào)控作用，不同組成糖誘導(dǎo)結(jié)果不一。有的認(rèn)為與來源有關(guān)，有的推斷由其化學(xué)鍵形式導(dǎo)致，而絕大部分研究都是在菌體分離培養(yǎng)下進(jìn)行開展（李潔，2014；張曉萍等，2010；謝天文等，2010；王曉芳等，2002）。寡糖提高瘤胃纖維降解率以及提高乳脂率的作用機(jī)制尚未闡明，哪些寡糖起作用目前了解還不夠深入。

4　小結(jié)

提高粗飼料利用效率是實(shí)現(xiàn)奶牛產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)、環(huán)境友好型發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而保證健康、高效的瘤胃發(fā)酵是提高反芻動(dòng)物粗飼料利用效率的基礎(chǔ)，提高乳品質(zhì)量是營養(yǎng)調(diào)控的首要目標(biāo)。

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This paper summarized cellulose structure and composition，degradation of forage fiber in dairy cow rumen and its influence on the quality of milk，regulation effect of oligosaccharides on rumen cellulolytic enzyme synthesis，and regulation of ruminal fiber degradation were prospected.

dairy cows；crude fiber；nutrition；oligosaccharide；regulation and control

S816.15

A

1004-3314（2016）18-0017-03

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20161805

國家自然科學(xué)基金（31460619）