姚軍虎 申 靜

（西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西楊凌712100）

反芻動(dòng)物的瘤胃內(nèi)棲居著大量的微生物，可通過 發(fā)酵日糧碳水化合物產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和ATP，為機(jī)體供能和用于微生物蛋白質(zhì)合成。非纖維性碳水化合物是反芻動(dòng)物主要的能量來源，在高產(chǎn)反芻動(dòng)物日糧中占40%～50%，淀粉是其主要組成成分（Ortega 等，2003），淀粉在瘤胃的降解速率與降解量是影響瘤胃代謝和健康的重要營養(yǎng)因素（Zebeli 等，2010）。生產(chǎn)中常通過改變谷物來源及其加工方式調(diào)控淀粉的瘤胃降解特性。隨著對養(yǎng)分營養(yǎng)實(shí)質(zhì)認(rèn)識的提高，奶牛日糧營養(yǎng)指標(biāo)的有效性不斷改進(jìn)，奶牛生產(chǎn)性能和產(chǎn)奶效率也隨之提高（圖1），但NRC（2001）和我國（NY/T 34—2004）奶牛飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)中仍采用日糧淀粉含量這一表觀指標(biāo)，不能反映降解位點(diǎn)對淀粉能量效率的影響。瘤胃可降解淀粉（RDS）可用于評價(jià)日糧淀粉對瘤胃與機(jī)體代謝的影響（Huhtanen等，2006；Zebeli等，2010；李飛，2014）。本文總結(jié)本團(tuán)隊(duì)近年研究，綜合論述日糧瘤胃可降解淀粉（RDS）對反芻動(dòng)物胃腸道代謝與健康及生產(chǎn)性能的影響，為優(yōu)化反芻動(dòng)物淀粉利用和高效精準(zhǔn)日糧設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 奶牛營養(yǎng)評價(jià)指標(biāo)演變

1 日糧淀粉的降解與調(diào)控方式

反芻動(dòng)物日糧淀粉包括RDS 和過瘤胃淀粉(RES)。通常，谷物淀粉在瘤胃的降解率約為75%～80%，進(jìn)入小腸的淀粉約有35%～60%被降解(消化)，到達(dá)后腸道的淀粉約有35%～50%被降解(Harmon，2009)。

1.1 淀粉的瘤胃微生物降解

淀粉在瘤胃內(nèi)被微生物分泌的淀粉酶水解為單糖，進(jìn)入胞內(nèi)代謝產(chǎn)生VFA，并釋放能量用于微生物蛋白合成（Huntington 等，2006）。瘤胃內(nèi)主要的淀粉降解菌包括普雷沃氏菌(Prevotella)、嗜淀粉瘤胃桿菌(Ruminobacter amylophilus)、溶淀粉琥珀酸單胞菌(Succinimonas amylolytica)、反芻獸新月形單胞菌(Selenomonas ruminantium)、牛鏈球菌(Streptococcus bovis)和雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)（馮仰廉，2006）。這些微生物通過產(chǎn)生α-1, 4 和α-1, 6 淀粉酶水解直鏈和支鏈淀粉的糖苷鍵，釋放寡糖（表1）。瘤胃微生物分泌的碳水化合物活性酶（CAZymes）根據(jù)其序列特異性分為:糖苷轉(zhuǎn)移酶（GTs）、糖苷水解酶（GHs）、多糖裂解酶（PLs）和碳水化合物酯酶（CEs），碳水化合物結(jié)合模塊（CBMs）和輔助模塊酶（AAs）（Boraston 等，2004；Vincent 等，2014）。GHs 中含大量酶能夠降解多糖如淀粉、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和幾丁質(zhì)等（Stewart等，2018）。負(fù)責(zé)淀粉水解的GHs 主要有:GH13、GH31、GH57 和GH77，其中GH13 是主要的淀粉水解家族，GH13-CBM48 是主要的淀粉水解酶體系（Machovic等，2008；Sophie等，2017；Zhang等，2017）。

表1 淀粉水解酶

以Bacteroides thetaiotaomicron 為例展示淀粉被微生物降解的過程（如圖2）。在B. thetaiotaomicron的基因組中有236 個(gè)GHs 和15 個(gè)PLs，在淀粉降解過程中起重要作用的基因集sus 含8 個(gè)基因。B. thetaiotaomicron 細(xì)胞表面具有麥芽糖誘導(dǎo)的外膜蛋白SusC、SusD、SusE 和SusF，結(jié)合淀粉分子。SusG 編碼支鏈淀粉酶剪切直鏈和支鏈淀粉的α-1, 4 糖苷鍵，將淀粉分子剪切成寡糖分子，使其進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。SusA 存在于細(xì)胞周質(zhì)中，在寡糖通過細(xì)胞質(zhì)膜時(shí)水解寡糖。

圖2 Bacteroides thetaiotaomicron的淀粉降解過程（Flint等，2008）

1.2 淀粉的小腸酶解

在胰腺α-淀粉酶的作用下，淀粉在小腸被水解為糊精和寡糖，繼而被腸黏膜分泌的二糖酶水解為葡萄糖，進(jìn)入后續(xù)代謝或周轉(zhuǎn)。淀粉在瘤胃內(nèi)被微生物降解的過程中伴隨著氣體產(chǎn)生和熱量耗損，且微生物代謝也消耗能量。因此，淀粉在小腸被直接酶解為葡萄糖的能量利用率更高（Harmon，2009）。為降低亞急性瘤胃酸中毒風(fēng)險(xiǎn)和提高日糧淀粉利用效率，有學(xué)者提出增加日糧過瘤胃淀粉含量的觀點(diǎn)。然而，反芻動(dòng)物胰腺淀粉酶分泌相對不足，導(dǎo)致小腸淀粉消化率不到60%，故僅將淀粉消化位點(diǎn)從瘤胃轉(zhuǎn)移至小腸并不能提高其整體利用效率。針對“胰腺α-淀粉酶分泌不足限制反芻動(dòng)物小腸淀粉的消化與利用”這一關(guān)鍵科學(xué)問題，本團(tuán)隊(duì)持續(xù)開展十余年研究工作，提示一些支鏈和功能性氨基酸（如苯丙氨酸、亮氨酸和纈氨酸等）可通過調(diào)節(jié)膽囊收縮素分泌和激活mTOR通路促進(jìn)胰腺發(fā)育和胰酶合成，進(jìn)一步提高小腸淀粉消化利用（Liu 等，2015；Ren 等，2020a；郭龍，2019；姚軍虎，2013；于志鵬，2013）。

1.3 日糧淀粉降解特性的調(diào)控

瘤胃淀粉降解量受日糧淀粉含量、淀粉降解率和瘤胃食糜的流通速率等因素的影響。改變谷物含量、選擇谷物類型及其加工方式可調(diào)控日糧瘤胃可降解淀粉含量（Offner 等，2003）。谷物的淀粉特性影響其降解率:淀粉的晶體結(jié)構(gòu)、顆粒大小和形狀、直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量以及蛋白質(zhì)基質(zhì)的存在是決定植物淀粉特性的主要因素（French，1973）。與玉米相比，大麥和小麥淀粉中的支鏈淀粉比例更高，不溶性蛋白包被較少，更有利于微生物的接觸，故其淀粉的瘤胃有效降解率更高（Mosavi 等，2012；Callison 等，2001）。

根據(jù)冷熱干濕方法，谷物飼料的加工方式可分為:干冷、冷濕、干熱和濕熱加工法。生產(chǎn)中常用的有破碎、蒸汽碾壓和蒸汽壓片。破碎降低了谷物原料的顆粒大小，進(jìn)而增加了淀粉與瘤胃微生物的接觸面積，提高其瘤胃降解率。對玉米進(jìn)行蒸汽壓片處理會(huì)提高淀粉降解率（Zebeli 等，2010）。蒸汽壓片是將谷物經(jīng)過高溫蒸汽處理使谷物糊化，再經(jīng)壓片將蛋白質(zhì)包被破裂，使淀粉顆粒釋放出來，從而增加其與微生物的接觸面積，提高降解率（Kotarski 等，1992；Vonnie，2017）。

2 瘤胃可降解淀粉對瘤胃和后腸道代謝與健康的影響

增加反芻動(dòng)物日糧RDS可促進(jìn)瘤胃丙酸型發(fā)酵，有利于能量高效利用；但RDS 過高會(huì)導(dǎo)致異常發(fā)酵，造成瘤胃乳酸與內(nèi)毒素積累，嚴(yán)重威脅瘤胃和機(jī)體健康，降低生產(chǎn)性能。

2.1 瘤胃可降解淀粉對瘤胃代謝與健康的影響

日糧RDS 增加可提高瘤胃VFA 產(chǎn)量，且瘤胃發(fā)酵模式趨向于丙酸型發(fā)酵（Ren 等，2020b）。在瘤胃微生物及相關(guān)酶作用下，葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸和丁酸對機(jī)體的能量供給分別為葡萄糖原來能量（2 805 kJ/mol）的62%、109%和78%（Ryle 等，1990），可見，瘤胃丙酸型發(fā)酵的能量效率最高（李宗軍，2018）。富含淀粉的日糧可促進(jìn)丙酸產(chǎn)生菌增殖，抑制甲烷產(chǎn)生菌（Bannink 等，2006；Ellis 等，2008）。二羧酸（如天冬氨酸、蘋果酸、延胡索酸）可通過琥珀酸途徑生成丙酸，這一過程需利用氫，可與甲烷菌競爭氫，從而減少甲烷產(chǎn)生，降低能量損失（Offner 等，2006），增加瘤胃中的能量利用效率。

RDS 過高會(huì)增加瘤胃VFA 和乳酸產(chǎn)量，降低瘤胃pH 值，引發(fā)亞急性瘤胃酸中毒（SARA）（Gozho 等，2007；Li 等，2014a）。當(dāng)瘤胃pH 值降至一定閾值（5.0～6.0）時(shí)，纖維降解菌活性明顯下降（Mould 等，1983），進(jìn)而降低日糧纖維的瘤胃降解率。反芻動(dòng)物瘤胃中主要的纖維降解菌為白色瘤胃球菌(Ruminococcus albus)、黃色瘤胃球菌（Ruminococcus flavefaciens）和產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌(Fibrobacter succinogenes)。本團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)，日糧小麥部分替代玉米誘導(dǎo)奶山羊發(fā)生SARA 的模型中，顯著降低R. flavefaciens 和F. succinogenes 豐度（Li 等，2014a），SARA組顯著降低了苜蓿和玉米青貯的NDF 有效降解率（Li 等，2014b）。前期研究集中于日糧RDS 對瘤胃發(fā)酵特性及微生物組成的影響，本團(tuán)隊(duì)近期利用宏基因組學(xué)技術(shù)研究日糧RDS 對瘤胃微生物功能的影響，結(jié)果表明提高日糧RDS 含量可降低內(nèi)切纖維素酶基因的碳水化合物活性酶家族GH9 的基因豐度。

小麥部分替代玉米增加日糧RDS 可引起奶山羊SARA，提高了瘤胃淀粉降解菌R. amylophilus 和S.amylolytica 的豐度，對小麥和玉米淀粉的瘤胃有效降解率無影響，但提高了玉米淀粉慢速降解部分的降解速率（Li等，2014b）。本團(tuán)隊(duì)近期開展的研究表明，高RDS可提高瘤胃中淀粉轉(zhuǎn)葡糖苷酶的基因豐度，但降低了淀粉降解相關(guān)碳水化合物酶家族GH13-9 和CBM48 的基因豐度，說明高RDS 可能提高淀粉酶濃度但降低淀粉酶的水解活性。

2.2 瘤胃可降解淀粉對后腸道代謝與健康的影響

RES 大部分在小腸中由α-淀粉酶及二糖酶等催化水解成葡萄糖，其他則到達(dá)大腸，主要由大腸微生物降解生成VFA。高谷物日糧條件下，小腸未消化的淀粉進(jìn)入大腸進(jìn)行發(fā)酵，降低盲腸和結(jié)腸食糜pH值，造成LPS和生物胺積累，損害腸道上皮的緊密連接結(jié)構(gòu)（Liu 等，2014）。本團(tuán)隊(duì)最新研究表明，提高RDS（小麥部分替代玉米）可降低泌乳期奶山羊盲腸MUC2的表達(dá)量與菌群抗壓能力，增加菌群潛在致病性；類似地，通過粉碎玉米替代整粒玉米提高RDS，也降低了青年奶山羊結(jié)腸MUC2的表達(dá)量，提高了革蘭氏陰性菌豐度，有提高LPS濃度和兼性厭氧菌豐度的趨勢。與飼喂高精料不同，在日糧淀粉含量基本一致的前提下，提高RDS水平可降低到達(dá)后腸道的淀粉含量。上述結(jié)果提示，日糧高RDS對后腸道屏障的損傷并非由淀粉發(fā)酵導(dǎo)致，但是否與瘤胃或小腸的代謝產(chǎn)物有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。

3 瘤胃可降解淀粉對泌乳性能的影響

為滿足高產(chǎn)泌乳反芻動(dòng)物的能量需要，生產(chǎn)中常應(yīng)用高精料或高谷物日糧，極易引起乳脂降低綜合癥（MFD），危害動(dòng)物機(jī)體健康，造成經(jīng)濟(jì)損失。反芻動(dòng)物MFD 的機(jī)制包括胃腸道消化和組織代謝兩方面，主要因乳脂合成前體物的減少所致（Bauman 等，2003；Bauman，2011）。

反芻動(dòng)物乳脂前體物質(zhì)來源于兩部分:小于C14和部分C16脂肪酸由乳腺上皮細(xì)胞從頭合成；其他長鏈脂肪酸由血液吸收（Shingfield等，2013）。乳脂降低的原因包括:①瘤胃乙酸和丁酸產(chǎn)量不足限制乳腺乳脂合成（Sutton 等，1989）；②肝臟損傷造成營養(yǎng)重分配，促進(jìn)脂質(zhì)β-氧化（Li等，2017）；③瘤胃中的部分氫化產(chǎn)物抑制乳腺中乳脂的從頭合成（Shingfield 等，2010）；④胰高血糖素-胰島素介導(dǎo)的乳腺組織和非乳腺組織營養(yǎng)分配（Jenny 等，1974）。本團(tuán)隊(duì)正在開展日糧RDS調(diào)控奶畜乳脂合成的相關(guān)試驗(yàn)，初步結(jié)果顯示，高RDS 可下調(diào)乳脂合成相關(guān)基因的表達(dá)，降低奶山羊乳脂產(chǎn)量（Zheng 等，2020）。進(jìn)一步分析瘤胃氫化細(xì)菌與瘤胃和乳中長鏈脂肪酸表明:高RDS降低了溶纖維丁酸弧菌屬和假單胞丁酸弧菌屬豐度，抑制了trans 10, cis 12-共軛亞油酸（CLA）向trans 11 C18∶1的轉(zhuǎn)化，從而提高瘤胃液和乳中trans 10, cis 12-CLA濃度。前人研究報(bào)道，trans 10, cis 12- CLA可抑制奶畜乳腺上皮細(xì)胞中脂肪酸從頭合成，誘導(dǎo)MFD，該調(diào)控途徑對乳脂合成的貢獻(xiàn)最高可達(dá)50%（Bauman，2011）。結(jié)果提示，提高RDS 影響瘤胃內(nèi)細(xì)菌氫化過程，提高乳腺trans 10, cis 12-CLA 濃度，抑制乳腺乳脂合成，如圖3。

肝臟作為反芻動(dòng)物重要的免疫與代謝器官，可調(diào)控乳成分前體物進(jìn)入乳腺。高精料日糧可提高瘤胃LPS濃度，損傷瘤胃上皮，且瘤胃LPS可移位至外周血液循環(huán)進(jìn)入機(jī)體各組織、器官（Li 等，2017）。研究表明，LPS引發(fā)肝臟炎癥反應(yīng)，引起營養(yǎng)重分配，促進(jìn)脂肪酸的β-氧化（Dong等，2013）。本團(tuán)隊(duì)研究亦發(fā)現(xiàn):奶山羊高RDS顯著提高肝臟L-肉毒堿和L-棕櫚酰肉毒堿濃度，降低磷脂酰膽堿濃度及部分游離脂肪酸濃度，這表明高RDS促進(jìn)脂肪酸β-氧化，阻礙甘油三酯轉(zhuǎn)運(yùn)，減少進(jìn)入乳腺的乳脂前體物。

同時(shí)，研究結(jié)果表明奶山羊高RDS提高頸靜脈堿性磷酸酶活性，提示膽管堵塞，影響膽汁正常分泌。與此同時(shí)，高RDS組提高肝臟?；蛆Z膽酸和牛磺脫氧膽酸濃度，降低乳動(dòng)脈和乳靜脈?；悄懰釢舛取Ｄ懼岽龠M(jìn)脂肪酸代謝，但膽汁酸對反芻動(dòng)物乳脂含量與產(chǎn)量的影響有待進(jìn)一步研究。

圖3 日糧RDS影響奶山羊乳腺乳脂合成（Zheng等，2020）

4 日糧淀粉能量利用效率

飼料淀粉在消化道的降解位點(diǎn)顯著影響淀粉的能量效率。提高淀粉在小腸中的消化率可提高淀粉的全消化道能量轉(zhuǎn)化效率；當(dāng)?shù)矸墼谛∧c中的消化率高于75%時(shí)，增加淀粉在瘤胃中的降解率，淀粉的全消化道的能量轉(zhuǎn)化效率降低；相反，當(dāng)?shù)矸墼谛∧c中的消化率低于75%時(shí)，增加淀粉在瘤胃中的降解率，淀粉的全消化道能量轉(zhuǎn)化效率提高（圖4）。

淀粉在瘤胃內(nèi)降解的能量利用效率為小腸降解的61%～73%，平均為70%，在大腸內(nèi)降解的效率僅為小腸降解的35%～50%（Harmon 等，2001）。 因此，我們可以預(yù)估淀粉在反芻動(dòng)物整個(gè)消化道的能量利用效率，我們提出了日糧淀粉能量利用效率（SEF）的概念，計(jì)算方法為:

SEF（%）=0.70RDS+1.0SIDS+0.40LIDS

式中:RDS——瘤胃降解淀粉占日糧的百分比（%）；

SIDS——小腸降解淀粉占日糧的百分比（%）；

LIDS——大腸降解淀粉占日糧的百分比（%）。且假設(shè)淀粉在小腸完全降解的能量利用效率為1。從公式可看出，提高小腸可消化淀粉可提高淀粉的能量利用效率。

圖4 根據(jù)淀粉在全消化道的消化率計(jì)算的淀粉能量效率（Harmon，2009）

SEF 受淀粉小腸消化率影響。當(dāng)?shù)矸鄣男∧c消化率低于70%時(shí)，在保證瘤胃健康的前提下，提高RDS 可提高淀粉能量利用效率。小腸淀粉的利用存在限制性，消化率很低；通過綜合營養(yǎng)調(diào)控措施提高RES 的小腸消化率，亦可提高反芻動(dòng)物日糧淀粉SEF。

提高淀粉能量利用效率，可節(jié)約飼料原料，有利于促進(jìn)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。如果按中高產(chǎn)奶牛每天玉米攝入量5 kg、玉米SEF76%計(jì)算，通過瘤胃和小腸的營養(yǎng)調(diào)控，使SEF提高2%，每頭泌乳?？晒?jié)省玉米0.128 kg/d。如果將低產(chǎn)及其他階段牛折算為高產(chǎn)牛，全國高產(chǎn)泌乳牛按300 萬頭計(jì)算，每年可節(jié)約玉米約14萬噸（約2.38億元，或節(jié)約耕地約20萬畝）。

5 小結(jié)

越來越多的研究表明，RDS是決定反芻動(dòng)物消化道健康與養(yǎng)分利用的關(guān)鍵日糧因子，是比淀粉更為有效的營養(yǎng)指標(biāo)。目前，反芻動(dòng)物飼糧配方仍應(yīng)用淀粉水平這一表觀指標(biāo)，不能充分體現(xiàn)淀粉降解位點(diǎn)的差異。研究牛羊RDS 適宜需要量是保證消化道健康和高效生產(chǎn)的迫切技術(shù)需求。