吳志立,姚軍虎,雷新建

(西北農(nóng)林科技大學動物科技學院,楊凌 712100)

圍產(chǎn)期是奶畜繁殖周期中的關(guān)鍵階段,圍產(chǎn)前期干物質(zhì)采食量(dry matter intake,DMI)下降30%以上[1],同時由于流向胎兒和乳汁中的營養(yǎng)素迅速增加[2],易導致圍產(chǎn)期奶畜處于多種營養(yǎng)素不平衡狀態(tài),特別是能量負平衡狀態(tài)(negative energy balance,NEB)。如果不能有效應對NEB,易引起圍產(chǎn)期奶畜的氧化應激以及免疫能力的下降,導致奶畜罹患酮病和脂肪肝等代謝性疾病以及乳腺炎和子宮內(nèi)膜炎等炎性疾病,對動物福利、生產(chǎn)壽命以及經(jīng)濟效益產(chǎn)生負面影響[2-3]。代謝葡萄糖(metabolizable glucose,MG)是機體大部分細胞新陳代謝的主要供能物質(zhì),來源于機體糖異生和小腸主動吸收[4]。奶畜主要依靠肝糖異生途徑維持MG穩(wěn)態(tài)[5],但由于合成葡萄糖的前體數(shù)量有限,且機體對MG的需求量迅速增加[6],肝糖異生和小腸吸收葡萄糖將無法滿足圍產(chǎn)期奶畜的MG需要。日糧直接添加葡萄糖會在瘤胃內(nèi)降解,且葡萄糖添加量過高可能導致瘤胃酸中毒[7]。過瘤胃保護技術(shù)處理葡萄糖,即瘤胃保護葡萄糖(rumen-protected glucose,RPG),受瘤胃微生物影響較小,可越過瘤胃在小腸吸收,彌補肝糖異生的不足,緩解圍產(chǎn)期奶畜NEB[8]。日糧添加RPG已被視為一種提高奶畜生產(chǎn)性能的有效營養(yǎng)調(diào)控策略[9],本文主要綜述了圍產(chǎn)期奶畜的生理代謝特點以及日糧添加RPG對圍產(chǎn)期奶畜的營養(yǎng)調(diào)控作用及機制,并對RPG生物利用率進行簡要評價,為通過RPG改善圍產(chǎn)期奶畜機體健康和生產(chǎn)性能的研究與應用提供借鑒。

1 圍產(chǎn)期奶畜生理代謝特點

圍產(chǎn)期亦稱過渡期,一般是指奶畜產(chǎn)前21 d(圍產(chǎn)前期)和產(chǎn)后21 d(圍產(chǎn)后期)[10]。圍產(chǎn)期在經(jīng)歷“妊娠-分娩-泌乳”劇烈生理轉(zhuǎn)變的同時也伴隨著激烈的代謝、激素以及免疫變化,給奶畜帶來了巨大的生理挑戰(zhàn)[11]。瘤胃受到胎兒增大的機械壓迫及日糧和激素改變等造成的應激將引起圍產(chǎn)期奶畜DMI降低,然而胎兒后期發(fā)育和乳汁合成對營養(yǎng)元素的需求卻在增加,這種矛盾則可能導致機體NEB的發(fā)生。合成乳汁所需的MG遠超其他生命活動的能量消耗,此時奶畜往往表現(xiàn)出胰島素抵抗(insulin resistance,IR),造成組織MG分配失衡[12-13]。MG不僅是合成乳糖的前體,同時對乳汁合成的滲透壓調(diào)節(jié)有重要意義。當血清中葡萄糖不能滿足機體能量需求時,圍產(chǎn)期奶畜體內(nèi)的脂肪動員速度加快,導致大量非酯化脂肪酸(non-esterified fatty acid,NEFA)流入血液和肝,引發(fā)脂肪肝和酮病[14]。秦敏等[15]研究表明,奶牛血清葡萄糖含量在圍產(chǎn)期較低,尤以圍產(chǎn)后期最低,而血清NEFA及β-羥丁酸(β-hydroxybutyrate,BHBA)含量在圍產(chǎn)期處于較高水平。脂肪組織分解代謝過程中,體內(nèi)的活性氧將會增加,一旦超出機體抗氧化能力,將誘發(fā)奶畜的氧化應激,進一步危害機體免疫功能,并誘發(fā)其他疾病[3,16]。有研究表明,在免疫系統(tǒng)急性激活的條件下,奶?？稍?2 h內(nèi)消耗1 kg葡萄糖[17],這將加劇機體的代謝紊亂,形成惡性循環(huán)。

奶畜所需MG主要來源于小腸吸收的外源葡萄糖和糖異生合成的內(nèi)源葡萄糖[18]。糖異生尤其是肝糖異生是奶畜MG的主要來源[19]。產(chǎn)奶期間,乳腺將消耗機體MG總量的60%～85%[20],每產(chǎn)生1 kg乳汁大約需要消耗72 g葡萄糖[21],而乳腺對MG的過度利用正是圍產(chǎn)期奶畜能量代謝紊亂的主要原因之一。為補償乳汁合成導致的MG不足,肝糖異生作用將增強。但由于DMI降低導致生糖前體如丙酸等物質(zhì)有限,圍產(chǎn)期奶畜的血清葡萄糖濃度維持在較低水平。桑丹等[22]研究表明,奶山羊血清葡萄糖濃度除在分娩當天較高之外,產(chǎn)后30 d內(nèi)均維持在2.70 μIU·mL-1以下。圍產(chǎn)期奶畜往往表現(xiàn)出短暫的IR,由于不同組織細胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(glucose transporter,GLUT)對胰島素依賴性的不同,骨骼肌和脂肪組織對MG的利用會被抑制,而乳腺和子宮可利用的MG增多,這有利于保障乳汁合成和胎兒生長發(fā)育。

為滿足機體外周組織的能量需要,圍產(chǎn)期奶畜的脂肪動員加快,表現(xiàn)為脂肪分解快于脂肪合成,導致血液中NEFA和BHBA濃度升高[23]。脂肪分解是由脂肪甘油三酯脂肪酶、激素敏感脂肪酶和單酰甘油脂肪酶連續(xù)介導[24]。脂肪動員相關(guān)酶的活性受到多種激素調(diào)控:生長激素、兒茶酚胺、腎上腺素、去甲腎上腺素、胰高血糖素會促進脂肪分解且作用機制不盡相同;胰島素會抑制脂肪分解,但IR將會減弱這種作用[25]。甘油三酯(triglyceride,TG)水解后的產(chǎn)物是甘油和NEFA,甘油可進入糖異生途徑并用于乳糖的合成[26],而NEFA有一部分被乳腺利用合成乳脂,另一部分則被肝代謝[27]。NEFA入肝后有三條代謝途徑[28-29]:重新酯化成TG并以極低密度脂蛋白(very low-density lipoprotein,VLDL)的形式輸出;經(jīng)歷β-氧化后進入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA)徹底氧化供能;部分氧化生成酮體流入血液。VLDL運輸TG的能力有限,當TG合成速率大于VLDL的輸出速率時將導致TG在肝內(nèi)沉積并引發(fā)脂肪肝[30]。酮體釋放到血液后可為肌肉和神經(jīng)組織供能,但當生成酮體的速率超過酮體消耗速率時,將在劇烈的脂質(zhì)動員過程中引發(fā)酮癥。檢測酮體含量已被廣泛應用于評估脂肪動員程度和酮病。有研究表明,泌乳第3～16天是監(jiān)測奶山羊高酮血癥的最佳采樣窗口,同時進行BHBA和葡萄糖測試可更好地反映羊群的脂肪動員和能量狀態(tài)[31]。此外,Zamuner等[32]研究發(fā)現(xiàn),脂肪動員水平與產(chǎn)奶量和胎次顯著相關(guān):與經(jīng)產(chǎn)奶山羊相比,初產(chǎn)奶山羊圍產(chǎn)期的脂肪動員水平均較低。脂肪動員是圍產(chǎn)期奶畜MG不足的必然結(jié)果,但脂質(zhì)動員可誘導內(nèi)皮細胞和白細胞功能的改變,直接作用包括脂肪酶的底物及其產(chǎn)物對細胞的毒性作用即脂毒性,間接作用包括改變細胞內(nèi)信號傳導途徑、誘導氧化應激,進而引發(fā)乳腺炎、子宮炎等炎性疾病[33-34]。

組織蛋白質(zhì)動員也是圍產(chǎn)期奶畜的一大生理代謝特征,主要是因為胎兒生長發(fā)育以及乳蛋白合成對氨基酸需求的激增。Bell等[35]認為,高產(chǎn)奶牛在產(chǎn)后7～10 d可能需要每天動員多達1 kg組織蛋白,以滿足乳腺對氨基酸和葡萄糖的需求。Reid等[36]研究顯示,奶牛分娩后骨骼肌纖維直徑下降了25%。同時有研究發(fā)現(xiàn),與干奶期山羊相比,產(chǎn)后第3周山羊后肢骨骼肌蛋白合成的絕對值減少了29%[35]。因此,骨骼肌可能是圍產(chǎn)期奶畜內(nèi)源性氨基酸的重要來源[37]。雖然生糖氨基酸在圍產(chǎn)后期的肝糖異生中起重要作用,但從定量的角度來看,對糖異生貢獻最大的碳源是內(nèi)源循環(huán)的乳酸,間接表明了圍產(chǎn)期奶畜MG的極度缺乏[38]。

綜上所述,MG的匱乏是引起圍產(chǎn)期奶畜代謝紊亂的重要因素,提高MG水平將對改善圍產(chǎn)期奶畜機體健康具有重要意義。

2 RPG對圍產(chǎn)期奶畜的營養(yǎng)調(diào)控作用

提高圍產(chǎn)期奶畜MG水平主要有兩種方法:改善肝糖異生進而獲取更多內(nèi)源葡萄糖,或者提高小腸吸收葡萄糖以獲得更多外源葡萄糖。目前,改善肝糖異生的研究已經(jīng)比較透徹,但受限于DMI下降引起的生糖前體不足,其效果有限。此外,糖異生的調(diào)控必須控制在一定限度內(nèi),以防引起生糖氨基酸和能量的浪費[18]。通過靜脈注射[39-40]和真胃灌注[41-42]的方式提高外源葡萄糖攝入可改善奶畜NEB,但并不實用。另一方面,由于瘤胃的特殊性,直接飼喂普通葡萄糖亦非合理策略。因此,添加RPG是一種提高MG進而改善圍產(chǎn)期奶畜機體健康的有效措施。

2.1 RPG對能量代謝的調(diào)控

圍產(chǎn)期奶畜面臨著巨大生理代謝壓力,如果適應失敗,將對奶畜造成重大危害[43]。葡萄糖代謝失衡是圍產(chǎn)期奶畜代謝紊亂的根本原因[44]。由于圍產(chǎn)期子宮和乳腺對MG的需求激增,機體將動員脂肪和蛋白質(zhì)以補償MG的不足。改善圍產(chǎn)期葡萄糖代謝狀況對奶畜的繁殖機能和生產(chǎn)性能影響深遠[45]。奶畜日糧中添加適量不同類型的RPG可顯著提高血清葡萄糖含量,降低NEFA和BHBA含量[46-47]。添加200 g·d-1RPG(純度≥45%)也可對奶畜隱性酮病起到良好的防治效果[48-49],但是添加400 g·d-1RPG(純度>45%,微膠囊技術(shù))可能引起血清葡萄糖含量下降以及BHBA含量上升[50-52]。高劑量RPG導致奶畜血清葡萄糖含量下降以及BHBA含量上升的具體原因尚不明晰,有待進一步探究。一般而言,血清胰島素濃度會隨葡萄糖含量的增加而提升,胰島素可通過降低肝細胞色素P450酶類的豐度提高類固醇激素如孕酮的濃度,保障母畜順利妊娠[40]。但Sauls-Hiesterman等[8]研究發(fā)現(xiàn),添加RPG并未導致血漿葡萄糖、血漿胰島素或血漿孕酮濃度的增加,否定了飼喂RPG增加循環(huán)孕酮濃度這一假設(shè)。血尿素氮(blood urea nitrogen,BUN)是反映機體蛋白質(zhì)代謝的重要指標,奶畜處于NEB時,氨基酸進入糖異生后BUN含量增多。李妍等[53]研究表明,添加300和400 g·d-1的RPG(純度≥98%,乙基纖維素包被技術(shù),過瘤胃率57.42%)可使BUN含量在產(chǎn)后維持在較低水平,并在產(chǎn)后第7天與對照組差異極顯著,表明RPG可能改善了圍產(chǎn)期的蛋白質(zhì)動員,減少了生糖氨基酸的轉(zhuǎn)化。而劉騫等[51]研究發(fā)現(xiàn),在泌乳早期奶牛日糧中添加不同含量RPG(純度≥90%,微膠囊技術(shù))對BUN無顯著影響,但BUN水平有隨著RPG含量升高而降低的趨勢。此外,研究表明RPG也可能通過提高粗蛋白攝入量增加奶牛乳汁中尿素氮的含量[8]。

代謝組學分析技術(shù)目前廣泛應用于動物健康評估、疾病診斷、生物產(chǎn)品表征等各方面研究[54]。血清代謝組學分析[55]表明,奶牛日糧添加350 g·d-1RPG(純度45%,脂肪包被技術(shù),過瘤胃率54.03%)后,差異最大的前30個代謝產(chǎn)物包括溶血磷脂酰乙醇胺和脂肪醇等都與脂質(zhì)代謝有關(guān),表明RPG有降低脂肪分解的潛力。值得注意的是,RPG降低脂肪分解效果與使用劑量密切相關(guān)[56]。肝是機體糖代謝、脂代謝、氨基酸代謝的樞紐,因此對肝進行代謝組學分析獲得的指標數(shù)據(jù)具有重要參考價值。對肝組織進行代謝組學分析發(fā)現(xiàn),添加200 g·d-1的RPG(純度45%,脂肪包被技術(shù))后,β-D-葡萄糖-6-磷酸水平升高,核黃素、黃素單核苷酸、L-色氨酸和L-絲氨酸水平降低,對差異代謝物進行富集分析共得到18種顯著富集的代謝通路,其中包括核黃素代謝通路、葡萄糖代謝通路、氨基酸代謝通路,這表明添加RPG可能提高肝的代謝強度,但RPG影響這些差異代謝物及相關(guān)通路的機制尚不清楚[57]。同時也有研究表明,添加200 g·d-1RPG(純度45%,脂肪包被技術(shù))會導致奶牛IR更加嚴重,引起更高的循環(huán)NEFA含量并提高肝TG濃度,且肝中與脂肪分解功能相關(guān)的差異表達蛋白涉及到TCA循環(huán)等代謝通路[58-59]。這提示添加RPG可能增加圍產(chǎn)期奶畜肝代謝紊亂的風險。造成RPG作用效果差異的因素是多方面的,不僅與RPG的添加劑量有關(guān),也與奶畜的機體狀況和試驗條件有很大關(guān)系。

2.2 RPG對氧化應激、免疫和炎癥的調(diào)控

圍產(chǎn)期奶畜氧化應激水平升高、免疫能力下降、炎性疾病多發(fā),這三者存在密切且復雜的聯(lián)系。簡單來說,NEB引起機體脂肪組織分解加速,導致機體氧化應激水平升高并伴隨著圍產(chǎn)期特征性的低血鈣癥和酮癥,造成了機體的免疫抑制,并進一步誘發(fā)乳腺炎、子宮內(nèi)膜炎等疾病[60-61]。免疫抑制以及炎癥反應并非絕對病理性的,同時也是圍產(chǎn)期奶畜正常生理反應的一部分。在圍產(chǎn)期,脂肪組織也可能對環(huán)境因素做出反應,高溫易發(fā)的熱應激便是其表現(xiàn)形式之一,這可能加劇奶畜的不良反應[62]。奶畜能否成功渡過圍產(chǎn)期與環(huán)境因素和遺傳因素都有關(guān)系[2],對圍產(chǎn)期奶畜進行營養(yǎng)調(diào)控時需要綜合考量。

添加RPG被認為可通過改善圍產(chǎn)期奶畜的能量代謝進而對應激、免疫和炎癥反應產(chǎn)生影響。PI3K/AKT/mTOR通路是免疫細胞激活和炎癥平衡的關(guān)鍵調(diào)控通路,對于機體炎癥的評估具有重要參考價值[63]。胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor,IGF)系統(tǒng)包括IGF和IGF結(jié)合蛋白(insulin growth factor binding proteins,IGFBPs),其中IGF1[64]和IGF2[65]對細胞分裂、分化和組織修復具有重要作用。Wang等[66]研究發(fā)現(xiàn),200 g·d-1RPG(純度45%,脂肪包被技術(shù))可能促進IGF1和IGF2與受體結(jié)合并激活AKT/mTOR通路,促進子宮內(nèi)膜修復。患有子宮內(nèi)膜炎的奶畜血清白蛋白含量更低,且血清白蛋白和球蛋白的比值與奶畜的子宮內(nèi)膜炎的發(fā)生存在負相關(guān)關(guān)系[67]。研究發(fā)現(xiàn),添加200 g·d-1RPG可提高圍產(chǎn)期奶牛血清白蛋白和球蛋白的比值,其中白蛋白的含量增高,球蛋白含量降低[59]。以上研究都表明了RPG對預防圍產(chǎn)后期子宮內(nèi)膜炎具有重要意義。炎癥生物標志物是衡量機體炎性反應水平的重要指標,RPG可降低圍產(chǎn)期奶牛產(chǎn)后血清白細胞介素-8、白細胞介素-17A、干擾素γ、脂多糖結(jié)合蛋白和觸珠蛋白等炎癥生物標志物的含量[9,59,68]?；|(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)和Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)與機體的炎癥反應和免疫機能有關(guān)[69]。Zhang等[9,70]研究表明,200 g·d-1RPG可下調(diào)盲腸黏膜MMP1、MMP3,MMP9、MMP13、TLR4、TLR6和TLR7的基因表達以及回腸黏膜TLR4、TLR9等的基因表達,同時提高腸上皮細胞緊密連接蛋白Occludin的基因表達。由此可見,RPG可能通過抑制促炎信號通路和改善屏障功能增強腸道黏膜的免疫活性,抑制炎癥的發(fā)生。在嚴啊妮等[71]的研究中,添加10 g·d-1RPG(純度≥50%,過瘤胃率≥80%)可顯著提高綿羊血清免疫球蛋白G和免疫球蛋白M的含量,顯著降低血清中腫瘤壞死因子-α和白細胞介素-2的含量及動物呼吸頻率,表明低劑量RPG可提高反芻動物的免疫能力并緩解熱應激的不良反應,為預防夏季熱應激加劇圍產(chǎn)期奶畜的不良反應提供了借鑒。值得關(guān)注的是,添加200 g·d-1RPG(純度45%,脂肪包被技術(shù))可使肝中丙二醛濃度和谷胱甘肽過氧化物酶活性升高,過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性也有升高趨勢,表明RPG可能增加肝的氧化應激水平[58]。

2.3 RPG對產(chǎn)奶量和乳成分的影響

MG是乳糖合成的前體,而乳糖是乳汁合成的滲透壓調(diào)節(jié)劑,泌乳所需的MG遠超其他生命功能的能量消耗,干奶期向泌乳期轉(zhuǎn)變時MG不足正是導致圍產(chǎn)期奶畜NEB的重要原因之一[72]。NEB造成的肝機能損害如脂肪肝對奶畜的產(chǎn)奶量影響重大。如果添加RPG可有效增加圍產(chǎn)期奶畜MG水平,對提高奶畜產(chǎn)奶量以及改善乳成分可能有積極作用。但是對于奶畜而言,當添加RPG提高了其產(chǎn)奶量時,意味著肝將代謝更多的脂肪酸和氨基酸以滿足機體對乳脂和乳蛋白的需求,從而有可能導致肝的脂質(zhì)蓄積,增加肝組織負擔[58-59]。RPG可提高圍產(chǎn)后期奶牛產(chǎn)奶量,但對于乳糖、乳蛋白、乳脂的比例增加效果輕微,且目前對于RPG的最佳添加量還存在爭議,但綜合考慮200～400 g·d-1為宜[47,52-53,59,73-74]。此外,Benak等[56]、McCarthy等[68]和Sauls-Hiesterman等[8]的研究表明,RPG并沒有對奶牛的產(chǎn)奶量和乳成分產(chǎn)生顯著影響,這可能與試驗條件、飼喂時期和泌乳潛力有關(guān)。對于泌乳中后期、日糧淀粉含量較高或奶畜生產(chǎn)性能低下等情況,因MG需要量低且自身MG供應充足,補充RPG的作用可能不明顯。

2.4 RPG的其他影響

以靜脈輸液或真胃灌注等非自然方式增加外源葡萄糖可能會對奶畜造成一定的機體損傷并降低其DMI,但RPG沒有類似的效應[59,68]。RPG還能在一定程度上降低奶畜在圍產(chǎn)期后期的體重損失[53]。瘤胃微生物區(qū)系對于機體健康具有重要意義并很大程度上受到日糧的影響[75]。過瘤胃保護技術(shù)雖然能減輕瘤胃微生物對葡萄糖的影響,但一般而言RPG的瘤胃保護率在55%左右,所以添加RPG可能對瘤胃微生物區(qū)系產(chǎn)生影響。Wang等[76]報道,日糧添加350 g·d-1RPG(純度45%,脂肪包被技術(shù),過瘤胃率54.03%)可顯著提高瘤胃細菌的多樣性和有益菌的豐度,促進了瘤胃內(nèi)脂肪代謝和有機酸的生成。但這同樣提示著如果RPG添加過量有可能造成瘤胃pH急劇下降,引起瘤胃酸中毒[77]。

2.5 RPG生物利用率評價

目前對各類營養(yǎng)物質(zhì)進行過瘤胃保護常采取的物理加工方式有加壓加熱處理、顆粒技術(shù)和包被技術(shù),化學方法包括試劑處理、氨基酸類似物和衍生物以及氨基酸金屬離子螯合法[78]。在實際生產(chǎn)中常用物理加壓法和包被技術(shù)對葡萄糖進行處理制成RPG。過瘤胃率是評價RPG生物利用率的關(guān)鍵指標。薛倩等[79]研究表明,與聚丙烯酸樹脂和殼聚糖相比采用乙基纖維素包被葡萄糖可有效降低葡萄糖在瘤胃內(nèi)的降解率并保障葡萄糖能夠在小腸內(nèi)釋放,過瘤胃率可達57.42%,而聚丙烯酸樹脂和殼聚糖分別為45.5%和44.14%。目前仍缺乏對RPG過瘤胃率的系統(tǒng)性研究,但隨著過瘤胃技術(shù)的不斷發(fā)展,RPG的生物利用率有望得到進一步提高。

3 小結(jié)與展望

圍產(chǎn)期奶畜承受著巨大的生理代謝壓力,極易發(fā)生能量代謝紊亂并引發(fā)一系列代謝性和炎性疾病。圍產(chǎn)期健康調(diào)控的成功與否直接影響著奶畜繁殖機能和生產(chǎn)性能的發(fā)揮,對奶業(yè)高質(zhì)量發(fā)展影響深遠。RPG能夠高效地向圍產(chǎn)期奶畜提供外源葡萄糖,緩解由于妊娠和泌乳對MG的過度消耗而引發(fā)的代謝紊亂,對脂肪動員和蛋白質(zhì)代謝具有一定的改善作用。越來越多的研究表明,RPG對改善圍產(chǎn)期奶畜的能量代謝、減輕應激和炎性反應、提高產(chǎn)奶量等具有重要作用。適宜的劑量對RPG發(fā)揮作用具有重要影響。RPG添加量過低可能導致調(diào)控效果并不顯著,劑量過高也可能造成瘤胃酸中毒以及酮體的升高。目前,主流的RPG產(chǎn)品有兩種:一種是由45%的葡萄糖通過脂肪包被技術(shù)制成,另一種是由微膠囊技術(shù)制成,其含糖量變異較大。對于脂肪包被的RPG產(chǎn)品,250～350 g·d-1可能是比較適宜的添加量。此外,RPG與其他添加劑配合使用能否能取得更好的調(diào)控效果,是一個將來值得關(guān)注的問題。RPG對于圍產(chǎn)期奶畜的影響是全面而又深刻的,相信隨著生物技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)研究的深入,圍產(chǎn)期奶畜的營養(yǎng)調(diào)控措施將會更加科學合理。