延胡索酸及其鹽作為反芻動物飼料添加劑的研究進展

魏晨

（中國農業大學動物科技學院，北京 100193）

延胡索酸及其鹽作為反芻動物飼料添加劑的研究進展

魏晨

（中國農業大學動物科技學院，北京 100193）

延胡索酸及其鹽在飼料添加劑中可作為一種酸化劑、抗應激劑和防腐劑，目前己經在單胃動物飼料中獲得了廣泛應用。對于反芻動物來說，延胡索酸及其鹽可以作為替代莫能菌素等抗生素的物質，在反芻動物的體內和體外研究中表現出一定的甲烷抑制潛能，同時對反芻動物生產性能產生有利影響。文章主要綜述了延胡索酸及其鹽對反芻動物瘤胃發酵和生產性能的影響。

延胡索酸；延胡索酸鹽；飼料添加劑；反芻動物

隨著全球人口激增，人們生活水平不斷提高，社會對畜牧生產的要求也與日俱增。就反芻動物來說，其飼養量逐年提高才能滿足人們的日常需求，但甲烷產量不斷升高和大量的動物糞尿不可避免地造成自然環境的污染和惡化。同時，隨著人們對食品安全問題的高度重視，許多國家和地區已經明令禁止使用抗生素類藥物作為動物的生長促進劑，因此，尋求新型有效的飼料添加劑作為甲烷抑制劑刻不容緩。延胡索酸及其鹽作為能替代莫能菌素等抗生素的物質逐漸得到深入的研究，表現出抑甲烷、促生產的潛能。

1 延胡索酸及其鹽

延胡索酸俗稱富馬酸，為白色晶狀粉末，無嗅，水果酸味，酸度為檸檬酸的180%，難溶于水，不吸濕。延胡索酸安全無毒，在飼料添加劑中可作為一種酸化劑、抗應激劑和防腐劑，目前己在單胃動物飼料中獲得廣泛應用。在反芻動物中，延胡索酸是瘤胃發酵的中間產物，也是重要電子受體，可促進瘤胃微生物對氫的利用而生成丙酸，競爭性的利用甲烷生成過程中的氫而抑制了甲烷生成[1]。延胡索酸鹽包括延胡索酸鈉、延胡索酸二鈉、延胡索酸鈣鹽等，屬于緩沖鹽類，可以作為飼料添加劑調節和穩定反芻動物瘤胃pH，同時避免因延胡索酸的酸性加劇瘤胃酸中毒的可能。

2 延胡索酸及其鹽對瘤胃發酵的影響

2.1 對瘤胃甲烷產生的影響

甲烷的產生是碳水化合物在瘤胃內發酵的最后一步，主要的產生途徑是在瘤胃古細菌的作用下經方程式4H2+CO2=CH4+2H2O產生，其排放量約占全球總甲烷產量的15%。同時，由于飼料種類的不同，產生甲烷損失的能量約占反芻動物采食飼料總能的2%～12%，因此，有效地調控甲烷的產生關系到全球氣候的變化和反芻動物對飼料能量的利用情況。延胡索酸屬于二羧基烯類，在瘤胃微生物發酵過程中作為琥珀酸-丙酸通路的中間產物。當延胡索酸及其鹽被延胡索酸利用菌代謝轉化為丙酸時，需要H2作為底物，從而與產甲烷菌形成競爭關系，使甲烷產量減少。大量體外培養實驗證實了延胡索酸及其鹽對瘤胃甲烷產生的抑制作用，López等利用體外批次培養和半連續培養技術研究不同計量延胡索酸鈉鹽對瘤胃甲烷產生的影響，結果表明，胡索酸鈉鹽能顯著降低甲烷產量[2]。毛勝勇等報道，在高精料質量（玉米粉∶豆粕粉∶羊草粉=5∶2∶3）條件下，延胡索酸二鈉可顯著降低甲烷產量[3]。張耿等研究結果表明，添加一定劑量的延胡索酸二鈉后，不同飼料成分發酵時甲烷產量都有所減少[4]。但體內實驗對延胡索酸及其鹽的甲烷抑制作用卻有不同報道，Bayaru等報道，飼喂高粱青貯條件下，給閹牛飼糧添加延胡索酸二鈉可以降低甲烷產量[5]。Newbold等和Wallace等利用青干草或精料秸稈等飼料同樣得到相似結果[6-7]。值得注意的是，Wood等將包被的延胡索酸添加到羔羊日糧后，使甲烷產量降低76%，比體外培養的結果還要高19%～20%，因此，包被延胡索酸并使其在瘤胃內緩慢釋放是一種較好的甲烷抑制手段[7]。然而，McGinn等用大麥青貯和谷物做飼糧時，添加延胡索酸鹽并沒有抑制甲烷的效果[8]。Beauchemint等研究結果表明，延胡索酸鹽不能有效地減少甲烷產量[9]。Ungerfeld等分析了體外發酵過程中延胡索酸及其鹽對瘤胃甲烷產生的影響，雖然體外添加延胡索酸及其鹽后可降低甲烷產量，但實際降低的甲烷量遠低于從化學計量角度預測的在延胡索酸及其鹽被全部還原成丙酸時理論可降低的甲烷量，原因可能是當延胡索酸轉化為琥珀酸后，琥珀酸的積累反饋抑制延胡索酸還原，也可能是由于延胡索酸轉變成乙酸，釋放H2，從而促進甲烷產生[10]。對于體內添加延胡索酸及其鹽的效果，會因日糧種類、動物生長時期、瘤胃微生態等因素的變化而改變，能否有效抑制甲烷還有待于進一步驗證。

2.2 對瘤胃揮發性脂肪酸的影響

瘤胃微生物利用飼料中的碳水化合物獲取生長繁殖的能量，同時產生甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等揮發性脂肪酸，不同的飼料構成會使揮發性脂肪酸的產量和比例發生改變，當精料比例增加時，丙酸的比例也隨之增加，而微生物發酵粗飼料主要產生乙酸和丁酸。王麗娟等研究了體外高精料條件下添加酵母培養物和延胡索酸二鈉后對揮發性脂肪酸的影響，結果表明，總揮發酸、丙酸產量顯著提高，乙酸和丙酸比值降低[11]。Carro等利用體外批次培養技術研究了不同延胡索酸二鈉水平對瘤胃微生物發酵的效果，結果表明，添加延胡索酸二鈉4、7、10 mmol均可顯著促進總揮發酸和丙酸產生[12]。Beauchemin等報道，給肉牛日糧中添加延胡索酸鹽后，總揮發酸和丙酸產量顯著增加，乙酸丙酸比降低[9]。Li等也報道，作為C3的前提物質，延胡索酸鹽能改變瘤胃代謝通路，提高丙酸產量[13]。但McGinn等研究結果表示，添加延胡索酸并沒有提高總揮發酸量[8]。

體外培養結果表示，延胡索酸及其鹽能夠被產琥珀酸絲狀桿菌等延胡索酸還原菌利用轉變為丙酸，提高纖維分解菌的數量和多樣性，促進纖維素酶活性，從而有效提高總揮發酸和丙酸產量[3,14]。動物活體實驗的結果不同，可能由于揮發酸在瘤胃中不斷產生、吸收、排空，不能準確測定其產量，需要進一步研究探索。

2.3 對瘤胃氨氮的影響

飼料中蛋白質被瘤胃中蛋白分解菌發酵降解為酮酸和NH3，后者被微生物用作氮源合成微生物蛋白，或被瘤胃壁吸收進入尿素循環，多余的NH4+隨尿液排出體外。張耿等報道，用體外發酵法向黑麥草、高羊茅、稻草、花生殼以及玉米、小麥、可溶性淀粉等飼料成分中分別添加延胡索酸二鈉后，并沒有觀察到NH3-N的變化[4]。Yu等研究發現，體外培養條件下，隨著向混合日糧中添加延胡索酸鹽水平的增加，氨氮量顯著降低，同時促進纖維素發酵，由于纖維分解菌首先利用NH3-N作為氮源，因此，延胡索酸鹽可以促進纖維分解菌等微生物對NH3-N的利用，有利于瘤胃發酵[15]。García-Martínez等也得到相似結果[16]。

3 延胡索酸及其鹽對瘤胃微生物區系的影響

反芻動物瘤胃中棲息著甲烷菌，是主要的甲烷產生者，甲烷菌利用飼料發酵過程中生成的H2和CO2作為主要的電子受體和供體，通過還原反應生成甲烷，在瘤胃功能性生態生境中發揮重要作用。除甲烷菌以外，其他瘤胃微生物也影響甲烷產量。瘤胃微生物總體來說可分為產氫微生物和耗氫微生物兩大類[17]。產氫微生物和耗氫微生物通過種間氫轉移的方式彼此形成互養共棲的關系。延胡索酸及其鹽對氫氣的調控分為抑制氫氣的生成：減少瘤胃可發酵有機物數量和調節乙酸與丙酸之間的平衡均可降低H2的產量；添加氫氣競爭性受體：如硝酸鹽或硝酸鹽與半胱氨酸的混合物、不飽和脂肪酸等與產甲烷菌競爭氫氣，從而抑制甲烷菌的生長[18]。

3.1 對瘤胃細菌的影響

延胡索酸及其鹽可通過參與種間氫轉移的代謝過程、影響細菌功能基因的表達或改變相應酶的活性來調控瘤胃細菌的數量和結構。楊洋等研究結果表明，給慢性酸中毒奶山羊的日糧中添加延胡索酸二鈉可使反芻獸新月單胞菌、埃氏巨型球菌和產琥珀酸絲狀桿菌的數量增加，降低乳酸產生菌的數量[19]。Mao等利用變性梯度凝膠電泳（DDGE）和16S rDNA測序等分子生物學技術研究了延胡索酸二鈉對瘤胃微生物多樣性的影響，結果表明，延胡索酸二鈉可以豐富微生物種類，有利于高精料條件下改善瘤胃pH[20]。Yang等報道，在不同精粗比條件下添加延胡索酸二鈉，能顯著提高纖維分解菌和延胡索酸利用菌的數量和種類，同時降低了產甲烷菌的數量，有利于瘤胃發酵[21]。

3.2 對瘤胃原蟲的影響

瘤胃原蟲分為鞭毛蟲和纖毛蟲，其中纖毛蟲個體最大、數量最多，且最為重要，成年后反芻動物體內的主要原蟲類群以纖毛蟲為主。H2是瘤胃原蟲代謝的終產物之一，由此瘤胃原蟲可以與產甲烷菌形成共生關系。Zhou等研究表明，延胡索酸二鈉能夠抑制瘤胃原蟲的繁殖[14]。但Yang等報道，添加延胡索酸二鈉并沒有抑制原蟲增長[22]。

3.3 對瘤胃厭氧真菌的影響

厭氧真菌也是瘤胃中重要的產氫微生物，可以利用纖維素、半纖維素等為產甲烷菌提供H2。毛勝勇等報道，延胡索酸二鈉可提高瘤胃混合微生物與瘤胃纖維降解菌發酵粗飼料的能力，但對瘤胃真菌的發酵活力具有抑制效應[22]。

4 延胡索酸及其鹽對反芻動物生產性能的影響

張愛忠等研究了日糧中添加延胡索酸對奶牛產乳性能和血液指標的影響，結果表明，添加延胡索酸140 g·d-1可提高產奶量25.58%，日糧中添加延胡索酸對乳脂率、乳蛋白率、乳糖和乳中總固形物含量無顯著影響（P＞0.05），對血漿葡萄糖、尿素氮、β-羥丁酸濃度也無顯著影響（P＞0.05）[23]。Van Zijderveld等研究表明，向混合日糧中添加延胡索酸鈣25 g·kg-1DM飼喂奶牛，并沒有改變奶牛的能量沉積、飼料消化率、產奶量及乳成分[24]。另有報道，青草青貯或玉米青貯中添加延胡索酸鹽100、200、300 g·d-1飼喂公牛后，采食量、日增重、營養物質消化率、血液酸堿平衡無顯著變化（P＞0.05），但屠宰率有上升趨勢[25]。但也有研究顯示，添加延胡索酸鹽能促進飼料纖維的降解，提高全消化道總能、微生物蛋白和血液葡萄糖水平[16,26]。

5 結論

經過近20年的研究與探索，人們對延胡索酸及其鹽在反芻動物飼料添加劑領域有了更深入的認識，其能在體外發酵中降低甲烷產量，提高總揮發酸和丙酸濃度，降低乙酸與丙酸的比值，提高纖維分解菌的活性，促進發酵底物的分解，同時調節微生物區系，增加氫氣利用菌的數量和種類。但體內研究相對較少且結果不盡相同，同時不少體內實驗表現出與體外實驗相反的結果，這可能與日糧組成、瘤胃微生態、試驗動物、試驗期的不同有關，因此，需要進一步進行活體試驗，探明延胡索酸及其鹽與不同日糧、不同比例搭配，長期飼喂反芻動物時具有抑制甲烷和促生長、促生產效果，為不斷促進反芻動物低耗高產的生產實踐提供理論指導。

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Research Process on Fumaric Acid and Fumarate as Feed Additives for Ruminant

WEI Chen
（College of Animal Science and Technology,China Agriculture University,Beijing 100193,China）

Fumaric acid and fumarate have been widely used in feed of mono-gastric animals as acidulant,an?ti-stress agent and preservative.For ruminant,fumaric acid and fumarate can replace the usage of monensin in feed?stuff and display potent to inhibit methanogenesis.Meanwhile,fumaric acid and fumarate exert beneficial effects on ruminant production.This paper reviewed effects of fumaric acid and fumarate on rumen fermentation and ruminant production.

fumaric acid;fumarate;feed additives;ruminant

S816.7

A

1001-0084（2014）09-0018-04

2014-08-02

魏晨（1989-），男，山東濟南人，碩士研究生，研究方向為反芻動物營養。