粗纖維對奶牛的營養作用及寡糖對其酶解誘導調控

徐曉鋒，張力莉

（寧夏大學農學院動物科學系，寧夏銀川750021）

粗纖維對奶牛的營養作用及寡糖對其酶解誘導調控

徐曉鋒*，張力莉

（寧夏大學農學院動物科學系，寧夏銀川750021）

本文綜述了纖維素的結構與組成，粗纖維在奶牛瘤胃中的降解及其對乳品質影響，寡糖對奶牛瘤胃纖維降解酶合成誘導與調控，并對奶牛瘤胃纖維降解調控進行了展望。

奶牛；纖維；營養；寡糖；調控

奶牛養殖業是現代畜牧業和農業的重要組成部分，經過長期的積累與高速的發展，已經逐步成為一個支柱產業。粗飼料是奶牛最主要的飼料來源，在奶牛生產中占有重要地位。當前我國粗飼料的利用呈現以下特點：（1）受我國耕地面積限制，優質苜蓿和青貯玉米產能不足。（2）秸稈等資源豐富、利用率低。隨著奶業的快速增長，奶業發展過程中的矛盾和問題逐漸凸顯，精飼料的過量應用會導致奶牛瘤胃液pH值降低，瘤胃微生物降解纖維的活力下降，飼料轉化效率降低，乳中脂肪酸組成發生改變，乳脂率出現下降（Ellis等，2012；Mullins和Bradford，2010），奶牛生產壽命縮短，制約了我國奶牛產業的健康發展。

粗飼料的組成及其在瘤胃中的有效降解與奶牛的產奶量和乳成分合成密切相關，同時對奶牛機體健康有顯著影響。當前我國奶業正處在由傳統數量增長進入質量效益階段發展的關鍵時期（李勝利，2013）。我國奶牛養殖業的迅猛發展與飼料資源的巨大需求之間的矛盾已經成為制約我國奶業發展的突出問題，提高飼料轉化率和牛奶質量是衡量奶業質量效益發展的重要指標（王加啟，2011）。

1　粗纖維飼料的結構與組成

植物木質素主要由三種聚合物組成：纖維素（40%～50%）、半纖維素（20%～40%）和木質素（20%～30%）。這三種聚合物異質性地交聯在一起（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，每個分子中含的葡萄糖殘基數從100到20000個不等。當多條葡萄糖鏈聚集形成基元纖絲時，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去的結晶體（Johnson等，2006）。纖維素的結晶結構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。

在植物細胞壁中的半纖維素存在三個主要類型：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一步被L-阿拉伯糖、D-半乳糖、L-巖藻糖或乙酰殘基修飾，產生更多樣的木葡聚糖結構（Huisman等，2000）。

2　粗纖維飼料在奶牛瘤胃中的降解及對乳品質影響

2.1粗纖維在奶牛瘤胃中的降解瘤胃細菌、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（Zebeli等，2012；Aschenbach等，2011）。瘤胃微生物能分泌產生多種纖維素和半纖維素降解酶，彼此之間產生協同作用，使得一種微生物的代謝產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酵的葡萄糖和木糖進而產生揮發性脂肪酸。

2.2粗纖維瘤胃降解對乳品質的影響纖維物質在瘤胃內被分解后生成乙酸，在瘤胃中產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實踐中得到證實。乙酸轉化為乳脂肪的效率為67%～71%。

我國奶牛養殖業的迅猛發展與飼料資源的巨大需求之間的矛盾已經成為制約我國奶業發展的突出問題，目前生產中的關注重點還是通過提高日糧精飼料比例來提高營養物質攝入量和提高產奶量。但是精飼料的過量應用會導致奶牛瘤胃液pH值降低，瘤胃纖維降解菌的活力被抑制，飼料轉化效率降低，乳中脂肪酸組成發生改變，乳脂率出現下降（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），進而導致瘤胃發酵產物發生改變，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入小腸被吸收入血，在乳腺合成乳蛋白（Hristov和Ropp，2003）。目前生產中由于飼養管理不當導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參與日糧纖維降解的瘤胃微生物主要有產琥珀酸擬桿菌、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胞壁的多種酶（Williams，1994），瘤胃細菌和瘤胃真菌的有機組合和協同作用能更有效地降解纖維素（Kamra等，2005）。

瘤胃微生物分泌產生的多種纖維素降解酶組成了整套的酶系統，其中主要有纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶等。彼此之間產生協同作用，使得一種微生物的代謝產物成為另一種微生物的代謝底物，使木質纖維素原料被高效利用。這些酶有的是分泌到細胞外的游離酶，有的是錨定在微生物細胞表面的。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隨機切斷β-1，4糖苷鍵，產生大量的纖維寡糖，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）。纖維素酶系統可以展示出一種協同作用，比各個酶的活性的總和還強（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鍵酶，它以內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一步水解為木糖（Dodd等，2009）。瘤胃作為木質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現分別屬于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與調控

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

寡糖是由2～10個單糖經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酵研究中也得到了相似的結果。在奶牛上研究發現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）研究報道，糖蜜添加改變了瘤胃脂肪氫化作用，進而提高乳脂率，而脂肪酸氫化與瘤胃纖維降解酶有關。寡糖對奶牛乳脂下降的調控具有一定的作用（Firkins，2011；Masahito，2011）。一些研究表明，寡糖對纖維降解酶基因表達具有調控作用，不同組成糖誘導結果不一。有的認為與來源有關，有的推斷由其化學鍵形式導致，而絕大部分研究都是在菌體分離培養下進行開展（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制尚未闡明，哪些寡糖起作用目前了解還不夠深入。

4　小結

提高粗飼料利用效率是實現奶牛產業健康可持續、環境友好型發展的關鍵環節，而保證健康、高效的瘤胃發酵是提高反芻動物粗飼料利用效率的基礎，提高乳品質量是營養調控的首要目標。

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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

國家自然科學基金（31460619）