瘤胃微生物調(diào)控牛奶品質(zhì)的研究進(jìn)展

劉凱珍 張養(yǎng)東 黃國欣 鄭 楠 王加啟

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京100193）

牛奶是人類理想的食物之一，因為其不僅富有全面的營養(yǎng)成分，而且含有多種活性物質(zhì)[1-2]。社會日益進(jìn)步，人類生活水平不斷提高，以及近年來二胎政策的開放使得人們對牛奶的需求量隨之增加，尤其是對優(yōu)質(zhì)乳源的需求更加急切。因此，提升牛奶品質(zhì)是全球奶業(yè)科研工作者的重要任務(wù)之一。

以往多項研究表明，在奶牛將日糧轉(zhuǎn)化為牛奶的過程中，多種因素導(dǎo)致牛奶質(zhì)量層次不齊，如奶牛基因、飼養(yǎng)環(huán)境和飼喂日糧等[3-7]。目前，研究最多的是通過調(diào)控日糧，從而改變牛奶營養(yǎng)成分的含量，雖然在一定程度上提升了乳蛋白、乳脂肪或功能性脂肪酸，然而這種途徑常常顧此失彼，增加了生產(chǎn)成本或者是以犧牲其他生產(chǎn)性能為代價[8-9]。

近年來，有研究發(fā)現(xiàn)遺傳背景、飼喂管理和飼養(yǎng)環(huán)境均一致的情況下，牛奶營養(yǎng)成分不同的奶牛其瘤胃微生物存在明顯的差異，這表明動物機體將飼料中的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為牛奶營養(yǎng)成分的過程中，微生物扮演著重要的角色，主要在乳蛋白和乳脂肪前體物的形成過程中發(fā)揮作用[10-11]。因此，瘤胃微生物也許是調(diào)控牛奶品質(zhì)的一條有價值的途徑。

1 牛奶營養(yǎng)成分的形成及其調(diào)控

奶牛能夠?qū)暡蒉D(zhuǎn)變?yōu)榕Ｄ?，這主要依賴于其獨特的消化器官——瘤胃[12]。日糧被食入瘤胃以后，含氮物質(zhì)在微生物的作用下被分解為肽和氨基酸，其中一部分又被特定的微生物利用，合成微生物蛋白（MCP），過瘤胃蛋白（UDP）和MCP一起進(jìn)入小腸中被降解為氨基酸，經(jīng)血液運輸至乳腺，用于合成乳蛋白。以往對于牛奶中乳蛋白合成的研究大多集中于乳腺上[13]，鮮有從瘤胃微生物利用含氮物質(zhì)的效率層面研究乳蛋白形成的報道。

瘤胃中纖維分解菌能夠?qū)⑹橙氲拇掷w維分解為揮發(fā)性脂肪酸（VFA，其中濃度最高的是乙酸、丙酸和丁酸），丁酸以β-羥丁酸的形式和乙酸在乳腺中用于合成乳脂防酸，主要是C4～C14脂肪酸；另外飼料中包含的脂類物質(zhì)在微生物作用下首先分解為甘油和脂肪酸，然后C16以上的長鏈脂肪酸以非脂化脂肪酸的形式被血液運輸至乳腺。脂肪酸、甘油、葡萄糖在乳腺中合成三酰甘油，構(gòu)成乳脂。

葡萄糖是乳糖合成的重要前體物質(zhì)，在二磷酸尿嘧啶葡萄糖異構(gòu)酶的作用下一分子葡萄糖異構(gòu)為一分子半乳糖，然后在乳糖合成酶的作用下一分子半乳糖和一分子葡萄糖經(jīng)β-1,4 糖苷鍵連接形成乳糖[12]。乳腺中的葡萄糖主要來源于瘤胃中淀粉的分解，以及纖維分解產(chǎn)生的丙酸經(jīng)體內(nèi)三羧酸循環(huán)轉(zhuǎn)化而成[14]（圖1）。乳蛋白、乳糖和乳脂是牛奶總固形物的主要組成成分，并且瘤胃微生物在這些前體物的形成中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，因此瘤胃微生物對于牛奶品質(zhì)也有著重要的影響[15-16]。

圖1 乳蛋白、乳脂和乳糖在體內(nèi)形成的主要過程

2 影響牛奶品質(zhì)的因素

牛奶中含有豐富且均衡的營養(yǎng)物質(zhì)，而且含有多種功能性脂肪酸和活性物質(zhì)，如二十二碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）、乳鐵蛋白、生長因子等。針對牛奶品質(zhì)的調(diào)控，以往集中研究了提高乳蛋白和乳脂肪產(chǎn)量的方法，以及開發(fā)功能性牛奶，如富含ω-3多不飽和脂肪酸的牛奶。研究發(fā)現(xiàn)，牛奶中易受影響的成分主要是乳蛋白和乳脂肪，乳糖含量的變化范圍較小[8]。

2.1 遺傳因素

遺傳因素是決定奶牛產(chǎn)奶量、乳蛋白和乳脂產(chǎn)量，及其合成效率的內(nèi)在因素，不同物種和不同品種奶牛的遺傳性能存在較大的差異。荷斯坦奶牛的產(chǎn)奶量高于娟珊牛，但是牛奶總固形物含量和乳脂率均低于娟珊牛[17]。荷斯坦奶牛和瑞士褐牛的雜交奶牛，乳脂和乳蛋白產(chǎn)量高于純種荷斯坦奶牛[3]。另外，有研究還發(fā)現(xiàn)奶牛的乳蛋白率與繁殖性能的遺傳因素呈正相關(guān)[18]。Pegolo 等[13]針對1 011 頭瑞士褐牛進(jìn)行了全基因組相關(guān)研究（GWAS），關(guān)聯(lián)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)GFI1B、ZNF407 和NR5A1 可能是乳蛋白合成的主要調(diào)節(jié)因子。多項研究結(jié)果顯示，培育乳蛋白和乳脂肪產(chǎn)量高的奶牛是提高牛奶品質(zhì)的一種有效手段[4]。但是由于奶牛的繁殖周期長達(dá)一年、單胎產(chǎn)犢只有一個等特點，給育種工作帶來了很大的難題，因此通過育種改善牛奶品質(zhì)是一個長期的過程。

2.2 日糧因素

多年研究結(jié)果和生產(chǎn)實踐顯示，乳糖產(chǎn)量受外界因素的影響較小，因此大多數(shù)科研工作者將提升牛奶品質(zhì)的重點工作聚焦在提高乳蛋白和乳脂產(chǎn)量，以及牛奶中功能性脂肪酸（EPA、DHA、CLA）和活性物質(zhì)的含量上[8，19]。

日糧中適當(dāng)比例的粗飼料是保證乳脂率的關(guān)鍵，因為粗飼料的發(fā)酵產(chǎn)物乙酸和丁酸是乳腺合成乳脂的重要前體物質(zhì)[20]。當(dāng)精料比例過高時，瘤胃中丙酸產(chǎn)量增多，發(fā)酵模式發(fā)生改變，導(dǎo)致乳脂率下降[21-22]。然而不同奶牛的耐受性存在很大差異，飼喂高精糧日糧（粗料∶精料=35∶65）的泌乳中期荷斯坦奶牛，乳脂率均有所下降，但是耐瘤胃酸中毒的個體下降程度較小[23]。研究發(fā)現(xiàn)，日糧中適當(dāng)補充脂肪或緩沖劑能夠防止乳脂降低[23-24]。并且日糧中添加脂肪能夠在一定程度上影響脂肪酸的組成，進(jìn)而影響牛奶中功能性物質(zhì)的含量，日糧中添加粗甘油，乳脂中奇數(shù)鏈脂肪酸和共軛亞油酸有增加的趨勢[9]，日糧中添加牧草和植物油料種子以及微藻，增加了牛奶中ω-3多不飽和脂肪酸和順式-9，反式-11 共軛亞油酸，降低了飽和脂肪酸的含量[19]。

以往的研究發(fā)現(xiàn)，日糧中補充粗飼料對乳蛋白的影響并不大[24]，因為乳腺合成乳蛋白的原料主要是氨基酸，而蛋白在瘤胃內(nèi)的轉(zhuǎn)化過程較復(fù)雜。許多學(xué)者通過添加過瘤胃保護(hù)氨基酸、膽堿等營養(yǎng)物質(zhì)來提高奶牛的乳蛋白產(chǎn)量[25]。另外，日糧中補充葉酸，可提高代謝效率、泌乳性能和牛奶的營養(yǎng)物質(zhì)含量，特別是在泌乳早期日糧中添加[26]。綜上，通過改善日糧以提高牛奶品質(zhì)是最有效的途徑，然而也存在諸多弊端，因為在提高養(yǎng)分含量的同時提高了飼養(yǎng)成本，并且可能降低飼料利用效率。

2.3 環(huán)境因素

對奶牛的產(chǎn)奶量和乳成分影響較大的環(huán)境因素主要是溫度和濕度[5-6]。Hill 等[5]分析了蘇格蘭地區(qū)1 369 頭奶牛21 年來的溫濕度指數(shù)（THI）、奶產(chǎn)量和乳成分等數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)和室外飼養(yǎng)的奶牛，蛋白質(zhì)含量均隨著THI的增加而降低，并且在室外飼養(yǎng)比室內(nèi)飼養(yǎng)降低的速度更大。THI 的改變不僅受飼養(yǎng)環(huán)境的影響，另外一個最主要的原因是隨季節(jié)的改變而變動。研究發(fā)現(xiàn)乳脂肪、乳蛋白、總固形物和非脂固形物的含量在夏季最低，而在冬季達(dá)到最高[6]。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于夏季溫濕度較高，容易造成熱應(yīng)激，而機體發(fā)生熱應(yīng)激時產(chǎn)奶性能將會受到嚴(yán)重的影響[27]。雖然環(huán)境對于牛奶品質(zhì)有一定影響，但是隨著生產(chǎn)水平的提高，養(yǎng)殖環(huán)境越來越完善，各項養(yǎng)殖設(shè)施也得到了優(yōu)化，大大降低了環(huán)境造成的經(jīng)濟損失。

除日糧、遺傳和環(huán)境因素外，機體的生理因素，如奶牛的胎次、泌乳階段和疾病等[28-29]，生產(chǎn)上的管理因素，如擠奶頻率和飼喂方式等，也會對牛奶的品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響[25]。綜上所述，任何因素發(fā)生變化都會在一定程度上影響機體對養(yǎng)分的吸收和利用，并且影響轉(zhuǎn)化到牛奶中的養(yǎng)分，進(jìn)而改變牛奶品質(zhì)。

3 瘤胃微生物與牛奶品質(zhì)

奶牛瘤胃中棲息著大量的微生物，如細(xì)菌、原蟲、古生菌和真菌[30]，在分解飼料和利用養(yǎng)分的過程中行使著各自的功能。奶牛體內(nèi)約70%能量和50%蛋白質(zhì)通過瘤胃微生物發(fā)酵提供[31]。牛奶的重要營養(yǎng)成分，如乳蛋白、乳脂肪和乳糖的前體物質(zhì)大部分都是在瘤胃微生物的作用下產(chǎn)成的，而前體物的產(chǎn)量直接影響牛奶相應(yīng)的養(yǎng)分含量。因此，瘤胃微生物與牛奶品質(zhì)有著密不可分的關(guān)系。曾有研究發(fā)現(xiàn)，瘤胃微生物與奶牛的生產(chǎn)性狀（如飼料利用效率、產(chǎn)奶量和乳成分）之間存在著緊密的相關(guān)性[10，32]。產(chǎn)奶量是衡量奶牛生產(chǎn)性能的重要指標(biāo)，直接影響各種乳成分的產(chǎn)量，有研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)奶量低的奶牛，其瘤胃乳酸菌如Streptococcus、unclassifiedEnterobacteriaceae、Ruminobacter、Treponema和unclassifiedBacteroidaceae含量較高[27]。

3.1 瘤胃微生物對乳蛋白的影響

乳蛋白的前體物主要是氨基酸，而氨基酸很大部分來源于瘤胃中合成的MCP 和直接進(jìn)入小腸的UDP。UDP 的含量主要取決于飼料的質(zhì)量[33]，而MCP的產(chǎn)量與瘤胃微生物的結(jié)構(gòu)和組成，以及原蟲數(shù)量有直接關(guān)系[34]。有學(xué)者提出瘤胃中主要的蛋白降解菌有Bacteroides、Butyrivibrio、Clostridium、Eubacterium、Streptococcus和Selenomonas[35-36]。另外，瘤胃原蟲，如纖毛蟲能夠吞噬細(xì)菌以滿足自身的營養(yǎng)需要，因此原蟲的存在降低了飼料的能量利用效率[37-38]。產(chǎn)甲烷古菌同樣也能夠降低機體對能量的利用，并且產(chǎn)甲烷古菌的豐度高更利于甲烷的產(chǎn)生[8]，造成溫室效應(yīng)。瘤胃MCP 產(chǎn)生的過程需要能量的供應(yīng)，因此原蟲和產(chǎn)甲烷古菌能夠通過影響供能來影響MCP的產(chǎn)量。

研究發(fā)現(xiàn)，飼喂同樣日糧的奶牛，乳蛋白產(chǎn)量高（HH）的個體，其瘤胃微生物的豐富度小于乳蛋白產(chǎn)量低（LL）的個體，其中Proteobacteria在HH 組的豐度比LL 組高1.36 倍，屬水平上Succinivibrio的相對豐度在HH 組中顯著低于LL 組，Clostridium的相對豐度有降低的趨勢，而HH 組中Sharpea的相對豐度則是LL奶牛的2.28 倍[11]。在其他奶畜中也發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象，然而由于物種的差異，結(jié)果可能出現(xiàn)一定的差異。Zou等[39]針對廣西乳水牛與乳蛋白和總固形物含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示Acinetobacter與乳蛋白平均產(chǎn)量（R=0.56；P=0.03）、乳總固體平均產(chǎn)量（R=0.60；P=0.02）和標(biāo)準(zhǔn)乳產(chǎn)量（R=0.57；P=0.03）呈正相關(guān)（見表1）。

3.2 瘤胃微生物對乳脂的影響

牛奶中的乳脂肪來源于優(yōu)良的飼草飼料，乳脂肪產(chǎn)量取決于奶牛對飼料的轉(zhuǎn)化效率。乙酸、β-羥基丁酸和游離脂肪酸是主要的乳脂肪前體物，其中乙酸和丁酸主要由瘤胃微生物發(fā)酵粗飼料產(chǎn)生，然后經(jīng)血液轉(zhuǎn)運到乳腺用于合成三酰甘油。在此過程中瘤胃微生物對纖維的分解作用是決定乳脂前體物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，Prevotella 的OTU 與產(chǎn)奶量和乳脂產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)[10]。水牛瘤胃中丁酸弧菌與乳脂肪的平均產(chǎn)量（R=0.55；P=0.03）、總固形物平均產(chǎn)量（R=0.56；P=0.03）和標(biāo)準(zhǔn)乳產(chǎn)量（R=0.52；P=0.05）呈正相關(guān)[39]。奶牛發(fā)生低乳綜合征時其瘤胃Prevotella 的相對豐度顯著增加，而unclassifiedLachnospiraceae、Oribacterium、unclassifiedVeillonellaceae和Pseudobutyrivibrio的相對豐度顯著降低，并且乙酸和丁酸濃度均有降低的趨勢[40]。研究還發(fā)現(xiàn)，瘤胃微生物群對荷斯坦牛乳中奇數(shù)鏈脂肪酸和C18多不飽和脂肪酸含量有顯著影響，對短鏈和中鏈脂肪酸含量的影響較小[41]。部分瘤胃微生物能夠通過生物氫化將不飽和脂肪酸變?yōu)轱柡椭舅?，從而改變牛奶脂肪酸的組成[42]。因此，由于瘤胃生物氫化菌的存在，通過日糧中添加不飽和脂肪酸來改善牛奶脂肪酸組成效果不明顯。然而也有多項研究發(fā)現(xiàn)，unclassifiedClostridiales和Ruminococcaceae對生物氫化有顯著影響[40，43]。研究發(fā)現(xiàn)飼喂同樣日糧，直接添加PropionibacteriumP63能夠增加牛奶中十六碳烯酸三酰甘油（cis-9 16∶1）的含量[44]（見表1）。

表1 瘤胃微生物與乳脂肪和乳蛋白產(chǎn)量的關(guān)系

總之，乳脂產(chǎn)量和乳脂肪酸組成的變化通常是由瘤胃發(fā)酵和生物氫化途徑的改變引起的，而瘤胃微生物無論在瘤胃發(fā)酵還是生物氫化的過程中都是必不可少的，因此調(diào)控瘤胃微生物也許是改善乳脂降低綜合征和增加牛奶功能性脂肪酸的重要方式。

3.3 瘤胃微生物對功能性物質(zhì)的影響

牛奶中豐富的活性蛋白，如乳免疫球蛋白G（IgG）、乳鐵蛋白（LTF）、溶菌酶（LYS）和乳過氧化物酶（LP）等，通常也受到廣泛的關(guān)注。改善瘤胃微生物環(huán)境能夠顯著提高牛奶中活性蛋白的含量。研究發(fā)現(xiàn)日糧中添加益生菌（Lactobacillus casei和Lactobacillus plantarumP-8）雖然對乳脂、蛋白質(zhì)、乳糖含量影響無顯著性差異（P＞0.05），但是能夠顯著提高產(chǎn)奶量和IgG、LTF、LYS 和LP 的含量，同時降低了體細(xì)胞計數(shù)（P＜0.01）[45]。研究還發(fā)現(xiàn)，瘤胃中益生菌與瘤胃發(fā)酵菌，如Bacteroides、Roseburia、Ruminococcus、Clostridium、Coprococcus和Dorea等存在正相關(guān)關(guān)系，而與Bacillus cereus、Cronobacter sakazakii和Alkaliphilus oremlandii等條件致病菌呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論與展望

不同的研究表明，瘤胃微生物與奶牛的產(chǎn)奶量和乳成分之間存在著緊密的相關(guān)性。因此越來越多的學(xué)者著眼于通過瘤胃微生物手段改善牛奶的品質(zhì)。許多學(xué)者還試圖通過交換瘤胃內(nèi)容物來改變瘤胃微生物。Weimer 等[46]將高低產(chǎn)奶性能的奶牛瘤胃內(nèi)容物進(jìn)行了交換，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低產(chǎn)奶牛瘤胃中乳脂的前體物乙酸和丁酸有所增加，但是1 d 后又恢復(fù)到原有水平，并且交換內(nèi)容物后10 d內(nèi)恢復(fù)到交換前的細(xì)菌群落。成年反芻動物瘤胃微生物已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，具有一定適應(yīng)變化的能力，因此，通過改變成年動物瘤胃微生物群落以提高產(chǎn)奶性能效果并不理想。但是，幼齡反芻動物的瘤胃微生物具有較強的可塑性，斷奶前瘤胃微生物群的初步定植對于后期牛奶的產(chǎn)量和養(yǎng)分的含量有重要的影響[47]。立足當(dāng)前的研究基礎(chǔ)，未來應(yīng)該重點探索影響牛奶品質(zhì)的特定微生物，接下來從調(diào)控斷奶前后的犢牛瘤胃微生物入手，從而達(dá)到提高牛奶品質(zhì)的最終目的。目前，量化瘤胃中特定的微生物所起的作用還比較困難，也是未來需要關(guān)注的因素。

在過去的20 年里，新一代測序技術(shù)的應(yīng)用使得人們對瘤胃微生物群落有了新的認(rèn)識。宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù)為特定瘤胃微生物的功能揭開了神秘的面紗。目前人們了解更多的是，瘤胃微生物對于纖維和非纖維碳水化合物的消化、微生物蛋白質(zhì)的合成和生物氫化的作用。然而，瘤胃微生物與宿主的相互作用及其在體內(nèi)的代謝通路和因果關(guān)系還不太清楚，值得進(jìn)一步研究。未來應(yīng)重點從微生物的特定基因和微生物基因的轉(zhuǎn)錄活性入手，探索微生物影響產(chǎn)奶量和乳成分的代謝通路，為提高牛奶品質(zhì)的技術(shù)開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。