反芻家畜瘤胃揮發性脂肪酸生成及模型研究進展

毛宏祥，陸相龍，金宜全，楊 光，王文丹，吳天佑，李倩倩，蘇衍菁*

（1.光明牧業有限公司，上海 200436；2.湖南農業大學動物科學技術學院，湖南長沙 410128）

揮發性脂肪酸（Volatile Fatty Acids，VFA）是飼料中碳水化合物和蛋白質在瘤胃微生物發酵下可利用的終產物，是維持反芻家畜生命和生產的主要能量來源，為反芻家畜提供70%～80%的能量。VFA 包括乙酸、丙酸、丁酸和其他短鏈脂肪酸，其中乙酸、丙酸和丁酸占瘤胃發酵產生VFA 總產量的95%[1]。乙酸和丙酸分別是反芻家畜合成乳脂和乳蛋白的前體物，丁酸是脂肪合成的前體物[2]。據Dong 等[3]和Kliem 等[4]報道，VFA產量及各組分比例影響奶牛的產奶量和乳蛋白與乳脂含量，對維持奶牛的正常能量代謝至關重要。

VFA 產量及各組分比例受日糧組成、日糧加工方式、瘤胃液pH、瘤胃微生物種類、能量攝入水平和環境溫度等多種因素影響[5-6]。目前，對于群體中（如牧場所有牛只）反芻家畜瘤胃VFA 產量及各組分比例的測定比較困難，且耗時耗財，因此許多科研人員建立了相應的模型來預測VFA 產量及各組分比例，但是利用這些模型在評估不同時間和不同地區的數據時估算精度差異較大[7]。迄今為止，我國反芻家畜瘤胃VFA 產量及各組分比例的模型研究較少，而且模型的估算精度并不一致。本文就反芻家畜瘤胃VFA 的生成機制和國內外經典預測模型進行綜述，旨在為進一步研究VFA 模型的發展提供理論基礎。

1 反芻家畜瘤胃VFA 的生成及意義

碳水化合物在被瘤胃微生物降解的過程中會產生大量的電子載體，其中大部分電子載體被微生物利用，并代謝生成乙酸、丙酸、丁酸以及其他短鏈脂肪酸（圖1）。Guyader 等[8]研究發現，瘤胃中VFA 產量及各組分比例差異的根本原因是日糧組成上的差異性（主要是淀粉和中性洗滌纖維的含量），這導致瘤胃中微生物數量、種類和各種微生物的活性和比例不同，最終影響瘤胃內VFA 產量及各組分比例。Prieto 等[9]報道，提高日糧精料比例會增加VFA 產量、改變VFA 各組分比例，從而提高反芻家畜的生產性能（如產奶量）。然而VFA作為弱酸，大部分在瘤胃中電解離釋放出H+，導致瘤胃液pH 降低，當VFA 產量過高，且已超過瘤胃中和釋放出H+的能力時，可能會引發瘤胃酸中毒[10]。因此，利用飼料中的營養成分來預測VFA 產量及各組分比例對反芻家畜的健康和生產具有一定意義。

2 反芻家畜瘤胃VFA 產量或比例模型的發展

圖1 碳水化合物生成VFA 途徑

反芻家畜瘤胃VFA 數學模型包括機制模型和經驗模型，其中機制模型也稱化學計量學模型。化學計量學模型主要通過測定或估算日糧各化學組分在瘤胃內的有效降解量，建立日糧各化學組分和VFA 各組分之間的關系；經驗模型主要是通過統計大量數據分析數據之間的規律，通過線性擬合建立相應的模型。一般來說，機制模型大多可以預測瘤胃VFA 產量，通過VFA 產量進一步確定VFA 各組分比例，故VFA 產量模型是兩者兼之；經驗模型大多數只能預測瘤胃VFA 比例，主要是因為對于瘤胃中VFA 產量測定的方法還沒有建立成熟，且已有文獻中以VFA 比例形式居多。但以上兩者并不是絕對的，如通過體外發酵可以獲取VFA 產量數據進而可以建立產量模型（經驗模型）。

2.1 機制模型的發展 1975 年，Koong 等[11]認為日糧中的碳水化合物一部分被微生物降解生成VFA，而另一部分則被微生物利用用于維持自身的生長和繁殖，故提出了利用可溶性碳水化合物（Sc）、纖維素（Ce）、半纖維素（Hc）和蛋白質（Pt）4 類化學組分來預測瘤胃VFA 的產量模型（簡稱KOO 模型）。該模型以山羊為試驗動物，利用無限疊代和最小二乘法構建了國際上首個機制模型。相關模型：

PAc=YAc,Sc×USc+YAc,Hc×UHc+ YAc,Ce×UCe+ YAc,Pt×UPt

PPr=YPr,Sc×USc+YPr,Hc×UHc+ YPr,Ce×UCe+ YPr,Pt×UPt

PBu=YBu,Sc×USc+YBu,Hc×UHc+ YBu,Ce×UCe+ YBu,Pt×UPt

PBc=YBc,Sc×USc+YBc,Hc×UHc+ YBc,Ce×UCe+ YBc,Pt×UPt

PAc,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

PPr,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

PBu,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

PBc,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

其中，Ac、Pr、Bu 和Bc 分別代表乙酸、丙酸、丁酸以及其他短鏈脂肪酸（1 － Ac － Pr － Bu）；Ui 為i在瘤胃中的真實降解量；Yj,i 代表i 轉化為j 的系數；Pi 為i 的產量；Pi,VFA表示i 占TVFA 的比例。

該模型僅有8 組實測數據，不具有代表性，需要更多的數據進一步驗證模型的估算精度。此外，Gastelen等[12]報道，淀粉（St）作為碳水化合物中重要的一種組分，影響反芻家畜瘤胃的發酵模式，即高淀粉含量傾向于丙酸的生成，低淀粉含量傾向于乙酸的生成。綜上所述，這些因素可能會影響該模型的估算精度，但為科技人員提供了VFA 機制模型的研究思路。

1982 年，Murphy 等[13]在KOO 模型的基礎上增加了淀粉數據，利用5 類化學組分，構建了新的產量模型（簡稱MUR 模型）。模型方程：

PAc=YAc,Sc×USc+ YAc,St×USt+YAc,Hc×UHc+ YAc,Ce×UCe+YAc,Pt×UPt

PPr=YPr,Sc×USc+ YPr,St×USt+YPr,Hc×UHc+ YPr,Ce×UCe+YPr,Pt×UPt

PBu=YBu,Sc×USc+ YBu,St×USt+YBu,Hc×UHc+ YBu,Ce×UCe+YBu,Pt×UPt

PBc=YBc,Sc×USc+ YBc,St×USt+YBc,Hc×UHc+ YBc,Ce×UCe+YBc,Pt×UPt

PAc,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

PPr,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

PBu,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

PBc,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

方程式中的參數與上述模型相同。該模型主要以干草為粗飼料資源，獲取了大量的肉牛和山羊2 種反芻家畜瘤胃VFA 數據。該模型還將日糧分為精料組和粗料組，建立了2 種日糧的模型計量系數。精料日糧和粗料日糧分別是指日糧精飼料干物質占日糧干物質總重量大于等于或小于50%，這主要考慮到不同類型日糧在瘤胃中有2 種發酵類型，即乙酸型發酵（粗飼料偏多）和丙酸型發酵（精飼料偏多）[14]。此外，粗飼料在瘤胃中的流通速率小于精飼料[15]，將日糧類型分開有利于提高模型的估算精度。1988 年，Argyle 等[16]利用幾種常見的日糧進行體外發酵，通過測定日糧中淀粉和糖類在瘤胃中的降解量以及發酵液中pH 和VFA 等數據建立了VFA 比例模型（簡稱ARY 模型）。與MUR 模型相比，該模型減少了可溶性碳水化合物、半纖維素、纖維素和蛋白質等因子對估算精度的影響。

1992 年，Dijkstra 等[17]認為反芻家畜瘤胃產生的VFA 并不是全部用于提供能量，還有一部分被瘤胃壁吸收利用，因此該產量模型引入了乙酸、丙酸、丁酸、戊酸以及其他VFA 的吸收速率[18-19]（簡稱DIJ 模型）。此外，VFA 吸收是一個被動過程，碳原子含量越多，吸收的速率越快，即戊酸－丁酸－丙酸－乙酸，其吸收速率還受到瘤胃pH 等影響[20]。Banninik 等[21]也認為瘤胃pH 影響可溶性碳水化合物和淀粉的發酵，因此也將瘤胃pH 作為影響VFA 生成的重要影響因子。該模型方程與MUR 模型一樣，僅是在建立模型系數時考慮了瘤胃的pH 和VFA 各組分的吸收速率。

2006 年，Bannink 等[22]在前人研究基礎上，考慮了碳水化合物降解生成VFA 路徑不同。例如，1 mol 碳水化合物（包括可溶性碳水化合物、淀粉、纖維素、半纖維素）的己糖單位降解可生成2 mol 乙酸和丙酸、1 mol 丁酸和其他酸，而1 mol 蛋白質等效于0.55 mol碳水化合物的己糖，從而在構建模型時，五大化學組分轉化為乙酸和丙酸的模型方程式中在原來的基礎上乘以2。此外，該模型也引入了VFA 各組分的吸收速率，假定了乙酸、丙酸、丁酸和其他酸的吸收速率相同，從而構建了新的產量模型（簡稱BAN 模型）。

PAc=（YAc,Sc×USc+ YAc,St×USt+YAc,Hc×UHc+ YAc,Ce×UCe）×2+ YAc,Pt×UPt×1.1

PPr=（YPr,Sc×USc+ YPr,St×USt+YPr,Hc×UHc+ YPr,Ce×UCe）×2+ YPr,Pt×UPt×1.1

PBu=（YBu,Sc×USc+ YBu,St×USt+YBu,Hc×UHc+ YBu,Ce×UCe）×1+ YBu,Pt×UPt×0.55

PBc=（YBc,Sc×USc+ YBc,St×USt+YBc,Hc×UHc+ YBc,Ce×UCe）×1+ YBc,Pt×UPt×0.55

PAc,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

PPr,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

PBu,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

PBc,VFA=PAc/（PAc+PPr+PBu+PBc）

2006 年，Sveinbjorn 等[23]利用北歐170 組奶牛和山羊瘤胃VFA 數據建立了新的產量模型（簡稱SVE 模型），該模型的構建原理與BAN 模型基本相同，而不同的是該模型的輸出參數發生了變化，輸出參數包括粗飼料中性洗滌纖維含量（fNDF）、精飼料中性洗滌纖維含量（cNDF）、淀粉、乳酸、蛋白質以及有機物以外的其他部分（DM- fNDF- cNDF-淀粉-乳酸-蛋白質）。此外，該模型還將精飼料中的粗脂肪含量和奶牛飼養水平作為影響瘤胃VFA 發酵的重要因素。

2.2 機制模型精度評估 以上5 個模型（MUR 模型、ARY 模型、DIJ 模型、BAN 模型和SVE 模型）構建原理基本相同，都是在KOO 模型的基礎上增加或減少變量因子以及考慮VFA 的生成途徑，從而建立了新的VFA 模型或模型計量系數。MUR 模型、DIJ 模型、SVE 模型和BAN 模型中VFA 的數據是引用已發表的文章，且文章中缺少各種營養成分含量和瘤胃有效降解量，因此需要首先查看飼料庫，并利用流通速率和降解速率的模型來預測各種營養成分在瘤胃中的降解量，這可能會影響模型的估算精度。

毛宏祥等[24]利用我國45 組泌乳奶牛瘤胃VFA 數據對MUR 模型、DIJ 模型和BAN 模型進行評估分析發現，BAN 模型乙酸的估算精度是3 個模型中最高的，預測誤差均方根（The Root of Mean Square Prediction Error，RMSPR）小于20%，且模型的偏差主要來自于隨機效應，這可能是BAN 模型考慮VFA 的生成途徑更加全面，從而提高了模型的估算精度，但模型的精度仍然偏低，且3 個模型均無法預測丙酸、丁酸和其他酸。據報道，瘤胃pH 和VFA 各組分的濃度會影響VFA 各組分的吸收速率[25]。Dijkstra 等[26]以泌乳奶牛為試驗動物，通過暫時清空和清洗瘤胃來研究吸收速率和pH的關系，發現當瘤胃pH 較低時，乙酸的吸收速率低于丙酸和丁酸，這與Murphy 等[27]研究結果一致。而Bannik 等[27]假定VFA 各組分的吸收速率相同，可能會提高乙酸比例，進而會影響模型的估算精度。Alemu等[28]利用141 組泌乳奶牛瘤胃VFA 數據對MUR 模型和BAN 模型進行評估分析發現，MUR 模型乙酸和丙酸的估算精度均偏低，模型偏差主要來自于回歸斜率的偏離。Chamberlain 等[29]和Loncke 等[30]研究結果顯示，肉牛瘤胃乙酸與丙酸的比例高于羊，這可能是造成MUR 模型估算精度較低的最為重要原因。Morvay 等[31]利用101 組泌乳奶牛VFA 數據對MUR 模型、ARY 模型、BAN 模型和SVE 模型進行評估分析發現，BAN 模型乙酸、丙酸和丁酸的估算精度是4 個模型中最高的，這與毛宏祥等[24]的研究結果一致；MUR 模型和SVE 模型乙酸和丁酸的估算精度較低，原因可能是MUR 模型和SVE 模型利用肉牛和羊數據建立的模型轉化系數可能不適合奶牛；ARY 模型丁酸和其他酸的估算精度偏低，這與Bannnik 等[32]研究結果一致，可能原因是體外發酵并不能很好模擬瘤胃的發酵模式，進而影響模型的估算精度[33]。

2.3 經驗模型的發展 經驗模型也是預測瘤胃VFA 各組分比例的一種有效有段。1998 年，Friggens 等[34]以11頭裝有永久性瘤胃瘺管的奶山羊為試驗動物，通過飼喂16 種日糧并測定日糧中有機物、可溶性碳水化合物、糖類、淀粉、纖維素、半纖維素、蛋白質、中性不溶蛋白和酸性不溶蛋白以及干物質采食量等數據，利用線性擬合建立了乙酸、丙酸和丁酸的比例模型（簡稱FRI 模型）。相比以上機制模型，該模型的構建原理相對簡單（y=ax+b），但增加了上述模型中沒有的變量因子（中性不溶蛋白和酸性不溶蛋白），探討了這些因子與VFA 之間的關系。2010 年，Noziere 等[35]也提出了一種經驗模型來估算瘤胃VFA 的比例模型（簡稱NOZ 模型）。該比例模型參數包括干物質采食量（DMI）、有機物降解率（dOM）、淀粉降解率（RStD）和中性洗滌纖維降解率（dNDF），并通過對這些參數與乙酸、丙酸和丁酸之間的關系進行了Mate 分析，建立了相應的模型方程。相關模型：

Ac（mmol/L）=54.2+12.0×log（100×dNDF/dOM）－0.052×RStD×1.99×DMI

Pr（mmol/L）=19.7 － 6.63×log（100×dNDF/dOM）+0.07×RStD+2.62×DMI

Bu（mmol/L）=19.0－3.39×log（100×dNDF/dOM）－0.026×RStD

2.4 經驗模型精度評估 Sutton 等[36]報道，相比機制模型，經驗模型沒有考慮到日糧淀粉、纖維和蛋白質來源不同，導致各種營養成分在瘤胃中的降解量不一樣，例如，高精料條件下，保證日糧中營養成分相同，用大麥代替玉米會顯著影響瘤胃淀粉的降解率和VFA 的發酵模式。此外，在不改變飼料組成的情況下，物理或化學處理都會改變各種營養成分在瘤胃的降解率，進而會影響瘤胃的發酵模式[37-38]。這2 種情況都可能會影響模型的估算精度。

Morvay 等[31]利 用101 組 泌 乳 奶 牛VFA 數 據 對FRI 模型進行評估分析發現，FRI 模型乙酸、丙酸和丁酸的估算精度較高，均方根百分比誤差（RMSPE）均小于20%，且偏差主要來自于隨機效應，這與Alemu等[28]研究結果相反。Dijkstra 等[39]認為無論是經驗模型還是機制模型都不能準確預測瘤胃VFA 的比例，最主要的原因是模型建立時的數據源不同。例如，FRI 模型（英國）獲取的VFA 數據主要是基于青貯為粗飼料，而Morvay 等（荷蘭）[40]和Alemu（加拿大）等[41]獲取的VFA 數據分別基于青貯和牧草為粗飼料，這可能導致Morvay 等[40]在評估模型時精度偏高。此外，相關學者也證實了不同的飼料原料會引起瘤胃VFA 各組分的變化，進而會影響模型的系數變化。Alemu 等[28]對NOZ 模型的評估分析也發現，NOZ 模型預測丙酸和丁酸的估算精度均偏低，偏差主要來自斜率偏差的偏離，這可能與飼養水平的差異有關。

3 中國瘤胃VFA 產量模型的研究現狀

目前，中國研究人員在參考國外模型研究的基礎上，利用肉牛相關數據也建立了VFA 產量模型[42]。該模型選擇了55 種常用的肉牛經典日糧，基于康奈爾凈碳水化合物和蛋白質體系（CNCPS）將日糧中的碳水化合物分為糖（CA）、淀粉和果膠（CB1）、可利用纖維（CB2）3 種組分[43]，利用飼料庫計算日糧中3 種組分的含量，并通過MATLAP 軟件分析3 種營養組分與VFA（體外發酵獲取數據）之間的關系，建立了相應的VFA 產量模型。但是該模型主要是利用肉牛VFA數據構建的模型，在奶牛和山羊等其他反芻家畜中有待驗證模型的估算精度。此外，該模型中VFA 的數據通過體外發酵獲取，在動物試驗中也有待驗證。

4 小 結

綜上所述，VFA 是反芻家畜最為重要的能量物質，其產量及各組分比例影響動物的健康和繁殖。然而，無論是經驗模型還是化學計量學模型都不能準確預測瘤胃VFA 產量及各組分比例，其原因主要為數據源差異、動物類型差異、飼養水平差異及VFA 生成機制考慮不全面，因此，有必要增加一些影響因子，如瘤胃微生物數量和飼料中果膠以及其他營養成分來預測瘤胃VFA的組成比例，從而提高模型的估算精度。