提高奶山羊瘤胃發酵特性的技術研究進展

李俊霞

（聊城大學，山東聊城 252000）

瘤胃是一個多樣、復雜的微生物生態系統，可以將植物生物量轉化為蛋白質、揮發性脂肪酸和宿主動物所需的維生素。研究瘤胃微生物之間的的關系相互作用是一項困難的工作，因為不同的微生物有不同的底物、需求和消化作用。但了解微生物之間的關系和相互作用對評估其對環境或所棲息群落的影響很重要，因為它們在動物健康、生產性能、泌乳和肉類質量和組成中起關鍵作用。因此，本文綜述了近年來國內外在提高奶山羊瘤胃發酵技術方面的研究進展和發展前景。

1 奶山羊瘤胃和微生物群落

奶山羊瘤胃pH、微生物組、發酵產物和代謝物隨日糧的不同而存在差異。在高水平牧草日糧（牧草與濃縮料9∶1）飼喂條件下，奶山羊瘤胃pH為6.25，在高谷物日糧飼喂條件下，其pH=5.90（Lee等，2019）。一般來說，瘤胃pH與揮發性脂肪酸濃度相關，在Kholif等（2018）的研究中發現，乙酸、丙酸和丁酸濃度分別為59.0、26.4和2.25 mmol/100 mmol總揮發性脂肪酸濃度情況下，泌乳努比亞奶山羊瘤胃中有26.9～29.2 g/L的氨氮和82.0 mmol/L的揮發性脂肪酸。高水平牧草和精料比日糧飼喂的韓國本土奶山羊的瘤胃中氨氮和總揮發性脂肪酸含量相當，只有乙酸產量不同，而高牧草日糧的瘤胃中乙酸產量更高。奶山羊瘤胃微生物區系組成通常以擬桿菌門菌為主，其次為厚壁菌門菌，纖維桿菌的豐度很低。Henderson等（2015）利用高通量測序技術發現，瘤胃原生動物群落結構具有很強的寄主個體性，其中以內毛蟲和前毛蟲屬為主。Wang等（2016）研究11個不同年齡組的55只雄性雜交奶山羊瘤胃微生物群落發現，細菌群落主要由擬桿菌門、厚壁菌門和變形桿菌門組成，古生菌中有古埃及古菌，采用實時定量聚合酶鏈反應技術研究發現，高牧草日糧飼喂的奶山羊瘤胃中琥珀酸纖維桿菌基因的相對豐度最高，為2.187。

利用宏基因組學對斷奶前奶山羊的網狀菌、瓣胃和真胃菌群動態進行研究，發現變形桿菌是兼性厭氧菌，變形桿菌可能是通過胎兒在子宮內吞咽羊水從母體胎盤中獲得的。在早期生活中，反芻動物胃室的初級成熟階段、次級成熟階段和第三成熟階段分別為網狀、瓣胃和真胃。第一階段發生在出生后的前兩周，第二階段（出生后第14～28 d）是微生物過渡時期。第三個階段（出生后第28天及以后）是外源性和內源性微生物定植階段（Lei等，2018）。

2 奶山羊瘤胃微生物群及其在乳成分中的關鍵作用

日糧組成在反芻動物瘤胃微生物群組成中起至關重要的作用。牛奶中的共軛亞油酸來源于兩種物質：一種是牛痘酸在乳腺內的內源性合成，另一種是亞油酸經瘤胃生物氫化產生的中間產物。此外，亞麻籽誘導的脂肪酸濃度隨生物氫化反應的進行而改變。亞麻酸的生物氫化途徑涉及的脂肪酸與纖維桿菌科具有高度顯著相關性，其中，纖維桿菌琥珀酸基因是最豐富的飽和脂肪酸之一，是產生C18：0（硬脂酸）的主要物種。纖維桿菌的琥珀酸基因通過代謝和產生C18：0在瘤胃環境解毒中發揮作用。補充亞麻籽油可以使琥珀弧菌的相對豐度增加50%，使纖維桿菌的相對豐度增加75%。因此，亞麻籽的補充降低了普氏菌屬和二甲縮醛的水平，而這兩種物質被認為在原生質體中起重要作用。原生質是一類重要的瘤胃脂質，大量存在于厭氧細菌的細胞膜中，與細菌代謝密切相關。瘤胃微生物對不同環境刺激和微生物多樣性的響應不同，可以改變瘤胃微生物的質粒含量和組成（Cremonesi等，2018）。

3 瘤胃微生物菌群和腸道甲烷生成

甲烷是瘤胃內飼料正常發酵產物之一，生產甲烷會使反芻動物損失約2%～12%的飼料源能量。甲烷由產甲烷菌通過腸內發酵或產甲烷菌產生。產甲烷菌在古瘤胃中占主導地位，屬于廣古動物門，其種群數量因反芻動物的種類而異。甲烷桿菌和甲烷細菌中的假脲菌素、甲烷藻中的雜多糖、微生物菌中的蛋白質構成了產甲烷菌細胞壁。產甲烷菌利用二氧化碳、氫、甲酸鹽、甲胺、甲醇或乙酸鹽作為底物，根據其種類和細胞壁組成產生甲烷（Henderson等，2015）。Pragna等（2018）報道，可以通過3種機制緩解腸道甲烷：以丙酸鹽為最終消化產物；提供替代氫；選擇性滅活瘤胃產甲烷菌。這些機制通過以下幾種策略來減少甲烷的產生：日糧成分（通過增加淀粉、減少細胞壁成分）、脂類（脂肪酸、油、種子和牛脂）、飼料添加劑、甲烷菌素疫苗、莫能菌素、植物化合物（濃縮單寧酸、皂苷和精油）或有機酸（富馬酸或蘋果酸）。

采食量是影響奶山羊等反芻動物甲烷產量的主要因素，當g/d和g/kg體重為0.75時，在飼糧水平為1.5%、2.0%和2.5%時，奶山羊甲烷產量隨飼糧水平的增加呈線性增加，分別為8.5 g/d、10.3 g/d和11.2 g/d。但當甲烷產量以g/kg干物質攝取量、g/kg有機質攝取量和%總能量攝取量表示時情況正好相反（Zhou等，2009）。補充富馬酸和單寧酸也可以減少甲烷的產生，單寧酸可以干擾瘤胃細菌的膜，減少甲烷的產生，而富馬酸刺激富馬酸利用細菌增加丙酸產量，導致甲烷產量下降。

4 日糧干預

日糧干預可以是植物性的、真菌性的、脂肪、酶或酸。這些日糧干預可以單獨使用，也可以組合使用。

4.1 日糧干預提高產奶量和乳品質 豐富的亞油酸和丙烯對提高牛奶健康性能至關重要，因為它們有利于共軛亞油酸的積累。共軛亞油酸對動物和人類有積極作用，Kholif等（2018）發現，共軛亞油酸的攝入對免疫系統、動脈粥樣硬化和骨骼健康有影響。最近有研究報道，日糧干預可有效增加牛奶產量，干預因素包括粗甘油、外源纖維素酶、亞麻子油、胡敏酸、檸檬草、精油等（Morsy等，2015）。奶山羊日糧添加橄欖油副產品+向日葵油，番茄青貯飼料+向日葵油等可以提高奶山羊乳品質。在奶山羊日糧中添加魚油和植物油可以調節乳脂組成，且不會降低乳脂含量。Thoh等（2017）報告稱，添加5%粗甘油的奶山羊日糧通過將粗甘油發酵成丙酸來增加乳脂肪，增加脂類的每日攝取量和消化率。

4.2 瘤胃微生物群、機體功能和日糧干預的關系 Arco-Perez等（2017）用番茄青貯飼料和向日葵油部分替代傳統飼料，在不影響牛奶產量和成分的前提下，提高了泌乳中期奶山羊的體重，改善了奶山羊的機體性能。高通量測序和先進的生物技術已被用來比較品種對瘤胃微生物群的影響及其與飼料效率的關系。Shabat等（2016）發現，瘤胃更高的效率與瘤胃微生物組基因含量和類群的豐富度較低密切相關。

瘤胃內的厭氧微生物可以產生反芻動物自身不能產生的酶。但這些酶不足以降解大多數復雜的植物多糖。因此，外源性纖維分解酶的補充增加了纖維素酶和木聚糖酶的活性，從而增加了纖維的降解。外源性的纖維分解酶有助于消除飼料在消化過程中的結構性障礙，提高消化率，使纖維素分解細菌在植物纖維定殖方面戰勝真菌。此外，這一作用是由于能量物質代謝的改善，有助于糖的生成（Shabat等，2016）。此外，精油是植物性揮發性芳香族化合物，具有抗菌、抗病毒、抗真菌、抗線蟲、殺蟲和抗氧化等特性。鈷是維生素B12的輔助因子，據報道，聯合補充精油和鈷可以提高揮發性脂肪酸的產量，這與擬桿菌屬和琥珀弧菌屬的豐度呈正相關。此外，在添加精油和鈷的微生物群中可以觀察到較高的氮利用、生物降解和代謝能力（Lei等，2018）。

5 瘤胃微生物、益生菌和益生元的共生關系

瘤胃微生物群在動物營養物質利用和合成中起重要作用。在瘤胃中，微生物之間既有協同作用也有拮抗作用。益生菌是刺激瘤胃有益微生物的活微生物，而益生元是不可消化的糖類，為有益微生物提供底物，誘導其生長和活動。目前益生菌和益生元廣泛應用于畜牧業，以促進生產和發展，并解決抗生素、抗菌素和激素生長促進劑方面的主要公共衛生問題。益生菌已被證明可以通過增加體重、采食量，減少腹瀉來促進生長和健康。益生菌產品包含一個或多個選定菌株，通常是革蘭氏陽性菌。反芻動物廣泛使用的益生菌有芽孢桿菌、雙歧桿菌、腸球菌、乳桿菌、片球菌、鏈球菌、酵母菌和厭氧真菌（米曲霉菌）。除了這些廣為人知的益生菌外，人們還在繼續研究能刺激瘤胃微生物的新微生物。如一些纖維素分解細菌，纖維素單胞菌纖維素酶、芽孢桿菌、絲孢熱單胞菌、醋酸桿菌、白瘤胃菌、纖維素梭菌和纖維溶菌酶或纖維溶酶（Abou等，2016）。

6 結論

“組學”等高通量技術與最新的日糧干預相結合對瘤胃微生物組、代謝物、基因、宿主健康、生產性能和效率之間的關系和相互作用有了更深入的了解。然而，還需要進一步研究來改進和了解奶山羊宿主、微生物組和飼料之間的功能和相互作用。