高精料飼糧對反芻動物胃腸道健康的影響及調控措施

魏子維 鄧 銘 孫寶麗 郭勇慶

(華南農業大學動物科學學院，廣州510642)

近年來，我國奶牛、肉牛和肉羊等反芻動物養殖業發展迅速，但粗飼料資源不足和品質較差的現狀制約著牛羊產業的快速發展。為了提高飼糧能量濃度和生產性能，泌乳高峰期或育肥期牛、羊通常大量飼喂以谷物為主的高精料飼糧，過量淀粉在瘤胃中發酵導致瘤胃內產生大量的揮發性脂肪酸(VFA)，從而使瘤胃液pH下降和波動增加，引發亞急性瘤胃酸中毒(SARA)、肝膿腫、蹄葉炎、乳脂降低等多種營養代謝性疾病[1-3]；同時，過量的過瘤胃淀粉會進入小腸和大腸，引起腸道上皮結構和后腸道發酵參數發生變化，可進一步損害機體健康。因此，本文綜述了高精料飼糧對反芻動物胃腸道發酵、代謝產物、微生物多樣性和瘤胃上皮的影響及其調控措施，以期挖掘高精料飼糧影響反芻動物胃腸道健康的機理和提升生產性能。

1 高精料飼糧對反芻動物瘤胃健康的影響

1.1 對反芻動物瘤胃內環境和微生物區系的影響

為了提高飼糧的能量濃度和牛、羊的生產性能，在生產中常常飼喂大量谷物，當飼喂比例過高時會破壞瘤胃的內環境，降低pH，改變瘤胃發酵模式及代謝產物的種類和濃度。李洋[4]研究表明，高精料飼糧使山羊瘤胃內乙酸濃度、乙酸/丙酸下降，丙酸和丁酸濃度上升，并產生大量組胺、脂多糖(LPS)、乙醇胺和D-乳酸等異常代謝產物，引起瘤胃代謝紊亂。奶牛的某些代謝性疾病可能是因這些代謝物的改變所引起，Zhang等[5]通過整合代謝組學和相關網絡分析，比較了飼喂低精料飼糧和高精料飼糧的奶牛瘤胃代謝產物組成發現，高精料飼糧增加奶牛瘤胃液中的細菌降解產物(包括黃嘌呤、次黃嘌呤、尿嘧啶等)、有毒化合物(包括脂多糖、生物胺、乙醇胺等)和15種氨基酸(包括丙氨酸、亮氨酸、甘氨酸等)的濃度，而這些代謝產物可能會增加SARA的發生。

瘤胃內存在許多不同種類的細菌、真菌及原蟲等微生物群體，它們相互協同或競爭構成了瘤胃內穩定的微生物區系，而瘤胃微生物的代謝產物會對反芻動物的生產性能和產品產生影響。因此，保證瘤胃微生物菌群的穩態是保證反芻動物的健康和產品安全的關鍵因素[6]。高精料飼糧模式會改變瘤胃內微生物菌群的豐度和多樣性。以奶牛為例，Plaizier等[7]研究表明，基于16S rRNA基因V3～V4區域高通量測序分析奶牛瘤胃液的菌群，共觀察到11個不同門，90種細菌群落；在門水平上，高精料飼糧增加了瘤胃液中厚壁菌門和放線菌門的相對豐度，而降低了藍細菌門和擬桿菌門的相對豐度。厚壁菌門具有消化代謝淀粉類碳水化合物的能力，其相對豐度的增加會加速淀粉的降解，不利于高精料飼喂時瘤胃內環境的健康。而擬桿菌門能降解纖維素，且與瘤胃液pH關系密切，其相對豐度的下降可能與瘤胃液pH下降有關[8]。

飼糧精粗飼料的比例會影響瘤胃菌群的變化。Fernando等[9]研究表明，使用末端限制性片段長度多態性(T-RFLP)分析肉牛瘤胃液16S rRNA基因，發現谷物和干草比為20∶80、40∶60與60∶40、80∶20的細菌種群結構存在明顯差異，且精料比例越高，瘤胃微生物菌群的變化越明顯；在門水平上，低精料飼糧中肉牛瘤胃中含有大量的纖維桿菌，隨著精料的增加，琥珀酸纖維桿菌的相對豐度逐漸降低，而高精料飼糧組肉牛瘤胃中含有大量的厚壁菌和變形菌。

飼喂高精料飼糧會改變山羊瘤胃上皮細菌菌群的豐度和多樣性。Liu等[10]研究發現，高精料增加了山羊瘤胃上皮丁酸弧菌屬、Mogibacterium和琥珀酸菌屬的相對豐度，降低了未分類的瘤胃菌科的相對豐度；Mogibacterium通常在人類的大腸癌患者結腸黏膜中比較豐富，因此其相對豐度的上升可能會損害山羊瘤胃上皮健康。此外，高精料飼糧還可增加山羊瘤胃內色胺、內毒素、酪胺等的含量和纖毛蟲的數量，降低了古細菌菌群的多樣性[11]。

1.2 對反芻動物瘤胃上皮的影響

反芻動物可利用瘤胃微生物對結構性碳水化合物進行發酵，產生大量的乙酸、丙酸和丁酸等VFA，其中復層鱗狀瘤胃上皮(SSE)在吸收VFA中起關鍵作用。從瘤胃壁突出的乳頭可增加吸收VFA的表面積，從而利于瘤胃上皮對營養物質的吸收和離子轉運。瘤胃上皮分為4層，棘突層和基底層相鄰，擁有功能性線粒體，有助于VFA代謝、酮體生成；顆粒層鄰近棘突層，細胞通過橋粒連接形成致密結構，可防止物質以擴散方式透過瘤胃壁。角質層與瘤胃環境直接接觸，是瘤胃上皮對瘤胃內環境的物理保護屏障[12]。

高精料飼糧會引起反芻動物瘤胃上皮出現損傷。Steele等[13]用高精料飼糧誘導羔羊發生SARA時發現其瘤胃上皮出現過度角質化，且瘤胃角質層厚度、乳頭高度及寬度都呈下降趨勢。此外，還會破壞上皮細胞間的緊密連接，使瘤胃上皮細胞間的間隙增大，最終削弱瘤胃上皮的屏障功能。Steele等[14]研究發現，高精料飼糧組奶牛的瘤胃顆粒層、基底層和棘突層厚度以及活檢瘤胃乳頭中的整個SSE厚度均明顯降低；通過用電子顯微鏡高放大倍數時發現，高精料組瘤胃顆粒層的橋粒數目減少，細胞黏附程度降低，表明顆粒細胞沒有形成緊密的屏障。因此，高精料飼喂會增加反芻動物瘤胃上皮通透性，損傷瘤胃上皮屏障功能和健康。

2 高精料飼糧對反芻動物腸道健康的影響

2.1 對反芻動物腸道發酵和微生物的影響

奶牛后腸道碳水化合物的微生物發酵占總碳水化合物消化量的5%～10%。隨著淀粉攝入量的增加，腸道和糞便中的淀粉含量也逐漸增加，并且淀粉的消化率呈下降趨勢。這說明當淀粉含量攝入過多時，會限制小腸對淀粉的吸收，造成淀粉消化率的下降(表1)。

當攝入過量淀粉時，在消化道前部不能被完全消化，通常進入大腸進行發酵，由于腸道缺乏唾液緩沖和原生動物，會導致腸道中pH降低，LPS和VFA濃度上升，從而引起后腸酸中毒。酸中毒導致消化道處于酸性環境從而損傷大腸上皮，此時動物會分泌黏液來保護大腸上皮免受進一步的損傷，從而導致糞便稀薄。同時，由于VFA的積累增加了腸道內部的滲透壓，會導致體液向糞便中滲出，而二氧化碳的產生會導致糞便呈泡沫狀，進一步引發腹瀉；同時，腸道LPS濃度的上升，會破壞腸道的屏障功能，并導致游離LPS進入血液循環，引發全身炎癥[19]。

飼喂高精料飼糧會改變后腸道內的pH，以及細菌菌群的豐度和多樣性。Danscher等[20]研究表明，高精料飼糧可降低奶牛糞便pH(6.04 vs. 6.49)和尿液pH(7.80 vs. 8.05)。Mao等[21]研究表明，高精料飼糧增加了奶牛糞便中毛螺菌屬、嗜麥芽寡養單胞菌的百分比，減少了賴氨酸芽孢桿菌屬的百分比；嗜麥芽寡養單胞菌與乙酸鹽、丙酸鹽和VFA濃度之間存在顯著正相關，而賴氨酸芽孢桿菌屬相對豐度與其呈負相關。Li等[22]發現，高谷物飼糧使誘導組奶牛盲腸中LPS濃度從16 508 EU/g增加到118 522 EU/g，糞便中LPS濃度從12 832 EU/g增加到93 154 EU/g。Liu等[23]研究也發現，高精料飼糧降低了山羊盲腸內容物的pH和異丁酸鹽的濃度，增加了VFA和LPS的濃度，且盲腸中游離LPS的濃度與革蘭氏陰性細菌的比例之間存在顯著負相關，說明盲腸pH降低與游離LPS的濃度增加可能是某些革蘭氏陰性細菌死亡和溶解所導致。因此，飼喂高精料飼糧可能會導致腸道LPS濃度過高從而引發反芻動物腸道局部炎癥的發生。

表1 反芻動物淀粉攝取量與腸道消化的關系

2.2 對反芻動物腸道上皮結構的影響

衡量反芻動物腸道消化和吸收能力的主要指標是小腸上皮中的隱窩深度和絨毛長度。腸道上皮對營養物質消化吸收功能的變化與腸隱窩深度的變化有關，腸道絨毛長度提升會增加其上皮細胞的數量，隱窩變淺或絨毛長度下降，表示小腸吸收能力減弱、黏膜功能下降。薛春旭[24]研究表明，飼喂高精料飼糧的山羊十二指腸、空腸和回腸絨毛高度和隱窩深度都顯著提高，說明飼喂高精料飼糧會提升山羊小腸黏膜的功能，從而促進腸道的吸收能力，但空腸絨毛高度與隱窩深度的比值顯著下降，也說明飼喂高精料使山羊的空腸黏膜受到損傷。

高精料飼糧通常會損傷反芻動物的后腸道上皮。后腸道上皮是由單層上皮細胞構成，比瘤胃更容易受到酸性損傷、屏障損傷和毒素易位的影響，因此腸道酸度的增加可能會破壞腸道上皮形態結構的完整性，導致大腸上皮細胞損傷和脫落[25]。Ye等[26]研究表明，高谷物飼糧可導致山羊結腸上皮出現脫落，細胞線粒體出現溶解以及細胞間的緊密連接被破壞，其中腸道低pH和高滲透壓是造成上皮損傷的重要因素；對黏膜具有損傷作用的菌屬Blautia豐富度顯著升高，也證明了高精料飼糧會造成腸道上皮受損。Tao等[27]研究發現，飼喂高精料使山羊盲腸上皮細胞線粒體腫脹，破壞盲腸黏膜超微結構；盲腸上皮中的丙二醛含量顯著升高，谷胱甘肽過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性則顯著降低，說明盲腸黏膜中氧化反應增加和抗氧化作用降低，從而導致了上皮細胞凋亡。

3 反芻動物胃腸道健康與炎癥

高精料飼糧可引起反芻動物胃腸道和機體的炎癥。如瘤胃炎主要是由于瘤胃液的酸度和LPS濃度增加而導致瘤胃上皮角化不全所致，全身性炎癥可能是由于內毒素(如LPS或其他免疫原性化合物)從消化道外移位引起的；而LPS是革蘭氏陰性菌外壁的一個組成部分，當瘤胃內革蘭氏陰性菌死亡溶解后，會增加瘤胃中游離LPS的濃度，隨后通過瘤胃屏障進入血液，使血液中的LPS濃度增加，引發全身性炎癥反應[28-29]。由圖1可知高谷物飼糧飼喂奶牛時，胃腸道中的LPS和組胺的濃度上升會激活核因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)炎癥信號通路，引起奶牛胃腸道上皮細胞的炎癥損傷[30]。血清中LPS結合蛋白(LBP)與LPS形成復合物并催化其轉移到CD14(膜結合型或可溶性)，再與Toll樣受體-4(Toll-like receptors-4，TLR-4)組合，然后與髓樣分化蛋白-2(myeloid differential protein-2，MD-2)共同形成巨噬細胞膜內的信號復合物，激活NF-κB炎癥信號通路[31]，刺激下游靶基因轉錄并誘導釋放白細胞介素-6(IL-6)、白細胞介素-1(IL-1β)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等炎性細胞因子，進而誘導炎性反應[32-33]。

LPS：脂多糖 lipopolysaccharide；VFA：揮發性脂肪酸 volatile fatty acid；LBP：脂多糖結合蛋白 lipopolysaccharide binding protein；CD14：脂多糖受體 lipopolysaccharide receptor；TLR-4：Toll樣受體-4 Toll-like receptors-4；MD-2：髓樣分化蛋白-2 myeloid differential protein-2；NF-κB：核轉錄因子-κB nuclear factor-kappa B；IL-6：白細胞介素-6 interleukin-6；IL-1：白細胞介素-1 interleukin-1；TNF-α：腫瘤壞死因子-α tumor necrosis factor-α。

4 提高反芻動物胃腸道健康的營養調控措施

4.1 飼料原料的加工處理

燕麥、稻谷、小麥和玉米等是反芻動物飼糧中常見的谷物原料，通過適當的物理或化學方法處理谷物可以減緩其瘤胃淀粉降解速率，有效預防SARA的發生。谷物的物理加工方法主要包括粉碎、制粒、滾壓、蒸汽壓片、膨化等，其中粉碎可以提高淀粉的利用率，但由于不能充分刺激咀嚼和反芻，導致唾液分泌減少，相應地增加了SARA發生的可能性。Wang等[35]研究發現，在相同的情況下，相比干燥滾壓使用浸泡滾壓會讓大麥在瘤胃中降解率顯著降低。曹玉偉等[36]研究表明，玉米經蒸汽壓片有利于維持正常的瘤胃發酵模式，從而提高淀粉在瘤胃的利用率和維持pH的穩定。

早期谷物化學處理方法包括氫氧化鈉、甲醛和氨處理法等。但這幾種化學方法預處理時間過長，同時存在潛在毒性和損害動物健康等問題而未得到廣泛推廣應用。最新研究發現，檸檬酸、單寧酸和乳酸等多種有機酸有利于提高谷物中的抗性淀粉水平，降低淀粉在瘤胃降解率從而緩解SARA；這些有機酸在自然界分布很廣，且并未在牛奶和肉中發現殘留，因此這些有機酸都是安全可靠的[37-38]。Deckardt等[39]通過研究表明，大麥籽粒中加入5%的乳酸進行處理會降低發酵液中VFA濃度，并促進纖維降解。Shen等[40]研究表明，玉米在0.5%檸檬酸中浸泡48 h后飼喂，能有效地改善奶山羊瘤胃液pH，使瘤胃pH<5.6的時長降低，緩解瘤胃酸中毒的風險，減輕炎癥反應，提高產奶量和乳脂率。沈宜釗[19]通過體外研究表明，用0.5%的檸檬酸浸泡玉米48 h可以有效增加玉米中抗性淀粉比例，提高玉米的瘤胃消化抗性，從而緩解SARA。Yang等[41]研究表明，玉米在1%乳酸或1%鹽酸中浸泡48 h后飼喂肉牛，能顯著提高肉牛瘤胃液pH，并降低肉牛瘤胃LPS濃度，且1%乳酸處理還可降低血漿中LPS濃度，說明使用乳酸等有機酸處理飼糧有利于預防SARA的發生。

4.2 保證飼糧中的物理有效纖維的供給

提高飼糧的物理有效纖維(peNDF)水平，能夠促進咀嚼，增加唾液產生和瘤胃緩沖能力，以及防止碳水化合物發酵過程中產生的大量有機酸造成的pH下降。德國要求奶牛全混合日糧(TMR)的干物質中粗纖維(CF)含量>18%，且粗飼料要占TMR的65%以上；NRC(2001)規定奶牛TMR中CF含量>25%，泌乳奶牛的peNDF含量應>15%[42]。除CF含量外，飼糧粒度也能刺激反芻和咀嚼，趙向輝等[43]研究表明，增加苜蓿干草粒度，提高了飼糧的peNDF含量，刺激山羊咀嚼并分泌唾液，提高了瘤胃液平均pH，從而緩解SARA。

可溶性纖維在瘤胃中發酵時不產生乳酸，且丙酸的產量也較低。倪海星等[44]以含有較高可溶性纖維的甜菜粕代替部分玉米，提高了肉牛的瘤胃液pH和養分消化率，且在不損害動物健康的前提下提高了日增重，降低了料重比，綜合考慮甜菜粕替代玉米的適宜水平為67%。Mojtahedi等[45]以甜菜粕代替部分大麥籽粒，也提高了荷斯坦奶牛的咀嚼率、瘤胃pH和養分消化率。因此，可以考慮用甜菜顆粒粕替代玉米等高淀粉谷物來減輕其對瘤胃發酵造成的負面影響。

4.3 應用添加劑

除了對飼料原料進行處理外，還可以通過添加緩沖劑、硫胺素、酵母和酵母培養物等物質來改善胃腸道的發酵環境，降低SARA的發病率。

腸道細菌會降解和發酵淀粉，且吸收效率比瘤胃高，但過量的過瘤胃淀粉進入小腸會使小腸淀粉消化率降低，而胰腺α-淀粉酶分泌不足是導致小腸淀粉消化率降低的主要原因。添加功能性氨基酸可促進胰腺酶的合成和分泌，從而提高小腸淀粉的消化率，促進能量的高效利用，且苯丙氨酸和亮氨酸分別是調控胰腺酶的最有效氨基酸[46]。Cao等[47]研究表明，在奶山羊十二指腸灌注亮氨酸或苯丙氨酸能有效改善奶山羊胰腺淀粉酶的表達和分泌，進而促進山羊腸道淀粉的消化。劉燁[48]在山羊和奶牛十二指腸中灌注亮氨酸，結果表明亮氨酸能促進α-淀粉酶分泌，進而提高小腸淀粉消化率，促進飼料的高效利用。

飼糧中添加硫胺素可以有效地緩解瘤胃酸中毒。Pan等[49]研究表明，奶牛瘤胃中注入硫胺素(180 mg/kg DM)可以改善VFA的比例、降低瘤胃液和血液中乳酸的濃度，從而減輕SARA時瘤胃液pH的下降。Zhang等[50]研究表明，在山羊飼糧中添加硫胺素(200 mg/kg DM)提高了瘤胃液pH，降低丁酸、乳酸和瘤胃LPS的濃度，改善了瘤胃內環境；并抑制NF-κB炎癥信號通路的激活和炎細胞因子(IL-6和TNF-α)的合成。這些結果說明硫胺素可通過改善瘤胃發酵和減輕瘤胃炎癥來緩解了SARA。

酵母和酵母培養物作為一種微生物發酵產物添加劑，主要通過穩定瘤胃液pH、乳酸產量減少和纖維消化能力增強來發揮作用。任勝男等[51]研究表明，非纖維性碳水化合物(NFC)/中性洗滌纖維(NDF)為2.30時，成功建立體外SARA模型，添加酵母培養物能提高瘤胃液pH和VFA濃度，并降低乳酸濃度，其中以添加底物干重的2.0%的酵母培養物對SARA的緩解作用最佳。Neubauer等[52]研究表明，在奶牛TMR中添加自溶酵母[15 g/(d·頭)]可以在低pH期間對細菌菌群及其隨后的發酵具有最顯著的調節作用，能降低淀粉的發酵速率，從而降低SARA的發病率。

氫氧化鎂、碳酸氫鈉、氧化鎂等緩沖劑經常被運用到奶牛飼糧中，因為它們的酸解離常數接近正常瘤胃液pH，具有較高的耗酸能力。Neville等[53]研究表明，在飼糧中加入0.9%碳酸氫鈉可提高奶牛的瘤胃液pH。李林等[54]研究表明，在高精料飼糧的基礎上添加復合緩沖劑(碳酸氫鈉、氧化鎂等混合)，可以提高泌乳期山羊瘤胃液pH并減少瘤胃中LPS的釋放，且對產奶量以及乳脂和乳蛋白含量的提高也具有一定作用。Alexd等[55]研究表明，在飼喂相同TMR的基礎上分別添加0.4%氧化鎂和0.8%碳酸氫鈉，發現均提高了奶牛瘤胃液pH，且添加氧化鎂可防止奶牛干物質攝入量和產奶量下降，而添加碳酸氫鈉可防止奶牛產奶量下降，但不能阻止采食量的減少。

5 小 結

高精料飼喂模式在短時間內可以提高反芻動物的生產性能，但這種模式同時會損傷胃腸道，誘發SARA及后腸道酸中毒等營養代謝病。通過合理的谷物加工處理、保證飼糧中的物理有效纖維、使用添加劑等措施可以改善反芻動物的胃腸道健康。今后研究中一方面可以利用微生物組學、代謝組學等技術揭示高淀粉飼糧對反芻動物胃腸道健康的影響和作用機制；另一方面需研究更有效的谷物處理方法及合理精粗比來減緩高精料飼糧對胃腸道健康的影響，對于提高反芻動物生產性能和胃腸道健康具有重要意義。