飼糧能量水平對干奶期奶牛瘤胃發酵、消化代謝及血漿生化指標的影響

王富偉 何雅琴 鄭宇慧 蘇華維* 李勝利*

(1.中國農業大學動物科學技術學院，動物營養國家重點實驗室，北京市生鮮乳質量安全工程技術研究中心，北京 100193；2.北京首農畜牧發展有限公司，北京 100076)

近年來，圍產期奶牛生理變化及其營養調控一直是奶牛營養和生理學的研究重點和熱點[1-2]。國內外對圍產期奶牛能量平衡及其調控的研究已經取得較大的進展，這些研究為圍產期奶牛的營養調控提供了堅實的理論基礎，但仍然有很多爭論和需要完善的地方，特別是干奶期奶牛能量需求方面。根據NRC(2001)推薦標準，從干奶到產前21 d的奶牛飼糧產奶凈能(NEL)水平為5.23 MJ/kg DM，分娩前最后3周NEL水平為6.44～6.78 MJ/kg DM。我國的奶牛飼養標準(2000)把整個干奶期奶牛飼糧NEL水平定為5.36 MJ/kg DM，并沒有突出產前最后幾周的能量需求，而2004年修訂版對干奶期奶牛的營養需求更加細化，干奶期的營養需求不再一刀切，而是根據體重、胎次和妊娠天數給出不同的需求量。例如，對于體重600 kg的奶牛，妊娠最后1個月，干物質采食量(DMI)預測值為11.2 kg/d，每頭牛能量需求為64 MJ/d，即飼糧能量水平要求提高到5.73 MJ/d，遠低于NRC(2001)的推薦值。Mc Namara等[3]認為，產前飼喂高精料飼糧可以使產前最后幾周奶牛能量滿足需求，改善奶牛能量平衡以減少代謝病的發生，產前飼喂高精料飼糧除了最大程度滿足機體需要外，還可以促進圍產期奶牛瘤胃微生物的生長和瘤胃乳頭上皮的發育，從而使奶牛更好地適應產后高精料飼糧。但Dann等[4]認為在干奶期飼喂高能量水平飼糧實際上會對奶牛在泌乳早期階段造成持續有害的影響。近年來大量的試驗證實產前飼喂低能量水平飼糧更有利于減少圍產期奶牛脂質的動員或提高產后的生產性能[5-7]。Huang[8]等、Dancy等[9]的研究結果表明，干奶期飼喂低能量水平飼糧雖然降低了產后產奶量，但可以有效緩解能量負平衡。因此，干奶期奶牛的適宜飼糧能量水平仍有較大爭議。本試驗的目的是探討干奶期奶牛飼糧能量水平對瘤胃發酵、消化代謝及血液指標的影響，以便建立適合我國的荷斯坦奶牛干奶期飼養管理模式，同時也為我國奶牛飼養標準的進一步修訂提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗動物和飼糧

選擇體重[(641±31) kg]、體況評分(BCS，3.31±0.19)、預產期相近并裝有永久性瘤胃瘺管的干奶期健康奶牛4頭(產前70 d干奶)，采用4×4拉丁方設計，分別飼喂4種不同能量水平的飼糧，即NEL水平分別為5.46、5.78、6.11和6.43 MJ/kg DM。試驗飼糧組成及營養水平見表1。

表1 試驗飼糧組成及營養水平(干物質基礎)

1.2 飼養管理

從產前60 d開始試驗，分為4期，每期13 d，其中包括調整適應期10 d，采樣期3 d。試驗期內每周采集1次飼料樣品。采樣期內每天于采食后0、4、8、12、16、20和24 h采集瘤胃液，連續3 d全收糞尿，并于最后1天晨飼后4 h，通過尾靜脈采集血液。試驗牛為栓系飼養，手工配制全混合日糧(TMR)，分別于每天05:30和17:30各飼喂1次，全天自由飲水。記錄每天的采食量，剩料量控制在飼喂量的5%～10%。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 飼料樣品的采集與分析

試驗期內每周采集1次飼料樣品，包括青貯、羊草、精料混合料、TMR以及剩料，于60 ℃烘箱內烘干48 h制備風干樣，粉碎后保存待測。干物質(DM)含量測定采用105 ℃烘干方法(method 950.15，AOAC)[10]，粗蛋白質(CP)含量測定采用凱氏定氮法，粗灰分(Ash)含量測定采用550 ℃灼燒法(method 924.05，AOAC)[10]，粗脂肪(EE)含量測定采用索氏提取法(method 920,39，AOAC)[10]，鈣(Ca)和磷(P)含量測定參考AOAC方法(method 965.09和method 965.17)[10]，酸性洗滌纖維(ADF)、中性洗滌纖維(NDF)含量根據Van Soest等[11]的方法測定。

1.3.2 瘤胃液的采集與分析

采樣期內每天于采食后0、4、8、12、16、20和24 h采集瘤胃液，用4層紗布過濾后，立即測定pH；然后再以1 510×g的速度離心，收集上清液，并分裝于2個塑料瓶中，-20 ℃冷凍保存。其中一瓶根據Broderick等[12]描述的方法，用分光光度計測定氨態氮(NH3-N)含量。另一瓶用25%偏磷酸酸化后，用Agilent 6890N氣相色譜儀測定揮發性脂肪酸(VFA)含量[13]。

1.3.3 糞樣、尿樣的收集與分析

在每個試驗期的采樣期內，采用Cao等[14]描述的方法，連續3 d全收糞尿。將每天所收集的糞樣混合均勻后，準確稱取總糞量的2%，加入1/4糞重的10%酒石酸，混合均勻并于60 ℃烘干回潮，粉碎后保存待測，糞樣中的各種營養成分的分析指標和方法同飼料樣品。為防止尿樣的腐敗分解，在集尿桶中預加入200 mL 10%的稀硫酸以使pH<3.0，每天取總尿量的2%，用4層紗布過濾后，分裝于2個塑料瓶，于-20 ℃冷凍保存。其中一瓶按照凱氏定氮法測定總氮含量[10]，另一瓶采用試劑盒的方法測定尿素氮(UN)含量[15]。相關指標計算公式如下：

某營養物質表觀消化率=100×(該營養物質
攝入量-糞中該營養物質排出量)/
該營養物質攝入量；沉積氮=攝入氮-糞氮-尿氮；氮利用率=100×沉積氮/攝入氮。

1.3.4 血樣采集與檢測

在每個采樣期內于最后1天晨飼后4 h，使用肝素抗凝一次性真空采血管，通過尾靜脈采集血樣10 mL，1 398×g離心分離血漿，分裝于1.5 mL凍存管中，于-20 ℃保存待檢。血漿葡萄糖(GLU)、甘油三酯(TG)、總蛋白(TP)、白蛋白(ALB)、總膽紅素(TBIL)、非酯化脂肪酸(NEFA)、β-羥基丁酸(BHBA)、UN含量及谷丙轉氨酶(GPT)、谷草轉氨酶(GOT)活性使用全自動生化分析儀(Technicon Instruments Corp.，美國)測定；血漿瘦素(Leptin)、胰島素(Ins)、胰高血糖素(GLN)含量使用放射性免疫試劑盒測定(Linco Research，Inc.，美國)。

1.4 數據統計分析

本試驗按照拉丁方設計，用SAS 9.1的GLM過程進行分析。瘤胃發酵參數采用以下數學模型：

Yijk=μ+Ti+Pj+Ck+Sl+Ti×Sl+eijkl。

式中：Yijk為試驗牛在不同飼糧處理下的因變量值；μ為均值；Ti為飼糧處理效應；Pj為試驗期效應；Ck為試驗牛的隨機影響(k=1～4)；Sl為采樣時間(l=0、4、8、12、16、20、24 h)；Ti×Sl為處理與采樣時間的互作；eijkl為誤差項。

其他數據采用SAS 9.1的GLM程序進行分析，均值采用Tukey檢驗進行多重比較。試驗數據統計結果以平均值和均值標準誤(SEM)表示，P<0.05表示差異顯著，0.050.10表示差異不顯著。

2 結 果

2.1 飼糧能量水平對干奶期奶牛瘤胃發酵的影響

從表2和圖1可以看出，隨著飼糧能量水平的提高，干奶期奶牛瘤胃液pH有降低的趨勢(P=0.076)，NH3-N含量有增加的趨勢(P=0.086)，丙酸含量顯著增加(P<0.05)，乙酸/丙酸顯著降低(P<0.05)。NEL為6.43 MJ/kg組的瘤胃液丁酸和異戊酸含量顯著高于其他各組(P<0.05)。飼糧能量水平對干奶期奶牛瘤胃液總揮發性脂肪酸(TVFA)、乙酸和戊酸含量沒有顯著影響(P>0.10)。

表2 飼糧能量水平對干奶期奶牛瘤胃發酵的影響

2.2 飼糧能量水平對干奶期奶牛消化代謝的影響

從表3可以看出，隨著飼糧能量水平的提高，干奶期奶牛DM、CP和EE攝入量顯著增加(P<0.05)；糞中CP和ADF排出量顯著增加(P<0.05)，DM和NDF排出量有增加的趨勢(P=0.074和P=0.063)；DM的表觀消化率顯著提高(P<0.05)，而NDF和ADF的表觀消化率有下降的趨勢(P=0.087和P=0.068)。

2.3 飼糧能量水平對干奶期奶牛氮代謝的影響

從表4可以看出，隨著飼糧能量水平的提高，干奶期奶牛攝入氮、糞氮、糞尿氮總排泄量和沉積氮顯著增加(P<0.05)，氮利用率有提高的趨勢(P=0.086)，而糞尿氮總排泄量占攝入氮的比例有下降的趨勢(P=0.086)。

2.4 飼糧能量水平對干奶期奶牛血漿生化指標的影響

從表5可以看出，隨著飼糧能量水平的提高，干奶期奶牛血漿胰島素含量顯著提高(P<0.05)，葡萄糖含量有提高的趨勢(P=0.088)，而NEFA含量顯著降低(P<0.05)。飼糧能量水平對其他血漿生化指標沒有顯著影響(P>0.10)。

3 討 論

3.1 飼糧能量水平對干奶期奶牛瘤胃發酵的影響

瘤胃pH是衡量瘤胃內環境變化的一項重要指標，受到多種因素的影響。瘤胃pH決定著瘤胃微生物對底物的利用效率，當瘤胃pH<6.2時微生物合成蛋白質的效率下降[16]。Van Houter[17]認為，瘤胃微生物達到最大生長速度的適宜pH在5.7以上。本試驗中，隨著飼糧能量水平的提高，瘤胃pH有下降的趨勢，但各時間點瘤胃pH均維持在6.2以上，比較適宜微生物的生長。在生產中，飼糧精粗比是影響瘤胃pH的重要因素，精料中可被快速發酵的碳水化合物和可溶性淀粉含量高，所以飼糧中精料比例提高時，瘤胃pH會隨之降低[18]。秦正君等[19]也發現，飼糧中精飼料比例提高，可使瘤胃pH降低。這可能是因為在高精料飼糧條件下，瘤胃內產酸過多致使pH迅速下降。反之，粗飼料中的纖維素難以被快速發酵，而且物理有效纖維可以促進反芻產生唾液等緩沖物質，所以當粗飼料比例較高時，瘤胃pH能維持在較高的水平。本試驗隨著飼糧能量水平的升高，飼糧精粗比增加，這可能是瘤胃pH降低的主要原因。

L1、L2、L3和L4分別代表干奶期奶牛飼糧4個能量水平(L1，NEL=5.46 MJ/kg DM；L2，NEL=5.78 MJ/kg DM；L3，NEL=6.11 MJ/kg DM；L4，NEL=6.43 MJ/kg DM)；垂直虛線代表飼喂時間。

表3 飼糧能量水平對干奶期奶牛消化代謝的影響

續表3項目Items產奶凈能 NEL/(MJ/kg)5.465.786.116.43SEMP值P-value中性洗滌纖維 NDF1.491.812.092.210.110.063酸性洗滌纖維 ADF0.99b1.16ab1.27ab1.28a0.040.038表觀消化率Apparent digestibility/%干物質 DM61.53b65.18ab66.42ab68.85a0.890.013粗蛋白質 CP65.7364.4968.3867.930.920.431粗脂肪 EE74.3676.0577.1076.040.970.828中性洗滌纖維 NDF59.9255.9152.2950.951.410.087酸性洗滌纖維 ADF53.9750.1748.3145.001.270.068

表4 飼糧能量水平對干奶期奶牛氮代謝的影響

表5 飼糧能量水平對干奶期奶牛血漿生化指標的影響

續表5項目Items產奶凈能 NEL/(MJ/kg)5.465.786.116.43SEMP值P-value總膽固醇 TC/(mmol/L)2.522.342.462.190.090.661尿素氮 UN/(mmol/L)4.674.984.214.060.200.362總膽紅素 TBIL/(mmol/L)2.832.912.632.140.160.333谷丙轉氨酶 GPT/(IU/L)10.7512.0012.7512.670.480.475谷草轉氨酶 GOT/(IU/L)51.2551.3853.2545.461.460.277總蛋白 TP/(g/L)84.7880.7682.9885.891.450.660白蛋白 ALB/(g/L)34.4833.9434.4034.220.330.953球蛋白 GLB/(g/L)50.3046.8348.5851.671.580.762白蛋白/球蛋白 A/G0.690.730.730.680.030.872

瘤胃NH3-N主要來源于食糜中的蛋白質和非蛋白氮(NPN)的降解，瘤胃NH3-N含量的高低在一定程度上反映了蛋白質降解與合成間所達到的平衡狀況。瘤胃內NH3-N作為纖維分解菌的必需氮源，非纖維分解菌的部分氮源，是影響微生物活力的一項重要指標。正常情況下，瘤胃NH3-N含量應該保持適宜水平。瘤胃NH3-N含量過低無法滿足微生物合成蛋白質的需要，過高則表明氨生成量高于微生物對其吸收和利用，會造成氮的損失，嚴重者還可發生氨中毒。關于微生物最佳生長的瘤胃NH3-N含量，Satter等[20]試驗結果表明，NH3-N小于5 mg/dL時發酵的“解偶聯”作用引起微生物的產量降低，生產效率下降，該值被廣泛用作瘤胃最低NH3-N含量的標準。Preston等[21]報道微生物生長對瘤胃NH3-N含量耐受的臨界范圍為6～30 mg/dL。本試驗4種飼糧的奶牛瘤胃NH3-N含量在5.35～7.48 mg/dL，各時間點的平均含量也基本處于適宜瘤胃微生物生長的范圍，與大部分學者的研究結果相一致。但本研究發現，低能量水平飼糧瘤胃NH3-N含量低于6.0 mg/dL，表明該飼糧瘤胃微生物生產效率偏低。涂瑞等[22]在對牦牛的研究中還發現，飼糧精粗比與小肽之間存在互作效應，共同影響瘤胃體外發酵特性。

VFA為奶牛的代謝過程和牛奶合成提供了大部分的能量前體[23]。反芻動物的消化能60%～80%由VFA提供。瘤胃VFA含量主要取決于VFA的產量和吸收速率。各種VFA的吸收速率不同，且受到瘤胃pH的影響。一般當瘤胃pH≥7時，吸收順序為乙酸﹥丙酸﹥丁酸；而pH在5.8左右時，吸收順序恰好相反。黃文明[24]試驗結果表明，低能量水平飼糧顯著降低了產前瘤胃液丙酸和丁酸含量。Murphy等[25]研究發現，給泌乳中期奶牛飼喂不同能量水平的飼糧對瘤胃TVFA含量沒有顯著影響，但高能量水平飼糧的乙酸/丙酸較小。本試驗中，隨著飼糧能量水平的提高，瘤胃丙酸含量以及乙酸和丙酸增加，這可能是因為能量水平增加導致非結構性碳水化合物(NSC)代替了結構性碳水化合物(SC)，由于前者能夠快速完全地被消化，使乙酸和丙酸的比例隨之改變，NSC(淀粉、單糖等)的發酵通常產生低比例的乙酸和高比例的丙酸。增加飼糧中的可消化碳水化合物，不僅可提高丙酸的比例，還可顯著提高TVFA的產量。但在本試驗中并未發現TVFA含量發生顯著變化，這可能是由于高能量水平組丙酸產量高而且易于吸收，在瘤胃內存留時間短的原因。異丁酸和異戊酸主要是經支鏈氨基酸的脫氨基作用產生，二者隨精料水平的增高而增高，在一定程度上反映了更多的飼糧蛋白質或微生物蛋白質被降解。

3.2 飼糧能量水平對干奶期奶牛消化代謝的影響

反芻動物對飼糧營養物質的消化利用實際上是與瘤胃微生物協同進行的。因此，瘤胃內微生物種類和數量的變化會改變營養物質的利用情況，飼料的消化程度由其物理和化學等內在特征、瘤胃分解菌活性及飼料在瘤胃內的滯留時間來決定。Zhou等[26]和Coblentz等[27]研究結果表明，高能量水平飼糧DM全消化道表觀消化率較高，本試驗與其研究結果一致。

本研究還發現，NDF和ADF的表觀消化率隨著飼糧能量水平的提高有降低的趨勢。這可能是由瘤胃pH降低導致的，因為瘤胃內纖維分解菌對瘤胃pH比較敏感，當pH低于6.2，其活性會就受到嚴重抑制，最終導致飼糧纖維消化率的降低[28]。但本試驗中各時間點pH均在6.2以上，表明pH下降可能不是NDF和ADF的表觀消化率下降的主要原因。還可能是因為微生物對發酵底物的競爭，即“碳水化合物效應”，當飼糧中可溶性糖增加時，這種效應非常明顯，因為瘤胃微生物具有優先利用易發酵可溶性碳水化合物的特性，當飼糧富含可溶性碳水化合物時，瘤胃內的非纖維分解菌會優先從可溶性碳水化合物中獲得能量，從而競爭性地抑制纖維分解菌的生長。也有可能是因為利用纖維分解產物的纖毛蟲從其他途徑獲取了所需的能量，不再與纖維分解菌協同作用，從而阻止了纖維物質的降解。但Su等[29]通過添加苜蓿莖干或麥秸來稀釋飼糧能量水平，與低能量水平飼糧相比，高能量水平飼糧奶牛DM、NDF、氮的表觀消化率更高。可能是因為高能量水平飼糧中含有更高含量的淀粉和其他非纖維成分[27]。

本研究中，隨著飼糧能量水平的提高，氮攝入量顯著增加，且氮利用率也有增加的趨勢，這表明提高能量攝入水平可促進氮沉積量的增加，并提高凈蛋白質利用率。Su等[29]研究也發現，提高飼糧能量水平能促進氮的沉積。氮利用率與攝入氮和氮沉積量之間有直接關系，是由兩者共同決定的。反芻動物對氮的利用與飼糧氮的瘤胃降解特性及飼糧提供的微生物可利用能有關，當飼糧提供的微生物可利用能與氮的降解不偶聯時，導致飼糧氮的利用效率下降。本研究中，各組飼糧蛋白質水平一定，提高能量水平即增加了微生物可利用能，這可能是高能量水平飼糧提高氮利用率的主要原因。

3.3 飼糧能量水平對干奶期奶牛血漿生化指標的影響

血糖水平的變化是機體對葡萄糖的吸收、運轉和代謝動態平衡狀態的反映。本研究發現，提高干奶期奶牛飼糧能量水平具有增加血漿葡萄糖含量趨勢。干物質采食量和丙酸供應增加促進了肝臟中糖異生作用，可能是血漿葡萄糖含量升高的主要原因。Janovick等[30]報道稱，與飼喂能量需要量為100%或80%的奶牛相比，飼喂能量需要量為150%的奶牛的血漿葡萄糖含量顯著升高。胰島素在反芻動物攝食和調節體重方面具有重要作用，其首要功能是控制血糖平衡，血漿葡萄糖含量增加會刺激胰島素分泌增加，通過促進肝糖原合成和外周組織脂肪合成，增加細胞對葡萄糖的吸收和利用，降低血糖水平。因此，本試驗中高能量水平飼糧奶牛血漿胰島素含量的升高可能就是對于血漿葡萄糖含量升高的應答，以促進全身各組織和細胞對葡萄糖的攝取和利用，一方面將其轉化為糖原貯存起來，或在肝細胞內將葡萄糖轉變成脂肪酸，轉運到脂肪組織貯存；另一方面促進葡萄糖氧化生成高能磷酸化合物作為能量來源，促進血糖水平下降。因此，當動物機體能量代謝紊亂時，可首先通過胰島素的釋放進行調節。Graugnard等[31]和Haisan等[32]給產前奶牛飼喂高能量水平飼糧，血漿葡糖糖、胰島素含量顯著升高。然而，也有研究顯示，產前能量水平對血漿葡萄糖含量沒有顯著影響[33]。奶牛在營養不足的情況下，為了滿足能量需要，動員脂肪組織，導致血液中NEFA含量和肝臟攝入的NEFA含量急劇升高。血液中NEFA含量增加是奶牛在營養不足情況下經典的葡萄糖節約機制。本試驗中，干奶期奶牛飼喂高能量水平飼糧后血漿NEFA含量顯著降低，表明干奶期高能量水平飼糧可以減少產前奶牛脂肪動員，改善能量平衡狀況，這可能是由于DM和能量攝入增加所致。Frederick等[34]報道，血糖水平較低的奶牛血液中NEFA含量升高，而胰島素含量降低。

4 結 論

干奶期奶牛飼喂高能量水平飼糧可以促進采食，提高營養物質表觀消化率、氮利用率和肝糖異生前體物質的產量，改善干奶期奶牛能量平衡狀況。