反刍动物碳水化合物代谢及瘤胃调控技术研究进展

1反刍动物碳水化合物代谢及瘤胃调控技术研究进展杨在宾(山东农业大学动物科技学院,泰安,271018)摘要本文综述了碳水化合物被瘤胃微生物降解成单糖，并进而分解成VFA的途经。反刍动物葡萄糖来源主要是丙酸糖异生。综述还阐述了甲烷能产生量估测、控制和过瘤胃碳水化合物调控技术。关键词：碳水化合物，代谢规律，调控技术，反刍动物。RECENTDEVELOPMENTONMETABOLISMANDCONTROLTECHNOLOGYOFCARBOHYDRATESFORRUMINANTS(CollegeOfAnimalScienceAndTechnology,ShandongAgriculturalUniversity,Taian271018,China)YANGZai-binAbstract:Thispaperbrieflyreviewedthemetabolicpathwaysthatallthedietarycarbohydratesareconvertedtoglycoses,andtheglycosesarepromptlyconvertedtoVFA,propionateacidislargelyconvertedtoglucosebytheliver,anditistheprimarysourceofglucoseforruminants.Thispaperalsodiscussedthewaysofestimateandcontrolonmethaneenergyproducedinrumenandthetechnologyofbypasscarbohydrates.Keywords:carbohydrate,metabolism,controltechnologyandruminant改革开发20余年,我国畜牧业发展迅速,生产结构已改变了长期以来以猪为首的传统饲养格局,实现了猪、鸡、牛、羊全面发展的新局面。然而由于饲料资源的限制，迅速发展的牛、羊业仍然以低质秸秆为主要饲料，奶牛主要靠提高精饲料维持产奶量，因此，能量饲料的均衡供应是制约牛、羊业生产水平的主要因素。碳水化合物是最低廉的供能物质，根据反刍动物消化生理特点，弄清碳水化合物的代谢规律，对提高反刍动物生产水平和饲料转化效率意义重大。1.瘤胃碳水化合物代谢机理碳水化合物在瘤胃中的代谢可分为两个阶段，第一个阶段是将各种复杂的碳水化合物降解成各种单糖，这一过程是在细胞外微生物酶催化下完成的；第二阶段是微生物将第一阶段降解产生的各种单糖立即吸收进入细胞内进一步分解。1.1瘤胃微生物细胞外消化饲料中的各种复杂碳水化合物，包括结构性和非结构性碳水化合物均被瘤胃微生物分泌至细胞外的各种酶，进行不同程度降解，最终形成各种单糖（如图1所示）。饲料中的纤维素被一种或几种β—1，3—葡萄糖苷酶降解成纤维二糖，并进一步分解成葡萄糖或在磷酸化酶的作用下转变成葡萄糖—1—磷酸。淀粉和糊精经淀粉酶作用转变成麦芽糖，再经麦芽糖酶、麦芽糖磷酸化酶或1，6—葡萄糖苷酶催化生成葡萄糖或葡萄糖—1—磷酸。果聚糖被相应酶水解成果糖。饲草中的半纤维素、戊聚糖和果胶，可被相应酶降解为木糖及其他戊糖或糖醛酸，并进一步进入糖代谢。木质素是一种特殊结构物质，基本上不能被分解。2纤维素淀粉纤维二糖葡萄糖—1—P麦芽糖葡萄糖葡萄糖糖醛酸果糖—6—P果聚糖、蔗糖戊糖果胶果糖—1，6—二P果糖纤维素戊聚糖丙酮酸图1：瘤胃中碳水化合物第一阶段降解（D.Lewis.及K.J.Hill,1983）Fig.1Themetabolicpathwaysthatcarbohydratesisconvertedtosingleglycoses1.2瘤胃微生物细胞内代谢碳水化合物在细胞外降解产生的各种单糖在瘤胃液中很难检测出来，它们会立即被微生物吸收进入细胞内代谢。进入细胞内的单糖代谢途径和动物体内相似，首先被细胞内的酶分解成丙酮酸，并进而分解成VFA（乙酸、丙酸、丁酸）和气体（CH4、CO2、、H2）.单糖丁酰COA乙酰COA丙酮酸草酰乙酸乙酰—P甲酸乳酸CO2+H2丁酸乙酸甲烷丙酸图2挥发性脂肪酸（VFA）产生的代谢途径（D.Lewis及K.J.Hill,1983）Fig.2ThemetabolicpathwaysthatglycosesareconvertedtoVFAVan.Soest（1977）根据Wolin（1974）提出的反刍动物消化代谢概念，把葡萄糖发酵生成VFA的过程归纳如下方程：乙酸：C6H12O6+2H2O2C2H4O2+2CO2+8H丙酸：C6H12O62C3H6O2+2[O]丁酸：C6H12O6C4H8O2+2CO2+4H由此证明，每摩尔葡萄糖降解成乙酸将产生8个H，丁酸4个H，丙酸4个H。因此，在VFA产生过程中，中间产物H有大量剩余，在厌氧条件下与CO2结合形成甲烷。饲料能是指C—H中化学能，每克氢氧化成水可产生42.26KJ热能，因此生H越多，能量损失越大。由此证明，转化成乙酸能量损失大，丙酸和丁酸较小。1.3反刍动物葡萄糖代谢相当长时期内，人们认为葡萄糖对反刍动物并不重要。事实上，反刍动物对葡萄糖的需要不比单胃动3物差，而是获取葡萄糖的途径不同。反刍动物体内葡萄糖供给有两条途径。其一是外源葡萄糖，即饲料中的可溶性糖和淀粉避开瘤胃发酵进入小肠被消化吸收的葡萄糖（BSEG）。其二是内源葡萄糖，即由体内丙酸或生糖氨基酸经糖异生途径合成的葡萄糖（POEG）。卢德勋（1996）将两者结合在一起，提出了代谢葡萄糖（MG）概念，所谓MG是指饲料中经过动物消化吸收后，可以给动物本身代谢提供能量的葡萄糖总量，并提出MG计算公式为：MG（克/天）=POEG+BSEGPOEG=K1×0.5×180.16×Pr/1000BSEG（克/天）=0.9×K2×BSK1=瘤胃丙酸吸收率；0.5—可吸收丙酸转化为葡萄糖的效率；180.16—葡萄糖的克分子量；Pr—瘤胃发酵产生的丙酸（mmol/d）。0.9—淀粉转化为葡萄糖的系数；K2—过瘤胃淀粉在小肠中的消化率；BS—过瘤胃淀粉量（克/天）。反刍动物体内所需葡萄糖20%～90%由糖异生途径提供，在以粗饲料为主的日粮中，80%～90%葡萄糖由丙酸合成（Cridland，1984）。在放牧条件下，绵羊几乎不可能由小肠吸收葡萄糖（Weeks，1975），Leng等（1977）即使在日产40Kg奶的高产奶牛，所需葡萄糖60%来源于丙酸的糖异生（J.M.Elliot，1976）。1.4碳水化合物供能方式综上所述，饲料中的碳水化合物主要通过瘤胃发酵，降解为VFA通过瘤胃壁吸收利用，即使可溶性碳水化合物也大部分在瘤胃中被降解。Grey等（1976）发现苜蓿和小麦干草日粮可消化能的53%转化为VFA。Bergman等（1965）用牧草颗粒日粮试验证明，消化能的62%转化为VFA。VFA为反刍动物大约提供机体所需能量的70%～80%（韩正康，1991）。Blaxter（1962）测得维持能量水平下绵羊消化道24小时吸收的VFA和葡萄糖如下表，由表可以看出维持水平时，乙酸提供近1/2能量，葡萄糖供能很少。表1：绵羊消化道VFA和葡萄糖吸收率(Blaxter,1962)Table1TheabsorptivityofVFAandglucosebysheep克Gram克分子mol千卡cal.乙酸Aceticacid1202.00418丙酸propionateacid500.70184丁酸Butyricacid500.56293总计Total2203.26895葡萄糖Glucose200.117.5LengandBrett用11只绵羊测得4种日粮的VFA的摩尔百分数很相近，分别为乙酸65%，丙酸20%，丁酸9%，其他6%。VFA中各组分的比例随日粮结构不同而异，提高精料供给或添加莫能菌素可增加丙酸比例，全干草日粮时，乙酸65%，丙酸20%，丁酸12%，当精料增加至70%时，乙酸降至40%，丙酸增至37%。与此同时，反刍动物通过VFA或葡萄糖供能时，利用效率差别很大。Blaxter（1962）得出，VFA和葡萄糖利用效率见图3。由此看出，乙酸利用率最低。4020406080乙酸丙酸丁酸葡萄糖VFA和葡萄糖利用效率(%)(Blaxter,1962)TheutilizationefficiencyofVFAandglucase2.瘤胃能量损失量及估测方法瘤胃微生物的强大发酵作用，导致饲料能在瘤胃中两大损失：①甲烷能；②发酵热。2．1瘤胃中甲烷的产生甲烷是瘤胃发酵中产生的可燃性气体的主要成分，在瘤胃气体中，CO2占40%，甲烷占30-40%，氢气占5%，其它还有比例不恒定的少量氧化氮气。这些气体通常以嗳气方式经口排出体外。甲烷能主要是碳水化合物代谢过程中形成的终产物。很多研究发现，反刍动物每100g可消化碳水化合物可形成4.5gCH4，每天产生的甲烷能占饲料能的8%左右。甲烷还与地球的温室效应有关，据报道，来自反刍动物的CH4约占全球甲烷生产量的15%左右。2．1．1甲烷生成的机制甲烷的研究始于1910年。甲烷生产是一个包括叶酸和维生素B12参与的复杂反应过程，主要是由数种甲烷菌通过CO2和H2进行还原反应产生的，瘤胃内的代表性甲烷菌有反刍兽甲烷杆菌（Methanobacteriumruminantium）、甲酸甲烷杆菌（Methanobacterium）甲烷八叠球菌（Methanosarcina）等。由甲烷菌生成甲烷的路径如下：①4H2+HCO3—+H+→CH4+3H2O②4HCO2—+4H+→CH4+3CO2+2H2O③CH3OH→3CH4+CO2+2H2O④CH3CO2—+H+→CH4+CO22．1．2影响甲烷生产量的因素2．1．2．1动物品种不同种类的反刍动物其甲烷产生量也不相同（见表）5表2反刍家畜甲烷产生量比较（Shibata，1991）Table2.Theyieldofmethaneforruminants家畜Animal体重（kg）BodyweightDMI(kg/day)CH4（L/day）(L/DM。Kg)乳牛Cow泌乳牛（31kg/day）Stageoflactation67921.1504（454—568）23.9干乳牛Cownotinmilk成牛，维持Adult,maintenance7287.6298（284—320）39.2育成Foster4018.2231（241—288）28.2肉牛Beefcattle肥育前期Growing-finishing3897.7256（236—275）33.2肥育后期Growing-finishing5986.6279（247—309）42.3妊娠牛Pregnantbeefcattle4056.9245（243—248）35.52．1．2．2动物进食量和动物生产水平甲烷产生量及占GE的比例随进食量增加而降低，Forbes等对肉牛玉米-苜蓿日粮呼吸测热试验,结果证明,从1/2维持到2倍维持水平,甲烷能占总能进食量的6.42-9.83%。反刍动物处于维持水平时,甲烷能损失量约占GE的8%,维持水平以上饲养时,约占6-7%。2．1．2．3饲料结构特征甲烷的产生量不仅与能量摄入水平关系密切，而且也与碳水化合物的形态有关。精粗比对甲烷生成的影响已有许多报道，Shibata用三种不同精粗比日粮（0：100，70：30；30：70）研究其对甲烷产生量的影响，结果表明70：30组较0：100组高10%，但是30：70组的甲烷产生量又较其他二组降低。2．1．3甲烷能产生量估计2．1．3．1根据可消化碳水化合物估计：（Swift，et.al，1957）牛：CH4=17.68+4.01x绵羊：CH4=9.80+2.41x式中：CH4-----甲烷气产生量（克）；x-----可消化碳水化合物（百分数）2．1．3．2据能量表观消化率（D）估计Blaxter和Clapperton（1962）由绵羊、牛做了2500次以上的CH424小时测定后，得出反刍动物甲烷能通用回归公式为：甲烷能