徐晓锋，张力莉

（宁夏大学农学院动物科学系，宁夏银川750021）

粗纤维对奶牛的营养作用及寡糖对其酶解诱导调控

徐晓锋*，张力莉

（宁夏大学农学院动物科学系，宁夏银川750021）

本文综述了纤维素的结构与组成，粗纤维在奶牛瘤胃中的降解及其对乳品质影响，寡糖对奶牛瘤胃纤维降解酶合成诱导与调控，并对奶牛瘤胃纤维降解调控进行了展望。

奶牛；纤维；营养；寡糖；调控

奶牛养殖业是现代畜牧业和农业的重要组成部分，经过长期的积累与高速的发展，已经逐步成为一个支柱产业。粗饲料是奶牛最主要的饲料来源，在奶牛生产中占有重要地位。当前我国粗饲料的利用呈现以下特点：（1）受我国耕地面积限制，优质苜蓿和青贮玉米产能不足。（2）秸秆等资源丰富、利用率低。随着奶业的快速增长，奶业发展过程中的矛盾和问题逐渐凸显，精饲料的过量应用会导致奶牛瘤胃液pH值降低，瘤胃微生物降解纤维的活力下降，饲料转化效率降低，乳中脂肪酸组成发生改变，乳脂率出现下降（Ellis等，2012；Mullins和Bradford，2010），奶牛生产寿命缩短，制约了我国奶牛产业的健康发展。

粗饲料的组成及其在瘤胃中的有效降解与奶牛的产奶量和乳成分合成密切相关，同时对奶牛机体健康有显著影响。当前我国奶业正处在由传统数量增长进入质量效益阶段发展的关键时期（李胜利，2013）。我国奶牛养殖业的迅猛发展与饲料资源的巨大需求之间的矛盾已经成为制约我国奶业发展的突出问题，提高饲料转化率和牛奶质量是衡量奶业质量效益发展的重要指标（王加启，2011）。

1　粗纤维饲料的结构与组成

植物木质素主要由三种聚合物组成：纤维素（40%～50%）、半纤维素（20%～40%）和木质素（20%～30%）。这三种聚合物异质性地交联在一起（Chandra等，2007）。纤维素分子是由葡萄糖分子通过β-1，4葡萄糖苷键连接而成的链状高分子聚合物，每个分子中含的葡萄糖残基数从100到20000个不等。当多条葡萄糖链聚集形成基元纤丝时，葡萄糖残基上的几乎所有羟基都同与其相邻的糖链上的羟基之间形成了氮键，从而形成了连水分子也难以插进去的结晶体（Johnson等，2006）。纤维素的结晶结构造成了酶蛋白分子与糖苷键接触的困难，是纤维素酶的酶解效率低的重要原因。

在植物细胞壁中的半纤维素存在三个主要类型：木聚糖、木葡聚糖、半乳糖基甘露聚糖。木聚糖是最丰富的半纤维素资源。像纤维素一样，木葡聚糖骨架由β-1，4连接的D-葡萄糖单元组成，但是葡萄糖残基可以被D-木糖残基修饰（Vincken等，1997）。这些木糖残基可以进一步被L-阿拉伯糖、D-半乳糖、L-岩藻糖或乙酰残基修饰，产生更多样的木葡聚糖结构（Huisman等，2000）。

2　粗纤维饲料在奶牛瘤胃中的降解及对乳品质影响

2.1粗纤维在奶牛瘤胃中的降解瘤胃细菌、原虫和真菌通过酶的催化使纤维素和半纤维素分解为瘤胃能够吸收的小分子物质（Zebeli等，2012；Aschenbach等，2011）。瘤胃微生物能分泌产生多种纤维素和半纤维素降解酶，彼此之间产生协同作用，使得一种微生物的代谢产物成为另一种微生物的代谢底物，使纤维素和半纤维素原料被高效利用（An等，2005），最终分别水解成可发酵的葡萄糖和木糖进而产生挥发性脂肪酸。

2.2粗纤维瘤胃降解对乳品质的影响纤维物质在瘤胃内被分解后生成乙酸，在瘤胃中产生高乙酸比例的日粮，能提高乳脂肪且效率很高，这已在很多研究和生产实践中得到证实。乙酸转化为乳脂肪的效率为67%～71%。

我国奶牛养殖业的迅猛发展与饲料资源的巨大需求之间的矛盾已经成为制约我国奶业发展的突出问题，目前生产中的关注重点还是通过提高日粮精饲料比例来提高营养物质摄入量和提高产奶量。但是精饲料的过量应用会导致奶牛瘤胃液pH值降低，瘤胃纤维降解菌的活力被抑制，饲料转化效率降低，乳中脂肪酸组成发生改变，乳脂率出现下降（Ellis等，2012；Mullins和Bradford，2010）。瘤胃pH值降低会抑制瘤胃纤维降解菌的活力（Mullins和Bradford，2010；王海荣，2006；王吉峰，2004），影响纤维的消化（Khorasani等，2001），进而导致瘤胃发酵产物发生改变，合成乳脂的前体物合成不足造成乳脂率降低（Bauman和Griinari，2003）。

应用同位素研究表明，高纤维饲粮条件下，瘤胃微生物蛋白更有利于形成乳蛋白，并且纤维日粮更易使瘤胃食糜流向后段消化道，从而也使更多的微生物蛋白进入小肠被吸收入血，在乳腺合成乳蛋白（Hristov和Ropp，2003）。目前生产中由于饲养管理不当导致奶牛乳脂乳蛋白偏低已成普遍问题。

2.3奶牛瘤胃纤维降解酶系统参与日粮纤维降解的瘤胃微生物主要有产琥珀酸拟杆菌、白色瘤胃球菌、黄色瘤胃球菌、溶纤维丁酸弧菌、梭菌等（Stewart，1997）。真菌也拥有能水解植物细胞壁的多种酶（Williams，1994），瘤胃细菌和瘤胃真菌的有机组合和协同作用能更有效地降解纤维素（Kamra等，2005）。

瘤胃微生物分泌产生的多种纤维素降解酶组成了整套的酶系统，其中主要有纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶等。彼此之间产生协同作用，使得一种微生物的代谢产物成为另一种微生物的代谢底物，使木质纤维素原料被高效利用。这些酶有的是分泌到细胞外的游离酶，有的是锚定在微生物细胞表面的。在这些酶中，研究最多的为纤维素酶和木聚糖（半纤维素）酶（Schwarz等，2001）。

纤维素酶目前主要有三类：内切纤维素酶、外切纤维素酶（包括纤维糊精酶和纤维二糖水解酶）、β葡萄糖苷酶。内切纤维素酶在纤维素降解中具有极其重要的地位，是纤维素降解过程的第一步，能在纤维素分子的无定型区随机切断β-1，4糖苷键，产生大量的纤维寡糖，为外切纤维素酶提供开放的游离末端（Krause等，2003）。外切纤维素酶以一种持续性的方式作用于纤维素多糖链的还原和非还原末端，主要释放葡萄糖（纤维糊精酶）或纤维二糖（纤维二糖水解酶）。外切纤维素酶是唯一一种能够降解纤维素微晶区的酶，对于晶体纤维素降解有着极其重要的作用（Teeri，1997）。纤维素酶系统可以展示出一种协同作用，比各个酶的活性的总和还强（Teeri等，1998）

半纤维素的主要成分是木聚糖，木聚糖酶是其降解过程中的关键酶，它以内切方式水解木聚糖分子中β-1，4-糖苷键，生成低聚木糖和少量木糖，低聚木糖由木糖苷酶通过外切方式进一步水解为木糖（Dodd等，2009）。瘤胃作为木质纤维素高效降解的天然体系，含有丰富的木聚糖降解微生物和降解酶。

瘤胃细菌和真菌分泌的纤维素酶及半纤维素酶是丰富多样的，对瘤胃宏基因组研究发现分别属于35种糖苷水解酶家族的总共3800多条序列，其中包括GH1、2、3、5、8、9、10、11、16、26、36、43、48、51、92、97家族的纤维素酶或半纤维素酶序列（Brulc等，2009）。目前研究对象主要集中在牦牛、水牛以及羊上面，研究内容主要集中在纤维素酶、木聚糖酶的某些基因的克隆与表达以及多样性分析，而在奶牛上的开展较少。

3　寡糖对奶牛瘤胃纤维降解酶合成诱导与调控

目前瘤胃纤维降解酶中只有很少的一部分进行了性质研究，其中大部分研究集中在GH5内切纤维素酶和GH10及GH11木聚糖酶。瘤胃作为有效利用天然粗饲料的转化器尚有待开发。

寡糖是由2～10个单糖经脱水缩合由糖苷键连接形成的具有直链或支链的低度聚合糖类的总称。Broderick和Radloff（2004）研究报道，奶牛日粮添加糖蜜（主要为单糖和二糖）显著提高了日粮纤维消化率。在绵阳与黄牛日粮中添加甘露寡糖提高了瘤胃纤维的降解率（肖宇，2012；钟志勇，2012）。Xu等（2013）在不同处理的玉米秸秆饲料中添加糖蜜体外发酵研究中也得到了相似的结果。在奶牛上研究发现蔗糖添加显著提高了日粮纤维消化率，有助于抑制乳脂下降（Penner等，2009；Firkins，2008）。Martel等（2009）研究报道，糖蜜添加改变了瘤胃脂肪氢化作用，进而提高乳脂率，而脂肪酸氢化与瘤胃纤维降解酶有关。寡糖对奶牛乳脂下降的调控具有一定的作用（Firkins，2011；Masahito，2011）。一些研究表明，寡糖对纤维降解酶基因表达具有调控作用，不同组成糖诱导结果不一。有的认为与来源有关，有的推断由其化学键形式导致，而绝大部分研究都是在菌体分离培养下进行开展（李洁，2014；张晓萍等，2010；谢天文等，2010；王晓芳等，2002）。寡糖提高瘤胃纤维降解率以及提高乳脂率的作用机制尚未阐明，哪些寡糖起作用目前了解还不够深入。

4　小结

提高粗饲料利用效率是实现奶牛产业健康可持续、环境友好型发展的关键环节，而保证健康、高效的瘤胃发酵是提高反刍动物粗饲料利用效率的基础，提高乳品质量是营养调控的首要目标。

[1]李洁.草酸青霉纤维寡糖转运蛋白研究[D].山东济南：山东大学，2014.

[2]李胜利，刘玉满，毕研亮，等.2012年中国奶业回顾与展望[J].中国畜牧杂志，2013，49（2）：31～36.

[3]王海荣.不同日粮精粗比及氮源对绵羊瘤胃纤维降解菌群和纤维物质降解的影响[D].内蒙古呼和浩特：内蒙古农业大学.2006.

[4]王吉峰.日粮精粗比对奶牛消化代谢及乳脂肪酸成分影响的研究[D].中国农业科学院.2004.

[5]王加启.决定我国奶业发展方向的5个重要指标[J].广东奶业，2011，1：21～26.

[6]王晓芳，徐旭士，吴敏，等.不同碳源对两株真菌纤维素酶合成的诱导和调控[J].应用与环境生物学报，2002，6：653～657.

[7]肖宇.功能性寡糖对山羊瘤胃发酵参数及血清生化和免疫指标的影响[D].山东青岛：青岛农业大学.2012.

[8]谢天文，刘晓风，袁月祥，等.真菌产纤维素酶的诱导物及其调控机理研究进展[J].应用与环境生物学报，2010，3：440～444.

[9]张晓萍.低聚糖和纤维类碳源对里氏木霉合成纤维素酶的诱导作用[D].江苏南京：南京林业大学，2010.

[10]钟志勇.不同组合的功能性寡糖对锦江黄牛瘤胃发酵和内容物酶活的影响[D].江西南昌：农业大学.2012.

[11]An D，Dong X and Dong Z.Prokaryote diversity in the rumen of yak（Bosgrunniens）and Jinnan cattle（Bos taurus）estimated by 16S rDNA homology analyses[J].Anaerobe，2005，11（4）：207～215.

[12]Aschenbach J R，Penner G B，Stumpff F，et al.Ruminant nutrition symposium：Role of fermentation acid absorption in the regulation of ruminal pH. J Anim Sci，2011，89：1092～1107.

[13]Bauman D E，Griinari J M.Nutritional regulation of milk fat synthesis[J]. Annu Rev Nutr，2003，23：203～227.

[14]Broderick G A，Radloff W J.Effect of Molasses Supplementation on the Production of Lactating Dairy Cows Fed Diets Based on Alfalfa and Corn Silage J[J].Dairy Sci，2004，87：2997～3009.

[15]Brulc J M，Antonopoulos D A，Miller M E B，et al.Gene-centric metagenomics of the fiber-adherent bovine rumen microbiome reveals forage specific glycoside hydrolases[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2009，106（6）：1948～1953.

[16]Chandra R P."Substrate Pretreatment：The Key to Effective Enzymatic Hydrolysis of Lignocellulosics[J].AdvancesinBiochemicalEngineering/ biotechnology，2007，108：67～93.

[17]Dodd D，Kocherginskaya S A，Spies M A，et al.Biochemical analysis of a β-D-xylosidase and a bifunctional xylanase-ferulic acid esterase from a xylanolytic gene cluster in Prevotella ruminicola[J].Journal of Bacteriology，2009，191（10）：3328～3338．

[18]Ellis J L，Dijkstra J，France A J，et al.Effect of high-sugar grasses on methane emissions simulated using a dynamic model.J Dairy Sci，2012，95：272～285.

[19]Firkins J L.Liquid feeds and sugars in diets for dairy cattle[A].Proc.Florida Rumin.Nutr.Symp[C].Univ.Florida，Gainesville.2011.62～80.

[20]Firkins J L，Oldick B S，Pantoja J，et al.Efficacy of Liquid Feeds Varying in Concentration and Composition of Fat，Nonprotein Nitrogen，and Nonfiber Carbohydrates for Lactating Dairy Cows 1[J].Journal of Dairy Science，2008，91（5）：1969～1984.

[21]Hristov A N，Ropp J K.Effect of Dietary Carbohydrate Composition and Availability on Utilization of Ruminal Ammonia Nitrogen for Milk Protein Synthesis in Dairy Cows[J].Journal of Dairy Science，2003，86（7）：2416～27.

[22]Huisman M M H，Weel K G C，Schols H A，et al.Xyloglucan from soybean（Glycine max）meal is composed of XXXG-type building units[J].Carbohydrate Polymers，2000，42（2）：185～191.

[23]Johnson，Alfred D French，Glenn P.Quantum mechanics studies of cellobiose conformations[J].Canadian Journal of Chemistry，2006，84：603～612.

[25]Kamra D N.Rumen microbial ecosystem.Current Science，2005，89（1）：124～135.

[26]Khorasani G R，Kennelly J J.Influence of carbohydrate source and buffer on rumen Fermentation characteristics，milk yield，and milk composition in late-Iactation Holstein cows[J].J Dairy Sci，2001，841：1707～1716.

[27]Krause D S，Denman R，Mackie M，et al.Opportunities to improve fiber degradation in the rumen：microbiology，ecology，and genomics[J].Fems Microbiology Reviews，2003，27（5）：663～693.

[28]Martel C A，Titgemeyer E C，Bradford B J.Dietary Molasses Increases Ruminal pH and Enhances Ruminal Biohydrogenation During Milk Fat Depression[J].Dairy Day，2009，10：29～33.

[29]Masahito Oba.Review：Effects of feeding sugars on productivity of lactating dairy cows[J]Can.J Anim Sci，2011，91：37～46.

[30]Mullins C R andBradford B J.Effects of a molasses-coated cottonseed product on diet digestibility，performance，and milk fatty acid profile of lactating dairy cattle[J].J Dairy Sci，2010，93：3128～3135.

[31]Penner G B，Oba M.Increasing dietary sugar concentration may improve dry matter intake，ruminal fermentation，and productivity of dairy cows in the postpartum phase of the transition period.J[J].Dairy Sci，2009，92：3341～3353.

[32]Schwarz W H.The cellulosome and cellulose degradation by anaerobic bacteria.[J]Appl.Microbiol.Biotechnol，2001，56：634～649.

[33]Stewart C S，Flint H J.The rumen bacteria.In：The Rumen Microbial E-cosystem[C]（Hobson，P.N.and Stewart，C.S，Eds.）.1997，10～72 Blackie，Melbourne.

[34]Teeri T，Koivula A，Linder M，et al.Trichoderma reesei cellobiohydrolases：why so efficient on crystalline cellulose Biochemical Society Transactions，1998，26（2）：173～178.

[35]Teeri T.Crystalline cellulose degradation：new insight into the function of cellobiohydrolases.Trends in Biotechnology，1997，15（5）：160～167.

[36]Williams A G，Withers S E and Orpin C G.Effect of the carbohydrate growth substrate on polysaccharolytic enzyme formation by anaerobic fungi isolated from the foregut and hindgut of nonruminant herbivores and the forestomach of ruminants[J].Lett Appl Microbiol，1994，18：147～151

[37]Xiao Feng Xu，Yu Jia Tian，Yong Qing Guo，et al.Effect of molasses addition on in vitro rumen degradability and microbial protein synthesis of corn stover treated with sodium hydroxide and urea，Journal of Food，Agriculture and Environment，2013，11（4）：1233～1238.

[38]Zebeli Q，Aschenbach J R，Tafaj M，et al.Invited review：Role of physically effective fiber and estimation of dietary fiber adequacy in high-producing dairy cattle.J Dairy Sci，2012，95：1041～1056.

This paper summarized cellulose structure and composition，degradation of forage fiber in dairy cow rumen and its influence on the quality of milk，regulation effect of oligosaccharides on rumen cellulolytic enzyme synthesis，and regulation of ruminal fiber degradation were prospected.

dairy cows；crude fiber；nutrition；oligosaccharide；regulation and control

S816.15

A

1004-3314（2016）18-0017-03

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20161805

国家自然科学基金（31460619）