植物单宁对青贮饲料品质及瘤胃发酵影响的研究进展.pdf

SILIAO GONGYE2023年第44卷第17期 总第686期蛋品质和养殖环境的影响J.江西畜牧兽医杂志,2016,176(6):91-11.22 HAENLEIN W F W,ANKE M.Mineral and trace element research in goats:a reviewJ.Small Ruminant Research,2011,95:2-19.23 MA Y,YAO J,ZHOU S,et al.Improvement of eggshell quality by dietary N-carbamylglutamate supplementation in laying chickensJ.Poultry Science,2020,99(8):4085-4095.24 LEDA T,SAITO N,ONO T,et al.Effects of presence of an egg and calcium deposition in the shell gland on levels of messenger ribonucleic acid of cabp-d 28k and of vitamin D3 Receptor in the shell gland of the laying henJ.General and Comparative Endocrinology,1995,99(2):145-151.25 唐胜球,董小英,邹晓庭.矿物质营养影响鸡蛋品质的研究进展J.饲料工业,2002(5):13-16.26 吴春燕,陈代文,张克英.微量元素锌的吸收、代谢及金属硫蛋白基因表达J.四川畜牧兽医,2002(S1):62-64.27 姜明君.笼养蛋鸡钙代谢对蛋壳质量的影响及其机制研究D.硕士学位论文.泰安:山东农业大学,2015.28 邓聪聪,左丽,旷年玲,等.艾草对肉鸡抗氧化、免疫功能以及肠道菌群的影响J.现代畜牧兽医,2022,404(7):26-30.29 SONG X Y,LIN Z Z,YU C L,et al.Effects of Lactobacillus plantarum on growth traits,slaughter performance,serum markers and intestinal bacterial community of Daheng broilersJ.Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition,2022,106(3):575-585.30 宋丹,段涛,成俊林,等.包被植物乳杆菌和屎肠球菌对肉鸡生长性能、免疫和抗氧化功能以及肠道菌群的影响J.动物营养学报,2022,34(2):877-887.（编辑：张 雷，）植物单宁对青贮饲料品质及瘤胃发酵影响的研究进展 夏光浩1 孙文涛2 吴长荣1 张鸣珠1 杨 丰3 陈 超1,4 郝 俊1,4*(1.贵州大学动物科学学院，贵州贵阳 550025；2.北京博农利生物科技有限公司，北京 100085；3.贵州省草地技术试验推广站，贵州贵阳 550025；4.高原山地动物遗传育种与繁殖教育部重点实验室，贵州贵阳 550025)作者简介：夏光浩，硕士，研究方向为牧草饲料栽培及利用。*通讯作者：郝俊，副教授，硕士生导师。收稿日期：2023-06-05基金项目：贵州省科技计划项目黔科合支撑20201Y046；贵州省草地生态畜牧业人才基地项目RCJD2018-13摘 要：植物单宁是一种具较强生物学活性的多酚类次生代谢产物，由于其出色的蛋白质结合能力，被广泛用作青贮添加剂以降低青贮过程中蛋白质的降解。除此之外，植物单宁还能发挥调控青贮饲料发酵品质、微生物群落、瘤胃消化、瘤胃甲烷合成等多种功能作用。文章就植物单宁理化性质、单宁对青贮饲料品质及瘤胃发酵的影响进行综述，旨在为植物单宁在畜牧业中的科学高效利用提供参考。关键词：植物单宁；青贮饲料；蛋白质降解；瘤胃发酵；甲烷doi:10.13302/ki.fi.2023.17.011中图分类号：S816.7 文献标识码：A 文章编号：1001-991X（2023）17-0063-07Research Progress on The Effect of Plant Tannins on Silage Quality and Rumen FermentationXIA Guanghao1 SUN Wentao2 WU Changrong1 ZHANG Mingzhu1 YANG Feng3CHEN Chao1,4 HAO Jun1,4*(1.College of Animal Science,Guizhou University,Guizhou Guiyang 550025,China;2.Beijing Blooming Biological Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China;3.Guizhou Grassland Technology Extending Station,Guizhou Guiyang 550025,China;4.Key Laboratory of Animal Genetics,Breeding and Reproduction in the Plateau Mountainous Region,Ministry of Education,Guizhou Guiyang 550025,China)Abstract：Plant tannin is a secondary metabolite of polyphenols with strong biological activity.Due to its excellent protein binding capacity,it is widely used as an additive to reduce the degradation of protein during ensiling.In addition,plant tannin can also play a multi-functional role in regulating the silage fermentation quality,microbi63反刍动物2023年第44卷第17期 总第686期植物单宁(plant tannins)，是一种相对分子质量为5003 000的多酚类次生代谢产物，在植物根、茎、叶及果实中普遍存在，大多数具有生物学活性，对植物自身及植食性动物的生存有着重要作用1。早期研究把单宁视为植物饲料中的主要抗营养因子之一，因为单宁具有的广谱抑菌性，以及可与消化酶和激素等结合的特性，高浓度植物单宁会降低反刍动物对饲料的吸收率2。然而，目前研究发现植物单宁除了上述负面影响外，还具有抑制青贮饲料蛋白质降解、提高过瘤胃蛋白含量、抗菌、抗病毒、抗寄生虫、抗氧化、抗炎等多功能积极作用3-4。因此，文章通过综述植物单宁的理化性质及其对青贮饲料品质和瘤胃发酵的影响，以期为植物单宁作为一种环境友好型青贮添加剂在改善青贮饲料品质及提高反刍动物健康方面提供理论支撑。1 植物单宁的理化性质植物单宁又被称为植物多酚，依据其化学组成可分为水解单宁（hydrolyzable tannins，图1a5）和缩合单宁（condensed tannins，图1b5）两类6。水解单宁是由鞣花酸、没食子酸、咀嚼酸等羧酸与葡萄糖通过酯化产生的化合物，化学活性较强，易在酸、碱、酶的作用下发生水解7-8。水解单宁在瘤胃发酵过程中可被反刍硒单胞菌（Selenomonas ruminantium）和链球菌属（Streptococcus）等瘤胃微生物产生的酯酶、单宁酰基水解酶裂解为没食子酸和鞣花酸9。没食子酸在瘤胃中脱羧产生邻苯三酚，并转化为间苯二酚和间苯三酚10。缩合单宁是由黄酮类物质通过碳-碳双键缩合而成的聚合物，化学活性较弱，难以水解11。尽管Simpson等12早期研究发现，缩合单宁可被瘤胃微生物群落降解，但是目前关于缩合单宁自身在瘤胃发酵过程中的降解途径及产物的信息较少，游离缩合单宁受瘤胃微生物的降解机制仍尚待研究13。注：来源于Raja等5。图1 水解单宁(a)与缩合单宁(b)的结构（a）水解单宁（b）缩合单宁缩合单宁具有较强的抗营养作用,且在成熟的豆科牧草、乔木及灌木中含量较高。饲喂含大量缩合单宁的饲料对反刍动物是有害的14。一方面，单宁苦涩且具收敛性，大量单宁与反刍动物唾液蛋白发生反应会产生具有苦涩味的难溶物，降低饲料适口性，进而减少采食量。有研究表明，当缩合单宁含量超过饲草干物质质量的 6%就会导致反刍动物的采食量严重下降15。另一方面，基于单宁-蛋白质交联反应的性质，单宁会与酶结合沉淀，从而抑制动物肠胃消化酶的活性16。然而，最近的研究发现，单宁并非总对酶活性起到抑制作用。当单宁浓度较低时，单宁使酶结构变得更加卷曲，提高了酶的催化活性；当单宁浓al community,rumen digestion,rumen methane synthesis,etc.Therefore,the paper reviews the physicochemical properties of plant tannin and the effects on silage quality and rumen fermentation,so as to provided reference for reasonable understanding and utilization of tannin in animal husbandry.Key words：plant tannins;silage;protein degradation;rumen fermentation;methane64SILIAO GONGYE2023年第44卷第17期 总第686期度较高时，则会抑制酶的催化活性17。2 植物单宁对饲料青贮品质的影响2.1 植物单宁对青贮饲料蛋白质降解的影响青贮是利用植物表面微生物厌氧发酵的过程，能够提高饲料适口性并使之长期保存18。然而，青贮过程中往往伴随着大量蛋白质水解，这是由植物本身及微生物的蛋白水解酶所造成的19。青贮完成后，饲料真蛋白含量相较于新鲜植物会损失80%，大量的真蛋白转化为非蛋白氮，造成饲料营养价值严重降低20。蛋白质含量是衡量青贮饲料营养价值的重要指标，青贮过程中蛋白质降解大致分为两个阶段，即植物蛋白酶催化肽键水解产生游离氨基酸和肽，随后被微生物进一步脱氨形成氨或胺类化合物21-22。其中，青贮发酵前期蛋白质降解最为严重，主要是植物蛋白酶（如羧肽酶、氨基肽酶、酸性蛋白酶）造成的23。大量研究表明，植物单宁能有效减少青贮过程中氨态氮、肽氮、游离氨基酸等非蛋白氮的产生，对青贮饲料真蛋白具有良好的保护效果24-27。这是因为植物单宁通过抑制植物及微生物蛋白酶活性，从而减少对蛋白质的水解28。例如，Guo等29研究发现，添加单宁导致了青贮苜蓿羧基肽酶及氨基肽酶活性的降低。此外，已有研究证明，即使在pH 3.57.0的青贮酸性环境下，单宁仍可与植物蛋白发生交联反应保护蛋白质30。例如，Fitri等31发现，青贮饲料的中性洗涤不溶蛋白含量和酸性洗涤不溶蛋白含量随着单宁含量的增加而增加。中性洗涤不溶蛋白含量和酸性洗涤不溶蛋白含量的增加表明单宁与蛋白质在青贮过程形成了具稳定氢键的复合物，从而抵抗植物和微生物蛋白酶的降解。由于水解单宁与缩合单宁化学结构上的不同，导致了其对青贮过程中蛋白质降解的影响也有所区别。水解单宁具酚羟基，有较强的结合细胞膜蛋白及蛋白酶的亲和力，其生物活性及沉淀蛋白质能力较强，更有利于促进过瘤胃蛋白含量的提高32。Jayanegara等33证明添加水解单宁对青贮过程中蛋白质降解的抑制效果强于缩合单宁。此外，研究表明，植物单宁添加量与青贮饲料蛋白质含量呈负相关34-35。结合蛋白质的特点，合理利用植物单宁，探索其对青贮过程中蛋白降解的作用效果，是长期以来饲料加工领域的研究重点36。2.2 植物单宁对青贮饲料发酵品质的影响除抑制蛋白质降解外，植物单宁对青贮饲料pH、有机酸含量、有氧稳定性及霉菌毒素含量等方面可起到调控作用，在畜牧业高质量发展背景下有着巨大的应用潜力37-38。植物单宁对青贮饲料发酵品质的影响是复杂的，添加不合适的单宁可能会导致青贮饲料乳酸及乙酸减少，降低青贮饲料的缓冲能力，从而抑制青贮饲料正常发酵39。缩合单宁与水解单宁对青贮饲料发酵品质的影响是不同的。尽管缩合单宁与水解单宁都能抑制蛋白质降解，但缩合单宁提高了青贮饲料乳酸的含量，降低了pH；而水解单宁则导致了乳酸含量降低，并造成pH升高5。然而，也有研究表明，水解单宁与缩合单宁混合添加比单独添加一种单宁能更好地抑制青贮苜蓿干物质损失，降低pH以及减少氨态氮的产生40。氨态氮含量降低进一步表明水解单宁与缩合单宁混合添加对青贮过程中微生物降解短肽及氨基酸的抑制作用。单宁最适添加量对不同青贮原料的影响也是不一致的。相较于添加1%干物质质量的单宁酸，2%的单宁酸更能提高桑叶及柱花草青贮饲料的抗氧化性，增加乳酸与乙酸含量，对青贮饲料品质的改善效果更强4。而木薯植株青贮饲料的发酵品质却随着添加缩合单宁浓度的增加而降低，添加缩合单宁延长了发酵时间，迫使木薯植株直到发酵56 d后才进入稳定储存期26。可见，植物单宁的来源、化学组成结构及添加量对不同植物原料都可能导致青贮发酵品质差异。2.3 植物单宁对青贮饲料微生物群落的影响发酵过程中青贮饲料微生物群落的组成结构影响发酵品质，是决定青贮饲料品质优劣的关键41。乳酸菌是青贮发酵过程中最重要的有益菌，在厌氧环境下以碳水化合物为发酵底物，产生有机酸降低环境pH，从而抑制如梭菌、大肠杆菌、芽孢杆菌等耐酸性较差的有害微生物42。近年来，植物单宁对青贮饲料细菌群落、真菌群落的影响已逐渐成为研究热点。研究报道，单宁对青贮饲料厌氧发酵期及有氧暴露期细菌群落多样均有抑制作用，进而导致乳酸及总挥发性脂肪酸浓度降低，但同时抑制了蛋白质水解以及霉菌毒素的产生，提高了青贮饲料有氧稳定性43。在细菌群落中，单宁可抑制大肠杆菌、梭菌、片球菌等细菌的生长；在真菌群落中，单宁可降低酵母菌、曲霉菌、青霉属、镰刀菌属等真菌的丰度44-45。单宁避免了这些有害微生物在发酵前期大量消耗营养物质，促进干物质的保存。尤其是大肠杆菌及梭菌发酵会产生丁酸，造成青贮饲料蛋白质大量水解46。此外，添加单宁减少了由某些特定真菌代谢产生的黄曲霉毒素、镰刀菌毒素对饲料的污染，保证了饲料安全及促进了反刍动65反刍动物2023年第44卷第17期 总第686期物健康生长。近期研究发现，添加乳酸菌与单宁的复合添加剂不仅能有效改善青贮饲料的品质，还能缓解单独添加高浓度单宁导致的负面作用47。Gao等48筛选了4株具较强耐单宁及产酸能力的植物乳杆菌，分别与单宁混合添加到柱花草与全株大豆两种植株中进行青贮，结果表明，单宁+植物乳杆菌可降低青贮饲料pH、丁酸含量、氨态氮含量并能抑制有害微生物增殖。Chen等49添加植物乳杆菌与单宁到紫花苜蓿中进行青贮，有利于植物乳杆菌主导发酵进程，降低非蛋白氮含量，提高果胶酶活性，并促进生黄瘤胃球菌（Rumincoccus flavefaciens）、栖瘤胃普雷沃氏菌（Prevotella ruminicola）等瘤胃微生物的生长，从而减少单宁对饲料消化的抑制作用。以上研究表明，植物单宁可通过调控青贮过程中微生物群落结构影响饲料发酵品质，但其中的代谢机制尚待探索。目前，植物乳酸菌与单宁混合添加效果较为良好，进一步筛选耐单宁乳酸菌并与单宁混合添加是未来应当深入讨论的重点。3 植物单宁对青贮饲料瘤胃发酵的影响3.1 植物单宁对青贮饲料瘤胃消化率的影响青贮饲料在反刍动物体内的消化吸收主要分为两大部分：先经过瘤胃微生物厌氧发酵分解，后进入消化道被各种酶水解。青贮饲料在瘤胃的发酵产物（挥发性脂肪酸）可满足反刍动物超过70%的能量需求，瘤胃发酵还能合成品质上乘的微生物蛋白，可为反刍动物提供40%以上的蛋白质需求量50。因此，探讨添加植物单宁对青贮饲料瘤胃消化的影响具有重要意义。总产气量、挥发性脂肪酸浓度及干物质消化率等指标可表明青贮饲料的营养物质在瘤胃被微生物消化利用的状况51。Teixeira等52对比了三种杂交高粱青贮饲喂绵羊效果，发现不含单宁的青贮高粱有着更高的中性洗涤纤维及酸性洗涤纤维消化率。Fitri等31研究发现，随着柿子皮（富含植物单宁）添加量的增加，全混合日粮青贮饲料体外瘤胃发酵的总产气量线性降低。然而，也有研究表明，添加低水平量(0.6%)的单宁酸可明显增加紫花苜蓿瘤胃体外发酵的总产气量53。相似地，添加低水平缩合单宁(0.6%)提高了青贮野火球饲料瘤胃体外干物质降解率与瘤胃丙酸含量，减少了瘤胃丁酸含量54。由此可见，植物单宁对青贮饲料瘤胃消化的影响可能与单宁添加量有关，添加较低水平的植物单宁可促进青贮饲料瘤胃消化利用。3.2 植物单宁对过瘤胃蛋白的影响过瘤胃蛋白在德国蛋白质评估系统中指十二指肠可利用粗蛋白，是衡量饲料蛋白质饲喂价值的决定性因素。过瘤胃蛋白由瘤胃微生物合成蛋白（MCP）和瘤胃未降解粗蛋白（RUCP）组成，其中MCP由于含量高且品质上乘而更加重要55。Kondo 等56研究发现，单宁可降低红茶及绿茶渣青贮饲料的瘤胃蛋白降解率。Grosse等57报道，红豆草（富含缩合单宁）单独青贮或与红三叶混合青贮可降低瘤胃蛋白降解率并增加MCP含量。这可能是通过抑制瘤胃蛋白降解菌如嗜淀粉瘤胃杆菌(Ruminobacter amylophilus）、牛型链球菌（Streptococcus bovis）及溶纤维丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）等的生长，保护瘤胃蛋白58。瘤胃蛋白降解率降低及MCP含量的增加，表明植物单宁可改善青贮饲料瘤胃蛋白的代谢供应，提高氮有效利用率59。此外，单宁-蛋白质复合物在瘤胃环境下（pH为5.07.0）结合能力较强，保护了部分蛋白免受瘤胃微生物的降解。当复合物流经pH8.0的小肠时，单宁-蛋白质结合能力迅速降低，蛋白质被释放，并在瘤胃蛋白酶和小肠胰蛋白酶的作用下被吸收利用，有利于提高RUCP量60。Chen等34添加单宁到紫花苜蓿中青贮，发现单宁在显著增加 MCP含量的同时还减少了饲料瘤胃发酵产生的溶解态氮（氮态氮，NH3-N）。相似地，由黑荆提取的植物单宁提高了青贮玉米的氨基酸供应，并减少了瘤胃NH3-N含量61。NH3-N作为瘤胃蛋白降解产物与合成MCP的前体物质，其含量的减少与 RUCP、MCP含量的增加均有关，是影响瘤胃氮代谢效率不可忽视的重要因素。高浓度NH3-N可能会破坏瘤胃能氮平衡，不能有效转化为MCP，最后大部分以尿素氮的形式排泄到外界，对环境造成污染62。3.3 植物单宁对瘤胃甲烷合成的影响反刍动物的瘤胃在进行厌氧发酵青贮饲料时，会产生大量挥发性脂肪酸、二氧化碳及溶解态氢，其中二氧化碳与溶解态氢会被瘤胃产甲烷菌利用合成甲烷63。甲烷是一种造成全球变暖的温室气体，占瘤胃总产气量的30%40%，减少反刍动物瘤胃甲烷产量，不仅能缓解气候变暖趋势，还能减少青贮饲料能量损失并提高饲料利用率28。大量研究表明，添加植物单宁有利于减少反刍动物瘤胃中甲烷的产生，且瘤胃甲烷含量会随着单宁含量的增加而降低33，35，49。这可能是通过促进瘤胃丙酸发酵消耗溶解态氢，从而造成甲烷合成底物不足，减少甲烷合成64。此外，甲烷含量与纤维消化率是负相关的，单宁通过与青贮饲料纤维66SILIAO GONGYE2023年第44卷第17期 总第686期结合或与微生物纤维消化酶结合，降低了纤维的可消化性，也会减少溶解态氢的释放和甲烷的形成65。事实上，植物单宁抑制瘤胃甲烷产生的关键在于调控瘤胃微生物群落的组成结构。瘤胃微生物主要包括细菌、原生动物和真菌，反刍动物与瘤胃微生物在长期进化过程中建立了牢靠的共生关系。瘤胃是瘤胃微生物适宜的增殖场所，瘤胃微生物则是瘤胃发酵功能的重要执行者。植物单宁对瘤胃原生动物有抑制作用，这是因为单宁所具有的酚类结构破坏了原虫细胞膜，络合原虫细胞代谢所必需的阳离子，并剥夺其生长所需底物66。单宁可通过抑制与产甲烷菌共生的瘤胃原虫间接减少产甲烷菌67。Witzig等68添加栗子树单宁（chestnut tannins）到青贮饲草中，直接抑制了产甲烷菌甲烷短杆菌（Methanosphaera）与斯氏甲烷球形菌（M.stadtmanae）的生长，降低了瘤胃甲烷的产量。综上所述，植物单宁可通过减少甲烷合成底物及调控瘤胃微生物群落，从而抑制甲烷的排放。4 结论植物单宁对青贮饲料发酵及瘤胃发酵阶段都具有调控作用。其与蛋白质结合的特性，可减少青贮过程中蛋白质的损失，降低瘤胃蛋白降解率，促进瘤胃MCP的合成，提高氮有效利用率。此外，植物单宁还可减少甲烷合成底物及调控瘤胃微生物群落减少甲烷合成，有利于畜牧业可持续发展。不同来源、化学组成结构及添加量的植物单宁对青贮饲料发酵品质的影响机制仍需加强研究。利用乳酸菌与单宁混合添加可能是改善青贮品质的良好选择，未来应进一步筛选耐单宁乳酸菌，并将其与植物单宁混合添加，以实现植物单宁在畜牧业高质量发展中的科学应用。参考文献1 UCELLA-FILHO J G M,FREIRE A D S M,CARRRA J C,et al.Tannin-rich bark extract of plants as a source of antimicrobial bioactive compounds:a bibliometric analysisJ.South African Journal of Botany,2022,150(80):1038-1050.2 WAGHORN G.Beneficial and detrimental effects of dietary condensed tannins for sustainable sheep and goat 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