維生素B1防治瘤胃亞急性酸中毒的研究進(jìn)展

■王洪榮 王夢芝 陳 青

（揚(yáng)州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009）

近年來，畜牧業(yè)正向著集約化和高效生產(chǎn)的方向逐步發(fā)展，在現(xiàn)代奶牛、肉牛和肉羊生產(chǎn)中，人們大量飼喂以淀粉為主要能源的高精料飼糧，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的，雖然生產(chǎn)水平得到了提高，但同時也誘發(fā)了以瘤胃亞急性酸中毒（Subacute Ruminal Acidosis，SARA）為主的代謝性疾病的發(fā)生，并且發(fā)病率日漸升高。當(dāng)前國內(nèi)外奶牛、肉牛養(yǎng)殖場關(guān)注的主要營養(yǎng)代謝病就是瘤胃亞急性酸中毒。瘤胃亞急性酸中毒也給養(yǎng)殖單位帶來了重大的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失，北美國家每年奶牛產(chǎn)業(yè)因瘤胃亞急性酸中毒損失5～10億美元[1]。而我國普遍存在的問題是粗飼料質(zhì)量較差，實(shí)際生產(chǎn)中為了提高動物的生產(chǎn)性能，常常大量使用富含碳水化合物的精料，從而導(dǎo)致普遍存在高產(chǎn)奶牛和高強(qiáng)度育肥的肉牛、肉羊發(fā)生瘤胃亞急性酸中毒的情況，其發(fā)病率逐年上升，并成為制約我國奶牛、肉牛育肥生產(chǎn)的重要因素之一。為此，國內(nèi)外業(yè)界人士與專家也在關(guān)注與研究調(diào)控該病的技術(shù)，但大多數(shù)還是以改變?nèi)占Z結(jié)構(gòu)，提供給反芻動物相對較低的精飼料以緩解瘤胃亞急性酸中毒的發(fā)生癥狀。所以，尋求預(yù)防和緩解瘤胃亞急性酸中毒的措施顯得尤為重要。近年來，已有研究表明，添加維生素B1能在一定程度上緩解瘤胃亞急性酸中毒，提高瘤胃液pH值，降低乳酸、組胺及內(nèi)毒素濃度。

1 維生素B1的能量代謝途徑與瘤胃酸中毒

維生素B1（硫胺素）屬水溶性維生素，在體內(nèi)主要以硫胺素焦磷酸輔酶（TPP）的形式存在，是動物體內(nèi)能量代謝途徑中重要的輔酶，它參與碳水化合物代謝過程中α-酮酸的氧化脫羧反應(yīng)，在動物體內(nèi)整個能量代謝過程和支鏈氨基酸代謝中起著至關(guān)重要的作用；同時對神經(jīng)和大腦功能也有重要作用[2]，是維持動物正常生長、發(fā)育、健康、繁殖及免疫所必需的營養(yǎng)物質(zhì)。一直以來人們都認(rèn)為反芻動物瘤胃微生物合成的硫胺素足以滿足其營養(yǎng)需要[3-5]。但是在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，在一些特殊生理狀況下，如反芻動物在高精料的飼養(yǎng)條件或泌乳期及妊娠期等也需要在日糧中添加硫胺素等水溶性維生素，當(dāng)機(jī)體缺乏維生素B1時，碳水化合物代謝就會受阻，致使中間代謝產(chǎn)物乳酸積累及揮發(fā)性脂肪酸比例的失衡而誘發(fā)瘤胃酸中毒。而目前生產(chǎn)中預(yù)防瘤胃酸中毒發(fā)生的方法主要是在精料中大量添加碳酸氫鈉和氧化鎂。大量使用堿來中和瘤胃中產(chǎn)生的酸的方法治標(biāo)不治本，在生產(chǎn)中表現(xiàn)出許多諸如引起瘤胃酸堿失衡、瘤胃微生物活力下降等負(fù)面影響。

根據(jù)瘤胃酸中毒的發(fā)病機(jī)制以及維生素B1的作用途徑，可通過添加硫胺素促進(jìn)碳水化合物代謝的正常進(jìn)行，減少乳酸和揮發(fā)性脂肪酸（VFA）的積累，調(diào)節(jié)瘤胃菌群平衡以提高瘤胃pH值而改善反芻動物瘤胃發(fā)酵，從而起到預(yù)防及治療瘤胃酸中毒、改善反芻動物瘤胃健康、提高反芻動物生產(chǎn)性能的作用。并且避免了在瘤胃酸中毒發(fā)生后，灌注碳酸氫鈉、氧化鎂或0.5%弱碳酸氫鈉溶液洗胃對反芻動物直接的傷害和生產(chǎn)力的下降。

2 奶牛瘤胃內(nèi)維生素B1合成、流通和利用的規(guī)律

一直以來，人們都認(rèn)為反芻動物瘤胃微生物合成的硫胺素足以滿足其營養(yǎng)需要，但目前發(fā)現(xiàn)瘤胃的破壞作用、抗代謝物（硫胺素酶）、吸收機(jī)制等都會影響機(jī)體對維生素B1的利用。有學(xué)者認(rèn)為，在高產(chǎn)或應(yīng)激等特定的飼養(yǎng)條件或生理狀況下也需要在反芻動物日糧中添加維生素B1[6-7]。研究認(rèn)為，對飼喂高精料日糧的奶牛飼喂適宜的維生素B1（添加硫胺素）能夠提高奶牛的生產(chǎn)性能[8]。因此，研究不同日糧（常規(guī)日糧和誘導(dǎo)奶牛發(fā)生瘤胃酸中毒的高精料日糧）條件下，奶牛瘤胃內(nèi)維生素B1（硫胺素）的合成、流通和利用規(guī)律，對確定反芻動物硫胺素適宜添加量以及營養(yǎng)調(diào)控措施有著十分重要的理論價值和生產(chǎn)實(shí)際意義。

蔡晶晶采用一次性灌注Co-EDTA的方法研究了硫胺素在瘤胃內(nèi)的流通規(guī)律等動態(tài)指標(biāo)。日糧設(shè)計為常規(guī)日糧、高精料過度日糧和高精料日糧。試驗(yàn)結(jié)果表明：常規(guī)日糧條件下奶牛瘤胃液相稀釋率為11.30%，硫胺素的流通速率為0.73 mg/h，硫胺素流通量為17.52 mg/d、硫胺素瘤胃滯留量為6.18 mg/d。誘導(dǎo)酸中毒的高精料日糧條件下奶牛瘤胃液相稀釋率為10.81%，硫胺素的流通速率為0.62 mg/h，硫胺素流通量為14.88 mg/d，硫胺素瘤胃滯留量為5.83 mg/d。并且飼喂不同精粗比日糧對奶牛瘤胃液相稀釋率不存在顯著影響。

蔡晶晶利用仿生型人工瘤胃發(fā)酵裝置研究了硫胺素的合成規(guī)律。其研究采用半純和日糧作為培養(yǎng)底物，日糧為常規(guī)日糧和高精料日糧。結(jié)果顯示：常規(guī)半純和日糧培養(yǎng)條件下瘤胃微生物硫胺素的合成量為13.86 mg/d，高精料半純和日糧培養(yǎng)條件下瘤胃微生物硫胺素的合成量為2.08 mg/d。

3 維生素B1對瘤胃微生物發(fā)酵有穩(wěn)定作用

瘤胃pH值是反映反芻動物瘤胃內(nèi)環(huán)境和發(fā)酵生理的一項(xiàng)最基本的指標(biāo)，也是最重要的指標(biāo)之一，瘤胃pH值綜合反映了瘤胃發(fā)酵過程，為了保證瘤胃正常發(fā)酵，前提條件是必須維持正常范圍的pH值。碳水化合物在瘤胃內(nèi)發(fā)酵的主要終產(chǎn)物是揮發(fā)性脂肪酸，揮發(fā)性脂肪酸也是反映瘤胃發(fā)酵的重要指標(biāo)之一。乳酸同樣也是瘤胃中十分重要的中間產(chǎn)物，瘤胃內(nèi)存在很多能夠產(chǎn)生乳酸的乳酸產(chǎn)生菌和分解乳酸的乳酸利用菌，若瘤胃內(nèi)的pH值下降，會導(dǎo)致兩種菌群間的平衡狀態(tài)遭到破壞，瘤胃中則會積累大量的乳酸，甚至引起乳酸中毒，進(jìn)而導(dǎo)致瘤胃pH值更低，最后造成亞急性瘤胃酸中毒或急性酸中毒的發(fā)生。所以，瘤胃內(nèi)的乳酸濃度與發(fā)生瘤胃酸中毒有著十分密切的關(guān)系。此外，氨態(tài)氮是瘤胃微生物生長所需要的氮的主要來源之一。氨態(tài)氮是日糧中可降解氮及非蛋白氮在瘤胃中的分解產(chǎn)物，微生物可利用氨態(tài)氮合成自身的蛋白質(zhì)，飼料中蛋白水平、能量水平、氮在瘤胃內(nèi)的吸收狀況、微生物的利用以及瘤胃食糜進(jìn)入后段消化道都會對氨態(tài)氮的濃度造成影響。

郝志敏等(2011)應(yīng)用體外發(fā)酵的方法研究添加硫胺素對瘤胃微生物發(fā)酵的影響。結(jié)果顯示：在常規(guī)日糧條件下，添加硫胺素沒有顯著影響培養(yǎng)液pH值；隨著硫胺素添加水平的增加，氨氮濃度隨之上升；而添加硫胺素后細(xì)菌蛋白的產(chǎn)量得到了提高，原蟲蛋白的產(chǎn)量有所降低；另外，硫胺素降低了乙酸的濃度，提高了丙酸、丁酸的濃度，同時降低了乳酸的濃度。在高精料日糧條件下，添加硫胺素后培養(yǎng)液的pH值得到提高，氨氮濃度下降，細(xì)菌蛋白產(chǎn)量提高而原蟲蛋白產(chǎn)量降低；添加硫胺素后，乙酸和總揮發(fā)性脂肪酸的濃度百分比降低，而丙酸和丁酸的百分比有所升高[9]，從而對瘤胃微生物發(fā)酵有一定的穩(wěn)定作用。

4 維生素B1可促進(jìn)高精料條件下犢牛瘤胃發(fā)育

犢牛瘤胃的發(fā)育受多種因素影響，瘤胃內(nèi)環(huán)境指標(biāo)就是其中重要的影響因素之一。例如瘤胃pH值的變化可改變瘤胃揮發(fā)性脂肪酸的比例，瘤胃上皮細(xì)胞對揮發(fā)性脂肪酸的吸收和代謝有直接影響，從而間接影響瘤胃發(fā)育[10]。此外，Weigand等(1975)研究表明，日糧能量水平影響瘤胃上皮形態(tài)發(fā)育，若以飼喂高精料為主的羔羊，其瘤胃上皮中顆粒細(xì)胞層的厚度將會增加[11]。一定比例的粗料在維持瘤胃上皮的乳頭長度、乳頭密度及乳頭表面積等指標(biāo)的正常發(fā)育方面起到重要作用，精料飼喂水平過高會引起瘤胃上皮的角質(zhì)化不全等瘤胃上皮發(fā)育異常狀況[12]。評定瘤胃發(fā)育的指標(biāo)有多種，包括瘤胃上皮細(xì)胞生長、分化和與此相關(guān)的瘤胃乳頭長度、寬度、密度、瘤胃壁厚度、乳頭的比表面積以及瘤胃壁顏色及肌肉層變化。其中最重要的因素是瘤胃乳頭長度，瘤胃乳頭寬度及瘤胃壁厚度次之[13]，也可將瘤胃乳頭的表面積作為瘤胃黏膜代謝水平的評價指標(biāo)。

王龍等(2012)在犢牛上的試驗(yàn)分為高精料日糧不添加硫胺素、高精料日糧添加硫胺素、常規(guī)日糧不添加硫胺素。結(jié)果顯示：在高精料日糧飼喂條件下，犢牛瘤胃液pH值＜5.5，發(fā)生SARA，添加硫胺素可顯著提高瘤胃pH值以緩解瘤胃酸中毒；高精料日糧組乳酸濃度極顯著高于常規(guī)日糧組，添加硫胺素能顯著降低乳酸濃度并與常規(guī)日糧組無顯著性差異；飼喂高精料日糧，瘤胃液乙酸濃度極顯著高于常規(guī)日糧組，但丙酸和丁酸的濃度顯著降低，添加硫胺素使乙酸濃度得到顯著降低，并提高丙酸濃度和丁酸濃度；高精料組的氨態(tài)氮值顯著升高，添加硫胺素可顯著降低其濃度，但兩者均顯著高于常規(guī)日糧組[14]?？傊曃垢呔先占Z可導(dǎo)致犢牛瘤胃丙酸與乙酸的比值以及總揮發(fā)性脂肪酸濃度的增加，瘤胃液pH值的降低；但添加硫胺素則可緩解對犢牛瘤胃內(nèi)環(huán)境的影響，在一定程度上提高瘤胃液pH值。

該研究同時還表明，飼喂高精料SARA組犢牛瘤胃上皮顏色呈深黑色，SARA添加硫胺素組瘤胃上皮顏色與SARA組相比較淺，但兩組均比飼喂常規(guī)日糧的犢牛瘤胃上皮顏色深；高精料組及高精料添加硫胺素組的乳頭長度和寬度均高于常規(guī)日糧組；常規(guī)日糧組和SARA添加硫胺素組犢牛瘤胃上皮的乳頭發(fā)育良好，呈現(xiàn)出柔軟、舌形等特征，瘤胃乳頭頂端并未出現(xiàn)微膿腫現(xiàn)象，且角質(zhì)層平整、柔軟；而SARA組犢牛的瘤胃乳頭出現(xiàn)異常發(fā)育的情況，表現(xiàn)為部分瘤胃乳頭出現(xiàn)分支現(xiàn)象、瘤胃乳頭頂部腫大，并出現(xiàn)了細(xì)頸等異常形態(tài)，且角質(zhì)層較厚，出現(xiàn)異常脫落和異常增大的現(xiàn)象。表明飼喂高精料可導(dǎo)致犢牛瘤胃上皮顏色呈黑色變深，瘤胃乳頭發(fā)育的增生異常，但添加硫胺素則可緩解SARA對犢牛瘤胃上皮組織發(fā)育的影響[14]。因此認(rèn)為，添加硫胺素可降低高精料日糧對犢牛瘤胃發(fā)育的負(fù)面影響。

5 維生素B1可通過平衡瘤胃菌群結(jié)構(gòu)緩解SARA

瘤胃酸中毒的直接原因是瘤胃內(nèi)乳酸產(chǎn)生菌與乳酸利用菌菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)導(dǎo)致的[15]，而牛鏈球菌、淀粉分解菌和乳酸桿菌是瘤胃內(nèi)的主要產(chǎn)乳酸菌。而牛鏈球菌利用淀粉產(chǎn)生乳酸的能力很強(qiáng)[16]；乳酸桿菌（Lactobacilli）是另外一種重要的乳酸產(chǎn)生菌，在常規(guī)日糧條件下其在瘤胃內(nèi)的數(shù)量較低，但當(dāng)pH值低于5.0時其瘤胃酸性環(huán)境有利于乳酸桿菌的生長，乳酸大量產(chǎn)生進(jìn)一步加重了瘤胃酸中毒；溶纖維丁酸弧菌的生長受日糧精料水平的影響，當(dāng)添加適量的精料時，瘤胃溶纖維丁酸弧菌可迅速生長。瘤胃內(nèi)主要的乳酸利用菌有反芻獸新月單胞菌和埃氏巨型球菌。反芻獸新月單胞菌通過降解瘤胃里累積的乳酸來形成乙酸和丙酸，此外，反芻獸新月單胞菌還有脫羧基作用，可以使琥珀酸脫羧形成丙酸[17]，但可溶性糖的增加會抑制其發(fā)酵乳酸的能力[18]。埃氏巨型球菌可通過兩條途徑將乳酸分解為丙酸，這兩條途徑分別是通過乳酸-丙烯酸以及琥珀酸形成丙酸[19]，而在高淀粉日糧下，生成丙酸的主要途徑是乳酸-丙烯酸途徑。高精料日糧飼喂條件下，埃氏巨型球菌能夠代謝掉70%的乳酸（Counotte 等，1983）[20]。

潘曉花等(2013)試驗(yàn)分為常規(guī)日糧組、高精料日糧組和高精料添加硫胺素組。采用實(shí)時熒光定量PCR（Real time-PCR）定量瘤胃內(nèi)牛鏈球菌（Strepococcus bovis）、反芻獸新月單胞菌（Selenomonas ruminantium）、埃氏巨型球菌（Megasphaera elsdenii）、乳酸桿菌（Lactobacillus）和溶纖維丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisovens）的數(shù)量。結(jié)果顯示：與常規(guī)日糧組相比，SARA奶牛瘤胃液中牛鏈球菌和乳酸桿菌分別提高3.62%和4.65%，溶纖維丁酸弧菌和埃氏巨型球菌的數(shù)量分別降低1.14%和4.90%，反芻獸新月形單胞菌的數(shù)量無顯著變化；與高精料未添加組相比，添加硫胺素能顯著降低牛鏈球菌和乳酸桿菌的數(shù)量，提高埃氏巨型球菌的數(shù)量，但是溶纖維丁酸弧菌和反芻獸新月單胞菌無顯著變化。高精料導(dǎo)致奶牛發(fā)生瘤胃亞急性酸中毒狀態(tài)添加硫胺素后，瘤胃pH值得到了明顯的升高，乳酸和乙酸的濃度有所降低，并且提高了丙酸與丁酸的濃度，而總揮發(fā)性脂肪酸濃度以及乙酸與丙酸比值呈下降的趨勢[21]；此外，瘤胃液以及血漿中的組胺濃度呈現(xiàn)下降的趨勢，而內(nèi)毒素的濃度無顯著差異。綜上，添加硫胺素可改善瘤胃微生物區(qū)系平衡。

6 維生素B1對瘤胃微生物發(fā)酵揮發(fā)性脂肪酸和乳酸的影響

維生素B1在體內(nèi)以硫胺素焦磷酸輔酶（TPP）的形式存在，它參與碳水化合物代謝過程中α-酮酸的氧化脫羧反應(yīng)，當(dāng)機(jī)體缺乏維生素B1時，碳水化合物代謝就會受阻，致使中間代謝產(chǎn)物乳酸積累及揮發(fā)性脂肪酸比例的失衡而誘發(fā)瘤胃酸中毒。有研究報道，奶牛的日糧從粗飼料突然轉(zhuǎn)變?yōu)楦呔锨闆r下，瘤胃中微生物群體改變，瘤胃球菌消失，而乳酸利用菌成為瘤胃中的優(yōu)勢菌群，同時乳酸的濃度增加[22]。揮發(fā)性脂肪酸代謝可為瘤胃消化代謝提供大部分能量[23]，其中乙酸和丙酸均能在反芻動物代謝過程中提供能量，且丙酸發(fā)酵產(chǎn)生的能量較多，乙酸與丙酸的比例過高會影響能量的利用效率[24]。本課題組研究了在高精料底物培養(yǎng)條件下，添加硫胺素對奶牛瘤胃微生物發(fā)酵產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸和乳酸的影響，結(jié)果顯示，高精料底物培養(yǎng)條件下添加硫胺素，整體上降低了培養(yǎng)液乳酸的濃度，同時還提高了總揮發(fā)性脂肪酸的濃度，降低了乙酸與丙酸比值。綜上，添加硫胺素能夠較好地穩(wěn)定高精料底物培養(yǎng)條件下瘤胃微生物的發(fā)酵。

7 結(jié)語

在當(dāng)前規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖條件下，反芻動物瘤胃亞急性酸中毒的發(fā)病率逐年上升，瘤胃亞急性酸中毒已成為當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)注的主要代謝病。以上研究表明了添加硫胺素（維生素B1）能夠在一定在程度上促進(jìn)碳水化合物代謝的正常進(jìn)行，通過調(diào)節(jié)瘤胃菌群平衡來減緩瘤胃亞急性酸中毒的發(fā)生，從而維持反芻動物的健康、提高反芻動物的生產(chǎn)性能。并且還可避免瘤胃急性酸中毒發(fā)生后，灌注洗胃對反芻動物直接的傷害和生產(chǎn)力的下降。這些研究給瘤胃亞急性酸中毒的預(yù)防和治療提供了新的思路，但對于反芻動物維生素B1產(chǎn)品的研發(fā)，以及其如何在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用還需要進(jìn)一步的深入研究。