奶牛围产期葡萄糖营养平衡及其调控研究进展

■孙菲菲 曹阳春 姚军虎

（西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌 712100）

围产期是指产前3周至产后3周这段时间，该 阶段生理代谢复杂，奶牛干物质采食量（DMI）下降明显，处于能量负平衡（NEB）状态，还遭受分娩、泌乳、日粮转换等应激，严重威胁奶牛健康和高效生产（Trevisi等，2011）。为满足围产期奶牛能量需要和缓解NEB，常通过添加脂类提高日粮能量水平，但其中的不饱和脂肪酸（UFA）易被氧化，从而加剧奶牛氧化应激（Sordillo等，2009）。葡萄糖是反刍动物的重要能量来源，参与机体能量和蛋白质代谢等生理过程，也是乳腺合成乳糖的重要前体（Harmon等，2001）。保证围产期葡萄糖的精准供应，提高其利用率，已成为解决NEB和降低氧化应激的新思路。

1 反刍动物葡萄糖的来源

反刍动物机体所需葡萄糖主要来源于两部分，即外源葡萄糖和内源葡萄糖。外源葡萄糖是进入小肠的过瘤胃淀粉（RES）在α-淀粉酶作用下，分解产生并被肠道上皮所摄取的葡萄糖（Huntington等，2006）。内源葡萄糖由非糖物质转化而来，主要包括两部分，日粮碳水化合物在瘤胃降解产生的丙酸被瘤胃壁吸收后，转运至肝脏，经一系列酶促反应合成葡萄糖；蛋白质或小肽降解产生的生糖氨基酸可通过糖异生途径合成葡萄糖，进入血液供动物利用（Aschenbach等，2010）。特殊情况下，甘油和乳酸也可作为生糖前体物质，发挥重要作用，但在反刍动物内源葡萄糖来源中所占的比例很小（赵柯，2011）。

2 影响葡萄糖吸收的因素

2.1 小肠葡萄糖供应量

由于缺乏葡萄糖-6-磷酸酶（G-6-P），奶牛乳腺不能利用生糖前体物质通过糖异生途径合成葡萄糖，泌乳牛乳腺葡萄糖几乎全部来源于血浆葡萄糖，而血浆葡萄糖主要通过肝脏糖异生和小肠吸收获得。因此，小肠葡萄糖供应量影响奶牛机体葡萄糖平衡。

Relling等(2008)研究表明，真胃短期和长期灌注淀粉(1 100 g/d)均显著降低奶牛血浆胰高血糖素样肽-1(GLP-1)的浓度(P＜0.05)，并有降低葡萄糖依赖性促胰岛素多肽(GIP)的趋势(0.05＜P＜0.10)，说明增加小肠葡萄糖供应量可能提高奶牛对葡萄糖的利用。然而，也有研究得到相反结论。Larsen等(2010)研究了真胃灌注葡萄糖(1 500 g/d)对血液中肠活性肽浓度的影响，结果发现，真胃灌注葡萄糖并不影响血浆中GLP-1和GIP的浓度（P＞0.05）。由此推测，过瘤胃葡萄糖供应量调控葡萄糖吸收可能存在剂量效应。

2.2 葡萄糖转运载体

肠道葡萄糖吸收通过葡萄糖转运载体完成，其数量及活性可反映肠道葡萄糖吸收能力（Zhao等，2007）。按照结构功能和作用机理，葡萄糖转运载体主要分为两大类，易化扩散葡萄糖转运载体（GLUTs）和钠依赖型葡萄糖共转运载体（SGLTs）。GLUTs是一类不依赖能量的被动型转运载体，具有双向性、饱和性和选择性，目前已经发现13种，分别命名为GLUT1～GLUT12和HMIT。SGLTs是一类主动运输型转运载体，主要有3种，即SGLT1～SGLT3，其转运过程与钠离子耦联、逆葡萄糖浓度且需要能量参与。葡萄糖转运载体种类及其特征见表1。

表1 葡萄糖转运载体及其特征

乳腺是泌乳反刍动物葡萄糖的主要利用场所。奶牛每产1 kg奶，需要消耗72 g葡萄糖（Laarveld等，1981），因此，日产奶40 kg的奶牛每天乳腺需要约3 kg葡萄糖。葡萄糖的跨膜转运是影响乳糖合成的限速步骤，而GLUTs和SGLTs的数量及活性决定葡萄糖的跨膜效率。Na等（2009）研究了奶山羊不同泌乳阶段乳腺GLUT1的表达情况，结果表明，GLUT1与产奶量呈正相关，泌乳高峰期GLUT1的表达量高于其他泌乳阶段（P＜0.05）。Mattmiller等（2011）对一个完整泌乳周期GLUTs的时空表达规律的研究表明，随着奶牛泌乳的启动，泌乳早期乳腺GLUT1表达量上升，而泌乳后期GLUT3和GLUT4表达量提高（P＜0.05），这表明多种葡萄糖转运载体共同维持泌乳的葡萄糖转运。

2.3 葡萄糖代谢相关酶类

己糖激酶（HKs）、丙酮酸激酶（PK）和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PDH）是细胞葡萄糖代谢的限速酶，它们通过反馈机制调节动物机体对葡萄糖的摄取，目前研究最多的是HKs（Rognstad，1979；Lee等，2006；John等，2011）。反刍动物HKs共有4种，即HK1、HK2、HK3和HK4。HKs的作用是将摄取进入细胞的葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖，作为多种代谢过程的共同底物，此机制也可防止其反复出入细胞，维持细胞内外的葡萄糖浓度梯度（Wilson，2003）。

HKs调控葡萄糖代谢的相关研究多集中于人和小鼠，且主要是肝脏和肌肉组织，反刍动物相关研究较少。研究证明，HK2是葡萄糖有氧酵解的关键调控酶（Wolf等，2011）。Gomes等（2010）对牛输卵管细胞的研究显示，HKs活性与丙酮酸浓度相关，而丙酮酸是葡萄糖代谢的中间产物之一，进一步证明了HKs在葡萄糖代谢中的重要作用。然而，HKs调控围产期奶牛葡萄糖吸收的研究还鲜有报道。研究肠道葡萄糖吸收与HKs表达间的关系，阐明其调控机理，有利于葡萄糖的高效供应，缓解氧化应激和NEB，保障围产期奶牛健康。

2.4 生理阶段

生理阶段影响奶牛营养需要，对泌乳期奶牛而言，血液中65%～85%的葡萄糖被乳腺吸收用于合成乳糖。围产前期奶牛葡萄糖主要用于机体维持需要和胎儿代谢需要，围产后期随着泌乳的启动，奶牛对葡萄糖的需求也相应增加。奶牛生理阶段影响GLUTs的数量。Komastu等（2005）研究发现，泌乳奶牛乳腺GLUT1表达量显著高于非泌乳期（P＜0.05）。奶牛分娩前40 d到分娩后7 d乳腺GLUT1、GLUT8、GLUT12的表达量显著增加（P＜0.05）（Zhao，2007）。

3 奶牛围产期葡萄糖平衡的营养调控

围产期奶牛营养物质摄入不足，能量代谢加快，内分泌激素急剧变化，氧化应激严重，机体免疫和抗炎症能力降低，从而易发生乳房炎、乳房水肿、胎衣不下等疾病（王艳明，2010；Sordillo等，2009）。作为奶牛的重要能量来源，葡萄糖在维持乳腺发育、泌乳和物质周转过程中发挥重要作用，因此，充足的葡萄糖供应是保证围产期奶牛能量平衡和减少疾病发生的有效手段。

3.1 调控瘤胃发酵类型

丙酸是反刍动物主要的生糖前体物质，其他还有生糖氨基酸、乳酸、甘油等。瘤胃丙酸型发酵可为糖异生途径提供底物，有利于葡萄糖的内源合成，是保证机体葡萄糖供应的重要途径（徐明等，2005）。

瘤胃发酵类型的调控一直是反刍动物营养研究的重点和热点，且已取得较大进展。Peng等（2011）研究了纳豆芽孢杆菌发酵物对泌乳早期奶牛瘤胃发酵及泌乳性能的影响，结果发现该发酵物可增加瘤胃丙酸摩尔比例，提高奶产量和乳糖含量（P＜0.05），其原因可能是糖异生底物增加，使机体葡萄糖水平提高，乳腺可摄取更多的葡萄糖用于合成乳糖。茴香、肉桂醛、大蒜油、辣椒油等均可调控瘤胃发酵类型，使瘤胃维持丙酸型发酵（Rodríguez-prado，2012）。调控瘤胃发酵类型的研究还有很多（Mohammed等，2011；Patra，2011；Patra等，2012；Verma等，2012；Zhang等，2012），但其中部分研究结果目前尚不能在生产实践中推广应用。

由于围产期奶牛机体代谢的特殊性和复杂性，其瘤胃发酵类型调控相关研究还较少，多集中于体外发酵，直接应用泌乳期奶牛和其他反刍动物的调控策略未必可行、有效。建立围产期瘤胃发酵调控模型，通过体内试验研究其发酵模式和调控手段，可为促进肝脏糖异生和葡萄糖高效利用提供科学支撑。

3.2 适当增加过瘤胃淀粉供应量

淀粉是葡萄糖的一种高聚物，通式为（C6H10O5）n，其在反刍动物瘤胃和小肠中的主要降解产物分别是丙酸和葡萄糖。适量RES可为奶牛提供大量外源性葡萄糖，降低糖异生途径合成葡萄糖的能量损失，节约生糖氨基酸，提高动物生产性能（Orskov，1986；Owens等，1986；Larsen等，2009）。与泌乳期相比，奶牛围产后期DMI急剧下降，引起奶牛NEB及低血糖症，而提高小肠葡萄糖供应量是解决这一问题最有效的策略。通过增加DMI来解决NEB及低血糖症等问题在理论上可行，但实际生产中提高围产后期的DMI难度很大，短期内不易实现，因此，RES的合理供应与代谢调控已成为研究重点。

不同的物理或化学方法处理谷物类饲料均可显著提高淀粉的过瘤胃率及其小肠消化率（Mills，1999；Reynolds，2006）。RES水平影响机体葡萄糖代谢及相关激素的分泌，RES水平越高，血浆胰岛素水平越高，而胰高血糖素水平越低（Garnsworthy，2009），这表明适当增加日粮RES可促进葡萄糖吸收，促进葡萄糖的高效利用。Mikuła等（2011）研究了围产期奶牛日粮用玉米（高RES）替代黑小麦（低RES）对机体代谢、泌乳性能和繁殖性能的影响，结果表明，玉米淀粉更适宜作为围产期奶牛的能量来源，保证能量均衡。Mungói等（2012）报道，日粮淀粉来源影响反刍动物机体氮素代谢和循环，这可能与日粮RES含量有关。RES含量决定小肠可吸收葡萄糖水平，进而改变机体能量供应模式，影响氮素利用和能氮平衡。

3.3 促进胰腺α-淀粉酶分泌

胰腺α-淀粉酶分泌不足限制RES的小肠消化率，不仅造成能量浪费，还会造成后肠道酸中毒（Harmon，2009；Yu等，2012）。因此，通过调控技术促进α-淀粉酶分泌理论上可促进RES的小肠消化率，增加葡萄糖供应量，满足机体葡萄糖需要。

胆囊收缩素（CCK）可调控动物胰腺相关酶的分泌表达（Crozier等，2008；Hara，2001；Wang等，2007），Yu等（2012）研究了十二指肠短期和长期灌注苯丙氨酸（Phe）对山羊胰腺外分泌功能的影响，结果表明，短期灌注不影响胰液分泌量和α-淀粉酶、脂肪酶、胰蛋白酶的活性（P＞0.05），而长期灌注则会促进CCK和α-淀粉酶分泌（P＜0.05），且存在剂量效应，灌注量为4 g/d时，α-淀粉酶活性达到最大。RES水平也影响胰腺α-淀粉酶分泌，Xu等（2009）报道，适当提高日粮RES水平可促进胰腺α-淀粉酶分泌（P＜0.05），但过高反而降低其分泌量，成年山羊RES的最佳供应量为80～110 g/d。综上所述，适宜的RES水平和Phe浓度均能促进胰腺α-淀粉酶分泌，提高RES消化率，提高饲料能量利用率。本课题组近期研究发现，十二指肠灌注亮氨酸（Leu）可通过雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路调控荷斯坦青年牛胰腺外分泌功能，且最佳灌注量为29.5 μmol/（kg·h）（未发表数据），因此mTOR通路可能在胰腺α-淀粉酶分泌调控中发挥重要作用，其机理有待进一步研究。

3.4 调控葡萄糖转运载体的表达

葡萄糖跨膜转运是葡萄糖高效利用的限速步骤，而这一过程由两类葡萄糖转运载体（GLUTs和SGLTs）共同完成。因此，调控葡萄糖转运载体的数量和活性，增强葡萄糖转运能力，也是保证围产期能量供应和维持代谢平衡的可行思路。

胰岛素和胰高血糖素是维持机体血糖平衡，调控糖类代谢的关键激素，其对葡萄糖代谢的调控也必然伴随着葡萄糖转运载体的时空表达变化。GLUT4是胰岛素依赖型葡萄糖转运载体，胰岛素水平可影响GLUT4的表达及其转运能力（Komatsu等，2005）。葡萄糖供应量影响肠道对葡萄糖的吸收，该过程需要葡萄糖转运载体的参与。在一定范围内，日粮RES含量与十二指肠可吸收葡萄糖的量呈正相关（Cañizares等，2009），而小肠可吸收葡萄糖的量可促进GLUTs和SGLTs的表达，促进肠道葡萄糖的吸收和转运，故可通过淀粉过瘤胃技术刺激葡萄糖转运载体的表达，增强围产期奶牛肠道葡萄糖吸收能力。SGLTs是Na+依赖型葡萄糖转运载体，其转运过程需要Na+协同才能完成（Lu等，2012；Simonyi，2012），这提示肠道和血液Na+浓度可能影响机体葡萄糖吸收及乳腺葡萄糖摄取，但关于Na+水平对葡萄糖转运的专门研究还鲜有报道。另外，Na+对于维持机体渗透压稳定具有重要作用，通过改变Na+浓度调控葡萄糖转运载体的表达规律应首先保证机体Na+平衡。

3.5 适当增强肝脏糖异生能力

内源葡萄糖在反刍动物可利用葡萄糖中比重很大，主要来源于肝脏的糖异生作用，糖异生在机体葡萄糖稳态中发挥关键作用。RES和外源葡萄糖供应是当前奶牛葡萄糖营养的研究重点，而关于内源葡萄糖合成的营养调控研究还较少。

围产期奶牛DMI不足，外源葡萄糖来源有限，导致血液葡萄糖不能满足机体需要，此时肝脏糖异生活动加强以满足维持和泌乳的葡萄糖需求。奶牛围产期肝脏磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）、丙酮酸羧化酶（PC）等糖异生关键调控酶类的mRNA表达量显著提高，且日粮蛋白水平可通过影响机体氨基酸代谢和提高生糖氨基酸水平而促进这些酶类的表达分泌（Greenfield等，2000）。Rhoads等（2011）研究了外源生长激素对奶牛肝脏葡萄糖代谢的影响，结果发现，生长激素可促进肝脏糖异生（P＜0.05），增加了动物可利用葡萄糖的供应量。瘤胃丙酸是反刍动物经糖异生途径合成葡萄糖的主要底物，丙酸供应量对糖异生有重要影响。Lemosquet等（2009）研究了瘤胃灌注丙酸和十二指肠灌注酪蛋白对泌乳奶牛葡萄糖代谢及乳腺能量代谢的影响，结果表明，丙酸和酪蛋白均影响机体葡萄糖周转，增强糖异生能力（P＜0.05），二者共同维持乳糖、乳蛋白及产奶量的稳定。

肝脏糖异生是反刍动物机体葡萄糖的重要来源，也是满足乳腺葡萄糖需求，维持乳糖率相对稳定的调控机制之一。底物、酶类和激素共同调控反刍动物肝脏糖异生活动，增加底物、提高酶活和注射外源激素均可促进葡萄糖的糖异生合成，增加内源葡萄糖供应量，维持机体葡萄糖的代谢稳衡。糖异生调控必须适度，过强的糖异生能力可造成能量和生糖氨基酸的浪费。

3.6 合理使用脂类饲料

围产期奶牛机体代谢复杂，遭受各种应激和代谢性疾病，DMI下降造成能量摄入不足。伴随着泌乳的启动，DMI逐渐增加，但仍滞后于产奶量的提高，这就造成了DMI增加与泌乳量升高的不同步，即造成机体NEB。为解决这一问题，生产中常通过添加脂类来提高日粮的能量水平，但脂类中的UFA易被氧化，从而增加了奶牛遭受氧化应激的风险，且日粮添加脂类对NEB的影响结果也并不一致。

为满足泌乳的营养需要，奶牛产后日粮转变为高精料日粮，这种日粮类型的转变可引起奶牛换料应激，降低生产性能，而产前高能饲喂除了可最大程度满足机体能量需求外，还能使奶牛更好地适应产后高精料日粮，降低换料应激，同时促进瘤胃微生物生长及瘤胃乳头发育（Mcnamara等，2003），此为产前“高能饲喂”观点。而“低能饲喂”支持者则认为，动物机体存在代偿机制，产前低能饲喂可使奶牛产后代偿性地增加能量采食量，提高产奶性能（Ford等，2001；Carlson，2006）。也有研究表明，产前日粮能量水平对产后泌乳性能没有影响（Holcomb 等，2001）。

综上所述，产前能量水平对奶牛产后生产性能的影响尚无定论，其原因可能是：①大量添加脂类虽可提高日粮能量水平，但动物对脂类的利用能力有限，脂类并不能充分发挥其效价；②各试验所添加脂类的UFA含量存在差异，奶牛氧化应激程度不同；③脂类对瘤胃微生物的毒性作用，降低了瘤胃发酵能力。运用营养调控技术促进RES的消化吸收，促进葡萄糖摄取和周转代谢，增强乳腺葡萄糖摄取能力，或将成为解决NEB问题、缓解氧化应激和提高产后泌乳性能的新方向。

4 小结

氧化应激、代谢性疾病、分娩和泌乳应激等严重威胁围产期奶牛健康，影响产后泌乳周期的正常启动，降低生产性能。奶牛产后泌乳量提高和DMI增加的不同步造成机体NEB，动物通过动员体脂满足泌乳的能量需求，而体脂过度动员则会造成代谢紊乱。缓解NEB问题，保障瘤胃健康和机体稳态，已成为围产期营养研究的重点和难点。

反刍动物葡萄糖代谢不同于单胃动物，内源葡萄糖所占比重较大，而消化道直接吸收不是机体葡萄糖的主要来源，但却是葡萄糖营养调控的关键所在，因为内源葡萄糖由生糖前体经糖异生在体内合成，其调控相对较难。外源葡萄糖主要源于RES的消化吸收，提高胰腺α-淀粉酶分泌量，合理控制日粮淀粉的瘤胃降解特性，是调控外源葡萄糖高效利用的重要手段。促进小肠淀粉的有效降解，研究葡萄糖转运载体的表达规律及其调控策略，制定最佳的葡萄糖营养参数，对保障奶牛机体能量平衡、营养素的精准供应和产后泌乳性能及犊牛健康具有重要意义。

（参考文献53篇，刊略，需者可函索）