延胡索酸及其盐作为反刍动物饲料添加剂的研究进展

魏晨

（中国农业大学动物科技学院，北京 100193）

延胡索酸及其盐作为反刍动物饲料添加剂的研究进展

魏晨

（中国农业大学动物科技学院，北京 100193）

延胡索酸及其盐在饲料添加剂中可作为一种酸化剂、抗应激剂和防腐剂，目前己经在单胃动物饲料中获得了广泛应用。对于反刍动物来说，延胡索酸及其盐可以作为替代莫能菌素等抗生素的物质，在反刍动物的体内和体外研究中表现出一定的甲烷抑制潜能，同时对反刍动物生产性能产生有利影响。文章主要综述了延胡索酸及其盐对反刍动物瘤胃发酵和生产性能的影响。

延胡索酸；延胡索酸盐；饲料添加剂；反刍动物

随着全球人口激增，人们生活水平不断提高，社会对畜牧生产的要求也与日俱增。就反刍动物来说，其饲养量逐年提高才能满足人们的日常需求，但甲烷产量不断升高和大量的动物粪尿不可避免地造成自然环境的污染和恶化。同时，随着人们对食品安全问题的高度重视，许多国家和地区已经明令禁止使用抗生素类药物作为动物的生长促进剂，因此，寻求新型有效的饲料添加剂作为甲烷抑制剂刻不容缓。延胡索酸及其盐作为能替代莫能菌素等抗生素的物质逐渐得到深入的研究，表现出抑甲烷、促生产的潜能。

1 延胡索酸及其盐

延胡索酸俗称富马酸，为白色晶状粉末，无嗅，水果酸味，酸度为柠檬酸的180%，难溶于水，不吸湿。延胡索酸安全无毒，在饲料添加剂中可作为一种酸化剂、抗应激剂和防腐剂，目前己在单胃动物饲料中获得广泛应用。在反刍动物中，延胡索酸是瘤胃发酵的中间产物，也是重要电子受体，可促进瘤胃微生物对氢的利用而生成丙酸，竞争性的利用甲烷生成过程中的氢而抑制了甲烷生成[1]。延胡索酸盐包括延胡索酸钠、延胡索酸二钠、延胡索酸钙盐等，属于缓冲盐类，可以作为饲料添加剂调节和稳定反刍动物瘤胃pH，同时避免因延胡索酸的酸性加剧瘤胃酸中毒的可能。

2 延胡索酸及其盐对瘤胃发酵的影响

2.1 对瘤胃甲烷产生的影响

甲烷的产生是碳水化合物在瘤胃内发酵的最后一步，主要的产生途径是在瘤胃古细菌的作用下经方程式4H2+CO2=CH4+2H2O产生，其排放量约占全球总甲烷产量的15%。同时，由于饲料种类的不同，产生甲烷损失的能量约占反刍动物采食饲料总能的2%～12%，因此，有效地调控甲烷的产生关系到全球气候的变化和反刍动物对饲料能量的利用情况。延胡索酸属于二羧基烯类，在瘤胃微生物发酵过程中作为琥珀酸-丙酸通路的中间产物。当延胡索酸及其盐被延胡索酸利用菌代谢转化为丙酸时，需要H2作为底物，从而与产甲烷菌形成竞争关系，使甲烷产量减少。大量体外培养实验证实了延胡索酸及其盐对瘤胃甲烷产生的抑制作用，López等利用体外批次培养和半连续培养技术研究不同计量延胡索酸钠盐对瘤胃甲烷产生的影响，结果表明，胡索酸钠盐能显著降低甲烷产量[2]。毛胜勇等报道，在高精料质量（玉米粉∶豆粕粉∶羊草粉=5∶2∶3）条件下，延胡索酸二钠可显著降低甲烷产量[3]。张耿等研究结果表明，添加一定剂量的延胡索酸二钠后，不同饲料成分发酵时甲烷产量都有所减少[4]。但体内实验对延胡索酸及其盐的甲烷抑制作用却有不同报道，Bayaru等报道，饲喂高粱青贮条件下，给阉牛饲粮添加延胡索酸二钠可以降低甲烷产量[5]。Newbold等和Wallace等利用青干草或精料秸秆等饲料同样得到相似结果[6-7]。值得注意的是，Wood等将包被的延胡索酸添加到羔羊日粮后，使甲烷产量降低76%，比体外培养的结果还要高19%～20%，因此，包被延胡索酸并使其在瘤胃内缓慢释放是一种较好的甲烷抑制手段[7]。然而，McGinn等用大麦青贮和谷物做饲粮时，添加延胡索酸盐并没有抑制甲烷的效果[8]。Beauchemint等研究结果表明，延胡索酸盐不能有效地减少甲烷产量[9]。Ungerfeld等分析了体外发酵过程中延胡索酸及其盐对瘤胃甲烷产生的影响，虽然体外添加延胡索酸及其盐后可降低甲烷产量，但实际降低的甲烷量远低于从化学计量角度预测的在延胡索酸及其盐被全部还原成丙酸时理论可降低的甲烷量，原因可能是当延胡索酸转化为琥珀酸后，琥珀酸的积累反馈抑制延胡索酸还原，也可能是由于延胡索酸转变成乙酸，释放H2，从而促进甲烷产生[10]。对于体内添加延胡索酸及其盐的效果，会因日粮种类、动物生长时期、瘤胃微生态等因素的变化而改变，能否有效抑制甲烷还有待于进一步验证。

2.2 对瘤胃挥发性脂肪酸的影响

瘤胃微生物利用饲料中的碳水化合物获取生长繁殖的能量，同时产生甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸，不同的饲料构成会使挥发性脂肪酸的产量和比例发生改变，当精料比例增加时，丙酸的比例也随之增加，而微生物发酵粗饲料主要产生乙酸和丁酸。王丽娟等研究了体外高精料条件下添加酵母培养物和延胡索酸二钠后对挥发性脂肪酸的影响，结果表明，总挥发酸、丙酸产量显著提高，乙酸和丙酸比值降低[11]。Carro等利用体外批次培养技术研究了不同延胡索酸二钠水平对瘤胃微生物发酵的效果，结果表明，添加延胡索酸二钠4、7、10 mmol均可显著促进总挥发酸和丙酸产生[12]。Beauchemin等报道，给肉牛日粮中添加延胡索酸盐后，总挥发酸和丙酸产量显著增加，乙酸丙酸比降低[9]。Li等也报道，作为C3的前提物质，延胡索酸盐能改变瘤胃代谢通路，提高丙酸产量[13]。但McGinn等研究结果表示，添加延胡索酸并没有提高总挥发酸量[8]。

体外培养结果表示，延胡索酸及其盐能够被产琥珀酸丝状杆菌等延胡索酸还原菌利用转变为丙酸，提高纤维分解菌的数量和多样性，促进纤维素酶活性，从而有效提高总挥发酸和丙酸产量[3,14]。动物活体实验的结果不同，可能由于挥发酸在瘤胃中不断产生、吸收、排空，不能准确测定其产量，需要进一步研究探索。

2.3 对瘤胃氨氮的影响

饲料中蛋白质被瘤胃中蛋白分解菌发酵降解为酮酸和NH3，后者被微生物用作氮源合成微生物蛋白，或被瘤胃壁吸收进入尿素循环，多余的NH4+随尿液排出体外。张耿等报道，用体外发酵法向黑麦草、高羊茅、稻草、花生壳以及玉米、小麦、可溶性淀粉等饲料成分中分别添加延胡索酸二钠后，并没有观察到NH3-N的变化[4]。Yu等研究发现，体外培养条件下，随着向混合日粮中添加延胡索酸盐水平的增加，氨氮量显著降低，同时促进纤维素发酵，由于纤维分解菌首先利用NH3-N作为氮源，因此，延胡索酸盐可以促进纤维分解菌等微生物对NH3-N的利用，有利于瘤胃发酵[15]。García-Martínez等也得到相似结果[16]。

3 延胡索酸及其盐对瘤胃微生物区系的影响

反刍动物瘤胃中栖息着甲烷菌，是主要的甲烷产生者，甲烷菌利用饲料发酵过程中生成的H2和CO2作为主要的电子受体和供体，通过还原反应生成甲烷，在瘤胃功能性生态生境中发挥重要作用。除甲烷菌以外，其他瘤胃微生物也影响甲烷产量。瘤胃微生物总体来说可分为产氢微生物和耗氢微生物两大类[17]。产氢微生物和耗氢微生物通过种间氢转移的方式彼此形成互养共栖的关系。延胡索酸及其盐对氢气的调控分为抑制氢气的生成：减少瘤胃可发酵有机物数量和调节乙酸与丙酸之间的平衡均可降低H2的产量；添加氢气竞争性受体：如硝酸盐或硝酸盐与半胱氨酸的混合物、不饱和脂肪酸等与产甲烷菌竞争氢气，从而抑制甲烷菌的生长[18]。

3.1 对瘤胃细菌的影响

延胡索酸及其盐可通过参与种间氢转移的代谢过程、影响细菌功能基因的表达或改变相应酶的活性来调控瘤胃细菌的数量和结构。杨洋等研究结果表明，给慢性酸中毒奶山羊的日粮中添加延胡索酸二钠可使反刍兽新月单胞菌、埃氏巨型球菌和产琥珀酸丝状杆菌的数量增加，降低乳酸产生菌的数量[19]。Mao等利用变性梯度凝胶电泳（DDGE）和16S rDNA测序等分子生物学技术研究了延胡索酸二钠对瘤胃微生物多样性的影响，结果表明，延胡索酸二钠可以丰富微生物种类，有利于高精料条件下改善瘤胃pH[20]。Yang等报道，在不同精粗比条件下添加延胡索酸二钠，能显著提高纤维分解菌和延胡索酸利用菌的数量和种类，同时降低了产甲烷菌的数量，有利于瘤胃发酵[21]。

3.2 对瘤胃原虫的影响

瘤胃原虫分为鞭毛虫和纤毛虫，其中纤毛虫个体最大、数量最多，且最为重要，成年后反刍动物体内的主要原虫类群以纤毛虫为主。H2是瘤胃原虫代谢的终产物之一，由此瘤胃原虫可以与产甲烷菌形成共生关系。Zhou等研究表明，延胡索酸二钠能够抑制瘤胃原虫的繁殖[14]。但Yang等报道，添加延胡索酸二钠并没有抑制原虫增长[22]。

3.3 对瘤胃厌氧真菌的影响

厌氧真菌也是瘤胃中重要的产氢微生物，可以利用纤维素、半纤维素等为产甲烷菌提供H2。毛胜勇等报道，延胡索酸二钠可提高瘤胃混合微生物与瘤胃纤维降解菌发酵粗饲料的能力，但对瘤胃真菌的发酵活力具有抑制效应[22]。

4 延胡索酸及其盐对反刍动物生产性能的影响

张爱忠等研究了日粮中添加延胡索酸对奶牛产乳性能和血液指标的影响，结果表明，添加延胡索酸140 g·d-1可提高产奶量25.58%，日粮中添加延胡索酸对乳脂率、乳蛋白率、乳糖和乳中总固形物含量无显著影响（P＞0.05），对血浆葡萄糖、尿素氮、β-羟丁酸浓度也无显著影响（P＞0.05）[23]。Van Zijderveld等研究表明，向混合日粮中添加延胡索酸钙25 g·kg-1DM饲喂奶牛，并没有改变奶牛的能量沉积、饲料消化率、产奶量及乳成分[24]。另有报道，青草青贮或玉米青贮中添加延胡索酸盐100、200、300 g·d-1饲喂公牛后，采食量、日增重、营养物质消化率、血液酸碱平衡无显著变化（P＞0.05），但屠宰率有上升趋势[25]。但也有研究显示，添加延胡索酸盐能促进饲料纤维的降解，提高全消化道总能、微生物蛋白和血液葡萄糖水平[16,26]。

5 结论

经过近20年的研究与探索，人们对延胡索酸及其盐在反刍动物饲料添加剂领域有了更深入的认识，其能在体外发酵中降低甲烷产量，提高总挥发酸和丙酸浓度，降低乙酸与丙酸的比值，提高纤维分解菌的活性，促进发酵底物的分解，同时调节微生物区系，增加氢气利用菌的数量和种类。但体内研究相对较少且结果不尽相同，同时不少体内实验表现出与体外实验相反的结果，这可能与日粮组成、瘤胃微生态、试验动物、试验期的不同有关，因此，需要进一步进行活体试验，探明延胡索酸及其盐与不同日粮、不同比例搭配，长期饲喂反刍动物时具有抑制甲烷和促生长、促生产效果，为不断促进反刍动物低耗高产的生产实践提供理论指导。

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Research Process on Fumaric Acid and Fumarate as Feed Additives for Ruminant

WEI Chen
（College of Animal Science and Technology,China Agriculture University,Beijing 100193,China）

Fumaric acid and fumarate have been widely used in feed of mono-gastric animals as acidulant,an⁃ti-stress agent and preservative.For ruminant,fumaric acid and fumarate can replace the usage of monensin in feed⁃stuff and display potent to inhibit methanogenesis.Meanwhile,fumaric acid and fumarate exert beneficial effects on ruminant production.This paper reviewed effects of fumaric acid and fumarate on rumen fermentation and ruminant production.

fumaric acid;fumarate;feed additives;ruminant

S816.7

A

1001-0084（2014）09-0018-04

2014-08-02

魏晨（1989-），男，山东济南人，硕士研究生，研究方向为反刍动物营养。