苹果酸对反刍动物生产性能及瘤胃发酵功能影响的研究

李孟伟+叶帮同

（湖南农业大学动物科学技术学院.长沙.410128）

摘要：近年来，国外动物饲养中广泛应用有机酸作为添加剂，其中苹果酸占有重要地位。本文就苹果酸的特性、营养生理功能及其对反刍动物生产性能和瘤胃发酵功能的影响进行综述。

关键词：L-苹果酸；反刍动物；酸中毒；作用机理；瘤胃发酵

为了增加反刍动物日粮的能量值和提高其生产性能，生产中普遍使用了高精料日粮（>60%），然而，高精料日粮的使用也会产生一些负面作用，其中，瘤胃酸中毒最为普遍，苹果酸作为酸化剂和病原微生物的抑制剂，早就应用于单胃动物。苹果酸在反刍动物中应用发现可以预防并治疗临床瘤胃酸中毒。目前，许多国内外研究学者正在探索苹果酸的作用机理，以使其能更好地应用于反刍动物，增强其瘤胃功能及生产性能。下面我们将苹果酸的理化性质及其在反刍动物上的应用及研究进展简要概述一下。

1.苹果酸的理化性质

苹果酸是生物体糖代谢过程中产生的重要有机酸，广泛存在于自然界的水果和蔬菜中，呈白色或荧白色粉状、粒状或结晶状固体，具有较强的吸湿性，易溶于水和乙醇。分子式为C4H6O5，分子量为134.09。L-苹果酸的化学名称为2-羟基-γ-二酸或L-羟基苯二酸，在分子结构上有一不对称碳原子，所以有2种异构体，在旋光性上表现为右旋（D-）、左旋（L-）和外消旋（DL-）。其pKa值为3.4～ 5.1，能量值为10MJ/kg。未成熟的苹果中含量较高，约为0.4%。苹果酸是生物体代谢三羧酸循环（TCA）的重要中间产物，也是CO2固定反应的产物，它在代谢过程中不断更新，有时被用于合成其他物质，有时由其他物质衍生直接参与线粒体的能量代谢，在生物体代谢过程中处于一种枢纽位置，因此苹果酸对调节生物体内的代谢活动起着重要作用。

2.苹果酸对反刍动物的作用机理

苹果酸对柠檬酸循环中的某些瘤胃微生物起着关键作用。这些酸对微生物所起的作用，采用以下两种重要的方式：离解能力-酸化；通过未离解的微生物细胞壁及改变细胞内的代谢作用或DNA合成的能力。在最近进行的研究中，在体外进行了瘤胃中添加苹果酸的试验，得到的结果是产生的甲烷减少，而干物质的消化率和丙酸盐增加。在另一项研究中，半纤维素的消化率和丙酸盐也增加。将苹果酸和酵母培养物结合起来使用，在体外试验的瘤胃状态表明，当存在高乳酸盐浓度时，由于月形单胞菌属的反刍功能使乳酸盐的摄入量增加，故半纤维素的消化率和丙酸盐也增加。

早先对反刍动物进行的试验表明，各种月形单胞菌属的反刍功能品系在瘤胃内的微生物中总共占到22%～51%，这种情况是指饲喂的日粮中非结构性碳水化合物的含量较高。此外，当各种代谢因素起作用时，月形单胞菌属的反刍功能品系可以利用乳酸盐作为基质来产生醋酸盐、丙酸盐和CO2。在各种不同的反刍通道中，苹果酸盐是一种中间的、起关键作用的代谢物，并且可以替代作为生长因素的冬氨酸盐；当草酰乙酸盐的数量有限时，它对月形单胞菌属的反刍功能有刺激作用。

3.苹果酸的营养生理功能

3.1直接参与体内代谢

苹果酸是生物体代谢过程中产生的重要有机酸，是三羧酸循环及其支路乙醛酸循环代谢过程中的重要中间产物，也可以直接作为能量物质被机体使用。此外，苹果酸还是苹果酸天冬氨酸穿梭的重要组成部分，对胞液和线粒体之间的还原当量（NADH）的转移起到重要的作用。研究表明，L-苹果酸能提高苹果酸天冬氨酸穿梭相关蛋白质的基因表达，提高穿梭途径中NADH的转运效率，提高机体的氧化磷酸化及能量代谢能力。通过对动物的研究发现，苹果酸可提高老年大鼠肝脏中谷丙转氨酶活性达41.98%。说明苹果酸可改善老年大鼠肝脏酶代谢能力，有利于改善机体新陈代谢。

3.2对机体肠道的影响

在饲料中添加苹果酸后，可降低饲料的pH，动物采食后，可提高胃蛋白酶的活性。苹果酸还可刺激胰腺的分泌，从而促进饲料在小肠中的消化吸收。许多研究报道，几种常见的病原菌在猪肠道内生长的适宜pH范围均是中性偏碱，若pH小于4，病原菌则会大量失活。因此，通过降低胃肠道pH，可以改善胃肠道微生物菌群，从而起到防病和促进营养吸收的作用。

3.3促进矿物质的吸收

添加苹果酸能在降低胃肠道中pH的同时，还能与饲料中一些在碱性环境中易形成不溶性或难溶性盐的矿物质形成一种生物学效价较高的螯合物，如与钙发生螯合作用，从而提高消化道对其的吸收和存留。研究表明，苹果酸钙生物活性要高于碳酸钙，使用柠檬酸-苹果酸钙比碳酸钙更利于钙的吸收利用和存留。

3.4改善日粮适口性

一方面苹果酸可直接刺激口腔味蕾，使唾液分泌增多从而增强食欲；另一方面由于其具有芳香味，可掩盖饲料中添加的某些物质的不良气味，对饲料起到调味的作用。因此，适量的苹果酸能改善日粮的适口性，从而提高采食量，促进动物生长发育。

3.5抗应激作用

苹果酸是三羧酸循环的中间产物，能量形成途径比葡萄糖形成过程短。因此，动物在应激状态下，往往直接利用其紧急合成ATP，从而提高机体的抗应激能力。

4.苹果酸在反刍动物上的研究

4.1苹果酸在反刍动物上的应用

4.1.1奶牛和山羊

Salama报道，苹果酸和酵母培养物混合处理的粗草日粮饲喂奶山羊，其DMI、奶产量、奶成分及泌乳高峰没有变化。这可能是山羊日粮中使用紫花苜蓿造成的，因为紫花苜蓿含有苹果酸，导致日粮中苹果酸含量过高。Kung报道，随着日粮中苹果酸添加量的增加（70，105和140g/d），奶牛DMI没有变化。尽管每天饲喂140g苹果酸的奶牛采食饲料较少，但其泌乳高峰和乳脂率增加。Alfere在紫花苜蓿、玉米青贮、大麦日粮基础上给泌乳早期奶牛分别饲喂0、70、105g苹果酸，105g组产奶量最高、校正乳量、乳脂量、饲料转化率均比0、70g组高。添加105g以上，没有增加产奶量和饲喂效率。

Stallcup饲喂荷斯坦奶牛以高梁、苏丹草和玉米为基础日粮中添加苹果酸0、28、70g时，70g组产奶量最高。另一个试验中，以苜蓿干草和高梁青贮为基础日粮中补饲100g苹果酸，校正乳含量提高，乳脂率提高。最近，Vicini发现，饲喂玉米基础日粮时补充糖和苹果酸（4g/d/头）对乳产量没有影响。Devant和Bach研究发现泌乳早期奶牛补饲84g苹果酸，增加了泌乳高峰期产奶量，精料采食量增加，但是瘤胃pH值没有变化。结果表明在高浓度精料日粮中添加苹果酸减少了瘤胃酸中毒发生的几率。Sniffen研究发现补饲50g苹果酸增加了产奶量。对乳中乳脂率、乳蛋白率、乳糖率没有影响。然而，总蛋白、乳糖量比对照组增加，这是由于乳量增加的结果。日粮中TDN、OM、CP、ADF、NDF、脂肪、淀粉、NFC消化率没有受到影响。刘海涛研究表明，在给处于围产前期的荷斯坦奶牛日粮中添加80g/d的苹果酸时，提高了瘤胃pH值（P<0.05），增加了瘤胃中TVFA、丙酸浓度、NH3-N浓度和MCP含量（P<0.05）；提高产奶量，尤其是泌乳初期的产奶量（P<0.05），但是对乳成分没有显著影响（P>0.05）。

4.1.2肉牛

Martin开展了3个试验来确定饲喂DL-苹果酸对生长速度和饲料效率的影响。在第一个试验中，阉牛饲喂3个不同水平的苹果酸（0，40和80g/ d），以高精料日粮作为基础日粮，饲喂84d后，DL-苹果酸改善了饲料效率，与对照组相比，其饲料效率提高8.1%，日增重也随DL-苹果酸的增加而线性增加。饲喂98d后，日增重随DL-苹果酸的添加也线性增加。在第二个生产性能的研究试验中，阉牛饲喂3个不同水平的苹果酸（0，60和120g/d），DL-苹果酸在10d内逐渐加入。在10d的试验中，饲料效率和日增重随DL-苹果酸的增加而线性增加。在第三个试验研究中，每天饲喂阉牛和青年母牛100g苹果酸，其饲料效率和日增重变化不大。在第26d，DL-苹果酸引起日增重下降。这些结果表明，饲喂DL-苹果酸能消除亚临床酸中毒症状，并在两个肥育试验中均能改善动物生产性能。

Kung报道，阉牛采食苹果酸处理过的日粮（100或200mg/kg·BW），其DMI、瘤胃pH，ADF，CP消化率及氮沉积都没有变化，但TVFA和丙酸浓度升高。Montano报道，苹果酸（80g/d）能提高酸中毒阉牛的瘤胃pH，但对整个消化道消化率（OM，ADF，CP及淀粉）、VFA、乳酸及微生物效率没有影响。Martin给采食高谷物日粮（80%）的阉牛饲喂苹果酸（0，27，54和80g/d）结果，阉牛瘤胃pH升高，但苹果酸添加量最高的阉牛瘤胃，TVFA和丙酸浓度最低。

为了观察DL-苹果酸对瘤胃代谢的影响，Streeter用4头瘘管牛进行研究，其日粮中精料比例占80%（75%玉米、25%小麦），按干物质摄入量为体重的2%的比例每天饲喂2次。DL-苹果酸按每天0、27、54或80mg混入500mL磷酸缓冲液中或保证其最终瘤胃浓度为0、4、8或12mM。结果表明，当仅有500mL磷酸缓冲液混入瘤胃后（0mMDL-苹果酸），1h后pH下降到5.49，12h后升高到6.29，这种结果伴随有亚临床的酸中毒。灌注3种不同浓度苹果酸后，1h内pH不下降（P﹤0.05），与不加DL-苹果酸相比，灌注后2h、4h时的瘤胃pH升高。在12mMDL-苹果酸存在的情况，12h后采样分析，瘤胃pH仍高于6.0。DL-苹果酸处理使总VFA量线性下降，乙酸浓度线性上升。

4.1.3肉羊

Garin研究了苹果酸对绵羊生产性能的影响。饲喂育肥羔羊不同水平的苹果酸和酵母培养物的混合物（0、0.2和0.3%），能够改善其精料进食量和饲料转化率。高剂量（0.2%）能够提高饲料转化率，与对照组相比，增加7%。但日增重、瘤胃pH和屠杀后瘤胃粘膜角化指数均没有变化。

4.2苹果酸对反刍动物瘤胃相关指标的影响

4.2.1瘤胃pH值

在相同条件下，苹果酸存在时反刍兽新月单胞菌对乳酸的利用更有效。添加苹果酸可以增加乳酸的利用及细胞内反刍兽新月单胞菌合成的糖类和蛋白质的含量。在苹果酸存在时，乳酸的利用率为77%～80%，而没有苹果酸时仅为40%～70%。并且苹果酸提高了（pH=5）细胞外反刍兽新月单胞菌对高浓度可溶性淀粉和去壳谷物中乳酸的利用，降低了乳酸浓度，提高了瘤胃内pH值。

4.2.2能量

瘤胃甲烷的产生不仅意味着饲料能量的浪费、动物能量利用的损失，而且对大气环境也造成一定的污染，对大气臭氧层具有破坏作用。反刍动物的甲烷产量约为全球动物和人类甲烷释放总量的95%。而苹果酸可以作为电子的受体，与甲烷产生菌竞争H，使甲烷生成量下降。因此，苹果酸对甲烷的作用来自对H的抑制而不是抑制甲烷产生菌。添加苹果酸可增加VFA的总量。在去壳谷物中添加8或12mMDL-苹果酸可使瘤胃发酵TVFA增加，最终的pH值上升，乙酸、丙酸比值及甲烷含量下降。Martin发现，混合瘤胃液的粉碎玉米日粮中添加糖和苹果酸（浓度分别为2.25、3.25）时，乙酸、丙酸及TVFA量增加。

Tatsuoka通过瘤胃体外分批培养，用苹果酸和延胡索酸减少H的积累，成功抑制甲烷的生成。庞学东研究表明，日粮中添加苹果酸能改善瘤胃内纤维素的降解率，有利于日粮能量利用率的提高。但是Foley研究发现，日粮中添加苹果酸对甲烷生成无明显影响。

4.2.3碳水化合物

在反刍动物瘤胃中添加DL-苹果酸盐可引起可溶性淀粉和脱皮玉米微生物发酵的最终pH值、甲烷及VFA发生变化，这与离子载体的作用类似。在反刍动物饲喂高浓度快速发酵碳水化合物日粮中添加苹果酸，可以提高反刍兽新月单胞菌（pH=6）对乳酸的利用。苹果酸可有效提高饲喂高浓度谷物日粮后1～2小时的pH值，因此，在日粮中补充苹果酸是降低瘤胃酸中毒的有效手段。不同种类谷物对瘤胃酸中毒的影响不同，反刍动物若大量采食小麦、大麦或加工玉米，会极大地增加酸中毒发生的危险度，而采食燕麦和高粱的危险度则相对较低。但这些谷物经粉碎、脱皮处理后，在增加瘤胃对其淀粉的消化的同时，也加大了酸中毒发生的可能性。苹果酸还可增加日粮的CO2产量，降低CH4产量，VFA的产量增加。另有试验表明，在肥育牛的高浓度谷物日粮中添加苹果酸80克/（头·天）使瘤胃的pH值提高，而微生物的生长和淀粉、纤维及蛋白的消化没有受到不良影响。上述结论表明，苹果酸可促进高浓度谷物日粮的发酵，减少酸中毒的发生。

4.2.4生产性能

理论上，反刍动物饲喂苹果酸可以提高饲料的转化率，提高动物的生产性能，因为苹果酸是能量代谢途径的关键物质，对动物生产性能的提高具有非常重要的作用。肉牛的相关研究相对较少。Martin采用33头阉公牛进行舍饲试验，添加40～ 80克/（头·天）的苹果酸，试验结果表明，饲料效率提高8.1%，日增重随苹果酸的增加呈线性增加。但也有试验证实肥育牛饲喂苹果酸后生产性能并未提高，DMI（于物质采食量）、日增重、胴体特性所受影响也不大，这说明苹果酸的添加效果受牛肥育阶段及多种因素影响。

5.小结

日粮中适量苹果酸可以防止乳酸酸中毒和改善精料能量效率，可将其用作反刍动物的添加剂，防止反刍动物因采食高精料日粮而发生的酸中毒。另外，苹果酸对血液生化指标的影响及影响苹果酸使用效果的因素的研究还很欠缺，也是以后研究的方向。

与抗生素相反，苹果酸减少亚临床瘤胃酸中毒的发生，是通过刺激而不是抑制瘤胃细菌（如反刍动物新月状单胞菌）菌群来达到目的的，同时苹果酸是瘤胃微生物代谢途径的中间产物，可被微生物或其他生化反应所代谢利用，无残留，不存在微生物的耐药性、病原体抗药性转移和药物残留等问题。由于公众对食物安全日益关注，营养学家和微生物学家应开发出抗生素替代品来解决瘤胃酸中毒的问题。到目前为止，还没有报道苹果酸的使用对反刍动物和人类存在负作用，苹果酸可以作为反刍动物离子载体抗生素添加剂的绿色替代品。

参考文献（略）