单宁对反刍动物机体功能调节作用的研究进展

2018-01-19李义海张效生张金龙刘海军孙巨昆郝丽军董泽江

中国草食动物科学 2018年5期

李义海，张效生，张金龙，刘海军，孙巨昆，郝丽军，董泽江

（1.天津市畜牧兽医研究所，天津 300381；2.天津市腾源畜牧养殖有限公司，天津 300273）

单宁属于天然存在于植物中的聚酚类物质，能和蛋白质及其他聚合物如纤维素、半纤维素、果胶等结合生成稳定的复合物，日常所说的单宁则只是一大类植物酚类物质中的一小部分。单宁也称为鞣酸或植物多酚，属于多酚类化合物，广泛存在于植物的叶子、种壳、果实和种皮中。单宁具有许多生理活性，如止血、抑制微生物生长、抗过敏、抗衰老、抗突变等，它通常用作传统的皮革鞣剂。反刍动物饲料中适当含量的单宁具有调节瘤胃功能，防治羊的疾病发生和提高羊的日增重及其繁殖性能等。本文就单宁对反刍动物机体功能的调节作用作一综合性论述。

1 单宁的化学结构和在自然界的含量分布

1.1 单宁的化学特性

单宁通常指分子量为50～3 000的多酚，一般分为水解单宁（HT）和缩合单宁（CT）两大类型。水解单宁具有相对小的分子量，并且通常在酚酸中被没食子酸、双没食子酸或联苯二酚酸酯化，并且通过酯键与单糖结合形成，酯键在酸、碱和酶的环境中不稳定，很容易被它们作用水解，所以水解单宁含有碳水化合物核心［1］；缩合单宁具有较高的分子量，并通过类黄酮单元聚合形成，形成的C6·C3·C6结构具有相对稳定性，在水中不易分解，并在强酸性条件下缩合成水不溶性物质。单宁酸是由1分子葡萄糖和8～10分子没食子酸组成。单宁可与蛋白质或纤维素、半纤维素和果胶等其他聚合物结合形成稳定的化合物。

1.2 单宁在自然界的含量分布

单宁是自然界碳水化合物代谢衍生出来的一种次生代谢产物，是植物和环境在长期的自然演化过程中的产物，也是植物物种的自我保护物质。单宁在自然界中含量丰富，仅次于纤维素、半纤维素和木质素［2］。不同物种和植物不同部位的单宁浓度有很大的差异，可提取的缩合单宁含量变化范围在0～196 g/kgDM之间，常见牧草每千克干物质的单宁含量范围为：三叶草1.3～187 g，紫花苜蓿 0.5 g，黑麦草 1.1 g［3］；红豆草 23.61 g，百脉根9.65g，菊苣 0.43g［4］；香蕉茎叶 7.8 g［5］；刺槐叶 2.08～2.51 g，青杠叶 0.89～2.66 g，紫穗槐 1.95 g，高粱 3.4 g［6］。

在自然界中，热带、温带、干旱和半干旱地区生长的豆科和禾本科植物、杂草类、灌木和乔木等单宁含量较高，单宁在双子叶植物中主要分布在细胞壁、树皮、茎杆、种子和花的细胞质中。杨柳科、蔷薇科、杜鹃花、柏科和山毛榉植物中含有不同浓度的单宁。豆科植物（如百脉根、红豆草、小箍花及多数热带豆科植物）、高粱和油菜籽中的单宁含量高；栎叶、栎果、柳安籽粉、蚕豆和几种加工副产品中均有不同含量的单宁；白苜蓿、黄苜蓿和小麦的单宁含量较低，紫花苜蓿地上部分的茎叶不含单宁，因此，不同品种的植物单宁含量不同，并随其生长环境的变化而变化［3］。

2 单宁对反刍动物瘤胃内环境的调节作用

2.1 过瘤胃蛋白保护，促进饲料蛋白的吸收利用

单宁在瘤胃中与消化酶和蛋白结合形成沉淀，极大地降低了蛋白质和纤维素在瘤胃中的降解率，减少了氮和甲烷的排放量，同时减少了瘤胃臌胀，保护了瘤胃蛋白质，增加了过瘤胃蛋白质含量，从而提高了氮的利用效率［7］。单宁和蛋白质结合形成的化合物在pH值为4～7之间的环境中具有最大的稳定性，高于或低于此pH值时则会迅速分解。反刍动物真胃的pH值为2.5，小肠的pH值为8～9，当单宁和蛋白质结合物通过真胃时，蛋白质迅速与单宁分离，单体蛋白质在胃蛋白酶和胰蛋白酶作用下，分解成易于吸收的小分子肽营养物质，因此，在一定程度上降低了瘤胃蛋白质的溶解度，对瘤胃蛋白质起到了保护作用，避免了蛋白质被瘤胃微生物快速降解，增加了瘤胃蛋白的量，也降低了瘤胃中蛋白质和纤维素的降解速率。Khazaal等［8］通过体外产气法和半体内尼龙袋法的试验结果表明，单宁不但能够显著降低干物质的降解率，而且还能降低氨溶解度、体外产气量以及瘤胃胀气疾病的发生率。

2.2 提高瘤胃尿素的再循环利用

单宁可以增加瘤胃尿素再循环的效率，减缓瘤胃内蛋白质的降解率和脱氨率，从而降低瘤胃氨含量。单宁可增加唾液糖蛋白的含量和分泌，导致血液中更多的氮（尿素）进入瘤胃［9］。在反刍动物瘤胃中，饲料中的含氮化合物可被瘤胃微生物降解为氨，瘤胃氮素代谢过程中可产生NH3-N结合物，是瘤胃氮素代谢循环中的重要化合物。NH3-N浓度的高低可直接反映瘤胃中蛋白质的降解和吸收情况。NH3-N浓度在瘤胃中时刻处于动态平衡，其含量受饲料含氮化合物摄入量和蛋白质降解速度的影响，同时也受瘤胃微生物蛋白质生产效率以及瘤胃对NH3-N利用率的影响［10］。当山羊和绵羊喂食含单宁的豆科牧草时，其血浆尿素氮、尿氮和瘤胃氨的损失较少。反刍动物饲喂用红豆草、百脉根和红三叶草制作的青贮，因其单宁含量较高，青贮料中的蛋白质在瘤胃中降解速度比饲喂苜蓿草的低，且瘤胃中可溶性非蛋白氮含量和牧草中的单宁含量呈负相关，即高单宁含量导致可溶性非蛋白氮含量降低。杨镒峰等［11］研究发现，以含有较高单宁成分的红豆草、百脉根和红三叶草为饲料的阉牛比以苜蓿草为饲料的阉牛生长速度快。周明［9］的研究结果表明，在山羊饲料中添加6%的单宁酸可显著降低瘤胃中的NH3-N浓度，当浓缩单宁浓度在3%以上时可减少瘤胃的产气量，但同时也抑制了NH3-N的产生；体外培养试验发现，将单宁加入到不同精粗比的基质中可降低NH3-N的浓度。

2.3 对瘤胃微生物区系和消化酶的影响

反刍动物瘤胃微生物大致分为三大类，即原虫、细菌和厌氧真菌，它们的作用各不相同，细菌的主要作用是分解纤维素；真菌既能分解纤维素、半纤维素，又可分解细胞壁，比细菌的分解能力强，数量比细菌少很多；原虫可吞噬细菌，为反刍动物提供菌体蛋白。瘤胃微生物与反刍动物在自然界的长期进化过程中形成了紧密的共生关系，瘤胃的内环境为微生物的生长繁殖提供了良好的场所，产生的消化酶可帮助反刍动物消化饲料中的营养成分，微生物自身还可为反刍动物提供菌体蛋白在肠道内的消化吸收。

单宁对各种细菌、真菌和酵母具有较强的抑制作用，且在相同的抑制浓度下不会影响动物体细胞的生长。李大彪等［12］的研究结果表明，浓度为400 mg/mL或更高的缩合单宁可以抑制许多瘤胃菌种的生长。单宁浓度对山羊瘤胃微生物的影响程度要比绵羊大。有研究发现，在精料30%、粗料70%的山羊饲料中分别添加2%和6%的缩合单宁，结果瘤胃细菌总数和厌氧真菌数量都减少。也有研究发现，在饲料中添加1%和2%的低浓度单宁酸，能增加3种纤维降解菌的数量，同时抑制产甲烷菌的数量，从而促进动物营养物质的代谢吸收。研究发现，3%的缩合单宁就可明显减少牛瘤胃内蛋白质降解菌的数量，但适量单宁可增加瘤胃内真菌和纤维降解菌的数量。

单宁还可有效抑制多种酶促反应，因此也叫做酶促反应抑制剂，其抑制机制主要是单宁和蛋白质的结合，此蛋白质可以是酶促反应的酶，也可以是酶结合的底物。因此，当单宁和蛋白质结合生成复合物，就可以减缓酶促反应正常进行［13］。

2.4 调节瘤胃pH值

pH值是影响瘤胃内部环境的重要因素，它的稳定可保证瘤胃内环境的稳定，对瘤胃微生物的生长繁殖和日粮的正常发酵非常重要。pH值中性至弱酸性最适合微生物的生长和繁殖，当pH值为5.8、6～7和7.5时适合原虫、厌氧菌和细菌生长繁殖。

饲草中的碳水化合物在瘤胃中被微生物发酵产生挥发性脂肪酸（VFA），采食期间反刍动物持续分泌大量弱碱性唾液，同时瘤胃表皮细胞不断吸收挥发性脂肪酸进入血液，使血液的酸碱达到平衡，这样可使瘤胃的pH值始终保持在弱酸性环境中，即pH值在6.0～7.0之间，这个pH值对瘤胃微生物分解纤维、产生挥发性脂肪酸非常重要，过高或过低的pH值都会影响瘤胃微生物的正常生长，进而影响瘤胃内日粮的发酵。据报道，从银合欢和银合欢杂交品系中提取的缩合单宁可提高瘤胃的pH值，但没有达到显著水平。体外培养试验研究发现，缩合单宁分子量的大小对pH值也有影响，分子量越大，pH值越趋于稳定，但差异不显著（P＞0.05）。

3 单宁对反刍动物疾病的防治作用

3.1 对瘤胃臌胀病的抑止

胀气病是反刍动物采食饲草引起的常见且可以导致致命的消化系统障碍病。当牛羊采食牧草时，尤其是春天的豆科牧草，牧草被反刍动物咀嚼，并在瘤胃的微环境中发酵，由于牧草中可溶性蛋白在瘤胃内的溶解度较高，而快速发酵产生的大量气体堆积在瘤胃内，不断产生泡沫，阻断了正常气体排放，致使瘤胃快速臌胀，压力增大，最终导致动物胀气死亡。有研究表明，含单宁的牧草可以抑制这种疾病；也有研究指出，牧草中的单宁可以防止反刍动物发生臌胀病，因其能与产生泡沫的可溶性蛋白质结合从而抑制了泡沫生产。有研究者调查了27种豆科饲草，发现含单宁牧草产生的瘤胃气泡量比无单宁的牧草要少。现在人们普遍认为，含有适量单宁的牧草能够抑制瘤胃胀气疾病的发生，由于单宁可以与蛋白质的多个位点结合，因此可以改变蛋白质的空间构象，并且可以减缓或阻止消化道中蛋白质的降解速度，从而防止瘤胃臌胀病的发生。潘伟彬等［14］研究发现，在35%红豆草+65%苜蓿草混合草地放牧与在纯种苜蓿草草地放牧的比较研究中得知，在第1茬开花期混合草地放牧，臌胀病发病率可降低80%；第2茬再生草放牧时发病率降低77%。防止瘤胃胀气的缩合单宁的最低浓度还不清楚。汪海峰［15］认为，一般推荐量为每千克干物质5 g或更高。

3.2 抗寄生虫

单宁防治寄生虫的机理目前还不清楚，但研究发现，单宁能够降低寄生虫中的肠消化酶活性，使血液和淋巴液的蛋白质和糖的含量降低；影响中肠的渗透性，造成细胞破碎，丧失再生能力直至肠道功能丧失，最后导致寄生虫死亡。单宁和淀粉的组合影响昆虫对淀粉的消化及摄食，对昆虫的生长和发育起到了抑制作用。相关研究表明，单宁可抑制昆虫肠道酶的活性，进而影响昆虫肠道对食物的消化吸收，进而抑制昆虫的生长发育和繁殖。

据报道，豆科牧草的缩合单宁含量较高，羊采食后对寄生虫的抵抗力要强于饲喂不含单宁牧草的羊。饲料中的单宁可以减少线虫及其幼虫对宿主的不利影响。缩合单宁可降低绵羊肠道中的成虫线虫生殖能力，使其数量下降，而对幼虫线虫则没有影响。在动物体内实验中发现，单宁含量丰富的白坚树皮提取物对宿主体内的Ⅲ期幼虫能够起到抑制作用，减少线虫的繁殖力和产卵量。红豆草的缩合单宁提取物对牛线虫具有明显的抑制作用。相关研究表明，缩合单宁对寄生在山羊肠道的寄生虫具有较强的抑制作用，因此一定含量缩合单宁的牧草可以减轻山羊感染寄生虫的压力。有研究发现，已感染寄生虫的绵羊饲喂以白坚木为来源的缩合单宁，可降低肠道内线虫繁殖力，使其数量减少，以同样方式处理山羊，结果山羊体内蛇形毛圆线虫的成虫和捻转血矛线虫的成虫繁殖力都降低。

在动物的体外培养试验中，将管状岩黄芪、白坚木、菊苣或其他木本植物的单宁提取物加入到培养基中，被测试的寄生虫显著受到抑制，并且随着单宁剂量增加，抑制作用变得更加明显。从豆科植物、菊苣或绿茶提取的缩合单宁能抑制Ⅲ期幼虫的迁移，并且随着单宁剂量的增加，抑制作用变得更加明显。从豆科植物中提取的缩合单宁对蛇形毛圆线虫虫卵孵化和幼虫发育能起到有效的抑制作用。一些植物的缩合单宁能抑制寄生虫虫卵孵化、幼虫的发育和迁移。从绿茶和红豆草中提取的缩合单宁能抑制幼虫迁移［11］。

4 对反刍动物动物生产性能的促进影响

4.1 对奶牛泌乳性能的影响

对奶牛的研究发现，虽然缩合单宁不会增加奶牛的采食量，但可增加牛奶产量，如饲喂含较高单宁成分的百脉根的奶牛比喂多年生黑麦草的奶牛多60%的产奶量，牛奶蛋白质含量也提高10%。而百脉根中的缩合单宁对泌乳母羊早期泌乳没有影响，但在泌乳中后期，对总泌乳量、乳糖和乳蛋白都有不同程度的提高，分别提高了21%、12%和14%。

有研究发现，在奶牛泌乳中后期的日粮中添加单宁酸，添加组的标准乳含量显著高于对照组（P＜0.05），主要原因是添加单宁酸会增加牛奶中的脂肪含量和蛋白含量，并减少近50%的体细胞数。刘立成等［16］的研究发现，在奶牛生产实践中添加单宁酸可以增加乳蛋白的含量，并有效降低牛奶中尿素氮的含量。徐晓锋［17］的相关研究结果表明，在泌乳期奶牛饲料中添加单宁不会影响奶牛的采食量，4%的乳脂校正奶、能量校正奶和乳中蛋白、脂肪及乳糖也没有显著影响，但显著降低了牛奶中尿素氮浓度；添加单宁对干物质、粗蛋白、NDF和ADF摄入没有显著影响。

4.2 对羊日增重的影响

薛树媛［2］的研究结果表明，在羊饲料中添加不同比列的单宁酸，试验20 d后，2%水平组的平均日增重和料重比显著高于对照组和3.5%组，1%组平均日增重比对照组增加44 g，料重比降低4.02，但差异不显著（P＞0.05）；3.5%组平均日增重比对照组低2 g，料重比降低1.85，差异也不显著（P＞0.05）。说明添加2%的单宁酸时，绵羊的生产性能最佳，低含量单宁酸有提高日增重和降低料重比的趋势，但当日粮中单宁酸含量大于3.5%时，对羊的生产性能产生不利影响。

4.3 对绵羊产毛量的影响

羊毛中蛋白质主要由含硫氨基酸——半胱氨酸组成，它是促进羊毛生长的第一限制性氨基酸，提高日粮中的含硫氨基酸的量可以增加羊毛的生长速度。有研究证实，百脉根中的缩合单宁可以增加瘤胃旁流半胱氨酸的量，使得流入肠道的半胱氨酸量增加，提高了肠道含硫氨基酸的吸收量。据报道，百脉根可使绵羊的产毛量增加11%。薛树媛［2］研究发现，不同浓度和类型的缩合单宁对羊毛生长的影响不同，百脉根缩合单宁含量为22～38 g/kg，绵羊饲喂这样的饲草，羊毛产量可提高10%以上，因此，百脉根能够增加羊毛生长的缩合单宁浓度范围为22～38 g/kg。当缩合单宁含量低于22 g/kg时，对羊毛生长的影响不确定；当黄芩和黑麦草的缩合单宁的量增加到50 g/kg以上时，会使产毛量下降。

4.4 对繁殖性能的影响

营养是影响羊的繁殖性能的因素之一，也是影响绵羊排卵数的最重要因素之一，营养因素可通过调控卵巢的激素来影响排卵数。饲草之间的主要区别在于能量和蛋白质浓度的差异，因此增加羊饲草中的蛋白质浓度可增加排卵数。有研究证实，通过静脉注射支链氨基酸可增加排卵数。缩合单宁与蛋白质的结合增加了旁路蛋白的数量，使得血浆中支链氨基酸和必需氨基酸的浓度增加，排卵数也随着增加；另一种机制是缩合单宁能降低瘤胃中氨的生成，保持血氨浓度不高，而低浓度血氨可提高卵子的存活率，从而增加母羊的排卵数。汪海峰［15］通过对比试验得知，采食百脉根的母羊排卵数比采食多年生黑麦草和白苜蓿牧草的羊多22%，因此，缩合单宁可提高母羊排卵数，进而增加产羔率，其排卵多少不受与公羊交配次数的影响。另据报道，在百脉根草地上放牧的羊可提高产卵力（排卵数/排卵羊数），排卵数比在黑麦草和白三叶草草地上放牧的绵羊高14%，但对超数排卵只数/配种只数的比值没有影响。