高NFC 日粮对反刍动物瘤胃pH 和瘤胃上皮SCFA 吸收的影响

张春华，艳 城，金 鹿，李胜利，桑 丹，张崇志，那顺乌日图，孙海洲★

（1.内蒙古农牧业科学院 010031；2.苏尼特右旗畜牧工作站 011200）

在首次描述反刍动物瘤胃微生物近100 年后，剑桥大学进行了开创性的实验， 发现瘤胃微生物产生的短链脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）大部分直接被前胃壁吸收[1]。 这一创举更新了人们对瘤胃的认识，瘤胃不仅仅是一个单纯的发酵室，还是动物机体的一个非常重要的吸收器官。 如今，人们普遍认为，反刍动物瘤胃产生的50%～85%的SCFA 直接被网状细胞壁吸收，只有15%～50%的SCFA 进入消化系统的末端。 未被网状组织吸收而直接进入消化系统末端部位的SCFA 因物种的不同而不同，其中绵羊为15%、犊牛为15%～20%、奶牛和阉牛为29%～39%[2]。

虽然网状细胞壁吸收的SCFA 绝对量取决于日粮能量摄入量，但研究发现瘤胃内产生的SCFA 量与进入瓣胃的SCFA 量之间没有线性关系[3,4]。 此外，研究发现极端能量摄入（4 倍维持）反而会提高未被吸收进入瓣胃的SCFA 比例[5]。 为了提高反刍动物的产奶量或体重， 通常会在日粮配方中配制一定比例的可发酵碳水化合物，反刍动物瘤胃中碳水化合物发酵所产生的SCFA 是反刍动物的主要能量底物。 因此，高度可发酵的碳水化合物日粮为反刍动物的维持和生产提供了更多的潜在能量， 但同时也增加了瘤胃液中的酸的积累和渗透压， 从而增加了瘤胃酸中毒的风险。 反刍动物瘤胃上皮或独立地或同时暴露于高渗和酸性条件下均会降低瘤胃上皮的吸收功能和屏障功能。SCFA 积累导致的反刍动物酸中毒会对机体产生很多负面影响， 但瘤胃上皮对SCFA 的吸收作用会对瘤胃液pH 值的调节有很大贡献。因此，需要全面了解影响瘤胃上皮SCFA 吸收和屏障功能的调节因素。本文主要就高非纤维性碳水化合物 （non-fibrous carbohydrates，NFC）日粮对瘤胃上皮结构和功能、瘤胃pH 和瘤胃上皮SCFA 吸收的影响进行综述。

1 高NFC 日粮对瘤胃上皮结构和功能的影响

瘤胃是反刍动物日粮营养素发酵和吸收的最重要器官。 瘤胃发酵产物主要是SCFA，即乙酸、丙酸和丁酸，这些酸在瘤胃中的比例分别为45%～70%、15%～40%和5%～20%。这三种SCFA 占瘤胃中总产酸量的95%以上， 瘤胃液中SCFA 的累积浓度可达60～150mmol/L。 SCFA 是反刍动物机体的主要能量来源，能满足反刍动物大约60%～75%的能量需求。 因此，SCFA 在维持反刍动物能量稳态中起着重要作用[6，20]。 精料是动物日粮中一类可快速发酵的物质， 为瘤胃微生物群和瘤胃上皮细胞的活动提供了大部分能量。 研究表明，提高精料在日粮中的比例（从10%增加到35%）可促进瘤胃上皮细胞增殖并增加幼仔山羊的瘤胃乳头尺寸[7]，增大的瘤胃乳头可使瘤胃上皮表面区域最大化以增加吸收表面积。 此外，高精料日粮还有助于日粮营养和离子的吸收[8]，通过刺激瘤胃上皮中相应载体的表达[9]，以达到维持瘤胃中的免疫稳态[10]。 但当日粮精料进一步增加至65%～85%时， 可导致瘤胃SCFA 产量过高，并降低瘤胃pH。 高SCFA 和低pH 可协同诱发瘤胃乳头角化不全， 并加速瘤胃上皮的复层鳞状细胞的脱落和分层[11]。 这些形态变化最终将破坏瘤胃上皮细胞的紧密连接，并增加从瘤胃管腔到瘤胃上皮组织的有毒物质的渗透性或细胞旁转运[12]，从而对动物生产性能和健康状况产生负面影响[13]。 微生物代谢物的改变和瘤胃上皮的损伤是对动物生产性能产生负面影响的重要原因。

2 高NFC 日粮对瘤胃pH 的影响

日粮中有机物质的微生物发酵会引起作用于微生物生态系统的pH 发生变化，从而决定瘤胃内某些微生物物种的选择性生长以及瘤胃发酵产物的类型和数量[14]。碳水化合物发酵会释放有机酸，这些有机酸很容易分解以降低瘤胃pH[14]。 相比之下，日粮中蛋白质或非蛋白氮（non-protein nitrogen，NPN）的发酵可能会释放过量的氨，这种氨容易与质子结合以提高瘤胃pH。 因此，日粮营养物的发酵（通常在pH＜7 时进行）会导致质子的释放，从而降低瘤胃pH。

反刍动物瘤胃是用于供给机体营养的最精细的体内发酵罐之一[14]。 这个发酵罐内的pH 稳态不仅决定了反刍动物瘤胃生态系统的生物多样性和最终产品的营养价值， 还决定了动物的机体健康，因为碱性和酸性偏差都可能导致机体产生健康失调。 采食过量的蛋白质可能会引起反刍动物pH 的碱性紊乱。 然而，对反刍动物碱中毒的描述仅限于极少数的报道[15]。而酸中毒是一个广为人知的问题， 因为目前的集约化生产系统依赖大量碳水化合物的摄入来满足动物的能量需求。因此，长期饲喂高NFC 日粮会显著降低瘤胃pH， 而长时间低于生理状态的pH 则会导致反刍动物产生亚急性或急性酸中毒。

3 高NFC 日粮对瘤胃上皮SCFA 吸收的影响

瘤胃对SCFA 的吸收量约占其产生量的50%～85%[2]。然而，瘤胃吸收的SCFA 不能作为评价影响瘤胃pH 稳态的重要影响因素。 早期的研究发现瘤胃对SCFA 的吸收取决于SCFA 链长、吸收的pH 依赖性、吸收过程中SCFA 的部分代谢、SCFA 吸收对瘤胃pH 稳定的贡献、以及SCFA 吸收时瘤胃中出现碳酸氢盐等因素。 过去50 年的研究拓展了这些早期发现，并通过体外技术和分子技术提供了功能性解释。 因此，我们今天认识到，瘤胃对SCFA 的吸收并不是完全由能量输入、微生物动力学和物理化学因素决定的，瘤胃上皮本身也是一个动态的关键因素，对降低瘤胃pH 和质子负荷也起着至关重要的作用。

以前对瘤胃上皮适应的机制研究主要集中在通过逐渐增加日粮的可发酵性来促进瘤胃吸收表面积的扩大，但实际上，这种上皮适应能力不仅仅涉及反刍动物上皮细胞的肥大和增生。虽然反刍动物瘤胃发酵的开始和SCFA 的产生似乎与断奶后胃肠屏障功能的建立有关[16]， 但高NFC 日粮诱导的极高浓度的SCFA 则损害了反刍动物瘤胃上皮屏障（rumen epithelial barrier，REB）功能[17]。 此外，反刍动物瘤胃pH 和SCFA 总量也会损坏瘤胃屏障功能[18]。研究表明，当反刍动物采食发酵性更强的日粮时，还会增加参与SCFA 吸收、代谢和调节瘤胃组织细胞内pH 的转运蛋白和酶的基因表达[19]。总的来说，这些研究表明，瘤胃上皮的最初适应性反应是由形态学改变介导了个体细胞的功能性改变。 然而，这一适应过程所涉及的时间还未被准确定义，迄今为止，只对钠离子（Na+）的吸收进行了调查。

保持选择性渗透是促进离子定向运动的一个非常重要的参数。 在没有浓度梯度的情况下，Na+的黏膜-浆膜通量常常会高于净吸收的浆膜-黏膜通量。 然而，瘤胃屏障功能的损坏则会增加黏膜到浆膜之间的流量，从而减少净吸收。 此外，选择性渗透对于调节潜在有害分子如脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）和组胺（Histamine）进入动脉循环也是必不可少的。 当反刍动物采食发酵性更强的日粮时，瘤胃上皮的屏障功能是增加还是减少，文献中存在差异。 部分差异可能是基于采食的精料的水平和类型，以及动物在评估瘤胃屏障功能之前采食精料的持续时间。 因此，了解瘤胃上皮屏障功能适应时间表对于理解反刍动物胃肠生理学非常重要。

SCFA 的吸收主要通过瘤胃上皮顶膜的吸收途径而被动扩散的，以电中性促进转运过程中的碳酸氢盐进行交换，并通过硝酸盐敏感途径促进转运[19]。 因此，至少50%的SCFA 摄取是通过蛋白质过程介导而发生的，并且随着SCFA 浓度的增加，对SCFA/HCO3交换的依赖也在增加。 考虑到日粮转变过程中反刍动物pH 降低的风险[20]，以及SCFA 吸收途径对反刍动物pH 的稳定有不同贡献， 我们需要弄明白个体途径在适应发酵性更强的日粮的过程中是如何受到影响的是非常重要的。

4 小结与展望

反刍动物以高发酵性饲料喂养时，会在瘤胃中产生大量的SCFA。 SCFA 在瘤胃上皮主要通过亲脂性扩散的方式被吸收入血，所以SCFA 是瘤胃酸碱平衡的关键因素。 但是不同反刍动物瘤胃吸收SCFA 的能力是导致动物个体患酸中毒的关键决定因素。 为了更好地了解瘤胃的酸碱状态，在未来评估不同瘤胃pH下对回收的H+的数量以及钠氢交换（Na+/H+exchanger，NHE）进行评估也是至关重要的。 因此， 未来的研究中还需加强研究SCFA 吸收、尿素分泌和NH4+吸收之间的相互作用。