粗饲料促进犊牛瘤胃发育的研究进展

张鑫玥 何丽华 张永根 辛杭书*

(1.东北农业大学动物科学技术学院，哈尔滨 150030；2.辽宁生态工程职业学院农牧学院，沈阳 110122)

犊牛阶段是牛生长发育的关键时期。在此阶段，犊牛饲粮从以液体饲粮(牛奶或代乳粉)为主，逐渐过渡到以固体饲粮(开食料)为主；同时，犊牛消化位置也由皱胃消化过渡到瘤胃消化；消化方式由化学消化过渡到微生物消化。众所周知，瘤胃是反刍动物的“发酵罐”，瘤胃发育程度直接影响到动物生产性能的发挥。有研究表明，犊牛仅采食液体饲料会显著降低瘤胃重量和容量，并抑制瘤胃乳头生长和肌肉结构发育[1-3]，所以，尽早饲喂犊牛固体饲粮，对瘤胃发育至关重要。当固体饲粮进入瘤胃后，产生挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFA)，而VFA中的丙酸和丁酸，尤其是丁酸，是瘤胃上皮发育的主要能源物质，可以有效刺激瘤胃上皮的增殖和生长[4]。固体饲粮通常分为精饲料(即开食料)和粗饲料，仅饲喂开食料，尤其是饲喂细碎的开食料饲粮时(开食料颗粒化程度较低，粉末较多)[5-6]，会导致发酵产物的快速堆积，进而造成瘤胃液pH快速降低、瘤胃乳头过度角质化和瘤胃上皮黏膜出现斑块等现象[7-8]，对瘤胃发育产生不良影响。而在开食料的基础上，增加优质粗饲料的饲喂，可以增大犊牛瘤胃容量，促进瘤胃乳头生长，并且会使瘤胃微生物区系变得更加丰富[9-12]，有利于瘤胃健康发育[13]。然而，粗饲料不同的来源以及供给方式都会对犊牛瘤胃的发育带来不同程度的影响，基于此，本文主要阐述粗饲料的来源、添加水平和物理切割长度对瘤胃组织生长、瘤胃发酵参数以及瘤胃微生物区系的影响，旨在为犊牛瘤胃发育阶段的粗纤维营养供给提供理论依据。

1 不同粗饲料来源对犊牛瘤胃发育的影响

1.1 瘤胃组织发育

用于饲喂犊牛的粗饲料主要有苜蓿草、燕麦草及秸秆等。Suárez等[13]用大麦秸秆、玉米青贮和青干草(添加比例均为30%)饲喂犊牛后发现，瘤胃重量及乳头发育均无明显变化，但是，玉米青贮饲喂组有88%的犊牛瘤胃壁上出现斑块(即瘤胃乳头被食糜、毛发及细胞残渣黏连在一起的现象)，而其他2组的斑块发生率均为13%。瘤胃斑块的形成是由于饲粮中缺少粗糙质地的原料，物理摩擦作用减弱，使得细腻的食糜堆积在瘤胃壁表面[14]。虽然在上述研究中，3组犊牛的瘤胃发育并无显著不同，但瘤胃斑块的存在将会对瘤胃组织发育产生长远影响。然而，王斯琴塔娜[15]的研究结果却表明，与玉米秸秆相比，饲喂青干草的犊牛瘤胃重量和瘤胃乳头长度较高，乳头宽度较低。这可能与此试验中玉米秸秆的蛋白质含量显著低于青干草的蛋白质含量有关(4.08% DM vs.10.96% DM)。因为高蛋白质饲粮会显著增加瘤胃中VFA浓度[16]，其中升高的丁酸浓度更加有效地刺激瘤胃上皮细胞发育[4]。而当比较燕麦草和苜蓿干草饲喂犊牛对犊牛瘤胃发育的影响时，发现燕麦组的犊牛瘤胃重量为2.08 kg，低于对照组(不添加粗饲料；2.80 kg)和苜蓿组(2.37 kg)；且瘤胃乳头的长度也呈现类似的变化，而乳头宽度和乳头面积无显著差异，此外，不论是燕麦组还是苜蓿组，均未发现有瘤胃斑块形成[17]。由此可见，不同来源的粗饲料对瘤胃组织生长发育的影响不一致，这可能与试验动物的日龄、开食料组成、样本量或试验周期长短有关。同时，除了瘤胃组织生长的物理数据参数外，与其有关的健康参数，如斑块发生率，可能会对瘤胃发育产生长远的影响，是更加值得关注的方面。

1.2 瘤胃发酵参数

一系列研究显示，在开食料基础上添加苜蓿草[17]、燕麦草[17]、甜菜渣[18]和小麦秸秆[19]后，瘤胃液pH均有不同程度的升高，这是因为粗饲料中的高纤维组分能够促进犊牛反刍，同时刺激唾液腺分泌大量唾液，并随食糜进入瘤胃，起到平衡瘤胃液pH的作用[8]。然而，来源不同的粗饲料会改变VFA的组成，甚至可能改变瘤胃发酵类型。Suárez等[13]用麦秸、青干草和玉米青贮饲喂犊牛时发现，瘤胃液pH和VFA总量没有变化，但VFA的组成发生显著改变。其中，麦秸组犊牛瘤胃中乙酸浓度为62.1%，显著高于其他2组(56.1%、52.8%)，丁酸和戊酸浓度呈现相反的变化趋势，青草组未检测出异丁酸，麦秸组和玉米青贮组异丁酸浓度分别为0.7%和0.6%，丙酸、甲基丁酸以及氨浓度在3组之间均无显著差异。此外，Castells等[17]发现，与燕麦草相比，饲喂苜蓿草的犊牛瘤胃中VFA总量和乙酸浓度呈上升趋势，丙酸浓度没有显著变化，丁酸和戊酸浓度趋于下降。而当甜菜渣添加到犊牛饲粮中时，瘤胃中的乙酸和丁酸的摩尔比例以及乙酸/丙酸均有显著升高[18]。上述试验表明，不同粗饲料来源对瘤胃中VFA组成有影响，尤其是乙酸和丁酸浓度，而对丙酸浓度影响较小，导致乙酸/丙酸发生变化，从而改变瘤胃发酵类型。不同饲粮具有明显不同的营养组成，即使在某一指标上(如蛋白质)有相同的水平，其分子结构也不尽相同[20]，而这些因素都会对其在瘤胃中的发酵产生影响[21]，进而改变瘤胃发酵类型。因而，利用现代生物学技术在分子水平上进行探索，研究不同来源的粗饲料对瘤胃发酵的机制很有必要。

1.3 瘤胃微生物区系

瘤胃作为反刍动物体内的天然发酵体系[22]，对其内部微生物区系进行研究有助于更好地了解瘤胃的发酵活动，然而有关粗饲料添加种类对瘤胃微生物区系影响的报道还十分有限。有研究比较在开食料基础上添加苜蓿草和燕麦草对犊牛瘤胃微生物区系的影响，断奶后3周发现不同粗饲料组的瘤胃液中牛链球菌(Streptococcusbovis)和白色瘤胃球菌(Ruminococcusalbus)的相对丰度差异不显著[17]。在瘤胃中，Ruminococcusalbus是降解纤维素的优势菌种之一[17]，而Streptococcusbovis可以降解淀粉，产生乳酸[23]，由于该研究并未对其他菌群进行测定，所以这2种粗饲料对瘤胃微生物区系的影响尚无定论。而Kim等[24]发现，与对照组相比，添加混合干草饲喂的犊牛，在试验第3周时，瘤胃中拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度升高，放线菌门(Actinobacteria)相对丰度降低。总产甲烷菌(Methanogenus)、琥珀酸纤维杆菌(Fibrobactersuccinogenes)、埃尔斯德尼巨型吸虫(Megasphaeraelsdenii)、黄色瘤胃球菌(Ruminococcusflavefaciens)、Streptococcusbovis和反刍兽单胞菌(Selenomonasruminantium)的相对丰度均无显著差异，但Ruminococcusalbus的相对丰度显著高于对照组。另一项研究发现，在液体饲粮基础上添加紫花苜蓿干草，可以使犊牛瘤胃液中Fibrobactersuccinogenes和普氏杆菌(Prevotellaruminicola)的相对丰度降低，而Ruminococcusflavefaciens相对丰度升高[25]。以上2项试验说明不同种类粗饲料的添加会影响犊牛瘤胃微生物区系的建立，这可能与粗饲料中的营养成分不同有关。例如，饲粮中高含量的非纤维性碳水化合物(NFC)能降低犊牛瘤胃微生物的种类和丰富度，同时也会降低属水平上普雷沃氏菌和克里斯滕森菌的相对丰度[26]；而当饲粮中中性洗涤纤维(NDF)含量低于20%时，瘤胃中细菌的相对丰度有所下降，而随着NDF含量的增加，厌氧真菌的相对丰度得到增加[27]。

2 粗饲料添加水平对犊牛瘤胃发育的影响

2.1 瘤胃组织发育

张双奇等[28]比较添加比例为40%、50%和60%的粗饲料(苜蓿干草+玉米青贮)对荷斯坦公犊牛瘤胃发育的影响，结果发现随着粗饲料水平的增加，瘤胃角化层、颗粒层和基底层厚度均显著降低；固有膜厚度在前背和后背组织中显著降低，在前腹和后腹组织中无显著变化；瘤胃乳头长度在后背和前腹组织中显著降低，在前背和后腹组织中无显著变化；乳头宽度在前腹和后腹组织中逐渐升高，在前背和后背组织中无显著变化；乳头密度只有在前腹组织中显著降低。然而，Kehoe等[29]在荷斯坦犊牛饲粮中添加0(100%开食料)、40%(60%开食料+40%玉米青贮)和100%的玉米青贮(无开食料)，观察8周龄内犊牛瘤胃发育情况时发现，随着玉米青贮的添加，瘤胃乳头的长度和宽度均显著降低，单位面积内的乳头数量增加，而瘤胃壁厚度无显著变化。此外，也有研究将苜蓿添加水平设置为8%和16%，在荷斯坦犊牛72日龄时发现，2组犊牛瘤胃在角质层厚度、瘤胃上皮厚度、瘤胃壁厚度以及乳头长度、宽度上差异均不显著[30]。Suárez等[13]在15%和30%干草或15%和30%秸秆的比较试验中也得到类似的结论。但王安思[31]发现在全混合日粮(TMR)中逐渐增加粗饲料的添加水平，犊牛瘤胃乳头宽度显著降低，瘤胃乳头长度呈现先增加后降低的变化趋势，而瘤胃肌层厚度无显著变化。理论上，当饲粮中的粗饲料水平限制在一定范围内时，纤维的物理磨擦作用可以刺激犊牛瘤胃上皮发育，但过量的纤维会使饲粮能值降低，阻碍犊牛胃肠发育。由此可以看出，在一定范围内，粗饲料的增加可以促进犊牛瘤胃组织发育，但当粗饲料添加水平过高，或受其他因素共同影响时则会阻碍瘤胃发育。然而，目前的研究仍未得出一致的结论，需要更多的研究以确定犊牛饲粮中最佳的粗饲料添加水平。

2.2 瘤胃发酵参数

杨宏波等[32]逐渐提高3月龄荷斯坦公犊牛饲粮中的粗饲料(苜蓿∶小黑麦=3∶1)添加水平，试验结束时(70 d)发现，TVFA浓度显著降低，乙酸浓度也显著下降，丁酸浓度呈现先升高后降低再升高的变化趋势，其他VFA浓度无变化；各组间氨态氮(NH3-N)浓度无显著差异。一方面可能是因为各组瘤胃中微生物蛋白合成量相近，说明微生物对NH3-N的利用率相似，另一方面，各组饲粮相同的粗蛋白质水平也是主要原因之一。相似地，Xia等[33]将羊草添加水平由50%提高到65%后，犊牛瘤胃液pH、乙酸浓度以及乙酸/丙酸显著升高，丁酸浓度显著降低，戊酸浓度有上升趋势。苜蓿干草添加水平由5%增加到10%也使得犊牛瘤胃液pH和乙酸浓度显著升高[34]。然而，与饲喂7.5%雀麦草相比，饲喂15%雀麦草的犊牛瘤胃中乙酸浓度无显著变化，但是丙酸浓度由34.6 mmol/L降低至28.4 mmol/L，导致乙酸/丙酸显著上升[35]。从以上研究中可以发现，不论粗饲料来源如何，瘤胃液pH都随着其添加水平的提高而升高，这可能是因为瘤胃中纤维物质的物理摩擦作用于上皮细胞表面，能有效清除瘤胃壁角质化和脱落的上皮细胞[36]，增加了瘤胃壁吸收面积，促进瘤胃壁吸收或转运VFA，进而使得瘤胃内酸度下降。同时，粗饲料的添加能有效刺激犊牛咀嚼[37]和反刍[38-39]，提高了流向瘤胃的唾液量，有利于维持瘤胃内环境的稳定。但是，Nemati等[40]在犊牛70日龄时，比较添加水平为12.5%和25.0%的苜蓿干草的研究中发现，犊牛瘤胃中除了丙酸摩尔比例有降低趋势外，其他指标均无显著改变。Mirzaei等[30]的研究也发现添加8%和16%的苜蓿，犊牛瘤胃中VFA组成和比例均无显著改变。目前的研究未得到一致性结果，这也可能与液体饲料或开食料营养成分、粗饲料添加方式以及动物机体状态差异等因素有关。

2.3 瘤胃微生物区系

研究发现，随着粗饲料(苜蓿∶小黑麦=3∶1)添加水平的升高，瘤胃中Ruminococcusalbus、溶纤维丁酸弧菌(Butyrivibriofibrisolvens)和真菌相对丰度逐渐上升，Ruminococcusflavefaciens相对丰度呈现先上升后下降的趋势[32]。Ruminococcusalbus和Ruminococcusflavefaciens都是瘤胃中主要的纤维降解菌，但Ruminococcusalbus会产生细菌素，对Ruminococcusflavefaciens的生长起到一定程度的抑制作用，这可能是Ruminococcusflavefaciens出现曲线型变化的原因之一[32]。Butyrivibriofibrisolvens可以将乙酸转化为丁酸，因此，在一定范围内，粗饲料添加水平的升高，会刺激瘤胃中Butyrivibriofibrisolvens的增殖，增加丁酸的产量，从而更好地促进瘤胃发育。同时，有研究发现随着苜蓿干草添加水平升高，犊牛瘤胃中的纤毛虫数量有所增加[41]。这可能是由于纤毛虫可以利用纤维素，将颗粒淀粉和可溶性糖以聚糊精形式藏储于体内，进而降低了瘤胃中作为发酵底物的淀粉和糖的供给，间接起到稳定pH的作用，这对防止犊牛发生酸中毒现象具有重要意义[42-43]。此外，还有试验报道，与混合饲喂(50%开食料+50%玉米青贮)相比，仅饲喂玉米青贮的犊牛瘤胃中有更多的纤维杆菌(Cellulomonas)附着，并且菌群更加丰富，微生物区系的组成更加接近成年奶牛[44]。由此可见，饲粮中粗饲料水平的增加，会刺激瘤胃纤维降解菌的生长和增殖，加快微生物区系的稳定与成熟。

3 粗饲料切割长度对犊牛瘤胃发育的影响

3.1 瘤胃组织发育

粉碎过细的粗饲料会引起瘤胃乳头的过度角质化，降低瘤胃黏膜吸收营养物质的能力[45]。在一定范围内，适当增加切割长度，能够刺激瘤胃肌肉层发育，增大瘤胃容积，提高犊牛对固体饲粮的采食量[6,35,46]，进而持续刺激瘤胃上皮发育。Suarez-Mena等[47]在饲喂荷斯坦犊牛开食料的基础上添加5%稻草秸秆，并将稻秸切割成3.04、7.10、12.70 mm 3个长度，6周后发现瘤网胃重量、瘤胃乳头的长度、宽度以及瘤胃壁厚度并未随粗饲料切割长度的改变而发生变化。Greenwood等[5]的比较不同切割长度的试验中，也未发现瘤胃及瘤胃乳头宽度变化，但是瘤胃乳头长度却随切割长度的增加而显著降低。这可能是因为切割长度对瘤胃组织发育存在曲线性影响，即在某种特定范围内才会对瘤胃组织发育产生影响[48]。此外，粗饲料的切割长度与添加比例也存在互作关系。例如，有研究发现，当饲粮中苜蓿干草添加水平为8%时，饲喂5.04 mm苜蓿草段的犊牛比饲喂2.92 mm草段的犊牛有更低的瘤胃壁角质层厚度(6.1 μm vs.8.7 μm)，而当苜蓿添加水平升高至16%时，并未发现相似情况[30]。所以，在犊牛饲养管理中，要对粗饲料适宜的切割长度进行充分综合考虑，既要避免粉碎过细造成瘤胃上皮角质化，阻碍瘤胃发育，又要避免过长的粗饲料使得其营养物质降解率下降，导致犊牛摄入养分不足。

3.2 瘤胃发酵参数

在一定范围内，提高粗饲料的切割长度会促进动物反刍，使得更多的唾液进入瘤胃，平衡瘤胃酸度[45]。Nemati等[40]发现，当苜蓿草切割长度在1～3 mm时，犊牛瘤胃液pH和乙酸浓度随切割长度的增加而上升，TVFA、丙酸和丁酸浓度无显著变化，乙酸/丙酸显著提高。Omidi-Mirzaei等[49]将苜蓿草的切割长度由1.96 mm提高到3.93 mm后，发现70日龄犊牛的瘤胃液pH和乙酸、丁酸以及戊酸浓度无显著变化，但TVFA和丙酸浓度显著降低，乙酸/丙酸有升高趋势。Mirzaei等[30]的研究中，随着苜蓿草切割长度的变化，未发现犊牛瘤胃发酵参数(包括pH、VFA总量及组成)的变化。这可能是由于开食料中的高淀粉含量掩盖了粗饲料切割长度带来的影响，大量淀粉和糖快速发酵产生的VFA不断聚集，甚至超出了瘤胃上皮的吸收能力[50]，使得瘤胃发酵参数无法呈现差异性变化；也可能是因为过长的粗饲料导致犊牛更容易产生挑食行为[51]，导致实际采食的粗饲料量降低。粗饲料切割长度对犊牛瘤胃NH3-N浓度的影响不大[33,46]，且与犊牛的日龄存在互作效应[46]。

3.3 瘤胃微生物区系

Beharka等[52]在荷斯坦公犊牛出生后3 d，在饲粮中添加25%的苜蓿干草，比较2种切割长度(1.0和6.4 mm)对瘤胃微生物区系组成的影响，结果发现，厌氧细菌(anaerobic bacteria)总数不受牧草物理形式的影响，与6.4 mm苜蓿干草相比，饲喂1.0 mm苜蓿干草的犊牛瘤胃中纤维素分解菌含量降低，淀粉分解菌含量增加，并且纤维素分解菌含量在第4周有显著变化，而淀粉分解菌含量在第2、6和8周均有显著变化。一方面可能是因为不同种类的瘤胃细菌对酸碱度的耐受度不同，该研究显示，饲喂短颗粒牧草的犊牛瘤胃液pH低于饲喂长颗粒牧草，纤维素分解菌的增殖在酸性环境下会受到抑制，而淀粉分解菌更加耐受[52]；另一方面也可能与瘤胃微生物与宿主的互作[51]或者环境因素[53-54]有关。由此可知，粗饲料切割长度很大可能影响犊牛瘤胃微生物区系的建立，但此方面的研究报道非常有限，具体作用机制尚未明确，需要未来更多的研究进行深入探索。

4 饲喂技术

除上述影响因素外，粗饲料的添加时间也可以通过诱导微生物区系早期建立[55]、改变瘤胃发酵产物或刺激瘤胃上皮来影响瘤胃发育[10]。过早添加粗饲料，此时犊牛瘤胃尚未发育，对粗饲料的消化有限，会导致动物摄入能量不足，引发疾病(如草腹)；而采食粗饲料时间过晚，不利于瘤胃发育，影响动物成年后对粗饲料的消化能力，不利于最佳生长性能的发挥。例如，Hosseini等[56]分别在犊牛第2、4和6周龄时，补充15%的苜蓿干草，结果发现到第10周龄时，第2周龄开始饲喂苜蓿干草的犊牛瘤胃液pH较高，但第4和6周龄开始饲喂苜蓿干草的犊牛相比差异不大；并且第2和4周龄饲喂苜蓿干草的犊牛有更多的反刍时间，且减少了异常的采食行为。此外，Lin等[57]研究燕麦草补饲时间对犊牛瘤胃微生物区系的影响，发现添加干草时间虽然不影响犊牛瘤胃微生物区系的多样性，但是它改变了各种微生物种群的比例。如在变形菌门水平上，第2周饲喂燕麦草的犊牛瘤胃中脱硫弧菌(Desulfovibrio)比例显著高于第6周。此外，与第2周饲喂燕麦草的犊牛相比，第6周犊牛瘤胃中拟杆菌门中的丁酸单胞菌(Butyricimonas)比例也有升高的趋势，而厚壁菌门中的琥珀酸菌(Succiniclasticum)比例则有降低的趋势，但对于其作用机制，尚无研究报道。

5 小 结

粗饲料是成年反刍动物饲粮中不可或缺的组成成分，而对于犊牛的饲养管理，如何科学合理地利用粗饲料，对犊牛瘤胃的健康发育至关重要，甚至影响着动物成年后消化系统的完善及最佳生产性能的发挥。综合文献报道，粗饲料的不同来源、添加水平以及切割长度均会对犊牛瘤胃带来影响，但影响程度不一，且作用机制尚不明确。未来需要更多的深入研究，在细胞或分子水平上，探究犊牛饲粮中粗饲料的合理供给方案，得出适宜的方案，以指导生产。