维生素B1防治瘤胃亚急性酸中毒的研究进展

■王洪荣 王梦芝 陈 青

（扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州225009）

近年来，畜牧业正向着集约化和高效生产的方向逐步发展，在现代奶牛、肉牛和肉羊生产中，人们大量饲喂以淀粉为主要能源的高精料饲粮，以达到提高生产效率的目的，虽然生产水平得到了提高，但同时也诱发了以瘤胃亚急性酸中毒（Subacute Ruminal Acidosis，SARA）为主的代谢性疾病的发生，并且发病率日渐升高。当前国内外奶牛、肉牛养殖场关注的主要营养代谢病就是瘤胃亚急性酸中毒。瘤胃亚急性酸中毒也给养殖单位带来了重大的生产和经济损失，北美国家每年奶牛产业因瘤胃亚急性酸中毒损失5～10亿美元[1]。而我国普遍存在的问题是粗饲料质量较差，实际生产中为了提高动物的生产性能，常常大量使用富含碳水化合物的精料，从而导致普遍存在高产奶牛和高强度育肥的肉牛、肉羊发生瘤胃亚急性酸中毒的情况，其发病率逐年上升，并成为制约我国奶牛、肉牛育肥生产的重要因素之一。为此，国内外业界人士与专家也在关注与研究调控该病的技术，但大多数还是以改变日粮结构，提供给反刍动物相对较低的精饲料以缓解瘤胃亚急性酸中毒的发生症状。所以，寻求预防和缓解瘤胃亚急性酸中毒的措施显得尤为重要。近年来，已有研究表明，添加维生素B1能在一定程度上缓解瘤胃亚急性酸中毒，提高瘤胃液pH值，降低乳酸、组胺及内毒素浓度。

1 维生素B1的能量代谢途径与瘤胃酸中毒

维生素B1（硫胺素）属水溶性维生素，在体内主要以硫胺素焦磷酸辅酶（TPP）的形式存在，是动物体内能量代谢途径中重要的辅酶，它参与碳水化合物代谢过程中α-酮酸的氧化脱羧反应，在动物体内整个能量代谢过程和支链氨基酸代谢中起着至关重要的作用；同时对神经和大脑功能也有重要作用[2]，是维持动物正常生长、发育、健康、繁殖及免疫所必需的营养物质。一直以来人们都认为反刍动物瘤胃微生物合成的硫胺素足以满足其营养需要[3-5]。但是在生产中发现，在一些特殊生理状况下，如反刍动物在高精料的饲养条件或泌乳期及妊娠期等也需要在日粮中添加硫胺素等水溶性维生素，当机体缺乏维生素B1时，碳水化合物代谢就会受阻，致使中间代谢产物乳酸积累及挥发性脂肪酸比例的失衡而诱发瘤胃酸中毒。而目前生产中预防瘤胃酸中毒发生的方法主要是在精料中大量添加碳酸氢钠和氧化镁。大量使用碱来中和瘤胃中产生的酸的方法治标不治本，在生产中表现出许多诸如引起瘤胃酸碱失衡、瘤胃微生物活力下降等负面影响。

根据瘤胃酸中毒的发病机制以及维生素B1的作用途径，可通过添加硫胺素促进碳水化合物代谢的正常进行，减少乳酸和挥发性脂肪酸（VFA）的积累，调节瘤胃菌群平衡以提高瘤胃pH值而改善反刍动物瘤胃发酵，从而起到预防及治疗瘤胃酸中毒、改善反刍动物瘤胃健康、提高反刍动物生产性能的作用。并且避免了在瘤胃酸中毒发生后，灌注碳酸氢钠、氧化镁或0.5%弱碳酸氢钠溶液洗胃对反刍动物直接的伤害和生产力的下降。

2 奶牛瘤胃内维生素B1合成、流通和利用的规律

一直以来，人们都认为反刍动物瘤胃微生物合成的硫胺素足以满足其营养需要，但目前发现瘤胃的破坏作用、抗代谢物（硫胺素酶）、吸收机制等都会影响机体对维生素B1的利用。有学者认为，在高产或应激等特定的饲养条件或生理状况下也需要在反刍动物日粮中添加维生素B1[6-7]。研究认为，对饲喂高精料日粮的奶牛饲喂适宜的维生素B1（添加硫胺素）能够提高奶牛的生产性能[8]。因此，研究不同日粮（常规日粮和诱导奶牛发生瘤胃酸中毒的高精料日粮）条件下，奶牛瘤胃内维生素B1（硫胺素）的合成、流通和利用规律，对确定反刍动物硫胺素适宜添加量以及营养调控措施有着十分重要的理论价值和生产实际意义。

蔡晶晶采用一次性灌注Co-EDTA的方法研究了硫胺素在瘤胃内的流通规律等动态指标。日粮设计为常规日粮、高精料过度日粮和高精料日粮。试验结果表明：常规日粮条件下奶牛瘤胃液相稀释率为11.30%，硫胺素的流通速率为0.73 mg/h，硫胺素流通量为17.52 mg/d、硫胺素瘤胃滞留量为6.18 mg/d。诱导酸中毒的高精料日粮条件下奶牛瘤胃液相稀释率为10.81%，硫胺素的流通速率为0.62 mg/h，硫胺素流通量为14.88 mg/d，硫胺素瘤胃滞留量为5.83 mg/d。并且饲喂不同精粗比日粮对奶牛瘤胃液相稀释率不存在显著影响。

蔡晶晶利用仿生型人工瘤胃发酵装置研究了硫胺素的合成规律。其研究采用半纯和日粮作为培养底物，日粮为常规日粮和高精料日粮。结果显示：常规半纯和日粮培养条件下瘤胃微生物硫胺素的合成量为13.86 mg/d，高精料半纯和日粮培养条件下瘤胃微生物硫胺素的合成量为2.08 mg/d。

3 维生素B1对瘤胃微生物发酵有稳定作用

瘤胃pH值是反映反刍动物瘤胃内环境和发酵生理的一项最基本的指标，也是最重要的指标之一，瘤胃pH值综合反映了瘤胃发酵过程，为了保证瘤胃正常发酵，前提条件是必须维持正常范围的pH值。碳水化合物在瘤胃内发酵的主要终产物是挥发性脂肪酸，挥发性脂肪酸也是反映瘤胃发酵的重要指标之一。乳酸同样也是瘤胃中十分重要的中间产物，瘤胃内存在很多能够产生乳酸的乳酸产生菌和分解乳酸的乳酸利用菌，若瘤胃内的pH值下降，会导致两种菌群间的平衡状态遭到破坏，瘤胃中则会积累大量的乳酸，甚至引起乳酸中毒，进而导致瘤胃pH值更低，最后造成亚急性瘤胃酸中毒或急性酸中毒的发生。所以，瘤胃内的乳酸浓度与发生瘤胃酸中毒有着十分密切的关系。此外，氨态氮是瘤胃微生物生长所需要的氮的主要来源之一。氨态氮是日粮中可降解氮及非蛋白氮在瘤胃中的分解产物，微生物可利用氨态氮合成自身的蛋白质，饲料中蛋白水平、能量水平、氮在瘤胃内的吸收状况、微生物的利用以及瘤胃食糜进入后段消化道都会对氨态氮的浓度造成影响。

郝志敏等(2011)应用体外发酵的方法研究添加硫胺素对瘤胃微生物发酵的影响。结果显示：在常规日粮条件下，添加硫胺素没有显著影响培养液pH值；随着硫胺素添加水平的增加，氨氮浓度随之上升；而添加硫胺素后细菌蛋白的产量得到了提高，原虫蛋白的产量有所降低；另外，硫胺素降低了乙酸的浓度，提高了丙酸、丁酸的浓度，同时降低了乳酸的浓度。在高精料日粮条件下，添加硫胺素后培养液的pH值得到提高，氨氮浓度下降，细菌蛋白产量提高而原虫蛋白产量降低；添加硫胺素后，乙酸和总挥发性脂肪酸的浓度百分比降低，而丙酸和丁酸的百分比有所升高[9]，从而对瘤胃微生物发酵有一定的稳定作用。

4 维生素B1可促进高精料条件下犊牛瘤胃发育

犊牛瘤胃的发育受多种因素影响，瘤胃内环境指标就是其中重要的影响因素之一。例如瘤胃pH值的变化可改变瘤胃挥发性脂肪酸的比例，瘤胃上皮细胞对挥发性脂肪酸的吸收和代谢有直接影响，从而间接影响瘤胃发育[10]。此外，Weigand等(1975)研究表明，日粮能量水平影响瘤胃上皮形态发育，若以饲喂高精料为主的羔羊，其瘤胃上皮中颗粒细胞层的厚度将会增加[11]。一定比例的粗料在维持瘤胃上皮的乳头长度、乳头密度及乳头表面积等指标的正常发育方面起到重要作用，精料饲喂水平过高会引起瘤胃上皮的角质化不全等瘤胃上皮发育异常状况[12]。评定瘤胃发育的指标有多种，包括瘤胃上皮细胞生长、分化和与此相关的瘤胃乳头长度、宽度、密度、瘤胃壁厚度、乳头的比表面积以及瘤胃壁颜色及肌肉层变化。其中最重要的因素是瘤胃乳头长度，瘤胃乳头宽度及瘤胃壁厚度次之[13]，也可将瘤胃乳头的表面积作为瘤胃黏膜代谢水平的评价指标。

王龙等(2012)在犊牛上的试验分为高精料日粮不添加硫胺素、高精料日粮添加硫胺素、常规日粮不添加硫胺素。结果显示：在高精料日粮饲喂条件下，犊牛瘤胃液pH值＜5.5，发生SARA，添加硫胺素可显著提高瘤胃pH值以缓解瘤胃酸中毒；高精料日粮组乳酸浓度极显著高于常规日粮组，添加硫胺素能显著降低乳酸浓度并与常规日粮组无显著性差异；饲喂高精料日粮，瘤胃液乙酸浓度极显著高于常规日粮组，但丙酸和丁酸的浓度显著降低，添加硫胺素使乙酸浓度得到显著降低，并提高丙酸浓度和丁酸浓度；高精料组的氨态氮值显著升高，添加硫胺素可显著降低其浓度，但两者均显著高于常规日粮组[14]。总之，饲喂高精料日粮可导致犊牛瘤胃丙酸与乙酸的比值以及总挥发性脂肪酸浓度的增加，瘤胃液pH值的降低；但添加硫胺素则可缓解对犊牛瘤胃内环境的影响，在一定程度上提高瘤胃液pH值。

该研究同时还表明，饲喂高精料SARA组犊牛瘤胃上皮颜色呈深黑色，SARA添加硫胺素组瘤胃上皮颜色与SARA组相比较浅，但两组均比饲喂常规日粮的犊牛瘤胃上皮颜色深；高精料组及高精料添加硫胺素组的乳头长度和宽度均高于常规日粮组；常规日粮组和SARA添加硫胺素组犊牛瘤胃上皮的乳头发育良好，呈现出柔软、舌形等特征，瘤胃乳头顶端并未出现微脓肿现象，且角质层平整、柔软；而SARA组犊牛的瘤胃乳头出现异常发育的情况，表现为部分瘤胃乳头出现分支现象、瘤胃乳头顶部肿大，并出现了细颈等异常形态，且角质层较厚，出现异常脱落和异常增大的现象。表明饲喂高精料可导致犊牛瘤胃上皮颜色呈黑色变深，瘤胃乳头发育的增生异常，但添加硫胺素则可缓解SARA对犊牛瘤胃上皮组织发育的影响[14]。因此认为，添加硫胺素可降低高精料日粮对犊牛瘤胃发育的负面影响。

5 维生素B1可通过平衡瘤胃菌群结构缓解SARA

瘤胃酸中毒的直接原因是瘤胃内乳酸产生菌与乳酸利用菌菌群结构失调导致的[15]，而牛链球菌、淀粉分解菌和乳酸杆菌是瘤胃内的主要产乳酸菌。而牛链球菌利用淀粉产生乳酸的能力很强[16]；乳酸杆菌（Lactobacilli）是另外一种重要的乳酸产生菌，在常规日粮条件下其在瘤胃内的数量较低，但当pH值低于5.0时其瘤胃酸性环境有利于乳酸杆菌的生长，乳酸大量产生进一步加重了瘤胃酸中毒；溶纤维丁酸弧菌的生长受日粮精料水平的影响，当添加适量的精料时，瘤胃溶纤维丁酸弧菌可迅速生长。瘤胃内主要的乳酸利用菌有反刍兽新月单胞菌和埃氏巨型球菌。反刍兽新月单胞菌通过降解瘤胃里累积的乳酸来形成乙酸和丙酸，此外，反刍兽新月单胞菌还有脱羧基作用，可以使琥珀酸脱羧形成丙酸[17]，但可溶性糖的增加会抑制其发酵乳酸的能力[18]。埃氏巨型球菌可通过两条途径将乳酸分解为丙酸，这两条途径分别是通过乳酸-丙烯酸以及琥珀酸形成丙酸[19]，而在高淀粉日粮下，生成丙酸的主要途径是乳酸-丙烯酸途径。高精料日粮饲喂条件下，埃氏巨型球菌能够代谢掉70%的乳酸（Counotte 等，1983）[20]。

潘晓花等(2013)试验分为常规日粮组、高精料日粮组和高精料添加硫胺素组。采用实时荧光定量PCR（Real time-PCR）定量瘤胃内牛链球菌（Strepococcus bovis）、反刍兽新月单胞菌（Selenomonas ruminantium）、埃氏巨型球菌（Megasphaera elsdenii）、乳酸杆菌（Lactobacillus）和溶纤维丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisovens）的数量。结果显示：与常规日粮组相比，SARA奶牛瘤胃液中牛链球菌和乳酸杆菌分别提高3.62%和4.65%，溶纤维丁酸弧菌和埃氏巨型球菌的数量分别降低1.14%和4.90%，反刍兽新月形单胞菌的数量无显著变化；与高精料未添加组相比，添加硫胺素能显著降低牛链球菌和乳酸杆菌的数量，提高埃氏巨型球菌的数量，但是溶纤维丁酸弧菌和反刍兽新月单胞菌无显著变化。高精料导致奶牛发生瘤胃亚急性酸中毒状态添加硫胺素后，瘤胃pH值得到了明显的升高，乳酸和乙酸的浓度有所降低，并且提高了丙酸与丁酸的浓度，而总挥发性脂肪酸浓度以及乙酸与丙酸比值呈下降的趋势[21]；此外，瘤胃液以及血浆中的组胺浓度呈现下降的趋势，而内毒素的浓度无显著差异。综上，添加硫胺素可改善瘤胃微生物区系平衡。

6 维生素B1对瘤胃微生物发酵挥发性脂肪酸和乳酸的影响

维生素B1在体内以硫胺素焦磷酸辅酶（TPP）的形式存在，它参与碳水化合物代谢过程中α-酮酸的氧化脱羧反应，当机体缺乏维生素B1时，碳水化合物代谢就会受阻，致使中间代谢产物乳酸积累及挥发性脂肪酸比例的失衡而诱发瘤胃酸中毒。有研究报道，奶牛的日粮从粗饲料突然转变为高精料情况下，瘤胃中微生物群体改变，瘤胃球菌消失，而乳酸利用菌成为瘤胃中的优势菌群，同时乳酸的浓度增加[22]。挥发性脂肪酸代谢可为瘤胃消化代谢提供大部分能量[23]，其中乙酸和丙酸均能在反刍动物代谢过程中提供能量，且丙酸发酵产生的能量较多，乙酸与丙酸的比例过高会影响能量的利用效率[24]。本课题组研究了在高精料底物培养条件下，添加硫胺素对奶牛瘤胃微生物发酵产生挥发性脂肪酸和乳酸的影响，结果显示，高精料底物培养条件下添加硫胺素，整体上降低了培养液乳酸的浓度，同时还提高了总挥发性脂肪酸的浓度，降低了乙酸与丙酸比值。综上，添加硫胺素能够较好地稳定高精料底物培养条件下瘤胃微生物的发酵。

7 结语

在当前规模化、集约化养殖条件下，反刍动物瘤胃亚急性酸中毒的发病率逐年上升，瘤胃亚急性酸中毒已成为当前国内外关注的主要代谢病。以上研究表明了添加硫胺素（维生素B1）能够在一定在程度上促进碳水化合物代谢的正常进行，通过调节瘤胃菌群平衡来减缓瘤胃亚急性酸中毒的发生，从而维持反刍动物的健康、提高反刍动物的生产性能。并且还可避免瘤胃急性酸中毒发生后，灌注洗胃对反刍动物直接的伤害和生产力的下降。这些研究给瘤胃亚急性酸中毒的预防和治疗提供了新的思路，但对于反刍动物维生素B1产品的研发，以及其如何在生产实践中应用还需要进一步的深入研究。