影響奶牛乳蛋白質含量的因素及營養調控技術研究

bird5682850 · 發表于 2009-12-22 09:17:07

1 乳中蛋白質的合成
1.1 乳腺中合成的蛋白質
乳腺是合成乳汁的主要場所。乳中90％以上的蛋白質是在乳腺中由氨基酸從頭合成的。乳蛋白合成所需要的蛋白質占蛋白質總需要的70％。酪蛋白是乳中主要的蛋白質之一，約占乳中粗蛋白總量的80%（DePeters等，1992），主要由乳腺從血液中攝取的游離的氨基酸以及小分子寡肽合成（Backwell等，1996），其組成成分（α-酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白、γ-酪蛋白）對乳品品質有很大的影響。另外，乳腺吸收的氨基酸除了用以合成酪蛋白外，還用來合成β-乳球蛋白和α-乳清蛋白（Ｃlark等，1978）。與酪蛋白不同，有些乳清蛋白則完全由乳腺組織吸收。乳腺組織從血液中攝取的氨基酸量與合成乳蛋白的氨基酸量并不一致，有的氨基酸（Lys、Arg、Ile、Leu 和Val）攝入量高于輸出量，而有的氨基酸（Met、Phe、His和 Thr）攝入量低于輸出量（Bequette，1997；Guinard，1994；Mabjeesh，2002）。這可能說明，除了血液中游離的氨基酸參與乳腺組織氨基酸的供給外，肽和蛋白質也參與乳腺組織氨基酸的供給，用來合成乳中蛋白質，這部分肽和蛋白質剛好可以彌補乳腺組織攝入游離氨基酸的不足（Bequette，1999；Mabjeesh，2000）。而乳腺組織攝入過量的氨基酸除直接用于合成乳蛋白外，仍有一部分氨基酸參與合成其它功能物質（合成細胞的結構蛋白或酶類；合成非必需氨基酸、多胺、ＣＯ2和ATP）和支鏈氨基酸（Bequette ,1998）。
乳腺組織蛋白質的合成與乳腺對氨基酸的攝取有關，而控制乳腺從血液中攝取游離氨基酸的主要因素是：①乳腺氨基酸轉運系統的活力；②乳腺攝入的血漿游離氨基酸量占血漿總氨基酸量的百分比（Km）；③血漿游離氨基酸的凈攝入量。但多數研究認為，乳腺對氨基酸的攝取是相對保守的，不同的氨基酸轉運系統活力不同，Km值也不同。正常情況下，它們會維持在一個特定的范圍內；當過量添加游離氨基酸時，它們會通過下調而維持血漿游離氨基酸凈攝入量的穩定。
1.2 乳中的血液蛋白質
牛乳中5％～10％的乳蛋白質來自血液，一種是血清清蛋白，存在于牛乳乳清中，與血液中的血清蛋白完全相同；另一種是免疫球蛋白，初乳中的免疫球蛋白大部分來自血液。就母羊而言，每升初乳中的免疫球蛋白高達100多克，而常乳中的免疫球蛋白水平低于初乳。另外，不同種別的動物，初乳中的免疫球蛋白的種類不同，如在牛的初乳中，主要是IgＧ、IgM和IgA 3種成分，分別占免疫球蛋白總量的８５％～９０％、１０％和５％左右。
2 影響牛奶中蛋白質含量和產量的因素
2.1 非營養因素
2.1.1 品種
相對于乳脂率而言，乳蛋白含量受遺傳影響較大。奶牛品種是影響乳蛋白含量的主要因素，品種不同，乳中蛋白質含量和產量也不同。中國荷斯坦奶牛平均乳蛋白含量最低（3.1％）；娟姍牛的乳蛋白含量最高（4.0％以上）；愛爾夏牛、黑白花牛和更賽牛等乳蛋白含量適中。一般而言，產奶量越高，乳蛋白含量就越低，乳品品質就越差。同一品種內的不同品系間的乳蛋白含量也存在較大的差異。
2.1.2 泌乳階段
同一泌乳期內，泌乳各個月的乳蛋白含量變化很大。產犢后的11d乳成分變化最大，尤其是乳蛋白率和總固體率，其次是乳脂率，而乳糖、灰分則相對穩定。牛乳中蛋白質在泌乳初期和后期較高，在產犢后的5～10周，則乳中蛋白質含量，酪蛋白及非蛋白氮（NPN）含量快速下降，隨后在泌乳末期逐漸上升（Ng-Kwai Hang，1984、1985）。泌乳階段對乳中蛋白質產量的影響小于對脂肪產量的影響。一般來說，產奶量高時乳脂率低，產奶量低時乳脂率高，乳脂率與乳蛋白率的升降有相似的趨勢。可用NRC（1978）公式由乳脂率計算乳蛋白率：乳蛋白率（％）＝1.9+0.4×乳脂率（％）。如果飼料中由于纖維量不夠或粗飼料被粉碎而導致乳脂率下降，則不可估算乳蛋白率。
2.1.3 環境溫度
環境溫度對乳中蛋白質含量有一定的影響，環境溫度過高則乳中蛋白質含量下降（Fegan，1979）。Bruhn等（1977）對4個不同品種的奶牛試驗的研究結果表明，夏季乳中蛋白質含量最低而冬季最高，但牛奶中乳蛋白質含量的變化小于乳脂的變化。夏季和冬季乳蛋白質含量變化范圍在0.2%～0.3%，環境溫度對乳蛋白含量的影響是否與高溫或晝夜時間的長短有關還不太清楚，有待進一步去研究。
2.1.4 胎次
奶牛的胎次對乳蛋白含量的影響不太明顯。隨著胎次的增加，乳蛋白質含量有下降趨勢，但下降幅度很小。一般來說，第一胎時乳蛋白含量有下降趨勢，第二胎以后則乳蛋白含量的變化基本穩定。
2.1.5 疾病
臨床的乳房炎和其它炎癥都會使奶中酪蛋白含量下降，乳清蛋白質含量卻上升（Fegan，1979；Munro，1984），這是由于牛奶中體細胞數量增多，纖維蛋白溶解酶、堿性乳蛋白酶的活性與正常牛奶相比增高的緣故。患乳房炎時，血漿蛋白質進入牛奶中的量增加，牛奶的pH值升高，堿性增強,這可能是纖維蛋白質溶解酶含量或活性升高而導致酪蛋白的分解增加。
2.2 營養因素
2.2.1 能量
最近，越來越多的研究表明，乳蛋白含量與能量攝入量之間存在一定的相關性。Emery（1978）就指出，當由谷物或粗飼料提供的凈能增加4.18MJ時，乳蛋白含量增加0.015單位，能量的攝入量與乳蛋白含量呈正相關（r=0.42）。Sporndly（1989）的研究同樣表明，代謝能（ME）的攝入量與乳蛋白含量或產量之間存在正相關（r=0.42和0.31），日糧每提供1MJ 的代謝能則乳蛋白含量增加0.03單位，相當于每提供4.18MJ的凈能則乳蛋白提高0.02單位。這說明乳蛋白含量主要受日糧能量水平的影響。日糧能量和碳水化合物對乳脂和乳蛋白的影響主要取決于瘤胃內發酵生成的乙酸鹽和丙酸鹽的比例，而這種比例是由日糧能量和碳水化合物水平及發酵類型決定的。能量不足時，一方面降低了瘤胃微生物蛋白質合成量，使進入小腸內的瘤胃微生物蛋白減少，乳腺中乳蛋白的合成減弱；另一方面導致合成乳蛋白的氨基酸被當作能量利用，從而使乳蛋白濃度下降。反之，增加日糧中的能量和碳水化合物，用于供能的氨基酸減少，微生物蛋白質合成增多，同樣使瘤胃中丙酸鹽比例提高，刺激胰島素分泌，增加乳腺對氨基酸的吸收，從而提高乳蛋白率。而影響日糧能量水平的決定因素是日糧中精料的含量和牧草的青貯品質。因此，通過提高精料水平或改進青貯品質可增加奶牛的能量攝入量，從而提高乳蛋白含量和產量。
2.2.2 脂肪
日糧的能量是由需要量和采食量來決定的。如果不減少纖維的含量，產奶量大于35kg/d時，就要補飼脂肪。Palmquist（1993）建議日糧內脂肪的上限應相當于乳中的脂肪含量。日糧脂肪水平一般控制在干物質的7％～9％水平以下。日糧脂肪的1/3來自基礎日糧組分（谷物、牧草）；1/3來自油類籽實（棉籽、大豆等）；其余由惰性脂肪提供，具體要求見表1（盧德勛，2001）。如果不是用惰性脂肪，日糧含脂肪4%～5%時就會導致瘤胃發酵改變，如降低纖維素的消化率和乙、丙酸鹽比例（William Chalupa，1984）。試驗證實，奶牛日糧添加脂肪后雖然增加了產奶量，但常會導致乳蛋白率下降（Emery，1978），而酪蛋白是乳中含氮組分中下降最明顯的成分（Depeters等，1992）。楊金波等（2002）報道，根據泌乳奶牛產奶量的差異，在其精料中添加適量的過瘤胃脂肪，乳蛋白的含量下降了4.51％。Sporndly（1989）研究發現，日糧中的粗脂肪含量與乳蛋白產量呈正相關（r=0.31），而與乳蛋白含量呈負相關（r=-0.24）。Wu和Huber（1994）分析了大量添加脂肪試驗的研究結果，發現隨著日糧脂肪添加量的增加，乳蛋白產量不變或提高，而乳蛋白含量卻比對照日糧（脂肪含量為3％）有所下降。另有學者的分析結果是，當日糧脂肪酸從2.1％增加到10.7％，每增加100g脂肪則乳蛋白含量下降0.03個百分點（Pamlquist, 1993）。
日糧添加脂肪導致乳蛋白率下降的解釋很多。一種觀點是這種下降與葡萄糖代謝有關，即添加脂肪后日糧中谷物比例降低，導致葡萄糖前體減少，會增加氨基酸的葡萄糖異生作用，從而降低乳蛋白合成量。Cant等（1991）對初產母牛飼喂脂肪含量分別為2％和5％的兩種日糧，日糧蛋白質含量為15.4％，結果乳蛋白率分別為3.9％和2.96％；經皺胃灌注酪蛋白后，5％脂肪日糧的乳蛋白率提高到3.04％。因此認為，灌注酪蛋白后除可以增加日糧蛋白質量，改善氨基酸的平衡外，還可以克服由于補飼脂肪后奶牛日糧采食量下降，大量氨基酸的葡萄糖異生作用造成的乳蛋白率下降。另一種觀點是應用保護或非保護性脂肪降低乳蛋白率可能是由于日糧含碳水化合物過少，使微生物蛋白質的合成量減少。
2.2.3 蛋白質
蛋白質是乳蛋白合成的主要原料，也是泌乳奶牛日糧的主要限制性營養成分之一。蛋白質在瘤胃中被瘤胃微生物降解并合成微生物蛋白，與瘤胃未降解蛋白、內源性蛋白隨瘤胃食糜進入小腸，組成小腸代謝蛋白，在小腸中被消化吸收，并在乳腺中合成乳蛋白。但是，瘤胃微生物蛋白合成效率不高，并且氨基酸組成不平衡，從而影響了乳蛋白的合成。因此，日糧中蛋白質缺乏導致乳蛋白濃度下降，而補充蛋白質可顯著提高乳蛋白濃度。Emery（1978）發現，日糧蛋白質每增加一個百分點，牛乳中蛋白質的水平就增加0.02個百分點。但前提是在奶牛日糧蛋白嚴重不足的條件下，增加日糧蛋白質水平可提高奶牛的消化率和采食量，所以產奶量也隨之上升，導致乳蛋白含量的增加。因此，可以認為產奶量和乳蛋白含量的增加，是飼料蛋白質直接效應和能量間接效應的雙重結果。另一方面，日糧中補充過瘤胃蛋白質飼料可以改善真胃和小腸蛋白質營養，并維持較高的乳蛋白質產量。奶牛飼料中的瘤胃非降解蛋白質（過瘤胃蛋白）和微生物蛋白是奶牛小腸蛋白質的主要來源，而且日糧中到達真胃和小腸的非降解蛋白質或氨基酸不足是影響高產奶牛乳蛋白含量的主要因素。殷光騏等（1999）在奶牛日糧中增加非降解蛋白飼料的試驗表明，試驗組比對照組的乳蛋白率略有提高（P>0.05），且很少受其它飼料及天氣的影響，含量穩定。同樣，在常規日糧條件下通過真胃或十二指腸灌注酪蛋白也能明顯提高產奶量和乳蛋白產量（見表2），其原因除增加了日糧中蛋白量外還改善了氨基酸的平衡。因此，只有保持微生物蛋白和過瘤胃蛋白的平衡，才能使乳腺獲得合成乳蛋白的理想蛋白質。

3 乳中蛋白質調控的營養途徑
對于奶牛的營養管理來說，在奶牛飼養方式上多采取粗料自由采食，精料則根據奶牛的生產水平來確定適宜的添加量，以提高乳蛋白為目標來設計營養調控型飼料產品和平衡日糧。比如適宜的日糧精粗比（60：40）；適宜的日糧淀粉水平和非纖維碳水化合物（NFC，40%～45%）；日糧粗蛋白水平；日糧過瘤胃蛋白（33%～40%）等。但以哪些指標來設計營養調控型飼料產品和平衡日糧是目前研究者和生產者所關心的問題。多數研究表明，在正常情況下，乳蛋白含量反映了泌乳牛的能量平衡狀況（與過瘤胃蛋白質的攝入量也有一定關系），而乳尿素氮含量反映日糧蛋白質攝入的平衡狀況（Hof等，1997；Hwang等，2001）（見表3）。因此，在生產實踐中，可以根據乳蛋白和乳尿素氮的含量來衡量奶牛日糧中能量和蛋白質的平衡狀況，進而及時調整日糧，以提高乳蛋白率。
3.1 日糧碳水化合物
碳水化合物分為結構碳水化合物和非結構碳水化合物兩大類，通常占飼糧比例的60%～70%。非結構碳水化合物（NSC）存在于植物細胞內部，主要是細胞內容物中的淀粉和糖，通常比結構碳水化合物更容易被消化，在泌乳奶牛飼糧中用來替代部分中性洗滌纖維（NDF），以滿足其對能量的需要。因此，在實際生產中，為了給高產奶牛或泌乳高峰期奶牛提供所需的能量，常常減少配合日糧粗纖維的比例，增加非纖維性碳水化合物（NFC）的含量。NFC包括淀粉、糖和果膠，通常用下面公式來計算：NFC=100％-（NDF%+CP%+Fat%+Ash%）（NDF表示中性洗滌纖維；CP表示粗蛋白；Fat表示粗脂肪；Ash表示灰分）（孟慶翔，2002）。
改變飼糧NFC含量能夠影響瘤胃的發酵模式、纖維在整個消化道的消化和乳成分（Sievent和Shaver，1993；Sutton和Bines，1987）。如飼喂適量的NFC可以促進丙酸的合成，乙酸和丙酸的比例相應下降，乳脂率下降，乳蛋白率升高。Hoover和Stokes（1991）將Nocek和Russell（1988）得到的數據進行了回歸分析，發現飼糧中NFC比例在大于45%～50%和小于25%～30%時，產奶量下降。Minor等（1998）研究發現，當NFC在飼糧干物質中的比例由41.7%增加到46.5%時，乳蛋白的含量和產量都有增加。因此，為滿足奶牛生產的需要，奶牛飼糧中應含有適宜的NFC比例，否則會導致瘤胃酸中毒和其它代謝疾病的發生。一般來說，飼糧中NSC的最大比例為飼糧干物質（DM）的30%～40%（Nocke,1997）。對NFC來說，在奶牛飼糧中可以接受的比例大約比NSC高2～3個百分點。
3.2 調節日糧精粗比
多數研究與飼養實踐表明，奶牛能量的攝入量可通過改變日糧的精粗比來實現。通過增加精料水平提高精粗比，來增加能量攝入量，而增加的能量可提高乳蛋白的含量和產量（Macleod等，1983）。因此，在奶牛飼養方式上采取粗料自由采食，通過增加精料水平提高精粗比，從而提高乳蛋白含量和產量。研究表明，對以青貯為基礎日糧的母牛，每天補充3.0、6.0、9.0kg精料，乳蛋白率可從3.08％提高到3.31％。Bartsch等（1979）的試驗結果同樣證實了這一結論（見表4）。盡管如此，提高日糧精粗比在提高乳蛋白含量和產量的同時，卻對乳中的其它成分有不良影響，如高濃度精料的日糧降低乳脂率（王加啟，1994；李堅，2001；張廷利，1997；Ireland　perry和stallings，1993；Grummer，1987；Taquette,1986;Zimmerman,1991; Khorassami，2001; Poore，1993），主要是由于高濃度的精料日糧會使瘤胃發酵類型改變，由高乙酸型轉變為高丙酸型（王加啟，1993）。因此，在實際生產中，應根據生產需要來調整適宜的精粗比。一般精粗比為60：40，否則會造成酸中毒，進而降低采食量。由于奶牛乳蛋白的適宜日糧精粗比受日糧中粗料和精料的組成及品質的影響，得到既不影響乳蛋白含量和產量，又不影響乳脂率的適宜精粗比，是當今研究者和生產者所面臨的挑戰。根據日糧內粗料的組成和品質來調整適宜的精粗比，具體要求見表5。

3.3 控制蛋白質水平
目前調控乳蛋白的方法主要是控制日糧蛋白質水平和瘤胃非降解蛋白（RUP）水平。在飼養實踐中，由于不可能對每份飼料的營養成分進行實測，因此往往采取在理論蛋白質需要量的基礎上再增加10%～15%的做法，以保證奶牛的營養需要來改善乳蛋白的合成。但結果不十分理想，由于大部分日糧蛋白在瘤胃中被降解浪費掉，因而在日糧蛋白滿足奶牛營養需要的條件下，再提高日糧蛋白水平，并不是調控乳蛋白的有效途徑。隨后研究者又發現，乳蛋白的合成受小腸蛋白質供給量或多種氨基酸的限制，而小腸蛋白質的供給受日糧中過瘤胃蛋白和微生物蛋白的合成和流失的影響，只有保持微生物蛋白和過瘤胃蛋白的平衡，才能使乳腺獲得合成乳蛋白的理想蛋白質，這樣才能使乳蛋白合成達到最優化。因此，飼料中含有適量的降解率低的蛋白飼料是調控乳蛋白的有效途徑之一。此外，在使用的時候還應該注意它們的添加量，日糧中瘤胃非降解蛋白含量過高、過低都不好。Rodriguez等（1997）指出，奶牛日糧中的瘤胃非降解蛋白一般不能超過40%，高水平的RUP（41%）可降低乳蛋白率。總之，保持瘤胃降解蛋白和未降解蛋白的平衡是調控乳蛋白的有利保證。奶牛對日糧蛋白質部分的營養要求如表6所示。

3.4 瘤胃保護性氨基酸
通過添加低降解蛋白質飼料來提高進入小腸的可利用蛋白量，滿足奶牛乳蛋白合成的需要，效果并不十分理想，造成這種現象的主要原因可能是添加的低降解蛋白質飼料所含的氨基酸與機體所缺的氨基酸不能完全匹配。因為乳蛋白的合成與供給乳腺氨基酸的組成有關，于是人們開始在奶牛日糧中補充限制性氨基酸，保證乳腺合成乳蛋白所需要的理想氨基酸組成，以便使乳腺蛋白質合成達到最優化。
目前絕大多數對泌乳奶牛的限制性氨基酸的鑒別工作表明，賴氨酸和蛋氨酸是代謝蛋白質（MP）第一限制性氨基酸，對于蛋氨酸和賴氨酸以外的其它限制性氨基酸的確定工作還很有限。盡管如此，對于不同泌乳階段與飼糧組分的奶牛來說，其限制性氨基酸可能有所差異。
Boisen等（2000）研究了不同日糧的第一限制性氨基酸，對菜籽粕來說，亮氨酸是第一限制性氨基酸；對谷類飼料賴氨酸是第一限制性氨基酸；豆粕日糧中蛋氨酸是第一限制性氨基酸；由大麥、玉米、菜籽粕和干草配制的混合日糧，賴氨酸是第一限制性氨基酸。因此，在奶牛日糧中添加限制性氨基酸的時候，應根據其泌乳階段和日糧組成添加相應的限制性氨基酸才能達到預期的目的。目前，使用最多的是瘤胃保護性蛋氨酸和賴氨酸這兩種氨基酸。總的來說，奶牛日糧中添加瘤胃保護性氨基酸均不同程度地提高乳蛋白含量和產量，但效果也不盡一致。可能的原因是：①日糧組成不同；②瘤胃保護性氨基酸的降解率（保護形式）不同；③瘤胃保護性氨基酸的添加量不同。
3.5 維生素
B族維生素在蛋白質合成、氧化分解及其它代謝過程中起著重要作用，飼料中它們的含量對乳蛋白具有一定的影響。盡管奶牛瘤胃微生物能夠合成B族維生素，但對于高產的奶牛而言，瘤胃微生物合成的維生素是不能滿足需要的。因此，在奶牛日糧中添加B族維生素，可在一定程度上改善奶牛產奶性能，提高乳品品質。Grummer等（1987）認為，奶牛日糧中補充葉酸，可以使血清中葉酸濃度升高，導致瘤胃內丙酸產量增加，進而提高乳蛋白質產量
。而目前在奶牛生產中應用最多的是煙酸。多數研究認為，奶牛日糧中補充煙酸，可提高乳蛋白的含量（Horner等,1986）。另外，研究者和奶牛生產者通過在奶牛高脂日糧中補充煙酸，來有效地緩解或提高因補充脂肪而引起的乳蛋白含量降低問題，即使飼喂普通（低脂）日糧，補充煙酸也可提高乳蛋白的含量。實際生產中建議每頭奶牛每日補飼煙酸6g（每千克干物質200～400mg），且補飼期應從產犢前1周開始直到配種。關于煙酸提高乳蛋白含量的機制大致有以下幾種解釋：①提高微生物蛋白質合成效率或增加微生物生長所需能量，因而增加了十二指腸微生物氮量，提高了小腸氨基酸的利用率（Erickson等，1992）；②提高了瘤胃中丙酸鹽濃度，使乙酸和丁酸濃度降低（Flachowsky等，1988；Riddle等，1981）；③減少了奶牛對高精料飼糧的應激。牛采食高精料會引起應激反應, 導致采食量下降, 補飼煙酸有益于改善高精料的不良作用。不過，確切的機制尚有待進一步研究。
3.6 微量元素
最近試驗表明，在奶牛日糧中添加氨基酸螯合物代替無機微量元素可提高奶牛產奶量10.34％（P<0.05）；提高乳蛋白含量3.4％（P<0.05）；對乳脂率、非乳脂固形物含量和奶料比無影響。何瑞國等（2000）在奶牛日糧中添加復合微量元素緩釋丸，試驗結果表明，產奶量提高8.95％（P<0.01）；乳糖、乳脂及乳蛋白分別提高8.12％（P<0.01）、11.01％（P<0.05）、5.79％（P<0.05）。日糧中補充銅、鋅、硒三種微量元素，產奶量明顯提高，乳蛋白率、乳脂率均有不同程度的增加（郭宏武等，1999）。也有資料報道，添加銅、鋅、硒、碘復合微量元素有降低乳脂率的趨勢，對乳蛋白的含量未見影響，而對乳糖含量稍微有增加的趨勢（劉明祥等，1999）。而Campbell等（1999）試驗表明，添加鈷、銅、錳、鋅不影響奶組成。銅可能會改變牛奶中脂肪酸的組成（Engle等，2001；Morales等，2000）。有關添加礦物質的作用效果和作用機理有待進一步研究。