生物素的營養(yǎng)功能及其在奶牛飼養(yǎng)中的應用

■余 超 魏筱詩 孫菲菲 劉寶龍 何家俊 姚軍虎

（西北農林科技大學動物科技學院，陜西楊凌 712100）

生物素是水溶性維生素，又稱Vitamin B7或Vitamin H。奶?？赏ㄟ^飼料和體內微生物合成兩條途徑獲取生物素，明顯的生物素缺乏癥狀表現不多。Abel等[1]體外試驗發(fā)現，日糧精料比例增多，瘤胃微生物生物素合成量減少。隨著規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖發(fā)展，奶牛生產水平提高，尤其是泌乳期，奶牛采食高精料日糧以滿足營養(yǎng)需要，而瘤胃酸性環(huán)境會影響微生物合成生物素。研究表明，奶牛補充生物素可改善蹄質健康和完整性[2-3]，提高產奶量[3-5]、乳蛋白產量[4-5]、乳糖產量[5-6]及干物質采食量（DMI）[5]，表明飼料及瘤胃微生物合成的生物素不能完全滿足奶牛營養(yǎng)需要，奶牛飼養(yǎng)過程有必要額外補充生物素。

1 生物素的結構及營養(yǎng)功能

生物素有8種可能的異構體，僅d-生物素具有生物活性。化學結構（見圖1）中側鏈戊酸的羧基可與酶蛋白分子中的賴氨酸殘基上的ε-氨基通過酰胺鍵結合，形成生物胞素（ε-N-生物素酰-L-賴氨酸），它可將活化的羧基轉移給酶的相應底物，從而發(fā)揮輔酶的作用。動物體內丙酮酸羧化酶（PC）、乙酰輔酶A羧化酶（ACC）、丙酰輔酶A羧化酶（PCC）、甲基丁烯酰輔酶A羧化酶（MCC）都需要生物素作為輔酶來完成固碳反應和羧化過程。

對反芻動物而言，生物素營養(yǎng)功能可從其對碳水化合物、脂類、蛋白質和核酸等代謝的作用來闡述：①生物素可通過影響丙酮酸羧化酶的活性，進而影響糖異生，促進體內葡萄糖合成。生物素可通過提高葡萄糖激酶活性來降低血糖水平，促進糖原合成。②作為乙酰輔酶A羧化酶的輔酶，生物素在脂肪酸合成起始反應中，可促進乙酰輔酶A合成丙二酰輔酶A，再經過細胞質多酶復合體及脂肪酸合成酶，由丙二酰輔酶A合成棕櫚酸。同時，丙二酰輔酶A可生成丙二酰-ACP，它可作為二碳單位供給體參與脂肪酸碳鏈的延長反應。因此，生物素在脂肪酸合成及其碳鏈延長反應中都至關重要。生物素還影響反芻動物乳中脂肪酸的組成，間接參與乙酰膽堿和膽固醇的合成。③生物素參與蛋白質合成、氨基酸脫氨（如亮氨酸）、嘌呤合成以及核酸代謝，且為多種氨基酸降解過程中轉移脫羧所需。生物素缺乏會降低與亮氨酸降解有關的甲基丁烯酰輔酶A羧化酶的活性。小鼠缺乏生物素時鳥氨酸合成瓜氨酸的速率降低[7]。④生物素與動物基因表達和免疫功能有關，生物素缺乏將導致細胞增殖緩慢，免疫功能受損。

圖1 生物素的化學結構

2 奶牛生物素的吸收及代謝

奶牛從飼料中攝取的生物素有游離態(tài)和蛋白結合態(tài)兩種形式，蛋白結合生物素只有被降解為游離態(tài)才能被利用。Zinn等[8]測定肉牛小腸流量中幾種B族維生素的含量發(fā)現，除了生物素和維生素B6幾乎不被瘤胃降解外，其他B族維生素都被大量降解。故瘤胃對生物素破壞作用很小，但生物素是否在瘤胃中吸收還未確定。奶牛日糧中的生物素和瘤胃微生物合成的生物素大部分可順利通過瘤胃到達后腸道供機體吸收。對于生物素后腸道吸收和代謝的研究主要集中在人、小鼠及單胃動物上，在反芻動物上的研究資料很少。普遍研究認為，生物素在小腸中可較好地被吸收，主要在小腸近端吸收。Santschi等[9]發(fā)現到達奶牛十二指腸25%～46%的生物素在小腸中被吸收。

生物素吸收后和生物素依賴酶的分布一致，主要在腎臟和肝臟中代謝。未能被吸收的生物素會排出體外。在非反芻動物中，尿液是生物素最主要的排泄途徑。Lee等[10]給大鼠注射14C標記的生物素96%～98%由尿液排出，而不是糞便或以CO2形式呼出。Zempleni等[11]以鼠和豬為試驗動物發(fā)現，通過膽汁和糞排泄的生物素很少，可能是由于腸的重新吸收作用，證明生物素主要由尿排泄。Kopinski等[12]研究發(fā)現，豬采食生物素的多少與糞中生物素的排泄量無關，而與尿中生物素排泄量呈正相關。尿中生物素的排泄受腎臟重吸收機制的調節(jié)。反芻動物生物素的排泄研究還很少，由單胃動物研究結果可推測奶牛生物素及其代謝物可隨尿液、糞便、膽汁排泄或者通過泌乳排出。

3 生物素在奶牛飼養(yǎng)中的應用效果

生物素在豬和禽生產上應用已經很普遍，在奶牛飼糧中補充生物素還不多見。目前研究發(fā)現，生物素可提高奶牛蹄質健康、增加產奶量。

3.1 生物素可改善奶牛肢蹄健康

奶牛蹄病影響奶牛健康、生產力和動物福利，是奶牛過早淘汰主要原因之一。蹄病是一種多因素疾病，受環(huán)境、疾病、營養(yǎng)和管理等影響。生產中對奶牛危害性最大的四種蹄病是蹄底出血或潰瘍、白線病、蹄葉炎和腐蹄病。蹄和爪是皮膚的衍生物，包含大量角質化的角蛋白，角蛋白與蹄健康密切相關。生物素在角質化代謝通路中角蛋白合成以及脂肪形成過程不可或缺，還影響表皮細胞增殖和分化，促進角質生成和提高角品質。給豬[13]和馬[14]補充生物素發(fā)現蹄質的硬度增強，奶牛補充生物素蹄角水分含量降低而脂肪濃度增高[15]，表明生物素提高了奶牛蹄角的質量?；伪砥そM織如皮膚病變和蹄腐爛等，都與生物素缺乏有關。Bragulla等[16]給小牛飼喂富含抗生物素蛋白的蛋清蛋白粉，小牛皮膚和蹄嚴重病變。研究發(fā)現，奶牛補充生物素可改善蹄質健康，減少蹄病發(fā)生[2-3，17-24]，表1就生物素對牛蹄病的研究做了總結。本課題組給圍產期奶牛補充30 mg/d生物素并沒有發(fā)現蹄質硬度和水分含量有明顯變化，可能由于試驗期僅49 d，生物素對蹄質健康的影響未體現[25]。作者推測，只有長期補充生物素，才能達到改善奶牛蹄質健康的效果，但具體機理還有待研究。

3.2 生物素對奶牛泌乳性能的影響

生物素對奶牛泌乳性能影響的研究較多，但結論并不一致(見表2)。大部分研究發(fā)現，奶牛補充生物素可提高產奶量[2,4-6,26-28]，也有部分研究發(fā)現，補充生物素對產奶量無影響[24,29-33]。Margerison等[34]給奶牛產后補充20 mg/d生物素，連續(xù)補充4個月，發(fā)現產奶量增加了2.0 kg/d。Fitzgerald等[18]選取20個牧場，其中10個牧場補充20 mg/d生物素，發(fā)現生物素對產奶量并沒有影響，可能試驗牛是低產奶牛（20 kg/d）的原因。Ferreira等[6]選取20頭高產[產奶量(43±5)kg/d]和20頭低產[產奶量(23±4)kg/d]奶牛分別補充生物素發(fā)現，補充生物素顯著提高高產奶牛產奶量（P＜0.05），對低產奶牛產奶量并沒有影響（P=0.98）。但Rosendo等[29]選取產奶量為35 kg/d奶牛補充生物素，發(fā)現產奶量并沒有提高。Lean等[35]通過Meta分析指出補充生物素每頭奶牛產奶量可增加1.29 kg/d。本課題組給圍產期奶牛補飼30 mg/d生物素，結果顯示能顯著提高產后第35 d產奶量，改善泌乳初期產奶性能[25]。

表1 生物素對牛蹄病研究總結

表2 生物素對奶牛泌乳性能的影響

生物素提高奶牛產奶量的機理尚不清楚。奶牛蹄質健康，運動成績更好，采食競爭明顯，采食時間加長，DMI比肢蹄病牛更高[36]。奶牛肢蹄病會顯著減少產奶量（P＜0.05）[37]。研究結果表明，奶牛補充20 mg/d生物素的305 d能量校正乳比對照組高320 kg[3]和878 kg[2]，因此，研究作者推測奶牛產奶量的增加與補充生物素改善了蹄質健康有關。Zimmerly等[4]發(fā)現隨著奶牛補充生物素量的增多，產奶量線性增加（36.9、37.8、39.7 kg/d），試驗并沒有觀察到生物素對蹄健康的改善，作者推測補充生物素提高產奶量是通過提高葡萄糖產量或增加奶牛纖維消化率的原因。

生物素對乳脂、乳糖和乳蛋白影響的研究結論也不一致。表2可見，只有五分之二的研究表明，補充生物素可增加乳蛋白產量，其他研究并沒發(fā)現其影響乳蛋白產量。Ferreira等[6]發(fā)現，補充生物素顯著增加高產奶牛乳脂產量（P＜0.05），并趨于提高乳蛋白產量（P=0.06），不影響低產奶牛乳脂、乳蛋白產量(P＞0.05)，作者認為乳脂產量增加可能是由于補充生物素提高了乙酰輔酶A羧化酶的活性，進而增加脂肪酸合成。Lean等[35]通過Meta分析指出補充生物素對乳脂和乳蛋白率無影響，對乳脂和乳蛋白產量有增加的趨勢。

3.3 生物素對奶牛能量代謝相關指標的影響

生物素在奶牛上的研究主要集中在蹄質健康和產奶性能上，而對能量代謝相關指標的關注很少。作者總結了近些年生物素對奶牛能量代謝相關指標的研究，見表3。DMI決定奶牛能量攝入，表3可見，除Majee等[5]外，大部分研究發(fā)現補充生物素對奶牛DMI均無提高。生物素是否提高奶牛DMI及具體調控機理還有待研究。NEFA是肝臟脂肪動員的產物，BHBA是酮體的主要成分，兩者是反映奶牛能量平衡狀況常用指標。由表3可知，大部分研究并沒有發(fā)現生物素對NEFA和BHBA產生影響。Rosendo等[29]發(fā)現，補充生物素降低了奶牛血漿NEFA濃度，可能是由于生物素提高了血糖濃度間接抑制脂肪分解。血糖濃度是肝臟糖異生或糖原分解象征性指標，大部分研究發(fā)現，生物素對血糖濃度沒有影響，但楊柯等[27]、張鵬等[24]和Rosendo等[29]發(fā)現生物素可提高奶牛血糖濃度，與本課題組前期研究結果相一致[25]。可能是由于生物素作為丙酮酸羧化酶的輔酶，促進奶牛肝臟糖異生作用，葡萄糖合成增多。

表3 生物素對奶牛DMI、NEFA、BHBA和血糖的影響趨勢

4 奶牛生物素的適宜添加量

生物素在瘤胃中能夠合成，且過瘤胃率很高。如前所述，生物素可改善奶牛蹄質健康，促進蹄子生長和損傷恢復，并且可提高高產奶牛產奶量，增加乳蛋白及乳脂產量。因此，確定奶牛生物素適宜添加量至關重要。由于瘤胃的特殊作用，奶牛生物素適宜添加量應根據奶牛生物素有效利用率及奶牛生物素需要量綜合評定。

4.1 生物素的有效利用率

生物素有效利用率與飼料原料和動物種類有關。飼料中生物素只有少部分是游離狀態(tài)，大部分都與蛋白質連結。蛋白結合態(tài)生物素動物吸收率很低。隨著不同飼料中生物素與蛋白質連結方式不同，生物素有效利用率變化很大。奶牛常用飼料原料中，干酵母、苜蓿粉和油粕中生物素利用率最高，谷物飼料中生物素主要是蛋白結合態(tài)，一般都較差。飼糧中生物素只有50%～60%在小腸中被吸收[38]。奶牛瘤胃對生物素破壞或吸收作用不大，Santschi等[39]估測奶?？诜锼厣锢寐蕿?8%～55%。

4.2 奶牛生物素需要量

不同研究中奶牛生物素的添加量不盡相同（表1、表2、表3），NRC（2001）也未給出相關標準[40]。奶牛年齡、胎次、泌乳和生理階段以及養(yǎng)殖模式的不同都影響生物素的需要量。定量測定奶牛生物素需要應綜合考慮以下因素：①奶牛瘤胃及腸道生物素合成量；②奶牛日糧原料配比；③青貯飼料類型及添加量；④日糧新鮮程度、霉變及所含拮抗物（主要是抗生物素蛋白和鏈霉素菌抗生物素蛋白）；⑤其他營養(yǎng)素及維生素互作作用；⑥養(yǎng)殖模式；⑦品種。另外，犢牛由于瘤胃未完全發(fā)育，生物素需要量應單獨討論。很多研究發(fā)現，補充20 mg/d 生物素奶牛生產性能已經有所改善[3，5，18-19，21-22]，高劑量（30、40 mg/d）生物素對奶牛泌乳性能、DMI及飼料轉化率并沒有線性提高[5，24，28]。因此，作者推測泌乳奶牛最佳生物素添加量應為20～30 mg/d。

5 小結

生物素作為羧化酶輔酶，參與機體糖異生以及蛋白質、脂肪酸合成代謝，可改善奶牛蹄質健康，提高泌乳性能，對奶牛最佳生產性能的發(fā)揮有積極作用。由于瘤胃微生物能夠合成生物素，奶牛實際生物素需要量也沒有相關標準，其合理恰當的應用有待深入研究。此外，生物素調控奶牛泌乳性能的機理及與其他營養(yǎng)素的互作效應還仍需進一步研究。