反刍动物是最大的甲烷排放源之一[1]。瘤胃发酵过程中产生甲烷是一种摄入能量损失的方式，损失量约为总能量摄入量的2%~15%[2]。因此，减弱反刍动物甲烷排放不仅对全球环境保护具有重要意义，对提高动物的生产性能也具有重要意义。据报道，皂苷或皂苷类物质可抑制甲烷产生，减少瘤胃原生动物数量，调节瘤胃发酵模式[3-4]。皂苷以不同形式存在于各种植物中，导致其活性不同[5-6]。虽然TS已用作饲料添加剂，但关于TS作为反刍动物饲料添加剂的使用较少。中国是世界上最大的茶叶生产国之一。茶籽粉含有大量皂苷，但常常被丢弃。自2001年起，有关茶皂素（TS）与反刍动物生产性能方面等一系列相关研究得到开展。本文对TS对瘤胃微生物、瘤胃发酵、甲烷排放和反刍动物生产性能的影响进行综述，以期为TS在反刍动物中的应用提供参考。1TS的营养特性皂苷是在许多植物中发现的次生化合物，可在水溶液中形成像肥皂一样的、稳定的泡沫。皂苷是结构多样的分子，分为三萜和类固醇糖苷[7]。从茶树的种子、叶子或根中提取的TS是五环三萜。TS的基本结构由皂苷元（C30H50O6）、糖类和有机酸组成[8]。主要的皂苷元是齐墩果烷的衍生物，一种或多种含有半乳糖、木糖、阿拉伯糖或葡糖醛酸的糖部分与皂苷元（苷元）糖苷连接[9]。有机酸是乙酸、当归酸或肉桂酸。目前，关于皂苷反刍动物抗甜、胃排空、胃保护和促进胃肠运输作用研究较多[10-13]。2TS在反刍动物生产中的应用2.1TS对瘤胃微生物的影响2.1.1TS对瘤胃原生动物的影响目前，已经发现来自瘤胃生态系统的30多种不同属（近300种）原生动物[14]。原生动物可分为全毛目（Holotrichs）和内毛目（Entodiniomorphs）。全毛目生长速度较慢，大小比细菌大；当饮食中存在大量可溶性碳水化合物时，全毛目有助于控制碳水化合物发酵的速度，起到利用可溶性糖的作用。内毛目负责通过吞没整个淀粉颗粒控制淀粉消化，可限制细菌进入淀粉颗粒，减缓发酵速度。至今为止，单独研究单个原生动物群仍很困难。因此，大多数研究人员指的是动物性（有原生动物）和非动物性（无原生动物）[15]。在使用等比例草粉和玉米粉（50∶50）作为底物的体外产气测试中，TS能够显著降低原生动物数量[16-17]。体外培养24 h，以10、20、30和40 g/kg底物添加TS时，原生动物计数分别减少了19%、25%、45%和79%[17]；使用基于实时PCR的技术证实了TS在含有瘤胃液的0.4 mg TS/mL培养基或53 g TS/kg底物时，原生动物数量显著减少[16]。一些皂苷对原生动物可产生负面影响，但这种影响在喂食几天后就会消失[18]。针对这种短暂效应，Zhou等[19]、Mao等[20]分别进行了持续21 d和72 d的体内试验；日粮由60%中国野生黑麦草和40%浓缩混合物制成，添加量为3 g/d TS，饲养21 d，原生动物占总细菌16S rRNA基因的比例从4.68%显著降低至2.66%[19]。饲喂72 d，与细菌相比，原生动物数量减少了41%[20]。饲喂TS 21 d，变性梯度凝胶电泳条带的数量和瘤胃原生动物DGGE谱的Shannon非多样性指数显示多样性显著降低[19]，表明TS对原生动物的影响可能不是短暂的。2.1.2TS对瘤胃产甲烷菌的影响已有研究在瘤胃纤毛虫原生动物的外表面上观察到产甲烷古菌[21]和纤毛虫内的内共生菌[22]。原生动物通过耐氧性氢基因体淬灭氧气，也为产甲烷菌提供了一些优势，或者只是为瘤胃中保留生长较慢的产甲烷菌提供了一种载体[23]。10%~20%的产甲烷菌与原生动物一同生活[24]，可能导致原生动物减少产甲烷菌，进而降低甲烷产量。在体外[16]和体内[20]研究中，已观察到添加TS对产甲烷菌几乎无影响，原生动物数量与产甲烷菌间不存在显著相关性。Goel等[25]研究发现，原生动物的抑制作用与产甲烷菌之间存在弱关联，田菁皂苷对产甲烷菌的抑制作用（78%）比胡芦巴和山萝卜皂苷（22%和21%）更强，而原生动物数量的减少分别为36%、39%和25%。mcrA参与减少与辅酶M结合的甲基，对产甲烷的最后一步至关重要。mcrA基因的表达与产甲烷菌的活性密切相关，表明反刍动物日粮中添加TS可降低产甲烷菌的活性。2.1.3TS对瘤胃真菌的影响厌氧真菌只占瘤胃微生物群总数的一小部分，但在瘤胃中对消化纤维具有重要意义[26]。Guo等[16]研究发现，TS降低了体外发酵中含有瘤胃液的培养基中相对于细菌的真菌浓度，但在饲喂3 g/d TS 21 d或72 d的绵羊瘤胃液中则不然。原因可能是真菌在长期摄食过程中的适应性。真菌可产生某些糖酶[27-28]，进而可能降解皂苷，但需要进一步研究证实。2.1.4TS对瘤胃细菌的影响产甲烷菌通过H2的供应和利用与其他瘤胃微生物密切相关。氢是原生动物、真菌和一些细菌发酵的主要终产物之一。产甲烷菌通过消耗瘤胃中的H2生存，且必须与消耗H2的产丙酸盐微生物竞争形成丙酸盐[29]。Wang等[30]研究表明，体外发酵时，将0.5 g/L丝兰提取物添加至5 g切碎的苜蓿干草和5 g浓缩物中，纤维素分解细菌的数量减少了30%。纤维素分解细菌比淀粉分解细菌对丝兰提取物更敏感[31]。研究报道，采用无患子果实喂养的绵羊瘤胃中的纤维素分解细菌和总细菌显著增加[32]。2.2TS对瘤胃发酵的影响2.2.1TS对氨和微生物蛋白的影响瘤胃内的氨来自饲料降解和微生物降解，因底物降解减弱或细菌对氨的利用增强，采食后氨浓度趋于下降[33]。研究报道，瘤胃氨浓度降低是添加皂苷导致原生动物数量减少的间接结果[34]。较少的原生动物表示较少的细菌捕食和裂解，蛋白质分解产物释放降低。体外氨氮浓度随TS水平的增加而降低，当TS添加水平为10、20、30和40 g/kg时，24 h时氨氮浓度分别降低了8%、18%、21%和27%[35]。Hu等[35]测定瘤胃液中添加TS对瘤胃液氨氮浓度的影响，结果表明，培养基中0.4 g/L TS可使氨浓度降低19%。Jean-Pierre等[36]研究发现，假设纤毛原生动物对微生物N的瘤胃内循环具有显著影响，并降低了微生物蛋白（MCP）合成效率；因此，减少原生动物种群数量可提高日粮N的利用率并促进MCP流向肠道。有研究指出，反刍动物日粮中添加40 g/kg TS导致氨氮浓度最低，MCP产量最高[37]。2.2.2TS对短链脂肪酸和H2平衡的影响挥发性脂肪酸（VFA）代表瘤胃发酵模式和营养消化效率[38]。有研究报道，随着TS添加量增加，总挥发性脂肪酸浓度以及丁酸和异戊酸的比例呈线性下降[39]。但也有研究发现，去除原虫后VFA显著降低，但乙酸、丙酸和丁酸的浓度不受动物或去除原虫瘤胃液中TS的影响[40]。日粮中添加30~40 g/kg TS倾向于增加丙酸盐浓度，但对醋酸盐和丁酸盐几乎没有影响，表明TS对瘤胃发酵模式和营养消化的影响很小[41]。在瘤胃中，乙酸盐和丁酸盐的形成导致氢气（H2）产生，即产甲烷古细菌通过减少二氧化碳的底物产生甲烷[42]。丙酸参与了H2利用的竞争途径，从而降低甲烷产量[43]。原生动物和真菌随着TS加入而减少，被认为是主要H2使用者的产甲烷古菌的活性降低。为维持H2平衡，产生H2和利用H2的细菌（如产丙酸微生物）的数量可能增加。此外，原虫和真菌的活性在TS影响下可能发生变化，需要进一步研究。2.2.3TS对甲烷的影响反刍动物肠道发酵过程中产生的甲烷导致动物饲料能量大量损失，通过温室气体排放增加生态问题。因此，降低甲烷产量具有显著的经济效益和环境效益。通过在动物瘤胃液中加入TS以及去除原虫，可减少甲烷产生[44]。在日粮中加入0.2和0.4 g/L TS使动物瘤胃液中的甲烷产量分别降低了13.3%和14.3%[45]。研究报道，与对照组相比，丝兰皂苷喂养组的甲烷产量低15%[46]。皂苷的甲烷抑制作用可能是对参与甲烷形成的瘤胃微生物（包括产甲烷菌和原生动物）的直接作用。研究发现，添加TS显著减少了动物瘤胃液中的甲烷产生量，但对动物瘤胃液中的甲烷含量无影响，表明TS抑制产甲烷可能是由于其抗原生动物活性[47]。Hess等[48]在添加TS日粮的研究发现原生动物数量减少了54%，体外甲烷产量减少了20%，但对产甲烷菌无影响，表明由于H2供应量较低，原虫数量减少降低了甲烷产量以及每个产甲烷菌的活性。研究发现，产甲烷菌与总细菌的相对数量略有增加，而甲烷产量下降，可能表示甲烷产量与产甲烷菌之间无相关性[23]。Ma等[49]研究表明，甲烷释放与参与的产甲烷作用的微生物数量之间明显缺乏相关性。2.3TS对反刍动物生长性能和血液生化指标的影响研究发现，日粮添加3 g/d TS 增加了波尔山羊的干物质采食量[50]。Lovett等[51]研究发现，饲喂添加丝兰提取物的日粮可使干物质采食量降低。其他研究发现，皂苷对反刍动物采食量的影响很小[52-53]。结合微生物和发酵参数因素，干物质采食量的增加可能是由于MCP效率的提高和原生动物饲料蛋白的合成及降解率的降低。研究发现，饲喂含3 g/d TS的日粮的山羊比饲喂0、6 g/d TS的山羊具有更高的平均日增重和饲料转化率；每天采食3 g TS的山羊的总蛋白、白蛋白浓度高于每天采食0 g和 6 g TS的山羊，血清钙、磷、碱性磷酸酶水平更高[50]。饲喂TS的山羊的尿素氮水平低于对照组，血清胆固醇水平降低，而高密度脂蛋白胆固醇增加。葡萄糖浓度和谷氨酸-草酰乙酸转氨酶、谷氨酸-丙酮酸转氨酶的活性不受添加TS的影响，表明TS对肝脏代谢无不利影响。2.4TS与H2受体的相互作用H2从甲烷生成中转移，将促进替代的电子汇代谢途径影响还原能量[54]。氢可通过富马酸还原成琥珀酸产生影响[55]。在体内试验中，与单独添加TS相比，饮食中添加富马酸二钠（DF）对甲烷产生并未更明显的抑制作用[56]。3结论在动物饲料中添加TS可能是抑制产甲烷的有效方法，对全球环境保护以及动物的高效生产具有重要意义。但仍然需要系统地评估确认TS的活性结构成分，以及其与微生物群落、宿主动物和日粮间的相互作用，阐明TS或其代谢物对瘤胃微生物产生影响的机制。