综述：反式-10转移瘤胃生物氢化及其对反刍动物乳肉脂肪含量与品质的影响

本综述系统探讨高精料饲喂引发的瘤胃生物氢化路径转移（trans-10 shift）现象，重点解析其微生物机制、对乳脂合成（MFD）及牛肉脂肪品质（cMUFA:SFA）的影响，并评估反刍动物源反式脂肪酸（TFA）的人类健康效应，为优化反刍动物生产与食品营养提供重要理论依据。

　　

Abstract

饲喂高精料日粮是集约化反刍动物生产中的常见做法，旨在满足动物能量需求并最大化饲料效率。这些日粮的后果之一是发生反式（t）10转移的瘤胃生物氢化，包括以牺牲t11-18:1和c9,t11-共轭亚油酸（c9,t11-CLA）为代价，增加t10-18:1和t10,cis（c）12-共轭亚油酸（t10,c12-CLA）的形成。在奶牛中，t10转移与乳脂 depression（MFD）相关。在肉牛中，t10转移尚未发现与动物性能或大理石花纹脂肪沉积的负面影响有关；然而，它可能通过降低其顺式单不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比例（cMUFA:SFA）而对肉类脂肪的食用品质产生负面影响。最后，t10转移增加了反刍动物源性食品（乳制品、牛肉和羊肉）中t10-18:1的积累，在足够高的水平下可能会损害这些食品的营养品质。本综述将涵盖我们目前对参与t10转移的瘤胃微生物的理解，及其对乳脂合成和牛肉脂肪品质的影响。

Introduction

反刍动物因其主要在瘤胃中进行的前胃发酵而在动物物种中独一无二。这种发酵允许利用高纤维饲料和低质量蛋白质，它们分别被转化为挥发性脂肪酸（VFAs）和更高质量的微生物蛋白。大多数反刍动物饲料中的脂肪和油含量通常有限，但会通过微生物酯酶作用释放游离脂肪酸和甘油。甘油被发酵为VFAs，而脂肪酸用于膜脂合成。由于能够进行这种代谢的微生物生长缓慢，脂肪酸无法被发酵。然而，瘤胃细菌对多不饱和脂肪酸（PUFA）敏感，因此它们通过生物氢化过程将PUFA转化为饱和脂肪酸来进行解毒，该过程导致几种中间体的形成，包括反式（t）-18:1和共轭亚油酸（CLA）异构体。一小部分这些中间体可以逃离瘤胃，并在瘤后吸收后进入乳汁和体组织。

生物氢化中间体的含量和组成深受日粮组成和饲养实践的影响，天然草料型日粮导致形成t11-18:1（反式 vaccenic acid, TVA）和cis（c）9,t11-CLA（rumenic acid; RA）作为主要的t-18:1和CLA异构体，但当饲喂高淀粉日粮时，主要的t-18:1和CLA异构体分别变为t10-18:1和t10,c12-CLA。这种主要生物氢化中间体的转移（“反式-10”转移）与奶牛中饮食诱导的乳脂减少（MFD）相关，其中t10,c12-CLA由于其有效的抗脂肪生成特性而被认为是减少乳脂合成的主要原因。鉴于MFD可能给奶农造成直接的经济损失，奶牛的乳脂合成及其受t10转移的调控已成为数十年来的多项研究的主题。虽然这些研究极大地增强了我们对MFD如何发展及其与t10转移联系的理解，但在负责t10转移的具体瘤胃微生物方面仍存在知识空白。此外，t10,c12-CLA对脂肪生物合成的抑制作用并不局限于乳腺。事实上，给啮齿动物饲喂合成的t10,c12-CLA已发现其发挥有效的抗脂肪生成作用，导致整体胴体肥胖显著减少。在猪的研究中也报告了类似的发现，补充t10,c12-CLA consistently导致胴体瘦肉率增加和胴体脂肪硬度增加，分别通过减少皮下脂肪积累和增加脂肪组织饱和脂肪含量来实现。尽管在不同研究中观察到的结果不太一致，但饲喂CLA（t10,c12-CLA和c9,t11-CLA的50:50混合物）的猪皮下脂肪减少可能伴随着猪肉中肌内脂肪含量的增加。

在饲喂谷物日粮的反刍动物（如围场肉牛）中，由于t10转移，瘤胃中天然产生高水平的t10,c12-CLA及其相关的生物氢化中间体。然而，增加的瘤胃来源的t10中间体对体脂沉积（包括牛肉中肌内脂肪含量和组成）的影响尚不清楚。

因此，本综述将主要关注我们在理解负责t10转移的瘤胃微生物方面的进展以及该领域的当前知识空白，t10转移对乳脂含量和牛肉脂肪品质的影响，并提供关于消费反刍动物源反式脂肪酸对人类健康影响的最新信息。

Normal and alternate (trans-10 shifted) biohydrogenation pathways

生物氢化可以在膳食游离脂肪酸被微生物酯酶释放时开始。反刍动物日粮中数量上最重要的脂肪酸通常是亚油酸（LA, c9,c12-18:2）和α-亚麻酸（LNA, c9,c12,c15-18:3）。最早的反刍动物进化于5000万年前，几千年来，LA和LNA的“正常”途径包括具有t11键的中间体。在集约化养殖实践下，如围场育肥，这在过去100年中在发达国家占主导地位，含有t10中间体的生物氢化“替代”途径开始占主导地位。t10和t11脂肪酸都可以完全转化为硬脂酸（18:0），但生物氢化的最后一步以相对较低的速率发生。因此，一些反式单不饱和脂肪酸可以完整地离开瘤胃并被纳入肉和奶中。

集约化生产系统中的多种因素（即低草料:精料比、低瘤胃pH/缺乏缓冲能力、高PUFA含量和饲喂莫能菌素）可能导致向t10生物氢化途径的转移，并已被广泛综述。增加复杂性的是，正常和替代的生物氢化途径由多种微生物进行。对于LA，正常途径主要由属于Butyrivibrio和Pseudobutyrivibrio属的细菌启动和完成。相反，替代途径由Cutibacterium acnes通过将LA转化为t10,c12-18:2启动，后续步骤由Butyrivibrio进行。尽管研究较少，ALA的途径似乎涉及相似或相同的微生物。真菌也能够进行生物氢化，但速率远慢于细菌，而原生动物最可能无法进行生物氢化。因此，负责生物氢化的微生物是操纵这一过程和反式脂肪酸形成的逻辑靶点。

虽然图1为了解微生物如何进行生物氢化和形成反式脂肪酸提供了一些见解，但情况仍然不完整。图1中的微生物是通过培养纯培养物并在体外研究其代谢而鉴定的。然而，使用瘤胃内容物的微生物组测序研究表明，更多的微生物在体内进行生物氢化。这些研究饲喂日粮以将生物氢化转向替代途径，然后使用扩增子测序监测瘤胃微生物种群的变化。由此，许多微生物类群与生物氢化中间体的浓度相关。这表明大量候选生物可能在生物氢化中发挥作用，尽管它们的确切作用需要用独立技术来确定。

我们知识中的另一个空白是，虽然正常和替代途径的反式单不饱和脂肪酸是离开瘤胃最丰富的，但许多其他具有反式双键的脂肪酸由LA和ALA形成。其他不饱和脂肪酸也产生反式脂肪酸。图1中的途径也被简化，因为没有包括羟基脂肪酸。羟基脂肪酸在生物氢化过程中形成，并且至少在非反刍动物的微生物中，它们可以转化为反式脂肪酸。因此，填补这些知识空白对于预测和改变生物氢化过程中形成并纳入奶和肉中的反式脂肪酸至关重要。

The trans-10 shift and milk fat synthesis

乳脂是牛奶中有价值和营养的组成部分，并且是受饮食影响最大的成分。当奶牛饲喂含有高水平淀粉和/或富含PUFA的油的日粮时，乳脂含量大幅下降，导致所谓的饮食诱导乳脂减少（MFD）。对MFD的早期研究发现，受影响奶牛的牛奶含有更高的反式单不饱和脂肪酸（t18:1），因此提出瘤胃来源的反式脂肪酸可能负责抑制乳脂合成。后续研究确定来自反式10转移途径的中间体，即t10-18:1和/或t10,c12-CLA，可能负责MFD。这和其他几项研究在导致MFD的一系列实验日粮中一致观察到t10-18:1或t10,c12-CLA与乳脂含量之间的反比关系。此外，瘤后输注t10,c12-CLA以剂量依赖的方式导致乳脂含量和产量的显著降低，这为t10,c12-CLA对乳脂合成的抑制作用提供了因果证据。随后在奶牛、山羊、绵羊、猪和小鼠中的研究报告了补充/输注t10,c12-CLA对乳脂合成的有效抑制作用，并伴随着乳腺中涉及从头脂肪生成的关键基因的下调。

尽管t10-18:1与乳脂含量和产量之间存在既定的反比关系，但目前没有直接证据证明t10-18:1在抑制乳脂合成中的因果作用。在Lock等人的一项短期研究中，瘤后输注纯t10-18:1（43克/天，持续4天）对奶牛的乳脂含量或产量没有影响，这导致结论认为t10-18:1不会诱导奶牛乳脂减少。然而，在该研究中，瘤后输注纯t10-18:1后，牛奶t10-18:1仅达到总脂肪酸的1.1%，低于饮食诱导MFD研究中报告的平均浓度（1.9%）。因此，乳腺摄取的t10-18:1量可能不足以诱导乳脂减少，据我们所知，这是唯一已发表的测试纯t10-18:1对乳合成影响的瘤后输注研究。

相反，含有25%–37% t10-18:1的混合t18:1异构体的膳食补充剂或瘤后输注已 consistently显示减少奶牛的乳脂合成以及其他物种包括小鼠和人类的乳脂合成。鉴于这些研究中使用的混合异构体中存在几种其他t18:1异构体，乳脂减少不能直接归因于t10-18:1。此外，几种其他生物氢化中间体（例如，t9,c11-CLA, t8,t10-CLA, t10,t12-CLA, 和t10,c15 18:2）已被建议在MFD中发挥作用，基于它们在饮食诱导MFD期间奶牛乳脂或omasal食糜中浓度的增加。此外，t9,c,11-CLA和c10,t12-CLA在MFD中的潜在作用也在abomasal输注研究中显示。这些发现表明t10-18:1和t10,c12-CLA不是MFD中唯一涉及的中间体，并且额外的生物氢化中间体必须参与饮食诱导的MFD。事实上，实验数据分析表明，t10转移只能解释饮食诱导MFD期间乳脂合成总体下降的一小部分（～30%）。总体而言，MFD似乎是一个复杂的多病因综合征，涉及几个因果因素，因此需要多因素方法来理解这种综合征。然而，t10转移仍然是MFD的有用标记物，因为它一直与奶牛乳脂减少相关。

The trans-10 shift and beef fat quality

肌内（大理石花纹）脂肪含量是美国和加拿大分级系统中牛肉质量的主要决定因素。大理石花纹脂肪通过肌内脂肪细胞的形成和增殖（增生）及其随后的脂质积累（肥大）而发展。增生和肥大主要受遗传、营养和饲养管理的影响。肌内前脂肪细胞增生通常发生在动物生长的早期阶段，随后在后期阶段分化为脂肪细胞并进行肥大，当脂肪开始积累时，特别是在育肥期。肌内脂肪细胞中的脂肪积累是使用葡萄糖作为主要碳源进行脂肪酸生物合成的结果，而皮下脂肪细胞主要使用乙酸进行脂肪酸生物合成。

在牛等反刍动物中，循环葡萄糖主要来源于肝脏糖异生，使用瘤胃碳水化合物发酵产生的丙酸盐作为底物。为了增加肌肉大理石花纹脂肪，围场肉牛通常在高谷物日粮上育肥，以增强瘤胃中丙酸盐的产生，这反过来增加了肝脏的葡萄糖产生，导致为肌内脂肪细胞中从头脂肪酸合成提供更多的葡萄糖供应。一旦进入脂肪细胞，葡萄糖进入糖酵解途径，在那里它被分解成丙酮酸，然后进入柠檬酸循环并被代谢成乙酰辅酶A。然后乙酰辅酶A被乙酰辅酶A羧化酶和脂肪酸合酶（FAS）用于制造脂肪酸，主要最终产物是16:0（棕榈酸）。产生的棕榈酸然后可以通过硬脂酰辅酶A去饱和酶-1（SCD1）转化为c9-16:1（棕榈油酸），或通过碳链延长转化为18:0（硬脂酸）。18:0可以通过进一步的delta-9去饱和转化为c9-18:1（油酸）。其中，油酸是牛脂肪组织（包括大理石花纹脂肪）中最丰富的脂肪酸，其水平高度依赖于SCD1活性和基因表达。

从血液中摄取脂肪酸也会影响牛肉中脂肪组织的含量和组成。这个过程涉及脂肪细胞衍生的脂蛋白脂肪酶（LPL）对脂蛋白结合甘油三酯的脂解，随后通过脂肪酸转运蛋白将产生的游离脂肪酸转运到脂肪细胞中。来源于脂肪酸摄取的脂肪酸主要包括那些具有≥18个碳的脂肪酸，例如硬脂酸（即生物氢化的主要最终产物），然后可以通过SCD1进行delta-9去饱和生成油酸。脂肪酸摄取过程也负责所有存在于牛肉脂肪组织中的生物氢化中间体（例如，t-18:1和CLA异构体），因为这些脂肪酸不能由脂肪细胞合成。一旦进入脂肪细胞，一些t-18:1中间体包括t7-18:1和t11-18:1经历SCD1的delta-9去饱和形成t7,c9-CLA和c9,t11-CLA。事实上，这种内源合成负责牛肉脂肪中发现的大部分（～90%）c9,t11-CLA。相反，t10-18:1主要以其原始形式被摄取和沉积，因为它由于反式双键的位置而不能被SCD1进行delta-9去饱和。类似地，牛肉中没有t10,c12-CLA的内源来源，血液或组织中任何可检测到的t10,c12-CLA完全来源于LA的瘤胃生物氢化。

饲喂高谷物围场日粮已知会促进t10转移的生物氢化途径，导致血液中t10,c12-CLA水平增加，而以c9,t11-CLA为代价。鉴于补充t10,c12-CLA在非反刍动物如猪中具有有效的抗脂肪生成特性，问题仍然是瘤胃衍生的t10,c12-CLA是否会影响反刍动物，特别是围场肉牛的体脂积累，包括皮下和肌内脂肪。然而，据我们所知，唯一已发表的关于t10,c12-CLA对脂肪组织影响的瘤后输注研究是在泌乳奶牛上进行的。在该研究中，t10,c12-CLA减少了乳脂合成，同时上调了皮下脂肪组织中的脂肪生成基因，包括FAS、LPL和SCD1，这归因于减少乳脂合成所节省的能量用于脂肪沉积，而不是t10,c12-CLA的直接效应。尽管没有已发表的输注研究来测试t10,c12-CLA对非泌乳反刍动物脂肪生成的影响，但有限数量的研究试图通过饲喂瘤胃保护CLA补充剂（～50:50混合物 of t10,c12-CLA and c9,t11-CLA）给育肥牛和绵羊来回答这个问题。这些研究发现对胴体特性、背膘厚度或大理石花纹评分没有显著影响，但它们一致报告CLA补充显著降低了肌内和皮下脂肪中c9-18:1和总顺式单不饱和脂肪酸（cMUFA）的浓度，这归因于t10,c12-CLA对SCD1的抑制作用。鉴于SCD1负责从其各自的SFA（例如，18:0和16:0）合成cMUFA（例如，c9-18:1和c9-16:1），其抑制可以显著降低牛脂肪组织中的cMUFA与饱和脂肪酸的比例（cMUFA:SFA）。cMUFA:SFA已被证明与牛肉风味正相关，因此通常被认为是牛肉脂肪品质的关键决定因素。与上述实验发现一致，对围场阉牛 ribeye 脂肪酸数据的相关分析显示，ribeye肌内脂肪中的cMUFA:SFA与t10,c12-CLA浓度之间存在显著的负相关。值得注意的是，与t10,c12-CLA相反，t10-18:1不抑制SCD1表达。因此，尽管cMUFA:SFA与t10-18:1浓度在肌内脂肪中存在负相关，但这并不暗示这种关系中的直接因果关系。然而，t10-18:1可以作为瘤胃中t10转移和t10,c12-CLA产生的代理，因为与t10,c12-CLA相比，t10-18:1在组织中更容易检测和量化。

总之，围场肉牛瘤胃中t10转移途径过量产生t10,c12-CLA可能阻止它们达到更高cMUFA:SFA的潜力，这反过来可能对牛肉脂肪品质产生负面影响。

Human health effects of ruminant trans fatty acids

在反刍动物脂肪中，含有反式双键的脂肪酸的组成与饮食组成直接相关，特别是草料与精料的比例。然而，大多数已发表的关于反刍动物TFA人类健康效应的研究假设t11-18:1是反刍动物脂肪中浓度最高的t-18:1异构体。确实，许多动物和细胞培养研究已经注意到t11-18:1的积极健康效应，包括抗炎、抗癌、抗动脉粥样硬化和抗糖尿病效应，并且这些效应的机制仍在研究中。例如，共轭亚油酸是硝化的优选底物，即由免疫细胞产生的一氧化氮形成硝基脂肪酸，这些是有效的抗炎信号分子。此外，t11-18:1最近被显示在小鼠模型中通过促进CD8 + T细胞（一组对杀死癌细胞至关重要的免疫细胞）来增强抗肿瘤免疫力。在同一研究中，还观察到在淋巴瘤患者中，那些血液中t11-18:1水平较高的人对免疫治疗的反应更好。总的来说，这项研究的发现表明膳食t11-18:1可以改善基于T细胞的癌症免疫治疗的临床反应。然而，上述研究需要与人类临床研究进行权衡，这些研究表明高水平的t11-18:1可能对血液低密度脂蛋白和高密度脂蛋白胆固醇产生与工业TFA相似的不利影响。

与t11-18:1相比，关于t10-18:1对人类健康影响的信息非常有限，这些信息主要来自饲喂t10强化乳脂的动物研究。Roy等人表明，与普通黄油相比，t10-18:1强化黄油增加了白新西兰兔血液中的极低密度脂蛋白胆固醇。t10-18:1黄油也增加了非HDL/HDL比率和动脉粥样硬化斑块，与t11-18:1强化黄油相比。因此，作者得出结论，t10-18:1黄油对兔子的血脂和主动脉脂质沉积有不利影响，而t11-18:1强化黄油可能对动脉粥样硬化有保护作用。在一项类似的研究中，通过口服管饲法给大鼠单次剂量（2克/千克体重）对照羊奶脂肪或富含t10-或t11-18:1（占总脂肪酸的20%）的奶脂肪，t10-18:1奶脂肪显著增加了血浆甘油三酯浓度，与对照奶脂肪相比，而t11-18:1奶脂肪降低了血浆甘油三酯。在另一项研究中，饲喂t10-18:1强化黄油对Zucker大鼠的葡萄糖和胰岛素耐受性产生负面影响，与饲喂普通黄油的大鼠相比。显然，需要更多使用纯t-18:1异构体的体内研究来更好地理解t18:1异构体的异构体特异性效应，特别是t10-18:1与t11-18:1。

最近发达国家（包括美国、加拿大和欧盟）对工业反式脂肪酸的政府禁令使反刍动物源性脂肪成为反式脂肪的主要膳食来源，目前这些国家反刍动物反式脂肪的摄入量估计为≤每日能量摄入的0.5%。这远低于卫生机构如世界卫生组织和美国心脏协会设定的1%每日能量摄入的最大推荐水平（大约2000卡路里饮食的2克/天）。1%每日能量摄入的最大推荐水平现在也得到了近期随机临床试验的支持，其中工业反式脂肪酸摄入在0.6%–1%能量摄入之间不会对健康受试者的心血管风险因素产生不利影响。因此，无论t10/t11比率如何，反刍动物反式脂肪酸在当前消费水平下不太可能对普通公众构成健康风险。

Conclusion

我们对哪些细菌负责生物氢化的理解继续发展，特别重要的是理解哪些物种对t10转移具有定量重要性，以及这些物种如何受饮食和饲养管理的影响。就反刍动物源性食品而言，生物氢化对乳脂水平的影响似乎比肌肉大理石花纹脂肪含量更受影响。然而，t10转移对牛肉和乳制品脂肪酸组成的影响，及其对产品质量和人类健康的影响，应仍然是研究重点。具体来说，这包括t10转移对cMUFA:SFA和个体t18:1异构体水平的影响，因为我们对它们的机制/健康效应的理解继续发展。