《Foods》：Dose-Dependent Effects of Fermented Apple Pomace on Lactation Performance in Dairy Goats and Associated Antioxidant, Inflammatory, and Gut Microbiota Responses in Rats
编辑推荐：
苹果渣作为果汁加工的副产物，亟需实现资源化利用。本研究评估了发酵苹果渣对奶山羊生长和泌乳性能的剂量依赖性效应，以及在大鼠中相关的抗氧化、炎症和肠道菌群响应。试验设置了五个FAP添加水平（0%、5%、10%、15%和20%）。在泌乳奶山羊中，在所测试的水平下，1
苹果渣作为果汁加工的副产物，亟需实现资源化利用。本研究评估了发酵苹果渣对奶山羊生长和泌乳性能的剂量依赖性效应，以及在大鼠中相关的抗氧化、炎症和肠道菌群响应。试验设置了五个FAP添加水平（0%、5%、10%、15%和20%）。在泌乳奶山羊中，在所测试的水平下，15% FAP与最优的生产和代谢反应相关联，包括提高产奶量和平均日增重、降低料奶比和体细胞数，以及降低血尿素氮和瘤胃NH3-N浓度。然而，氮沉积未直接测定，并且由于FAP替代了玉米和麦麸，各试验日粮并非等氮或等能；部分反应可能反映了整体营养成分的变化。在大鼠中，15% FAP与核因子E2相关因子2抗氧化信号的激活、Toll样受体4/核因子κB炎症通路的抑制、产丁酸菌属的富集以及盲肠丁酸水平的升高相关联。这些机制性发现具有相关性且可产生假说，需要在反刍动物中进行验证。总体而言，在所测试的水平下，15% FAP与最优的反应相关联，但肠道菌群、丁酸、Nrf2/NF-κB信号通路与山羊生产性能之间的机制性联系仍有待阐明。
研究背景与科学问题
苹果渣是果汁加工业的主要副产物，年产量达数百万吨。不当处置如露天堆放或填埋不仅浪费生物质资源，还会因高含水量释放温室气体和渗滤液，造成严重环境负担。将苹果渣这一非粮生物质资源转化为饲料，是实现可持续畜牧业和循环农业的关键方向。然而，新鲜苹果渣含水量高达75%-80%，纤维含量较高，并含有单宁等次生化合物，可能影响反刍动物的采食量和瘤胃发酵。固态发酵技术已被证实能有效提升农工副产物的营养品质，通过微生物代谢降解纤维素和半纤维素、降低抗营养因子，同时提高粗蛋白含量并富集有机酸、多酚和生物活性肽等功能性次级代谢产物。
尽管已有零星关于发酵苹果渣应用于猪和家禽等单胃动物的报道，但其对反刍动物尤其是奶山羊的系统性研究极为匮乏。特别是，FAP如何影响瘤胃发酵特性、全身代谢重编程及其介导的免疫调节和抗氧化分子机制尚不明确。此外，肠道微生物组作为整合营养感知和免疫调节的“第二基因组”，在膳食干预改善宿主健康中发挥核心驱动作用，但FAP能否重塑瘤胃和后肠微生物群落结构以产生特异性生物活性代谢物如短链脂肪酸，进而通过特定信号级联反应激活宿主防御系统，仍完全未知。因此，本研究旨在确定FAP在奶山羊日粮中的最适添加水平，并通过互补的大鼠模型探索肠道菌群-丁酸-Nrf2/NF-κB轴的潜在参与机制。
研究方法概述
研究人员采用双模型互补策略：选用30头健康泌乳奶山羊随机分为五组进行为期60天的饲养试验，同时选用50只SPF级雄性Sprague-Dawley大鼠随机分为五组进行为期4周的试验。FAP通过复合固态发酵制备，发酵菌种组合包括白地霉、酿酒酵母、根霉、枯草芽孢杆菌和绿色木霉。奶山羊日粮中FAP按干物质基础以0%、5%、10%、15%、20%的比例等量替代精料中的玉米和麦麸；大鼠日粮则按重量等量替代AIN-93M纯化日粮中的微晶纤维素。关键技术方法包括：使用全自动生化分析仪和ELISA试剂盒检测血清生化指标和激素水平；通过气相色谱法测定瘤胃挥发性脂肪酸和氨态氮；利用RT-qPCR和Western blot检测肝脏Nrf2/NF-κB信号通路相关基因和蛋白表达；基于Illumina MiSeq平台对大鼠粪便进行16S rRNA基因V3-V4区高通量测序并进行生物信息学分析；采用气相色谱-质谱联用技术靶向定量盲肠内容物中的短链脂肪酸。
研究结果
3.1 原料苹果渣的营养组成与氨基酸谱
原料苹果渣干物质基础含粗蛋白4.23%、粗脂肪3.61%、灰分2.38%，纤维含量高，中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维分别为44.87%和34.52%。总氨基酸含量为3.500 g/100 g DM，天门冬氨酸和谷氨酸最为丰富，蛋氨酸和色氨酸含量最低。
3.2 发酵苹果渣添加水平对日粮营养成分和氨基酸谱的影响
随着FAP添加从0%增至20%，日粮干物质含量线性下降，粗蛋白、NDF、ADF和粗脂肪线性增加，灰分和非纤维碳水化合物线性减少。钙磷比在15% FAP组为2.44，处于反刍动物推荐范围2.0-2.5:1内。总氨基酸含量随FAP添加线性下降，15% FAP组为13.086 g/100 g。
3.3 发酵苹果渣对泌乳奶山羊生长性能和乳品质的剂量依赖性影响
所有生产性能参数均呈现明显的倒U型曲线响应。15% FAP组干物质采食量较对照组增加18.7%，产奶量增加40.1%，料奶比降低15.3%，平均日增重提高127.1%。乳脂和乳蛋白含量分别提高13.2%和11.4%，体细胞数降低64.8%。多数指标在20%添加水平出现一致性的减弱趋势。
3.4 发酵苹果渣对奶山羊血清代谢谱和内分泌指标的调控作用
15% FAP组血清总蛋白、白蛋白和葡萄糖显著升高，而血尿素氮降低32.8%。生长激素和三碘甲状腺原氨酸达到峰值，胰岛素降低32.3%，甲状腺素降低21.6%，甘油三酯和总胆固醇分别降低25.8%和14.8%。所有指标在20%添加水平均出现逆转趋势。
3.5 发酵苹果渣对奶山羊瘤胃发酵模式的调控作用
15% FAP组瘤胃总挥发性脂肪酸浓度升高，NH3-N浓度降低。混合瘤胃液样本中丙酸摩尔比例表现上升趋势，乙酸比例下降，乙酸/丙酸比值降低，丁酸比例轻度升高。但个体VFA数据来自混合样本，这些观察应视为描述性趋势。
3.6 发酵苹果渣对大鼠血清抗氧化参数的剂量依赖性影响
15% FAP组血清总抗氧化能力较对照组增加101.0%，超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶分别增加116.7%和107.1%，而丙二醛降低71.8%。所有指标在20%添加水平均出现一致性逆转。
3.7 发酵苹果渣对炎症信号和Nrf2抗氧化通路的调控机制
15% FAP组上调IFN-γ/STAT1/IRF1干扰素信号通路，抑制TLR4/NF-κB信号轴及其下游促炎细胞因子TNF-α和IL-1β的转录、翻译和分泌水平，同时上调抗炎细胞因子IL-10。在Nrf2通路方面，抑制Keap1表达，促进Nrf2核转位，上调HO-1、NQO1、GPx1、SOD1和CAT等下游抗氧化靶基因。值得注意的是，IL-6在15% FAP组显著升高，表现出与经典促炎细胞因子不同的调控模式。
3.8 发酵苹果渣对大鼠粪便微生物群重塑及宿主-微生物关联的影响
15% FAP组粪便微生物α多样性指数呈倒U型趋势并在该组达到峰值。主坐标分析显示各组间清晰梯度分离。在属水平上，15% FAP组显著富集产SCFA有益菌属如普雷沃氏菌属、瘤胃球菌属、丁酸弧菌属和罗斯氏菌属，而潜在机会致病菌埃希氏菌/志贺氏菌被显著抑制。
3.9 肠道菌群组成与宿主血清参数的关联分析
分层聚类热图显示15% FAP组具有独特的微生物特征。维恩图分析表明五组共享47个核心OTU构成肠道菌群骨架。斯皮尔曼相关分析显示普雷沃氏菌属和丁酸弧菌属与血清T-AOC、SOD和GSH-Px呈正相关数值趋势，与MDA和促炎细胞因子呈负相关趋势。
3.10 发酵苹果渣调节肠道微生物代谢物及其与宿主抗氧化和免疫状态的关联
15% FAP组盲肠乙酸、丙酸、丁酸和总SCFA浓度均显著升高，其中丁酸较对照组增加117.3%。丁酸浓度与Nrf2核转位比率、HO-1 mRNA、GPx1 mRNA、血清T-AOC、SOD和GSH-Px呈强正相关数值趋势，与MDA呈负相关趋势。
讨论与结论
本研究表明，在所测试的添加水平中，15% FAP与泌乳奶山羊最优的生产和代谢反应相关联，二次剂量-响应分析支持在约15% FAP处达到峰值响应。然而，由于FAP替代了玉米和麦麸，试验日粮并非等氮或等能，在CP、NDF、ADF、EE、NFC和钙含量上存在差异，因此部分观察到的反应可能归因于整体营养基质的变化。
从营养角度看，FAP添加改变了日粮粗蛋白和纤维含量。15% FAP组实现了有利的平衡：钙磷比为2.44，处于反刍动物推荐范围内。在瘤胃层面，15% FAP组TVFA浓度显著升高，NH3-N浓度降低。内分泌学特征进一步支持这种代谢调控，低胰岛素、高GH和高T3的内分泌环境有利于减少脂解、增强蛋白质合成。
在组织信号层面，大鼠模型中15% FAP显著抑制TLR4/NF-κB通路，同时降低Keap1表达、促进Nrf2核转位并上调抗氧化酶。16S rRNA测序揭示15% FAP显著增加粪便微生物α多样性，富集产丁酸菌属，同时抑制机会致病菌。盲肠丁酸浓度在15% FAP组达到峰值，并与Nrf2活化和抗氧化参数呈强正相关趋势。
研究结论：综上所述，15% FAP与所测试添加水平中最优的生产和代谢反应相关联，二次剂量-响应分析支持在约15% FAP处达到峰值响应。然而，由于FAP替代了玉米和麦麸，试验日粮并非等氮或等能，在CP、NDF、ADF、EE、NFC和钙含量上存在差异。因此，部分观察到的反应可能归因于整体营养基质的变化。
