周俊言 曾祥芳 譙仕彥

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

蛋白質(zhì)飼料資源短缺和排泄物污染是制約我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)，尤其是養(yǎng)豬業(yè)可持續(xù)發(fā)展的兩大瓶頸因素。近年來，低蛋白質(zhì)飼糧在突破養(yǎng)豬業(yè)此兩大瓶頸中的重要貢獻(xiàn)愈發(fā)突出，其環(huán)境友好型和資源可持續(xù)型特征受到越來越多的關(guān)注。低蛋白質(zhì)飼糧是根據(jù)蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的實(shí)質(zhì)和氨基酸營(yíng)養(yǎng)平衡理論，在不影響畜禽生產(chǎn)性能和產(chǎn)品品質(zhì)的條件下，通過添加適宜種類和數(shù)量的工業(yè)氨基酸，降低飼糧蛋白質(zhì)水平、減少蛋白質(zhì)原料用量和氮排放的飼糧。其不僅是人類深入認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)實(shí)質(zhì)的突破，更是理論切實(shí)指導(dǎo)實(shí)踐，在生產(chǎn)中能用、好用的實(shí)用技術(shù)。

豬低蛋白質(zhì)飼糧的研究始于1995年[1]，經(jīng)過近30年的不斷探索，其內(nèi)涵逐漸豐富，標(biāo)準(zhǔn)化工作也逐漸完善。截至目前，我國(guó)已經(jīng)對(duì)各體重階段仔豬和生長(zhǎng)育肥豬，以及妊娠和哺乳母豬的低蛋白質(zhì)飼糧蛋白質(zhì)水平、凈能水平、凈能與賴氨酸比值以及各種必需氨基酸(essential amino acids，EAA)回腸末端可消化量給出了推薦范圍[2]，并于2020年出臺(tái)了仔豬、生長(zhǎng)育肥豬配合飼料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本文綜述了近年來關(guān)于低蛋白質(zhì)飼糧的研究進(jìn)展，并對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 飼糧蛋白質(zhì)水平對(duì)生長(zhǎng)豬營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化及腸道微生物組成和代謝的影響

飼糧營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在豬胃腸道中的消化可分為以胃和小腸為主要消化部位的化學(xué)酶消化和以大腸為主要消化部位的微生物消化。消化酶活性是決定豬前腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收能力的關(guān)鍵因素，另外，豬腸道中存在著龐大的微生物系統(tǒng)，其發(fā)酵特性及產(chǎn)物對(duì)宿主營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用和健康具有重要影響。

1.1 飼糧蛋白質(zhì)水平對(duì)生長(zhǎng)豬營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率和消化酶活性的影響

通過補(bǔ)充晶體氨基酸，低蛋白質(zhì)飼糧可以準(zhǔn)確滿足豬的氨基酸營(yíng)養(yǎng)需要。晶體氨基酸無需經(jīng)過消化便可在小腸前段被快速吸收，可能導(dǎo)致飼糧蛋白質(zhì)對(duì)消化酶分泌的刺激減少，減弱豬對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收[3]。王鈺明[4]通過在空腸前端和回腸末端造瘺的方式，探索了飼糧蛋白質(zhì)水平對(duì)生長(zhǎng)豬空腸消化酶活性以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)表觀全腸道消化率和表觀回腸消化率的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，相對(duì)于高蛋白質(zhì)飼糧(18%)，降低飼糧蛋白質(zhì)水平至15%對(duì)生長(zhǎng)豬粗蛋白質(zhì)(CP)表觀全腸道消化率及表觀回腸消化率無顯著影響；繼續(xù)降低飼糧蛋白質(zhì)水平至12%后，生長(zhǎng)豬空腸α-淀粉酶的活性和CP表觀全腸道消化率及表觀回腸消化率均顯著降低。He等[5]的試驗(yàn)結(jié)果也顯示當(dāng)飼糧蛋白質(zhì)水平降低6個(gè)百分點(diǎn)時(shí)，生長(zhǎng)豬空腸黏膜α-淀粉酶的mRNA表達(dá)水平顯著下降。另外，值得注意的是，王鈺明[4]研究發(fā)現(xiàn)，低蛋白質(zhì)組豬中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的表觀回腸消化率與高蛋白質(zhì)組相比無顯著差異，而表觀全腸道消化率則顯著降低，作者推測(cè)這可能與2組豬后腸道微生物的纖維發(fā)酵能力差異有關(guān)。

1.2 飼糧蛋白質(zhì)水平對(duì)生長(zhǎng)豬腸道微生物組成和發(fā)酵代謝的影響

王鈺明[4]通過在生長(zhǎng)豬盲腸的游離盲端造瘺，連續(xù)收集不同飼糧蛋白質(zhì)水平下的生長(zhǎng)豬盲腸食糜和糞便，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)大腸中微生物對(duì)飼糧蛋白質(zhì)水平的適應(yīng)性過程。試驗(yàn)結(jié)果表明，低蛋白質(zhì)飼糧提高了豬盲腸食糜中的微生物多樣性。該試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)高蛋白質(zhì)飼糧組豬盲腸食糜中普雷沃氏菌科的相對(duì)豐度極顯著高于低蛋白質(zhì)飼糧組。普雷沃氏菌參與后腸多糖的降解并可提高宿主對(duì)氨基酸和能量的利用效率[6]，其可對(duì)食糜中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行充分發(fā)酵，產(chǎn)生乳酸、乙酸、異丁酸和異戊酸等發(fā)酵產(chǎn)物，這可能造成了高蛋白質(zhì)飼糧組豬盲腸食糜和糞便中乙酸和總揮發(fā)性脂肪酸濃度以及飼糧營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率的提升。雙歧桿菌在2組的相對(duì)豐度均高于1%，且低蛋白質(zhì)飼糧組中的相對(duì)豐度顯著高于高蛋白質(zhì)飼糧組。雙歧桿菌具有多種益生功能，如改善免疫系統(tǒng)紊亂導(dǎo)致的腸道疾病、抑制病原菌的入侵和緩解機(jī)體氧化損失等[7]。因此，低蛋白質(zhì)飼糧組盲腸食糜中高相對(duì)豐度的雙歧桿菌可能促進(jìn)了生長(zhǎng)豬的后腸健康，并與降低的血清內(nèi)毒素含量相關(guān)。

低蛋白質(zhì)飼糧組豬糞便中的瘤胃球菌、擬桿菌_S24-7和氨基酸球菌等的相對(duì)豐度顯著低于高蛋白質(zhì)飼糧組。瘤胃球菌相對(duì)豐度與飼糧中纖維素和木質(zhì)素的降解有關(guān)，是腸道中的主要產(chǎn)丁酸菌[8]；擬桿菌_S24-7是具有較強(qiáng)碳水化合物發(fā)酵性能的一類細(xì)菌，并可有效緩解小鼠的結(jié)腸炎[9]，此2類細(xì)菌相對(duì)豐度的降低可能與低蛋白質(zhì)飼糧中可發(fā)酵纖維含量較低有關(guān)。氨基酸球菌是單胃動(dòng)物后腸中主要的氨基酸降解菌，低蛋白質(zhì)飼糧大幅度降低飼糧蛋白質(zhì)水平使得進(jìn)入后腸用于微生物發(fā)酵的蛋白質(zhì)明顯減少，致使氨基酸球菌相對(duì)豐度降低，這有利于減少蛋白質(zhì)有害發(fā)酵產(chǎn)物生物胺等的產(chǎn)生[10]。

另外，王鈺明[4]研究發(fā)現(xiàn)，低蛋白質(zhì)飼糧的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)表觀回腸消化率與高蛋白質(zhì)飼糧無顯著差異，但多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的表觀全腸道消化率顯著低于高蛋白質(zhì)飼糧，作者推斷后腸道微生物發(fā)酵性能的差異是造成這一現(xiàn)象的主要原因。通過體外發(fā)酵試驗(yàn)，王鈺明[4]研究發(fā)現(xiàn)，高蛋白質(zhì)飼糧組豬糞便作為菌種發(fā)酵食糜的累計(jì)產(chǎn)氣量顯著高于低蛋白質(zhì)飼糧組，這說明在高蛋白質(zhì)飼糧飼喂下豬后腸道微生物發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力增強(qiáng)。而當(dāng)高蛋白質(zhì)飼糧組豬糞便發(fā)酵低蛋白質(zhì)飼糧組豬食糜時(shí)，達(dá)到最大產(chǎn)氣量1/2的時(shí)間最短，這可能與高蛋白質(zhì)飼糧組糞便微生物發(fā)酵能力強(qiáng)而低蛋白質(zhì)飼糧組食糜中可供微生物發(fā)酵的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量少有關(guān)。以上研究說明，低蛋白質(zhì)飼糧營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)及其引起的微生物結(jié)構(gòu)變化不利于后腸微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的發(fā)酵代謝，但部分菌群相對(duì)豐度的變化有助于增強(qiáng)豬腸道健康。

2 低蛋白質(zhì)飼糧添加非蛋白氮(NPN)對(duì)生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)性能和氮平衡的影響

NPN是一類非蛋白態(tài)的含氮化合物的總稱。研究發(fā)現(xiàn)，在必需氨基酸(EAA)充足的氮缺乏飼糧中，添加銨鹽和尿素能夠促進(jìn)小鼠的氮沉積和生長(zhǎng)性能，這表明單胃動(dòng)物能夠利用NPN[11]。Deguchi等[12]研究表明，無特定病原體豬能夠?qū)⒛蛩睾蜋幟仕徜@的氮轉(zhuǎn)移到各種體組織中，而無菌豬僅能夠利用檸檬酸銨中的氮，這說明NPN需要先被微生物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的形式才可被豬利用。近期研究發(fā)現(xiàn)，從盲腸瘺管注入尿素能夠增強(qiáng)飼喂非必需氨基酸(NEAA)缺乏飼糧豬的整體氮沉積[13]。而氨態(tài)氮?jiǎng)t可有效促進(jìn)生長(zhǎng)豬生長(zhǎng)性能的提高，且利用效率和完整蛋白質(zhì)及EAA相同，但單獨(dú)使用尿素卻無此類效果，這進(jìn)一步證實(shí)飼糧尿素氮在吸收前必須被腸道微生物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮才可以被豬利用[14-15]。Li等[16]通過代謝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于低蛋白質(zhì)飼糧組，補(bǔ)充NPN后生長(zhǎng)豬總氮和尿氮排出以及氮沉積均有數(shù)值上的增加，但效率低于蛋白氮。生長(zhǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯示，在育肥豬低蛋白質(zhì)飼糧中添加NPN與N-氨甲酰谷氨酸(NCG)后，豬平均日增重以及總能、CP、粗脂肪、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的表觀全腸道消化率均顯著提升。以上研究說明，NPN應(yīng)用于低蛋白質(zhì)飼糧可被豬部分利用，配合使用NCG可提高豬對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用效率。

3 氮氨甲酰谷氨酸改善生長(zhǎng)育肥豬低蛋白質(zhì)飼糧應(yīng)用效果的研究

低蛋白質(zhì)飼糧降低了飼糧蛋白質(zhì)含量而提高了淀粉含量，由于淀粉的熱增耗遠(yuǎn)低于蛋白質(zhì)，使用代謝能體系配制低蛋白質(zhì)飼糧勢(shì)必造成因能量過剩而導(dǎo)致的豬胴體過肥。應(yīng)用凈能體系并配合使用NCG是準(zhǔn)確滿足豬能量需要，促進(jìn)肌肉蛋白質(zhì)沉積，減少脂肪沉積的有效手段。NCG是谷氨酸上的氨基被甲?；蟮漠a(chǎn)物，具有激活氨甲酰磷酸合成酶并促進(jìn)豬內(nèi)源精氨酸合成的作用。研究表明，精氨酸及其代謝產(chǎn)物可促進(jìn)腸道血管和黏膜發(fā)育，改善腸道形態(tài)，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收[17]；調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號(hào)通路和氨基酸及小肽轉(zhuǎn)運(yùn)載體表達(dá)[18]；減少小腸微生物對(duì)丙氨酸、蘇氨酸和賴氨酸等氨基酸的代謝[19]。相比于直接添加精氨酸，補(bǔ)充NCG具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：不影響腸道對(duì)賴氨酸、色氨酸和組氨酸的吸收，有效劑量低，體內(nèi)代謝穩(wěn)定，半衰期相對(duì)長(zhǎng)，合成成本低，易于推廣應(yīng)用[20]。趙元等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，在育肥豬低蛋白質(zhì)飼糧中添加0.1%或0.2%的NCG后，育肥豬肌內(nèi)脂肪含量、大理石花紋評(píng)分和血清精氨酸濃度分別提高14.3%、15.9%，16.0%、17.7%和12.6%、20.4%，第10肋背膘厚度、背最長(zhǎng)肌滴水損失和血清尿素氮含量分別降低13.0%、11.5%，11.5%、14.6%和20.4%、16.7%。Ye等[22]發(fā)現(xiàn)在低蛋白質(zhì)飼糧中添加NCG可增強(qiáng)內(nèi)源精氨酸和肌肉中亮氨酸的合成，促進(jìn)育肥豬眼肌面積的增加，并降低背膘厚度。孫衛(wèi)[23]研究指出，適當(dāng)添加NCG可以顯著提高30～50 kg、75～100 kg和90～120 kg生長(zhǎng)育肥豬的平均日增重，并改善其屠宰性能。

4 低蛋白質(zhì)飼糧淀粉組成對(duì)生長(zhǎng)豬肌肉蛋白質(zhì)合成的影響

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在吸收入血之前被腸道首過代謝，氨基酸在能量底物缺乏時(shí)可以被氧化供能。氨基酸釋放速率過快可能因葡萄糖的暫時(shí)性缺乏導(dǎo)致低蛋白質(zhì)飼糧中氨基酸的腸道氧化損失增加[24]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)能量底物與氨基酸在肌肉合成部位以相平衡的數(shù)量同時(shí)供應(yīng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)沉積的最大化[25]。低蛋白質(zhì)飼糧氨基酸的快速吸收會(huì)導(dǎo)致豬采食后肌肉合成部位的能量相對(duì)缺乏，進(jìn)而限制蛋白質(zhì)合成。另外，葡萄糖作為重要的信號(hào)分子，可以通過mTOR途徑增強(qiáng)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性并促進(jìn)蛋白質(zhì)合成[26]。且血糖的快速升高可以刺激具有促進(jìn)蛋白質(zhì)合成功能的激素，如胰島素和瘦素的分泌[27-28]。低蛋白質(zhì)飼糧導(dǎo)致葡萄糖和氨基酸消化吸收不同步，使得葡萄糖的促蛋白質(zhì)合成作用無法充分發(fā)揮。

綜上所述，優(yōu)化飼糧葡萄糖釋放模式以促進(jìn)氨基酸和葡萄糖的同步吸收代謝可能是改善低蛋白質(zhì)飼糧氨基酸利用效率的可行方案。通常情況下，相較于直鏈淀粉，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的支鏈淀粉在動(dòng)物胃腸道中會(huì)誘導(dǎo)更大的糊化，并擁有更大的與消化酶接觸的面積，可以被畜禽快速消化并以葡萄糖的形式吸收[29]。因此，適當(dāng)提高支鏈淀粉含量以優(yōu)化飼糧淀粉組成，可能會(huì)改善低蛋白質(zhì)飼糧氨基酸和葡萄糖的消化吸收同步性，促進(jìn)生長(zhǎng)豬高效利用飼糧氨基酸。

4.1 低蛋白質(zhì)飼糧淀粉組成對(duì)生長(zhǎng)豬生長(zhǎng)性能和氮平衡的影響

Zhou等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在低蛋白質(zhì)飼糧中適量使用木薯作為支鏈淀粉來源替代玉米可以有效提升生長(zhǎng)豬采食后葡萄糖的吸收速率，提高葡萄糖與氨基酸消化吸收的同步性，調(diào)節(jié)相關(guān)胃腸激素的分泌，并最終改善飼糧氨基酸的利用效率和生長(zhǎng)豬的采食量及平均日增重。周俊言[24]研究指出，低蛋白質(zhì)飼糧的淀粉組成可以通過改變飼糧葡萄糖釋放模式來調(diào)整生長(zhǎng)豬營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝，適宜的飼糧葡萄糖釋放模式可以有效增強(qiáng)生長(zhǎng)豬全身蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)和氮利用效率，并提高其生長(zhǎng)性能。

4.2 低蛋白質(zhì)飼糧淀粉組成對(duì)生長(zhǎng)豬采食后氨基酸消化率隨時(shí)間變化規(guī)律的影響

在畜禽的消化道中，淀粉和蛋白質(zhì)混合存在于食糜中，飼糧淀粉組成調(diào)整引起的淀粉消化速率變化可改變食糜中蛋白質(zhì)與蛋白酶的接觸程度，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的消化吸收。周俊言[24]使用不同來源的純化淀粉調(diào)節(jié)低蛋白質(zhì)飼糧淀粉組成，在采食后12 h內(nèi)連續(xù)收集回腸末端食糜，將每2 h的食糜作為1個(gè)樣品進(jìn)行分析，探討了生長(zhǎng)豬回腸末端食糜中干物質(zhì)流量和氨基酸消化率隨采食后時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，生長(zhǎng)豬采食由蠟質(zhì)玉米淀粉和玉米淀粉組成的低蛋白質(zhì)飼糧后，回腸末端食糜干物質(zhì)流量先減少后增加，而采食高直鏈淀粉含量的豌豆淀粉飼糧后，生長(zhǎng)豬回腸末端食糜干物質(zhì)流量逐漸降低后保持穩(wěn)定。與蠟質(zhì)玉米淀粉和玉米淀粉相比，豌豆淀粉配制低蛋白質(zhì)飼糧增加了生長(zhǎng)豬回腸末端食糜干物質(zhì)流量，降低飼糧氨基酸的表觀回腸消化率。

4.3 低蛋白質(zhì)飼糧淀粉組成對(duì)生長(zhǎng)豬氨基酸腸道吸收和肌肉代謝的影響

動(dòng)物機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝處于變化的過程中，對(duì)代謝過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)于了解表型背后的內(nèi)在機(jī)制具有重要意義。

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從腸道吸收后首先進(jìn)入門靜脈血液。周俊言[24]在生長(zhǎng)豬門靜脈處安裝導(dǎo)管以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)氨基酸和葡萄糖的吸收。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，相比于豌豆淀粉低蛋白質(zhì)飼糧，蠟質(zhì)玉米淀粉低蛋白質(zhì)飼糧有效促進(jìn)生長(zhǎng)豬門靜脈對(duì)多種氨基酸、總EAA、總氨基酸和總支鏈氨基酸的吸收。骨骼肌對(duì)氨基酸的攝取主要用于沉積蛋白質(zhì)，肌肉氨基酸凈通量的增加意味著肌肉蛋白質(zhì)合成增強(qiáng)[31]。周俊言[24]在生長(zhǎng)豬的股動(dòng)脈和股靜脈中安裝導(dǎo)管，探究低蛋白質(zhì)飼糧淀粉組成對(duì)氨基酸在后肢肌肉利用的影響。結(jié)果顯示，高支鏈淀粉含量的低蛋白質(zhì)飼糧增加了生長(zhǎng)豬后肢肌肉的氨基酸凈通量，這表明肌肉合成得到改善。作者推測(cè)原因如下：首先，易消化的蠟質(zhì)玉米淀粉能被胃腸道快速消化并釋放葡萄糖，為腸道細(xì)胞氧化供能，使得本可能被用作腸道能量底物的氨基酸被吸收進(jìn)入門靜脈血液[32]。其次，蠟質(zhì)玉米淀粉組生長(zhǎng)豬在采食后迅速提升的血糖濃度可以改善mTOR磷酸化并增強(qiáng)氨基酸的吸收及蛋白質(zhì)合成[33-34]。另外，豌豆淀粉中含有較高比例的直鏈淀粉，其消化速度較慢，這增加了食糜的黏度[35]，進(jìn)而抑制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與消化酶的接觸，從而損害營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。此外，血糖的快速升高可以刺激促進(jìn)蛋白質(zhì)合成的激素的分泌，例如胰島素和瘦素[28-29]。

5 小結(jié)與展望

低蛋白質(zhì)飼糧通過補(bǔ)充工業(yè)晶體氨基酸，可在蛋白質(zhì)水平降低的條件下準(zhǔn)確滿足畜禽的氨基酸營(yíng)養(yǎng)需要。這是當(dāng)前精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)研究與應(yīng)用的集中體現(xiàn)，也是現(xiàn)代動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)發(fā)展和現(xiàn)代氨基酸工業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果。在蛋白質(zhì)資源短缺和排泄物污染嚴(yán)重的大背景下，低蛋白質(zhì)飼糧的全國(guó)性推廣已經(jīng)被放到了重要的位置。然而任何技術(shù)在應(yīng)用過程中都會(huì)暴露缺陷與不足，但也都會(huì)在不斷的研究與實(shí)踐中得到完善。根據(jù)低蛋白質(zhì)飼糧的特點(diǎn)特性，開發(fā)與之匹配的技術(shù)措施，深入挖掘其功能潛力，進(jìn)一步優(yōu)化完善低蛋白質(zhì)飼糧將是下一步工作的重點(diǎn)。