瘤胃保護(hù)性氨基酸的研究與應(yīng)用

高 民 云付雨 杜瑞平

為了減少蛋白質(zhì)飼料的浪費，降低飼料蛋白質(zhì)在瘤胃內(nèi)的降解，反芻動物研究者們采取了各種措施以提高飼料中蛋白質(zhì)的過瘤胃量。過瘤胃蛋白的使用初見成效，但是進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，由于反芻動物小腸內(nèi)吸收的氨基酸數(shù)量和種類決定了蛋白質(zhì)對反芻動物的最終生物學(xué)價值[1]，單靠增大過瘤胃蛋白的量，不一定能保證家畜增產(chǎn)。因為在過瘤胃蛋白的使用中還存在諸多局限性，如非降解蛋白對微生物蛋白合成的影響、可代謝蛋白的氨基酸組成不平衡、過瘤胃蛋白小腸內(nèi)可能出現(xiàn)的不易消化現(xiàn)象以及瘤胃內(nèi)環(huán)境的改變、微生物合成效率的降低、食靡流通加快等帶來的過瘤胃蛋白的功效下降等等[2]。

于是研究者們把重點轉(zhuǎn)移到瘤胃保護(hù)性氨基酸(RPAA)上。瘤胃保護(hù)性氨基酸，又稱過瘤胃氨基酸或瘤胃旁路氨基酸[3]。它的保護(hù)原理就是將氨基酸以某種方法進(jìn)行處理后使其被保護(hù)起來以免被瘤胃微生物所降解，安全到達(dá)小腸內(nèi)被吸收利用，當(dāng)然這種產(chǎn)品必須是綠色安全且在小腸內(nèi)能被有效吸收的。少量的RPAA不但可以代替數(shù)量可觀的瘤胃非降解蛋白(UIP),還能提高生產(chǎn)性能,降低日糧蛋白質(zhì)水平和飼料成本，對解決當(dāng)前蛋白質(zhì)飼料資源緊缺狀況和環(huán)境保護(hù)具有十分重要的意義。尤其可滿足高產(chǎn)反芻動物(如高產(chǎn)奶牛、強(qiáng)度育肥肉牛和肉羊)對小腸氨基酸的大量需要,目前對過瘤胃保護(hù)性氨基酸的研制、應(yīng)用和機(jī)理研究已經(jīng)成為反芻動物營養(yǎng)的熱點之一。

1 瘤胃保護(hù)性氨基酸的保護(hù)方法

1.1 化學(xué)法保護(hù)

此法是將被保護(hù)的氨基酸轉(zhuǎn)變成為氨基酸的衍生物、類似物、聚合物和金屬螯合物等，起到保護(hù)作用。氨基酸的衍生物和類似物能夠避開瘤胃內(nèi)的轉(zhuǎn)氨基作用，使其在瘤胃中不能被瘤胃微生物所利用，而可以在真胃中被吸收和利用，從而達(dá)到了過瘤胃保護(hù)的目的[4]。目前應(yīng)用較多的氨基酸類似物有蛋氨酸羥基類似物(MHA或MHA鈣鹽，化學(xué)全稱為2-羥基-4-甲硫基丁酸，HMB)。氨基酸衍生物有N-羥甲基-DL-蛋氨酸鈣、N-羥甲基-DL-蛋氨酸及其鹽類、蛋氨酸亞礬、二羥甲基-L賴氨酸鈣等。

而氨基酸的金屬螯合物則是將氨基酸分子與金屬離子螯合，形成一種較穩(wěn)固的五元環(huán)螯合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使得氨基酸螯合物在反芻動物瘤胃中不被微生物所分解而破壞，從而達(dá)到保護(hù)氨基酸的作用[5]。主要有蛋氨酸鐵、蛋氨酸銅、蛋氨酸錳、蛋氨酸鋅、蛋氨酸鈷、賴氨酸鋅、賴氨酸銅和甘氨酸鐵等。此外，螯合物中還有微量元素氨基酸螯合物，這種螯合物可以作為奶牛的微量元素添加劑使用，從而可提高反芻動物對微量元素的吸收和利用[6]。

1.2 物理法保護(hù)

即對氨基酸進(jìn)行包被(埋)處理,它主要是依據(jù)反芻動物瘤胃液與皺胃液或小腸液pH值的差別，選擇用pH值敏感的材料(如脂肪、纖維素及其衍生物、聚合物等)通過包衣的方式包被氨基酸制成RPAA。使其在瘤胃內(nèi)穩(wěn)定而在真胃或十二指腸內(nèi)可被分解，從而使氨基酸游離出來，被小腸吸收以達(dá)到保護(hù)氨基酸的目的[7]。

隨著反芻動物專家和研究人員對瘤胃認(rèn)識的發(fā)展，微膠囊技術(shù)逐漸被應(yīng)用在反芻動物飼料工業(yè)中。一些飼料原料，如維生素、氨基酸、不飽和脂肪酸和有難聞氣味的易揮發(fā)液體可通過微膠囊制備技術(shù)制成微膠囊粉末保護(hù)過瘤胃。

微膠囊是采用特殊的制備方法將某些具有成膜性能的材料包裹于囊心物質(zhì)外層而成的一種粒子。制備微膠囊的過程稱為微膠囊化(microencapsulation)，它是將固體、液體或氣體包裹在一個微小的膠囊中。包封用的壁殼稱為壁材，被包的囊芯稱為芯材。一般粒徑為 1～5 000 μm，囊壁厚度一般為 0.1～200 μm。形成微膠囊的物質(zhì)由于與外界環(huán)境相隔離，可以免受環(huán)境的影響，從而保持穩(wěn)定，而在適當(dāng)?shù)臈l件下，被包封物質(zhì)又可以釋放出來[8-9]。

微膠囊壁材常采用的保護(hù)性材料主要有天然高分子材料包括甘油三硬脂酸酯、氫化植物油、米糠蠟、樹脂、瓊脂、白蛋白、甘油酯、硬脂酸、棕櫚酸、月桂酸、明膠、阿拉伯膠、淀粉、糊精、玉米朊等；半合成高分子材料：β-CD、羧甲基纖維素、殼聚糖/甲殼素、甲基纖維素、乙基纖維素等；全合成高分子材料：聚乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、2-甲基-5-乙烯基吡啶、聚氨酯、聚乙烯乙二醇、聚丁二烯、聚甲基丙烯酸甲酯、環(huán)氧樹脂、石蠟等；無機(jī)材料：硅酸鹽、碳酸鈣、高嶺土、鋁矽酸鈉等四大類[10]。

微膠囊包衣工藝原理是利用壓縮空氣通過流化床空氣分布板使芯材有規(guī)律的在涂裝室內(nèi)運動,通過霧化器將壁材噴涂到芯材上而制成微膠囊顆粒。該膠囊可以采用已知的各種包囊技術(shù)，例如流化床技術(shù)、離心噴涂技術(shù)、造粒技術(shù)等。氨基酸的微膠囊制備技術(shù)常采用噴霧干燥、噴霧冷卻和Wurster流化床工藝[8-10]。

1.2.1 噴霧干燥法

此法原理是將被干燥的液體通過霧化器的作用，噴成非常細(xì)微的霧滴，并依靠干燥介質(zhì)(熱空氣或惰性氣體)與霧滴的均勻混合，進(jìn)行熱交換，使得溶劑汽化或者使得熔融物固化。噴霧干燥法最適于親油性液體物料的微膠囊化，芯材的憎水性越強(qiáng)，包理效果越好。該方法主要優(yōu)點是干燥速率高、時間短，物料溫度較低。對于噴霧干燥工藝來說，雖然采用較高溫度的干燥介質(zhì)，但是液滴中有大量溶劑存在時，物料的表面溫度一般不超過熱空氣的濕球溫度，因此非常適用于熱敏性物質(zhì)的干燥，產(chǎn)品純度高，具有良好的分散性和溶解性；生產(chǎn)過程簡單，操作控制方便，易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。缺點是單位產(chǎn)品的耗熱量大，設(shè)備的熱效率低，介質(zhì)消耗量大，另外，干燥器的體積較大，基建費用高。

1.2.2 噴霧冷卻法

噴霧冷卻法與噴霧干燥法的不同在于干燥室所用的空氣溫度以及所用的壁材性質(zhì)不同，干燥室空氣為室溫或經(jīng)冷卻處理，遠(yuǎn)低于所用壁材如脂質(zhì)(硬脂酸)或蠟質(zhì)的凝固點。這兩種工藝適用面較窄，對于香料等易揮發(fā)或?qū)崽貏e敏感或太不穩(wěn)定易氧化的芯材適合在低溫下使溶劑去除，使壁材凝聚形成微膠囊。水溶性的芯材如礦物質(zhì)、酶、水溶性維生素、酸味劑等，固體芯材如硫酸亞鐵、固體風(fēng)味料等。噴霧冷凍也可用于一般溶劑中溶解困難的生理活性物質(zhì)的微膠囊化。

1.2.3 Wurster流化床法

Wurster工藝開發(fā)改造了近三十年。經(jīng)過改造的現(xiàn)代Wurster裝置自1976年起在美國，后來在歐洲得以廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代裝置與傳統(tǒng)裝置最大的區(qū)別在于顆粒在涂裝室頂部被強(qiáng)制循環(huán)?；驹硎橇骰矅婌F室有底板上的囊芯物層受到向上氣流的推動，當(dāng)單位面積上囊芯物的質(zhì)量與氣體的壓力差相等時，囊芯物層膨脹而呈可流動狀，稱為流化態(tài)。

2 瘤胃保護(hù)性氨基酸的穩(wěn)定性檢驗

不同的保護(hù)方法和保護(hù)材料其效果不同，且RPAA在不同日糧中的穩(wěn)定性也不同，因此，需要對過瘤胃氨基酸的保護(hù)效果進(jìn)行測定。一般來說，無論哪種氨基酸保護(hù)形式，一方面它們必須盡可能地防止在瘤胃被降解，另一方面必須在瘤胃后消化道中能被有效的釋放，并被有效吸收和利用。由于進(jìn)入十二指腸中的氨基酸數(shù)量與瘤胃降解率有關(guān)，故可測定降解率來衡量瘤胃保護(hù)性氨基酸的過瘤胃性能。主要方法有尼龍袋法和體外發(fā)酵法。其中以尼龍袋法較為普遍，其準(zhǔn)確性和可靠性較好，但結(jié)果易受動物個體生理條件的影響，且操作復(fù)雜費時，成本較高，體外發(fā)酵法相比更簡單快速[11]。

3 瘤胃保護(hù)性氨基酸的飼用效果

過瘤胃氨基酸目前在奶牛生產(chǎn)中應(yīng)用較多，已成為調(diào)控高產(chǎn)奶牛理想小腸氨基酸的重要手段，對提高奶牛的生產(chǎn)水平有著重要的意義。

3.1 對奶牛生產(chǎn)性能的影響

隨著奶牛生產(chǎn)性能的提高，對氨基酸數(shù)量和質(zhì)量的要求也越來越高，限制性必需氨基酸尤為重要，研究表明，賴氨酸和蛋氨酸是奶牛產(chǎn)奶的主要限制性氨基酸[12-13]。國內(nèi)外最新的研究表明，在奶牛日糧中添加過瘤胃賴氨酸和蛋氨酸，不僅可以提高飼料利用率，減少奶牛日糧中的非降解蛋白飼料的供給量，從而降低成本，還可以在一定程度上提高泌乳奶牛的總產(chǎn)奶量和乳蛋白含量，避免蛋白質(zhì)過剩給奶牛造成的代謝負(fù)擔(dān)[14-18]。

3.2 對反芻動物瘤胃內(nèi)環(huán)境及對蛋白質(zhì)利用和菌體蛋白合成的影響

Robinson等（2005）證明，給奶牛飼喂10 g/d的賴氨酸，對瘤胃液pH值、NH3-N濃度和VFA濃度沒有顯著影響[19]。韓繼福等（2003）的研究表明，日糧中添加瘤胃保護(hù)氨基酸對瘤胃pH值、NH3-N、VFA沒有顯著影響[20]。

研究添加RPAA對反芻動物菌體蛋白合成的影響至關(guān)重要，因為瘤胃微生物可以將低質(zhì)量的氮源轉(zhuǎn)變成高質(zhì)量的菌體蛋白[21]。韓占強(qiáng)等（2009）研究結(jié)果表明，RPAA的添加并沒有改變瘤胃內(nèi)環(huán)境，對反芻動物瘤胃內(nèi)環(huán)境沒有不利的影響，對瘤胃微生物生長和菌體蛋白合成沒有影響[22]?？追驳碌龋?001）也研究證明對于菌體蛋白的合成無不利影響[25]。

3.3 對N排放的影響

Broderick等(2008)[24]報道,含最低CP及最高RPMet組日糧氮的利用效率最高,飼喂含較低日糧CP時牛奶中的尿素氮含量及尿素氮排放呈線性降低。Noftsger 等(2003)[17]、Dinn 等(1998)[25]研究結(jié)果也認(rèn)為,奶牛日糧中添加RPAA可以增加體內(nèi)氮的沉積,提高氮的利用率,從而降低奶牛排泄物中氮的含量,減少環(huán)境污染。賈明?。?010）[26]在每日添加瘤胃保護(hù)賴氨酸30 g/頭時，泌乳奶?？梢园l(fā)揮其最佳的泌乳性能，且有助于減輕奶牛尿氮排放對環(huán)境的污染。

4 影響瘤胃保護(hù)性氨基酸飼用效果的因素

4.1 過瘤胃氨基酸的加工處理方法

RPAA的處理方法會很大程度上影響其飼用效果，特別是包被處理的氨基酸。瘤胃保護(hù)性氨基酸在包被過程中由于材料和包被方法及實際制作過程等因素的影響可能會出現(xiàn)保護(hù)不足的現(xiàn)象，使得產(chǎn)品在瘤胃中就被降解破壞造成氨基酸的浪費，因此，瘤胃保護(hù)性氨基酸在瘤胃中的穩(wěn)定性很重要，對其飼用效果有很大的影響。與此同時，RPAA的制作過程中也會出現(xiàn)過度保護(hù)的問題[27]，這是由于保護(hù)劑的保護(hù)力太強(qiáng)，使得產(chǎn)品在小腸內(nèi)也無法被充分地消化利用，從而影響其飼用效果。在斯欽(1996)[28]的研究中表明，用氫化棕櫚油包被處理的蛋氨酸飼用效果明顯差于動物油包被處理。因此，不同的保護(hù)加工處理方法對于瘤胃保護(hù)氨基酸的飼用效果影響較大，制作生產(chǎn)中必須注意氨基酸包被材料及包被方法的選擇。

4.2 日糧

由于不同的日糧其氨基酸缺乏程度不一樣。所以在不同的基礎(chǔ)日糧中添加RPAA可能會產(chǎn)生不同的飼用效果。Socha等[29]在日糧蛋白質(zhì)水平為18.5%時，添加RPMet后發(fā)現(xiàn)，乳中蛋白和脂肪分別提高0.21%和0.14%。但在蛋白質(zhì)水平為16%時添加，則發(fā)現(xiàn)對于上述指標(biāo)沒有影響。此外，日糧的pH值也是值得注意的因素，當(dāng)青貯料的pH值過低(pH值＜3.6)時，會使瘤胃保護(hù)氨基酸在瘤胃內(nèi)就被降解[30]。

4.3 添加量和添加時期

RPAA的添加量通常是由日糧中相應(yīng)氨基酸的缺乏程度來確定的。Rode(1998)[31]認(rèn)為，在奶牛泌乳期的日糧中，蛋氨酸的添加水平一般為3～15 g/d，在這一水平范圍內(nèi)添加，對于奶牛泌乳期干物質(zhì)采食量沒有任何影響。一般認(rèn)為，日糧中單獨添加某種保護(hù)性氨基酸的效果會不如同時添加不同種過瘤胃氨基酸組合的效果好[32]。在實際生產(chǎn)中RPAA的添加一般均以最適添加量添加，添加量不夠，不能取得較好的飼用效果，但過高水平的添加也不好，會造成氨基酸的浪費，還會影響飼料的適口性，影響動物的采食量，甚至還會引起動物中毒[33]。

日糧添加瘤胃保護(hù)氨基酸的飼用效果也會因奶牛的不同生理階段而存在差異。因為泌乳奶牛在不同的生理階段對于氨基酸的需要量不同。研究發(fā)現(xiàn)，由于泌乳初期的奶牛所需的氨基酸較中后期奶牛相對缺乏，所以添加RPAA的飼用效果對于泌乳初期的奶牛要好于中后期的奶牛[34]。此外，有學(xué)者經(jīng)過研究證實，添加RPAA的最好時期應(yīng)是從奶牛分娩前2～3周開始至泌乳后大約150d的時期[35]。研究發(fā)現(xiàn)RPMet和RPlys的添加能夠顯著提高生長牛的生產(chǎn)性能，而對與成年牛則沒有顯著的影響[36]。可見不同時期的添加所帶來的效果也是有差異的。

5 結(jié)語

生產(chǎn)實踐中，瘤胃保護(hù)性氨基酸的使用可以增加進(jìn)入到小腸的可利用氨基酸的供給量，滿足反芻動物的氨基酸需要。因此，在高產(chǎn)反芻動物（如高產(chǎn)奶牛、強(qiáng)度育肥肉牛和肉羊）日糧中添加RPAA不但可以提高其生產(chǎn)性能和經(jīng)營者的經(jīng)濟(jì)效益，還可以節(jié)約蛋白質(zhì)飼料資源，降低氮的排放量，這對緩解世界性蛋白質(zhì)飼料資源緊缺的現(xiàn)狀和環(huán)境保護(hù)具有重要意義，將會在反芻動物生產(chǎn)中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。因此今后有必要在過瘤胃保護(hù)性氨基酸的生產(chǎn)方法、氨基酸的并用及復(fù)合制品的利用方面進(jìn)行更加深入的研究與討論。

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