反芻動(dòng)物對(duì)磷的利用

劉 陽(yáng) 楊昕澗 杜紅方 陳書琴 王永華 解祥學(xué)*

(1.廣東溢多利生物科技股份有限公司，珠海519060；2.華南理工大學(xué)食品與科學(xué)工程學(xué)院，廣州510641)

磷是動(dòng)物機(jī)體必需的常量礦物質(zhì)元素之一，在骨骼發(fā)育、細(xì)胞內(nèi)能量傳遞、血液酸堿平衡以及酶促反應(yīng)等過程中均發(fā)揮重要作用。磷在反芻動(dòng)物體內(nèi)和瘤胃微生物中發(fā)揮著比其他礦物質(zhì)更為重要的生物學(xué)功能，磷攝入不足會(huì)影響機(jī)體的正常代謝，造成繁殖性能和生產(chǎn)性能的下降，但磷飼喂量過高則不僅浪費(fèi)礦物質(zhì)資源，更會(huì)引起土壤、水體的富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題，從而帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，加重養(yǎng)殖戶的負(fù)擔(dān)。畜禽養(yǎng)殖過程中大量的磷隨糞便排泄，例如泌乳奶牛磷攝入量的58%會(huì)經(jīng)由糞便排出[1]，在美國(guó)，流入水體中磷的33%都由畜牧業(yè)造成[2]，而反芻動(dòng)物磷排泄則占整個(gè)畜禽養(yǎng)殖的60%左右[3]。當(dāng)前國(guó)家不斷出臺(tái)措施加強(qiáng)畜禽污染管控，嚴(yán)格限制糞污排放，而且在世界范圍內(nèi)礦物質(zhì)磷資源可能都會(huì)因?yàn)槿狈Χ鴥r(jià)格上漲[4]。因此，如何在保證正常生產(chǎn)性能的條件下減少飼糧磷添加量，提高反芻動(dòng)物磷利用率，最大限度地減少磷排泄已經(jīng)成為行業(yè)必須面對(duì)且迫切需要解決的問題。本文主要從反芻動(dòng)物中磷的消化代謝特點(diǎn)、需要量、對(duì)生產(chǎn)性能的影響等方面進(jìn)行總結(jié)，探討提高磷利用率的措施，從而為生產(chǎn)中減少磷排泄提供指導(dǎo)。

1 磷的消化代謝特點(diǎn)

進(jìn)入消化道內(nèi)的總磷由內(nèi)源磷和外源磷2部分組成，外源部分來(lái)源于飼糧，內(nèi)源部分則主要來(lái)源于唾液。反芻動(dòng)物前胃對(duì)磷酸根離子吸收率較低，磷吸收的主要部位為小腸前段。不同于單胃動(dòng)物小腸中的磷吸收有維生素D依賴的主動(dòng)運(yùn)輸和被動(dòng)吸收2種方式，反芻動(dòng)物磷吸收的主要方式目前仍不清楚，某種載體的介導(dǎo)會(huì)降低高含量下磷的吸收效率[5]，這可能是補(bǔ)飼磷會(huì)導(dǎo)致其利用率下降的原因所在。許多營(yíng)養(yǎng)因素都能影響磷的利用，例如飼糧磷含量、總磷含量、磷源、牧草與谷物的比例、飼糧鈣含量等，動(dòng)物年齡、不同生理階段以及內(nèi)分泌激素等也會(huì)影響磷的消化代謝，一些研究者利用代謝模型來(lái)預(yù)測(cè)磷的吸收和排泄，Hill等[6]用一系列代謝參數(shù)構(gòu)建了泌乳奶牛磷消化的動(dòng)態(tài)模型，假定磷攝入量為75 g/d時(shí)其全消化道消化率為38%，其中65%會(huì)經(jīng)唾液循環(huán)再進(jìn)入瘤胃中，30%用于乳的合成；植酸磷在瘤胃內(nèi)消化率為74%，但在消化道后段沒有吸收，無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷在消化道后段的消化率分別為48%和89%。常用的表示飼糧有效磷的指標(biāo)有磷表觀消化率和磷相對(duì)生物學(xué)價(jià)值，但只有磷真消化率才能最準(zhǔn)確地反映其消化吸收情況。目前的研究中仍然缺乏有效磷利用的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系，不同因素的影響也難以統(tǒng)一和量化，所以針對(duì)于此的研究應(yīng)該成為重點(diǎn)，而植酸磷在反芻動(dòng)物飼糧中占比較大且在減少磷排泄方面具有應(yīng)用潛力，因此研究植酸磷的消化代謝也就尤為重要。

1.1 植酸磷的瘤胃內(nèi)消化

植酸酶作為添加劑已經(jīng)在單胃動(dòng)物中廣泛使用，而反芻動(dòng)物因其瘤胃微生物能產(chǎn)生植酸酶，進(jìn)而可以有效利用飼糧中的植酸磷。植酸即肌醇六磷酸(myo-inositol hexakisphosphate,IP-6)，是谷物飼糧及其副產(chǎn)物中磷的主要儲(chǔ)存形式。反芻動(dòng)物飼糧中植酸磷占總磷比例很高。植酸在瘤胃微生物合成的植酸酶作用下能水解為低磷酸化肌醇[肌醇一磷酸(IP-1)、肌醇二磷酸(IP-2)、肌醇三磷酸(IP-3)、肌醇四磷酸(IP-4)、肌醇五磷酸(IP-5)]和磷酸基團(tuán)，并在小腸中進(jìn)一步被消化和吸收。Ray等[7]通過測(cè)定糞中植酸的排泄發(fā)現(xiàn)奶牛對(duì)植酸的消化率高達(dá)93%～99%，且給奶牛補(bǔ)飼植酸磷不會(huì)影響其在瘤胃中的水解，說(shuō)明增加植酸磷攝入并不會(huì)使瘤胃內(nèi)植酸酶活性趨于飽和；該研究還表明，磷源對(duì)無(wú)機(jī)磷的凈消化以及植酸磷在大腸中的消化率也無(wú)顯著影響，說(shuō)明相對(duì)于飼糧不同磷源，總磷含量的改變對(duì)磷排泄的影響更大。

不同飼料原料中植酸的水解特性各不相同[8]，結(jié)合蛋白質(zhì)等其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力也不同，這可能是因?yàn)橹参锓N子中植酸的儲(chǔ)存形式與位點(diǎn)不同[9]，油籽中的植酸主要位于糊粉層，大豆和玉米分別位于蛋白體和胚芽中，所以油籽和谷物副產(chǎn)品中植酸磷含量普遍較高，牧草內(nèi)植酸含量較低，只存在于苜蓿和一些稻科植物中。熱處理、甲醛處理等飼料加工方法以及飼糧組分等均會(huì)影響植酸的消化利用，增加飼糧中植酸含量可以促進(jìn)其在奶牛瘤胃中以及全消化道的降解，但補(bǔ)飼磷的結(jié)果與其相反[10]，這與Haese等[11]在體外試驗(yàn)中得出的研究結(jié)果一致。

Haese等[11]發(fā)現(xiàn)不同飼料原料間植酸的可降解性存在顯著差異，盡管高含量的植酸能提高其在瘤胃中的消化率，但油籽類原料尤其是菜籽粕在瘤胃內(nèi)的降解速率要低于谷物原料。因此，當(dāng)飼糧中含有油籽粕類原料時(shí)，可以通過提高植酸含量來(lái)促進(jìn)其在瘤胃內(nèi)的降解，尤其對(duì)于高產(chǎn)奶牛，干物質(zhì)采食量(DMI)增加，飼糧攝入后在瘤胃內(nèi)停留時(shí)間減少，且此時(shí)瘤胃發(fā)酵條件欠佳，這都會(huì)限制植酸的降解[12]。飼糧組成還會(huì)影響瘤胃內(nèi)植酸酶的活性[11]，因此不同微生物及其所產(chǎn)生植酸酶的特征需要進(jìn)一步研究。

NRC(2001)規(guī)定牧草和精料中磷的消化率分別為64%和70%。Cherry等[13]利用尼龍袋技術(shù)來(lái)測(cè)定牧草中磷在荷斯坦奶公犢消化道中降解的情況，結(jié)果表明，青貯玉米、苜蓿干草以及狗牙根干草中磷的全消化道消化率分別為90.6%、93.7%和83.8%。除此之外，牧草的成熟期對(duì)磷的降解也有顯著影響，例如頭次收割后35 d收割的牧草與頭次收割后14 d的牧草相比，磷的全消化道消化率減少了5.4%[14]。Wu[15]還發(fā)現(xiàn)用豆皮替代苜蓿干草能通過提高磷的可消化性來(lái)減少磷排泄，同時(shí)不會(huì)對(duì)奶牛生產(chǎn)性能產(chǎn)生影響，說(shuō)明使用易消化的纖維源能在滿足磷需要量條件下降低飼糧中磷的含量，進(jìn)而減少磷排泄。

以上研究結(jié)果提示，應(yīng)該精確掌握不同飼料原料中磷在消化道中的釋放量，并在設(shè)計(jì)飼糧配方時(shí)充分考慮這些原料中磷的可消化性。

1.2 植酸磷的瘤胃后消化

通過瘤胃后的植酸鹽還能進(jìn)行進(jìn)一步的水解，但這方面的研究較少。單胃和反芻動(dòng)物吸收磷的主要部位都是小腸[16]，但植酸磷在奶牛小腸中的消化率很低[17]，切碎的飼草則會(huì)影響磷的流動(dòng)和吸收，增加小腸中磷的通過量，進(jìn)而增加磷排泄[12]。Riojas-McCollister等[14]觀察到苜蓿等牧草在瘤胃后消化道有明顯的磷釋放。不同原料中磷在消化道中主要降解位置可能有差異。Cherry等[13]發(fā)現(xiàn)不同消化道區(qū)段對(duì)飼料原料中磷的降解有很大影響，一些豆科牧草中磷的主要消化部位位于腸道，這可能與其含有縮合單寧有關(guān)，因?yàn)閱螌幣c磷的結(jié)合會(huì)減緩其在瘤胃內(nèi)的降解。大腸微生物也可以產(chǎn)生植酸酶來(lái)催化少量植酸鹽的水解，Ray等[7]還觀察到了大腸內(nèi)磷的吸收，16%經(jīng)回腸流出的植酸鹽能在大腸內(nèi)被降解，但這不受飼糧植酸鹽含量的影響，瘤胃和大腸微生物植酸酶的底物偏好可能不同，這也可以彌補(bǔ)前段腸道對(duì)于植酸鹽降解以及磷吸收的不足，關(guān)于植酸鹽降解的位點(diǎn)及其在大腸內(nèi)的消化吸收還需要進(jìn)一步的研究。

由于在DMI、飼糧成分以及采樣和樣品分析方法等方面存在差異，所以通過對(duì)比不同的研究來(lái)確定影響植酸降解的因素比較困難，而且體外試驗(yàn)中觀察到的影響因素并不一定適用于體內(nèi)試驗(yàn)。目前的研究中主要還是缺乏有效磷利用的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系，下一步研究應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：1)繼續(xù)從定量的角度來(lái)闡述磷在消化道內(nèi)的吸收以及內(nèi)源磷的分泌，完善磷消化代謝的動(dòng)態(tài)模型；2)研究不同飼料原料中磷的降解特性，掌握其真實(shí)消化率的數(shù)據(jù)，為飼糧配制提供依據(jù)；3)探索微生物區(qū)系對(duì)不同類型植酸酶產(chǎn)量以及植酸磷消化的影響，并研究此條件下瘤胃微生物的適宜磷含量。

2 反芻動(dòng)物磷需要量

NRC(2001)推薦奶牛生產(chǎn)25～55 kg牛奶時(shí)所需的飼糧磷含量為3.20～3.80 g/kg DM，每生產(chǎn)1 kg乳脂率為4.5%的牛奶時(shí)所需磷為3.2 g。劉春生[18]報(bào)道這一推薦值對(duì)于泌乳奶牛是足夠的，且經(jīng)直接測(cè)定奶中磷含量可得用于泌乳的磷需要量為0.9 g/kg牛奶，而磷含量高于3.8 g/kg DM時(shí)對(duì)提高奶牛繁殖性能和生產(chǎn)性能沒有顯著影響。雖然一些研究表明，飼喂磷含量高于NRC(2001)推薦值時(shí)對(duì)生產(chǎn)性能沒有顯著影響[19]，但磷的實(shí)際飼喂量仍然超過NRC(2001)的30%[20]，所以目前普遍認(rèn)為生產(chǎn)中磷的供給是過量的。Geisert等[21]發(fā)現(xiàn)給青年母牛飼喂含磷量為0.10%的飼糧會(huì)導(dǎo)致磷的缺乏，而其適宜磷需要量為0.10%～0.17%，且這一范圍的添加量還能減少磷排泄，所以在谷物型基礎(chǔ)飼糧上補(bǔ)飼磷是沒有必要的。

Bjelland等[22]認(rèn)為0.20%～0.35%的飼糧磷含量即可滿足后備奶牛的營(yíng)養(yǎng)需要，Kebreab等[23]關(guān)于奶牛飼喂管理的研究也認(rèn)為，導(dǎo)致磷排泄污染環(huán)境的首要原因就是磷飼喂量過高。我國(guó)《肉羊飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)》(NY/T 816—2004)推薦育成期山羊飼糧磷含量為0.35%，王建華等[24]研究表明，飼糧磷含量為0.29%～0.41%時(shí)可滿足嶗山奶山羊的營(yíng)養(yǎng)需要，磷含量為0.59%時(shí)則會(huì)增加磷排泄，降低磷表觀消化率。

以上研究大都建議適當(dāng)降低反芻動(dòng)物飼糧中磷含量，但目前磷的適宜添加量都是根據(jù)生殖性能、產(chǎn)奶量以及骨骼穩(wěn)定性等方面指標(biāo)研究得出[25]。目前，減少反芻動(dòng)物飼糧中磷含量，從而減少糞磷的排泄受到鼓勵(lì)。Macrae等[26]觀察到，超過10%的泌乳早期奶牛伴隨有低磷血癥，這可能是由泌乳或者產(chǎn)奶量的增加導(dǎo)致磷需要量的增加，而臨產(chǎn)奶牛飼糧磷含量偏低或泌乳早期奶牛采食量處于最低點(diǎn)引起的；Knowlton等[27]也認(rèn)為低磷飼喂的泌乳早期奶牛需要?jiǎng)訂T骨骼中的磷來(lái)滿足維持和生產(chǎn)需要；然而，Eisenberg等[28]給奶牛飼喂低磷飼糧(0.2%)后發(fā)現(xiàn)，飼糧磷含量下降不會(huì)通過損傷細(xì)胞內(nèi)免疫功能來(lái)影響奶牛健康。因此，在研究反芻動(dòng)物磷需要量時(shí)，除了繁殖性能和生產(chǎn)性能外，還應(yīng)該關(guān)注其對(duì)機(jī)體其他方面代謝的影響。

3 磷含量對(duì)生產(chǎn)性能、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率以及磷排泄的影響

通常認(rèn)為總磷攝入量是決定奶牛磷排泄量的主要因素，很多研究也已經(jīng)表明二者之間存在正相關(guān)關(guān)系[29]，而給奶牛飼喂低磷飼糧則可以顯著減少磷排泄量[30]。腸道磷吸收以及骨骼內(nèi)磷的沉積與重吸收是維持機(jī)體適宜血液磷含量的主要調(diào)節(jié)因素，而骨磷平衡又與磷攝入量以及瘤胃內(nèi)植酸酶活性有關(guān)，因此將磷攝入量降低到推薦值以下可能并不會(huì)提高植酸磷的消化率。

飼糧磷含量不影響泌乳奶牛DM的表觀消化率，磷的表觀消化率為36.61%～38.76%[31]。趙恒聚等[32]發(fā)現(xiàn)飼糧磷含量為0.32%時(shí)不影響荷斯坦奶牛生產(chǎn)性能，但磷表觀消化率隨磷攝入量的增加極顯著降低，降低飼糧磷含量也能極顯著降低磷排泄量[33]，對(duì)中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維表觀消化率也有顯著影響[34]。在熱應(yīng)激條件下，飼糧磷含量為0.29%時(shí)荷斯坦奶牛的產(chǎn)奶量和乳脂率均顯著低于飼糧磷含量為0.35%和0.42%時(shí)，機(jī)體的鈣、磷代謝也受到了影響[35]。Puggaard等[36]也發(fā)現(xiàn)飼糧磷含量從3.4 g/kg DM降至2.3 g/kg DM時(shí)會(huì)顯著降低泌乳早期奶牛DMI、產(chǎn)奶量和乳蛋白產(chǎn)量。

如上所述，已經(jīng)有不少關(guān)于反芻動(dòng)物磷需要量、飼糧磷含量與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率關(guān)系、飼糧磷含量影響生產(chǎn)性能的研究，總體來(lái)看普遍傾向于要適當(dāng)降低反芻動(dòng)物飼糧中磷含量，但各研究結(jié)果不盡一致，這可能是因?yàn)榱自床煌缣砑恿姿釟溻}和麩皮都可以快速提高飼糧磷含量，但磷源的不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響卻沒有被考慮在內(nèi)。除了試驗(yàn)動(dòng)物、飼糧不同等因素外，主要還是因?yàn)橛行Я自u(píng)價(jià)體系不同，比如磷表觀消化率和磷相對(duì)生物學(xué)價(jià)值都不能反映磷吸收利用的真實(shí)情況，而且目前缺乏對(duì)飼料原料中有效磷的準(zhǔn)確評(píng)定，這也是導(dǎo)致過量磷排泄的根本原因之一，下一步的研究應(yīng)該主要從這些方面入手。

4 提高磷利用率的措施

4.1 外源植酸酶的添加

植物性內(nèi)源植酸酶在瘤胃內(nèi)的植酸鹽降解中只發(fā)揮很小的作用，因此通過增加含有高內(nèi)源性植酸酶的精料的比例來(lái)促進(jìn)植酸的降解并不可行[11]，外源植酸酶是一種廣泛使用的單胃動(dòng)物飼料添加劑，可以通過細(xì)菌、酵母、黑曲霉等多種形式的微生物獲得[37]，目前很少見到其適用于反芻動(dòng)物的商業(yè)產(chǎn)品。Knowlton等[38]發(fā)現(xiàn)給泌乳奶牛補(bǔ)充外源植酸酶可以減少其糞磷的排泄；Jarrett等[12]雖然觀察到了相反的結(jié)果，但其研究表明植酸酶可以將植酸磷的消化率從96.7%提高到97.6%，且植酸酶在全混合日糧(TMR)中就可以快速地將植酸磷降解為無(wú)機(jī)磷。Kincaid等[39]通過給奶牛補(bǔ)飼植酸酶，將植酸磷的全消化道消化率從80%提高到了85%。這些結(jié)果提示，補(bǔ)飼植酸酶或許可以在降低飼糧總磷含量的條件下促進(jìn)植酸磷的降解，進(jìn)而提高磷的消化率、減少磷排泄，但外源植酸酶在反芻動(dòng)物機(jī)體內(nèi)作用的有效性仍然需要進(jìn)一步的研究。

4.2 飼料加工技術(shù)的優(yōu)化

如前所述，植酸鹽的可消化性與其在植物飼料中的儲(chǔ)存形式與分布有關(guān)，且植酸鹽主要位于糊粉層和外麩中，因此通過機(jī)械加工來(lái)使這一部分分離能有效減少植酸磷含量[40]，但研磨等加工方法會(huì)導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失，且反芻動(dòng)物飼糧中就含有谷物副產(chǎn)品。研究顯示，發(fā)酵可以有效降解植酸磷[41]，因?yàn)槿樗峋⒔湍傅染墚a(chǎn)生植酸酶[42]，發(fā)酵后微生物產(chǎn)酸使飼料pH降低也有利于植物內(nèi)源性植酸酶發(fā)揮作用[43]。使用熱處理、甲醛等化學(xué)劑處理飼料會(huì)降低其在瘤胃中的溶解度，但用乳酸處理大麥不僅增強(qiáng)了淀粉和纖維的消化，還催化了植酸鹽的水解，促進(jìn)了磷的消化，利用乳酸、檸檬酸等有機(jī)酸處理后的大麥還能促進(jìn)反芻動(dòng)物對(duì)中性洗滌纖維(NDF)的消化，這可能與其對(duì)瘤胃內(nèi)細(xì)菌菌群的影響有關(guān)。種子萌發(fā)后植酸鹽含量會(huì)迅速降低，且植酸酶活性增加[44]，但在反芻動(dòng)物飼糧中應(yīng)用發(fā)芽谷物對(duì)其生長(zhǎng)、生產(chǎn)性能等的影響還有待于進(jìn)一步研究。此外，還可以利用植酸鹽的水溶性來(lái)通過浸泡去除部分植酸鹽，浸泡條件也有利于植酸酶活性的提高，有效降解植酸鹽，但該過程也會(huì)造成其他營(yíng)養(yǎng)成分的損失。以上方法都可以在一定程度上減少植酸鹽含量和增強(qiáng)植酸酶活性，但使用時(shí)需綜合考慮對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化的影響。

4.3 飼糧配方的優(yōu)化

磷的平衡調(diào)節(jié)機(jī)制主要通過唾液磷的再循環(huán)和內(nèi)源磷的排出來(lái)實(shí)現(xiàn)，二者與反芻動(dòng)物磷的吸收量密切相關(guān)[45]。鈣、磷能促進(jìn)反芻動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育、維持正常的免疫功能、有效提高生產(chǎn)性能[46]。較早的研究認(rèn)為，鈣磷比為(1～7)∶1比較適合。但鈣在瘤胃中會(huì)與植酸鹽結(jié)合形成難以利用的植酸鈣，不僅抑制植酸酶的水解作用，還會(huì)降低鈣的利用率，過量的鈣和其他金屬離子如鐵離子、鎂離子、鋁離子等都能與磷酸結(jié)合生成不溶性鹽類而阻礙磷的吸收。反芻動(dòng)物缺乏排出多余鈣的機(jī)制，而且飼糧中鈣比例也容易偏高，因此適宜的鈣磷比及鈣含量對(duì)磷利用非常重要。維生素D是維持細(xì)胞外液磷生理含量的重要因子，1，25-二羥基維生素D能促進(jìn)腸道對(duì)磷的吸收，血漿磷含量過低時(shí)會(huì)刺激其產(chǎn)生，低含量磷的吸收也要依靠維生素D的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以配制低磷飼糧時(shí)要尤其注意維生素D的補(bǔ)充。此外，如前文所述，精料原料中磷的可利用性需要重點(diǎn)考慮，但需要有基礎(chǔ)研究的支撐。

5 小 結(jié)

總體而言，目前可以適當(dāng)降低反芻動(dòng)物生產(chǎn)中磷的實(shí)際添加量，以此來(lái)有效減少磷排泄。但關(guān)于不同飼料原料中磷的真實(shí)可利用性的研究仍然較少，標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)磷消化率的方法也需要建立，這樣才能有效比較不同的研究結(jié)果，優(yōu)化磷在機(jī)體內(nèi)消化吸收的動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)而在飼糧設(shè)計(jì)中平衡各項(xiàng)因素，提高磷的消化率。