鈣磷的代謝規(guī)律及其在仔豬營養(yǎng)上的研究進(jìn)展

易宏波 王 麗 楊雪芬 蔣宗勇

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動(dòng)物科學(xué)研究所，畜禽育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南動(dòng)物營養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省畜禽育種與營養(yǎng)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

鈣磷是動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的礦物元素，對(duì)動(dòng)物的生長發(fā)育、能量代謝、信號(hào)傳遞等過程有重要作用[1-2]。鈣磷缺乏會(huì)導(dǎo)致畜禽生長緩慢、飼料報(bào)酬降低、骨軟化癥、佝僂病以及乳熱癥等；鈣磷過多則易導(dǎo)致高鈣血癥和高磷血癥，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致軟組織礦化，影響畜禽生長性能[3]。因此，飼糧中添加適量的鈣磷對(duì)于畜禽的健康生長十分重要。過去由于鈣磷成本較低，鈣磷添加較為粗放，其精準(zhǔn)營養(yǎng)供給技術(shù)的研究相對(duì)滯后。近年來隨著飼料原料、磷礦等成本飆升，畜禽產(chǎn)品價(jià)格回落，環(huán)境保護(hù)的要求，養(yǎng)殖企業(yè)面臨著降本增效求生存的考驗(yàn)。基于此，在充分了解畜禽生長營養(yǎng)動(dòng)態(tài)需求的情況下，精準(zhǔn)控制飼糧鈣磷的添加量及方式，形成畜禽鈣磷的精準(zhǔn)營養(yǎng)供給技術(shù)，具有重要的科學(xué)意義和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文主要從鈣磷的分布和代謝規(guī)律、不同體重階段仔豬鈣磷的需要量以及不同飼料原料鈣磷的吸收效率等方面進(jìn)行綜述，為仔豬鈣磷精準(zhǔn)營養(yǎng)供給提供參考。

1 鈣磷在體內(nèi)的分布及其作用

鈣是動(dòng)物機(jī)體中含量最高的礦物質(zhì)，在體內(nèi)99%的鈣以羥基磷灰石形式存在于骨骼及牙齒中。在骨骼中，鈣通過增強(qiáng)骨骼強(qiáng)度和提供鈣儲(chǔ)蓄池來發(fā)揮作用。剩余1%非骨骼鈣以游離或結(jié)合態(tài)存于動(dòng)物血液、組織液和軟體組織中，通過在不同的鈣池中進(jìn)行交換，完成介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)外信號(hào)傳導(dǎo)、神經(jīng)沖動(dòng)傳遞和肌肉收縮等生理活動(dòng)[1]。鈣穩(wěn)態(tài)通過控制腸道、腎臟和骨骼中鈣轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)行調(diào)節(jié)，將許多組織和器官連接起來并互相影響[4]。甲狀旁腺激素(PTH)、降鈣素和1,25二羥基維生素D3[1,25-(OH)2D3]是主要的血鈣調(diào)節(jié)激素，當(dāng)鈣調(diào)激素過低或過高時(shí)，鈣穩(wěn)態(tài)受到破壞，造成低鈣血癥或高鈣血癥[4-5]。

磷在動(dòng)物體內(nèi)含量僅次于鈣，80%以磷灰石的形式存在于骨骼和牙齒中，還有一部分磷存在于軟組織和細(xì)胞外液中充當(dāng)緩沖液。磷是遺傳物質(zhì)和大部分酶的重要組成成分，在能量轉(zhuǎn)移、遺傳信息、信號(hào)傳遞以及維持生物膜完整性中發(fā)揮重要作用[2]。腎臟是調(diào)節(jié)磷酸鹽穩(wěn)態(tài)的重要器官，通過調(diào)節(jié)腎小球?yàn)V液對(duì)磷的重吸收來維持正常的血清磷水平。成纖維細(xì)胞生長因子23(fibroblast growth factor 23, FGF23)和PTH是調(diào)節(jié)磷酸鹽穩(wěn)態(tài)的主要激素[6]。當(dāng)磷穩(wěn)態(tài)受到破壞時(shí)，慢性低磷血癥會(huì)導(dǎo)致骨骼礦化延遲，而慢性高磷血癥則引起皮下、血管和神經(jīng)組織中的軟組織礦化。

2 鈣磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)

機(jī)體70%～90%鈣磷的吸收發(fā)生在小腸，胃和大腸約占總吸收的10%[7]，其吸收方式主要為跨細(xì)胞主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。在腸腔內(nèi)，鈣通過鈣轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(CaT1)和上皮鈣通道(ECAC)進(jìn)入腸上皮細(xì)胞[8-9]，然后與細(xì)胞內(nèi)鈣結(jié)合蛋白9K、27K結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞器內(nèi)。其余的Ca2+擴(kuò)散至基底外側(cè)膜，隨后在鈣泵Ca2+-ATP酶的作用下，經(jīng)逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Na+/Ca2+交換體將Ca2+排出，最終進(jìn)入到門靜脈[10]。此外，鈣還可通過細(xì)胞旁途徑中的閉合蛋白2、12、15在腸腔內(nèi)被動(dòng)擴(kuò)散[11]。磷主要通過Na+依賴性磷酸根離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(PiT)和磷酸根離子-鈉離子協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(NaPi)對(duì)磷酸根離子進(jìn)行吸收。腸腔內(nèi)，磷酸根離子主要經(jīng)NaPi2b、PiT1和PiT2，利用Na+濃度差使其進(jìn)入小腸上皮細(xì)胞。腸腔外，磷酸根離子則主要通過NaPi2a、NaPi2c、PiT1和PiT2被腸外細(xì)胞攝入。腎臟是鈣磷重吸收的主要場所。未被腸道吸收的鈣磷主要通過糞便排出體外，而細(xì)胞外液中未被吸收利用的鈣磷離子經(jīng)過腎小球時(shí)，在近端小管和遠(yuǎn)端小管被重新吸收，多余的鈣磷則通過尿液排出體外(圖1)[12-13]。

圖1 鈣磷的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)

3 鈣磷的代謝調(diào)控及其互作

動(dòng)物體內(nèi)的鈣磷穩(wěn)態(tài)受多種因素影響，包括腸腔吸收、腎臟重吸收、鈣磷排泄以及細(xì)胞外基質(zhì)與骨組織之間的鈣磷交換。鈣磷代謝主要通過FGF23、PTH和1,25-(OH)2D33種激素協(xié)同調(diào)節(jié)(圖2)。骨細(xì)胞分泌的FGF23在維持機(jī)體磷穩(wěn)態(tài)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。FGF23可特異性識(shí)別成纖維細(xì)胞生長因子受體1(FGF receptor 1, FGFR1)，激活細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)酶(extracellular signal regulated kinase, ERK)使鈉氫交換器調(diào)節(jié)因子1(sodium-hydrogen exchanger regulatory factor 1, NHERF1)磷酸化。磷酸化后的NHERF1可將鈉依賴性磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2A(sodium-dependent phosphate transport protein 2A, NPT2A)置換到溶酶體內(nèi)使其降解，從而抑制磷酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)吸收。此外，F(xiàn)GF23還可直接通過NPT2A調(diào)節(jié)磷酸鹽的再吸收[14-16]。研究表明，血清磷濃度下降會(huì)抑制骨細(xì)胞分泌FGF23，通過腎近端腎小管細(xì)胞中的NaPi Ⅱ共轉(zhuǎn)運(yùn)體增強(qiáng)腎小管對(duì)磷的重吸收，活化受抑制的FGFR1還可經(jīng)羥化酶編碼因子CYP27B1和CYP24A1促進(jìn)1,25-(OH)2D3分泌[17]；另外，由甲狀旁腺細(xì)胞分泌的PTH在維持機(jī)體鈣穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要作用。研究表明，血清鈣濃度下降會(huì)引起甲狀旁腺細(xì)胞中的鈣受體(CaR)失活從而促進(jìn)PTH分泌，隨之促進(jìn)腎臟中1,25-(OH)2D3的分泌，通過激活維生素D受體(VDR)增強(qiáng)腎臟對(duì)鈣的吸收，并抑制腎小管對(duì)磷的重吸收[18]。雖然FGF23和PTH對(duì)腎小管對(duì)磷的重吸收具有相同作用，但Pi-FGF23相較于Pi-PTH作用更加緩慢。此外，血清鈣磷濃度的變化還會(huì)引起其他重要激素的分泌。降鈣素是甲狀腺濾泡旁細(xì)胞分泌的一種肽激素，可抑制骨的鈣外流和促進(jìn)成骨作用，進(jìn)而迅速降低血清中的鈣磷濃度，同時(shí)還可以阻斷PTH與受體的結(jié)合。降鈣素的分泌主要受血清鈣濃度的影響，血清鈣濃度升高可刺激降鈣素的分泌，血清鈣濃度降低則抑制其分泌[19]。

鈣磷的代謝不是獨(dú)立的，在各種營養(yǎng)生理過程中均存在復(fù)雜的交互作用[20]。骨骼中，鈣磷代謝與成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的形成相關(guān)[21]。正常骨生成需要吸收來源于細(xì)胞外液中的鈣磷，其吸收比例約為5∶3。細(xì)胞外液鈣磷濃度過低會(huì)導(dǎo)致骨骼去礦化，而過飽和會(huì)導(dǎo)致軟組織礦化。鈣磷濃度變化通過FGF23、PTH和1,25-(OH)2D3維持體內(nèi)鈣磷的穩(wěn)態(tài)。鈣磷在飼糧中也存在交互作用。研究表明，大量使用鈣補(bǔ)充劑會(huì)顯著降低磷的生物利用率。反之，大量使用磷補(bǔ)充劑也會(huì)抑制鈣吸收。因此，飼糧添加鈣磷需考慮其交互作用，避免鈣磷缺乏。此外，母乳是初生仔豬鈣磷的主要來源，其供應(yīng)鈣約1 800 mg/L，磷約800 mg/L。母乳中的鈣磷可與酪蛋白結(jié)合形成微膠粒，有利于仔豬吸收利用[22]。

Osteocyte：骨細(xì)胞；FGF23：成纖維細(xì)胞生長因子23 fibroblast growth factor 23；Kidney：腎臟；Parathyroid cell：甲狀旁腺細(xì)胞；PTH：甲狀旁腺激素 parathyroid hormone；Calcitonin：降鈣素；Bone：骨骼；Gut：腸道；[Pi]：血清磷 phosphorus in serum；[Ca]：血清鈣 calcium in serum；TmPi：腎小管重吸收的磷 maximal tubular reabsorption of Pi；1,25D3：1,25二羥基維生素D3 1,25-dihydroxyvitamin D3。

4 鈣磷在仔豬營養(yǎng)上的應(yīng)用研究

4.1 仔豬對(duì)鈣磷的需要量

鈣磷是豬生長發(fā)育的必需元素，不同生長階段的豬對(duì)鈣磷的需求量各不相同，其中仔豬生長發(fā)育階段對(duì)鈣磷的需求量較大，育肥階段對(duì)鈣磷的需求趨于穩(wěn)定。關(guān)于斷奶仔豬鈣磷的需要量國內(nèi)外數(shù)十年前已被大量的研究，并形成了營養(yǎng)需要標(biāo)準(zhǔn)。由表1可見，隨著仔豬體重增加，總鈣含量從0.9%逐漸降低至0.7%，總磷含量從0.7%逐漸降至0.6%，鈣磷比例維持在1.2左右。目前，國內(nèi)研究主要利用總鈣、總磷或有效磷等數(shù)據(jù)進(jìn)行仔豬需要量研究，歐美等國家已經(jīng)開始標(biāo)準(zhǔn)全消化道可消化鈣(STTD Ca)和標(biāo)準(zhǔn)全消化道可消化磷(STTD P)的研究[23]。研究表明，通過STTD Ca和STTD P配制的基礎(chǔ)飼糧同時(shí)減少了鈣磷的吸收量和排放量，對(duì)豬的鈣磷沉積無顯著影響；過量的飼糧鈣添加會(huì)影響豬的生長性能，提高飼糧磷添加量可改善此影響，故飼糧STTD Ca需求量取決于飼糧中的STTD P；按STTD鈣磷比1.4∶1，此后隨豬體重增長逐步降低STTD鈣磷比至1.1∶1配制基礎(chǔ)飼糧，可在不影響豬生長性能情況下，減少鈣排放且不影響沉積量，提高磷的吸收效率[24-27]。因此，STTD Ca、STTD P的最適添加量及其比例的測算是實(shí)現(xiàn)仔豬鈣磷精準(zhǔn)供給的重要途徑。此外，鈣磷相關(guān)的研究對(duì)象主要為杜長大等國外引進(jìn)豬種，針對(duì)我國地方豬種鈣磷需要量的研究較少。

FGF23：成纖維細(xì)胞生長因子23 fibroblast growth factor 23；PTH：甲狀旁腺激素 parathyroid hormone；PTHR：甲狀旁腺激素受體 parathyroid hormone receptor；CaR：鈣受體 calcium receptor；VDR：維生素D受體 vitamin D receptor；1,25D：1,25二羥基維生素D 1,25-dihydroxyvitamin D。

4.2 原料中鈣磷的吸收效率

飼料原料中鈣磷的存在形式與其吸收效率密切相關(guān)，植物來源的飼料原料中磷主要以植酸磷或植酸鈣鎂磷的形式存在，豬只難以利用[33]。不同植物原料的磷有效利用率也不同，玉米通常低于15%[34]，小麥由于自身含有植酸酶，因此磷利用率接近50%[35]。動(dòng)物來源的飼料原料中磷主要是無機(jī)磷，利用率相對(duì)植物原料更高[36]。各種無機(jī)磷原料中的磷利用率也不盡相同，實(shí)踐生產(chǎn)中以磷酸氫鈣、磷酸二氫鈣、磷酸三鈣等形式添加。對(duì)于天然飼料原料中鈣的利用率的研究甚少，植物來源飼料中的鈣由于植酸的存在利用率也較低，需要用石粉、貝殼粉、魚骨粉、乳清粉等動(dòng)物性原料或礦物類原料來補(bǔ)充鈣元素[37]。考慮到原料中鈣磷消化率的巨大差異，使用原料的STTD Ca和STTD P配制飼糧可能更加準(zhǔn)確，但目前國內(nèi)原料的STTD Ca和STTD P數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏，相關(guān)研究亟待開展[38]。表2為不同飼料原料飼糧的鈣磷吸收效率。相關(guān)研究表明，生長豬對(duì)乳清粉和脫脂乳粉等動(dòng)物源性蛋白質(zhì)的STTD Ca優(yōu)于低蛋白質(zhì)乳清粉，且對(duì)玉米、豆粕和菜籽粕等植物源性蛋白質(zhì)的STTD P具有可加性[41]；飼糧選用磷酸一二鈣或磷酸二氫鈣替代磷酸氫鈣作為磷源，其高效的吸收效率(>75%)以及低系酸力可提高豬生長性能以及改善腸道菌群[44]。

表1 斷奶仔豬不同階段的鈣磷需要量

表2 不同飼料原料飼糧的鈣磷吸收效率

5 小 結(jié)

綜上所述，鈣磷主要在小腸吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，參與體內(nèi)多種生化過程，其代謝穩(wěn)態(tài)則通過FGF23、PTH、1,25-(OH)2D3、降鈣素等激素協(xié)同調(diào)節(jié)。鈣磷的吸收利用與仔豬的生長階段以及飼料原料中的鈣磷存在形式密切相關(guān)。隨著精準(zhǔn)檢測技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的飼料原料鈣磷價(jià)值評(píng)定體系應(yīng)與現(xiàn)代信息技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用STTD Ca、STTD P及其比例實(shí)現(xiàn)仔豬鈣磷的精準(zhǔn)供給。然而，我國在飼料原料營養(yǎng)的大數(shù)據(jù)采集分析和豬動(dòng)態(tài)營養(yǎng)需要量的算法模型等研究領(lǐng)域及其有機(jī)結(jié)合應(yīng)用仍處于初步階段。因此，圍繞飼料原料中STTD Ca和STTD P進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用研究，利用STTD Ca和STTD P及其比例精確估測豬各個(gè)生長階段的鈣磷需要量，結(jié)合鈣磷的分布、吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝規(guī)律，進(jìn)一步研發(fā)綠色安全高效的飼料鈣磷營養(yǎng)源，可實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效并減少環(huán)境污染的目的。