豬低蛋白質飼糧研究進展

周俊言 曾祥芳 譙仕彥

(中國農業(yè)大學動物科技學院，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193)

蛋白質飼料資源短缺和排泄物污染是制約我國養(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，低蛋白質飼糧在突破養(yǎng)豬業(yè)此兩大瓶頸中的重要貢獻愈發(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注。低蛋白質飼糧是根據蛋白質營養(yǎng)的實質和氨基酸營養(yǎng)平衡理論，在不影響畜禽生產性能和產品品質的條件下，通過添加適宜種類和數量的工業(yè)氨基酸，降低飼糧蛋白質水平、減少蛋白質原料用量和氮排放的飼糧。其不僅是人類深入認識蛋白質營養(yǎng)實質的突破，更是理論切實指導實踐，在生產中能用、好用的實用技術。

豬低蛋白質飼糧的研究始于1995年[1]，經過近30年的不斷探索，其內涵逐漸豐富，標準化工作也逐漸完善。截至目前，我國已經對各體重階段仔豬和生長育肥豬，以及妊娠和哺乳母豬的低蛋白質飼糧蛋白質水平、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年出臺了仔豬、生長育肥豬配合飼料國家標準。本文綜述了近年來關于低蛋白質飼糧的研究進展，并對其未來發(fā)展進行了展望。

1 飼糧蛋白質水平對生長豬營養(yǎng)物質消化及腸道微生物組成和代謝的影響

飼糧營養(yǎng)物質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營養(yǎng)物質消化吸收能力的關鍵因素，另外，豬腸道中存在著龐大的微生物系統(tǒng)，其發(fā)酵特性及產物對宿主營養(yǎng)物質利用和健康具有重要影響。

1.1 飼糧蛋白質水平對生長豬營養(yǎng)物質消化率和消化酶活性的影響

通過補充晶體氨基酸，低蛋白質飼糧可以準確滿足豬的氨基酸營養(yǎng)需要。晶體氨基酸無需經過消化便可在小腸前段被快速吸收，可能導致飼糧蛋白質對消化酶分泌的刺激減少，減弱豬對營養(yǎng)物質的消化吸收[3]。王鈺明[4]通過在空腸前端和回腸末端造瘺的方式，探索了飼糧蛋白質水平對生長豬空腸消化酶活性以及營養(yǎng)物質表觀全腸道消化率和表觀回腸消化率的影響。試驗結果顯示，相對于高蛋白質飼糧(18%)，降低飼糧蛋白質水平至15%對生長豬粗蛋白質(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)降低飼糧蛋白質水平至12%后，生長豬空腸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]的試驗結果也顯示當飼糧蛋白質水平降低6個百分點時，生長豬空腸黏膜α-淀粉酶的mRNA表達水平顯著下降。另外，值得注意的是，王鈺明[4]研究發(fā)現，低蛋白質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。

1.2 飼糧蛋白質水平對生長豬腸道微生物組成和發(fā)酵代謝的影響

王鈺明[4]通過在生長豬盲腸的游離盲端造瘺，連續(xù)收集不同飼糧蛋白質水平下的生長豬盲腸食糜和糞便，實現長期監(jiān)測大腸中微生物對飼糧蛋白質水平的適應性過程。試驗結果表明，低蛋白質飼糧提高了豬盲腸食糜中的微生物多樣性。該試驗還發(fā)現高蛋白質飼糧組豬盲腸食糜中普雷沃氏菌科的相對豐度極顯著高于低蛋白質飼糧組。普雷沃氏菌參與后腸多糖的降解并可提高宿主對氨基酸和能量的利用效率[6]，其可對食糜中的營養(yǎng)物質進行充分發(fā)酵，產生乳酸、乙酸、異丁酸和異戊酸等發(fā)酵產物，這可能造成了高蛋白質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養(yǎng)物質消化率的提升。雙歧桿菌在2組的相對豐度均高于1%，且低蛋白質飼糧組中的相對豐度顯著高于高蛋白質飼糧組。雙歧桿菌具有多種益生功能，如改善免疫系統(tǒng)紊亂導致的腸道疾病、抑制病原菌的入侵和緩解機體氧化損失等[7]。因此，低蛋白質飼糧組盲腸食糜中高相對豐度的雙歧桿菌可能促進了生長豬的后腸健康，并與降低的血清內毒素含量相關。

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

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

2 低蛋白質飼糧添加非蛋白氮(NPN)對生長育肥豬生長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，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小鼠的氮沉積和生長性能，這表明單胃動物能夠利用NPN[11]。Deguchi等[12]研究表明，無特定病原體豬能夠將尿素和檸檬酸銨的氮轉移到各種體組織中，而無菌豬僅能夠利用檸檬酸銨中的氮，這說明NPN需要先被微生物轉化為氨態(tài)氮的形式才可被豬利用。近期研究發(fā)現，從盲腸瘺管注入尿素能夠增強飼喂非必需氨基酸(NEAA)缺乏飼糧豬的整體氮沉積[13]。而氨態(tài)氮則可有效促進生長豬生長性能的提高，且利用效率和完整蛋白質及EAA相同，但單獨使用尿素卻無此類效果，這進一步證實飼糧尿素氮在吸收前必須被腸道微生物轉化為氨態(tài)氮才可以被豬利用[14-15]。Li等[16]通過代謝試驗發(fā)現，相比于低蛋白質飼糧組，補充NPN后生長豬總氮和尿氮排出以及氮沉積均有數值上的增加，但效率低于蛋白氮。生長試驗的數據顯示，在育肥豬低蛋白質飼糧中添加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應用于低蛋白質飼糧可被豬部分利用，配合使用NCG可提高豬對營養(yǎng)物質的利用效率。

3 氮氨甲酰谷氨酸改善生長育肥豬低蛋白質飼糧應用效果的研究

低蛋白質飼糧降低了飼糧蛋白質含量而提高了淀粉含量，由于淀粉的熱增耗遠低于蛋白質，使用代謝能體系配制低蛋白質飼糧勢必造成因能量過剩而導致的豬胴體過肥。應用凈能體系并配合使用NCG是準確滿足豬能量需要，促進肌肉蛋白質沉積，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物，具有激活氨甲酰磷酸合成酶并促進豬內源精氨酸合成的作用。研究表明，精氨酸及其代謝產物可促進腸道血管和黏膜發(fā)育，改善腸道形態(tài)，促進營養(yǎng)物質吸收[17]；調節(jié)哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通路和氨基酸及小肽轉運載體表達[18]；減少小腸微生物對丙氨酸、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，補充NCG具有獨特的優(yōu)勢：不影響腸道對賴氨酸、色氨酸和組氨酸的吸收，有效劑量低，體內代謝穩(wěn)定，半衰期相對長，合成成本低，易于推廣應用[20]。趙元等[21]的研究發(fā)現，在育肥豬低蛋白質飼糧中添加0.1%或0.2%的NCG后，育肥豬肌內脂肪含量、大理石花紋評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)現在低蛋白質飼糧中添加NCG可增強內源精氨酸和肌肉中亮氨酸的合成，促進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，適當添加NCG可以顯著提高30～50 kg、75～100 kg和90～120 kg生長育肥豬的平均日增重，并改善其屠宰性能。

4 低蛋白質飼糧淀粉組成對生長豬肌肉蛋白質合成的影響

營養(yǎng)物質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性缺乏導致低蛋白質飼糧中氨基酸的腸道氧化損失增加[24]。研究發(fā)現，當能量底物與氨基酸在肌肉合成部位以相平衡的數量同時供應時，可以實現蛋白質沉積的最大化[25]。低蛋白質飼糧氨基酸的快速吸收會導致豬采食后肌肉合成部位的能量相對缺乏，進而限制蛋白質合成。另外，葡萄糖作為重要的信號分子，可以通過mTOR途徑增強氨基酸轉運蛋白活性并促進蛋白質合成[26]。且血糖的快速升高可以刺激具有促進蛋白質合成功能的激素，如胰島素和瘦素的分泌[27-28]。低蛋白質飼糧導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氨基酸和葡萄糖的同步吸收代謝可能是改善低蛋白質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，具有網狀結構的支鏈淀粉在動物胃腸道中會誘導更大的糊化，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，適當提高支鏈淀粉含量以優(yōu)化飼糧淀粉組成，可能會改善低蛋白質飼糧氨基酸和葡萄糖的消化吸收同步性，促進生長豬高效利用飼糧氨基酸。

4.1 低蛋白質飼糧淀粉組成對生長豬生長性能和氮平衡的影響

Zhou等[30]研究發(fā)現，在低蛋白質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，調節(jié)相關胃腸激素的分泌，并最終改善飼糧氨基酸的利用效率和生長豬的采食量及平均日增重。周俊言[24]研究指出，低蛋白質飼糧的淀粉組成可以通過改變飼糧葡萄糖釋放模式來調整生長豬營養(yǎng)物質代謝，適宜的飼糧葡萄糖釋放模式可以有效增強生長豬全身蛋白質周轉和氮利用效率，并提高其生長性能。

4.2 低蛋白質飼糧淀粉組成對生長豬采食后氨基酸消化率隨時間變化規(guī)律的影響

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

4.3 低蛋白質飼糧淀粉組成對生長豬氨基酸腸道吸收和肌肉代謝的影響

動物機體的營養(yǎng)物質代謝處于變化的過程中，對代謝過程進行動態(tài)監(jiān)測對于了解表型背后的內在機制具有重要意義。

營養(yǎng)物質從腸道吸收后首先進入門靜脈血液。周俊言[24]在生長豬門靜脈處安裝導管以動態(tài)監(jiān)測氨基酸和葡萄糖的吸收。試驗數據顯示，相比于豌豆淀粉低蛋白質飼糧，蠟質玉米淀粉低蛋白質飼糧有效促進生長豬門靜脈對多種氨基酸、總EAA、總氨基酸和總支鏈氨基酸的吸收。骨骼肌對氨基酸的攝取主要用于沉積蛋白質，肌肉氨基酸凈通量的增加意味著肌肉蛋白質合成增強[31]。周俊言[24]在生長豬的股動脈和股靜脈中安裝導管，探究低蛋白質飼糧淀粉組成對氨基酸在后肢肌肉利用的影響。結果顯示，高支鏈淀粉含量的低蛋白質飼糧增加了生長豬后肢肌肉的氨基酸凈通量，這表明肌肉合成得到改善。作者推測原因如下：首先，易消化的蠟質玉米淀粉能被胃腸道快速消化并釋放葡萄糖，為腸道細胞氧化供能，使得本可能被用作腸道能量底物的氨基酸被吸收進入門靜脈血液[32]。其次，蠟質玉米淀粉組生長豬在采食后迅速提升的血糖濃度可以改善mTOR磷酸化并增強氨基酸的吸收及蛋白質合成[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]，進而抑制營養(yǎng)物質與消化酶的接觸，從而損害營養(yǎng)物質的消化吸收。此外，血糖的快速升高可以刺激促進蛋白質合成的激素的分泌，例如胰島素和瘦素[28-29]。

5 小結與展望

低蛋白質飼糧通過補充工業(yè)晶體氨基酸，可在蛋白質水平降低的條件下準確滿足畜禽的氨基酸營養(yǎng)需要。這是當前精準營養(yǎng)研究與應用的集中體現，也是現代動物營養(yǎng)學發(fā)展和現代氨基酸工業(yè)發(fā)展的必然結果。在蛋白質資源短缺和排泄物污染嚴重的大背景下，低蛋白質飼糧的全國性推廣已經被放到了重要的位置。然而任何技術在應用過程中都會暴露缺陷與不足，但也都會在不斷的研究與實踐中得到完善。根據低蛋白質飼糧的特點特性，開發(fā)與之匹配的技術措施，深入挖掘其功能潛力，進一步優(yōu)化完善低蛋白質飼糧將是下一步工作的重點。