提高氨基酸在豬生長中利用效率的研究

■Paul J. Moughan

（新西蘭梅西大學里德學院，Private Bag 11-222, Palmerston North 4412，新西蘭）

在過去的幾十年中，商業(yè)條件下飼養(yǎng)的豬只在生長率和飼料轉化率方面取得了相當大的進步，然而，如果人們考究機體蛋白質沉積的基本的潛在效率，那么其效率改善就不那么明顯了。例如，Millet等（2017）計算了飼養(yǎng)在當代生產體系中生長豬對日糧蛋白質的利用率（N 沉積/N 攝入×100%），只有45%，而Dourmad 等（1999）的報道更低，只有35%。這意味著飼料中每攝入100 個單位的蛋白質，60 個單位的蛋白質被排出體外進入環(huán)境中，只有40 個單位在體內沉積，利用率相當?shù)?，對豬生產效益和環(huán)境污染兩方面均產生負面影響，這在高密度養(yǎng)豬區(qū)域尤為明顯。

造成利用率低下的部分原因可能是與日糧中的氨基酸不平衡有關（相比與第一限制性氨基酸，日糧中的必需和非必需氨基酸過多），考慮到豬日糧通常是利用線性規(guī)劃進行配制的，可能在經濟上更加合理。那么關于第一限制性氨基酸（通常為賴氨酸）的利用率問題，如何消除氨基酸不平衡帶來的影響呢？生長豬賴氨酸（第一限制性氨基酸）利用率的預測值為40%～60%(Moughan,2018)，這個預測值是高估了，通常超過50%的攝入賴氨酸不能用于機體蛋白質沉積。此外，賴氨酸的利用率在個體、日糧、性別和品種間差異較大，這些差異表明日糧氨基酸利用率的改善涉及的范圍很廣。

類似這樣的數(shù)據(jù)更加突出了深入理解生長過程中導致機體氨基酸損失的基本生理和代謝過程的重要性。圖1 展示的是導致機體蛋白質和脂肪沉積的代謝轉化圖。

生長動物利用攝入氨基酸（AAs）過程的基本框架（全身的體蛋白沉積利用率）為：糞便中排出的未吸收氨基酸；體被氨基酸損失；腸道內源性氨基酸損失；機體蛋白質轉化；非蛋白含氮復合物的合成（如作為血清素前體的色氨酸）；氨基酸不可逆變化（如組氨酸甲基化、賴氨酸甲基化、羥基化）；尿中氨基酸損失；已吸收氨基酸不可避免代謝分解；添加的氨基酸超過機體蛋白質合成最大速率需要量時的分解代謝；氨基酸的優(yōu)先分解代謝。

圖1 日糧能量及第一限制性氨基酸在生長動物中的分配

從日糧氨基酸損失的來源上看，對于生長豬而言，與用于合成“其它”成分中的氨基酸損失、不可逆修飾中的損傷以及以游離氨基酸、小肽和痕量蛋白形式直接在尿液中損失的氨基酸量相比，由皮膚和毛發(fā)所造成的氨基酸損失（體被損失）從數(shù)量上看是非常小的。有人覺得其余過程的相對數(shù)量也很重要，因此表1 中給出了根據(jù)電腦模擬代謝所得的豬在生長過程中賴氨酸損失的預測值。無論飼養(yǎng)水平如何，因未被消化以及對結構完整性造成傷害的氨基酸損失在很大程度上導致了氨基酸利用率低下，腸道內源性氨基酸損失以及第一限制性氨基酸的氧化損失（主要的不可避免的分解代謝）也是造成氨基酸利用率低下的原因。氨基酸用于動物能量補充（優(yōu)先代謝）或以超過營養(yǎng)需要的高劑量日糧氨基酸在尿中的脫氨和排泄從數(shù)值上看很有意義，但它取決于動物品種和飼喂水平。根據(jù)圖1討論氨基酸轉化和日糧能量分配。

1 攝入總能（GEi）到攝入凈能（NEi）

動物日糧能量的攝入和利用對氨基酸的利用率有重要影響。日糧中蛋白質和能量存在相互作用（P/E相互作用，見圖1），因為蛋白質的合成是一個消耗能量的過程，同時氨基酸又是能量來源。最簡單的日糧能量水平稱為總能（GE），該數(shù)值是指食物或食物成分在彈式量熱器中燃燒時所釋放的能量。各種能量損失會發(fā)生在消化（DE）、代謝（ME）以及生長維持過程（NE）中（Van Milgen 等，2018)。然而，正如圖2所示，從GE到NE 的過程中，能量利用越來越依賴于動物（除日糧外）?？偰埽℅E）主要與日糧的化學組成（高能鍵的種類和數(shù)量）有關，與動物無關，而凈能（NE）不僅與日糧屬性有關，還受動物特性的嚴重影響。以酪蛋白為例，僅含有1 g氨基酸的酪蛋白可能完全沉積為體蛋白，在這種情況下，酪蛋白的NE與GE相等（5.5 kcal/g）。或者，如果日糧非蛋白能量有限或作為蛋白攝入的酪蛋白量大于機體最大蛋白質沉積量，那么酪蛋白中的氨基酸將會被完全氧化以提供能量，效率約為50%，那么酪氨酸此時的NE就只有2.8 kcal/g。這個簡單的例子說明NE雖然更接近代謝過程中日糧的“可利用”能量，但可受動物特性和代謝狀態(tài)的嚴重影響。動物每日的NE供給相比于每日可利用氨基酸的供給是決定動物是否需要分解氨基酸以作為能量（ATP）供給（氨基酸的優(yōu)先分解代謝）的一個重要指標。

表1 兩種商業(yè)日糧水平和兩個最大蛋白質沉積率(Pdmax，基因型)下50 kg活體重生長豬的日糧賴氨酸損失率

確定NE較機械但更普遍且更準確的方法是模擬各種能量物質的腸道攝入（如葡萄糖、甘油、脂肪酸、氨基酸、揮發(fā)性脂肪酸），及模擬這些物質在不同條件下和不同品種豬中的分解代謝——用以提供ATP(Birkett等，2001a；Birkett等，2001b；Van Milgen，2002；van Milgen等，2003；Coles等，2013)。不同營養(yǎng)物質以不同的生化效率進行分解代謝，且不同的生化利用率也與營養(yǎng)物質的代謝產物有關。

前腸段（嘴到回腸）所吸收營養(yǎng)物質的NE∶DE比值與后腸段相比存在顯著差異(Coles等，2010)。預測ATP 消耗和獲取的方法（利用豬生長模擬模型）考慮了經驗DE、ME和NE系統(tǒng)中動物相關因素的影響。

圖2 動物相關因素對總能（GE）到凈能（NE）過程中“可用”能量的漸進式影響(Moughan，2018b)

2 攝入的第一限制性氨基酸（AAi）到被吸收的第一限制性氨基酸（AAab）

消化道中未消化氨基酸的損失量相當大，特別是消化性能差的飼料，導致了攝入的第一限制性氨基酸利用率低。飼料原料的認真選擇、飼料生產工藝的優(yōu)化以及外源酶的使用均能改善蛋白質消化率。目前確定豬營養(yǎng)中氨基酸消化率的常規(guī)做法是通過收集回腸食糜而非糞便。糞便中氨基酸消化率在預測腸道中氨基酸攝入時具有一定的誤導性(Fuller 等，2005；Hendriks 等，2012)，真 回 腸 氨 基 酸 消 化 率(Moughan 等，2013)是確定氨基酸吸收的準確方法(Moughan,2003)，且有公認的方法用于確定回腸內源氨基酸成分，“標準消化率”取代了以前的“真消化率”這個概念(Stein 等，2007)。在蛋白質消化率的傳統(tǒng)測定中忽略了消化過程中生物活性肽的產生，在消化過程中產生的存在于消化腔中的日糧肽種類很多，相對含量較少，但其具有重要的生理學效力，這些肽通常不能被消化，但可被少量吸收(Miner-Williams 等，2014)，可與消化道中的黏膜細胞作用，潛在地影響生理學功能(Rutherfurd-Markwick 等，2005)。一些研究人員（Teschemacher, 2003）認為食物消化過程中產生的復雜的生物活性肽是動物調節(jié)系統(tǒng)的核心部分，如果真是這樣的話，那么動物采食蛋白質種類和數(shù)量的日常變化都會干擾其控制過程。這個難題的答案可能是(Moughan等, 2014)：含有蛋白質和小肽的日糧組分可引起大量內源性（機體來源）蛋白質涌入胃腸道管腔中，而這些內源性蛋白質可自身消化并釋放潛在的生物活性肽(Dave等，2016a；Dave等，2016b)。

此外還需要考慮的是消化系數(shù)可以表示消化過程中從日糧中吸收的氨基酸總量，但沒有提供關于氨基酸吸收動力學的任何信息。各種類型氨基酸到達蛋白質合成位點的時間非常重要，因為蛋白質合成是一個“全或無”的過程。同樣重要的是氨基酸到達蛋白質合成位點時間和非蛋白質能量來源的同步性(Van der Borne等，2007)。養(yǎng)分吸收動力學可潛在影響蛋白質和能量的相互作用（P/E），從而影響到蛋白質的合成效率。

3 被吸收的氨基酸（AAab）到用于生長+維持的氨基酸，適合蛋白質合成的氨基酸吸收量，該合成蛋白質用于生長和維持需要

在飼料原料加工的情況下，一些氨基酸可能會與其它成分發(fā)生反應，比如使氨基酸結構發(fā)生改變，這對賴氨酸尤其重要，對其它氨基酸如蛋氨酸、半胱氨酸和色氨酸(Rutherfurd等，2012)也有重要的實際意義。對于受損的賴氨酸而言，標準化回腸賴氨酸消化率用于評估賴氨酸攝入依然是合適的方法，但傳統(tǒng)的化學分析法則不合適。另外，日糧蛋白質在酸解前需要與合適的試劑（如鄰甲基異脲）進行反應以保證賴氨酸分子（成為活性賴氨酸）不被破壞從而能被檢測出，同時確?；钚再嚢彼岬幕啬c消化率(Moughan 等，1996；Moughan，2005)。蛋白質在制備豬配合料過程中經常發(fā)生氨基酸結構變化的情況，并且傳統(tǒng)檢測的回腸賴氨酸消化率與活性賴氨酸（常被稱為可利用賴氨酸，因為這是代表適合進行蛋白質合成的賴氨酸結構狀態(tài)）真回腸消化率間的差異可能相當大，見表2。

表2 一些加工后飼料中平均真回腸可消化賴氨酸和真回腸可消化活性賴氨酸的比較

4 氨基酸（生長+維持）到用于生長氨基酸（AAg）

被吸收且結構未發(fā)生變化的氨基酸用以滿足蛋白質維持等需要，而剩余氨基酸可用于生產過程中的新蛋白質合成。用于生長的氨基酸與第一限制性氨基酸的供給有關，那些超過第一限制性氨基酸量過量添加的氨基酸會被分解并在尿中排出。正如前文所討論的，在生長維持中導致氨基酸在數(shù)量上損失最大的兩個代謝過程是腸道內源性氨基酸損失和吸收氨基酸不可避免的分解代謝，之所以不可避免是因為在氨基酸的吸收和轉運到蛋白質合成位點的過程中存在氨基酸分解代謝，并非能量需要的原因，而是分解代謝酶總是保持一定的活性。以機體腸道內源性氨基酸和菌體非日糧氨基酸形式損失的氨基酸具有數(shù)量顯著性。相當一部分自身蛋白質在上消化道中不能被消化并進入結腸，且大部分的蛋白質在此可被常駐微生物群所分解。除了腸道的這種內源性蛋白質，大量的黏液細胞和上皮細胞可直接進入小腸且大部分也被微生物群分解。對于生長豬的腸道內源性氨基酸損失也有研究，損失與飼料中干物質采食呈線性相關，并受如日糧蛋白質含量、日糧纖維含量和抗營養(yǎng)因子（如凝集素、單寧）含量等因素影響。腸道內源性氨基酸損失反映了動物在蛋白質和能量代謝過程中的高代謝成本。

對于不同日糧成分（單獨和一起）對腸道內源性氨基酸損失影響的定量性研究非常迫切，此外還需要開展如何通過遺傳選擇、日糧處理或利用益生元、益生菌或特定酶以促進消化過程中粘蛋白和菌體降解等方式以減少內源性氨基酸損失的工作。

對生長動物不可避免的分解代謝已有大量的研究，但對其因果機制仍然知之甚少。被機體吸收的第一限制性氨基酸因不可避免分解代謝造成的損失估計在25%～40%，已發(fā)表的文章稱生長豬中賴氨酸由于不可避免分解代謝造成的損失估計為15%～30%。不可避免的分解代謝似乎受相對于最大蛋白質合成需要量的氨基酸攝入量影響，且因氨基酸不同而不同。特別是蛋氨酸和色氨酸，似乎比賴氨酸損失更多。氨基酸不可避免分解代謝的一部分無疑與腸上皮細胞“首過”代謝有關(Stoll等，1999)，也與后吸收狀態(tài)的代謝有關。與此相關的以下幾方面尚待進一步了解和研究：氨基酸不可避免的分解代謝、被吸收后的氨基酸利用效率較低的主因、影響氨基酸氧化分解程度的遺傳和營養(yǎng)因素。

5 用于生長氨基酸（AAg）到蛋白質沉積（Pd）

沒被氧化的氨基酸首先不可避免地用于滿足氨基酸維持需要，其余的則用于機體蛋白質合成。它將以第一限制性氨基酸需要量的最低比例存在于血漿中（維持需要后），且其濃度將和NE 一起限制機體新蛋白合成。蛋白質合成是個“全或無”的過程，某個時間點血漿中的氨基酸濃度將決定蛋白質的合成量。生長期間沉積的凈蛋白量取決于蛋白質轉化過程中蛋白質的合成量和降解量。凈蛋白質沉積可通過提高蛋白質的合成率，降低蛋白質的降解量，或者兩種同時進行。蛋白質合成的最大速率與伴隨的蛋白質降解率之間的差異將決定每日體蛋白沉積的最大速率(Pdmax，Kielanowski，1969；Whittemore，1993)。吸收的平衡蛋白質量高于體蛋白質沉積的最大速率（Pdmax）所需量時，則氮會通過尿液流失。Pdmax通常是豬生長的重要制約因素，是遺傳選擇中的主要指標，它隨豬的品種和品系的不同變化非常大，從＜100 g/d的低值到現(xiàn)代選擇＞200 g/d的高值，其變化被認為與從出生到成熟的年齡或體重呈曲線模型關系(Emmans等，1999)，但其在體重為20～90 kg 時通常處于恒定。在最佳繁殖中心條件下獲得的Pdmax 在生長豬的實際情況中（可能存在類似于亞臨床疾病以及溫度等限制生長的因素）可能不適用，因此，“可操作性Pdmax”的概念被提出(Moughan等，1995)。

6 蛋白質/能量（P/E）相互作用

一般而言，如果到達蛋白質合成位點用于生長的吸收平衡蛋白質（AAg）的量低于Pdmax的量，AAg則會轉化為蛋白質沉積（Pd）。但如果NE限制了所有體成分（蛋白質、必需脂質、糖原等）的合成，那么這一情況將不會發(fā)生，因此NE和AAg直接可能存在相互作用。氨基酸除了作為蛋白質結構單位的主要作用外，還可提供ATP(Munro，1964)。當氨基酸用于產生能量時（因為非氨基化合物供能有限），其分解代謝為氨基酸的優(yōu)先分解代謝，而不是氨基酸的不可避免分解代謝，仔細進行日糧配制可避免氨基酸的優(yōu)先分解代謝。當氨基酸的優(yōu)先分解代謝發(fā)揮作用時，Pd依賴于能量（NE或ME）,當能量需求得到滿足時，Pd 依賴于AAg(Black 等，1986)。氨基酸的優(yōu)先分解代謝在很大程度上反映了在蛋白質沉積過程中需要伴隨有少量的脂質沉積，且其受性別等因素的影響，并且很可能受遺傳控制。

7 結束語

豬日糧蛋白質的潛在利用率是相當?shù)偷?，此外，可觀察到不同動物個體間存在差異，這意味著通過遺傳選擇和日糧控制方式改善蛋白質利用率都有很大的空間。動物科學領域的進步最有可能通過應用科研資源來理解驅動氨基酸利用代謝過程的潛在因果機制而取得。揭開“因果關系”才能洞悉氨基酸代謝過程應該如何被調控才能提高其利用效率，這需要我們共同努力以提高對日糧蛋白質利用率的理解。只有根據(jù)生長發(fā)育的整體框架有計劃地進行，這方面的研究進展才有可能最大化，進而取得突破性的進步。