编者按:谯仕彦,男,四川阆中人,中国工程院院士,著名动物营养学家,长期从事动物营养与饲料的基础理论与技术研究,创建了猪高效低蛋白质饲粮技术体系,为维护我国粮食安全和食物安全做出了重要贡献。谯仕彦院士是国家杰出青年基金获得者、“新世纪百千万人才工程”国家级人选,享受国务院政府津贴,获全国创新争先奖。现任中国农业大学教授、国家饲料工程技术研究中心主任,兼任全国动物营养指导委员会秘书长、全国饲料工业标准化委员会副主任委员兼国际标准专家组组长等。获国家科技奖二等奖4项,省部级科技进步一等奖4项;以第一作者或通信作者身份发表论文150余篇;以第一发明人身份获国家发明专利27件,美国发明专利1件;主持制修订国家标准6项。本刊特邀谯仕彦院士就有关猪低蛋白质饲粮研究进展撰写了一篇综述。
粮食安全是“国之大者”。习近平总书记在2023年第6期《求是》杂志中发表文章指出:“保障粮食和重要农产品稳定安全供给始终是建设农业强国的头等大事;只有把牢粮食安全主动权,才能把稳强国复兴主动权;农业强,首要是粮食和重要农产品供给保障能力必须强”[1]。而如何保障粮食安全,则要在增产和减损两端同时作大量的研究工作。
近年来,饲料粮刚性需求大幅度增长,饲料粮消费已占我国粮食总消费的1/2左右,成为我国粮食供给面临的主要矛盾。饲料粮对进口的过度依赖严重威胁我国粮食安全。据农业农村部统计,我国有近60%的蛋白质饲料和近30%的能量饲料长期依赖进口,特别是作为主要蛋白质饲料来源的大豆,其对外依存度超80%(图1)。饲料粮安全已成为我国粮食安全的核心,减少畜牧业生产中不必要的饲料粮消耗,是助力粮食“减损”的重要路径。猪饲料粮消耗占养殖业总消耗的45%左右,发展低蛋白质低豆粕多元化饲粮,对于节粮增效、提高养猪效率具有重要意义[2]。
低蛋白质饲粮是根据蛋白质的实质需要和能量/蛋白质及氨基酸平衡理论,在保障动物生产性能和产品品质的条件下,通过添加适宜种类和数量的工业合成氨基酸,配制的蛋白质水平低、氮排放少,并能改善动物肠道健康和养殖环境的饲粮[3]。低蛋白质低豆粕多元化饲粮则是以低蛋白质饲粮生产技术为基础,依据各种能量饲料和蛋白质饲料的可利用养分,配制的原料种类多、养分互补性强、营养成分平衡度高的低豆粕饲粮[3]。由于我国养猪生产的标准化起步较晚,自起始便以当时的养猪强国美国为参照,发展高蛋白质高豆粕饲粮。近年来,国情的区别以及技术的发展使我们意识到,高蛋白质高豆粕饲粮不仅会提高饲料成本,引起仔猪腹泻,还会造成粮食大量浪费,增加我国饲料粮进口压力;我国应着力发展具有中国特色的猪低蛋白质低豆粕多元化饲粮,以期提高养猪全产业链生产效率,减少粮食损耗,助力粮食安全“自主可控”。
1 猪低蛋白质低豆粕多元化饲粮研究与应用进展
低蛋白质饲粮是现代动物营养学发展的必然结果,是对组成蛋白质的各种氨基酸生理功能深入研究的结果,也是现代氨基酸工业发展的必然结果[6]。它不是一个简单的概念,至少涉及到饲粮能量在动物体内的代谢转化和不同来源饲料原料的氨基酸在动物体内的代谢转化,涉及到饲粮氨基酸的可消化性或可利用性(猪和禽),涉及到饲粮能量/蛋白质平衡及氨基酸之间的相互平衡等诸多方面的内容。因此,低蛋白质饲粮是当前精准饲养研究与应用的集中体现。
1.1 净能体系的建立与应用
依据体内能量的转化过程与利用规律,猪饲粮的能量价值评定体系主要包括总能、消化能、代谢能和净能体系[7]。相较于其他能量体系,净能是指饲粮代谢能扣除在动物体内的热增耗后的剩余部分,反映真正可用于动物维持生命和生产产品的能量[8]。对畜禽的能量代谢而言,饲粮从总能到消化能再到代谢能最终到净能,每一步都存在能量损失。而不同饲料原料在每一步的能量损失各不相同,尤其在代谢能转化为净能时的效率有较大差异。高淀粉(如玉米、小麦和大麦等)和高脂肪(如植物油、动物脂肪等)饲料的代谢能转化为净能的效率较高,而高蛋白质(如豆粕、菜籽粕等)和高纤维(如麦麸、酒精糟等)饲料的代谢能转化为净能的效率较低。这意味着,代谢能体系高估了蛋白质和纤维性饲料的有效能含量,而低估了脂肪和淀粉性饲料的有效能含量。低蛋白质饲粮中蛋白质饲料的含量降低,能量饲料的含量升高,若依旧按照代谢能标准确定饲粮能值,势必会造成饲粮有效能水平过高,导致一系列的弊端,如畜禽采食量降低、胴体过肥等[5]。
准确满足畜禽在饲喂低蛋白质饲粮时的净能需求对畜禽生产至关重要。不同类型饲料原料代谢能转化为净能效率的差异主要来源于动物采食不同饲料原料后热增耗的差异。在试验条件下,很难将热增耗从动物总产热中分离出来,因此热增耗通常用总产热减去维持净能来计算[8]。由于目前尚无法直接测定维持净能,多数情况下是通过测定动物的绝食产热的近似值。而绝食代谢的检测方法十分复杂,且设备造价昂贵,因此,绝食代谢的检测工作多年来一直前行艰难。农业农村部饲料工业中心饲料数据库研究小组近些年利用间接测热法测定了多种饲料原料的净能值,并拟合了不同类型饲料原料的净能值预测方程[9]。在此基础上,易学武[10]研究表明,在饲喂净能水平为2.36和2.40 Mcal/kg(1 Mcal/kg≈4.186 MJ/kg)的低蛋白质饲粮时,生长猪和育肥猪分别实现了最佳的生产性能。以上研究为准确满足猪在低蛋白质饲粮饲喂下的净能需求提供了数据支持。
1.2 饲粮可消化氨基酸的准确测定及低蛋白质饲粮理想氨基酸模式的建立
在饲粮蛋白质水平降低时,满足畜禽的氨基酸需要成为影响低蛋白质饲粮生产效果的关键[11]。饲粮可消化氨基酸的准确测定是精准满足畜禽氨基酸需要的基础,根据样品收集部位可分为全肠道可消化氨基酸和回肠末端可消化氨基酸;根据是否考虑内源性氨基酸损失,又可分为标准回肠可消化氨基酸(standardized ileal digestible amino acids,SIDAA)和表观回肠可消化氨基酸(apparent ileal digestible amino acids,AIDAA)[12]。考虑到畜禽大多是通过回肠末端之前的消化道吸收,并用以机体蛋白质沉积或维持正常生理功能的饲粮氨基酸,故目前大多数研究及畜禽生产中,将SIDAA含量作为评定饲料原料可消化氨基酸含量的主要依据。农业农村部饲料工业中心数据库小组多年来通过回肠末端造瘘的方式,对我国绝大多数饲料原料的猪SIDAA进行了系统的评估,并对不同类型饲料原料的SIDAA含量进行了预测方程的构建[13]。
低蛋白质饲粮降低了饲粮中蛋白质饲料的使用量,以补充工业合成的晶体氨基酸的方式满足畜禽的氨基酸需要,而合成氨基酸与蛋白质的代谢过程有明显差异,这将导致畜禽对获取最佳生产性能的氨基酸需要量发生改变。因此,为准确评价各生长阶段猪在低蛋白质饲粮饲喂下的氨基酸需要量,本团队经过20余年的研究,通过上百次动物试验的反复验证,最终总结得出了中国农业大学猪低蛋白质饲粮粗蛋白质、净能和SIDAA需要量[5]。
1.3 饲粮碳水化合物与蛋白质的动态适配
淀粉是猪饲粮中主要的碳水化合物来源,淀粉结构的差异会导致其消化产物葡萄糖的入血速率和浓度的峰值具有明显差别。低蛋白质饲粮由于降低了蛋白质饲料的用量,增加了能量饲料的用量(图2),其淀粉的葡萄糖释放速度对氮素利用效率的影响进一步增大。低蛋白质饲粮中添加的晶体氨基酸消化吸收速度快于完整蛋白质来源的氨基酸。因此,低蛋白质饲粮中淀粉结构对氨基酸消化、吸收和利用的影响及机制将与传统饲粮有所差异;氮素高效利用所对应的最适淀粉结构也将发生改变。周俊言[28]研究发现,使用不同来源淀粉配制低蛋白质饲粮时,生长猪生长性能及氮效率有不同的表现,且当使用蜡质玉米淀粉适当替代玉米淀粉加快淀粉消化速率时,生长猪表现出更快的生长速度和更高的氮效率;同样,另一项研究显示,使用消化速度更快的木薯来替代低蛋白质饲粮中的玉米时,生长猪餐后葡萄糖及浓度相关激素水平发生显著改变,引起猪采食量提升,生长性能和氮效率显著改善[25]。以上研究表明,传统养猪业的主要能量饲料玉米可能并非配制低蛋白质饲粮的最佳原料。
玉米作为我国畜禽饲粮的主要能量饲料,年消耗量逐渐增加,而国内产量目前虽基本满足消耗需要,但却一直难以继续提升(图3)。长此以往,能量饲料短缺势必成为我国畜牧业发展的另一阻碍。按中国工程院预测的2025年我国肉蛋奶和水产品需求量计算,届时我国的玉米等能量饲料缺口5 200万t以上;而按农业农村部预测的2035年我国肉蛋奶和水产品消费量计算,届时我国的玉米等能量饲料缺口超过8 800万t。全面推广低蛋白质低豆粕多元化饲粮,不仅可以缓解我国大豆等蛋白质饲料资源的进口压力,也为能量饲料的转型升级提供了机遇,降低了能量饲料在未来出现“卡脖子”问题的风险。
1.4 技术体系推广进展
这2项国家标准的推行将有效指导减少我国畜牧业对豆粕等蛋白质饲料的消耗。新标准将猪全程配合饲料平均粗蛋白质水平较之前下调1.5个百分点,有望将生产每千克猪肉的蛋白质消耗降低13%(每千克猪肉生产消耗蛋白质由0.45 kg降至0.39 kg);蛋鸡、肉鸡配合饲料中平均粗蛋白质水平同样将有约1个百分点的降幅。据测算,这2项国家标准的推行有望养殖业豆粕年消耗量降低1 100万t,折合大豆约1 400万t,这对于缓解大豆进口压力具有重要意义。同时,这2项国家标准的出台,为低蛋白质饲粮在我国畜牧业的推行与推广建立了良好的制度基础。
2022年,中国农业大学等高校联合北京大北农科技股份有限公司、牧原食品股份有限公司、禾丰食品股份有限公司等饲料行业领军企业起草,由中国饲料工业协会推出了《生猪低蛋白质低豆粕多元化饲粮生产技术规范》团体标准[3]。其规范了低蛋白质低豆粕多元化饲粮的定义以及饲料配方原则和饲料原料与饲料添加剂选用的原则,并明确了生猪不同生理阶段饲粮中非常规饲料原料的推荐最高用量和豆粕使用限量。该标准的推出大大加快了生猪低蛋白质低豆粕多元化饲粮的产业应用进程。
2 低蛋白质低豆粕多元化饲粮对生猪养殖效率和肉品质的影响
饲粮供应蛋白质的目的不是蛋白质本身,而是氨基酸。组成生命体需要的氨基酸大概有20种。这20种氨基酸当中,有些是体内可以合成的,有些是必需外源供给。氨基酸可以来源于豆粕,也可以来源于其他蛋白质饲料,比如粮油加工的一些副产物菜籽粕、棉籽粕等。动物对氨基酸的需求必需遵从氨基酸平衡模式,即动物营养学的经典“木桶理论”,关注猪饲粮中短板氨基酸“桶板”长度,实现饲粮中所有氨基酸同等程度满足猪的需要,是提高蛋白质饲料利用效率、降低饲料成本的重要举措。更重要的是,猪不会对蛋白质的数量有所要求,更不会对氨基酸的来源有所“偏好”。无论是以玉米、豆粕,还是以杂粮、杂粕,或是以合成氨基酸,只要能精准满足猪对各种氨基酸的需要,便可实现养猪生产效率的最大化。总结大量研究发现,在以补充合成氨基酸满足猪营养需要的基础上,饲粮蛋白质水平以及豆粕的用量与猪生长性能无明显关联,低蛋白质低豆粕氨基酸平衡饲粮可以达到与高蛋白质饲粮相当的生长性能,此外还可改善猪的肠道健康,降低腹泻的发生[31⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-42]。
3 合成氨基酸与豆粕和玉米中氨基酸在消化率、转化率等方面的区别
查阅《猪营养需要量》(GB/T 39235—2020)中常用饲料原料的SIDAA数据可以发现,豆粕中各种SIDAA均达到较高水平,这也是为什么豆粕能长期作为猪饲粮中主要蛋白质饲料的重要原因。然而深入理解表中数据并结合动物营养学理论,同样可以发现,使用其他杂粮、杂粕类饲料以SIDAA为基础,并配合合成氨基酸来配制低蛋白质低豆粕多元化饲粮,依旧可以精准满足猪氨基酸营养需要。另外,在豆粕价格居高不下,合成氨基酸生产成本却逐年降低的大背景下,选用杂粮、杂粕类饲料,添加适当的合成氨基酸,是当前降低饲料成本、提高养猪生产效率的可行技术方案。合成氨基酸属单体氨基酸,无需蛋白酶消化,其在回肠的消失率为100%,可快速吸收入血。总结近期研究中合成氨基酸对饲粮氨基酸转化效率的影响情况发现,随着饲粮蛋白质水平的降低及合成氨基酸用量的提升,猪对饲粮中所有氨基酸的转化效率明显提高,表明合成氨基酸不仅消化利用率高,还可提高饲粮中各种氨基酸的转化效率[32-33,42⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-59]。此外,最新研究发现,低蛋白质饲粮下添加缬氨酸、异亮氨酸等支链氨基酸还可促进葡萄糖的协同转运吸收,提高饲粮能量利用效率[60-61]。
4 低蛋白质低豆粕策略对合成氨基酸的数量需求情况及产能分析
饲粮蛋白质水平和豆粕用量与合成氨基酸用量的关系见图4,拟合了饲粮蛋白质水平降低百分点与总合成氨基酸用量的回归方程(Y=86.836X-69.786,R2=0.856 5)、饲粮豆粕用量降低百分点与总合成氨基酸用量的回归方程(Y=13.526X-7.9175,R2=0.829 8)以及饲粮蛋白质水平和豆粕用量降低百分点与各种常用合成氨基酸用量的关系方程[32-33,42⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-59]。结合我国历年饲用氨基酸产量及2022年国内消耗量数据(2022年我国饲用氨基酸总产量390万t,消耗量170万t),可推测我国养猪业中豆粕的用量还有10~12个百分点的降低空间。另外,通过分析各种常用氨基酸产能及产量的比较,发现各种氨基酸产能均未饱和(赖氨酸83.61%、蛋氨酸96.30%、苏氨酸78.58%、色氨酸70.77%),若将产能充分释放,我国猪饲料原料豆粕的用量降低空间还将大幅增加。目前,低蛋白质饲粮已广泛应用赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、色氨酸、氨酸、异亮氨酸,随着低蛋白质饲粮技术的进步和发展,未来会加大对上述氨基酸的用量,并且新增对苯丙氨酸、组氨酸、精氨酸等氨基酸在低蛋白质饲粮下的研究和应用,推动合成氨基酸产业前所未有的大发展。
5 低蛋白质低豆粕多元化饲粮对猪健康及生态环境的影响分析
在断奶期间,仔猪经历食物类型、生活环境、生存方式等的转变,加之自身消化道发育不完整,消化酶活性弱,易发生严重腹泻。后段肠道微生物发酵前段肠道未消化蛋白质是诱发腹泻的主要且直接的原因。在后段肠道蛋白质发酵产生的代谢物中,大多是可造成上皮细胞病变作用、对宿主健康具有潜在毒性的氨、多胺、酚和吲哚类等物质。此外,高蛋白质饲粮具有较高的酸结合能力,提高胃肠道pH,为拟杆菌和梭状芽孢杆菌等致病菌的增殖提供了有利的环境。低蛋白质低豆粕多元化饲粮可有效减少难消化完整蛋白质进入后段肠道发酵的量,在绝大多数研究及应用中均被验证可缓解仔猪腹泻。另外,多余的营养物质会造成动物在细胞及器官等层面的损伤,例如,细胞在营养过剩条件下会发生应激,活性氧的产生超过正常生理反应所需的量,这通常会成为疾病的诱因[62];未消化的过剩营养物质以物理或化学方式磨损或腐蚀动物消化道,造成损伤或导致不必要的修复消耗[63]。综上所述,低蛋白质低豆粕多元化饲粮具有明显的益生作用。
含氮废物是现代养猪生产的主要污染物,对环境具有严重危害,如粪便氨对敏感生态系统的酸化和富营养化,以及臭气的排放。降低饲粮蛋白质水平,以添加单体氨基酸的方式精准满足猪的需要,是减少氮排放的有效途径。低蛋白质低豆粕多元化饲粮通过添加氨基酸,显著提高了饲粮氮转化效率,这意味着更少含氮废物的排放。对饲粮蛋白质水平调控氮排放的效果进行总结,发现饲粮蛋白质水平每降低1个百分点,氮排放量可减少8%~10%[5]。臭气的排放通常与未消化蛋白质的厌氧发酵相关,大量研究已证实,低蛋白质饲粮对减少臭气排放的显著效果[64⇓⇓-67],在此不再赘述。但也有研究发现,随饲粮蛋白质水平降低,臭气排放量与饲粮蛋白质水平的比值升高[68]。这可能是因为含硫晶体氨基酸的补充使得其发酵产物如硫化氢、二甲硫化物等维持在较高水平,后续或可围绕此现象进行深入研究。
6 小结
应用合成氨基酸及杂粮、杂粕配制猪低蛋白质低豆粕多元化饲粮,可在不影响猪生长速率和氨基酸转化效率的条件下,降低蛋白质饲料豆粕及能量饲料玉米的使用,缓解我国畜牧业对国外蛋白质饲料的依赖和规避能量饲料未来可能出现“卡脖子”的风险,助力我国粮食安全的自主可控与长治久安。国内外对猪低蛋白质低豆粕多元化饲粮技术已开展了较多研究,相关研究可为该技术的发展提供参考。但是,现有研究大都是结合试验地区的特有资源条件,普适性较差。我国幅员辽阔,不同地区的饲料资源环境有较大差异,同一套饲料配方在不同地区的生产效率及经济效果截然不同。因此,建议开展系统研究,明确我国不同生猪养殖地区的饲用非常规饲料,推荐不同地区的典型饲料配方,实现对地缘性饲料原料的广泛应用;建立饲料原料消化速率数据库,强化饲粮中碳水化合物与蛋白质在猪消化代谢过程中的动态适配;研发配套技术(如发酵等预消化技术)及投入品,提高非常规饲料原料的消化吸收效率,充分发挥猪低蛋白质低豆粕多元化饲粮的应用效果。