随着集约化、规模化养殖业的快速发展,我国逐步发展成为全球最大的饲料生产和饲料粮消费国。2023年,全国养殖业饲料消耗量4.87亿t,其中粮食及其副产物总量为4.23亿t,约占粮食总供给量的53%。此外,我国饲料资源长期短缺,尤其是以玉米和大豆为主的能量和蛋白质饲料原料的进口量显著增加。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的大豆,其对外依存度超80%。猪饲料粮消耗占总消耗的45%左右,发展猪低蛋白质饲粮,提高饲料粮利用效率,对于促进粮食节约,保障粮食安全具有重要意义[1]。
1 碳氮适配技术的缘由
首先,营养物质在吸收入血之前被肠道首过代谢,氨基酸与葡萄糖均为肠道的重要能源物质[6],由于低蛋白质饲粮中本身减少了天冬酰胺、天冬氨酸和谷氨酰胺等用作肠道能量来源的非必需氨基酸的数量,加之葡萄糖肠道滞后释放,可能会引起晶体必需氨基酸作为能量底物在肠道氧化的比例增加,造成浪费。其次,肠道适宜葡萄糖水平可激活氨基酸转运载体[7],促进氨基酸吸收,因而葡萄糖的异步释放可能会使得采食后氨基酸在肠道吸收受阻,增加其在肠道的存留时间,加剧其氧化。另外,采食后血糖浓度的提高会刺激有利于蛋白质合成的激素(如瘦素和胰岛素等)的分泌[8],以及引发蛋白质合成部位哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)途径增强,使得氨基酸转运进出肌肉组织的总体速率、细胞内氨基酸可用性以及肌肉蛋白质合成的利用率显著增加[9]。因此,葡萄糖与氨基酸消化吸收同步性差也削弱了激素对蛋白质合成的促进作用。同时,摄入晶体氨基酸引起的血液氨基酸浓度峰值明显早于摄入常规能量饲料引起的血糖浓度峰值,这将导致葡萄糖在氨基酸合成为蛋白质的过程中无法提供足够的能量,从而损害蛋白质合成。而大量不能合成为蛋白质的氨基酸以游离形式存在,刺激机体氧化这些氨基酸以避免毒性,造成大量晶体氨基酸被浪费[10]。综上所述,深入系统理解饲粮主要能量底物碳水化合物以及氮素来源饲粮蛋白质的结构组成与消化代谢过程,合理调配低蛋白质饲粮淀粉和蛋白质组成与结构,使其在畜禽消化代谢过程中动态协同适配,是增强饲料利用效率的可行方案。
2 淀粉的组成与消化代谢
2.1 淀粉颗粒的分子构成
淀粉由D-葡萄糖的2种聚合物组成:1)直链淀粉,一种基本上无支链的由α-1,4-糖苷键连接的葡聚糖;2)支链淀粉,具有以高度支化的结构排列的由α-1,4-糖苷键和α-1,6-糖苷键连接的葡萄糖[11]。淀粉颗粒大小(直径从1到100 mm)和形状(多边形、球形和透镜状)不等[12]。普通玉米、大米、小麦和马铃薯等常规饲料中直链淀粉的含量通常为30%左右,支链淀粉含量通常为70%左右。蜡质淀粉中含有很少或几乎不含直链淀粉,如蜡质高粱淀粉中直链淀粉的含量为8%左右,蜡质玉米淀粉中直链淀粉的含量为1%左右。高直链淀粉含量的淀粉通常可含有约50%的直链淀粉。除直链淀粉和支链淀粉外,淀粉颗粒由总量约1.5%的脂质、蛋白质和磷等微量成分组成。
2.1.1 直链淀粉
2.1.2 支链淀粉
2.2 猪对不同来源淀粉的消化率
淀粉是猪饲粮中的主要能量来源,占饲粮总能量的50%以上[18]。淀粉为猪提供能量的方式主要有2种,分别为在前肠道被酶消化后以葡萄糖的形式供能和在后肠道被微生物发酵后以短链脂肪酸的形式供能。淀粉被酶消化为葡萄糖的速率取决于其化学成分和加工方法。进入大肠的淀粉被称为抗性淀粉,是微生物发酵生产短链脂肪酸的底物[19]。淀粉的消化率和消化位置的变化将影响其能量值和宿主生理反应,包括采食量、生长性能、瘦肉和脂肪沉积、荷尔蒙稳态、微生物生态以及肠道健康。对淀粉的可消化性进行评估具有重要意义。表1展示了近年来猪对不同来源淀粉消化率的相关研究[20⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-28],从中可以发现,即便多数淀粉的全肠道消化率接近100%,回肠消化率却存在明显差异,而由于后肠道消化淀粉对猪营养的供应有限,通常以回肠消化率评价淀粉营养价值。
表1 猪对不同来源淀粉的消化率Table 1 Digestibility of starch from different sources in pigs |
| 淀粉来源 Starch sources | 形态 Form | 猪体重 Body weight of pigs/kg | 回肠消化率 Ileal digestibility | 全肠道消化率 Total intestinal digestibility | 参考文献 References |
|---|---|---|---|---|---|
大麦Barley | 粉状 | 78 | 0.84 | 0.97 | Fadel等[20] |
| 粉状 | 38 | 0.93 | 1.00 | Sun等[21] | |
玉米Corn | 粉状 | 31 | 0.95 | 1.00 | Cervantes-Pahm等[22] |
| 粉状 | 88 | 0.89 | 1.00 | Morales等[23] | |
小麦Wheat | 淀粉 | 45 | 0.96 | 1.00 | Bird等[24] |
| 粉状 | 40 | 0.99 | 1.00 | Bach等[25] | |
| 燕麦Oat | 粉状 | 40 | 0.97 | 1.00 | Knudsen等[26] |
高粱Sorghum | 粉状 | 30 | 0.86 | 0.99 | Owsley等[27] |
| 粉状 | 31 | 0.99 | 1.00 | Cervantes-Pahm等[22] | |
豌豆Pea | 粉状 | 34 | 0.86 | — | Gdala等[28] |
| 粉状 | 38 | 0.79 | 0.99 | Sun等[21] | |
| 土豆Potato | 淀粉 | 38 | 0.40 | 0.98 | Sun等[21] |
3 氨基酸与葡萄糖的同步吸收
3.1 蛋白质的消化和氨基酸的吸收
图1 单胃动物胃肠道中饲粮蛋白质的消化Protein in diet:饲粮蛋白质;Stomach and SI:胃和小肠;proteases:蛋白酶;Large peptides:大肽;SI:小肠 small intestine;peptidases:肽酶;Small peptides (2 or 3 AA residues):小肽(2或3个氨基酸残基);Dipeptidases or tripeptidases:二肽酶或三肽酶;Transport:载体;PepT1:肽转运载体1 peptide transporter 1;Free AA:游离氨基酸;Enterocytes and luminal bacteria:肠上皮细胞和肠腔细菌;Oxidation:氧化;Protein:蛋白质;NEAA and other NM:非必需氨基酸和其他含氮分子;Undegraded AA:未降解氨基酸;Free AA and possibly small peptides:游离氨基酸和可能小肽;Ala, Arg, Cit, Orn, Pro, Try, GSH, NT, and NH4+:丙氨酸、精氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸、脯氨酸、酪氨酸、谷胱甘肽、核苷酸以及铵离子;Portal vein:门静脉。 Fig.1 Digestion of dietary protein in gastrointestinal tract of monogastric animals[29] |
3.1.1 蛋白质的消化
在单胃动物中,饲粮蛋白质的消化始于胃,蛋白质在胃中被盐酸变性,然后被蛋白酶(胃蛋白酶A、胃蛋白酶B、胃蛋白酶C和肾素)消化[30]。肾素是一种蛋白水解活性较弱的酶,会分泌到幼龄哺乳动物的胃中并导致乳蛋白凝结,这为消化蛋白水解酶的作用提供了额外的时间,从而提高了蛋白质的消化率。胃蛋白酶水解蛋白质的产物,即多肽,进入小肠腔后,在碱性介质(胆汁盐、胰液和十二指肠分泌物)中被特定的蛋白酶(包括胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、羧基肽酶和氨肽酶)进一步水解,产生小肽和大量游离氨基酸[31]。由3个以上氨基酸残基组成的寡肽被肽酶进一步水解(主要位于肠细胞的刷状缘,少量位于肠腔中),形成三肽、二肽和游离氨基酸。胃肠道中蛋白酶和肽酶的数量和活性受饲粮因素的影响[32]。
晶体氨基酸是指使用化学合成或微生物发酵的方法生产出的以单体形式存在的氨基酸。一般认为,晶体氨基酸可以替代大宗饲粮蛋白质原料来源的氨基酸,以满足畜禽维持和生长的基本需求。但这并不意味着用游离氨基酸替代蛋白质不会带来任何生理后果。相反,这种替代可能导致代谢途径及生理状态的改变。这主要是由于晶体氨基酸无需经过胃肠道消化便可直接吸收。因此,相较于完整蛋白质来源的氨基酸,晶体氨基酸来源的氨基酸可能被更快地吸收进入血液循环(图2)。
3.1.2 氨基酸和小肽的吸收
3.2 淀粉的消化和葡萄糖的吸收
3.2.1 淀粉的消化
淀粉的水解在单胃动物的胃肠道中由多种酶组合完成。唾液α-淀粉酶由哺乳动物口腔中的唾液腺分泌,是单胃动物采食后第一种消化淀粉的酶。由于饲粮在口腔中的存留时间有限,通常认为唾液α-淀粉酶对总淀粉消化的贡献较低[34]。对猪唾液α-淀粉酶在淀粉消化过程中所起作用的研究较少,由于人类和猪拥有较为相似的胃肠道,因此可引为参考。
图3 单胃动物胃肠道中饲粮淀粉的消化α-1,4-glycosidic bond:α-1,4-糖苷键;α-1,6-glycosidic bond α-1,6-糖苷键;Starch:淀粉;Sucrose:蔗糖;Sucrase:蔗糖酶;Maltose:麦芽糖;Maltase:麦芽糖酶;Isomaltose:异麦芽糖;Isomaltase:异麦芽糖酶;Dextrins:糊精;Glucoamylase:葡糖淀粉酶;Fructose:果糖;Glucose:葡萄糖。 Fig.3 Digestion of dietary starch in gastrointestinal tract of monogastric animals[36] |
3.2.2 淀粉消化率
通常情况下,与直链淀粉相比,支链淀粉在畜禽胃肠道中的糊化程度更高,与消化酶接触的表面积更大,消化和吸收(以葡萄糖的形式)的速度更快[39]。因此,一般认为,具有较低直链淀粉/支链淀粉比率的淀粉一般更容易被消化,并以葡萄糖的形式吸收进入血液[40-41]。然而,由于支链淀粉的分支处为α-1,6-糖苷键,其无法被动物分泌的淀粉酶完全水解,因此,含有大量短支链的淀粉通常其消化速率可能反而会降低。除直链淀粉/支链淀粉比率外,如晶体结构和物理存在形式等因素同样对淀粉的消化速率具有明显影响。表2总结了来源及形式对猪不同胃肠道位置淀粉消化率的影响[26,42⇓-44]。从中可以发现,不同原料来源的淀粉大多在小肠末端会被充分消化,而不同原料来源的淀粉其在胃和小肠各段的消化率具有明显差别,虽然最终结果(以葡萄糖形式充分吸收)相似,但过程中表现出的差异同样可能会影响畜禽营养物质利用的效率。
表2 40~60 kg生长猪不同胃肠道位置淀粉消化率Table 2 Starch digestibility in 40 to 60 kg pigs at different gastrointestinal tract locations |
| 淀粉来源 Starch sources | 形式 Form | 消化率Digestibility | 参考文献 References | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 胃Stomach | 小肠Intestine | ||||||
| 黑麦Rye | 粉状 | — | 0.07 | 0.33 | 0.60 | 0.82 | Patience等[42] |
燕麦Oat | 粉状 | 0.00 | 0.64 | 0.95 | 0.98 | 0.99 | Knudsen等[26] |
| 粉状 | -0.10 | 0.49 | 0.90 | 0.98 | 0.99 | ||
| 玉米Corn | 糊化淀粉 | 0.15 | 0.63 | 0.86 | 0.99 | 0.98 | Dekker等[43] |
| 豌豆Pea | 分离淀粉 | -0.09 | -0.04 | 0.80 | 0.98 | 0.98 | |
小麦Wheat | 分离淀粉 | 0.21 | 0.51 | 0.87 | 0.98 | — | Dekker等[44] |
| 糊化淀粉 | 0.24 | 0.50 | 0.86 | 0.99 | — | ||
| 木薯Cassava | 分离淀粉 | -0.02 | 0.64 | 0.76 | 0.84 | — | |
将小肠分为等长的3或4段并采集其中食糜检测淀粉消化率。 | |
The small intestine was divided into 3 or 4 segments of equal length and digesta was collected to detect starch digestibility. |
3.2.3 葡萄糖的肠道吸收
葡萄糖跨细胞膜的转运由钠依赖型葡萄糖共转运蛋白(sodium-dependent glucose cotransporter,SGLT)家族和葡萄糖转运蛋白(glucose transporter,GLUT)家族的能量耦合和促进机制介导。主动-SGLT驱动-运输是单胃动物吸收和重吸收葡萄糖所必需的,即分别从胃肠道内的食物和肾脏的尿液中摄取己糖。体内的葡萄糖稳态主要由GLUT蛋白家族的各种成员维持,包括14种同工型。在肠道上皮细胞葡萄糖转运体系中,目前仅有在肠上皮细胞顶膜表达的GLUT5果糖转运载体和SGLT1葡萄糖转运载体,以及在基底层表达的GLUT2葡萄糖和果糖转运载体被广泛认可。
综上所述,在配制猪低蛋白质饲粮时,应充分考虑饲粮中大量存在的合成氨基酸可快速以单体形式出现在胃肠道中的特性,适当增大可在猪胃肠道中快速消化为葡萄糖的支链淀粉的使用量,提高猪采食后葡萄糖在消化道内的出现速率,从而有效提高猪低蛋白质饲粮中碳水化合物与蛋白质消化吸收的同步性,改善碳氮营养素的动态协同适配。然而,除合成氨基酸外,低蛋白质饲粮中的氮素仍有较高比例来源于慢速消化的结合蛋白(如棉籽粕、菜籽粕等)。因此,在广泛使用非常规饲料原料的猪低蛋白质饲粮中,应系统把握不同饲料原料中碳水化合物与蛋白质的消化速率,从整体出发,促进饲粮碳氮营养素的动态相互匹配。
4 氨基酸与葡萄糖同步消化吸收的潜在益处
4.1 减少首过代谢损失
长期以来,饲粮氨基酸被认为可以全部由肠道吸收进入门静脉。而近年来的研究发现,饲粮中的氨基酸在被吸收入血之前发生广泛的首过代谢。例如,几乎所有的谷氨酸和天冬氨酸、67%的谷氨酰胺、30%~40%的脯氨酸和约35%的支链氨基酸都被新生仔猪、断奶仔猪和妊娠母猪的小肠分解代谢[45]。也有证据表明,大鼠空肠对腔内谷氨酰胺、谷氨酸和天冬氨酸的代谢率分别为66%、98%和大于99%[46-47]。而人体对谷氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸、精氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸的首过代谢消耗分别为96%、64%、69%、38%和29%[48]。首过代谢中不足20%的氨基酸被用来合成肠道黏膜,其余的多被用作氧化供能或代谢转化。研究发现,与饲喂完整蛋白质的小鼠相比,饲喂晶体氨基酸的小鼠在试验5 d内表现出更高的全身性氨基酸氧化,分析这可能与消化时间及吸收位置的区别有关[10]。另外,在蛋鸡方面的研究显示,氨基酸与饲粮碳水化合物在消化速率上更接近时,可在保持蛋鸡生产效率的条件下,减少合成氨基酸的用量,这可能与节省的首过代谢氧化有关[49]。
4.2 增强蛋白质合成
蛋白质周转是生物体的基本生理过程,包括蛋白质的合成和降解。蛋白质合成和降解的平衡是影响蛋白质在动物细胞和组织(如骨骼肌)中沉积的决定性因素。蛋白质周转不能独立于能量代谢进行。细胞内每合成或降解1 mol蛋白质所消耗的ATP分别为5和1 mol。葡萄糖是机体ATP的主要来源,充足的葡萄糖供应是蛋白质周转的关键。研究发现,葡萄糖还可以作为信号分子调节mTOR磷酸化以及蛋白质的合成与氨基酸的利用[50]。必需氨基酸和葡萄糖的摄入抑制单磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)并激活骨骼肌中mTOR信号的传导,这与蛋白质合成的增加有关[51]。在肉鸡上的研究证实,淀粉和蛋白质消化的动态适配性比表观回肠淀粉和氮消化率更深刻地影响了饲料效率和氮保留率[52]。
4.3 刺激促蛋白质合成激素的分泌
葡萄糖的肠道吸收会提高血糖水平,进而刺激与蛋白质合成相关的激素的分泌,如胰岛素、瘦素、生长激素和胰岛素样生长因子-Ⅰ(insulin-like growth factor-Ⅰ,IGF-Ⅰ)等。先前的研究发现,胰岛素可以有效促进氨基酸进入各种组织,且提高肌肉组织、脂肪组织、肝脏组织和其他组织中蛋白质的合成速率,并降低肌肉中蛋白质的降解速度[53]。瘦素是由肥胖基因产生的循环激素,Mao等[54]研究发现,瘦素注射可以显著增加骨骼肌蛋白质合成,抑制其分解;Shin等[55]在细胞水平上同样证实瘦素可刺激细胞内蛋白质合成,导致其肥大。生长激素调节身体的生长,在小鼠和人类中,生长激素缺乏或不敏感会导致儿童期和青春期的生长缓慢[56]。生长激素的促生长作用主要由IGF-Ⅰ介导,研究表明,生长激素或IGF-Ⅰ治疗对肌肉蛋白质合成和全身净蛋白质合成均有改善效果[57]。因此,葡萄糖与氨基酸同步消化吸收可以有效刺激促蛋白质合成激素的分泌,提升氨基酸合成蛋白质的效率。
4.4 减少全身氨基酸氧化
由于机体游离氨基酸池的大小保持相对稳定,饲粮氨基酸在被肠道吸收后无法以游离氨基酸形式储存。即便是在采食后的初期,大量饲粮氨基酸进入游离氨基酸池时,如果氨基酸的出现率超过蛋白质的合成能力,则多余的氨基酸会被氧化去除[58]。尽管机体能够适应不同的氨基酸水平,但其适应能力有限。Bos等[59]研究显示,氨基酸吸收速率与采食后氧化损失之间具有直接关系,与较慢消化的蛋白质相比,较快消化的蛋白质的利用效率较低。同样,Nolles等[10]研究结果也显示,相较于缓慢消化吸收的完整蛋白质,快速消化吸收的晶体氨基酸会导致全身氨基酸氧化增加。氨基酸与葡萄糖同步消化吸收为氨基酸合成蛋白质提供了能量,并增强了激素的促进作用,提高了采食后骨骼肌合成蛋白质的能力,减少了全身氨基酸氧化损失。
5 低蛋白质饲粮碳氮适配技术研究进展
本实验室与中国农业大学曾祥芳教授团队于2019年开始对猪低蛋白质饲粮碳氮适配进行研究。Zhou等[60]借助猪回肠食糜连续采集模型的构建,发现相比于豌豆淀粉,当使用蜡质玉米淀粉和玉米淀粉配制低蛋白质饲粮,饲粮支链淀粉/直链淀粉比例由1.33分别提升至9.36和2.53时,猪回肠末端食糜干物质流量由240.3 g/kg干物质采食量(DMI)分别显著降低至181.1和166.3 g/kg DMI,回肠末端总氨基酸表观消化率由69%分别显著提高至78%和80%,各种氨基酸消化率均明显提升。由此推测,这可能是因为含有高支链淀粉的糯玉米淀粉消化速度快,而含有高直链淀粉的豌豆淀粉在近端肠道中的消化速度较慢,缓慢消化会阻碍饲粮营养物质的消化和吸收,导致更多的饲粮干物质从末端回肠流出,从而降低了氨基酸的消化率。
Zhou等[61]借助猪门静脉-肠系膜静脉-股动脉-股静脉多重血插管模型的搭建,发现低蛋白质饲粮中使用快速消化淀粉,饲粮支链淀粉/直链淀粉比例由1.28提升至13.06后,葡萄糖采食后入血速率明显加快,且显著提升了生长猪采食后8 h内赖氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、谷氨酸、总必需氨基酸和总支链氨基酸的门静脉通量,以及异亮氨酸、亮氨酸、精氨酸、谷氨酰胺、总必需氨基酸和总支链氨基酸的后肢肌肉净通量。门静脉是汇集肠道吸收营养物质的第一场所,之后营养物质进行肝脏代谢并进入全身血液循环,门静脉通量的增加反映氨基酸吸收量的提升。肌肉中氨基酸的代谢通常被用于合成肌肉蛋白质、转化为其他氨基酸以及能量代谢,氨基酸后肢肌肉净通量的提升可反映蛋白质合成速率的提升[62]。
针对低蛋白质饲粮最适淀粉组成不明确的问题,Zhou等[63]通过开展氮平衡试验与蛋白质周转试验发现,当使用蜡质玉米淀粉替代50%玉米淀粉,饲粮支链淀粉/直链淀粉比例为4.88时,生长猪平均日增重提高129 g/d(952 g/d vs. 823 g/d),氮表观生物学价值(92.44% vs. 88.20%)、蛋白质沉积[6.65 g/(kg BW0.75·d)vs. 4.16 g/(kg BW0.75·d)]以及血浆丙酮酸、IGF-Ⅰ浓度和脂肪酶活性均显著提升。另外,适当使用快速消化淀粉可降低后肠道中与养分代谢相关细菌[罗姆布茨菌属(Romboutsia)和鱼孢菌科(Sporichthyaceae)等]的丰度,并减少与蛋白质发酵相关的支链脂肪酸浓度,改善肠道菌群平衡及代谢状态[63]。
针对实际养猪生产中豆粕、玉米消耗量大,以及氨基酸效率低的问题,Zhou等[8]使用非常规饲料木薯作为快速消化淀粉源配制低蛋白质饲粮,发现当支链淀粉与直链淀粉比例为4.98(与4.88相近)时,猪获得显著提升的平均日增重(932 g/d vs. 864 g/d)和平均日采食量(2 060 g/d vs. 1 894 g/d);通过对猪采食后血浆生化指标的分析,该研究解析了采食快速消化淀粉后猪血糖浓度迅速提升,刺激胰岛素、胰高血糖素和瘦素等促蛋白质合成激素分泌增加,而采食8 h后血浆胃饥饿素浓度显著提高,是导致低蛋白质饲粮下猪日增重和采食量改善的内在原因;同时,该研究验证了非常规能量饲料木薯完全替代低蛋白质饲粮中玉米的可能性。
6 小结
低蛋白质饲粮在养猪生产节粮增效中发挥重要作用,其相关配套技术也在逐渐研发与应用。碳氮适配技术不仅可以提高饲粮碳氮营养元素的利用效率,减少废弃营养素排放,而且还有利于除玉米、豆粕外其他非常规饲料的合理使用,从而形成低蛋白质、低豆粕、多元化饲粮集成技术。此外,饲料加工方式、饲料作物品种品系及种植方法以及原料陈化时间等同样会对饲粮消化率及消化速率造成明显影响,未来仍需对此持续进行系统和深入的研究,以提高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。