反刍动物的生产是全球畜牧业的重要组成部分,牛、羊等反刍家畜能为人类提供丰富的肉、乳、毛等优质畜产品,其养殖业在世界各地发挥重要作用。自2020年实行禁抗养殖以来,为了提高反刍动物的生产性能、养分消化率、促进健康和减少环境污染等,业内学者一直在寻求创新的营养策略和功能性添加剂。传统蛋白质营养学认为,氨基酸(amino acid,AA)是蛋白质营养的核心。即蛋白质在动物机体内需通过消化酶作用而全部转变成AA被机体吸收利用。而事实上,即使动物按照理想AA模式饲喂,也不能使其达到最佳生产性能[1]。Webb等[2]研究发现,小肽——蛋白质经消化酶分解后的产物,能被机体直接吸收,这一发现使得肽营养成为研究热点。研究发现,在对各类动植物蛋白质的消化吸收、食品加工以及对菌体蛋白水解等过程中,都能够获得具有特定生理功能的肽[3],其具有的促生长[4]、抗氧化[5]、免疫调节[6]、改善饲料利用率[7]、维持肠道健康[8]等方面备受关注。本文综述了各种肽类物质尤其是活性小肽在反刍动物生产中的应用效果,旨在为反刍动物生产中肽类添加剂应用提供参考和借鉴。
1 肽的定义、分类和来源及其应用
1.1 肽的定义
1.2 肽的分类和来源及其应用
肽可以根据不同的分类标准进行分类,如按结构大小,通常将2~10个AA构成的肽称为寡肽,如催产素;寡肽中含2~3个AA的超低分子质量的肽称为小肽,如肌肽;将10~50个AA构成的肽称多肽,如胰高血糖素。若按功能进行分类,分为营养性肽和功能性肽,前者主要为机体蛋白质合成提供原料,后者是有利于调节动物机体生命活动或具有特殊生理作用的活性肽,如免疫调节肽、抗氧化肽和抗菌肽(antimicrobial peptides,AMPs)等[11]。活性肽种类多、来源广、分类方式多样,按其作用环境分类,分为外源性活性肽和内源性活性肽,内源性活性肽是在生物体内自然生成并发挥功能的肽类物质,如促生长激素释放激素、促甲状腺素及神经肽和AMPs等。而外源性活性肽则是从外界获取并在一定条件下能够对生物的生理功能产生影响的肽类物质,如大豆肽、酪蛋白肽和小麦肽等[12]。按原料来源分为植物源肽(如大豆肽)、动物源肽(如乳清肽)、海洋生物源肽(如扇贝雌性腺水解物)。
目前,具有生理活性的功能性肽在诸多领域已有研究,其合成途径主要包括:1)天然存在;2)生物体消化过程产生;3)体外酶促降解;4)科技合成如分子生物学和生物信息学。凭借吸收快、效能高、品种多且安全无害的特点,肽在饲料、食品、医疗和美妆等领域应用广泛(表1)。
表1 功能性肽的研究和应用领域、合成途径及功能Table 1 Research and application fields, synthesis pathway and functions of functional peptides |
| 研究和应用领域 Research and application fields | 名称 Name | 合成途径 Synthesis pathway | 功能 Function | 参考文献 Reference |
|---|---|---|---|---|
| 饲料Feed | β-酪啡肽-7 | 酪蛋白水解 | 提高动物的消化能力和免疫功能 | [13] |
| 酸味肽 | 木瓜酶处理牛肉 | 提高饲料适口性 | [14] | |
| 食品Food | 蛋清蛋白水解物 | 蛋白酶水解 | 食品防腐剂,减少食品中脂质氧化 | [15] |
| 扇贝雌性腺水解物 | 使用中性蛋白酶提取 | 用于食品储存, 减少氧化,改变肉质 | [16] | |
| 医疗Medical treatment | 牛奶蛋白水解物 | 乳蛋白水解或乳发酵 | 阻碍血管紧张素转化酶 活性,降低血压 | [17] |
| SALL4肽 | 人工合成 | 抗肿瘤 | [18] | |
| 美妆Cosmetic | L-肌肽 | 天然存在 | 抗氧化,缓解皮肤衰老 | [19] |
| 丝素肽 | 丝素蛋白酶解 | 美白,抗紫外线,保湿,抗氧化 | [20] |
2 反刍动物对肽的消化吸收特点
反刍动物摄取的蛋白质在瘤胃中逐步降解为多肽、小肽和AA,小肽在瘤胃微生物产生的肽酶作用下进一步代谢为AA和氨气,或被瘤胃壁吸收或形成过瘤胃小肽。小肽能完整地通过肠黏膜细胞而直接进入体循环。反刍动物对小肽的吸收途径可分为2种,一是在肠系膜循环中的吸收,另一种是非肠系膜吸收[21];其中肠系膜系统由空肠、回肠、盲肠和结肠构成,非肠系膜系统由瘤胃、网胃、瓣胃、皱胃和十二指肠构成,从2种系统中吸收的小肽均在门静脉系统汇集,随后进入肝脏被利用。Dirienzo[22]通过试验评估了绵羊体内AA与肽类物质吸收情况,结果显示,每天肠系膜途径中对于FAA的吸收量约为36.74 g,而肽类物质的吸收量高达52.01 g;相比之下,非肠系膜途径中对于FAA的吸收量仅为5.57 g/d,但对于肽类物质的吸收量高达308.4 g/d,表明反刍动物吸收小肽的主要途径是非肠系膜系统。
2.1 前胃内肽的吸收
反刍动物的前胃,尤其是瘤胃和瓣胃,对肽的吸收发挥重要作用。Reynal等[23]研究发现,在奶牛瓣胃中,可溶性长链肽(>10 ku)、寡肽(3~10 ku)、小肽(<3 ku)和FAA的流量分别达到了29、217、50和5 g/d,分别占瓣胃总可溶性AA流量的10.3%、71.0%、7.5%和1.6%,说明瓣胃中有大量的肽存在。Jayawardena[24]研究发现,绵羊瘤胃内肽形式氮占总氮的30%~50%,大豆饲粮在瘤胃液中孵育8 h后的总肽含量为267 mg/L;孵育离体的瓣胃上皮,发现在浆膜侧存在的FAA、肽(<3 ku)和总肽含量分别为296、444和853 μg/L,肽的吸收量为FAA吸收量的3倍左右,并且瓣胃上皮的小肽吸收能力强于瘤胃。研究表明,瘤胃液中肽含量达到54~225 mg/L,是肽在瘤胃中降解、吸收、利用等动态过程的综合反映,而肽主要以4种形式存在,包括瘤胃肽、瘤胃滞留肽、瘤胃微生物吸收肽和瘤胃壁吸收肽[25]。瘤胃细菌优先摄取亲水性肽,可能导致了疏水性肽在瘤胃中的沉积[26]。研究表明,肽能够抵抗瘤胃中微生物的降解,是瘤胃蛋白质降解过程中的限速步骤产物[27],同时也是瘤胃微生物合成蛋白质的重要底物[28]。Volden等[29]研究发现,当采用青贮饲料提取物作为饲粮时,非氨态氮(NH3-N)中多肽、小肽及FAA形式的氮的比例分别为30%、52%和18%。相比之下,小肽具有较强的抗瘤胃降解能力,而FAA形式的氮则更易被降解。
2.2 肠道内肽的吸收
孙雅君等[30]以绵羊为研究对象,结果表明,小肽主要在十二指肠释放,空肠是其主要消化场所,而回肠是关键的吸收部位。Gilbert等[31]研究报道,肠上皮细胞对小肽的吸收途径主要有4种:小肽转运载体1(peptide transporter 1,PepT1)转运、渗透扩散(cell-penetating peptides,CPP)、旁细胞穿透以及胞吞途径(图1)。被动扩散是一种普遍存在的吸收机制,是利用细胞膜两侧的浓度差来推动离子或分子的移动,这一过程既无需额外的能量消耗,也不依赖于特定的转运蛋白。小肽在肠道累积至一定浓度,便会跨过肠黏膜屏障,进入肠系膜循环。载体转运吸收有2种方式[32]:1)小肽透过PepT1的转运过程,受到跨膜氢离子(H+)浓度梯度的影响,显示出对pH的敏感性。然而,与一些其他转运机制不同的是,这一吸收过程并不受钠离子(Na+)、氯离子(Cl-)或钙离子(Ca2+)浓度的调控。2)肽的跨膜转运依赖于阳离子的浓度梯度。Han等[33]研究表明,小肽结合质子的PepT1存在于小肠的顶膜和基底膜上。除了PepT1介导的转运途径,CPP提供了一种独特的机制,其不仅能够自身穿透细胞膜,还能携带各种生物大分子如寡肽、肽核酸、质粒DNA、蛋白质以及脂质体等一同进入细胞内部,CPP在质膜上转位的机制尚不清楚,但目前的理论倾向于认为这一过程可能通过直接穿透或不同类型的内吞作用,最终导致内涵体的释放。通道穿透吸收是通过旁细胞转运的一种吸收机制。研究指出,小肠的上皮细胞存在一种吸收屏障,该屏障影响水、溶解性物质及离子的跨细胞转运过程[34-35]。上皮细胞间的连续性和选择通透性,是由紧密连接、黏附连接与桥粒3种不同的细胞间连接机制共同维系的。紧密连接是上皮细胞执行吸收与分泌功能的重要特征,由跨膜成分封闭蛋白和闭合蛋白,以及胞质斑块成分如闭锁小带蛋白(ZO)家族蛋白(ZO-1、ZO-2、ZO-3)、环状蛋白和7H6构成。
3 肽类添加剂在反刍动物生产中的应用
3.1 肽类添加剂在反刍动物生产中的应用种类
目前,在禁抗养殖背景下,多种肽类添加剂在反刍动物生产上已有研究,本文根据不同来源和种类列举了以下几种肽类添加剂类型,见表2。
表2 肽类添加剂类型及其研究与应用效果Table 2 Types of peptide additives and their research and application effects |
| 类型 Types | 来源方式 Source method | 使用方式 Usage | 功能 Function | 参考文献 Reference |
|---|---|---|---|---|
| 大豆肽 Soybean peptide | 大豆蛋白酶解产物 | 奶牛瘤胃液体外 研究/饲粮添加 | 提高养分的体外降解率;提高奶牛的 产奶量和抗氧化能力,同时提高 瘤胃细菌多样性 | [36] |
| 小麦肽 Wheat peptide | 小麦蛋白酶解产物 | 肉羊饲粮中添加 | 提高肉羊生长性能和养分 利用率;改善小肠形态结构, 提高肠道免疫功能 | [37] |
| 棉籽肽 Cottonseed peptide | 棉籽蛋白酶解产物 | 奶牛体外发酵/ 饲粮添加 | 促进奶牛钙消化,改善瘤胃 发酵,提高机体蛋白质的合成代谢, 改善机体健康状态 | [38] |
| 谷胱甘肽 Glutathione | 商业产品 | 育肥羊饲粮中添加 | 增强育肥羊机体的 抗氧化能力 | [39] |
| 杂合抗菌肽CC34 Hybrid antimicrobial peptide CC34 | 运用生物信息学及 分子生物学技术和 方法设计而成 | 断奶羔羊饲粮中添加 | 提高断奶羔羊小肠上皮屏障 功能和生物屏障功能 以及抗氧化能力 | [40] |
| 富力肽 Fulltide | 以大豆和棉籽为 原料酶解产生 | 妊娠130 d左右母羊 饲粮中添加 | 提高羔羊体重和平均日增重, 降低羔羊腹泻率和死亡率, 增加经济效益 | [41] |
3.2 肽类添加剂在反刍动物生产中的应用
3.2.1 对AA吸收和蛋白质合成的影响
小肽与AA通过不同的机制被吸收,相对于AA,小肽具有吸收快速、能耗低、不容易达到饱和的特点,并且不同肽之间的转运不存在竞争性和抑制作用[42]。因此,相较于FAA,反刍动物对肽中AA残基的吸收更高效、更充分。小肽可被机体直接完整吸收,而AA吸收时会因竞争同一吸收位点而产生拮抗效应,例如精氨酸与赖氨酸的吸收竞争[43];然而,当完全以小肽供氮时,赖氨酸的吸收速率不再受到精氨酸的影响[44]。向反刍动物提供肽作为氮源,相较于AA或完整蛋白质,能促进更高的蛋白质沉积效率。研究表明,虽然乳腺可利用血液中的FAA来合成乳蛋白,但这些FAA不足以满足全部需求。例如,乳腺合成酪蛋白时,8%~18%的蛋氨酸实际上来自血液中的小肽[45]。饲养试验表明,饲粮中添加小肽能明显提升牛奶的乳蛋白含量[46]。此外,体外培养的奶牛乳腺上皮细胞(bovine mammary gland epithelial cells,BMECs)试验表明,小肽能显著增强酪蛋白基因的表达和培养基中酪蛋白的含量[47⇓⇓⇓⇓-52]。
3.2.2 对矿物质吸收的影响
3.2.3 对养分吸收的影响
提升动物对饲料的消化吸收效率,有助于营养成分更充分的利用,进而实现降本增效的目标。动物对养分消化率的提高与肠道形态和消化酶有关。Ren等[56]在山羊饲粮中添加AMPs后,瘤胃中木聚糖酶、果胶酶和脂肪酶等消化酶活性提高,从而促进养分利用。白晨等[57]研究表明,饲粮中添加小麦低聚肽能增加肉羊十二指肠、空肠和回肠的绒毛高度,并减少隐窝深度,使这些区域的绒毛高度/隐窝深度比值变大,小麦低聚肽通过改变肉羊小肠的形态提高了饲料中干物质(DM)、粗蛋白质(CP)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、钙和磷的表观消化率。司丙文等[58]研究发现,饲粮中添加小肽能提高奶牛有机物(OM)和ADF的表观消化率。田梅等[59]研究表明,饲粮中添加大豆小肽对肉牛十二指肠和回肠的DM、OM、AA和粗纤维的表观消化率有明显改善作用。何帮林[60]在饲粮中添加大豆活性肽也提高了犊牛养分表观消化率。
3.2.4 对消化道微生物及代谢产物组成的影响
肽对于反刍动物,具有优化消化道微生物组成、促进有益代谢产物产生、调节发酵模式等多方面的作用。瘤胃液中的微生物蛋白(microbial protein,MCP)、挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFA)、NH3-N均是评价瘤胃发酵的重要指标,而瘤胃微生物在反刍动物对饲料养分的消化过程中起着重要作用。瘤胃中的微生物可直接利用肽合成MCP[61],而MCP是反刍动物最主要的氮源供应源。体外研究表明,棉籽肽能增加瘤胃纤维素和淀粉降解菌以及高氮利用菌的相对丰度,有利于促进瘤胃碳水化合物和氮的代谢[62]。曾钰[63]研究发现,发酵杂粕饲料中添加小肽可增强肉牛瘤胃微生物的多样性和丰富度,进而影响厚壁菌门、柔膜菌门、特定拟杆菌科菌属、理研菌科RC肠道群及克里斯滕森菌科R-7群的相对丰度,最终调节瘤胃中乙酸、丙酸、丁酸和异戊酸的比例。涂瑞等[64]研究表明,随着小肽在3种精粗比饲料条件下的添加量增加后,乙酸、异丁酸、异戊酸的比例以及乙酸/丙酸(乙丙比)呈显著二次曲线变化;添加量为1.50%时,乙丙比和乙酸比例最小;而在添加量为2.25%时,异位酸比例最高。此外,田梅等[59]研究发现,随着肉牛饲粮中大豆小肽日供应量从120 g/d增至360 g/d,NH3-N、MCP、VFA总量及乙酸含量均呈显著线性和二次曲线上升;当小肽供应量达240 g/d时,瘤胃中丁酸弧菌数量显著增加。刘丽平等[65]在围产期奶牛饲粮中补充小肽,通过优化瘤胃菌群,提升了瘤胃液中乙酸、丁酸及总挥发性脂肪酸含量,进而增加了乳脂含量,提升了乳品质。李世易[66]研究发现,蜜蜂肽能促进湖羊瘤胃发酵模式趋于乙酸发酵,提高乙丙比。然而,黎凌铄等[67]在舍饲牦牛全混合日粮(TMR)基础上添加0.75%小肽,降低了瘤胃中乙丙比,促进瘤胃发酵模式由乙酸型向丙酸型转变。刘春雨[68]通过体外模拟胃肠消化和结肠发酵的方法,探究牦牛骨胶原蛋白肽(yak bone collagen peptide,YBCP)经过胃肠消化后的变化及其对肠道菌群的影响,结果发现,低、中浓度YBCP添加组的双歧杆菌相对丰度分别增加了70.58%和52.51%,3个YBCP添加组的短链脂肪酸总含量分别增加了31.66%、48.90%和71.36%。张存昊[40]研究表明,断奶羔羊饲粮中添加杂合抗菌活性肽,增加了羔羊空肠和回肠菌群中厚壁菌门以及醋酸瘤菌属(Acetitomaculum)和双歧杆菌属(Bifidobacterium)的相对丰度,与Li等[69]研究酵母肽处理早期断奶羔羊结论一致,即通过改变肠道微生物结构改善肠道生物屏障。
3.2.5 对机体健康免疫的影响
肽不仅对反刍动物具有营养作用,而且在维持健康方面作用显著。肽H18R(H2)是一种抗菌活性小肽,对诱发牛疾病的病原体表现出抗菌活性,可通过内吞作用内化到BMECs,分布于细胞质,并抑制可引起奶牛乳房炎的金黄色葡萄球菌[70]。Yaqub等[71]于炎热干燥季节在母羊妊娠前3周的饮水中添加100 mg/kg肌肽,发现肌肽添加组的母羊血液中丙二醛(MDA)、8-异前列腺素和甘油三酯含量降低,谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性增强,肌肽通过降低母羊的脂质过氧化物含量和增强抗氧化酶活性而表现出较强的抗氧化应激能力。司丙文等[58]研究表明,向荷斯坦奶牛饲粮添加小肽,能通过提升血清免疫球蛋白A(IgA)和免疫球蛋白M(IgM)含量,增强奶牛的免疫功能。丁子悦[38]研究发现,在饲粮中添加棉籽蛋白酶解小肽后,降低了奶牛血清中白细胞介素-8(IL-8)、皮质醇(COR)、热休克蛋白-70(HSP-70)和MDA含量,而且试验组奶牛瘤胃中有害菌群如放线菌门和螺旋体门的相对丰度有降低的趋势。图门乌力吉等[41]在妊娠末期绒山羊饲粮中添加小肽,结果发现与对照组相比,试验组羔羊血清白细胞介素-6(IL-6)、干扰素-α(IFN-α)和白细胞介素-1β(IL-1β)含量下降,SOD活性和谷胱甘肽(GSH)含量增加。Zong等[72]在断奶前荷斯坦犊牛的饮水中添加100 mg/kg体重的乳源生物活性肽缬氨酸-脯氨酸-脯氨酸(Val-Pro-Pro,VPP)后,发现VPP不仅降低了犊牛血清中IL-1β、IL-6、TNF-α含量,而且提高了粪中短链脂肪酸正丁酸和异戊酸含量,VPP通过维持犊牛肠道健康,减轻了腹泻程度。综上所述,肽作为饲料添加剂能通过抗菌、抗炎、抗氧化和免疫调节维持反刍动物健康。
3.2.6 对生产性能和产品品质的影响
为了获得更高经济效益,畜禽的生产性能和产品品质是养殖户关注的重点,对于肉用反刍动物,养殖户更关注其产肉能力和肉质;而对于乳用动物,则更关注其产奶量和乳品质。多项研究表明,肽作为反刍动物饲料添加剂,能提高其生产性能和产品品质。何帮林[60]在荷斯坦犊牛饲粮中添加酶解大豆肽后,其平均日增重(ADG)和平均日采食量(ADFI)提高,同时料重比降低。苗建军等[73]在饲粮中添加0.75%、1.50%、2.25%的小肽后,牦牛ADG、干物质采食量(DMI)、饲料转化率随小肽添加水平增加呈二次曲线变化,当小肽添加水平为2.25%时,生长性能达到最佳水平。包桂荣等[74]在羔羊饲粮中加入混合小肽后,公羔ADG提高20.06%,料重比下降25.04%,育肥效益提升66.43%;母羔ADG提高25.36%,料重比下降20.00%,育肥效益提升113.68%。张昊[75]在小尾寒羊饲粮中添加0.3%小麦低聚肽后,与对照组相比,试验组肉羊背膘厚度显著提高,同时,肉色中的黄度(b*)值显著提高,剪切力和失水率显著降低,而且蒸煮损失有降低的趋势。Tagari等[45]研究指出,奶牛乳腺利用的AA中,肽结合氨基酸(peptide-bound amino acid,PBAA)占相当比例,并与FAA一同构成乳蛋白的基础。小肽添加水平可影响奶牛的产奶性能,量化小肽含量有助于优化饲料配方,从而提高小肠及乳腺对AA的利用。刘双[76]在奶牛饲粮中添加100 g小肽后,与对照组相比,试验组每天产奶量提高0.72 kg,牛乳中总蛋白和白蛋白含量分别提高3.31%和4.91%,体细胞数下降1.75万个/mL。
4 小结
肽在反刍动物生产中展现出多方面的应用及经济价值。作为AA链状结构的活性物质,肽不仅具有营养作用,还通过多种生物活性功能促进养分吸收、增强机体抗炎与抗氧化能力、调控免疫反应、优化肠道形态,并改善消化道菌群结构,增加有益菌数量,维持肠道稳态。此外,肽类添加剂能促进瘤胃中VFA和MCP的产生,对瘤胃微生物群落结构和功能产生积极影响,从而优化饲料利用率和改善乳制品品质。
随着对肽的生物学特性的深入认识和技术的进步,未来的研究方向应该侧重于开发针对性更强、生物活性更高的肽类添加剂,用于替代传统抗生素,满足无抗养殖的需求。科研人员应该探索更多的肽源种类、优化提取和酶解技术,并结合先进的分子生物学和生物信息学方法,设计具有特定功能的活性肽。同时,加强对肽在反刍动物肠道健康、免疫调节和瘤胃发酵调控等方面的精细化研究,以期实现对反刍动物生产性能的精准调控和生态环境友好型养殖模式的建设。