瘤胃保护性氨基酸的研究与应用

高 民 云付雨 杜瑞平

为了减少蛋白质饲料的浪费，降低饲料蛋白质在瘤胃内的降解，反刍动物研究者们采取了各种措施以提高饲料中蛋白质的过瘤胃量。过瘤胃蛋白的使用初见成效，但是进一步的研究发现，由于反刍动物小肠内吸收的氨基酸数量和种类决定了蛋白质对反刍动物的最终生物学价值[1]，单靠增大过瘤胃蛋白的量，不一定能保证家畜增产。因为在过瘤胃蛋白的使用中还存在诸多局限性，如非降解蛋白对微生物蛋白合成的影响、可代谢蛋白的氨基酸组成不平衡、过瘤胃蛋白小肠内可能出现的不易消化现象以及瘤胃内环境的改变、微生物合成效率的降低、食靡流通加快等带来的过瘤胃蛋白的功效下降等等[2]。

于是研究者们把重点转移到瘤胃保护性氨基酸(RPAA)上。瘤胃保护性氨基酸，又称过瘤胃氨基酸或瘤胃旁路氨基酸[3]。它的保护原理就是将氨基酸以某种方法进行处理后使其被保护起来以免被瘤胃微生物所降解，安全到达小肠内被吸收利用，当然这种产品必须是绿色安全且在小肠内能被有效吸收的。少量的RPAA不但可以代替数量可观的瘤胃非降解蛋白(UIP),还能提高生产性能,降低日粮蛋白质水平和饲料成本，对解决当前蛋白质饲料资源紧缺状况和环境保护具有十分重要的意义。尤其可满足高产反刍动物(如高产奶牛、强度育肥肉牛和肉羊)对小肠氨基酸的大量需要,目前对过瘤胃保护性氨基酸的研制、应用和机理研究已经成为反刍动物营养的热点之一。

1 瘤胃保护性氨基酸的保护方法

1.1 化学法保护

此法是将被保护的氨基酸转变成为氨基酸的衍生物、类似物、聚合物和金属螯合物等，起到保护作用。氨基酸的衍生物和类似物能够避开瘤胃内的转氨基作用，使其在瘤胃中不能被瘤胃微生物所利用，而可以在真胃中被吸收和利用，从而达到了过瘤胃保护的目的[4]。目前应用较多的氨基酸类似物有蛋氨酸羟基类似物(MHA或MHA钙盐，化学全称为2-羟基-4-甲硫基丁酸，HMB)。氨基酸衍生物有N-羟甲基-DL-蛋氨酸钙、N-羟甲基-DL-蛋氨酸及其盐类、蛋氨酸亚矾、二羟甲基-L赖氨酸钙等。

而氨基酸的金属螯合物则是将氨基酸分子与金属离子螯合，形成一种较稳固的五元环螯合结构，这种结构能够使得氨基酸螯合物在反刍动物瘤胃中不被微生物所分解而破坏，从而达到保护氨基酸的作用[5]。主要有蛋氨酸铁、蛋氨酸铜、蛋氨酸锰、蛋氨酸锌、蛋氨酸钴、赖氨酸锌、赖氨酸铜和甘氨酸铁等。此外，螯合物中还有微量元素氨基酸螯合物，这种螯合物可以作为奶牛的微量元素添加剂使用，从而可提高反刍动物对微量元素的吸收和利用[6]。

1.2 物理法保护

即对氨基酸进行包被(埋)处理,它主要是依据反刍动物瘤胃液与皱胃液或小肠液pH值的差别，选择用pH值敏感的材料(如脂肪、纤维素及其衍生物、聚合物等)通过包衣的方式包被氨基酸制成RPAA。使其在瘤胃内稳定而在真胃或十二指肠内可被分解，从而使氨基酸游离出来，被小肠吸收以达到保护氨基酸的目的[7]。

随着反刍动物专家和研究人员对瘤胃认识的发展，微胶囊技术逐渐被应用在反刍动物饲料工业中。一些饲料原料，如维生素、氨基酸、不饱和脂肪酸和有难闻气味的易挥发液体可通过微胶囊制备技术制成微胶囊粉末保护过瘤胃。

微胶囊是采用特殊的制备方法将某些具有成膜性能的材料包裹于囊心物质外层而成的一种粒子。制备微胶囊的过程称为微胶囊化(microencapsulation)，它是将固体、液体或气体包裹在一个微小的胶囊中。包封用的壁壳称为壁材，被包的囊芯称为芯材。一般粒径为 1～5 000 μm，囊壁厚度一般为 0.1～200 μm。形成微胶囊的物质由于与外界环境相隔离，可以免受环境的影响，从而保持稳定，而在适当的条件下，被包封物质又可以释放出来[8-9]。

微胶囊壁材常采用的保护性材料主要有天然高分子材料包括甘油三硬脂酸酯、氢化植物油、米糠蜡、树脂、琼脂、白蛋白、甘油酯、硬脂酸、棕榈酸、月桂酸、明胶、阿拉伯胶、淀粉、糊精、玉米朊等；半合成高分子材料：β-CD、羧甲基纤维素、壳聚糖/甲壳素、甲基纤维素、乙基纤维素等；全合成高分子材料：聚乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、2-甲基-5-乙烯基吡啶、聚氨酯、聚乙烯乙二醇、聚丁二烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、石蜡等；无机材料：硅酸盐、碳酸钙、高岭土、铝矽酸钠等四大类[10]。

微胶囊包衣工艺原理是利用压缩空气通过流化床空气分布板使芯材有规律的在涂装室内运动,通过雾化器将壁材喷涂到芯材上而制成微胶囊颗粒。该胶囊可以采用已知的各种包囊技术，例如流化床技术、离心喷涂技术、造粒技术等。氨基酸的微胶囊制备技术常采用喷雾干燥、喷雾冷却和Wurster流化床工艺[8-10]。

1.2.1 喷雾干燥法

此法原理是将被干燥的液体通过雾化器的作用，喷成非常细微的雾滴，并依靠干燥介质(热空气或惰性气体)与雾滴的均匀混合，进行热交换，使得溶剂汽化或者使得熔融物固化。喷雾干燥法最适于亲油性液体物料的微胶囊化，芯材的憎水性越强，包理效果越好。该方法主要优点是干燥速率高、时间短，物料温度较低。对于喷雾干燥工艺来说，虽然采用较高温度的干燥介质，但是液滴中有大量溶剂存在时，物料的表面温度一般不超过热空气的湿球温度，因此非常适用于热敏性物质的干燥，产品纯度高，具有良好的分散性和溶解性；生产过程简单，操作控制方便，易于实现大规模工业化生产。缺点是单位产品的耗热量大，设备的热效率低，介质消耗量大，另外，干燥器的体积较大，基建费用高。

1.2.2 喷雾冷却法

喷雾冷却法与喷雾干燥法的不同在于干燥室所用的空气温度以及所用的壁材性质不同，干燥室空气为室温或经冷却处理，远低于所用壁材如脂质(硬脂酸)或蜡质的凝固点。这两种工艺适用面较窄，对于香料等易挥发或对热特别敏感或太不稳定易氧化的芯材适合在低温下使溶剂去除，使壁材凝聚形成微胶囊。水溶性的芯材如矿物质、酶、水溶性维生素、酸味剂等，固体芯材如硫酸亚铁、固体风味料等。喷雾冷冻也可用于一般溶剂中溶解困难的生理活性物质的微胶囊化。

1.2.3 Wurster流化床法

Wurster工艺开发改造了近三十年。经过改造的现代Wurster装置自1976年起在美国，后来在欧洲得以广泛应用。现代装置与传统装置最大的区别在于颗粒在涂装室顶部被强制循环。基本原理是流化床喷雾室有底板上的囊芯物层受到向上气流的推动，当单位面积上囊芯物的质量与气体的压力差相等时，囊芯物层膨胀而呈可流动状，称为流化态。

2 瘤胃保护性氨基酸的稳定性检验

不同的保护方法和保护材料其效果不同，且RPAA在不同日粮中的稳定性也不同，因此，需要对过瘤胃氨基酸的保护效果进行测定。一般来说，无论哪种氨基酸保护形式，一方面它们必须尽可能地防止在瘤胃被降解，另一方面必须在瘤胃后消化道中能被有效的释放，并被有效吸收和利用。由于进入十二指肠中的氨基酸数量与瘤胃降解率有关，故可测定降解率来衡量瘤胃保护性氨基酸的过瘤胃性能。主要方法有尼龙袋法和体外发酵法。其中以尼龙袋法较为普遍，其准确性和可靠性较好，但结果易受动物个体生理条件的影响，且操作复杂费时，成本较高，体外发酵法相比更简单快速[11]。

3 瘤胃保护性氨基酸的饲用效果

过瘤胃氨基酸目前在奶牛生产中应用较多，已成为调控高产奶牛理想小肠氨基酸的重要手段，对提高奶牛的生产水平有着重要的意义。

3.1 对奶牛生产性能的影响

随着奶牛生产性能的提高，对氨基酸数量和质量的要求也越来越高，限制性必需氨基酸尤为重要，研究表明，赖氨酸和蛋氨酸是奶牛产奶的主要限制性氨基酸[12-13]。国内外最新的研究表明，在奶牛日粮中添加过瘤胃赖氨酸和蛋氨酸，不仅可以提高饲料利用率，减少奶牛日粮中的非降解蛋白饲料的供给量，从而降低成本，还可以在一定程度上提高泌乳奶牛的总产奶量和乳蛋白含量，避免蛋白质过剩给奶牛造成的代谢负担[14-18]。

3.2 对反刍动物瘤胃内环境及对蛋白质利用和菌体蛋白合成的影响

Robinson等（2005）证明，给奶牛饲喂10 g/d的赖氨酸，对瘤胃液pH值、NH3-N浓度和VFA浓度没有显著影响[19]。韩继福等（2003）的研究表明，日粮中添加瘤胃保护氨基酸对瘤胃pH值、NH3-N、VFA没有显著影响[20]。

研究添加RPAA对反刍动物菌体蛋白合成的影响至关重要，因为瘤胃微生物可以将低质量的氮源转变成高质量的菌体蛋白[21]。韩占强等（2009）研究结果表明，RPAA的添加并没有改变瘤胃内环境，对反刍动物瘤胃内环境没有不利的影响，对瘤胃微生物生长和菌体蛋白合成没有影响[22]。孔凡德等（2001）也研究证明对于菌体蛋白的合成无不利影响[25]。

3.3 对N排放的影响

Broderick等(2008)[24]报道,含最低CP及最高RPMet组日粮氮的利用效率最高,饲喂含较低日粮CP时牛奶中的尿素氮含量及尿素氮排放呈线性降低。Noftsger 等(2003)[17]、Dinn 等(1998)[25]研究结果也认为,奶牛日粮中添加RPAA可以增加体内氮的沉积,提高氮的利用率,从而降低奶牛排泄物中氮的含量,减少环境污染。贾明俊（2010）[26]在每日添加瘤胃保护赖氨酸30 g/头时，泌乳奶牛可以发挥其最佳的泌乳性能，且有助于减轻奶牛尿氮排放对环境的污染。

4 影响瘤胃保护性氨基酸饲用效果的因素

4.1 过瘤胃氨基酸的加工处理方法

RPAA的处理方法会很大程度上影响其饲用效果，特别是包被处理的氨基酸。瘤胃保护性氨基酸在包被过程中由于材料和包被方法及实际制作过程等因素的影响可能会出现保护不足的现象，使得产品在瘤胃中就被降解破坏造成氨基酸的浪费，因此，瘤胃保护性氨基酸在瘤胃中的稳定性很重要，对其饲用效果有很大的影响。与此同时，RPAA的制作过程中也会出现过度保护的问题[27]，这是由于保护剂的保护力太强，使得产品在小肠内也无法被充分地消化利用，从而影响其饲用效果。在斯钦(1996)[28]的研究中表明，用氢化棕榈油包被处理的蛋氨酸饲用效果明显差于动物油包被处理。因此，不同的保护加工处理方法对于瘤胃保护氨基酸的饲用效果影响较大，制作生产中必须注意氨基酸包被材料及包被方法的选择。

4.2 日粮

由于不同的日粮其氨基酸缺乏程度不一样。所以在不同的基础日粮中添加RPAA可能会产生不同的饲用效果。Socha等[29]在日粮蛋白质水平为18.5%时，添加RPMet后发现，乳中蛋白和脂肪分别提高0.21%和0.14%。但在蛋白质水平为16%时添加，则发现对于上述指标没有影响。此外，日粮的pH值也是值得注意的因素，当青贮料的pH值过低(pH值＜3.6)时，会使瘤胃保护氨基酸在瘤胃内就被降解[30]。

4.3 添加量和添加时期

RPAA的添加量通常是由日粮中相应氨基酸的缺乏程度来确定的。Rode(1998)[31]认为，在奶牛泌乳期的日粮中，蛋氨酸的添加水平一般为3～15 g/d，在这一水平范围内添加，对于奶牛泌乳期干物质采食量没有任何影响。一般认为，日粮中单独添加某种保护性氨基酸的效果会不如同时添加不同种过瘤胃氨基酸组合的效果好[32]。在实际生产中RPAA的添加一般均以最适添加量添加，添加量不够，不能取得较好的饲用效果，但过高水平的添加也不好，会造成氨基酸的浪费，还会影响饲料的适口性，影响动物的采食量，甚至还会引起动物中毒[33]。

日粮添加瘤胃保护氨基酸的饲用效果也会因奶牛的不同生理阶段而存在差异。因为泌乳奶牛在不同的生理阶段对于氨基酸的需要量不同。研究发现，由于泌乳初期的奶牛所需的氨基酸较中后期奶牛相对缺乏，所以添加RPAA的饲用效果对于泌乳初期的奶牛要好于中后期的奶牛[34]。此外，有学者经过研究证实，添加RPAA的最好时期应是从奶牛分娩前2～3周开始至泌乳后大约150d的时期[35]。研究发现RPMet和RPlys的添加能够显著提高生长牛的生产性能，而对与成年牛则没有显著的影响[36]。可见不同时期的添加所带来的效果也是有差异的。

5 结语

生产实践中，瘤胃保护性氨基酸的使用可以增加进入到小肠的可利用氨基酸的供给量，满足反刍动物的氨基酸需要。因此，在高产反刍动物（如高产奶牛、强度育肥肉牛和肉羊）日粮中添加RPAA不但可以提高其生产性能和经营者的经济效益，还可以节约蛋白质饲料资源，降低氮的排放量，这对缓解世界性蛋白质饲料资源紧缺的现状和环境保护具有重要意义，将会在反刍动物生产中显示出巨大的应用潜力。因此今后有必要在过瘤胃保护性氨基酸的生产方法、氨基酸的并用及复合制品的利用方面进行更加深入的研究与讨论。

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