猪氮代谢及其调控的研究进展

符晨星张宇喆黄瑞林贺 喜贺建华

(1.湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙 410128；2.中科院亚热带农业生态研究所农业生态工程重点实验室，湖南长沙 410125；3.广东海纳川药业股份有限公司，广东佛山 528000)

猪饲粮中的氮主要以蛋白质、肽、氨基酸等形态被动物所利用。各种含氮营养素一部分沉积于体内供机体利用，其余部分则以粪尿氮排出体外。由于集约化饲养和管理方式，动物饲养所产生的粪尿氮富集度较高，在微生物及各种代谢酶的作用下，加速了动物排泄物中氨气的产生与挥发，造成周边环境污染严重。随着养猪业集约化的发展，养猪业所产生的氮污染越来越严重，而且净化氮污染的难度大、费用高，已严重制约养猪业的可持续发展。降低氮排放并提高氮利用率，以尽量减少养分浪费、降低养猪业生态环境的破坏是我国养殖业和动物营养今后研究的基本任务和急需解决的重大课题。

本文对影响猪氮(氨基酸)排放量的主要因素以及猪氮(氨基酸)代谢与调控研究方法进行综述,以促进其进一步研究应用。

1 影响猪氮(氨基酸)排放及利用的主要因素

1.1 饲粮配方过高地估算了动物的氮营养需要

就我国实际情况而言，蛋白质(氮)饲料资源来源虽广泛，但缺乏系统的饲料养分生物学效价评定，饲养标准的制订和修订工作也严重滞后于养殖业发展的需要。在配制饲料时，并没有合适的营养标准，许多营养指标需借用或参考国外标准(如美国NRC、英国ARC等)。但我国饲养的动物品种、动物的生产性能、饲养环境、饲料种类以及加工方法等与国外有很大差别，从而无法准确估算动物的营养需要，一般而言，为了保险起见，饲料企业的配方均高估了动物的营养需要。

在蛋白质营养理论中，动物对蛋白质的需求本质上是对氨基酸的需求。在饲料级氨基酸大量普及之前，配方师只能通过提高日粮蛋白质水平来满足动物必需氨基酸的需求，这样导致蛋白质资源的合理利用受到限制，造成其它氨基酸的过剩，以致饲料氮的浪费。随着饲料级限制性氨基酸的商业化生产，在日粮中添加更多限制性必需氨基酸来减少蛋白饲料原料用量，配制低蛋白（氮）日粮在实际生产中已被证明是可行的。低氮（蛋白）日粮配制技术可以显著减少猪的氮摄入量，日粮氨基酸的比例也更加平衡，提高氨基酸转化率，并降低粪尿中的氮含量。大量研究表明猪日粮中蛋白水平降低可显著降低氮的排出，猪日粮蛋白水平每降低1个百分点，氮的排出量就降低8.4%。

当前猪商品日粮中蛋白质含量往往比实际需要量要高出2～4个百分点，根据印遇龙等的估算，即饲养1头60 kg的猪，将浪费蛋白质饲料164 g/d，从育肥到出栏共浪费14.4 kg，若按全国每年出栏6亿头猪计算，浪费蛋白质饲料可达864万吨，相当于我国每年进口的2 000万吨蛋白质饲料的40%，同时，还要向环境多排出110万吨氮污染物。这样，不仅造成有限饲料资源的巨大浪费，增加单位畜产品的饲料成本，降低养殖业的竞争力，同时还对生态环境造成了严重污染。

因此在建立原料回肠真可消化（标准回肠可消化）氨基酸数据库的前提下，采用以理想氨基酸模式为基础，按猪氨基酸需要量合理配制低蛋白日粮，将可以明显降低畜牧业排泄氮对环境的污染。

1.2 猪消化道微生物氮造成的养猪业氮污染

当前，必需氨基酸在猪肠道内的分解代谢仍缺乏准确的依据，即究竟是肠细胞还是肠道微生物，对日粮必需氨基酸利用起主要作用，仍然还不清楚。因此，Chen等在假设必需氨基酸完全在肠细胞内氧化利用的前提下，探索了必需氨基酸在肠道内的氧化作用，即选择隔离断奶21日龄后饲喂了50 d的仔猪(15 kg左右)空肠细胞作为研究对象，采用同位素示踪(14C)技术，根据CO2(14C)的产量，在体外条件下研究了有或无抑制剂存在的情况下，仔猪肠细胞对亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸的氧化状况。结果表明，所有的必需氨基酸中，仅有支链氨基酸能在猪肠细胞内降解完全，即黏膜细胞的作用，而赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸和色氨酸等必需氨基酸的完全氧化，则更可能是由于肠道微生物的作用。

王升平等利用16S rRNA分型技术对十二指肠、空肠、回肠和盲肠中的微生物区系进行分型研究，发现盲肠中微生物区系比其它肠道部位更具有多样性，在盲肠中发现56种型，而在十二指肠、空肠和回肠中分别为15、11和7种型。拟杆菌Bacteroid capilosus和大肠杆菌E.coli是盲肠中的主要菌群，分别占总菌的12%和11%。乳酸杆菌是肠道上段的优势菌群，L.aviarius是十二指肠中的优势菌。从基于16S rRNA序列的盲肠微生物系统发育树中可以看出，在100个克隆中，56种型细菌被检测出来，而且很多细菌与人、反刍动物肠道已报道的细菌亲缘关系较近。这项研究使得对动物肠道不同部位的微生物区系有了更详细的了解，为寻找替代抗生素的天然产物提供了理论依据和评价指标。

以此为基础，根据2,6-二氨基庚二酸(DAPA)是革兰氏阴性细菌的细胞壁肽聚糖交联单位，只出现在微生物细胞壁的黏蛋白上，在植物或动物细胞内未发现其存在等特性，采用高精氨酸胍基化技术和以DAPA作为微生物内源性标记物，测定得到肠道内源性氨基酸流量在回肠食糜内不是恒定不变的，其可分为基础部分和特殊部分。基础内源性氨基酸被认为是饲喂所有日粮都会发生的，由摄入的干物质所引起，特殊内源性氨基酸则是指由于特殊日粮因素(纤维，抗营养因子等)而引起的丢失，不同日粮所引起的特殊丢失也不同。结果显示生长猪回肠末端总氮排放量中内源性氮占47%～74%，内源性氮排泄量中微生物氮占30%～50%；粪总氮排放量中内源性氮占75%～90%，内源性氮排泄量中微生物氮占70%～90%；因此，微生物氮是造成养猪业氮污染的主要来源。

1.3 猪饲料中非淀粉多糖、淀粉结构及消化速率造

成的养猪业氮污染

1.3.1 非淀粉多糖造成的影响

饲料中非淀粉多糖(NSP)可分为两类，即水溶非淀粉多糖(SNSP)和不溶性非淀粉多糖(INSP)。一般认为饲料中的非淀粉多糖(NSP)都是抗营养因子，降低氮和氨基酸的吸收。印遇龙等的研究发现，饲料中的SNSP虽然不影响饲料氮和氨基酸本身的消化过程(即真消化率)，但其含量与猪肠道微生物发酵以及内源性氮(氨基酸)排泄量呈线性递增关系，这意味着饲料中的SNSP含量越高，饲料中氨基酸表观消化率越低，并导致内源氮损失以及总氮的排泄量增加，即日粮中SNSP(X)与回肠末端N的排泄(y)间存在如下关系：y=1.783 2x-8.207 4(R2=0.99)；而 INSP 与回肠末端N排泄量的关系为：y=0.026x+5.043 1(R2=0.43)，两者相关并不明显，表明饲料中INSP含量与肠道微生物发酵则没有线性递增关系，不影响内源性氮和总氮的排泄量。这些研究为进一步精确评定饲料氨基酸的真消化率、合理使用饲料、减少猪粪氮排放量提供了理论基础。

1.3.2 淀粉结构造成的影响

研究表明，饲喂含有抗性淀粉的日粮可使猪营养物质的消化率明显降低。原因在于高含量的抗性淀粉抑制了葡萄糖吸收，葡萄糖供能下降，动物机体通过代谢补偿使部分氨基酸在小肠黏膜参与氧化供能，从而降低了可消化氨基酸的利用率，从而导致肝脏的蛋白质合成率下降，且氨基酸回肠末端表观消化率和真消化率及门静脉氨基酸净吸收量均明显降低。

不同饲料原料抗性淀粉含量有所不同，可引起猪胃肠道内源性氮与氨基酸不同程度的损失。抗性淀粉在体内消化较慢，增加了内源性氮和氨基酸的分泌以及食糜中微生物氮和氨基酸含量，从而降低日粮氨基酸回肠消化率。说明日粮淀粉组成不同特别是抗性淀粉的含量会显著影响日粮氨基酸吸收后的利用效率以及猪氨基酸的需要量。

1.3.3 淀粉消化速率造成的影响

研究发现，淀粉消化释放葡萄糖的速度能够调节氨基酸（氮）的吸收和氨基酸（氮）在门静脉排流组织中的代谢程度，从而影响门静脉氨基酸（氮）吸收的量和组成模式，进而影响门静脉排流组织和整体蛋白质的周转。日粮淀粉在断奶仔猪空肠内消化速率的差异显著影响了仔猪对日粮蛋白质和氨基酸的代谢。仔猪对氨基酸的消化以及餐后血液游离氨基酸的含量和其它反映氨基酸代谢相关的代谢物和酶的活性均在一定程度上与日粮淀粉消化速率有关。淀粉消化速率影响了仔猪小肠黏膜中CAT-1和b0,+AT的mRNA表达。在当前的饲喂模式下，日粮淀粉的消化率越高，仔猪餐后合成代谢就越旺盛，日粮蛋白质（氨基酸）的周转效率就越高。

2 猪氮(氨基酸)代谢与调控研究方法

2.1 低蛋白（氮）日粮配制技术

当前国内仍缺乏饲料氮(氨基酸)效价和猪氮(氨基酸)需要量的精确评定，主要以参考美国NRC标准和我国猪饲养标准为主，而这两种标准均高估了猪的实际氮(氨基酸)需要量。再加上养猪生产过程中，往往以追求最大生长速度为目标，忽视了过量排泄物对环境的影响。所以目前我国养猪生产中，日粮蛋白质的水平往往偏高，但实际上，大量蛋白质并没有被猪真正利用而是被排出体外。这样不仅造成了饲料浪费，同时也给环境带来严重影响。

低蛋白日粮是指将日粮蛋白质水平按NRC推荐标准降低2～4个百分点，通过添加适宜的合成氨基酸，降低蛋白原料用量来满足动物对氨基酸需求（即保持氨基酸的平衡）的一种日粮。猪饲喂低蛋白日粮不影响猪平均日增重和饲料转化效率，且可显著降低其氮排泄量，并且可以降低猪肠道和呼吸道疾病的发病率，同时能减轻猪肝肾功能负担提高其健康水平，从而可以提高猪生产性能。目前有两大因素制约了低蛋白日粮在实际生产中的广泛应用：其一，一些试验研究表明低蛋白日粮有使猪胴体变肥的趋势；其二，低蛋白体系下的氨基酸理想模型及晶体氨基酸价格是推动低蛋白技术广泛应用的原动力，因为当添加晶体氨基酸的成本高于使用豆粕等蛋白原料提供氨基酸的成本时，畜牧企业会选择使用加大蛋白原料的含量来保证氨基酸的需要量。

一些研究发现低蛋白日粮有使猪胴体变肥的趋势，其原因可能在于低蛋白日粮会使猪代谢日粮过剩氨基酸脱氨基所需能量减少，氮代谢负担减轻，导致代谢氨基酸的器官——胰脏的重量减轻，相应地代谢器官所需要的维持能量也有所降低；与此同时在使用消化能（或代谢能）体系配制低蛋白日粮时日粮的有效能被低估，导致能量蛋白的不平衡及能量过剩，从而使胴体变肥，影响胴体品质。而采用净能体系配制低蛋白日粮可以解决这个问题，原因在于净能体系考虑了饲喂日粮时的热增耗以及为排泄过量的氮而消耗的能量值，因此采用净能体系配制低蛋白日粮时能更准确地满足猪的能量需要，一些研究结果也证实用净能配制低蛋白日粮能够控制胴体脂肪沉积，且在低蛋白情况下消化能需要量降低。张石蕊等对生长育肥猪低蛋白-净能体系下各阶段的净能需要量、赖氨酸净能比及该模式下限制性氨基酸的需要量与理想模式等方面进行了系统研究，结果也表明采用净能体系在NRC(1998)基础上降低4个蛋白水平配制20 kg以后的生长育肥猪玉米-豆粕型日粮，猪的生产性能及胴体品质完全不会受到影响。

基于目前养猪生产中，日粮配方普遍为了追求获得最大生长速度，而很少考虑养分过量排出这一现实，Yin等研究了以真可消化氨基酸为基础，结合添加合成氨基酸的生长猪低蛋白氨基酸平衡日粮，以降低氮排泄量的可行性。试验设计了5个蛋白质水平，分别为18.2%、16.5%、15.5%、14.5%和13.6%，结果发现，粪氮、尿氮和总氮(g/d)排泄量，随日粮蛋白(CP)水平的降低而减少。与CP18.2%(对照组)相比，CP16.5%、15.5%、14.5%、13.6%各组，粪氮分别降低了7.45%、13.04%、13.82%、17.39%；尿氮分别降低了19.25%、26.86%、37.43%、44.64%；总氮分别降低了15.13%、22.00%、29.18%、35.14%。尿氮/粪氮也随日粮蛋白水平降低而降低(P＜0.000 1)。由于添加合成氨基酸，各组摄入的总氮量降低，猪吸收的氮比对照组要少得多(P＜0.000 1)，存留的氮也随日粮蛋白的降低而减少(P＜0.001)。但以进食氮量的百分比来表示，氮沉积随日粮蛋白水平下降反而升高(P＜0.01)。日粮蛋白水平并不影响氮的消化率(P＞0.05)，各组氮的消化率在83.86%和82.19%之间波动，且各合成氨基酸添加组，氮的表观消化率均比对照组要低。但氮的表观生物学价值随日粮蛋白的降低而升高(P＜0.001)。不同蛋白质水平对生长猪生产性能影响的结果表明，整个试验期内，将日粮蛋白质水平从18.2%降低到16.5%，并不影响生长猪的生产性能。相反，在一定程度上却提高了试猪的平均日增重、平均日采食量，并可降低料重比。但随着蛋白质水平的进一步降低，试猪的平均日增重、平均日采食量降低，料重比却升高。屠宰测定发现，试猪背膘厚度随日粮蛋白质水平降低而增加，眼肌面积随日粮蛋白浓度的下降而下降(P＜0.03)。因此，综合考虑试验猪生产性能、屠体品质及氮的利用情况，日粮降低2个百分点的蛋白质，可获得较好的饲养效益和环境效益。

2.2 寡糖在调节饲料中氮(氨基酸)排放中的作用

研究发现，在饲料中添加适量的寡糖可减少猪肠道黏膜的脱落，对猪肠道具有保护作用，并可以降低回肠末端内源性氨基酸的分泌量。饲料中长期添加抗生素，尽管可以解决仔猪腹泻等问题，但破坏了猪肠道微生态平衡，扰乱机体正常的免疫功能；与添加抗生素的日粮相比，猪日粮中添加寡糖可促进肠道健康，后期生产性能和肉品质量也有所提高。王彬等通过在饲粮添加半乳甘露寡糖发现，与对照组相比，半乳甘露寡糖可显著降低试猪食后8 h内门静脉的平均血浆流率和血液流率,显著提高食后8 h内门静脉对氨基酸和葡萄糖的净吸收量,显著降低采食后8 h内门静脉的耗氧量。也就是说，半乳甘露寡糖可通过减少生长猪小肠黏膜对氨基酸和葡萄糖的氧化而增加肠外组织对其吸收，从而提高氨基酸和葡萄糖的机体利用率。

2.3 酶制剂在调节饲料中氮(氨基酸)排放中的作用

基于酶制剂在调控饲料氮(氨基酸)、消除饲料抗营养因子和减少排泄方面展现出的巨大潜力，近年来，它作为一种营养物质代谢调节剂，在饲料生产中已得到了广泛应用。但迄今为止，其作用的具体机理还不够清楚，在饲料中的应用技术也有待完善。

2.3.1 酶制剂能够提高氮(氨基酸)的消化率。印遇龙等通过研究发现，在玉米—麦麸型日粮中，添加阿拉伯木聚糖酶，可增加干物质的采食量；而添加阿拉伯木聚糖酶或阿拉伯木聚糖酶与蛋白酶混合酶的生长猪，平均日增重和料重比都有所改善；添加非淀粉多糖酶酶，可以减少水溶性非淀粉多糖酶降解，并改善生长猪生长性能。研究发现，非淀粉多糖酶降解酶的作用，主要是减少了可溶性非淀粉多糖酶对生长猪小肠营养物质的负效应。

2.3.2 猪饲料中添加植酸酶能够提高氮、磷的利用率。植酸存在于植物性饲料中，可导致磷、蛋白质和氨基酸等养分利用率降低，其机理可能是：植酸可以与磷结合形成植酸盐，也可以与蛋白质、氨基酸以及一些金属阳离子结合形成不溶性复合物。Fan等研究发现，植酸酶能够打破饲料中植酸与氨基酸的结合，从而提高蛋白质、氨基酸的利用率。生长猪日粮中添加植酸酶，能明显提高粗蛋白和有机物的表观消化率，同时能够有效提高回肠末端七种必需氨基酸 (精氨酸、赖氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸)和七种非必需氨基酸(甘氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸酪氨酸和苏氨酸)的真消化率；与不添加植酸酶的对照组比较，氮沉积量、氮沉积率与氮净沉积率分别提高2.8 g/d、8.81%和11.02%。另外，日粮中氨基酸种类、蛋白质的来源及是否缺乏会影响植酸酶的作用效果。植酸与蛋白质结合的可能性、大小也因日粮配方原料不同也会有所差异，从而导致植酸酶的作用效果不同。

3 总结及展望

综上所述，影响猪日粮氮吸收和利用的因素主要有：①饲粮配方过高地估算了动物的氮营养需要；②猪消化道微生物氮造成的养猪业氮污染；③猪饲料中抗营养因子如水溶性非淀粉多糖以及淀粉结构及消化速率造成的养猪业氮污染。根据我们的研究，从以下几个方面可有效降低猪饲粮中氮排放及提高氮利用率,包括：①采用低蛋白日粮配制技术，优化猪饲料氨基酸配方；②适当的在猪日粮中添加功能性寡糖或多糖，如半乳甘露寡糖、决明子多糖；③以及植酸酶、木聚糖酶、蛋白酶等的应用，以减少了可溶性非淀粉多糖对生长猪小肠营养物质的负效应。

目前对猪日粮中氮吸收和利用的研究仍然存在许多不足,具体表现为以下几方面：①低蛋白日粮模式下的净能体系研究，目前全世界还没有完整的饲料原料净能值及猪各阶段的净能需要量数据库，这限制了低蛋白日粮的进一步应用；低蛋白日粮体系下的限制性氨基酸需要量及理想模式是否区别于高蛋白日粮体系，目前还没有系统研究。②淀粉和非淀粉多糖与蛋白质之间的本质关联目前研究得还不是很清楚，从而无法准确调控蛋白质合成部位供能物质和氨基酸释放的同步匹配，无法进一步提高蛋白质的利用效率和动物的生产性能；③十二指肠、空肠、回肠和盲肠中的微生物区系在调节猪消化道微生物氮中的作用已被证实，但其准确机理仍需进一步研究，例如分离出的优势菌株是否可以更好的利用抗性淀粉等，以扩大饲料原料来源。

总之,研究猪日粮氮吸收和利用，对有效地提高饲料中蛋白质利用率、减少氮排放，降低对环境的污染均有重要的意义。