猪低蛋白日粮的作用效应与技术实践进展

李凤娜，尹杰，段叶辉，何流琴，李铁军，黄瑞林，印遇龙

（中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125）

目前，养猪生产中，面临的主要问题包括全球范围内蛋白质饲料资源的日益短缺和现代规模化养殖排泄物中氮排放所引发的环境污染，这成为制约养猪生产可持续发展的瓶颈。另一方面，猪在不同生理阶段对日粮中氮的利用率存在差异，哺乳仔为70%，断奶仔猪为55%，生长猪为43%，肥育猪只有35%。以断奶仔猪为例，日粮中的氮仅有55%沉积在肌肉组织，15%用于满足生命所需的基本代谢需求，35%变成氨气、吲哚等污染物排放至空气、水体和土壤等[1]。由此可见，不同生理阶段的猪对日粮中氮的利用率还有提升空间。考虑到成本和环保的双重压力，要想突破养猪生产的主要瓶颈，发展猪对氮营养素的高效利用技术是解决问题的关键所在。

随着“理想蛋白质”概念的发展和“理想蛋白质的氨基酸模式”建立，加之合成氨基酸工业化生产规模的扩大，极大地推动了低蛋白日粮的研究和应用。低蛋白日粮研究在国内外已经超过10年，本研究团队主要研究了短期和全程低蛋白日粮对猪肠道、肉品质和排放的影响以及氨基酸的响应机制，并采用低蛋白日粮平衡必需氨基酸尤其是支链氨基酸（branched chain amino acis, BCAAs）等，发现猪的生产性能得到改善。本文主要基于本研究团队关于低蛋白日粮的研究报道，并结合国内外研究进展，对低蛋白日粮在猪上的研究应用以及氨基酸的响应机制进行总结，以期为低蛋白日粮在养猪生产中的科学应用提供借鉴。

1 低蛋白日粮技术在我国生猪养殖业势在必行

猪日粮中的蛋白质是供给猪生长发育所必需的，同时也是维持器官和肌肉组织所必需。如果猪日粮中蛋白质过低则不能满足猪的维持需要，机体就会出现氮的负平衡，不仅降低能量的利用，还会影响生产性能和繁殖性能等。从营养学的角度来讲，动物对蛋白质的需求本质上是对氨基酸的利用，若日粮提供合理的氨基酸组成，就可以满足动物的蛋白质需要。随着饲料技术的发展以及国家对生态环境的重视，低蛋白氨基酸平衡日粮是数年来被动物营养领域高度关注的话题。动物饲喂低蛋白氨基酸平衡日粮能有效提高氮的利用率，排出的粪氮和尿氮都有很大程度的降低。日粮蛋白质降低时，氨基酸的浓度也随之降低而不能满足猪的营养需要，日粮内氨基酸平衡显得尤为重要[1-2]。目前，配制低蛋白氨基酸平衡日粮在养猪业中的研究已相对成熟，在实际生产中也已被证明可行。

根据1998年第10次修订的猪营养需要标准（Nutrient Requirements of Swine, NRC），仔猪、生长猪和育肥猪饲料粗蛋白（crude protein, CP）需要量分别是20%、18和16%。低蛋白日粮则是指将日粮蛋白质水平按NRC推荐标准降低2～4个百分点，即仔猪、生长猪和育肥猪饲料CP需要量分别控制在16%～18%、14%～16%和12%～14%之内，然后通过添加合成氨基酸，降低蛋白原料用量来满足动物对氨基酸需求（即保持氨基酸平衡）的日粮。在2012年第11次修订的NRC标准中，进一步强调了猪饲料配制中氨基酸的需要量（其中包括许多非必需氨基酸），而不再是蛋白质水平。NRC的改版突出了饲料中氨基酸的重要性，更有利于猪低蛋白日粮的研发以及配制技术的进一步发展与完善。

我国是一个蛋白资源严重匮乏的国家，虽然一些植物性非粮蛋白资源丰富，但由于抗营养因子的存在以及营养成分评估的缺乏，限制了其在猪日粮配制中的广泛应用。目前，我国蛋白饲料主要依赖于进口。根据海关总署公布的数据，2016年我国大豆净进口8 391万t，而2017年该数据增加到9 542万t，是我国大豆总产量的8倍左右。日前中美贸易争端不断，其中大豆是我国进口的主要部分。因此，在养猪生产中，研究并推广低蛋白日粮技术从而降低蛋白源饲料的使用量，对进一步缓解我国蛋白资源紧缺具有重要的现实和生产意义，同时也符合我国贸易政策需求。

畜牧业粪尿污染物排放与生态环境失衡密切相关，其中粪尿中氮的排放直接对环境造成破坏性影响。国家环保总局2010年调查结果表明，2009年全国畜禽粪污总量达40亿t，产生的氮总量约3 000万t，其中猪排放的氮占总氮排放量的57%以上，严重制约了我国环境事业的发展，与国家“绿水青山”号召相违背，而粪尿氨氮主要来源于日粮中的蛋白质。因此，从源头降低日粮蛋白水平，能有效控制粪尿的氨氮排放。Wu等[3]研究了低蛋白对40 kg生长猪氮排放的影响，结果发现低蛋白日粮显著降低了猪粪尿中氮的排放，有效提高了氮的沉积和日粮蛋白利用效率。粗略估计，猪日粮中蛋白水平降低一个百分点，氨氮排放可减少约10%，对养殖环境起到积极的改善作用。

2 低蛋白日粮对猪生产性能的影响

衡量猪生长性能的指标主要包括增重、采食量以及料肉比。生产上，猪的生长性能是养殖场最为关心的核心指标之一，良好的生长性能可提高经济报酬。在猪营养研究领域，生长性能也是科学研究的主题之一。饲料配方中平衡各种营养素比例可显著提高猪的生长性能，但是营养素过量或缺乏均降低猪的采食量和增重等指标，其中蛋白水平对猪的健康生长具有重要意义。大量研究发现，适度降低日粮蛋白水平并补充氨基酸不会降低猪的生长性能，也有研究报道，日粮蛋白水平过高或过低都会对猪的采食量和增重产生抑制作用[4-7]，还有研究发现低蛋白日粮补充适当氨基酸能够显著改善猪的生产性能[8-10]。总的来说，适当降低日粮蛋白水平对猪的生长性能没有明显的抑制作用。

3 低蛋白日粮营养消化代谢测定技术方法

开展猪饲料氮（氨基酸）营养消化代谢与调控研究的前提和基础，需要建立一套完善的测定方法体系，这也是当前动物营养学（动物生态营养学）研究的前沿。近年来，本团队在原有氮营养素消化代谢测定的基础上，进一步改进并完善了猪氮代谢与调控技术手段。

3.1 建立尤斯灌流系统评估营养物质吸收和转运能力技术

以猪各组织部位离体活性状态为基础，利用Ussing Chamber系统（图1）模拟猪肠道或其他部位在体状态时的营养物质吸收和代谢[11]，根据营养物质可以在组织特定的位置进行吸收转运和通透的能力，测定该特定部位的营养物质含量（如赖氨酸、精氨酸、葡萄糖、小肽等）[12-13]，通过有效渗透系数快速评价该营养物质吸收转运的动力学变化。尤斯灌流技术已经在畜禽营养与药物生理学研究领域逐渐成熟，尤其在胃肠道屏障功能及药物吸收和转运领域得到应用，为后续的营养物质代谢与调控研究奠定技术基础。

图1 尤斯灌流系统（引自：唐宇龙等[12]）Fig. 1 Ussing Chamber system

3.2 建立猪肠道原位结节灌流评估氨基酸净吸收量技术

猪肠道原位结节灌流评估氨基酸净吸收量技术（图2）在保持猪肠道神经支配、内分泌完整性、维持血液和淋巴循环系统正常功能的条件下，直接检测氨基酸从灌注肠段进入肠壁的量，从而更直观的获得小肠吸收氨基酸的真实情况[14-15]。该技术优点是在实验中保持了肠道的神经支配及内分泌的完整性，维持血液和淋巴循环系统的正常功能，更加直观的反应小肠吸收营养物质的真实情况，可以直接检测营养物质从灌注肠段进入肠壁和机体的量。

图2 猪肠道原位结节灌流技术Fig. 2 Small intestinal segment perfusion technique in pig

3.3 建立猪胃和回肠末端同时安装“T”型瘘管评估胃肠道营养素消化技术

猪胃和回肠末端同时安装“T”型瘘管评估胃肠道营养素消化技术（图3）在评估猪氮沉积、营养素消化率的基础上，通过对猪胃肠食糜进行动态取样，系统评估营养素、相关激素、消化酶和肠道微生物的动态变化规律[16]。随着实验技术的不断发展，许多新技术的应用使得测定营养物质消化率的方法更加多样化，测定准确率也不断提高。但从测定的简易程度、成本、准确性等综合考虑，瘘管消化率测定技术不可或缺。

图3 猪胃和回肠末端同时安装“T”型瘘管Fig. 3 Stomach and the distal of ileum were simultaneously installed with “T” fistula in pig

4 低蛋白日粮与猪肉质的关系

我国是世界上最大的肉类生产国和消费国，其中猪肉总产量占我国肉类总产量的65%左右。随着生活水平的提高，人们对畜产品的质量要求也越来越高。但长期以来对“快速”和“高产”的盲目追求导致猪肉品质显著下降。猪肉是猪以自身生物学特性和遗传为基础，以机体的正常营养代谢为平台，通过摄入养分，在生长发育过程中协调营养物质向肌肉组织的沉积而形成的。猪肉的食用和加工品质性状主要取决于肌肉生长过程中的两个相互联系的生物学过程，即肌纤维的发育和肌内脂肪的生成。在猪的生长过程中，氮源可通过影响机体糖、脂肪和蛋白质代谢等，影响肌纤维的生长和类型的组成以及肌内脂肪的生成，最终影响猪肉品质。肌肉组织是动物机体的重要组成部分，也是氮营养素沉积的主要靶组织。肌肉组织的生长依赖蛋白质的沉积，其本质是蛋白质合成和蛋白质降解动态平衡的结果，氨基酸的感应与转运也参与调节，共同构成动物体内蛋白质代谢的动态平衡。因此，揭示肌肉生长发育调控的分子机制是改善猪肉品质的基础，也是深化对生命现象本质认识的主要内容，这对现代生猪养殖和精准饲养有着重要启示。探讨低蛋白氨基酸平衡日粮的饲喂效果，并阐明肌肉组织中含氮物的周转与利用，重点从蛋白质代谢、能量代谢和脂质代谢等多方面探讨肌肉组织对低蛋白日粮的响应，这有助于优化肌肉组织中蛋白质高效沉积的日粮氨基酸模式，为提高肌肉组织氮营养素沉积效率和促进肌肉生长提供理论依据，也为猪肉品质调控技术的研发奠定重要的科学基础，为在生猪养殖中科学应用低蛋白日粮提供借鉴。

以完善低蛋白氨基酸平衡日粮理论为出发点，深入探究肌肉组织中含氮物的周转与利用机制及其伴随的能量代谢规律，为科学地在养猪业中推广应用低蛋白日粮精准饲养技术提供理论依据。研究发现，粪氮、尿氮和总氮排泄量随日粮蛋白质水平的降低而降低，生长总氮排出量（y, g/d）与日粮蛋白质水平（x）之间的回归关系是y=1.35x-6.18，肥育猪日粮蛋白质水平从16.1%降到11.7%，总氮排泄量降低39%；降低日粮蛋白质水平补充必需氨基酸增加猪背膘厚，降低眼肌面积，减轻内脏器官重量，增加能量利用率；降低日粮蛋白质水平减少生长猪肝脏分泌类胰岛素生长因子IGF-I，降低肌肉和肝脏IGF-I基因表达，增加血浆中瘦素浓度，且其浓度与背膘厚呈正相关（r=0.76，P＜0.05），IGF-I浓度与平均日增重ADG正相关（r=0.91，P＜0.05）；日粮蛋白质水平显著影响了胰腺、肺、肝脏、肾、胃和背最长肌蛋白质合成[7]。

猪在不同生长阶段饲喂低蛋白日粮（NRC推荐标准降低3个百分点）并补充赖、蛋、苏和色氨酸四种限制性氨基酸，其生产性能不受影响，而当蛋白质水平降低6个百分点时，低蛋白日粮则通过调节肌肉组织游离氨基酸库，下调mTORC1蛋白质合成通路并上调UPS蛋白质降解通路，显著抑制猪的生产性能以及肌肉生长；进一步研究低蛋白氨基酸平衡日粮对不同阶段猪的能量分配和脂质代谢的调节，结果发现伴随肌肉组织蛋白质代谢的变化，肌细胞能量状态也随之改变，并且通过调控机体AMPKα/SIRT1/PGC-1α信号通路，影响线粒体生物合成的功能。重要的是，降低3个百分点的低蛋白日粮可提高肥育猪的肌内脂肪含量，降低剪切力值，有利于猪肉品质的改善[17-22]。因此，在NRC标准推荐值的基础上，日粮蛋白质水平降低3个百分点是可行的，同时也为后期的功能性氨基酸营养调控研究奠定理论基础。

5 低蛋白日粮对猪胃肠道消化系统的影响

低蛋白显著增加了育肥猪回肠末端蛋白质和能力消化率，同时绝大多数氨基酸消化率均在低蛋白组中显著提高，其中包括赖氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸和甘氨酸[23-24]，肠道营养物质的消化吸收主要与不同营养物质的消化酶活性和肠道营养物质吸收转运机制相关。

胃肠道消化酶对猪采食行为和营养物质消化分解具有重要的作用，进一步通过胃“T”型瘘管和颈动脉血管手术，系统研究了低蛋白日粮对仔猪胃肠道以及血液消化酶的影响，结果发现随着蛋白质水平的降低，小肠长度变短，胃肠排空速率加快，且血清中胆囊收缩素、饥饿素、胃泌素、胃抑素、胃蛋白酶原Ⅰ和胃蛋白酶原Ⅱ水平不受日粮中蛋白质水平影响，而断奶仔猪日粮蛋白质水平由20%降低至14%，胃内pH和胃蛋白酶也均未发生明显变化[25]。但从基因表达水平方面分析发现，17%CP氨基酸平衡日粮可以代偿性地提高胃蛋白酶原、胰蛋白酶原、胰糜蛋白酶、空肠羧基肽酶A和α-淀粉酶的表达，从而增加了日粮养分（主要是蛋白质）的消化能力，造成这一差异的原因可能与低蛋白日粮氨基酸平衡状况相关。

低蛋白日粮模型下，猪对氨基酸的吸收和利用对猪的健康生长具有重要意义。前期大量低蛋白模型实验均证实，低蛋白日粮显著降低了猪对BCAAs的摄取，但是不同阶段以及不同日粮配方对猪循环系统氨基酸影响存在差异[1]。长期低蛋白日粮显著降低了育肥猪血液和肌肉组织中组氨酸、精氨酸、缬氨酸、异亮氨酸以及色氨酸等氨基酸的含量[22]，而在仔猪阶段，血液和肌肉组织中甘氨酸和丙氨酸含量显著降低[7]。氨基酸的吸收和转运与肠道氨基酸转运载体的功能密不可分，分析低蛋白日粮对不同阶段猪肠道氨基酸转运载体的表达，发现仔猪阶段较生长猪和育肥猪阶段肠道氨基酸转运载体更容易受到低蛋白影响，同时低蛋白普遍上调酸性氨基酸转运载体的表达，而对碱性氨基酸转运载体的表达则具有一定的抑制作用，其机理可能受循环系统氨基酸含量的综合反馈调节。此外，低蛋白日粮平衡BCAAs可显著改善肠道形态，促进肠细胞的增殖，提高肠道氨基酸转运载体的表达水平，最终促进肠道氨基酸的吸收与利用，从而改善蛋白质代谢（图 4）[23]。

6 猪低蛋白日粮模式下氨基酸的响应效应

6.1 低蛋白日粮模式下赖氨酸响应机制

图4 低蛋白日粮平衡BCAAs比例对肠道形态及蛋白质代谢的调控机制图（引自：Duan等[27]）Fig. 4 The potential mechanisms of the action of balanced BCAA in low-protein diets on intestinal morphology and protein metabolism

猪低蛋白日粮模式下，血液中赖氨酸含量显著增加，而赖氨酸在猪生产上作为第一限制性氨基酸，对猪的生产管理过程中具有重要的指导作用。分析低蛋日粮赖氨酸水平对仔猪采食的调节，发现饲喂仔猪三种可供选择的日粮，仔猪更偏好采食低赖氨酸水平的日粮。轻度低蛋白日粮中降低30%的赖氨酸水平，可显著增加仔猪采食量并调节氨基酸转运载体的表达以及肠道微生物区系的平衡，而当赖氨酸水平调整为正常水平时，低赖氨酸效应消失[28]。全程饲喂实验进一步证实，低蛋白日粮条件下降低30%赖氨酸显著增加仔猪采食量，但对生长猪和育肥猪采食行为并没有明显影响；通过微生物测序、代谢组学和蛋白组学综合分析，发现低蛋白低赖氨酸日粮显著影响育肥猪机体的代谢，主要是氨基酸代谢[29-30]。此外，低蛋白日粮适度降低赖氨酸对仔猪肠道免疫系统也具有调节作用，可通过ERK1/2和NF-κB信号通路调节免疫球蛋白以及炎性因子的表达，从而影响仔猪机体的免疫系统[31]。不仅如此，仔猪低蛋白日粮模式下添加赖氨酸，则抑制了低蛋白日粮诱导的骨骼肌自噬反应，并激活了Akt/mTOR信号通路[32]。

6.2 低蛋白日粮模式下支链氨基酸响应机制

仔猪（10～30 kg）低蛋白日粮（17% CP）中BCAAs包括亮氨酸∶异亮氨酸∶缬氨酸（Leu ∶Ile∶Val）比例为1∶0.75∶0.75和1∶0.51∶0.63时，可显著增加猪的日增重并降低料肉比，猪的生长性能且与饲喂正常蛋白水平日粮组无显著差异[33]。仔猪低蛋白日粮中 Leu∶Ile∶Val比例为1∶0.25∶0.25时可显著降低胴体脂肪量，表现出较好的胴体性状[34]。因此，综合生长性能和胴体性状的结果，仔猪低蛋白日粮中Leu∶Ile∶Val的最适比例范围在1∶0.75∶0.75～1∶0.25∶0.25之间。国外学者也报道，低蛋白日粮中BCAAs和其他氨基酸比例必须控制在合理范围内，才能更大限度满足猪对氨基酸的需要[35]。

随着仔猪低蛋白日粮Leu∶Ile∶Val比例的降低，血清中游离氨基酸浓度逐渐降低，而肌肉组织中游离氨基酸浓度却显著增加，1∶0.25∶0.25组肌肉组织中游离氨基酸浓度最高。推测低蛋白日粮中BCAAs比例为1∶0.25∶0.25时，可促进肌肉组织对游离氨基酸的吸收。另外，低蛋白日粮中Leu∶Ile∶Val比例在 1∶0.75∶0.75～1:∶0.25∶0.25范围内时，可提高仔猪肌肉组织中氨基酸转运载体（SNAT2、LAT1和SLC1A5）和蛋白质合成代谢相关基因（mTORC1信号通路关键因子）的表达水平，并降低肌肉组织蛋白质降解相关基因（MAFbx和MuRF1）的表达水平，但是不同肌肉组织部位间存在一定的组织差异性，推测低蛋白日粮平衡BCAAs比例可通过提高机体氨基酸转运载体信号，促进肌肉组织对血液中游离氨基酸的吸收与利用，最终通过mTORC1信号途径和UPS途径调控肌肉组织蛋白质代谢，从而促进肌肉组织生长（图5）[36]。

图5 低蛋白日粮平衡BCAAs比例对猪肌肉组织蛋白质代谢的调控机制图（引自：Duan等[36]）Fig. 5 Regulation mechanism of low-protein diets supplemented with balanced BCAA ratio on protein metabolism in skeletal muscle of pigs.

仔猪低蛋白日粮平衡BCAAs比例（1∶0.75∶0.75～1∶0.25∶0.25）可增加股二头肌中脂肪含量，提高肌肉组织中PUFA/SFA比值并降低n-6/n-3 PUFA比值，而这些效果与脂质代谢有关基因的mRNA表达变化和AMPKα/SIRT1/PGC-1α能量感应网络激活相关，从而促进了肌肉组织中脂肪酸的吸收与利用[37]。

低蛋白日粮补充适宜比例的BCAAs可调控脂肪组织功能，包括促进脂肪分解、转运和氧化，以及细胞因子的合成与分泌。这些作用效果可能由AMPKα/mTOR信号通路和Sirt1/AMPKα/PGC-1α能量轴所介导，同时与线粒体的生物合成及肌肉-脂肪组织间的“对话”有关（图6）。低蛋白日粮适宜比例的BCAAs通过以上作用途径和作用效果导致脂肪组织减少，尤其是皮下脂肪，释放脂肪酸，以供给肌肉组织吸收利用，这也说明促进了机体内能量的重分配[34]。

图6 低蛋白日粮平衡BCAAs比例对猪脂肪组织脂质代谢的调控机制图（引自：Duan等[34]）Fig. 6 Regulation mechanism of low-protein diets supplemented with balanced BCAA ratio on lipid metabolism in adipose tissues of pigs

综上，低蛋白日粮不同BCAAs比例能调节仔猪的生长性能、蛋白质代谢及脂质代谢，且最适比例范围为 1∶0.75∶0.75～1∶0.25∶0.25。在此最适比例范围内，一方面可激活肌肉组织mTORC1信号通路并抑制泛素化蛋白酶体途径，促进蛋白沉积，同时肌肉组织内长链脂肪酸含量增加；另一方面促使脂肪组织合成并释放脂联素，靶向激活背部脂肪的AMPKα信号，一定程度上抑制mTORC1信号，促进背部脂肪的脂肪酸分解，可确保机体更多的能量被肌肉组织吸收利用，用以蛋白质合成，维持较高的生产性能，作用效果达到正常蛋白日粮组水平；同时，通过AMPKα/Sirt1/PGC-1α能量网络促进机体内线粒体的生物合成，从而增加脂肪酸的氧化分解，最终导致机体脂肪量下降。

7 小结

低蛋白日粮合理平衡氨基酸（包括必需氨基酸尤其是BCAAs等）不影响猪的生产性能，还能改善猪的肠道健康、免疫系统和肉品质，降低生产成本，并通过减少总氮排泄量，在一定程度上缓解养猪生产对生态环境的污染，这对现代生猪养殖和精准饲养有着重要启示。低蛋白日粮还通过减少蛋白源饲料的使用，进一步缓解我国蛋白资源紧缺的形势，在当前背景下具有重要现实意义。

低蛋白日粮在养猪业领域的应用前景巨大，还需要开展更多的工作不断发展和应用低蛋白日粮配制技术。在此基础上，深入探讨猪在响应低蛋白日粮时主要营养物质在机体的代谢以及靶组织差异化利用的机制，最终从理论上不断完善低蛋白日粮的技术体系。