飼料科學的新概念——用系統思維詮釋飼料科學的一些理論和技術問題

盧德勛

人類對飼料利用的認識，可以追溯到遠古時代。但是飼料科學真正從其他相關學科中間分離出來并成為一門獨立的現代化科學只是20世紀后期的事。在現代飼料工業建立和發展以及動物營養科學進步的不斷推動下，飼料科學進入了現代科學發展的快車道。

縱觀飼料科學的發展歷程，我們可以清楚地看到，飼料科學和動物營養學相互促進，共同發展是飼料科學現代化進程的一個突出特征。近十多年來，動物營養學和飼料科學發展中出現了三件大事，即動物營養學整個學科的思維方式正在實現由分析思維方式向系統思維方式的歷史轉變；動物營養學的研究領域已在實現由機體黑箱單層次向包括器官—組織—細胞和分子多層次擴展的歷史跨越，以及飼料科學技術的巨大進步和動物營養學科整體思維方式的根本轉變正在促進飼料科學的理論和技術體系發生歷史性變化。

顯然，用系統思維方式詮釋飼料科學的一些理論和技術問題已提到飼料科學發展日程上來。本文將就這一論題作一些初步探討，以推動飼料科學現代化的發展進程。

1 飼料科學在后現代化時代的歷史任務

飼料科學是一門新興的現代科學，其重要標志就是基本上形成了具有時代特征的現代科學理論和技術體系。當前國際飼料科學正在面臨著實現后現代化目標的歷史任務。飼料科學后現代化目標是以最終克服當前飼料科學理論和技術體系的歷史局限性為依據提出來的。這些歷史局限性主要表現在：

以分析思維占主導地位的飼料科學整體思維方式和現有理論體系面臨著一個與時俱進的時代大課題；

飼料科學的理論和技術體系仍然沒有完全擺脫唯生產效益觀的束縛；

飼料科學理論中評定指標的表觀性和日糧內飼料營養物質可加性原則是阻礙飼料科學理論創新兩大歷史缺陷；

單打一的陳舊技術理念或明或暗、或多或少地一直束縛著飼料的利用和開發；

傳統的日糧配合技術必須現代化；

缺乏具有時代特征的飼料營養價值評定和飼用效果評定技術體系。

飼料科學理論和技術體系這些歷史局限性是和與它一直處于聯手發展態勢的動物營養學理論的不徹底性以及其不完整性密切關聯著的。飼料科學的發展和現代化進程離不開動物營養學的發展和現代化進程；飼料科學最終完成在后現代化時代的歷史任務也離不開動物營養學的發展和進步。

簡單地說，在后現代化時代飼料科學的歷史任務就是要在實現學科整體思維方式由分析思維向系統思維的歷史轉變的基礎上，最終構建一個嶄新的現代科學理論和技術體系。

如同其他自然學科一樣，飼料科學在知識積累、建立和最終形成獨立學科的現代化歷程中，都深深打上了當時的主流思維方式的烙印。到目前為止，飼料科學學科的整體思維方式仍然是分析思維占統治地位。

所謂分析思維的實質是堅持實證的、科學的、實驗的和解剖的觀點。它認為事物都是有結構的。這種結構可以通過“分析”和“簡化”而為人類所認識。分析思維也被人們稱之為“還原論”思維方式，即相信整體的性質是由部分性質來說明，高層次的事物要由低層次的事物來解釋。這種思維方式的著眼點在局部要素，遵循的是單項因果決定論。它不能真正如實地說明事物的整體性，不能反映事物之間的聯系和相互關系。它只能適應認識較為簡單的事物，而不能勝任對于復雜問題的認識。

飼料科學的整體思維方式最終實現由分析思維向系統思維的歷史性轉變，是歷史的必然，是飼料學科現代化一個重要標志。系統思維方式代表了現代科學的發展趨勢，為現代科學的發展提供了理論和方法，也為飼料科學后現代化的又好又快發展插上了騰飛的翅膀。

飼養決策目標是飼料科學和動物營養學理論和技術的基本導向和核心理念，它決定飼料科學的理論和技術的全局。飼養決策目標是決定飼料利用、產品開發和技術運用的重要因素，也是決定養殖業健康、可持續發展的首要方面。長期以來，唯生產效益的飼養決策目標一直在飼料科學和動物營養學理論和技術體系占據著統治地位。近年來，唯生產效益的飼養決策目標越來越受到業界內外的質疑，一種以關注生產效益、動物健康、養殖對環境的影響以及畜產品質量和安全為特征的綜合效益觀正在飼料科學和相關部門的各界人士中廣泛傳播，但是到目前為止，飼料科學的理論和技術體系仍然沒有完全擺脫唯生產效益觀的束縛。當前，最重要的任務是在飼料科學理論和技術體系的方方面面，進一步落實綜合效益觀，豐富有關理論，建立新的技術指標體系。

2 對飼料營養組成和營養特性的新見解

由于科學技術水平的限制，傳統飼料科學長期以來重點關注的只能是飼料的化學組成。至今一直沿用著一百多年來由德國學者Henneberg和Stohmann(1860)提出的飼料概略分析方案來評定飼料營養組成。使用這一方案估測的各種物質，并非化學上某種確定的化合物，所以也稱為“粗成分”。這一技術方案構成了飼料科學理論中評定指標表觀性的技術基礎。

實際上，所謂的飼料營養組成并非僅僅由飼料本身的化學組成所決定，而是由飼料和動物的互作因素共同決定的。所以，所謂飼料的營養組成是指飼料中含有的與動物營養代謝有關的各種物質組成。這些物質主要包括：

營養物質：為動物營養代謝提供的營養底物；

營養活性物質：在動物營養代謝中具有調控功能的物質；

反營養物質：對動物或人類健康不利的物質。

圖1是筆者提出的飼料營養組成的新見解（盧德勛，2004；2011）。

圖1 飼料內營養組成的新見解

下面對圖1內提及的兼性營養物質、營養活性物質和反營養物質略作具體介紹。

兼性營養物質（Facultative Nutrients）是指那些同時具有提供營養底物和具有營養調控功能的物質，比如功能性氨基酸（精氨酸、亮氨酸和異亮氨酸等）。

營養活性物質（Nutricines）是指飼料天然存在的或飼料營養物質在飼料加工過程中及在動物體內消化代謝過程之中產生的具有特殊營養功能的微量成分（盧德勛，2005）。營養活性物質具有以下調控功能：

①保持飼料原料的品質和衛生；

②促進營養物質的消化和吸收；

③調節消化道內微生物區系；

④與基因組互作，影響基因表達；

⑤影響免疫系統的功能。

反營養物質（Antinutrients）是指那些飼料中固有的或經過污染進入飼料的物質，如殺蟲劑、除草劑、農藥、抗生素和殘留的激素、硝酸鹽、三氯甲烷、鉛、鋁和重金屬等多種物質。動物對反營養物質的攝入存在一個閾值。一旦這些物質的負荷超過了動物自身的解毒能力，就會影響健康，導致疾病。這些反營養物質都具有反營養作用，諸如阻止營養物質的吸收和利用，或者加速營養物質的排泄流失，并對動物健康產生有害影響等。這里，應當特別指出的，不是所有能產生反營養作用的物質都是反營養物質。飼料中具有提供營養底物或有營養活性功能的物質，如果利用不當，也會產生“反營養作用”，比如纖維物質和單寧即屬此例。將反營養物質和反營養作用加以區別，對于正確認識在飼料科學和動物營養學中過去認為是“抗營養因子”那些物質的營養作用有重要意義。

多年來，為了克服飼料科學理論中評價指標的表觀性這一歷史性缺陷，國際上針對飼料概略分析法提出了許多改進方案，取得了一些重要進展（McDonald等，2002）。已知，飼料概略分析方案由于過于陳舊和不精確，受到許多學者的質疑，主要集中在粗纖維、灰分和無氮浸出物的測定方面。在這方面，Van Soest對纖維的測定做出了歷史性貢獻?？的螤柎髮W又將Van Soest纖維分析法用于反芻動物飼料分析體系，在破除飼料評價指標表觀性，特別是在破除瘤胃黑箱方面作出了重大貢獻（見表1），已經在動物營養研究和飼養實踐中獲得了廣泛應用。

表1 康奈爾大學凈碳水化合物和蛋白質體系

在飼料營養特性的研究方面，長期以來，人們對飼料的化學營養特性比較重視，而對飼料的物理營養特性則關注不夠，今后飼料的物理營養特性應該是一個新的研究方向。表2列舉了飼料的主要營養化學和物理特性。

3 營養活性物質組學理論

近二十多年來，由于使用抗生素使致病菌產生抗藥性和抗生素在畜產品中的殘留等問題的出現，植物提取物的研發和在畜牧生產中的應用日益引起人們的高度重視（金立志，2010）。但是對植物提取物研發的技術思路仍然陷于“還原論”和分析思維的誤區。針對這一問題，受近年來系統生物學發展的啟發，筆者首次提出營養活性物質組學的新概念(盧德勛，2004)。所謂“營養活性物質組學”（Nutricinemics）是指研究天然存在的各種營養活性物質之間的相互作用與人工配合的各種營養活性物質間的優化組合以及它們的整體功能，而不是僅僅單單研究某一種活性物質的功能和技術的一個動物營養學和飼料科學的研究方向?！盃I養活性物質組學”新理論的提出是研究思路、研究內容和研究領域的重大突破。它將營養活性物質的研發，特別是植物提取物的研發由傳統營養學時代推向系統動物營養學的時代。表3對營養活性物質組學理論與傳統的單一營養活性物質理論進行了比較。

表2 飼料的營養特性

這里，應該指出的是，“營養活性物質組學”理論的提出是和營養活性物質加工工藝和分析手段的巨大進步分不開的，比如膜分離技術、樹脂分離技術、分子蒸餾以及現代色譜技術、波譜技術和色譜-波譜聯用等技術的應用大大推動了營養活性物質組學產品研發和相應機制的研究。

表3 單一營養活性物質學與營養活性物質組學比較

今后，在這一領域尚有很多工作要做，其中最重要的是：第一，對現有的成熟的組學型飼料產品的機制和應用技術進行深入研究。一些現在證明非常成功的飼料產品，多年來，由于受到技術水平和研究思路的限制，在機制方面研究缺乏突破性進展。我們可以利用營養活性物質組學的理論和方法從整體上研究其中的營養活性物質的整體，繪制其特殊的營養活性物質圖譜（profiling），并進一步研究其在動物體內與內源性代謝物的相互作用和深入的生物學機制。

第二，研究與組學型飼料產品相配套的實用技術，比如研究與使用組學產品時，其中活性成分與其他日糧成分的組合效應和發展系統集成型技術以及研究對組學型飼料產品飼用效果的評定技術，建立快速、準確的生物活性物質分析技術等等。

第三，加強對新一代組學型飼料產品的研發和利用，其中包括植物提取物產品、微生物發酵產品和其他生物資源活性物質的研發和利用。

營養活性物質組學理論的提出，正是生命科學中組學理論在動物營養學和飼料科學中間的應用和發展，它不僅對營養活性物質產品的研究有重要的指導意義，而且也為新一代飼料產品的研發和相關技術的發展提供了全新的研究思路和方法，已經并正在產生著極其深遠的影響。由于受到科學技術發展水平的限制和分析思維及還原論方法的長期影響，在飼料產品研究和使用中間，長期以來僅僅把注意力放在飼料營養物質上，而忽視了對飼料內存在的營養活性物質（nutricines）的研究；同時對于飼料營養物質的研究以不承認組合效應的存在為前提；在研究思路上“分析”和“簡化”一直成為飼料產品研究的主流方法，認為只要搞清楚每一個局部就可以認識整體，完全忽視單項因素之間聯系和相互關系。這些傳統理念和方法成為飼料科學現代化發展的重要障礙。營養活性物質組學理論的提出有助于全面改變飼料產品研究和利用的技術理念和研發模式。

筆者提出的營養活性物質組學目前還只是一個理論框架，有待進行更多的研究去豐富、充實和完善。但是，它依然表現出強大的理論活力和巨大的應用潛力。

4 組合效應理論和技術的新發展

否認組合效應的存在，把可加性原則作為日糧配合的基本準則是傳統飼料科學理論中另一個重要的歷史缺陷。關于動物營養學中的組合效應問題的歷史和現狀，筆者曾做過比較全面的綜述（盧德勛，2004），這里就不再贅述。在此基礎上，筆者近年來又對組合效應理論和技術進行了研究和發展，提出了一個新的理論和技術體系。這一理論和技術體系可以概括為以下幾點：

①飼料組合效應的定義有狹義和廣義之說，其中狹義的飼料組合效應定義是指日糧內的飼料與飼料之間或飼料營養物質之間產生的組合效應，廣義的飼料組合效應定義除包括狹義的組合效應外，還包括飼料營養物質與飼料內營養活性物質以及反營養物質之間產生的組合效應，以及同時也包括這些營養因素與非營養因素或措施之間的互作效應。

②飼料組合效應表現有三種，即正組合效應、負組合效應和零組合效應，其中零組合效應只是飼料組合效應表現的一種特例。

③飼料科學中的飼料組合效應只涉及日糧和動物消化道兩個層次；而飼料營養物質在機體器官－組織－大分子和分子層次表現出的組合效應則是動物營養學重點研究的內容。這是兩個學科在組合效應理論研究方面的區別和聯系。

④日糧組合效應分四個層次表現，即日糧原料平衡，日糧表觀養分的平衡，可吸收養分的平衡和代謝可利用養分平衡。

⑤在日糧和機體不同層次上的組合效應有不同的表現，所以衡量指標也不同。目前衡量日糧組合效應的指標只有兩種，即采食量和飼料利用率指標。

⑥日糧組合效應指標不是一個固定值，而是一個范圍。

⑦參與日糧組合效應的物質在產生組合效應時存在一種劑量效應。

⑧日糧營養平衡理論和技術是現代飼料組合效應理論的一個重要的組成部分。

⑨飼料組合效應所涉及的可能機制有：影響食糜流通速度和滯留時間；影響反芻動物瘤胃緩沖能力、瘤胃發酵底物的相互競爭、瘤胃微生物區系和發酵模式以及微生物蛋白質產量；影響內源營養物質的周轉；影響日糧能量濃度；影響消化酶的滲透和營養物質的吸收，以及影響吸收后的營養物質平衡；影響動物本身自我營養調控功能運行。

盧德勛等（2002）在動物氨基酸平衡理論方面進行研究，并提出了新的見解。這一成果可以看作是筆者和甄玉國在組合效應理論和技術方面作出的新的理論概括和技術創新。這一新的見解包括以下幾個方面：

①在動物體內，任何氨基酸都不能孤立的發揮作用。對理想的蛋白質沉積和生長而言，氨基酸必須依賴兩個方面的營養平衡：整個日糧的營養素平衡；在日糧或十二指腸或門靜脈的所有氨基酸的平衡；

②理想的氨基酸模式不是一個固定值，而是一個范圍；

③日糧的蛋白質水平和氨基酸平衡存在互作；

④建議使用氨基酸平衡指數(AABI)來對氨基酸平衡狀況進行評定，其計算公式是：

我們還提出了用以評定絨山羊可吸收的氨基酸平衡狀況的AABI指數的標準（見表4）。

表4 評定絨山羊可吸收氨基酸平衡狀況的AABI指數的標準

近年來，筆者在飼料組合效應理論和技術的研究的基礎上，又進一步將這一理論和技術體系發展為一種更高層次的動物營養理論和技術。我們把它稱之為多層次營養平衡理論和技術（盧德勛等，2010），其理論和技術要點是：

①這一理論定義為“在動物日糧和機體內部不同層次上營養物質平衡及其變化、整合和調節的理論”。它是動物營養學在后現代化時代一項具有戰略意義的研究任務。

②動物營養平衡理論包括以下幾個層次，即日糧層次、消化道層次、肝臟層次、生產組織層次，其中日糧層次營養平衡是動物機體營養平衡的啟動平衡，具有全局性影響。每一層次、每一系統內部有復雜的平衡關系，各層次、各系統之間相互作用、相互影響。

③營養物質平衡有三種形式即：同一類營養物質內部平衡、不同類營養物質之間平衡和代謝產物之間平衡。

④動物的營養平衡是一個動態平衡，機體自我調控機能參與平衡的調節。

⑤營養平衡是動物生存和生長的基礎。對于不同的生理目標，要求一定的營養平衡值。

⑥機體內部的營養平衡值不是一個固定值，而是一個范圍。

⑦機體內部的營養平衡的調控主要通過以下幾個途徑：營養物質分配、酶的合成、基因表達和蛋白質表達以及激素平衡的調控。

多層次營養平衡理論和技術的提出是對傳統營養平衡理論的一次重大理論創新。大家知道人類對營養平衡的早期認識是從飼料或食物層次開始的。隨著各種營養素的發現，人們對營養平衡的認識才真正走上科學的道路。

傳統營養平衡理論發展的歷程中有以下四次重大歷史事件:即礦物質平衡、氨基酸平衡、日糧能氮平衡、飼糧碳水化合物平衡。到目前為止，在傳統營養學中間尚未形成系統的營養平衡理論，至于深入到機體內部認識營養素平衡只是剛剛開始。在反芻動物方面，CNCP體系在日糧和消化道層次上提出了比較成熟的營養平衡理論。傳統營養平衡理論有以下理論缺陷：缺乏理論系統性；缺乏明顯的層次性和不同層次間的整合；多為表觀指標的平衡；忽略飼料和動物的相互影響；在解決措施上提倡水桶效應和補齊原則。

表5比較了傳統營養平衡理論和多層次營養平衡理論兩者的區別。

表5 傳統和多層次營養平衡理論的比較

綜上所述，從傳統的組合效應理論到日糧營養平衡理論再到動物機體多層次營養平衡理論是一個歷史發展的過程。它將組合效應理論從飼料層次提升到營養素層次，從日糧層次提升到機體內部器官-組織-細胞-分子的層次，體現了傳統組合效應理論發展的現代化進程。繼續開展這方面研究對于飼料科學的理論和技術體系的現代化有十分重要的意義。

5 飼料-營養組學理論：一個新的研究方向

進入21世紀以來，生命科學延續了自上個世紀中葉以來的迅猛發展勢頭，出現了一些令人關注的發展特征，其中以基因組學為代表的組學研究引領著生命科學的發展，全面改變著生命科學的面貌?；蚪M學、蛋白質組學、代謝組學、相互作用組學、糖組學和表型組學等組學的研究思路和研究方法已經成為所有生命科學的思想方法和研究方法，特別是催化和發展了系統生物學的誕生和發展。系統生物學的誕生進一步提升了后基因組時代生命科學整體發展水平。生命科學這一重大的發展成果顛覆了許多傳統科學理念，深刻地影響著生命科學乃至整個生物科學的發展和進步，也必然給動物營養學和飼料科學的發展開創了一個全新的發展時代。

系統生物學中各種組學理論為開展飼料科學和動物營養學理論和技術的研究提供了可貴的研究思路和研究方法。這些科學分支體現了系統生物學的整體觀，也在一定程度上反映出了不同的“時”“空”的動態性。它們對于飼料科學和動物營養學理論和技術的研究樹立正確研究思路十分重要，同時，在研究手段和方法上，這些組學也為飼料科學和動物營養學理論和技術提供了方法平臺。

在多年來研究的基礎上，跟蹤國際上生命科學，特別是系統生物學的發展趨勢，筆者在這里鄭重提出飼料-營養組學理論這一新的研究方向。所謂飼料-營養組學（Feed-Nutritomics）即是指在飼料科學和動物營養學中，利用系統生物學內的組學理論和技術，從飼料營養組成物和機體內源代謝產物整體水平上研究這些營養組成物和這些內源代謝產物內部和相互之間的組合效應產生和發展以及其對內因和外因變化的應答規律和相關技術的一個新的研究方向。飼料-營養組學理論和技術的研究領域如圖2所示。

6 對現代飼用技術模式的新見解

飼料企業的從業者往往主要關注的是自己生產的飼料產品，而對產品的飼用技術比較忽視。這種陳舊的觀念往往不能使自己生產的飼料產品獲得理想的飼用效果，影響了企業的效益，甚至還誤導了養殖者，造成了“雙損”的后果。我們知道，飼料企業與養殖業是一種共存共榮的關系。從企業經營講，這種陳舊觀念必然損害這種共存共榮的關系；從技術理念上講，也是一種落后的理念，與科學技術理念完全背道而馳的。應該說，這不能不和傳統飼料科學的學科整體思維方式中占統治地位的分析思維的長期影響分不開的。

我們提倡的這種現代飼料飼用技術體系具有兩個鮮明的技術特征：

第一，系統集成和動態優化。這個新技術模式的主要技術關鍵就是系統集成和動態優化。在這一飼料飼用技術體系中，主要涉及以下技術：飼料粒度控制技術、階段飼養技術、分群飼養技術、TMR技術和乳牛福利保護技術（主要是乳牛舒適度）以及抗熱應激技術等。上面列舉這些飼用技術是充分發揮飼料或日糧飼用效果的重要保障。在實施這一技術體系時，有以下基本技術要求：

①精心選擇與所使用的飼料產品或配合成的日糧相配套的飼用技術與之集成；

圖2 飼料-營養組學理論和技術的研究領域

②注意檢測和優化這些配套飼用技術之間的集成；

③對這些飼用技術內部各個環節的集成進行檢測和優化；

④以動物營養檢測技術作為對這些飼用技術之間或內部的系統集成化程度評價手段，動態優化這些技術之間或內部的系統集成。

第二，全面體現科學的飼用原則。提高飼料利用率是飼料科學追求的一個重要目標。隨著科學技術水平的提高以及飼養決策目標理念的現代化，對飼料利用的科學原則也在悄悄發生變化。在實施這一技術體系時，必須全面體現現代科學的飼用原則。現代飼料利用科學原則可以歸納為以下幾點：

人性化原則、精細化原則（個體化原則）、營養平衡原則、優化原則、科學的經濟原則、安全原則、環境友好原則。

其中，人性化原則，精細化原則和優化原則近來更是越來越引起廣泛關注。

人性化原則：是動物福利現代科學理念在飼料利用方面的具體體現，其具體含義是在飼料利用和動物養殖中要善待動物，堅持健康養殖。在飼料利用堅持人性化原則一要科學、安全利用飼料資源和產品；二要發展與之配套的系統集成型的飼養技術體系。只有堅持人性化原則才能做到現代養殖四大優化決策目標統籌，實現養殖業可持續發展的目標。

精細化原則：飼料利用的精細化原則包括兩個方面含義，一是根據動物生理階段和性別優化設計飼料利用方案，二是根據畜禽生產水平等個體差異優化設計飼料利用方案。堅持飼料利用精細化原則是堅持四個統籌優化飼養決策目標，實現養殖業可持續發展根本途徑之一。飼料利用的精細化原則是對傳統飼料科學和傳統動物營養學中間唯飼養標準的初級技術理念的一種重要的理論和技術的補充和發展。

優化原則：飼料利用的優化原則其具體含義是指在實踐應用中間根據實際情況達到較為理想的目標，而不是一味追求最佳的目標。在實施優化原則時，營養檢測技術是評估飼料利用優化原則的技術依據。(未完待續)