豬的凈能體系研究進(jìn)展

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國飼料數(shù)據(jù)庫情報(bào)網(wǎng)中心，北京100193)

1 能量體系

動物生產(chǎn)中，飼料成本約占到運(yùn)營成本的60%以上，而能量在飼料成本中所占的比重又是最大的。因此，無論是制定最低成本配方，還是更好地滿足動物營養(yǎng)需要，準(zhǔn)確評定飼料能值就變得尤為重要[1]。此外，能量是動物生產(chǎn)性能的重要因素。飼料的能量包括總能、消化能、代謝能以及凈能。總能（GE）是指飼料中有機(jī)物質(zhì)完全氧化燃燒生成二氧化碳、水和其他氧化物時(shí)釋放的全部能量；總能不會被動物全部利用，其相當(dāng)大一部分會通過糞便、尿液、發(fā)酵氣體（如甲烷、氫氣）和熱量損失掉[1]。消化能（DE）是動物攝入飼料的總能與糞能之差，代謝能（ME）是飼料消化能減去尿能及消化道可燃?xì)怏w的能量后剩余的能量，而凈能（NE）是指代謝能減去代謝能在代謝利用過程以及飼料的攝食和消化過程中產(chǎn)生的熱增耗[2]。

建立任何一種能量體系，都需要測定或估計(jì)各種飼料原料的能值和確定動物的能量需要量。目前主要有3種能量體系，即消化能體系、代謝能體系和凈能體系，不同體系下飼料原料的能值存在明顯差異[3]（見表1）。豬飼料能量的評定最常見的是消化能和代謝能，但最接近飼料真實(shí)能值的應(yīng)該是凈能，它是唯一的、使動物能量需要和日糧能值在同一基礎(chǔ)水平上表達(dá)的體系，在理論上與飼料自身的特性無關(guān)[1]。

表1 部分飼料原料的消化能、代謝能和凈能含量*

2 豬的凈能體系

事實(shí)上凈能就是飼料中用于提供機(jī)體能量消耗（維持）或沉積于肉、奶、蛋、妊娠產(chǎn)物或纖維物質(zhì)（產(chǎn)品）中的能量[5]。它除了用于維持動物日常活動和適應(yīng)環(huán)境變化之外，還參與動物體脂及體蛋白的沉積以及機(jī)體發(fā)育過程。凈能真實(shí)地反映了動物生理過程中的能量需要，與消化能和代謝能相比，具有一定的優(yōu)勢。

2.1 凈能體系的優(yōu)勢

2.1.1 凈能體系能準(zhǔn)確表達(dá)飼料的有效能值

將一些常見的飼料進(jìn)行比較就能發(fā)現(xiàn)，與凈能體系相比，消化能體系或代謝能體系往往都高估了蛋白類或纖維類飼料原料的能量利用率，如表2中的豆粕和麥麩，而低估了淀粉類或脂肪類飼料原料的能量利用率，如表2中的玉米和動物油[6]。

單純從定義上看，凈能不但考慮了糞能、尿能與氣體能損失，還考慮了熱增耗的損失，與消化能和代謝能相比，能準(zhǔn)確反映飼料所含的真正可被動物利用的能量[7]。消化能體系或代謝能體系忽視了熱增耗在動物能量代謝過程中所扮演的重要角色，從而在飼料評定上出現(xiàn)偏差。所以說凈能準(zhǔn)確地反映了營養(yǎng)物質(zhì)在動物體內(nèi)的代謝利用過程，更能保證滿足動物的能量需要，從而使得采用凈能體系能更好預(yù)測動物的生產(chǎn)性能。

表2 生長豬飼料原料的相對消化能、代謝能和凈能1

2.1.2 凈能體系可以不考慮飼料種類的影響

由于凈能已經(jīng)考慮了飼料在動物代謝過程中所有已知的能量損失，所以我們可以認(rèn)為動物就是以凈能的形式來利用能量的。對于具有相同的消化能或代謝能的不同飼料，其轉(zhuǎn)化為凈能的效率不同，動物最終利用到的有效能值就會不一樣；而具有相同凈能的不同飼料和養(yǎng)分，為動物提供的能量則沒有差別。凈能體系在理論上與飼料特性無關(guān)。我國飼料原料種類繁多，化學(xué)特性差異極大，尤其是近些年來因?yàn)槌Ｒ?guī)蛋白飼料如大豆粕、魚粉等價(jià)格不斷高漲，非常規(guī)飼料的種類及應(yīng)用面迅速擴(kuò)大。非常規(guī)原料的消化能或代謝能與豬實(shí)際利用的有效能之間的比例常變化不定，在消化能體系或代謝能體系下使用這些飼料原料可能會降低豬的生長性能，而使用凈能體系則能夠有效避免原料品質(zhì)上的波動對豬的生長性能的影響[8]。因此，在這種飼料資源背景下，因地制宜地開展飼料凈能的評定及應(yīng)用，對不同動物提供的能量不會因原料的不同而出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的差異。

2.1.3 凈能體系能降低飼料成本、減少污染

養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模的增大也加劇了環(huán)境污染，畜禽(特別是養(yǎng)豬業(yè))排泄的大量含氮物質(zhì)是造成畜牧業(yè)環(huán)境污染的重要原因,這些含氮物質(zhì)主要來自飼料中未被消化利用的粗蛋白和氨基酸的降解[9]。采用低蛋白日糧,可以在保持豬生長性能和胴體品質(zhì)的前提下避免蛋白質(zhì)原料的浪費(fèi),降低氮的排放量,具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保價(jià)值[8]。從表1可見,玉米和豆粕中的代謝能含量相同(15.26 MJ/kg)，但玉米的凈能含量(12.42 MJ/kg)則比豆粕(8.07 MJ/kg)高很多。在典型的豬玉米-豆粕型日糧中，通過添加合成氨基酸、增加玉米、減少豆粕等手段，可使日糧粗蛋白含量降低2%，凈能卻提高了2%[10]。因此，在使用消化能（或代謝能）體系配制低蛋白日糧時(shí)就會使日糧的有效能偏高，導(dǎo)致能量蛋白的不平衡及能量過剩，而采用凈能體系配制低蛋白日糧則既降低粗蛋白含量又保證配方凈能不變。與此同時(shí)，低蛋白日糧對動物的生長性能沒有影響，卻能大幅度降低氮排放量。Kerr等(2003)的研究成果顯示當(dāng)日糧蛋白水平降低4%時(shí),豬的胴體品質(zhì)無顯著差異[11]。張桂杰等(2010)的結(jié)果也表明利用凈能體系配制低蛋白日糧對豬胴體品質(zhì)、肌肉品質(zhì)沒有顯著性影響，且增重成本能夠顯著下降[12]。而Gatel等報(bào)道，在生長肥育階段，豬飼糧粗蛋白質(zhì)水平由17.4%降至14.5%，總氮排出量減少了31.5%[13]。吳東等(2010)報(bào)道，在豬的生長階段和肥育階段，將飼糧粗蛋白質(zhì)水平分別下調(diào)3%和2%，同時(shí)添加合成氨基酸達(dá)到理想氨基酸模式，結(jié)果生長階段和肥育階段的氮排泄量分別顯著降低了15.7%和15.2%[14]。所以說，利用凈能體系配制出等凈能、低蛋白的日糧，既能節(jié)約蛋白資源，降低生產(chǎn)成本，又可減少氮排放，利于環(huán)境保護(hù)。

2.2 豬飼料凈能評定

飼料的凈能考慮了所有的能量損失，特別是凈能與最終產(chǎn)品聯(lián)系密切，因此用凈能評定飼料的營養(yǎng)價(jià)值更為準(zhǔn)確。但凈能的測定非常復(fù)雜，既需要大量的活豬和大型精密的測熱設(shè)施，還需要巨大的資金和漫長的時(shí)間才能得到可靠的結(jié)果，世界上只有少數(shù)幾個(gè)大型研究中心才能進(jìn)行[4]。由于實(shí)測飼料凈能的費(fèi)時(shí)費(fèi)工，所以國內(nèi)外飼料數(shù)據(jù)庫中的飼料凈能值大多數(shù)是通過飼料凈能回歸公式預(yù)測得到的。

2.2.1 飼料凈能的實(shí)測

根據(jù)凈能的定義，凈能測定有兩種途徑。一是通過消化能或代謝能來計(jì)算凈能，這種方法需要測定動物的熱增耗，即攝入飼料時(shí)動物總的機(jī)體產(chǎn)熱量減去動物絕食產(chǎn)熱量；另一種途徑是直接測定維持凈能(NEm)和沉積凈能(NEp)，對處于生長期的動物來說，凈能的攝入量是該飼喂水平下的存留能量和安靜狀態(tài)下的絕食產(chǎn)熱量（fasting heat production,FHP）之和[15]。存留能量即為沉積凈能，是攝入代謝能減去動物機(jī)體的總產(chǎn)熱量。

不論從哪個(gè)途徑考慮,都需要測定動物的體產(chǎn)熱量。機(jī)體產(chǎn)熱量可以借助專業(yè)的儀器直接測量,也可以通過估測氣體交換來進(jìn)行間接測量,還可以通過代謝能攝入量和動物能量增量之差來計(jì)算,最后這種方法要借助比較屠宰技術(shù)來實(shí)現(xiàn)[1]。最近，Kil等[16]就通過比較屠宰技術(shù)測定了大豆油和精選白色油脂的凈能值。

動物絕食產(chǎn)熱量(FHP)可以在絕食動物上直接測定，也可以通過文獻(xiàn)查得，如Noblet等[17]推薦的179 kcal/kg BW0.6以及Van Milgen等[18]報(bào)道167 kcal/kg BW0.6。當(dāng)然還可以通過不同飼喂水平下的產(chǎn)熱量值來進(jìn)行推算，當(dāng)代謝能攝入量為零時(shí)，此時(shí)的產(chǎn)熱量應(yīng)為絕食產(chǎn)熱量。王康寧(2010)推薦了Lofgreen(1968)建議的回歸模型[7]：Log HP=a+b×MEI，其中HP為產(chǎn)熱量，MEI為代謝能攝入量，當(dāng)MEI為零時(shí)，常數(shù)項(xiàng)a即為絕食產(chǎn)熱量。盡管這種方法被廣泛應(yīng)用，但它有一定的局限性，對于生長豬來說，在變成空腹前，它會根據(jù)24 h之內(nèi)的飼喂或能量水平來調(diào)整自己的絕食產(chǎn)熱量(FHP)[19]，所以代謝能攝入量(MEI)與絕食產(chǎn)熱量(FHP)不僅僅是回歸模型上簡單的自變量和截距的關(guān)系，兩者之間可能存在互作效應(yīng)。同時(shí)，絕食產(chǎn)熱量(FHP)的估測還會受絕食時(shí)間長度[20]和豬的遺傳特性[18]的影響。因此，我們需要慎重對待這種絕食產(chǎn)熱量(FHP)的推測方法。而Van Milgen等(2001)還指出維持凈能(NEm)等于絕食產(chǎn)熱量(FHP)加上隨意活動的能量[21]，所以通過測定絕食產(chǎn)熱量(FHP)來獲得維持凈能值(NEm)時(shí)務(wù)必保證動物處于安靜狀態(tài)或加上動物隨意活動所消耗的能量。這無疑又增加了凈能測定工作的難度。

2.2.2 飼料凈能的預(yù)測

凈能的測定相對復(fù)雜，同時(shí)也不可能將每一種飼料都進(jìn)行測定，所以最好的替代方法就是利用回歸方程預(yù)測凈能值，這些方程都是通過相似的、標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)得出的。可以根據(jù)豬飼料的消化能或代謝能以及飼料的化學(xué)成分，選擇合適的模型來預(yù)測凈能值。由于動物處于不同的生理階段，其對飼料能量利用的能力有極大的差異，所以在選擇預(yù)測模型時(shí)應(yīng)注意選擇與試驗(yàn)動物、試驗(yàn)環(huán)境相匹配、相類似的方程。再者從統(tǒng)計(jì)的角度來看，應(yīng)該選擇相關(guān)系數(shù)R2大、剩余標(biāo)準(zhǔn)差(RSD)小的預(yù)測模型。表3中收集了目前一些具有代表性的方程。其中，前兩個(gè)公式是INRA(2004)[6]推薦的，后三個(gè)公式是NRC(2012)[22]推薦的，其中公式4被用于計(jì)算NRC(2012)發(fā)布的豬飼料成分表中各飼料原料的凈能值，而中國飼料數(shù)據(jù)庫情報(bào)網(wǎng)中心發(fā)布的第22版飼料成分表也是按預(yù)測模型，結(jié)合飼料中的常規(guī)成分計(jì)算得到的[23]。

表3 豬飼料凈能值的典型預(yù)測公式*

需要指出的是，雖然越來越多的人開始關(guān)注日糧或飼料原料的凈能預(yù)測方程，但是凈能預(yù)測公式是從全價(jià)日糧里發(fā)展出來的[17]，所以預(yù)測單一飼料的凈能值時(shí)可能存在一定的誤差。然而，測定單一飼料凈能值的試驗(yàn)開展得比較少，所以目前沒有足夠的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證單一飼料凈能的預(yù)測值。

2.3 動物凈能需要量

雖然凈能體系表達(dá)有效能值更為準(zhǔn)確，但目前凈能在動物體內(nèi)的分配方式尚不明朗。所以，NRC(2012)認(rèn)為目前的能量機(jī)理模型還無法從凈能體系的角度模擬出動物的凈能需要量[22]。于是NRC(2012)創(chuàng)造了一個(gè)新指標(biāo)，即“有效代謝能(effective ME)”。日糧凈能通過某種固定的轉(zhuǎn)換系數(shù)（見表4最后一行）而變成有效代謝能，從而借助能量機(jī)理模型從代謝能體系的角度模擬出動物的有效代謝能需要量。這在一定程度上將凈能與動物的能量需要量聯(lián)系起來了。

表4 NRC(2012)推薦的豬日糧能量水平(90%DM)

Noblet(2007)則給出了更為簡單的方法來獲得凈能需要量，即用已知的消化能需要量乘以0.71或代謝能需要量乘以0.74[24]。盡管這種轉(zhuǎn)換方式過于直白,但從制定動物營養(yǎng)需要量的角度來看，作為推薦量，其誤差并不會影響到生產(chǎn)實(shí)踐。在利用消化能或代謝能測算凈能需要量方面，De Lange(2008)給出了另一種建議，那就是改用凈能體系時(shí)，凈能需要量的數(shù)據(jù)應(yīng)通過消化能或代謝能體系配制的典型日糧中的凈能含量來建立[25]。該推算方法更加合理，考慮到了動物能量代謝利用的規(guī)律。當(dāng)然這些方法都需要大量的試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。

目前豬凈能需要量的測定主要通過生長實(shí)驗(yàn)，也常借助比較屠宰技術(shù)來確定動物在特定生理階段、生產(chǎn)水平下對能量的總需要量。一般采用不同能量水平的飼糧，當(dāng)動物在某一能量水平下能獲得最大日增重、最佳飼料利用率或胴體品質(zhì)時(shí)，此能量水平作為該動物的能量需要量。尹慧紅等(2008)選用Noblet等(1994)的凈能預(yù)測公式配制5個(gè)不同凈能水平梯度的飼糧，并以20～50 kg生長豬的生長性能及養(yǎng)分消化率為標(biāo)識確定該階段的凈能最佳需要量為9.45 MJ/kg[26]。而外國學(xué)者De Lange(2001)報(bào)道生長豬的凈能需要量為9.56 MJ/kg(90%DM)[27]。各類研究所報(bào)道的豬的凈能需要量存在一定的差異，這與試驗(yàn)豬、試驗(yàn)環(huán)境的不同有一定關(guān)系。鑒于飼料凈能值的測定難度較大，目前在確定豬的需要量的研究中，飼料原料的凈能值基本上都并非實(shí)測值。例如，王榮發(fā)等(2011)在研究生長豬色氨酸需要量的過程中，雖然采用凈能體系，但飼料原料的凈能值是通過預(yù)測公式推算出來的[28]。事實(shí)上對結(jié)果影響最為直接的是試驗(yàn)中飼料原料所使用的凈能值，所以在飼料凈能測定技術(shù)取得長足發(fā)展之前，現(xiàn)階段所獲得的豬的凈能需要量都存在一定的局限性。

3 凈能體系面臨的挑戰(zhàn)

3.1 飼料凈能值評定方法復(fù)雜

雖然凈能體系優(yōu)勢明顯，但真正在豬的生產(chǎn)實(shí)踐中建立凈能體系的情況并不多。可以說，豬飼料凈能值的測定技術(shù)和相關(guān)基礎(chǔ)理論的發(fā)展，制約了凈能系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。由于飼料成分凈能含量的測定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，目前各種飼料的凈能值數(shù)據(jù)比較缺乏。盡管借助前人提供的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測公式，可以根據(jù)飼料的消化能、代謝能和主要化學(xué)成分來確定飼料凈能。但是，隨著我國飼料資源的日趨緊張，各種非常規(guī)的能量及蛋白質(zhì)資源進(jìn)入市場，同名異物的情形大量存在，即使是確定飼料的消化能及代謝能的難度就不小，那么如何考慮飼料化學(xué)成分的變異對凈能預(yù)測的影響面臨的挑戰(zhàn)將更大。因此需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究。

3.2 飼料凈能值可加性不明

在現(xiàn)行的畜牧飼養(yǎng)體系中，往往假定飼料原料中各個(gè)營養(yǎng)成分是可加的，即日糧營養(yǎng)成分可根據(jù)該日糧中各飼料原料的配比以及各飼料原料的營養(yǎng)含量累加出來。目前計(jì)算飼料配方的營養(yǎng)物質(zhì)含量時(shí)，也都是把組成原料的有關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)含量按比例相加計(jì)算。但有研究證實(shí)，日糧采食量水平、蛋白質(zhì)含量和飼養(yǎng)水平會改變單一飼料原料的消化率，不同原料之間也存在互作關(guān)系，從而改變飼料營養(yǎng)物質(zhì)的可利用率[29]。所以在推廣應(yīng)用凈能體系時(shí)，日糧中各種飼料原料凈能是否具有可加性，是探索營養(yǎng)代謝規(guī)律、完善凈能理論的過程中不可回避的問題。

3.3 飼料凈能值應(yīng)隨動物生長階段有所細(xì)化

事實(shí)上，預(yù)測豬飼料能量值的關(guān)鍵在于能否得到準(zhǔn)確可靠的能量或營養(yǎng)消化率[1]。計(jì)算凈能的含量需要用到具體、準(zhǔn)確的消化能或代謝能值或可消化養(yǎng)分含量，所以飼料的能量消化率會間接地影響到飼料凈能值的評定。能量的消化率會受到飼料特性影響，如Le Goff(2001)提到能量消化系數(shù)與飼料中粗纖維含量呈線性負(fù)相關(guān)[30]；而同時(shí)，能量的消化系數(shù)也會隨著體重的增加而增加[24]，這主要是因?yàn)槿占Z纖維的消化率隨豬的生長發(fā)育而提高。生長豬和成年豬的能量消化率不同，將會對測定出來的飼料凈能值產(chǎn)生顯著影響。所以Noblet(2007)[24]認(rèn)為飼料應(yīng)隨動物的生長階段至少給出兩套凈能值，進(jìn)而派生出兩套凈能體系——生長豬凈能體系和成年豬凈能體系，這樣才能有效實(shí)現(xiàn)對動物生長和生產(chǎn)性能的準(zhǔn)確預(yù)測。

4 小結(jié)

凈能所表示的能量是最接近真實(shí)的動物維持和生產(chǎn)所需的能量，與動物的生長和生產(chǎn)緊密聯(lián)系。與消化能和代謝能體系相比，豬的凈能體系在預(yù)測生產(chǎn)性能、優(yōu)化日糧結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本甚至環(huán)境保護(hù)等方面優(yōu)勢明顯。然而，目前飼料凈能值數(shù)據(jù)的稀缺以及過于依賴預(yù)測模型等問題，突顯了當(dāng)前能量代謝基礎(chǔ)研究非常薄弱的現(xiàn)實(shí)，使凈能體系只能停留在理論層次而無法真正應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。所以探索豬能量代謝規(guī)律、充實(shí)凈能理論以及改進(jìn)飼料凈能值測定技術(shù)，將是今后凈能體系漫長的建設(shè)過程中必須高度關(guān)注的環(huán)節(jié)。

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