豬低蛋白日糧的作用效應與技術實踐進展

李鳳娜，尹杰，段葉輝，何流琴，李鐵軍，黃瑞林，印遇龍

（中國科學院亞熱帶農業生態研究所，亞熱帶農業生態過程重點實驗室，湖南 長沙 410125）

目前，養豬生產中，面臨的主要問題包括全球范圍內蛋白質飼料資源的日益短缺和現代規模化養殖排泄物中氮排放所引發的環境污染，這成為制約養豬生產可持續發展的瓶頸。另一方面，豬在不同生理階段對日糧中氮的利用率存在差異，哺乳仔為70%，斷奶仔豬為55%，生長豬為43%，肥育豬只有35%。以斷奶仔豬為例，日糧中的氮僅有55%沉積在肌肉組織，15%用于滿足生命所需的基本代謝需求，35%變成氨氣、吲哚等污染物排放至空氣、水體和土壤等[1]。由此可見，不同生理階段的豬對日糧中氮的利用率還有提升空間。考慮到成本和環保的雙重壓力，要想突破養豬生產的主要瓶頸，發展豬對氮營養素的高效利用技術是解決問題的關鍵所在。

隨著“理想蛋白質”概念的發展和“理想蛋白質的氨基酸模式”建立，加之合成氨基酸工業化生產規模的擴大，極大地推動了低蛋白日糧的研究和應用。低蛋白日糧研究在國內外已經超過10年，本研究團隊主要研究了短期和全程低蛋白日糧對豬腸道、肉品質和排放的影響以及氨基酸的響應機制，并采用低蛋白日糧平衡必需氨基酸尤其是支鏈氨基酸（branched chain amino acis, BCAAs）等，發現豬的生產性能得到改善。本文主要基于本研究團隊關于低蛋白日糧的研究報道，并結合國內外研究進展，對低蛋白日糧在豬上的研究應用以及氨基酸的響應機制進行總結，以期為低蛋白日糧在養豬生產中的科學應用提供借鑒。

1 低蛋白日糧技術在我國生豬養殖業勢在必行

豬日糧中的蛋白質是供給豬生長發育所必需的，同時也是維持器官和肌肉組織所必需。如果豬日糧中蛋白質過低則不能滿足豬的維持需要，機體就會出現氮的負平衡，不僅降低能量的利用，還會影響生產性能和繁殖性能等。從營養學的角度來講，動物對蛋白質的需求本質上是對氨基酸的利用，若日糧提供合理的氨基酸組成，就可以滿足動物的蛋白質需要。隨著飼料技術的發展以及國家對生態環境的重視，低蛋白氨基酸平衡日糧是數年來被動物營養領域高度關注的話題。動物飼喂低蛋白氨基酸平衡日糧能有效提高氮的利用率，排出的糞氮和尿氮都有很大程度的降低。日糧蛋白質降低時，氨基酸的濃度也隨之降低而不能滿足豬的營養需要，日糧內氨基酸平衡顯得尤為重要[1-2]。目前，配制低蛋白氨基酸平衡日糧在養豬業中的研究已相對成熟，在實際生產中也已被證明可行。

根據1998年第10次修訂的豬營養需要標準（Nutrient Requirements of Swine, NRC），仔豬、生長豬和育肥豬飼料粗蛋白（crude protein, CP）需要量分別是20%、18和16%。低蛋白日糧則是指將日糧蛋白質水平按NRC推薦標準降低2～4個百分點，即仔豬、生長豬和育肥豬飼料CP需要量分別控制在16%～18%、14%～16%和12%～14%之內，然后通過添加合成氨基酸，降低蛋白原料用量來滿足動物對氨基酸需求（即保持氨基酸平衡）的日糧。在2012年第11次修訂的NRC標準中，進一步強調了豬飼料配制中氨基酸的需要量（其中包括許多非必需氨基酸），而不再是蛋白質水平。NRC的改版突出了飼料中氨基酸的重要性，更有利于豬低蛋白日糧的研發以及配制技術的進一步發展與完善。

我國是一個蛋白資源嚴重匱乏的國家，雖然一些植物性非糧蛋白資源豐富，但由于抗營養因子的存在以及營養成分評估的缺乏，限制了其在豬日糧配制中的廣泛應用。目前，我國蛋白飼料主要依賴于進口。根據海關總署公布的數據，2016年我國大豆凈進口8 391萬t，而2017年該數據增加到9 542萬t，是我國大豆總產量的8倍左右。日前中美貿易爭端不斷，其中大豆是我國進口的主要部分。因此，在養豬生產中，研究并推廣低蛋白日糧技術從而降低蛋白源飼料的使用量，對進一步緩解我國蛋白資源緊缺具有重要的現實和生產意義，同時也符合我國貿易政策需求。

畜牧業糞尿污染物排放與生態環境失衡密切相關，其中糞尿中氮的排放直接對環境造成破壞性影響。國家環保總局2010年調查結果表明，2009年全國畜禽糞污總量達40億t，產生的氮總量約3 000萬t，其中豬排放的氮占總氮排放量的57%以上，嚴重制約了我國環境事業的發展，與國家“綠水青山”號召相違背，而糞尿氨氮主要來源于日糧中的蛋白質。因此，從源頭降低日糧蛋白水平，能有效控制糞尿的氨氮排放。Wu等[3]研究了低蛋白對40 kg生長豬氮排放的影響，結果發現低蛋白日糧顯著降低了豬糞尿中氮的排放，有效提高了氮的沉積和日糧蛋白利用效率。粗略估計，豬日糧中蛋白水平降低一個百分點，氨氮排放可減少約10%，對養殖環境起到積極的改善作用。

2 低蛋白日糧對豬生產性能的影響

衡量豬生長性能的指標主要包括增重、采食量以及料肉比。生產上，豬的生長性能是養殖場最為關心的核心指標之一，良好的生長性能可提高經濟報酬。在豬營養研究領域，生長性能也是科學研究的主題之一。飼料配方中平衡各種營養素比例可顯著提高豬的生長性能，但是營養素過量或缺乏均降低豬的采食量和增重等指標，其中蛋白水平對豬的健康生長具有重要意義。大量研究發現，適度降低日糧蛋白水平并補充氨基酸不會降低豬的生長性能，也有研究報道，日糧蛋白水平過高或過低都會對豬的采食量和增重產生抑制作用[4-7]，還有研究發現低蛋白日糧補充適當氨基酸能夠顯著改善豬的生產性能[8-10]。總的來說，適當降低日糧蛋白水平對豬的生長性能沒有明顯的抑制作用。

3 低蛋白日糧營養消化代謝測定技術方法

開展豬飼料氮（氨基酸）營養消化代謝與調控研究的前提和基礎，需要建立一套完善的測定方法體系，這也是當前動物營養學（動物生態營養學）研究的前沿。近年來，本團隊在原有氮營養素消化代謝測定的基礎上，進一步改進并完善了豬氮代謝與調控技術手段。

3.1 建立尤斯灌流系統評估營養物質吸收和轉運能力技術

以豬各組織部位離體活性狀態為基礎，利用Ussing Chamber系統（圖1）模擬豬腸道或其他部位在體狀態時的營養物質吸收和代謝[11]，根據營養物質可以在組織特定的位置進行吸收轉運和通透的能力，測定該特定部位的營養物質含量（如賴氨酸、精氨酸、葡萄糖、小肽等）[12-13]，通過有效滲透系數快速評價該營養物質吸收轉運的動力學變化。尤斯灌流技術已經在畜禽營養與藥物生理學研究領域逐漸成熟，尤其在胃腸道屏障功能及藥物吸收和轉運領域得到應用，為后續的營養物質代謝與調控研究奠定技術基礎。

圖1 尤斯灌流系統（引自：唐宇龍等[12]）Fig. 1 Ussing Chamber system

3.2 建立豬腸道原位結節灌流評估氨基酸凈吸收量技術

豬腸道原位結節灌流評估氨基酸凈吸收量技術（圖2）在保持豬腸道神經支配、內分泌完整性、維持血液和淋巴循環系統正常功能的條件下，直接檢測氨基酸從灌注腸段進入腸壁的量，從而更直觀的獲得小腸吸收氨基酸的真實情況[14-15]。該技術優點是在實驗中保持了腸道的神經支配及內分泌的完整性，維持血液和淋巴循環系統的正常功能，更加直觀的反應小腸吸收營養物質的真實情況，可以直接檢測營養物質從灌注腸段進入腸壁和機體的量。

圖2 豬腸道原位結節灌流技術Fig. 2 Small intestinal segment perfusion technique in pig

3.3 建立豬胃和回腸末端同時安裝“T”型瘺管評估胃腸道營養素消化技術

豬胃和回腸末端同時安裝“T”型瘺管評估胃腸道營養素消化技術（圖3）在評估豬氮沉積、營養素消化率的基礎上，通過對豬胃腸食糜進行動態取樣，系統評估營養素、相關激素、消化酶和腸道微生物的動態變化規律[16]。隨著實驗技術的不斷發展，許多新技術的應用使得測定營養物質消化率的方法更加多樣化，測定準確率也不斷提高。但從測定的簡易程度、成本、準確性等綜合考慮，瘺管消化率測定技術不可或缺。

圖3 豬胃和回腸末端同時安裝“T”型瘺管Fig. 3 Stomach and the distal of ileum were simultaneously installed with “T” fistula in pig

4 低蛋白日糧與豬肉質的關系

我國是世界上最大的肉類生產國和消費國，其中豬肉總產量占我國肉類總產量的65%左右。隨著生活水平的提高，人們對畜產品的質量要求也越來越高。但長期以來對“快速”和“高產”的盲目追求導致豬肉品質顯著下降。豬肉是豬以自身生物學特性和遺傳為基礎，以機體的正常營養代謝為平臺，通過攝入養分，在生長發育過程中協調營養物質向肌肉組織的沉積而形成的。豬肉的食用和加工品質性狀主要取決于肌肉生長過程中的兩個相互聯系的生物學過程，即肌纖維的發育和肌內脂肪的生成。在豬的生長過程中，氮源可通過影響機體糖、脂肪和蛋白質代謝等，影響肌纖維的生長和類型的組成以及肌內脂肪的生成，最終影響豬肉品質。肌肉組織是動物機體的重要組成部分，也是氮營養素沉積的主要靶組織。肌肉組織的生長依賴蛋白質的沉積，其本質是蛋白質合成和蛋白質降解動態平衡的結果，氨基酸的感應與轉運也參與調節，共同構成動物體內蛋白質代謝的動態平衡。因此，揭示肌肉生長發育調控的分子機制是改善豬肉品質的基礎，也是深化對生命現象本質認識的主要內容，這對現代生豬養殖和精準飼養有著重要啟示。探討低蛋白氨基酸平衡日糧的飼喂效果，并闡明肌肉組織中含氮物的周轉與利用，重點從蛋白質代謝、能量代謝和脂質代謝等多方面探討肌肉組織對低蛋白日糧的響應，這有助于優化肌肉組織中蛋白質高效沉積的日糧氨基酸模式，為提高肌肉組織氮營養素沉積效率和促進肌肉生長提供理論依據，也為豬肉品質調控技術的研發奠定重要的科學基礎，為在生豬養殖中科學應用低蛋白日糧提供借鑒。

以完善低蛋白氨基酸平衡日糧理論為出發點，深入探究肌肉組織中含氮物的周轉與利用機制及其伴隨的能量代謝規律，為科學地在養豬業中推廣應用低蛋白日糧精準飼養技術提供理論依據。研究發現，糞氮、尿氮和總氮排泄量隨日糧蛋白質水平的降低而降低，生長總氮排出量（y, g/d）與日糧蛋白質水平（x）之間的回歸關系是y=1.35x-6.18，肥育豬日糧蛋白質水平從16.1%降到11.7%，總氮排泄量降低39%；降低日糧蛋白質水平補充必需氨基酸增加豬背膘厚，降低眼肌面積，減輕內臟器官重量，增加能量利用率；降低日糧蛋白質水平減少生長豬肝臟分泌類胰島素生長因子IGF-I，降低肌肉和肝臟IGF-I基因表達，增加血漿中瘦素濃度，且其濃度與背膘厚呈正相關（r=0.76，P＜0.05），IGF-I濃度與平均日增重ADG正相關（r=0.91，P＜0.05）；日糧蛋白質水平顯著影響了胰腺、肺、肝臟、腎、胃和背最長肌蛋白質合成[7]。

豬在不同生長階段飼喂低蛋白日糧（NRC推薦標準降低3個百分點）并補充賴、蛋、蘇和色氨酸四種限制性氨基酸，其生產性能不受影響，而當蛋白質水平降低6個百分點時，低蛋白日糧則通過調節肌肉組織游離氨基酸庫，下調mTORC1蛋白質合成通路并上調UPS蛋白質降解通路，顯著抑制豬的生產性能以及肌肉生長；進一步研究低蛋白氨基酸平衡日糧對不同階段豬的能量分配和脂質代謝的調節，結果發現伴隨肌肉組織蛋白質代謝的變化，肌細胞能量狀態也隨之改變，并且通過調控機體AMPKα/SIRT1/PGC-1α信號通路，影響線粒體生物合成的功能。重要的是，降低3個百分點的低蛋白日糧可提高肥育豬的肌內脂肪含量，降低剪切力值，有利于豬肉品質的改善[17-22]。因此，在NRC標準推薦值的基礎上，日糧蛋白質水平降低3個百分點是可行的，同時也為后期的功能性氨基酸營養調控研究奠定理論基礎。

5 低蛋白日糧對豬胃腸道消化系統的影響

低蛋白顯著增加了育肥豬回腸末端蛋白質和能力消化率，同時絕大多數氨基酸消化率均在低蛋白組中顯著提高，其中包括賴氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸、蘇氨酸、色氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸和甘氨酸[23-24]，腸道營養物質的消化吸收主要與不同營養物質的消化酶活性和腸道營養物質吸收轉運機制相關。

胃腸道消化酶對豬采食行為和營養物質消化分解具有重要的作用，進一步通過胃“T”型瘺管和頸動脈血管手術，系統研究了低蛋白日糧對仔豬胃腸道以及血液消化酶的影響，結果發現隨著蛋白質水平的降低，小腸長度變短，胃腸排空速率加快，且血清中膽囊收縮素、饑餓素、胃泌素、胃抑素、胃蛋白酶原Ⅰ和胃蛋白酶原Ⅱ水平不受日糧中蛋白質水平影響，而斷奶仔豬日糧蛋白質水平由20%降低至14%，胃內pH和胃蛋白酶也均未發生明顯變化[25]。但從基因表達水平方面分析發現，17%CP氨基酸平衡日糧可以代償性地提高胃蛋白酶原、胰蛋白酶原、胰糜蛋白酶、空腸羧基肽酶A和α-淀粉酶的表達，從而增加了日糧養分（主要是蛋白質）的消化能力，造成這一差異的原因可能與低蛋白日糧氨基酸平衡狀況相關。

低蛋白日糧模型下，豬對氨基酸的吸收和利用對豬的健康生長具有重要意義。前期大量低蛋白模型實驗均證實，低蛋白日糧顯著降低了豬對BCAAs的攝取，但是不同階段以及不同日糧配方對豬循環系統氨基酸影響存在差異[1]。長期低蛋白日糧顯著降低了育肥豬血液和肌肉組織中組氨酸、精氨酸、纈氨酸、異亮氨酸以及色氨酸等氨基酸的含量[22]，而在仔豬階段，血液和肌肉組織中甘氨酸和丙氨酸含量顯著降低[7]。氨基酸的吸收和轉運與腸道氨基酸轉運載體的功能密不可分，分析低蛋白日糧對不同階段豬腸道氨基酸轉運載體的表達，發現仔豬階段較生長豬和育肥豬階段腸道氨基酸轉運載體更容易受到低蛋白影響，同時低蛋白普遍上調酸性氨基酸轉運載體的表達，而對堿性氨基酸轉運載體的表達則具有一定的抑制作用，其機理可能受循環系統氨基酸含量的綜合反饋調節。此外，低蛋白日糧平衡BCAAs可顯著改善腸道形態，促進腸細胞的增殖，提高腸道氨基酸轉運載體的表達水平，最終促進腸道氨基酸的吸收與利用，從而改善蛋白質代謝（圖 4）[23]。

6 豬低蛋白日糧模式下氨基酸的響應效應

6.1 低蛋白日糧模式下賴氨酸響應機制

圖4 低蛋白日糧平衡BCAAs比例對腸道形態及蛋白質代謝的調控機制圖（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

豬低蛋白日糧模式下，血液中賴氨酸含量顯著增加，而賴氨酸在豬生產上作為第一限制性氨基酸，對豬的生產管理過程中具有重要的指導作用。分析低蛋日糧賴氨酸水平對仔豬采食的調節，發現飼喂仔豬三種可供選擇的日糧，仔豬更偏好采食低賴氨酸水平的日糧。輕度低蛋白日糧中降低30%的賴氨酸水平，可顯著增加仔豬采食量并調節氨基酸轉運載體的表達以及腸道微生物區系的平衡，而當賴氨酸水平調整為正常水平時，低賴氨酸效應消失[28]。全程飼喂實驗進一步證實，低蛋白日糧條件下降低30%賴氨酸顯著增加仔豬采食量，但對生長豬和育肥豬采食行為并沒有明顯影響；通過微生物測序、代謝組學和蛋白組學綜合分析，發現低蛋白低賴氨酸日糧顯著影響育肥豬機體的代謝，主要是氨基酸代謝[29-30]。此外，低蛋白日糧適度降低賴氨酸對仔豬腸道免疫系統也具有調節作用，可通過ERK1/2和NF-κB信號通路調節免疫球蛋白以及炎性因子的表達，從而影響仔豬機體的免疫系統[31]。不僅如此，仔豬低蛋白日糧模式下添加賴氨酸，則抑制了低蛋白日糧誘導的骨骼肌自噬反應，并激活了Akt/mTOR信號通路[32]。

6.2 低蛋白日糧模式下支鏈氨基酸響應機制

仔豬（10～30 kg）低蛋白日糧（17% CP）中BCAAs包括亮氨酸∶異亮氨酸∶纈氨酸（Leu ∶Ile∶Val）比例為1∶0.75∶0.75和1∶0.51∶0.63時，可顯著增加豬的日增重并降低料肉比，豬的生長性能且與飼喂正常蛋白水平日糧組無顯著差異[33]。仔豬低蛋白日糧中 Leu∶Ile∶Val比例為1∶0.25∶0.25時可顯著降低胴體脂肪量，表現出較好的胴體性狀[34]。因此，綜合生長性能和胴體性狀的結果，仔豬低蛋白日糧中Leu∶Ile∶Val的最適比例范圍在1∶0.75∶0.75～1∶0.25∶0.25之間。國外學者也報道，低蛋白日糧中BCAAs和其他氨基酸比例必須控制在合理范圍內，才能更大限度滿足豬對氨基酸的需要[35]。

隨著仔豬低蛋白日糧Leu∶Ile∶Val比例的降低，血清中游離氨基酸濃度逐漸降低，而肌肉組織中游離氨基酸濃度卻顯著增加，1∶0.25∶0.25組肌肉組織中游離氨基酸濃度最高。推測低蛋白日糧中BCAAs比例為1∶0.25∶0.25時，可促進肌肉組織對游離氨基酸的吸收。另外，低蛋白日糧中Leu∶Ile∶Val比例在 1∶0.75∶0.75～1:∶0.25∶0.25范圍內時，可提高仔豬肌肉組織中氨基酸轉運載體（SNAT2、LAT1和SLC1A5）和蛋白質合成代謝相關基因（mTORC1信號通路關鍵因子）的表達水平，并降低肌肉組織蛋白質降解相關基因（MAFbx和MuRF1）的表達水平，但是不同肌肉組織部位間存在一定的組織差異性，推測低蛋白日糧平衡BCAAs比例可通過提高機體氨基酸轉運載體信號，促進肌肉組織對血液中游離氨基酸的吸收與利用，最終通過mTORC1信號途徑和UPS途徑調控肌肉組織蛋白質代謝，從而促進肌肉組織生長（圖5）[36]。

圖5 低蛋白日糧平衡BCAAs比例對豬肌肉組織蛋白質代謝的調控機制圖（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.

仔豬低蛋白日糧平衡BCAAs比例（1∶0.75∶0.75～1∶0.25∶0.25）可增加股二頭肌中脂肪含量，提高肌肉組織中PUFA/SFA比值并降低n-6/n-3 PUFA比值，而這些效果與脂質代謝有關基因的mRNA表達變化和AMPKα/SIRT1/PGC-1α能量感應網絡激活相關，從而促進了肌肉組織中脂肪酸的吸收與利用[37]。

低蛋白日糧補充適宜比例的BCAAs可調控脂肪組織功能，包括促進脂肪分解、轉運和氧化，以及細胞因子的合成與分泌。這些作用效果可能由AMPKα/mTOR信號通路和Sirt1/AMPKα/PGC-1α能量軸所介導，同時與線粒體的生物合成及肌肉-脂肪組織間的“對話”有關（圖6）。低蛋白日糧適宜比例的BCAAs通過以上作用途徑和作用效果導致脂肪組織減少，尤其是皮下脂肪，釋放脂肪酸，以供給肌肉組織吸收利用，這也說明促進了機體內能量的重分配[34]。

圖6 低蛋白日糧平衡BCAAs比例對豬脂肪組織脂質代謝的調控機制圖（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

綜上，低蛋白日糧不同BCAAs比例能調節仔豬的生長性能、蛋白質代謝及脂質代謝，且最適比例范圍為 1∶0.75∶0.75～1∶0.25∶0.25。在此最適比例范圍內，一方面可激活肌肉組織mTORC1信號通路并抑制泛素化蛋白酶體途徑，促進蛋白沉積，同時肌肉組織內長鏈脂肪酸含量增加；另一方面促使脂肪組織合成并釋放脂聯素，靶向激活背部脂肪的AMPKα信號，一定程度上抑制mTORC1信號，促進背部脂肪的脂肪酸分解，可確保機體更多的能量被肌肉組織吸收利用，用以蛋白質合成，維持較高的生產性能，作用效果達到正常蛋白日糧組水平；同時，通過AMPKα/Sirt1/PGC-1α能量網絡促進機體內線粒體的生物合成，從而增加脂肪酸的氧化分解，最終導致機體脂肪量下降。

7 小結

低蛋白日糧合理平衡氨基酸（包括必需氨基酸尤其是BCAAs等）不影響豬的生產性能，還能改善豬的腸道健康、免疫系統和肉品質，降低生產成本，并通過減少總氮排泄量，在一定程度上緩解養豬生產對生態環境的污染，這對現代生豬養殖和精準飼養有著重要啟示。低蛋白日糧還通過減少蛋白源飼料的使用，進一步緩解我國蛋白資源緊缺的形勢，在當前背景下具有重要現實意義。

低蛋白日糧在養豬業領域的應用前景巨大，還需要開展更多的工作不斷發展和應用低蛋白日糧配制技術。在此基礎上，深入探討豬在響應低蛋白日糧時主要營養物質在機體的代謝以及靶組織差異化利用的機制，最終從理論上不斷完善低蛋白日糧的技術體系。