精氨酸及其替代物改善母豬繁殖性能的營養調控機制與應用技術

張吉

（湖北博大生物股份有限公司動物繁殖與營養工程技術研究中心，湖北 黃石 435000）

20多年來，隨著現代豬育種理論的迅猛發展與種質測定同步選育技術的應用，經過不斷的遺傳選育（如降低背膘厚度的選育），育肥豬的生長速度、瘦肉率與胴體品質顯著提高，繁殖用母豬的產仔數與泌乳性能的逐年增加（發達國家每頭母豬年提供的斷奶仔豬數即PSY已達30頭），同時降低背膘厚度的選育也增大了母豬的成熟體型，并相應地降低了母豬的采食量。在母豬泌乳力的增加已經不能滿足由于產仔數的增加所要求的母豬泌乳量的同步增加，而母豬的采食量又相對較低，特別是在炎熱季節下，母豬的采食量更低的情況下，必將造成母豬體組織的大量動員與利用以滿足泌乳的需要，最終導致母豬出現斷奶后發情時間延長或者長期不發情，甚至影響到母豬下一胎妊娠時的胚胎存活率等繁殖障礙疾病[1]。此外，由于生物體多個性狀之間存在著不兼容現象，特別是近年來集約化養豬在我國的推廣普及，工廠化養豬過程中限位欄的采用，使得母豬的飼養更為集中、飼養密度更大，受到的應激更多[2]。加之，母豬長期缺乏運動與過度限飼以及母豬飼料過于精糧化、單一化，特別是高濃度營養素及抗生素的廣泛使用以及早期斷奶技術的推廣應用又使得母豬處于高負荷生產，導致母豬抗逆性降低，除蛋白質合成增加外，主要是脂肪沉積，水分積聚，豬機體普遍“濕性”，引發脾虛，繼而導致內分泌紊亂，陰陽平衡失調，極易發生繁殖障礙性疾病，表現在：1）有效產仔數少，不合格仔豬多；2）初生重小；3）弱仔、死胎、木乃伊胎多；4)產程持續時間延長；5)斷奶后不發情或發情推遲；6)受胎率低；7)哺乳期的泌乳量少導致仔豬斷奶重小，影響保育階段的成活率與生產性能，仲夏早秋熱應激下，問題更嚴重[2-4]。造成母豬繁殖障礙的因素很多，而泌乳期母豬采食量低只是眾多影響因素之一[1,3,5]。要讓母豬有關繁殖性能的遺傳潛力得到充分發揮，就營養而言，必須針對各種因素采取綜合的整體措施[2,5,6]，也就是盧德勛[7]提出的種（母）豬營養的工程技術。特殊功能營養調控劑使用技術是種（母）豬營養工程技術中日糧優化設計技術中不可缺少的有機組成部分。科學使用具有特殊功能的營養調控劑，不僅能夠補充原有飼料原料營養與生理功能的不足，而且還會因特殊功能營養調控劑與原有飼料原料中的營養素、營養活性物質因產生特殊的正組合效應而提高飼料的利用效率[6]。特殊功能營養調控劑的使用是飼料企業穩定并提高產品質量或者構建差異化產品的重要舉措，有關改善母豬繁殖性能的特殊營養調控劑的研發更是母豬營養研究的熱點之一，文章擬就種（母）豬營養工程技術中，改善母豬繁殖性能的特殊營養調控劑精氨酸（Arginine, Arg）及其替代物——N-氨甲酰谷氨酸（N-Carbamylglutamate,NCG）的營養調控功能及其機制進行介紹。

1 繁殖母豬高強度生產下，毒素積聚，導致免疫力低下、易感應激，出現繁殖障礙

第一，母豬高強度生產下，體質損耗過度。這是因為母豬常年處在“配種—懷孕—分娩—哺乳—斷奶—發情—配種”周而復始的高強度繁殖生產中，機體自身營養呈漸進性損耗，而外源性營養又存在著供給不足或不均衡等問題，特別是疾病、各種應激（如熱應激）等更是加劇了這種營養的不足與不平衡，最后導致母豬體質損耗過度，氣血虧虛，使得機體胃腸消化動力不足，對飼料的吸收利用率低，母豬的營養供給更加不足，這又進一步加劇了營養不足與不平衡的矛盾。如此惡性循環，以致母豬血虛津虧，引發腸道干燥，糞便難化，繼發便秘，累積毒素，抵抗力降低。第二，母豬在生產中，也會積聚毒素。這是因為母豬飼養周期長，少則2年，多則4～5年，各類毒素逐漸積聚體內，而母豬便秘進一步加劇了母豬體內毒素的積聚度，使得母豬機體代謝發生障礙，甚至出現中毒。這些毒素既包括藥物、霉菌毒素、內毒素等外源性毒素，也包括母豬代謝產生的內源性毒素。第三，免疫功能低。隨著體內毒素積聚的增加，肝臟的解毒功能與腎臟的排泄功能因長時間超負荷運轉而使其功能受損，從而使得體內毒素的積聚進一步增加，以致損害免疫系統，導致機體免疫功能下降，出現免疫抑制，易感各種應激（如熱應激），繼而擾亂母豬的內分泌，造成與繁殖相關的激素如促卵泡素、促黃體素等分泌紊亂或減少，引發繁殖障礙性疾病[1,3,4]。

2 Arg是繁殖母豬的一種條件性必需氨基酸兼具營養與多種生理活性功能

Arg是繁殖母豬的一種條件性必需氨基酸，例如在應激狀態下或特殊生理狀態下母豬會因內源合成的不足，而成為必須由飼料補充的氨基酸。Arg作為一種兼具營養與多種生理活性的功能性氨基酸，不僅作為動物機體蛋白合成的必需氨基酸而發揮其營養作用，而且作為多種生物活性物質合成的前體物質而發揮其重要的生理作用。

2.1 Arg對母豬繁殖性能的影響

2.1.1 Arg的營養與調控功能

Arg是通過其具有重要生物活性作用的代謝產物一氧化氮（Nitric Oxide, NO）與多胺代謝途徑參與調控母豬的營養代謝與免疫反應、增強其抗應激力的。具體而言，一是NO經Arg-NO-HSP70（精氨酸—一氧化氮—熱應激蛋白70）途徑誘導熱應激蛋白70（Heat Stress Protein70, HSP70）基因的表達，參與機體抵抗和適應外界不良環境，提高機體細胞對包括熱應激在內的外界不良環境下各種應激的耐受力，保護機體免受外界不良應激的影響[8]。二是通過Arg-NO途徑，降低各種應激或丘腦—垂體功能紊亂等引起的應激激素皮質醇（又稱氫化可的松）的濃度，從而緩解各種應激（如高溫熱應激）對機體胸腺、脾臟與淋巴組織所造成的損害[9-10]。此外，通過該途徑生成的NO還能夠去除細胞內積聚的氧自由基，抑制脂質過氧化[11-12]。三是多胺（包括腐胺、亞精胺和精胺等）與NO協同，通過調控DNA與蛋白質的合成，促進（胎盤）血管再生、胚胎發育（細胞增殖和分化），從而調控胎兒、胎盤的生長[13]。

2.1.2 提高母豬的免疫力

1）NO的免疫調節作用

Arg在母豬體內經一氧化氮合成 酶（Nitric Oxide Synthase, NOS）的催化，生成瓜氨酸與具有生物活性的NO。這種內源性、生理濃度的NO可作為信息分子廣泛參與機體內細胞間與細胞內的信號傳遞，繼而參與免疫調節等多種生理過程。NO作為重要的免疫調節因子，從如下幾個方面，調節母豬的免疫反應：①激活外周血液中的單核細胞，提升母豬的非特異性免疫力；②被激活的單核細胞再誘導淋巴細胞的特異性免疫反應，進一步提高母豬的免疫力；③通過NO-cGMP（Cyclic Guanosine Monophosphate,cGMP）環一磷酸鳥苷途徑，舒張血管平滑肌，促進血液流動，加速養分的輸送與包括毒素在內的代謝廢物的清除[14]。

2）補飼精氨酸，提高母豬的免疫力

在不良環境如熱應激下，添加Arg可以通過多種途徑提高母豬的免疫力：一是減輕并修復胸腺的損傷，增加T淋巴細胞[15]。二是調控巨噬細胞、自然殺手細胞的生長，使之增殖，并抑制肥大細胞的反應。研究表明，給妊娠母豬（30～90 d）及泌乳母豬補飼1%的Arg，能夠增加血漿中免疫球蛋白 G（IgG）與免疫球蛋白M（IgM）以及抗體水平（P＜0.05）[16-17]，從而增強機體的免疫反應。三是促進胰島素樣生長因子的分泌,以刺激淋巴細胞的成熟與分化，增加淋巴細胞的數量和活性[9,18]。四是促進垂體分泌生長激素以刺激T 淋巴細胞、造血祖細胞以及白細胞的合成，進而增加母豬的免疫力[19]。

2.1.3 提高母豬的抗氧化應激能力

Arg的抗氧化功能除了前文述及的通過Arg-NO途徑生成的NO消除細胞內積累的氧自由基來抑制脂質的過氧化外，還由于Arg能夠增強母豬肝臟的抗氧化酶活性，從而減少過氧化物的釋放，進一步加強對脂質過氧化反應的抑制[20]。研究表明精氨酸可以降低SD大鼠血清丙二醛的含量，增加血清超氧化物歧化酶的活性[21]，機體總的抗氧化能力增強。

2.1.4 母豬日糧中添加Arg顯著提高母豬的繁殖性能

1）妊娠母豬日糧中，添加Arg對母豬繁殖性能的影響

在妊娠全程母豬日糧中，添加1%的Arg，發現：①平均窩產仔數增加0.33～1.31頭，初生活仔豬窩重與初生仔豬窩均成活數分別提高1.02～ 1.88 kg[16,22-23]與 1.1頭[23]；②初生仔豬成活率與成活仔豬窩均重分別提高22%與24%[24]；③血清中Arg及其代謝產物鳥氨酸（Ornithine,Orn）、脯氨酸（Proline, Pro）的含量增加，為妊娠中期快速生長發育的胎盤提供了充足的營養[16,22-24]；④血清尿素氮濃度降低[16,22,24]，表明日糧蛋白質的利用率得到了提高；⑤血清 IgG 與 IgM 的濃度升高，表明母豬的體液免疫力增加；⑥血清NOS活性與NO產量以及胎盤重量增加16.2%[22-23]。這是因為:第一，母豬采食添加有1%Arg日糧后，其中的Arg能夠促進臍靜脈血管內皮生長因子A（Vascular Endothelial Growth Factor A, VEGFA）和內皮型NOS基因的表達，從而促進臍靜脈血管的生長以及新血管與NO 的生成[25]，而NO則是一個主要的內皮依賴性舒張因子，參與調控胎盤-胎兒間的血流[26]，使得母豬能將更多的養分與氧氣通過臍靜脈血管輸送到胎盤，促進胚胎的生長發育。第二，在妊娠后期胎兒快速增長階段，NO通過促進血液流動加快了養分與氧氣的輸送，而多胺則通過調控DNA與蛋白質的合成加速細胞增殖與分化，兩者共同促進機體的同化作用，進而提高胎兒的生長速度和仔豬的初生活仔豬窩重[26]。第三，通過NO-cGMP途徑，升高子宮多種組織內的cGMP的濃度，松弛子宮平滑肌，使子宮處于靜止狀態，從而確保妊娠的正常進行[26]。可見，Arg是通過其代謝產物NO與多胺協同，通過綜合的整體作用，提高母豬的繁殖性能的。

2）哺乳母豬日糧中，添加Arg對繁殖性能的影響

在泌乳階段母豬日糧中，添加1%的Arg，發現：①仔豬斷奶窩重與斷奶均重分別增加11 kg與0.77 kg[17]；②縮短斷奶后的發情間隔1.5 d[17]；③血清Arg、Orn與Pro的濃度增加，特別是Arg與Pro濃度的增加，將有利于泌乳母豬通過母豬與仔豬間的“Arg-Pro”循環增加仔豬體內合成Arg的含量；④同妊娠母豬一樣，血清IgG與 IgM的含量增加，BUN濃度降低，表明泌乳母豬的（體液）免疫力與日糧蛋白質的利用率提高[17]。此，尋求外源Arg的替代物，開發出高效低成本的促進內源Arg合成的添加劑成為時下的研究熱點。N-氨甲酰谷氨酸與內源Arg合成的必須輔助因子—N-乙酰谷氨酸（N-acetylglutamate, NAG）的結構與性質類似，均可作為代謝激活劑，參與內源Arg合成的2個關鍵酶二氫吡咯-5-羧酸合成酶（Pyrroline 5 Carboxylate Synthetase, P5CS）與氨甲酰磷酸合成酶-1（Carbamyl phosphate synthase -1, CPS-1）的激活，從而促進內源Arg的合成[27]，提高Arg的含量，這對維持Arg有效水平及機體正常生理機能十分重要。

2.1.5 Arg在使用中存在的問題及改進方法

Arg作為改善母豬繁殖性能的特殊營養調控劑應用于生產，還存在著明顯不足：一是成本較高，限制了其推廣應用。二是Arg按有效劑量添加時，會對其他氨基酸的吸收、代謝產生干擾，例如Arg與同為堿性氨基酸的賴氨酸（Lysine,Lys）、 組 氨 酸（Histidine, His） 以及中性的色氨酸（Tryptophane, Trp）等組合在一起時，在吸收上存在著負的組合效應即頡頏效應。因

3 NCG取代Arg的優勢

3.1 NCG有效劑量相對成本約為Arg的十分之一

通常母豬宮內發育遲緩（IUGR）現象較為普遍，妊娠早期胎盤發育及其功能以及妊娠各階段子宮的容積是限制母豬產仔數增加的主要因素[28]。NO與多胺是胎盤血管生成、胚胎發育以及胎盤與胎兒生長的關鍵調控物質，其合成量不足是造成宮內發育遲緩的主要原因[26]。NCG對母豬的營養調控作用主要在于它能提高母豬體內Arg水平，進而促進NO與多胺的合成。而低劑量的NCG即可激活P5CS與CPS-1，促進內源Arg的合成[27]，因而NCG是一種經濟高效的Arg替代物。研究表明，NCG的功效約為Arg的十倍，其有效劑量相對成本約為Arg的十分之一[12,16,22,25]。

3.1.1 NCG對妊娠母豬的作用

研究表明，在繁殖母豬日糧中添加約1/10 Arg劑量的NCG，即可達到特定劑量Arg的同樣效果，實證研究結果舉例：①0.1%NCG即可促進妊娠母豬臍靜脈VEGFA與NOS基因的表達，促進臍靜脈既有血管的生長與新血管的生成，從而擴大血管血液流量，增加母體向胎體供給的營養物質與氧氣，而要達到同等效果，Arg的添加量則要提高到1%[12,25]；②母豬妊娠（全程或30～90 d）日糧中分別添加0.1%的NCG與1%的Arg，對母豬如下繁殖性能[16,22]具有相似的促進作用：一是血清氨基酸含量方面，具相似的提高幅度，如Arg（77.86 vs 76.15）、Orn（43.32 vs 38.95）與瓜氨酸（47.00 vs 51.71）[22]；二是在改善生產性能方面，具相似的改善作用，如母豬窩產活仔數（頭）（11.16 vs 11.76）、初生個體重（kg）（1.50 vs 1.46）與初生窩重（kg）（16.57 vs 17.06）[22]；三是在增強母豬免疫性能方面，具相似的強度[16]。此外，Wu[26]等報道，在母豬妊娠期（0～114 d）日糧中添加0.08%～0.12%的NCG，窩產仔數提高1頭左右；在妊娠后期（80～114 d）日糧中添加0.08%～0.15%的NCG，窩產仔數提高0.2頭，初產窩增重提高1～3 kg。總之，NCG完全可以代替Arg用于改善母豬的繁殖性能，且其有效劑量相對成本約為Arg的十分之一。

3.1.2 NCG對哺乳母豬的作用

第一，NCG使機體保持較高生理水平的NO，進而使分娩后母豬的平滑肌舒張，從而緩解肌肉緊張狀態，有利于其產后恢復；第二，母豬通過哺乳將乳中的NCG傳遞給仔豬，促進仔豬內源Arg的生成，這對Arg最為缺乏的7 d～斷奶期的哺乳仔豬具有重要意義，因為此階段Arg嚴重缺乏是制約仔豬生長潛力發揮的重要因素；第三，在哺乳母豬日糧添加NCG比直接添加Arg好，這是因為直接添加的Arg會在母豬乳腺中被分解而不能傳遞給仔豬，而NCG則不會被乳腺組織分解，可以通過乳汁傳遞給仔豬，從而提高仔豬的內源Arg水平。研究表明，哺乳母豬日糧中添加0.01%～0.03%的NCG，由于成活率提高，斷奶窩仔豬數可提高0.1頭(改善)，斷奶窩均重提高1.2 kg，母豬斷奶至發情間隔縮短0.3 d[26]。

3.2 體內代謝穩定

Arg因在母豬體內極易為Arg酶水解而無法維持較高的生理有效濃度，而NCG則在體內代謝穩定，半衰期較長，通過尿素循環通路持續地促進Arg的生成，可使母豬的Arg長時間維持在一定的生理濃度水平[27]。

3.3 有利于氨基酸的平衡

要充分發揮豬只多胎動物的繁殖潛力，營養上就必須添加有效劑量的Arg，但母豬日糧中若添加比例過高的Arg，就會破壞氨基酸的平衡。而添加少量的NCG，即可在母豬體內合成并維持較高生理有效濃度的Arg，從而發揮其重要功能，同時又能避免與Lys等氨基酸的頡頏。

3.4 有利于氨基酸的吸收，節約必需氨基酸

Arg添加過多會與Lys、His與Trp等必需氨基酸發生頡頏而影響其在小腸的吸收，導致這些氨基酸在血液中的濃度降低；而NCG因是促進內源Arg的生成而維持其在體內較高的水平，就不會干擾這些氨基酸的吸收，也就不會影響它們在血液中的濃度，從而在一定程度上起到了節約Lys等必需氨基酸的作用[26]。

3.5 便于貯存，容易添加

天然活性L-Arg為白色粉末，極易吸潮，難于貯存。因此，生產中多使用其L-Arg鹽酸鹽。但是，L-Arg鹽酸鹽的氯含量高達16.8%～17%，添加到母豬日糧中可能會因氯離子的增加，而影響機體的電解質平衡。而NCG常溫常壓下理化性質穩定，可長期貯存，添加到母豬日糧中不會影響電解質平衡。

4 結束語

除 了Arg外，Lys、 纈 氨 酸（Valine, Val）在改善母豬繁殖性能上的營養調控作用，亦成為營養研究的熱點，有報道指出將母豬尤其是泌乳豬日糧Val提高到1.15%，可提高21 d仔豬的體重與26 d仔豬的斷奶體重[29]。其他改善母豬繁殖性能的特殊營養調控劑還有微生態制劑、功能性纖維、植物提取物、中草藥特別是經超微粉碎的中草藥等[30]，限于篇幅，容當后報。