低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧對豬腸道健康影響的研究進(jìn)展

劉雅婷 孔祥峰

(中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，動物營養(yǎng)生理與代謝過程湖南省重點實驗室，長沙 410128)

隨著養(yǎng)豬業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，我國對蛋白質(zhì)等飼料資源的需要量越來越大，飼料原料價格不斷攀升，加上中美“貿(mào)易戰(zhàn)”造成的豆粕價格持續(xù)上漲，降低飼料成本已成為我國養(yǎng)豬業(yè)的迫切需求。自2020年7月1日起，我國正式禁用各種飼用抗生素，研究人員已經(jīng)研發(fā)了多種飼用抗生素的替代技術(shù)，其中低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧被越來越多地應(yīng)用推廣。低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧是指飼料中的粗蛋白質(zhì)(crude protein，CP)水平降低2～4個百分點，并通過補充必需氨基酸來平衡飼糧中的氨基酸水平[1]。隨著越來越多的工業(yè)合成氨基酸的大量上市和價格的逐漸降低，使得低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的推廣成為可能。目前，關(guān)于低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧在豬上的研究主要集中在生長性能、腹瀉率和胴體品質(zhì)等方面[2-3]，而其對豬腸道功能和健康影響的研究報道較少。本文綜述了低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧對豬腸道屏障、消化吸收功能和抗氧化能力等方面的影響，旨在為其在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 豬的低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧研究概況

近年來，低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧成為動物營養(yǎng)領(lǐng)域的研究熱點，并取得了較大進(jìn)展。NRC(2012)對飼糧CP的推薦量相對于NRC(1998)降低了2～4個百分點。低蛋白質(zhì)飼糧補充合成氨基酸對不同體重豬的飼喂效果見表1。

表1 低蛋白質(zhì)飼糧補充合成氨基酸對不同體重豬的飼喂效果

2 低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧對豬腸道屏障的影響

腸道屏障主要由機械屏障、生物屏障、化學(xué)屏障和免疫屏障4部分組成。研究表明，低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧對腸道屏障功能會產(chǎn)生不同程度的影響。

2.1 對腸道機械屏障的影響

機械屏障也稱物理屏障，是維持腸上皮選擇通透性和屏障功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，而緊密連接蛋白的表達(dá)是決定腸上皮細(xì)胞通透性大小的主要因素[13]。研究表明，飼糧CP水平(20%)降低3個百分點不會顯著影響斷奶仔豬的回腸形態(tài)結(jié)構(gòu)和緊密連接蛋白表達(dá)[14]，提示適度降低飼糧CP水平不影響腸黏膜的機械屏障功能。而Yu等[4]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧CP水平(20%)降低3～6個百分點，雖然不影響仔豬的回腸形態(tài)結(jié)構(gòu)，但會降低十二指腸和空腸絨毛高度以及空腸絨毛高度/隱窩深度，增加空腸隱窩深度，說明降低飼糧CP水平會降低小腸的消化吸收能力。Almeida等[15]和Qpapeju等[16]也得出了類似的結(jié)論，初步推測可能與試驗中未補充合成氨基酸有關(guān)，且對不同部位腸道的影響不同。

劉壯等[7]研究發(fā)現(xiàn)，與低蛋白質(zhì)(15% CP)飼糧相比，補充所有氨基酸的極低蛋白質(zhì)(13% CP)飼糧仍會顯著下調(diào)生長豬部分與腸道屏障功能相關(guān)基因的表達(dá)，而在極低蛋白質(zhì)飼糧中補充3%酪蛋白不影響上述基因的表達(dá)。這說明單體氨基酸或許不能完全替代蛋白質(zhì)，因為小肽等物質(zhì)也起著重要作用，但其機制仍需進(jìn)一步研究。

2.2 對腸道生物屏障的影響

生物屏障是由腸道內(nèi)菌群與腸黏膜共同構(gòu)成的，能有效阻止致病菌在腸上皮細(xì)胞的黏附和定植，抑制致病菌的活性，促進(jìn)腸道發(fā)揮免疫功能。未被完全消化的蛋白質(zhì)在大腸中作為細(xì)菌的發(fā)酵底物被微生物利用，影響微生物區(qū)系，使致病菌產(chǎn)生毒素，損害腸道健康，引起仔豬腹瀉[13]。虞德夫等[9]研究證明，飼糧CP水平(20%)降低3或6個百分點，會提高斷奶仔豬腸道中乳酸桿菌等有益菌的豐度，這與Wellock等[17]的報道一致。但Zhou等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在NRC(1998)標(biāo)準(zhǔn)飼糧的基礎(chǔ)上，飼糧CP水平(18%)降低3個百分點并補充賴氨酸(Lys)、蛋氨酸(Met)、蘇氨酸(Thr)和色氨酸(Trp)等必需氨基酸，生長豬盲腸中乳酸桿菌的豐度仍顯著降低。另有研究表明，降低飼糧CP水平并不能改變育肥豬腸道菌群的豐度[19]。上述差異可能與豬的生長階段有關(guān)，虞德夫等[9]的試驗對象是斷奶仔豬，而Zhou等[18]的試驗對象是生長豬，不同生長階段豬的腸道發(fā)育程度不同，腸道菌群穩(wěn)定性也有一定差異。另外，雖然上述研究中試驗組飼糧CP水平降低的百分點相同，但因?qū)φ战M飼糧CP水平不同，所以試驗結(jié)果各異。這提示在評價低蛋白質(zhì)飼糧對豬腸道微生物的影響時，應(yīng)同時考慮豬的生長階段和基礎(chǔ)飼糧CP水平的影響。

2.3 對腸道化學(xué)屏障的影響

腸黏膜化學(xué)屏障主要由腸道分泌的胃酸、黏液、消化酶、黏蛋白和膽汁等化學(xué)物質(zhì)組成，可保護(hù)腸黏膜不受酸、堿和酶的侵蝕。研究表明，飼糧CP水平(20%)降低3或6個百分點，同時補充4種必需氨基酸，斷奶仔豬胃蛋白酶的活性均顯著下降[4]；與18% CP水平飼糧組相比，飼糧CP水平降低6個百分點，生長豬的α-淀粉酶活性顯著降低，其他酶活性不受影響[20]。因為酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，飼糧CP水平低于一定水平時可能會影響酶的合成或活性。另外，蛋白酶活性的降低還可能與斷奶仔豬的腸道發(fā)育程度有關(guān)。Li等[12]報道認(rèn)為，飼糧CP水平(18%)降低3個百分點不影響生長豬空腸黏蛋白的表達(dá)水平，可能是因為生長豬的腸道發(fā)育較斷奶仔豬更完善。

2.4 對腸道免疫屏障的影響

腸道免疫屏障是由彌散分布在腸上皮細(xì)胞之間的免疫細(xì)胞、免疫分子等腸道相關(guān)淋巴組織組成，能對腸道中的抗原產(chǎn)生免疫反應(yīng)，與腸道微生物相互協(xié)作，保護(hù)小腸免受有害物質(zhì)的入侵。Peng等[21]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧CP水平從20.0%降低至15.3%不影響生長豬的免疫功能，而進(jìn)一步降至13.9%則顯著下調(diào)生長豬空腸中Toll樣受體4(Toll-like receptors 4，TLR4)、髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88，MyD88)和核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)等免疫相關(guān)基因的表達(dá)，提示低蛋白質(zhì)飼糧通過TLR4-MyD88-NF-κB信號通路調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)，進(jìn)而影響腸道免疫功能[22]。Wang等[23]研究指出，飼糧CP水平(16%)降低3個百分點可下調(diào)生長育肥豬炎癥相關(guān)因子的表達(dá)，與補充游離氨基酸相比，在低蛋白質(zhì)飼糧中補充酪蛋白水解物對黏膜免疫功能有顯著的改善作用。夏密等[14]報道認(rèn)為，在NRC(2012)飼糧基礎(chǔ)上CP水平(20.09%)降低3個百分點，不影響斷奶仔豬的腸黏膜免疫功能。張遷等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在低蛋白質(zhì)飼糧中補充適量精氨酸(Arg)可增強育肥豬的免疫功能，隨CP水平的降低血清免疫球蛋白G(IgG)含量顯著升高。上述差異可能與飼糧CP水平降低的程度有關(guān)，飼糧CP水平過低不利于免疫相關(guān)蛋白的合成，從而減弱機體的免疫功能。

3 低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧對豬腸道消化吸收功能的影響

3.1 對腸道內(nèi)分泌功能的影響

胃腸道既是機體重要的消化器官，也是最大的內(nèi)分泌器官，主要分泌胃泌素(gasrin)、膽囊收縮素(cholecystokinin，CCK)和酪酪肽(peptide tyrosine tyrosine，PYY)等胃腸激素。趙秀英等[24]報道認(rèn)為，飼糧CP水平降低6個百分點，不同生長階段豬的小腸鈣傳感受體(calcium sensing receptor，CaSR)基因表達(dá)水平和血清中CCK等胃腸激素的分泌均顯著下降，該影響可能通過CaSR介導(dǎo)。Yu等[25]報道也認(rèn)為，斷奶仔豬長期采食低蛋白質(zhì)飼糧可能會損害腸道形態(tài)，抑制腸道激素分泌。胃腸激素在化學(xué)結(jié)構(gòu)上屬于肽類，飼喂低蛋白質(zhì)水平飼糧時機體對CP和氨基酸的攝入量減少，過低的飼糧CP水平會影響胃腸激素的合成與分泌。但Tian等[26]報道認(rèn)為，17% CP組胃竇中CCK和生長抑素含量均升高，提示17% CP水平飼糧有利于斷奶仔豬對營養(yǎng)物質(zhì)的消化。

3.2 對腸道消化功能的影響

豬飼糧中CP和碳水化合物的消化是由消化道中的多種消化酶共同完成的，消化酶的活性決定了不同飼糧的營養(yǎng)價值。He等[11]報道認(rèn)為，與18% CP水平相比，12% CP水平生長豬的胰蛋白酶、糜蛋白酶和二肽酶基因表達(dá)顯著下調(diào)；與16% CP水平相比，12% CP水平育肥豬的胰蛋白酶、二肽酶和胰淀粉酶基因表達(dá)下調(diào)，10% CP水平的胰蛋白酶和二肽酶基因表達(dá)水平最低。而Yu等[25]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧CP水平(18%)降低6個百分點，生長育肥豬胃蛋白酶和氫/鉀-三磷酸腺苷(H+/K+-adenosine triphosphate，H+/K+-ATP)酶活性顯著升高，而空腸和回腸的胰蛋白酶活性不受影響。Wang等[20]報道認(rèn)為，飼糧CP水平(20%)適度降低不影響生長豬空腸胰蛋白酶、糜蛋白酶等的活性。Tian等[26]報道認(rèn)為，17% CP水平飼糧有利于斷奶仔豬胃腸道消化酶的分泌。上述差異可能與研究中試驗動物生長階段有關(guān)，試驗組不同的CP水平也會影響試驗結(jié)果。

3.3 對腸道吸收功能的影響

研究證明，適度降低飼糧CP水平并適量補充合成氨基酸可顯著降低氮排放，提高飼糧氮利用率，進(jìn)而減少環(huán)境污染[27-28]。Luo等[8]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧CP水平(20%)降低6個百分點并補充4種必需氨基酸時，仔豬的采食量下降，料重比升高，提示氮的沉積效率增加；腸道氨氮、尸胺、支鏈脂肪酸和乙酸含量也有所降低，提示低蛋白質(zhì)飼糧能減弱微生物代謝產(chǎn)物對仔豬腸道產(chǎn)生的負(fù)面影響。Zhao等[29]和Wu等[30]也得到了相似的結(jié)論。劉堯君等[5]研究發(fā)現(xiàn)，與只補充4種必需氨基酸的低蛋白質(zhì)飼糧(17% CP)相比，額外添加亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ile)和纈氨酸(Val)的低蛋白質(zhì)飼糧可提高斷奶仔豬血液相應(yīng)氨基酸含量；但與對照組相比，血漿尿素氮含量降低，提示補充支鏈氨基酸能夠進(jìn)一步平衡飼糧氨基酸組成，提高機體對CP的利用率。上述結(jié)果表明，當(dāng)飼糧CP水平下降超過一定限度時，僅添加4種必需氨基酸或許不能滿足機體對氨基酸的需要，飼糧CP水平降低越多，其中的限制性氨基酸種類就越多。

4 低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧對豬腸道氧化應(yīng)激的影響

氧化應(yīng)激是指當(dāng)動物受到各種外來有害刺激時，機體內(nèi)的活性氧等分子產(chǎn)生過多，擾亂機體氧化和抗氧化系統(tǒng)平衡，從而導(dǎo)致組織損傷。劉堯君等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在補充了4種必需氨基酸的低蛋白質(zhì)飼糧(17% CP)中額外添加Leu、Ile和Val，可提高仔豬空腸超氧化物歧化酶(SOD)活性，表明支鏈氨基酸能更有效地平衡飼糧氨基酸組成，提高仔豬的抗氧化能力。而張遷等[10]研究發(fā)現(xiàn)，低蛋白質(zhì)飼糧中添加Arg可顯著增強生長豬的抗氧化能力，飼糧CP水平從18%降至12%，血漿總抗氧化能力、SOD和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性顯著增加。上述結(jié)果說明，在低蛋白質(zhì)飼糧中添加除4種必需氨基酸外的其他氨基酸，可有效提高豬的抗氧化能力。但是關(guān)于其他氨基酸的添加量及其增強機體抗氧化能力的效果，仍需要進(jìn)一步研究。

5 低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧調(diào)控豬腸道健康的機制

豬在采食低CP水平飼糧時雖然減少了對氨基酸的攝取，但代償性地上調(diào)了相關(guān)消化酶的表達(dá)和活性，進(jìn)而提高了氨基酸的消化率。低CP水平飼糧對豬腸道健康產(chǎn)生影響，可能與飼糧中的功能性氨基酸和小肽有關(guān)。Duan等[31]在生長豬空腸上皮細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，支鏈氨基酸可通過介導(dǎo)氨基酸轉(zhuǎn)運載體的表達(dá)增加腸道氨基酸的吸收，促進(jìn)腸道蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)。Zhang等[32]在IPEC-J2細(xì)胞上的研究發(fā)現(xiàn)，Leu可通過細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)和磷脂酰肌醇激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(phosphatidylinositol kinases/protein kinase B/mammalian target of rapamycin，PI3K/Akt/mTOR)信號通路上調(diào)氨基酸轉(zhuǎn)運載體2(amino-acid transporter 2，ASCT2)的表達(dá)。Yin等[33]報道認(rèn)為，降低低蛋白質(zhì)飼糧中30%的Lys會引起仔豬缺乏Lys，Lys限制會通過影響腸道微生物組成來介導(dǎo)氨基酸的轉(zhuǎn)運，其中放線菌門、糖化菌門和增效菌門細(xì)菌發(fā)揮關(guān)鍵作用。Han等[34]研究發(fā)現(xiàn)，Lys限制(含量為70%)會通過調(diào)控ERK1/2和NF-κB信號通路調(diào)節(jié)炎癥因子、免疫球蛋白M(IgM)和IgG的水平，進(jìn)而影響仔豬的免疫功能。Chen等[35]研究表明，飼糧補充Arg可抑制斷奶仔豬TLR4-Myd88信號通路的過度激活，從而減輕S.C500免疫應(yīng)答引起的負(fù)面作用。上述結(jié)果表明，低蛋白質(zhì)飼糧補充不同濃度和種類的功能性氨基酸會對不同生長階段豬產(chǎn)生影響，其作用機制也有所差異。

6 小 結(jié)

總之，適當(dāng)降低飼糧CP水平可改善不同生長階段豬的腸道屏障功能，不影響胃腸激素和消化酶的分泌，并增強機體的免疫功能和抗氧化能力，一定程度上緩解斷奶仔豬腹瀉，節(jié)約蛋白質(zhì)飼料資源。但是當(dāng)過低CP水平飼糧中氨基酸供給不足時，不僅會影響豬的腸道屏障功能，還會對生長性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，未來還需要進(jìn)一步完善低蛋白質(zhì)氨基酸平衡飼糧體系。首先，需要確定不同生長階段豬的最適飼糧CP水平，保證在不影響其腸道健康和生長性能的前提下，最大程度地降低飼糧CP水平；其次，確定不同程度上降低飼糧CP水平時，需要補充的氨基酸種類和水平，以滿足豬的健康和生產(chǎn)需要；另外，因降低CP水平導(dǎo)致的飼糧配方改變，能量和碳水化合物含量對豬腸道微生物的影響仍需要進(jìn)一步驗證。在飼糧中添加合成氨基酸和小肽會對機體產(chǎn)生不同的影響，平衡氨基酸后添加其他生物活性物質(zhì)的效果及其添加量仍需要進(jìn)一步研究。