日粮氨基酸平衡和利用以及瘤胃保护氨基酸在奶牛养殖中的应用

王星凌 王文志 王万秀 游 伟 成海建

随着奶牛产奶量的提高，对泌乳奶牛氨基酸供给的增加则有效提高牛乳和乳蛋白产量。增加氨基酸供给一般有两个途径：一是增加日粮蛋白质饲料氨基酸含量，最大满足瘤胃微生物合成，提高微生物氨基酸和过瘤胃饲料氨基酸在小肠的消化吸收数量，有效改善牛乳和乳蛋白产量；另一个是添加瘤胃保护氨基酸，满足泌乳奶牛所缺乏的氨基酸，调节代谢蛋白(MP)的吸收氨基酸平衡，提高MP合成乳蛋白效率。文中重点对来自日粮、瘤胃微生物和内源蛋白的氨基酸通过小肠消化吸收后在门静脉、肝脏和乳腺等器官组织代谢利用的研究进展进行综述，阐释泌乳奶牛蛋白质评定指标的进展和实际生产中日粮氨基酸平衡的调节，讨论日粮氨基酸和瘤胃保护氨基酸在提高牛乳和乳蛋白产量及乳蛋白合成效率的作用。

1 赖氨酸和蛋氨酸是泌乳奶牛的第一和第二限制性氨基酸

牛奶由87%水分和13%固形物组成，其中乳蛋白比例约为固形物的1/4。乳蛋白主要由酪蛋白、白蛋白和球蛋白组成。由于特定的遗传密码决定乳蛋白组分，氨基酸根据遗传密码参与蛋白质合成，这些乳蛋白的氨基酸组成也就可能不同。

在制定泌乳日粮营养水平时，不仅要考虑相应乳蛋白的氨基酸含量，还应考虑泌乳奶牛机体其它的营养活动，确保充足和适宜氨基酸营养供给。

赖氨酸（Lys）和蛋氨酸（Met）普遍认为是泌乳奶牛的第一和第二限制性氨基酸，占牛奶氨基酸含量的10%。Lys主要用于乳蛋白合成；Met主要影响乳脂合成。Lys和Met的缺乏将严重限制乳蛋白合成或产量（Armentano等,1997）。Schwab 等（2003）用 MP、Lys和Met三个供给水平来测定牛乳产量的效果，结果发现Lys供给水平是决定产乳量和乳蛋白产量的首要因子。

Lys和Met所以是泌乳奶牛的第一和第二限制性氨基酸，主要因为蛋白质饲料Lys和Met含量远远低于牛乳和瘤胃微生物的含量。NRC（2001）提出MP最大用于乳蛋白生产的Lys和Met含量分别为7.2%和2.4%，这个推荐量在实际生产往往不能实现。Schwab等(2003)提出MP中Lys和Met含量分别为6.6%～6.9%和2.2%～2.3%，在玉米基础日粮中通过增加高Lys蛋白质饲料、添加瘤胃保护氨基酸和限制瘤胃未降解蛋白（RUP）比较容易实现。

2 泌乳奶牛蛋白质评定指标

过去10多年，奶牛方面研究重点是尽可能降低饲喂过多氮（N）导致的经济和环境成本。提高N利用效率的最有效方法是降低采食数量，在不影响奶牛产奶量和奶牛健康条件下是可行的。评定奶牛蛋白质供给和需要的技术不断在改进。首先从粗蛋白（CP）转到降解和未降解蛋白质，这两者都不能直接评估奶牛的真正供给。降解蛋白质(RDP)指提供瘤胃微生物的有效N，未降解蛋白质(RUP)指提供奶牛有效蛋白质的一部分。最近提出对奶牛真实有效的蛋白质数量，即小肠可消化蛋白质，称为代谢蛋白质(MP)(Fox等，2004；Tylutki等，2008；NRC，2001)。尽管 MP 在理论上代表更接近奶牛对蛋白质真实供给的估测值，不过，MP终究是一个估测值，不能像CP那样直接测定，具体操作时有些勉强。

评定奶牛对蛋白质供给状况的最简单方法是CP摄入量。CP摄入量是每一摄入的饲料成分与其蛋白质含量乘积的总和。粗蛋白质具有相当的误导，这里的粗蛋白质是饲料和其它成分的所有N来源。除了真蛋白，N来源还包括核酸、硝酸盐、氨基酸和肽以及不同形式的N成分如氨和胺。瘤胃微生物发酵极大改变瘤胃内来自日粮的蛋白质，形成瘤胃微生物蛋白质。瘤胃微生物蛋白占60%以上的十二指肠蛋白供给（Clark等，1992）。因此，MP可更好地用于对奶牛真蛋白供给状况的评估。MP供给指在小肠消化吸收的蛋白质，由瘤胃未降解蛋白、微生物蛋白和内源蛋白组成。可吸收氨基酸是MP的明确结果，但奶牛氨基酸的门静脉净吸收（NPA）受到很大限制，乳蛋白产量是评估蛋白质供给的最终结果。MP可以更好代表氨基酸有效性（Blouin等，2002）。相似的CP摄入不等于相似的氨基酸吸收，CP摄入不能用于评估氨基酸有效性。

近年来，奶牛日粮已经开始应用奶牛理想必需氨基酸组成，主要是MP中Lys和Met理想含量。MP中Lys和Met理想含量可提高MP对乳蛋白的合成效率，换句话，相同的MP供给可以获得更高的乳蛋白产量。NRC（2001）和 Schwab等（2003）提出 MP中 Lys和Met含量各不相同，但MP中Lys和Met比率都是3：1，一个问题是MP中Lys和Met比率重要还是含量重要？在满足MP中Lys和Met的含量前提下，MP中Lys和Met的含量提高乳产量和乳蛋白产量，MP中Lys和Met比率提高MP合成乳蛋白的效率。

3 乳腺对氨基酸的利用

泌乳奶牛动脉血流的游离氨基酸来自肠道吸收和其它代谢过程再循环的氨基酸。肠道吸收的氨基酸占最大部分，小肠是主要吸收部位。蛋白质来源不同，氨基酸消化吸收也不同。蛋白质第一和最主要来源是瘤胃微生物，它来自瘤胃发酵和微生物外流。瘤胃微生物可以提供60%MP需求，通常情况下，瘤胃微生物提供占小肠可消化氨基酸60%以上的氨基酸。

过瘤胃日粮蛋白质也是MP的氨基酸来源。饲料来源对氨基酸供给影响很大。如果一种饲料能够显著改进MP的氨基酸组成，那么这种饲料必须有足够数量的氨基酸或含有一些其它饲料不具有的氨基酸。过瘤胃日粮蛋白质至少占有30%MP，足以影响总氨基酸平衡或生物学价值。

事实上，乳蛋白合成的唯一前体物来自乳腺血液供给的游离氨基酸，这个摄入过程由于奶牛日常活动而表现十分稳定（Larson,1969）。但是来自动脉血液供给的氨基酸数量不是按1：1比率来摄取和用于合成乳蛋白(Cant等，1993；Clark 等，1977；Derrig 等，1974；Guinard 等，1994 a、b；Spires 等，1975）。

从奶牛乳腺细胞培养看，日粮必需氨基酸是乳蛋白合成所必需的（Crampton等,1969）。在10种必需氨基酸中，有些来自动脉血液进而直接用于合成蛋白质，有些摄取数量远远大于合成蛋白质数量。这是因为一些氨基酸可以通过内部代谢转化为其它氨基酸。由动脉血流摄取出现在乳蛋白的氨基酸比率以苯丙氨酸(Phe)值为对照：Lys 57%～86%，Met 78%～115%，Thr 67%～91%，Val 43%～76%，Arg 30%～39%，His 68%～107%，Ile 55%～70%，Leu 60%～81%，Phe 100%，Trp 253%（Derrig 等，1974；Spires等，1975；Clark 等，1977；Cant等，1993；Guinard 等，1994a；Guinard 等，1994b）。Arg由血液摄取到乳蛋白合成的效率最低，但日粮可以提供足够的Arg；His、Met和Phe用于乳蛋白合成效率可以达到100%；Lys转化效率平均为71%，但Lys在奶牛日粮氨基酸含量是第一限制性的。

4 小肠对氨基酸吸收和门静脉净吸收

由于氨基酸经过门静脉回流内脏组织(PDV)的分解代谢（Lobley等,2003），氨基酸的门静脉净吸收低于净消化量。较早的绵羊试验表明，氨基酸门静脉净吸收对氨基酸消化的比率从Lys为30%到His为109%（Tagari等,1978）。这个试验比较早，可能存在技术上的误差。近期用绵羊和奶牛试验，结果从Thr为43%到His为95%（MacRae等,1997;Berthiaume等,2001）。

两个理由可以解释小肠吸收和门静脉净吸收（NPA）的差异。一个是不仅非必需氨基酸，有些必需氨基酸经过PDV被氧化。在奶牛，经过PDV的Leu氧化已被测定（Lapierre等，2002）；在绵羊，表明 Leu和Met可被氧化，而Phe和Lys不被氧化（Lobley等，2003）。如果氨基酸在PDV氧化来自动脉和消化来源，氧化削弱了NPA的作用（Lapierre等,2002;Lobley等，2003）。但氨基酸氧化还不能解释在PDV的全部损失，另一理由归结于小肠吸收和NPA的差别。奶牛内源蛋白占十二指肠蛋白比例可以高达20%（Ouellet等,2002、2007）。内源蛋白周转形成了以前吸收的小肠氨基酸的再循环，通过动脉循环回到肠道组织，合成肠道管腔需要的蛋白质。这样一来，消化吸收不代表进入门静脉循环的净投入。尽管内源蛋白出现在十二指肠食糜，消化吸收以无效净结果返回血液用于循环组分（Lapierre等，2006）。这也解释了肠系膜净吸收与小肠消化率关系密切。十二指肠分泌的内源蛋白对肠系膜吸收是必须的，这占PDV总量的25%（Reynolds等，2004），肠系膜回流内脏也有可能为PDV氧化贡献了这个比例。

另一个估测氨基酸在PDV代谢的方法是计算进入门静脉循环的已知氨基酸供给的回收率。回收率用于量化随供给增加的相关损失，必需氨基酸的肠系膜吸收与十二指肠可消化氨基酸速率呈线性关系；门静脉对可消化支链氨基酸吸收率为低斜率（El-Kadi等,2006）。换句话说，等于1的斜率意味着可消化氨基酸被门静脉全部吸收，较低的斜率意味着氨基酸在PDV氧化代谢。Freetly等（2010）真胃灌注分离大豆蛋白结果是提高 Ile、Leu、Met、Phe 的 NPA，没有改变 His、Lys、Thr和Val的 NPA。Hanigan等（2004）提出在 PDV的分解代谢是一个数量效应的结果，即与出现在PDV的数量有关，相同的血流，浓度越高，移除就越多。

对门静脉吸收所有氨基酸在肝脏的平均移除率达 45%～50%提出看法(Lapierre等，2005；Reynolds，2006)。如何控制每一氨基酸存在很大变异，尽管这个平均值方便应用，致使肝脏移除的主要因素不是吸收数量，而是总进入量。肝脏总进入量在吸收数量和其它组织应用数量之间保持平衡。尽管肝脏一个功能是防止血液内氨基酸过多，对过多氨基酸脱氨和合成尿素，然后分解氨基酸碳链，有些移除的氨基酸进入糖原生成、合成血浆外用蛋白质。

5 氨基酸在肝脏内的代谢

肝代谢将必需氨基酸分为两类，第一类包括His、Met、Phe和Thr，第二类包括Lys和支链氨基酸。对第一类吸收氨基酸的肝脏移除率通常为30%～40%，有些氨基酸大量供给时可高达50%；对第二类吸收氨基酸的肝脏移除率几乎为零，在限制蛋白供给条件下还会合成氨基酸。Reynolds（2006）提出一些支链氨基酸可以通过酮酸转氨、血浆肽类分解来合成；也可以通过支链挥发性脂肪酸的吸收来合成。

奶牛泌乳时，无论是否提高摄入量，都容易引发降低氨基酸浓度。尽管必需氨基酸的NPA从63提高到104 gN/d，但肝移除从14降低到9 gN/d，第一类吸收氨基酸的肝脏移除率在产犊前60%，在产犊后下降到 31%（Doepel等,2009）。Reynolds（2006）也观察到在干奶期和泌乳初期门静脉净吸收氨基酸的肝脏移除率从63%降低到12%。尽管肝脏是吸收养分汇集的第一器官，并不是第一处理吸收氨基酸。在肝脏要看总进入量，即动脉浓度和门静脉吸收，从总进入量移除一定比例，对第一类吸收氨基酸通常不超过10%。这些氨基酸通过整个机体循环，其它组织得到这些氨基酸。没有利用的氨基酸按移除的比例再带回肝脏。这样，所有组织对氨基酸和其它养分的需求被整合到满足代谢需要。

6 乳腺和肝脏内氨基酸代谢的比较

乳腺和肝脏对必需氨基酸利用有互补作用，比如Met，在肝脏可以明显移除，在乳腺仅根据满足乳蛋白分泌后定量移除；比如Lys，在肝脏不是全部利用，在乳腺利用大于需求，以便支持乳蛋白分泌。相对奶产出而言，这些氨基酸的过多摄入随着供给而提高（Rulquin等，2007），净摄入和乳蛋白产量之间的差异是用氧化来消除过多的氨基酸（Raggio等，2006）。氨基酸的总摄入要大于净摄入。对第一类氨基酸，总摄入的一部分随着结构蛋白分解等量释放在乳腺静脉氨基酸来合成结构蛋白质。对于第二类氨基酸比如Leu，除了合成蛋白质，乳蛋白分泌后的过多部分被氧化，乳腺摄取过多氨基酸有什么用途？这些氨基酸部分氧化给乳腺提供能量，过多的N和C链用于乳腺内氨基酸或其它养分合成。Lys多余的N就贡献合成Glu、Asp、Ser和Ala以用于乳蛋白合成。当Lys耗尽，在乳腺内Lys到其它氨基酸的N转移依然存在，但比例相当低（Lapierre等,2009）。

牛乳氨基酸分泌总是等于氨基酸吸收与损失之差再加减组织存留，这些损失包括氧化、皮屑、内源粪尿排泄。在净基础上，肝脏主要移除His、Met、Phe、Trp和Thr，PDV和包括乳腺的外围组织主要移除支链氨基酸、Lys和Thr。对于组织移除的氨基酸，提高浓度引发增加氧化。提高MP供给等于提高进入血液的氨基酸浓度。与低蛋白摄入相比，供给量大促进产奶量多，但降低吸收必需氨基酸的转化效率。吸收必需氨基酸的转化效率还取决于各个氨基酸之间的互作和N及能量供给的互作。

7 瘤胃保护氨基酸(RPAA）处理方法和利用效果

瘤胃保护氨基酸（Rumen-Protected Amino Acid，RPAA）是指氨基酸经物理和化学方法进行修饰或保护，尽可能减少该氨基酸在瘤胃中降解，又能在小肠有效吸收和利用的氨基酸产品。因此，瘤胃保护氨基酸必须在日粮中尤其青贮日粮高度稳定、在瘤胃中不被瘤胃微生物降解和在小肠中被有效吸收利用。

在王建华等（2003）瘤胃保护氨基酸产品综述中，将瘤胃保护氨基酸大致分为两大类：①化学保护法RPAA，包括氨基酸类似物、衍生物和螯合物；②物理保护法RPAA，由对pH值敏感的包被材料（如脂肪、纤维素及其衍生物、聚合物等）包被处理。保护方法不同，抵抗微生物降解的能力和在肠道内的可利用性不同，即使相同包被氨基酸在不同的日粮类型中其稳定性也有差异。物理保护法显示了良好的前景，例如，用脂肪和脂肪酸(多为C12～C22者)包被的RPAA，氨基酸含量占总重量30%，瘤胃保护效果好，在小肠易消化吸收。这种包被处理方法的潜在问题是氨基酸可能会过度保护，在瘤胃中具有很大惰性的复合物在小肠中也可能难于消化。利用对pH值敏感的聚合物包被氨基酸，这种聚合物在正常瘤胃内稳定，到达皱胃或小肠时，释放出游离氨基酸，被胃肠道有效吸收部位所吸收利用。但是，这种聚合物依赖严格的pH值，当日粮中pH值低于4.5时，保护氨基酸产品在瘤胃内的稳定性下降。

一些可对各种固体和液体饲料原料起保护作用的新技术应用，提高产品的利用效果和效益。微珠技术是将酸或氨基酸埋置到脂肪酸基质内，保持通过瘤胃的性能；采用天然高分子、半合成高分子、全合成高分子和无机材料做壁材制备RPAA微胶囊，加工简单和稳定，有广泛保护材料来源。即使应用包被新技术，瘤胃保护氨基酸尤其是包膜氨基酸在实际运用中还存在困难。例如某些产品在加工过程中包膜被破坏，造成氨基酸在瘤胃内降解，降低饲用效果；瘤胃保护氨基酸也会出现过度保护问题。因此，必须注意氨基酸包被材料及包被方法的选择，同时兼顾氨基酸的生物利用率。此外，日粮的pH值也是值得注意的因素。青贮料的pH值过低会使瘤胃保护氨基酸的稳定性下降而在瘤胃内就被降解，影响RPAA的实际饲用效果。

8 实际生产中日粮氨基酸平衡调节

饲喂高品质粗饲料、谷物和加工副产品饲料，提供可发酵碳水合化物和物理有效纤维，从而提高饲料摄入量、奶产量和微生物蛋白质产量。微生物蛋白质对泌乳奶牛具有良好的氨基酸组成。微生物真蛋白中Lys和Met含量分别接近7.9%和2.6%，超过所有饲料蛋白(NRC，2001)。要使可发酵碳水合化物的平衡供给满足饲料摄入量、产奶量和微生物蛋白产量需要，就要使用高品质饲料、足够的物理有效纤维摄入、平衡日粮、随时供给新鲜饮水和先进饲槽管理技术做保障。

饲喂充足但不过量的瘤胃降解蛋白质（RDP），满足瘤胃微生物对氨基酸和氨需求，饲喂对提高微生物蛋白质产量平衡供给的可发酵碳水合化物和RDP平衡日粮，是这项技术的基本要求。瘤胃降解蛋白质是瘤胃微生物的第二大需求，提供肽、氨基酸和氨用于微生物蛋白合成。缺乏RDP将抑制微生物繁殖效率，但微生物继续发酵碳水化合物，因为微生物蛋白的低合成，导致高饲料摄入，低奶料比。过量饲喂RDP引起瘤胃氨浓度显著超过微生物需求，不仅造成RDP浪费，而且显著超过微生物需求的瘤胃氨浓度会降低微生物蛋白到小肠的外流速度。

饲喂高赖氨酸蛋白质饲料，满足MP的Lys水平。高Lys蛋白饲料是最佳选择，也可以选择瘤胃保护赖氨酸，来部分补偿来自粗饲料、谷物、DDG和CGM中RUP的低Lys含量。如果瘤胃保护赖氨酸能够作为MP-Lys的来源且成本合算时，可以广泛使用低Lys蛋白饲料。

饲喂瘤胃保护Met，确保MP中Lys和Met理想比例。结合高Lys蛋白饲料，饲喂瘤胃保护Met，可以实现MP中Lys/Met理想比率。如果MP中Lys/Met比率超过3.3甚至到3.6，这种失衡的Lys/Met比率会降低MP合成蛋白质的效率，失衡比率越高，合成效率就越低。Lys/Met的平衡影响奶牛生产性能。

不要过量饲喂瘤胃未降解蛋白质（RUP）。三个因素决定奶牛对RUP需求：提供微生物蛋白、RUP消化率和RUP中氨基酸组成。在RUP有良好氨基酸平衡和氨基酸平衡不好的条件下，奶牛对日粮RUP含量的改变有强烈响应。具有良好氨基酸平衡比平衡不好的 RUP 更有营养潜力(Garthwaite等，1998；NRC,2001；Rulquin 等，1993；Schwab等，2007)。最新研究表明，提高MP中Lys和Met含量，也可以提高用于牛乳和乳蛋白产量的MP利用效率 (Noftsger等，2003；Chen等，2009)。平衡Lys和Met降低日粮RDP或(和)RUP用量，这样就可以降低用高Lys蛋白饲料替代低Lys蛋白饲料的额外成本和日粮添加瘤胃保护氨基酸的成本。必须记住，降低日粮CP，不能导致RDP的缺乏。

9 日粮氨基酸和瘤胃保护氨基酸的实用效果

日粮蛋白质（CP）的数量和质量对奶牛产奶量具有重要作用。如果平衡好瘤胃降解和未降解蛋白质，高产奶牛日粮蛋白质可以从18%降到16%(Satter等，2002)。Huber等(1994)提出当日粮总蛋白质满足NRC(2001)需要时，瘤胃降解蛋白质(RDP)不能超过日粮CP的61%。同时对奶牛日粮的瘤胃未降解蛋白质(RUP)质量也引起关注(Chen等，1993)。Huber等(1994)报道日粮Lys从0.6%提高到1.0%可增加泌乳奶牛的产奶量。

王星凌等(2009)将奶牛日粮蛋白质从18%降到16%，通过添加瘤胃保护Lys使日粮Lys含量不变，奶牛产奶量维持正常；日粮Lys含量从0.65%提高到0.85%，日提高产奶量0.70 kg；继续添加瘤胃保护Lys使日粮Lys含量达1.05%，对牛乳和乳蛋白产量没有影响。Blauwiekel等(1997)报道，添加RPLys趋于提高乳蛋白率。Garthwaite等(1998)的试验表明，奶牛日粮添加瘤胃保护Lys和Met可提高120 d泌乳期的奶牛产奶量0.68 kg和乳蛋白80 g/d。王星凌等（2010a，2010b）试验用日粮Lys含量这一指标测定对产奶量和乳成分的作用时，结果发现日粮赖氨酸含量0.60%比0.45%奶牛产奶量明显提高1.2 kg，乳蛋白百分比略呈上升趋势，提高0.07个百分点。Socha等（2005）提出瘤胃保护赖氨酸用于高产奶牛泌乳初期。当日粮Lys含量不足时，添加瘤胃保护Lys，提高日粮Lys含量；当日粮Lys含量满足时，添加瘤胃保护Lys，用来调节日粮Lys和Met适宜比率。

10 结论

简单的乳腺摄入与乳产出比率已不足于代表泌乳时氨基酸供给的利用效率。如果降低N总摄入达到提高N转化效率，这意味降低安全保证。氨基酸供给的失衡对乳蛋白产量有明显负作用。随着泌乳需求增加，有必要平衡氨基酸供给。减少N在环境的排泄和降低饲料成本。满足市场需求和消费者的认知。

平衡MP中Lys和Met可以降低牛乳和牛乳生产所需要的RUP，或者相同RUP摄入，提高牛乳和乳蛋白产量；减少单位牛乳或乳蛋白产量的N排泄量；更易预测随RUP供给改变牛乳和乳蛋白产量；改善牛群健康和繁殖；提高牛群繁殖率。

适宜的日粮氨基酸含量可以提高牛乳和乳蛋白产量，瘤胃保护氨基酸可以提高MP合成乳蛋白效率。添加瘤胃保护氨基酸（RPAA）不仅由日粮中该种氨基酸缺乏程度和MP中Lys和Met含量来确定，而且还由兼顾其成本和其它蛋白质资源的可利用性来确定。

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