过瘤胃蛋氨酸在反刍动物中的营养研究进展

■ 卢玉飞 张雪元 马婷婷 李 华

（1.济宁和实生物科技有限公司，山东济宁273517；2.扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州225009）

反刍动物饲粮中蛋白质或氨基酸在瘤胃内部分被降解，过瘤胃的氨基酸和微生物蛋白才在小肠内被吸收和转化。小肠吸收的氨基酸对于奶牛进行维持生长、繁殖和泌乳等生命活动极为重要。对于生长、产毛、产奶或乳蛋白合成而言，蛋氨酸（Met）和赖氨酸可能是两种首要的限制性氨基酸（Chaiupa，1975），且两者的限制性顺序视饲粮的来源不同而决定，即在过瘤胃蛋白中的相对含量（Schwab等，1976）。若饲喂动物的饲粮中含Met相对较少或赖氨酸相对较多，则Met被认为是断奶犊牛（Donahue等，1985）、生长牛（Robert等，1999）和泌乳牛（Armentano等，1997）的第一限制性氨基酸。尤其对于生长牛的氮沉积而言，Met是微生物蛋白中的第一限制性氨基酸（Richardson等，1978；Titgemeyer等，1990b）。所以，如何提高反刍动物过瘤胃蛋氨酸的含量和Met在小肠中的吸收率，是动物营养学家们研究的热点。

张萍（2001）研究发现，奶牛代谢蛋白中所需Met的确定含量为2.06%。补充过瘤胃蛋氨酸的方法有多种，最直接的方法有提高饲粮中含Met高的原料的含量，补充降解率低的天然过瘤胃蛋白饲料，或根据小肠氨基酸平衡状况，将不同高蛋白饲料组合搭配。但这些方法在提高过瘤胃蛋氨酸含量的同时，不但使过量的蛋白质在瘤胃内降解，瘤胃内氨氮浓度过高，蛋白质资源浪费，而且绝大部分会在瘤胃内被微生物降解而到达小肠的氨基酸很少。因此人们研究的重点转移到对Met进行过瘤胃保护性处理（NRC，2001），以增加小肠中Met的数量，提高吸收率，从而克服必需氨基酸短缺带来的氨基酸之间的不平衡，提高反刍动物的生产性能。目前过瘤胃保护性氨基酸主要有物理包被和化学保护方法，但物理包被存在过度保护或保护不够等缺点（谢实勇等，2003），因此人们关注的重点转移到化学保护方面，化学性保护主要形式是形成蛋氨酸的金属螯合物或络合物、蛋氨酸类似物及其钙盐（MHA-Ca）或N-羟甲基蛋氨酸钙（NHMM-Ca）。

1 过瘤胃蛋氨酸的主要类型

1.1 蛋氨酸金属络（螯）合物特点及过瘤胃率

蛋氨酸类金属螯合物主要有蛋氨酸锌（Met-Zn）、蛋氨酸锰、蛋氨酸铜和蛋氨酸铁。由于Met-Zn适中的化学稳定性、抗干扰、过瘤胃效果好和生物学效价高等特点(Rojas等，1996)，Met-Zn被认为是蛋氨酸金属螯合物或化合物中最有应用价值的。产品为白色固体粉末，流动性较好，具有蛋氨酸特有气味。Met-Zn是Met与无机锌盐通过化合反应按照1∶1或2∶1的摩尔比在一定的条件下生成的有机锌类物质，配位键与化合物形成一个或两个五元环，五元环结构中，各键之间的张力是环状化合物中最小的，实验制备步骤如图1（于桂生，2005）。蛋氨酸与锌合成摩尔比是2∶1时，蛋氨酸含量为49.38%，摩尔比为1∶1时，蛋氨酸含量为81.94%。金属离子和蛋氨酸螯合后形成双重营养的新型饲料添加剂，不仅为动物体提供微量元素，还能提供反刍动物缺乏最具限制性的蛋氨酸。

图1 蛋氨酸锌制备步骤

因其摩尔比和生产工艺不同等，产品的螯合率或络合强度有较大差异（30%到90%多不等），所以过瘤胃率差异也较大（黄恒新，2010）。梁建光等（2008）选取了7个国内外具有代表性的有机锌源产品，其中Met-Zn 1个，锌蛋白盐2个（ZnPro A～B），复合氨基酸锌3个（ZnAA A～C），甘氨酸锌（Gly-Zn）1个。不同络合强度有机锌在模拟瘤胃环境下是稳定的，过瘤胃率分别在92%以上，其中又以强络合强度有机锌（Gly-Zn）为最好（99.55%），弱络合强度有机锌（Met-Zn）次之(94.85%)，中络合强度有机锌(92.16%)相对最低。目前认为是Met与可溶性的锌盐（Zn2+）的摩尔比为2∶1所形成的化合物结构稳定好，因为其结构式是以Zn为中心原子而形成的两个熬环结构，分子结构对称，不易受饲料或瘤胃内复杂环境的影响，能以螯合小肽的形式被吸收利用（黄恒锌，2010）。Heinrichs等（1983）认为Met-Zn中的蛋氨酸在瘤胃中很大程度上不被瘤胃微生物降解，从而使蛋氨酸能够进入小肠被吸收，并且相比于体外已发现的其它抗氧化剂（葡萄糖酸锌、柠檬酸锌、硫酸锌和氧化锌等）和自由基清除剂，Met-Zn可减弱氧自由基的生化活性（Bagchi等，1997）。

1.2 N-羟甲基蛋氨酸钙

N-羟甲基蛋氨酸钙(N-HMM-Ca)是Met的衍生物，化学名N-羟甲基-甲硫基丁酸钙，产品为白色粉末，具有良好的流动性，Met含量大于67.6%。工业生产以DL-Met为原料，经过羟甲基化和与无机钙盐反应成盐，后经结晶、离心、干燥并粉碎后的产品。蛋氨酸的α-NH2被羟甲基化为-NHCH2OH，实验室制备步骤如图2。

图2 N-羟甲基蛋氨酸钙制备步骤

段红伟（2000）通过体外模拟唾液、瘤胃和真胃的体外溶解性试验，发现人工唾液环境（pH=8.14）1 h的溶解率＜5.6%；在人工瘤胃环境中（5.0≤pH≤7.0），当5.5≤pH＜6时，N-HMM-Ca的溶解率变化平稳，2 h内的溶解率小于65%，当pH≥6.5时，2 h内的保护率＞60%，具有较好的稳定性；在人工真胃环境中（pH=2.9）时，可迅速释放，1 h内全部溶解，保护率为100%。N-HMM-Ca具有较好的过瘤胃性，投放瘤胃3 h后即可通过瘤胃，表现了N-HMM-Ca作为反刍家畜过瘤胃保护性蛋氨酸饲粮添加剂的良好特性(段红伟,2000)。Hegedus等（1995）在基础培养基中添加不同的氮源，瘤胃体外培养发现微生物摄入Met时表现出最大的生长速率，而DL-S-甲基-蛋氨酸锍盐盐酸盐和N-HMMCa次之。Buttery等（1977）试验表明，通过体内消化6 h检测终产物甲硫醇，N-HMM-Ca在被评价的几种化学合成的瘤胃保护性蛋氨酸中是最稳定的。这些研究都表明N-HMM-Ca不仅能改善瘤胃内环境，避免瘤胃内脱氨基，而且在过瘤胃后释放率高，吸收迅速，体内代谢率好，显示出了用于反刍家畜的良好前景。

1.3 蛋氨酸羟基类似物及其钙盐

液态蛋氨酸羟基类似物(HMB)是褐色或棕色黏稠液体，有硫基的特殊气味，溶于水。羟基蛋氨酸钙(MHA-Ca)化学名为2-羟基-4-甲硫基丁酸钙盐。Met含量约为84%，产品为浅灰色粉末颗粒，可溶于水。Met中α-NH2被-OH代替，蛋氨酸羟基类似物的固态形式，是由液态蛋氨酸羟基类似物与氧氧化钙或氧化钙中和，经离心、干燥和粉碎后制得，产品合成路线如图3（徐宏斌等，2009）。

图3 羟基蛋氨酸钙制备步骤

研究报道，蛋氨酸羟基类似物及其钙盐大约有39.5%能避开奶牛瘤胃内的降解，并且降解率不受其种类和添加量的影响，在瓣胃和十二指肠的吸收率分别为17.6%和22%（Koening等，2002）。

2 过瘤胃蛋氨酸的吸收机制

Met具有旋光性，分为L型和D型，L型易被动物肠壁吸收。但因其工业生产用的是DL-Met为原料来源，而动物体只能利用L-Met合成蛋白质，所以过瘤胃保护性D-Met在动物体内须先转化为L-Met。

Met-Zn的吸收机制尚未清楚，有研究报道，Met-Zn因是具有两个螯环的螯合物，通过氨基酸的吸收模式直接以螯合物的形式穿过小肠微绒毛被肠黏膜细胞吸收（Found，1974；于昱等，2006）。另外，也有研究证实，Met-Zn并不能完整被吸收，在小肠内首先解离后而被转运至体内参加代谢。

N-HMM-Ca是通过对DL-Met的氨基进行修饰，虽然没有氨基，但具备可以转化Met特有的骨架，且因α-NH2被羟甲基化，能避免在瘤胃内被脱氨基，具有抗瘤胃微生物降解的功能，从而使Met在瘤胃内的降解率下降，过瘤胃后，由于消化道中的pH值降低转化为Met进而被机体吸收利用。

由于体内存在着羟基氧化酶、转氨酶及L-型蛋氨酸氧化酶，可将MHA转化成2-酮基-4-甲硫基丁酸，经转氨酶生成L-Met，从而完成类似物到Met的转化，具有Met的生物活性，达到过瘤胃的保护作用（高红建，2002）。L-HMB转化为L-Met的效率比D-Met转化为L-Met的效率高，而且，D-HMB能够在所有组织内转化为L-Met和被用来合成蛋白质，其效果与LMet相似（孙华，2012）。

3 过瘤胃蛋氨酸对瘤胃内环境的影响

3.1 对瘤胃微生物的影响

日粮添加HMB能增加瘤胃总的原虫数（Pattern等，1970；Iriki等，1989)。以 30 ml奶牛瘤胃液为底物，体外培养添加HMB 15 mg/d，发现HMB能增加底物羊草的原虫数（P=0.03），可显著降低青贮玉米原虫数（P＜0.05），并且HMB能显著增加青贮玉米的产琥珀酸丝状杆菌的相对数量和白色瘤胃球菌数（P＜0.05），以及苜蓿的黄色瘤胃球菌和反刍兽新月形单胞菌数（P＜0.05），但对真菌数没有影响。但Noftsger等（2005）发现蛋氨酸类似物钙盐(MHA-Ca)对瘤胃液原虫数量和细菌氮比例在各组之间差异不显著。Hegedüs等（1995）以不同蛋氨酸（L-Met、DL-Met、DL-S-甲基蛋氨酸硫氯化物、N-HMM-Ca、MHA和蛋氨酸亚砜）来源作为基质培养基，体外培养观察瘤胃细菌的生长情况，39℃条件下培养18 h后检测细菌光学密度，结果表明L-和DL-Met能够促进细菌生长，N-HMM-Ca与DL-S-甲基蛋氨酸硫氯化物能够显著降低光密度值（P＜0.05），而以MHA和蛋氨酸亚砜为基质作为Met来源对瘤胃内细菌生长无影响，这说明N-HMM-Ca与DL-S-甲基蛋氨酸硫氯化物能够更好的避过瘤胃微生物的降解，具有更好的过瘤胃特性。

3.2 对瘤胃内NH3-N、VFA、pH值等影响

研究表明，添加过瘤胃保护性蛋氨酸对降低瘤胃内NH3-N浓度有良好的效果。高红建（2002）通过选择年龄1岁左右，体重23～25 kg的瘤胃瘘管滩羊羯羊3只，分为3组，分别作为对照组、Met组和N-HMMCa组，试验发现瘤胃投放N-HMM-Ca和Met后明显降低了瘤胃液中NH3-N水平，N-HMM-Ca比Met组降低0.74 mg/ml。段红伟（2000）在饲喂玉米-草粉型饲粮的甘肃细毛羊羯羊时也同样发现瘤胃内投放NHMM-Ca时NH3-N浓度效果优于补充Met，并且两组都显著少于对照组（P＜0.05）。

一些试验中添加Met或羟基衍生物、衍生物并不影响瘤胃内VFA的浓度和pH值，但有可能改变VFA的组成。高红建（2002）研究表明绵羊瘤胃中添加NHMM-Ca和Met后，瘤胃液中总挥发性脂肪酸（TVFA）无明显差异，这与Noftsger等（2003）研究发现一致。但乙酸和丁酸浓度有增加趋势（P＜0.1），瘤胃液pH值未受影响，但显著提高了DM、OM、CP、ADF和NDF在全消化道中的消化率（P＜0.05），而在N-HMMCa和Met组之间无明显差异(P＞0.05)。熊春梅（2004）在日粮中添加N-HMM-Ca后促进了瘤胃微生物的发酵和蛋白质的合成，与对照组和添加Met组比较降低了瘤胃液中NH3-N浓度（P＜0.05），增加瘤胃乙酸和TVFA的浓度（P＜0.05），对 pH 值和其他VFA无显著影响（P＞0.05），N-HMM-Ca处理组与对照组比较显著提高了试验牛对日粮中DM、ADF和CP的消化率（P＜0.05）。Iriki等(1989)研究发现，MHA-Ca能影响奶山羊瘤胃发酵，增加瘤胃内容物中乙酸和丙酸的含量，而Met对瘤胃发酵影响较小。

Spears等（2004）在安格斯肉牛低锌日粮中以Zn计添加20 mg/kg ZnSO4、甘氨酸锌(Gly-Zn)和Met-Zn，发现添加Met-Zn和Gly-Zn组在瘤胃内的VFA含量少于对照组和ZnSO4组（P＜0.05），添加Met-Zn提高丙酸摩尔比和降低丁酸和戊酸摩尔比（P＜0.05），可改变瘤胃VFA的比例。Garg等（2008）发现羔羊日粮中以Zn计添加20 mg/kg ZnSO4和Met-Zn，其DM、CP、可消化CP、乙醚提取物、中性洗涤纤维和半纤维素消化率之间无显著差异（P＞0.05），但Met-Zn对纤维素和酸性洗涤纤维的消化率有显著提高（P＜0.05）。

关于HMB对瘤胃VFA浓度影响的研究不一致，Wilson等（2008）表明HMB不影响瘤胃VFA含量，但有的研究发现HMB可改变VFA组成（Noftsger等，2003）。

4 过瘤胃蛋氨酸对血液生化指标的影响

过瘤胃保护性氨基酸对血液中游离氨基酸的影响效果不一致，但大部分研究表明血清中蛋氨酸的含量升高。研究表明，羊瘤胃添加N-HMM-Ca组血液总游离氨基酸量高于其它试验组，但差异不显著（P＞0.05），瘤胃添加Met组与瘤胃添加N-HMM-Ca组表现相似，其峰值比瘤胃添加N-HMM-Ca组低，但早出现了1.5 h，这可能与Met在瘤胃中快速降解有关（段红伟，2000）。熊春梅（2004）同样发现，添加N-HMMCa后，试验牛血浆中尿素氮浓度显著降低（P＜0.05），白蛋白和总蛋白浓度显著高于对照组（P＜0.05），游离脂肪酸、葡萄糖、总氨基酸各组间没有明显的变化（P＞0.05），Colin-Schoellen等（1995）结果同样表明血液中Met浓度不受HMB的影响，但Wang（2010）研究表明添加HMB显著增加动脉血Met浓度，这一结果与Spiekers（1990）研究一致，其发现与添加Met组血清中Met含量（16.8 mmol/l）比较，添加N-HMM-Ca能显著增加血清中Met含量（22.7 mmol/l），但血清中的谷草转氨酶、胆红素和尿素氮在各组之间差异不显著。高红建（2002）研究同样表明奶牛日粮中添加N-HMMCa后，血浆中游离Met浓度比对照组显著升高（P＜0.01），与Met组相比，有显著升高的趋势（P＜0.1），并且血浆中含硫AA（Met+Cys）与对照组和Met组相比，也有显著增高趋势（P＜0.1）。

5 过瘤胃蛋氨酸对生产性能的影响

过瘤胃保护性蛋氨酸对反刍动物生产性能的影响效果不一，但总体来看，可提高动物的产奶量、产毛量和日增重等，并有效提高了饲料转化效率，对乳成分的影响存在很大分歧，但大多数研究者认为没有影响。

研究发现日粮中添加N-HMM-Ca(熊春梅，2004；Samuelson等，2001)后显著提高荷斯坦奶牛产奶量和乳脂率（P＜0.05），这有可能是因为，添加过瘤胃保护性蛋氨酸优化了瘤胃发酵，促进了瘤胃微生物蛋白的合成，因瘤胃微生物蛋白消化率高达80%，所以使进入小肠消化率高的蛋白质增多，有效改善了小肠中氨基酸平衡，促进小肠氨基酸的吸收率。熊春梅（2004）报道添加N-HMM-Ca对奶牛乳蛋白产量和乳蛋白率差异不显著，但比对照组多产87.94 g/d，乳成分得到明显的改善。李成会等（2003）研究表明在奶牛日粮中添加0.12%～0.16%MHA-Ca可显著提高乳蛋白含量（P＜0.05），而Leonardi等（2003）研究表明N-HMMCa对奶牛产奶量和乳成分无显著影响。另外，孙华(2012)认为添加MHA可以显著增加奶牛乳脂产量和乳中总固形物的含量(P＜0.05)，有增加乳蛋白量、4%FCM产量和乳脂率的趋势，但差异不显著。而Aguilar等(1990)报道，奶牛每头饲喂Met-Zn 360 mg/d，可提高5%产奶量。麻常胜等（2013）在荷斯坦奶牛种添加Met-Zn 250、500、750 mg/kg，发现与对照组相比，产奶量分别提高了1.91、1.75 kg和1.58 kg，均差异显著（P＜0.05），对乳脂、乳糖、非脂乳固形物含量均无显著差异（P＞0.05）（麻常胜等，2013；吴志广等，2008；刘辉放等，2004），但添加Met-Zn能够有效的延缓奶牛干奶期。

张昭熙等（1996）在育肥黄牛精料中添加不同梯度Met-Zn，显著提高日增重，500 mg/kg组比对照组提高饲料利用率达10%以上。Puchala等（1999）研究发现，添加Met-Zn增加了安哥拉山羊毛产量(P＜0.05)。Spiekers（1990）在产犊前14～100 d泌乳奶牛日粮中添30 g N-HMM-Ca和Met，发现添加N-HMM-Ca能提高14%的饲料转化率。据研究，在断奶后5-12周青年荷斯坦犊牛日粮中添加N-HMM-Ca可显著提高平均增重、肉料比，试验组比对照组增加0.03%。Spears（1996）对19个试验进行统计分析，约89.5%的试验表明，添加Met-Zn能提高饲料转化率，这一结果也得到Garg等（2008）的支持。

6 过瘤胃蛋氨酸对乳体细胞影响

大量国内外试验一致证明，过瘤胃保护性蛋氨酸能显著降低反刍动物乳中体细胞数量。Kellogg（1990）发现Met-Zn添加20 mg/kg就能使奶牛体细胞下降22%。吴志广等（2008）试验发现，添加Met-Zn分别为100、250、400 mg/kg组与对照组相比，体细胞数分别降低10.43%、17.88%和19.49%（P＜0.05），而麻常胜等（2013）通过在奶牛日粮中添加Met-Zn为250、500、750 mg/kg，与对照组相比，极显著降低乳体细胞含量（P＜0.01）。到目前为止，因N-羟甲基蛋氨酸钙是一种新型过瘤胃蛋氨酸产品，关于N-羟甲基蛋氨酸钙对反刍动物乳中体细胞数量的影响报道的文献较少。

7 应用前景展望

综上所述，过瘤胃保护性蛋氨酸具有较好的化学稳定性和较高的生物学效价，通过改变反刍动物瘤胃内蛋氨酸降解微生物区系，避开瘤胃的降解，使达到真胃和小肠的蛋氨酸含量升高，改善消化道后端的氨基酸平衡。提高反刍动物产奶量、产毛量和肉料比，有效的提升乳品质和肉品质质量。并且因其生产工艺简单、适口性好、生物学利用率高、价格适中和对环境造成的负担较小，是反刍动物经济有效的蛋氨酸添加剂来源，在实际动物生产和应用中有广阔的应用前景。但仍有许多关键因素需要注意和解决，例如过瘤胃蛋氨酸在体内的作用机理、转运机制、调控和代谢途径仍尚未清晰，缺乏蛋氨酸螯合物或类似物的螯合度的测定标准而无法确保其产品质量，过瘤胃蛋氨酸通过何种方式改变瘤胃和肠道内环境而影响动物生产性能的了解不够深入，过瘤胃保护性蛋氨酸的过瘤胃率检测并没有统一的标准或途径，特别是粉末状的过瘤胃蛋氨酸，较难检测。