反刍动物蛋白质代谢及氨基酸营养调控机制

■ 牛骁麟 张 千

（1.青海农牧科技职业学院，青海湟源 812100；2.中国农业科学院草原研究所，内蒙古呼和浩特 010000）

我国传统养殖业主要依赖豆粕作为主要蛋白质饲料原料，近年来由于世界经济、政治及气候不断变化，粮食价格高涨不下，致使饲料价格不断上涨。我国作为豆粕等饲料原料进口大国，畜牧业的发展受到严重制约[1]。为保障我国畜牧业可持续发展，农业农村部聚焦“提质提效、开源增料”，不断加强蛋白质饲料新产品、新技术、新工艺创新及推广应用，以低蛋白、低豆粕、多元化、高转化率为目标，充分实现节粮降耗。反刍动物消化系统结构复杂，饲料中的蛋白质首先进入瘤胃，经过微生物代谢后进入后肠道消化，因此反刍动物较单胃动物饲料中的蛋白质利用率低[2]，未被利用的蛋白质通过代谢排出体外[3]，不仅造成环境污染，而且导致蛋白质资源的浪费。因此，文章就影响反刍动物蛋白质的消化及氨基酸平衡调控机制作一综述，旨在为节约蛋白质资源、提高反刍动物蛋白质利用率提供科学依据。

1 瘤胃蛋白质代谢影响因素

1.1 瘤胃蛋白质降解通路

营养物质进入瘤胃后，通过微生物黏附及吞噬作用，分泌相关酶将蛋白质分解为氨基酸和肽类，一部分用于合成微生物蛋白（microprotein，MCP），一部分生成氨被瘤胃壁吸收，而未被降解的部分则进入小肠。与单胃动物不同，瘤胃微生物能够利用非蛋白氮（non protein nitrogen，NPN），其中瘤胃细菌占主导地位，NPN进入瘤胃后，微生物通过分泌脲酶将NPN 分解为CO2和氨等用于合成MCP[4]。反刍动物瘤胃中有30%～50%细菌具有降解蛋白质的酶活性，其中溶纤维丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）是反刍动物主要的蛋白质分解菌，当日粮存在大量抗性蛋白时，该菌大量繁殖，其降解蛋白酶的活性更高；而栖瘤胃普雷沃氏菌（Prevotella ruminicola）则是瘤胃数量最多的蛋白质分解菌，其总数可能占瘤胃细菌总数的60%，主要在蛋白质的降解及肽的吸收和发酵过程中起作用[5]。反刍动物瘤胃蛋白质降解通路如图1 所示。

图1 日粮蛋白质在瘤胃中的降解过程

1.2 蛋白质来源差异的影响

日粮中瘤胃降解蛋白（rumen degradable protein，RDP）达到60%可以满足反刍动物合成MCP 的需要[6]，然而不同来源蛋白质在瘤胃中降解速率不同，因此进入小肠蛋白质总量、速率具有差异性[7]。王洪荣等[8]研究发现，饲料蛋白质来源不同，能够显著影响山羊MCP 的产量，豆粕组山羊瘤胃MCP 产量显著高于羽毛粉组（7.71 mg/mL vs 5.53 mg/mL）。姜旭明等[9]通过体外研究发现，经24 h 培养模拟瘤胃体外发酵后，玉米-豆粕型日粮粗蛋白（CP）降解率最高，达到96%；其次为玉米-豆粕-棉粕型日粮；而玉米-棉粕-菜粕型日粮蛋白质降解率最低，为91%。Da Silva等[10]通过原位降解试验发现，柱花草中CP 降解率显著低于玉米青贮（498 g/kg DM vs 529 g/kg DM）。范定坤[11]研究发现，发酵菜籽粕与发酵豆粕瘤胃CP 降解率高于豆粕及菜籽粕。张民等[12]通过对我国北方地区奶牛常用饲料CP 组分及其降解规律的研究发现，黄玉米青贮瘤胃降解率显著高于羊草以及干玉米秸秆，大豆粕在瘤胃的降解率高于棉籽粕以及膨化大豆粉。综上所述，日粮CP 来源不同在瘤胃中的降解率不同，饲料CP 降解率主要取决于其在瘤胃中的发酵程度及滞留时间。此外，饲料的CP 组成、非蛋白氮及真蛋白的含量、细胞壁及抗营养因子的存在均会影响蛋白质在瘤胃中的降解率[13]。有研究表明，豆粕及葵花粕CP 降解率可以达到55.0%～60.0%，高于棉粕（50.0%）、菜籽粕（32.9%）及玉米蛋白粉（46.8%）等；糠麸类饲料中CP 降解率表现为麸皮（71.5%）＞玉米（54.2%）＞小米糠（27.3%）＞玉米皮（25.6%）＞稻壳（18.4%）；粗饲料中苜蓿草CP降解率较高（55.0%），玉米秸秆（16.6%）、羊草（19.4%）等降解率较低[14]。

1.3 瘤胃内环境的影响

瘤胃内环境的稳定对于维持反刍动物健康、营养物质利用至关重要，瘤胃pH及温度是反映反刍动物瘤胃功能是否正常的重要指标[15]。当日粮结构发生变化时，会显著影响瘤胃内pH，改变瘤胃内环境、瘤胃微生物菌群，进一步影响营养物质在瘤胃内的降解率[16]。研究发现，瘤胃最适pH为6.6～6.8，当pH低于5.5或更低时，会对瘤胃内氮素利用微生物造成影响[17]。Kljak等[18]以高粱青贮作为粗饲料来源，设置不同粗精比日粮（85∶15 vs 75∶25 vs 65∶35 vs 55∶45），发现，随着精料比例的增加，日粮CP 降解率提高5%～7%（58.05% vs 63.80%）。袁鹏等[19]发现，日粮精粗比为30∶70、50∶50 组CP 表观消化率显著高于10∶90组（53.82% vs 59.88% vs 31.58%）。在一定程度上可以提高日粮精料比例，能有效增加瘤胃优势菌普雷沃氏菌相对丰度，促进饲草料在瘤胃中的消化，有利于机体对营养物质的吸收[20]。也有部分研究发现，pH过低会导致CP 降解率下降[21-22]，推测其原因，可能是较低的pH引起反刍动物发生瘤胃酸中毒，损伤瘤胃功能并且改变了瘤胃内微生物区系，导致CP降解率下降。

1.4 消化酶互作调控

瘤胃中CP 主要通过蛋白质水解酶进行降解[23]，而瘤胃中其他一些酶类，如淀粉酶及纤维素酶等，会产生相互作用进一步影响蛋白质水解酶的作用[16]。研究表明，瘤胃细菌蛋白质水解酶最佳pH 范围为5.5～7.0[24]。Tománková 等[25]通过原位降解试验发现，在相同日粮组成中添加淀粉酶可显著影响CP 降解率，添加淀粉酶组CP 降解率提高了约8%，说明淀粉酶可能与蛋白质水解酶之间存在协同作用，进一步提高了CP 降解率，但具体机制还需进一步研究。陈雅坤等[26]通过体外发酵试验发现，相同日粮营养水平下，添加不同水平复合酶制剂（纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、甘露寡糖酶、果胶酶和中性蛋白酶），其中0.15%复合酶制剂添加组可以提高5%左右CP 降解率，分析其原因可能是复合酶制剂能够降解非淀粉多糖，解除屏蔽作用，从而提高了瘤胃微生物对蛋白质等大分子物质的利用率，但具体机制仍需进一步研究。有研究表明，日粮中添加纤维素酶能够使CP 的降解率提高2%～5%[27-29]，表明纤维素酶与蛋白水解酶之间可产生互作调控，进一步提高瘤胃CP 的降解率。分析其原因，一方面可能是其他消化酶与蛋白质水解酶之间具有协同作用，提高了饲料CP 的降解率；另一方面，补充酶制剂可以提高饲料在瘤胃中的酵解强度，迅速降解植物细胞壁，使营养物质快速释放，从而提高了CP的利用率[30]。

2 小肠氨基酸营养调控

2.1 小肠氨基酸来源

反刍动物小肠氨基酸来源包括MCP 提供的氨基酸，过瘤胃蛋白提供的氨基酸以及少量内源性氨基酸[31]。反刍动物小肠氨基酸代谢主要受三个方面影响，首先是MCP 的数量及氨基酸组成；其次是过瘤胃蛋白（rumen undegradable protein，RUP）的数量及氨基酸组成；最后是小肠氨基酸吸收能力。由于瘤胃微生物的代谢作用，导致MCP 及RUP 氨基酸的数量及组成在小肠中存在较大的差异，瘤胃MCP 的产量及过瘤胃氨基酸组成模式发生变化，导致供应小肠的氨基酸模式发生改变，因此，到达十二指肠氮源的数量及种类是影响小肠氨基酸营养的重要因素[32]。

2.2 日粮影响小肠氨基酸组成

日粮提供小肠氨基酸组成模式主要取决于日粮中CP 降解率及RUP 的组合效果。日粮CP 来源不同，在瘤胃中降解程度以及氨基酸组成模式也不相同，导致到达小肠的氨基酸组成模式与数量存在差异[33]。么学博等[34]通过尼龙袋法研究发现，不同饲料瘤胃总氨基酸的降解率存在差异，主要表现在酒糟蛋白总氨基酸瘤胃有效降解率最低（6.18%），小麦麸总氨基酸降解率最高（80.37%），豆粕、棉粕（51.22%、51.31%）居中。Storm 等[35]通过相同方法测定了鱼粉、大豆粕、花生粕、向日葵粕在瘤胃中降解9 h后氨基酸组成，发现鱼粉降解前与降解后氨基酸组成差异较大，而其余几种氨基酸组成与降解前相似，主要是由于鱼粉中蛋白质多为水溶性，因此降解速率很快。研究发现，精料氨基酸降解前后差异较小，因此，精料氨基酸在瘤胃降解后的氨基酸成分可参照降解前的组成，而粗饲料氨基酸降解前后差异较大，且降解程度根据粗饲料的种类而异，饼粕类饲料CP 瘤胃降解率一般为60%左右，进行保护处理后则可使到达小肠蛋白质的量达到60%以上；谷物类饲料CP 瘤胃降解率一般为80%左右；优质鱼粉瘤胃降解率较低，一般低于30%[32]。

2.3 瘤胃微生物氨基酸的作用

反刍动物MCP 是进入小肠氨基酸的主要来源，占进入小肠总氨基酸氮的60%～85%[32]。近期的研究发现，进入十二指肠的MCP 主要是细菌及原虫的混合物，其中细菌占主要部分[36]，MCP 的氨基酸组成并不是恒定的[37]。 Erasmus等[38]研究发现，在CP水平相同的条件下，饲喂血粉组瘤胃细菌组氨酸含量比饲喂向日葵粕组降低了18.2%，而亮氨酸与缬氨酸含量则提高了12.5%及10.1%。王洪荣等[8]研究发现，饲喂不同CP 来源日粮（羽毛粉vs 玉米蛋白vs 豆粕vs 鱼粉），MCP中氨基酸氮的含量及氨基酸组成存在差异，主要表现在鱼粉组微生物氨基酸氮的比例最高、豆粕组最低，不同处理之间原虫蛋白缬氨酸含量高于细菌、细菌蛋白赖氨酸含量高于原虫。因此，瘤胃微生物的结构、组成、多样性和相对丰度的不同导致进入小肠氨基酸的类型、组成和含量产生巨大差异，从而影响整个小肠氨基酸营养代谢，瘤胃微生物对小肠的氨基酸代谢调控具有重要作用。

2.4 过瘤胃氨基酸

CP 经瘤胃降解后，进入小肠的氨基酸组成及比例发生变化，因此通过对所需氨基酸进行一定的处理，减少在瘤胃中的降解，使更多的氨基酸进入小肠为动物提供营养，提高氨基酸的利用效率。目前，反刍动物第一和第二限制性氨基酸主要为蛋氨酸或赖氨酸。Li等[39]通过在羔羊日粮中添加不同梯度的过瘤胃蛋氨酸（rumen-protected methionine，RPM）研究发现，添加量为4.5 g/d RPM 组（相比于对照组）干物质表观消化率（77.48% vs 59.95%）、体内氮的存留率（39.36% vs 30.56%）最高。多数研究表明，添加过瘤胃氨基酸能够显著改善反刍动物生产性能（表1）。给奶牛添加过瘤胃赖氨酸（rumen-protected lysine，RPL）、RPM、过瘤胃组氨酸（rumen-protected histidine，RPH），可以显著提高奶牛泌乳量约2%、增加体重（body weight，BW）约3%。给育肥羊添加RPM，可显著提高干物质采食量（dry matter intake，DMI）约5%。给犊牛添加RPL、RPM，体重可以显著提高（约2%）、平均日增重（average daily gain，ADG）提高约4%。综上所述，通过添加过瘤胃氨基酸能够增加到达小肠氨基酸的含量，保证反刍动物小肠氨基酸需要，进一步提高家畜生产性能，不仅可以提高CP利用效率，而且对于小肠氨基酸营养调控的研究具有重要意义。

表1 不同过瘤胃氨基酸对反刍动物生产性能的影响

3 小结

反刍动物CP 降解过程受到蛋白质来源、日粮类型、瘤胃微生物、消化酶互作等多种因素的影响，其中改变瘤胃微生物区系是影响和调控瘤胃CP 降解的主要途径。

氨基酸营养代谢主要与微生物氨基酸组成模式、过瘤胃蛋白质氨基酸组成模式有关， 运用过瘤胃氨基酸技术调控小肠氨基酸营养，是一种可以改善家畜生产性能的技术手段。