豬蛋白質(zhì)營養(yǎng)與代謝研究的新發(fā)現(xiàn)和展望

豬小腸能夠?qū)θ占Z中可消化的必需氨基酸與非必需氨基酸進行不同程度的代謝和利用，稱為首過代謝。日糧中97% 的谷氨酸、95% 的天冬氨酸、67% 的谷氨酰胺、50% 蘇氨酸、45% 的賴氨酸、40% 的精氨酸和脯氨酸、35% 的支鏈氨基酸、絲氨酸和苯丙氨酸、30% 蛋氨酸、組氨酸、胱氨酸、甘氨酸和酪氨酸、25% 的色氨酸在小腸被分解代謝。豬小腸被分解代謝的氨基酸，一部分用于生成ATP，為腸上皮細(xì)胞提供能量，或用于合成腸黏膜中的蛋白質(zhì)和其他小分子物質(zhì)，如核酸、谷胱甘肽、一氧化氮、多胺、抗菌肽和黏蛋白等，其余為腸道中細(xì)菌所利用，用于菌體蛋白的合成并維持腸道內(nèi)微生態(tài)平衡。小腸中存在的大量的氨基酸代謝，一方面有助于消化道內(nèi)氮的循環(huán)和轉(zhuǎn)化，同時也改變了日糧中用于動物生長的氨基酸供給，影響機體的整體代謝和健康。因此，合理的氨基酸供給應(yīng)在保障腸上皮屏障功能及腸道微生態(tài)平衡的氨基酸需要的同時，盡可能增加進入肝門靜脈的氨基酸含量和比例，這可能是一種更為合理和高效的氨基酸營養(yǎng)調(diào)控策略。

動物腸道中存在著數(shù)量和種類豐富的腸道微生物， 其數(shù)量是體細(xì)胞的10 倍，因此人和動物機體是宿主細(xì)胞與微生物的超級生物體。腸道的首過代謝改變了進入門靜脈的氨基酸組成。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，豬的腸上皮細(xì)胞能代謝支鏈氨基酸，卻不能氧化其他必需氨基酸，這提示腸道細(xì)菌可能參與了氨基酸的首過代謝。通過微生物厭氧培養(yǎng)技術(shù)，Dai 等研究發(fā)現(xiàn)，十二指腸、空腸和回腸的細(xì)菌能大量代謝賴氨酸、蘇氨酸、精氨酸、谷氨酸和亮氨酸，中等程度地代謝異亮氨酸、纈氨酸和組氨酸；相反，這些細(xì)菌對脯氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸和色氨酸代謝最弱。不同的腸道微生物可代謝氨基酸的種類和能力各不相同，腸腔微生物更多地分解代謝氨基酸，腸壁微生物則更多地參與氨基酸的合成代謝。有趣的是，腸道微生物與腸上皮細(xì)胞在氨基酸代謝方面存在分工與協(xié)作，這可能是宿主細(xì)胞與微生物長期共進化和選擇的結(jié)果。被腸道細(xì)菌利用的氨基酸的具體代謝途徑和產(chǎn)物目前還不清楚， 推測這些產(chǎn)物可能與菌體蛋白的合成、其他小分子物質(zhì)（如維生素）的合成、調(diào)節(jié)微生物增殖與代謝有關(guān)。腸道微生物菌群失衡能夠引起上皮屏障結(jié)構(gòu)和功能的改變，影響機體代謝和健康。

另一方面，添加外源性氨基酸可以調(diào)節(jié)豬腸道的微生物組成與比例，促進乳酸菌等有益微生物的增殖，抑制條件性致病菌的定殖，進而直接或間接影響機體消化道生理和腸屏障功能。Dai 等發(fā)現(xiàn), 谷氨酰胺、精氨酸能調(diào)節(jié)腸道微生物的氨基酸利用和代謝。本課題組最近的研究發(fā)現(xiàn) ，斷奶仔豬日糧中添加適量色氨酸可以調(diào)節(jié)小腸及后腸的微生物組成和腸上皮組織中緊密連接蛋白表達，改善仔豬的生長性能。這可能與色氨酸的代謝產(chǎn)物激活了芳香烴受體，提高了腸道免疫有關(guān)（未發(fā)表數(shù)據(jù)）。這些結(jié)果提示，氨基酸在腸道微生物與宿主細(xì)胞互作中可能發(fā)揮著非常重要的作用。

腸道微生物對營養(yǎng)物質(zhì)吸收和代謝的影響已被廣泛關(guān)注。鑒于腸道微生物在營養(yǎng)的吸收、代謝與免疫調(diào)節(jié)中的重要作用，有學(xué)者提出把腸道微生物看作是動物機體特殊而且必需的重要組成。功能性氨基酸在豬腸道微生物和氨基酸代謝中的重要生理學(xué)功能的認(rèn)識才剛剛開始。腸道菌群穩(wěn)態(tài)受遺傳和環(huán)境因素的影響。飼糧中的氨基酸組成和比例影響腸道微生物的組成和豐度， 微生物代謝中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物（多胺和生物胺等）作用于腸上皮細(xì)胞、內(nèi)分泌細(xì)胞、上皮淋巴細(xì)胞等，進而影響腸屏障功能。不同的腸道微生物在氨基酸代謝上存在協(xié)同或拮抗效應(yīng)，加之體外培養(yǎng)條件與動物體內(nèi)環(huán)境的差異性，腸道微生物與氨基酸代謝相關(guān)的研究進展緩慢。16S rRNA 和宏基組測序技術(shù)的應(yīng)用，推動了相關(guān)研發(fā)的深入。值得注意的是，腸道微生物相關(guān)的報道大多為描述性的研究，氨基酸在宿主細(xì)胞和腸道微生物互作中確切的分子機制尚不清楚，還需要進一步更為深入的研究。無菌豬腸道菌移植模型有助于挖掘腸道微生物功能， 闡釋氨基酸在腸道菌群失調(diào)與腸道疾病中的機制，推動動物營養(yǎng)學(xué)科的發(fā)展與進步。

豬小腸上皮細(xì)胞的黏膜側(cè)和基底膜側(cè)在蛋白表達、生理功能和氨基酸代謝方面存在明顯差異。這些細(xì)胞能夠分解丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、脯氨酸、支鏈氨基酸，但不能分解利用天冬酰胺、甘氨酸、半胱氨酸、絲氨酸、組氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸和酪氨酸。豬小腸上皮細(xì)胞幾乎不能凈合成谷氨酰胺、谷氨酸和甘氨酸，但這些氨基酸是維持腸上皮細(xì)胞正常功能所必需的。在血液里所有的氨基酸中，谷氨酰胺是唯一能夠被腸上皮細(xì)胞攝取的氨基酸。最近的研究發(fā)現(xiàn)，給哺乳仔豬或斷奶仔豬補充功能性氨基酸，能改善小腸絨毛結(jié)構(gòu)和氨基酸轉(zhuǎn)運載體表達，增加血漿中氨基酸水平，提高仔豬的生長性能。這主要是由于功能性氨基酸通過激活小腸和肌肉組織中蛋白質(zhì)合成的mTORC1 信號通路，并抑制蛋白質(zhì)降解相關(guān)基因的表達，促進了蛋白質(zhì)沉積。斷奶應(yīng)激綜合癥嚴(yán)重影響仔豬的生長發(fā)育，給養(yǎng)豬業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟損失。谷氨酰胺、甘氨酸、谷氨酸是仔豬腸道發(fā)育必需的重要氨基酸。斷奶后的仔豬從飼料中攝取的這3 種氨基酸明顯低于其斷奶前從乳中的攝取量，這可能是造成腸絨毛脫落、屏障功能下降的重要營養(yǎng)因素。補充谷氨酰胺可以明顯改善斷奶仔豬的腸絨毛結(jié)構(gòu)， 促進腸上皮細(xì)胞間緊密連接蛋白表達，提高仔豬平均日增重。體外研究發(fā)現(xiàn)，谷氨酰胺主要通過鈣調(diào)素依賴蛋白激酶激酶2（CaMKK2）和糖皮質(zhì)激素釋放因子調(diào)節(jié)仔豬腸黏膜通透性，并通過促進GSH 生成，減少氧化應(yīng)激引起的細(xì)胞凋亡，維持腸道微環(huán)境中的氧化還原穩(wěn)態(tài)。7~21 日齡的哺乳仔豬補充甘氨酸， 可明顯改善斷奶應(yīng)激引起的腸屏障功能下降，降低血氨和尿素氮水平，提高蛋白質(zhì)利用效率。豬小腸上皮細(xì)胞培養(yǎng)液中非必需氨基酸，引起細(xì)胞死亡和單層上皮細(xì)胞電阻的下降和通透性的增加，提示了非必需氨基酸在腸上皮屏障中的重要作用。這些研究為通過谷氨酰胺、谷氨酸和甘氨酸的合理添加，改善斷奶應(yīng)激給養(yǎng)豬生產(chǎn)帶來的不利影響提供了重要的理論依據(jù)。

早期的胚胎死亡或丟失直接響母豬的繁殖性能和養(yǎng)豬業(yè)生產(chǎn)效率。 氨基酸缺乏或供給不足是造成胚胎或胎兒發(fā)育不良和存活率低的一個重要原因。 胎盤是母體與胎兒之間營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣和CO₂ 以及代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)運的器官。子宮胎盤間血流量的大小與胎兒營養(yǎng)物質(zhì)吸收和發(fā)育密切相關(guān)。精氨酸家族的氨基酸在妊娠30~40 d 的豬尿囊液中含量非常豐富，占尿囊液中游離氨基酸氮總量67%~80%，提示其對胚胎發(fā)育和胎兒存活有重要作用。母豬飼糧中添加精氨酸家族氨基酸能促進胚胎滋養(yǎng)層細(xì)胞增殖及胎盤中NO 和多胺的合成，進而促進血管的生成，提高胎盤對胎兒的營養(yǎng)物質(zhì)供給， 改善胎兒的存活和發(fā)育，提高窩產(chǎn)活仔數(shù)和母豬泌乳性能。7~21 日齡的哺乳仔豬合成精氨酸有限，不利于其最大生產(chǎn)性能的發(fā)揮，補充精氨酸家族氨基酸明顯提高了仔豬的免疫功能、生長性能和平均日增重。

長期以來，游離氨基酸被認(rèn)為是飼糧中蛋白質(zhì)吸收的主要形式。近年的科學(xué)研究表明，蛋白質(zhì)在腸道消化酶水解后的主要吸收形式是寡肽。相對于游離氨基酸， 小肽被腸上皮細(xì)胞吸收更高效，這可能是動物的長期進化和選擇的結(jié)果。斷奶仔豬日糧中添加0.5% 丙氨酰- 谷氨酰胺二肽提高了仔豬肌肉中的蛋白質(zhì)沉積，而且這種促生長的效應(yīng)明顯高于游離氨基酸，這可能與其促進組織中蛋白質(zhì)合成，減少腸上皮細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷有關(guān)。本課題組研究發(fā)現(xiàn)，妊娠后期母豬日糧中添加小麥水解蛋白能夠提高胎盤中氨基酸轉(zhuǎn)運載體表達， 促進母體營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運效率和胎豬的生長發(fā)育，提高仔豬初生窩重。豬乳中的甘氨酰- 脯氨酰- 羥脯氨酸三肽通過仔豬小腸上皮上的肽轉(zhuǎn)運載體，促進小腸絨毛的增殖和發(fā)育。動物副產(chǎn)品或植物蛋白源在腸道復(fù)合酶的消化作用下生成小肽，能有效地去除抗?fàn)I養(yǎng)因子， 并具有游離氨基酸不具備的生物活性而成為新的研究熱點。已報道的生物活性肽已達數(shù)百種之多。 蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的活性肽成分與底物組成、水解條件（pH、溫度、作用時間）、純化工藝密切相關(guān)。相信隨著活性肽制備工藝改進和生產(chǎn)成本的下降，這些功能性活性肽將在養(yǎng)豬生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。到目前為止，小肽在動物體內(nèi)吸收、轉(zhuǎn)運和代謝的機制以及生理學(xué)功能尚不明確，需要深入和系統(tǒng)的研究。建立切實可行的小肽營養(yǎng)價值評價和質(zhì)量控制體系以及檢測技術(shù)是小肽營養(yǎng)研究亟待解決的問題。高分辨質(zhì)譜和高效液相色譜檢測技術(shù)的突破將極大促進活性肽在動物科學(xué)中的研究與應(yīng)用。

腸道是營養(yǎng)物質(zhì)消化、吸收的重要場所，也是機體最大的免疫器官。豬腸道的結(jié)構(gòu)和功能的完整性是其吸收日糧中營養(yǎng)物質(zhì)和維持動物生長發(fā)育、繁殖泌乳及其他生理功能的前提。小腸上皮細(xì)胞和腸道微生物對氨基酸的代謝研究，揭示了非必需氨基酸在腸道健康中的重要營養(yǎng)和生理功能，推動了人們對蛋白質(zhì)營養(yǎng)的認(rèn)識和理解。傳統(tǒng)動物營養(yǎng)學(xué)理論中的理想蛋白模式僅僅考慮動物對必需氨基酸的需求，忽視了由動物細(xì)胞合成的氨基酸在腸道、腸外組織器官和動物機體發(fā)揮最佳生產(chǎn)性能中的重要作用?；诳珊铣砂被岬淖钚卵芯拷Y(jié)果，認(rèn)為氨基酸的平衡理論要同時考慮必需氨基酸和非必需氨基酸，要考慮宿主對氨基酸的需要，也要考慮腸道微生物對氨基酸的代謝和需要。Wu等在系統(tǒng)研究豬氨基酸與代謝的基礎(chǔ)上，提出了日糧可消化氨基酸的推薦添加量，對豬的日糧優(yōu)化有重要指導(dǎo)意義。這種新的氨基酸平衡理論，將宿主與微生物作為統(tǒng)一整體，全方位考慮傳統(tǒng)意義上的必需氨基酸與非必需氨基酸，將極大地推動氨基酸營養(yǎng)的研究和應(yīng)用，并為養(yǎng)豬生產(chǎn)中通過非必需氨基酸營養(yǎng)優(yōu)化飼糧的配制、提高日糧氮的利用效率提供了試驗依據(jù)和理論基礎(chǔ)，這對于人和其他動物的營養(yǎng)學(xué)也具有一定的借鑒意義。

近年來，畜禽氨基酸營養(yǎng)取得了一系列的重要研究進展。盡管如此，仍然有許多問題需要解決。例如，腸上皮細(xì)胞和腸道微生物如何感應(yīng)日糧中的氨基酸模式并作出響應(yīng)，進而通過不同的代謝途徑完成氮在不同組織器官的分配與周轉(zhuǎn)；氨基酸代謝與腸道發(fā)育的動態(tài)適應(yīng)機制；氨基酸代謝產(chǎn)物對腸內(nèi)分泌細(xì)胞功能、腸道發(fā)育、黏膜免疫以及腦腸軸調(diào)節(jié)中的生理學(xué)功能；小肽與游離氨基酸吸收形式的切換機制；氨基酸調(diào)節(jié)脂肪代謝與沉積的機制；氨基酸調(diào)節(jié)基因表達的表觀遺傳學(xué)機理；非必需氨基酸的最佳需要量等，還需要更為深入的研究。測定豬的氨基酸需要量需配制純合或半純合日糧，因此生長育肥豬、妊娠母豬和泌乳母豬氨基酸需要量的測定試驗成本較高。以大鼠、小鼠和魚等作為試驗動物得到的研究結(jié)果，可為豬的可合成氨基酸的需要量模式提供重要參考。我國飼用蛋白質(zhì)資源嚴(yán)重缺乏，對進口大豆的依存度高達70%。通過對晶體氨基酸或蛋白水解活性肽的合理使用，結(jié)合低蛋白日糧配制技術(shù)，有助于提高日糧蛋白質(zhì)的利用效率，減少氮排放給環(huán)境帶來的污染，緩解蛋白質(zhì)飼料資源的緊缺對我國養(yǎng)豬業(yè)帶來的不利影響和挑戰(zhàn)。

簡言之，氨基酸生物化學(xué)與生理學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)研究推動了氨基酸在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用。突破傳統(tǒng)動物營養(yǎng)學(xué)中氨基酸分類方法的局限，全方位考慮氨基酸的營養(yǎng)價值，將功能性氨基酸的基礎(chǔ)研究應(yīng)用于豬日糧的配制，無疑將提高飼料蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率和養(yǎng)豬業(yè)的生產(chǎn)效率，促進畜牧業(yè)的健康和可持續(xù)性發(fā)展（參考文獻略）。