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蛋白質(zhì)作為動(dòng)物機(jī)體結(jié)構(gòu)和功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，其營(yíng)養(yǎng)與代謝一直是動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究的重點(diǎn)。日糧中的蛋白質(zhì)在消化道中各種酶的作用下生成游離氨基酸、二肽和三肽， 才能被機(jī)體吸收和利用。因此，蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的實(shí)質(zhì)是氨基酸營(yíng)養(yǎng)。早在1912 年，德國(guó)化學(xué)家在以犬為模型的試驗(yàn)中，首次提出將氨基酸分為營(yíng)養(yǎng)性必需氨基酸和非必需氨基酸。20 世紀(jì)50年代，基于動(dòng)物生長(zhǎng)與機(jī)體的氮平衡理論，Rose 等對(duì)這一分類(lèi)方法進(jìn)行了補(bǔ)充和完善。必需氨基酸是指其碳骨架在動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)不能合成或合成量不能滿足最佳生長(zhǎng)、發(fā)育和健康的需要，因而必須由飼糧供給的氨基酸。相反，非必需氨基酸（也稱(chēng)為動(dòng)物細(xì)胞可合成的氨基酸）是指能在動(dòng)物體內(nèi)合成并滿足動(dòng)物維持、生長(zhǎng)、發(fā)育和健康的需要，因而無(wú)需由飼糧供給的氨基酸。早期的這種氨基酸分類(lèi)方法，促進(jìn)了氨基酸營(yíng)養(yǎng)研究及其在動(dòng)物飼糧中的應(yīng)用， 推動(dòng)了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。然而，最近二十多年的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)意義上的非必需氨基酸除參與蛋白質(zhì)的合成外，還具有多種重要的生理功能。Wu在系統(tǒng)地研究氨基酸代謝與生理生化機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出營(yíng)養(yǎng)學(xué)上“功能性氨基酸”這一新概念，是指除合成蛋白質(zhì)外， 對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖泌乳、免疫反應(yīng)和健康有重要影響的氨基酸。功能性氨基酸對(duì)動(dòng)物最佳的生長(zhǎng)發(fā)育是必需的，包括精氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸和色氨酸 。功能性氨基酸攝入不足可引起血漿氨基酸水平下降和生長(zhǎng)因子分泌減少，降低機(jī)體的免疫功能，影響?zhàn)B豬業(yè)的健康和可持續(xù)性發(fā)展。“功能性氨基酸”的提出，拓展了傳統(tǒng)意義上把氨基酸分為必需氨基酸與非必需氨基酸的局限，推動(dòng)了豬蛋白質(zhì)和氨基酸營(yíng)養(yǎng)的理論研究和創(chuàng)新。本文就豬功能性氨基酸營(yíng)養(yǎng)與代謝研究的國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)及存在的問(wèn)題進(jìn)行綜述和探討，為動(dòng)物蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的進(jìn)一步深入研究和應(yīng)用提供參考。
1 氨基酸在豬小腸的代謝
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(jìn)行不同程度的代謝和利用，稱(chēng)為首過(guò)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(lài)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(shí)也改變了日糧中用于動(dòng)物生長(zhǎng)的氨基酸供給，影響機(jī)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(shí)，盡可能增加進(jìn)入肝門(mén)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(yíng)養(yǎng)調(diào)控策略。
2 腸道微生物與氨基酸代謝
動(dòng)物腸道中存在著數(shù)量和種類(lèi)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(dòng)物機(jī)體是宿主細(xì)胞與微生物的超級(jí)生物體。腸道的首過(guò)代謝改變了進(jìn)入門(mén)靜脈的氨基酸組成。進(jìn)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(guò)代謝。通過(guò)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(lài)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(duì)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(lèi)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(zhǎng)期共進(jìn)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(cè)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(jī)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(jìn)乳酸菌等有益微生物的增殖，抑制條件性致病菌的定殖，進(jìn)而直接或間接影響機(jī)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(dá)，改善仔豬的生長(zhǎng)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(duì)營(yíng)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(yíng)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(dòng)物機(jī)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(shí)才剛剛開(kāi)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(jìn)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(dòng)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(jìn)展緩慢。16S rRNA 和宏基組測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)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(bào)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(jī)制尚不清楚，還需要進(jìn)一步更為深入的研究。無(wú)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(jī)制，推動(dòng)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)科的發(fā)展與進(jìn)步。
3 功能性氨基酸與豬腸上皮屏障功能
豬小腸上皮細(xì)胞的黏膜側(cè)和基底膜側(cè)在蛋白表達(dá)、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(lài)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(bǔ)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(yùn)載體表達(dá)，增加血漿中氨基酸水平，提高仔豬的生長(zhǎng)性能。這主要是由于功能性氨基酸通過(guò)激活小腸和肌肉組織中蛋白質(zhì)合成的mTORC1 信號(hào)通路，并抑制蛋白質(zhì)降解相關(guān)基因的表達(dá)，促進(jìn)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(zhǎng)發(fā)育，給養(yǎng)豬業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)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(yíng)養(yǎng)因素。補(bǔ)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(jìn)腸上皮細(xì)胞間緊密連接蛋白表達(dá)，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(guò)鈣調(diào)素依賴(lài)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(guò)促進(jìn)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(bǔ)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(guò)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(lái)的不利影響提供了重要的理論依據(jù)。
4 氨基酸與母豬繁殖性能
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(gè)重要原因。 胎盤(pán)是母體與胎兒之間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、氧氣和CO2 以及代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)的器官。子宮胎盤(pán)間血流量的大小與胎兒營(yíng)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(duì)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(jìn)胚胎滋養(yǎng)層細(xì)胞增殖及胎盤(pán)中NO 和多胺的合成，進(jìn)而促進(jìn)血管的生成，提高胎盤(pán)對(duì)胎兒的營(yíng)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(bǔ)充精氨酸家族氨基酸明顯提高了仔豬的免疫功能、生長(zhǎng)性能和平均日增重。
5 寡肽營(yíng)養(yǎng)與豬的生長(zhǎng)發(fā)育
長(zhǎng)期以來(lái)，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(duì)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(dòng)物的長(zhǎng)期進(jìn)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(zhǎng)的效應(yīng)明顯高于游離氨基酸，這可能與其促進(jìn)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(pán)中氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體表達(dá)， 促進(jìn)母體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)效率和胎豬的生長(zhǎng)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(guò)仔豬小腸上皮上的肽轉(zhuǎn)運(yùn)載體，促進(jìn)小腸絨毛的增殖和發(fā)育。動(dòng)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(diǎn)。已報(bào)道的生物活性肽已達(dá)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(shí)間）、純化工藝密切相關(guān)。相信隨著活性肽制備工藝改進(jìn)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(dòng)物體內(nèi)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝的機(jī)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(shí)可行的小肽營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)價(jià)和質(zhì)量控制體系以及檢測(cè)技術(shù)是小肽營(yíng)養(yǎng)研究亟待解決的問(wèn)題。高分辨質(zhì)譜和高效液相色譜檢測(cè)技術(shù)的突破將極大促進(jìn)活性肽在動(dòng)物科學(xué)中的研究與應(yīng)用。
6 豬對(duì)動(dòng)物細(xì)胞可合成的氨基酸的需要量
腸道是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化、吸收的重要場(chǎng)所，也是機(jī)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和維持動(dòng)物生長(zhǎng)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(duì)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(yíng)養(yǎng)和生理功能，推動(dòng)了人們對(duì)蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的認(rèn)識(shí)和理解。傳統(tǒng)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)理論中的理想蛋白模式僅僅考慮動(dòng)物對(duì)必需氨基酸的需求，忽視了由動(dòng)物細(xì)胞合成的氨基酸在腸道、腸外組織器官和動(dòng)物機(jī)體發(fā)揮最佳生產(chǎn)性能中的重要作用。基于可合成氨基酸的最新研究結(jié)果，認(rèn)為氨基酸的平衡理論要同時(shí)考慮必需氨基酸和非必需氨基酸，要考慮宿主對(duì)氨基酸的需要，也要考慮腸道微生物對(duì)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(duì)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(dòng)氨基酸營(yíng)養(yǎng)的研究和應(yīng)用，并為養(yǎng)豬生產(chǎn)中通過(guò)非必需氨基酸營(yíng)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(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)，這對(duì)于人和其他動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)學(xué)也具有一定的借鑒意義。
7 展 望
近年來(lái)，畜禽氨基酸營(yíng)養(yǎng)取得了一系列的重要研究進(jìn)展。盡管如此，仍然有許多問(wèn)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(jìn)而通過(guò)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(dòng)態(tài)適應(yīng)機(jī)制；氨基酸代謝產(chǎn)物對(duì)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(jī)制；氨基酸調(diào)節(jié)脂肪代謝與沉積的機(jī)制；氨基酸調(diào)節(jié)基因表達(dá)的表觀遺傳學(xué)機(jī)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(cè)定豬的氨基酸需要量需配制純合或半純合日糧，因此生長(zhǎng)育肥豬、妊娠母豬和泌乳母豬氨基酸需要量的測(cè)定試驗(yàn)成本較高。以大鼠、小鼠和魚(yú)等作為試驗(yàn)動(dòng)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(guó)飼用蛋白質(zhì)資源嚴(yán)重缺乏，對(duì)進(jìn)口大豆的依存度高達(dá)70%。通過(guò)對(duì)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(lái)的污染，緩解蛋白質(zhì)飼料資源的緊缺對(duì)我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)帶來(lái)的不利影響和挑戰(zhàn)。
簡(jiǎn)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(dòng)了氨基酸在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用。突破傳統(tǒng)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)中氨基酸分類(lèi)方法的局限，全方位考慮氨基酸的營(yíng)養(yǎng)價(jià)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(wú)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(jìn)畜牧業(yè)的健康和可持續(xù)性發(fā)展。
來(lái)源：武振龍， 伍國(guó)耀 中國(guó)畜牧雜志
