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回归根本 |「低蛋白日粮」的理论基础和解题思路,你真的清楚了吗?

2019-06-21 08:37:18来源:绿叶公司作者:浏览:次 分享:
回归根本 |「低蛋白日粮」的理论基础和解题思路,你真的清楚了吗?

中国饲料工业协会的两项「新·饲养标准」已经发布一个多月了。

这两项标准—— 《仔猪、生长育肥猪配合饲料》与《蛋鸡、肉鸡配合饲料》——于2018年11月1日正式开始推广实施。

与2008年版的国家标准相比,这两项新标准增设了「粗蛋白」和「总磷」的上限,下调了部分指标的下限值,并且增加了限制性氨基酸的品种 (在赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸的基础上增加了缬氨酸和色氨酸)。

而其中,最受关注的莫过于粗蛋白的新标准。

在以往动物营养师常用的饲养标准中(比如NRC,国标等),通常只会标出粗蛋白的最低值——这很好理解,动物生长需要一定量的蛋白质,少了是万万不行的。但这一次,新标准不仅增设了「上限」,并且猪配合饲料中的平均粗蛋白水平由16%降至14%。蛋鸡、肉鸡配合饲料的平均粗蛋白水平也下调了约1.5个百分点。

新饲养标准的粗蛋白水平

新标准的发行,将「低蛋白日粮」这个话题推到了行业的风口浪尖。

那么,到底什么是「低蛋白日粮」呢?

低蛋白日粮是什么?

低蛋白日粮的定义,是指将日粮中的粗蛋白(crude protein)水平降低,同时通过添加适宜种类和数量「合成氨基酸」(synthetic amino acids) 来满足动物对氨基酸的需求,从而不影响动物的生长性能和产品品质。

注意:低蛋白日粮并不是“低于需要量”, 而是需要量评定已经由“粗”入“精” 。从前在动物营养学还比较“粗”的时期,动物的需要量得按粗蛋白来设定(粗蛋白之所以姓「粗」,就是因为它不够精细嘛) 。如今,随着大家对蛋白质营养的实质的理解,我们已经知道,动物对粗蛋白的需求实质上是对「氨基酸」的需求,并且已建立了动物营养中能量、蛋白质、氨基酸的平衡理论,拥有了大量支撑数据。

这么一来, 我们可以更加精细地按「可消化氨基酸」的基础来评定动物需要量,根据氨基酸平衡理论,剔除从”intact protein”(如豆粕)里来的多余的氨基酸,从而降低整个日粮的蛋白质水平。

在上图这个肉鸡日粮的例子中,我们可以看到豆粕的用量降低了52%, 合成氨基酸的用量从5.79 g/kg 增加至 23.43 g/kg。同时为了保证能量,玉米用量增加了26.8%。 最终,两个配方的能值相等,蛋白水平从20%下降至15.6%,理论上动物对必需氨基酸的需求是满足的。

低蛋白日粮的理论基础

讲到这里,我们可以看出,低蛋白日粮的理论基础实质上就是「氨基酸平衡」。

这里的平衡,到底是什么意思呢?

这便要说到著名的「木桶理论」了。我们想象每一个氨基酸为一块木板,它们共同组成了一个木桶,那么木桶里能装多少水,取决的就是最短的那块木板。 在营养学上,蛋白质的合成必须要求其所需的所有氨基酸同时在场,如果哪个氨基酸缺席了,或者量不太够,那么所能合成的蛋白质也就只能限于此了。这个时候,这个氨基酸即为木桶中最短的木板。在营养学上,我们称最短的木板为「第一限制性氨基酸」,第二短的为「第二限制性氨基酸」,以此类推。当最短的木板被补齐后,原先的第二限制性氨基酸就顺位晋升为第一限制性氨基酸了。

如果合成一个蛋白质所需要100个赖氨酸,80个蛋氨酸,70个苏氨酸,等等等等。那么,当这些所有的氨基酸都100%在场时,这时的氨基酸的组成和比例就是平衡的,没有短缺,也没有浪费。

如果一个木桶代表一种原料,那么可以想像,每一种原料的木板都有高有短,参差不齐。如何将所有原料在合成氨基酸的配合下拼凑起来,达到100%的完整的「配合大木桶」(i.e. 配合饲料),就是「低蛋白日粮」所追求的目标。


氨基酸的木桶原理 & 不同原料的氨基酸组成都不尽相同

但问题是,我们怎么知道这个「配合大木桶」该长啥样呢?不知道目标,岂不是无从下手?

这时,就需要「理想蛋白」(ideal protein) 理论来指导了。所谓理想蛋白,是指它的「氨基酸组成和比例」与动物所需蛋白质的氨基酸的组成和比例一致,从而使动物对理想蛋白的利用率可达100%。

理想蛋白其实并不是一个新鲜的概念,从它的提出至今已将近80年了。但第一次将理想蛋白的概念与动物营养需要量联系起来的,则是1981年英国农业研究委员会(ARC)所出版的《猪的营养需要》。

简单来讲,在动物营养学上,理想蛋白的应用分三个步骤:

1. 确定动物所需要的氨基酸的组成和比例。

这一步的目的是知己——搞清楚自己要的是啥,这就是所谓的「理想蛋白质模式」。早期理想蛋白模式的建立大多是参照机体的蛋白氨基酸组成, 比如肉鸡和猪,就测测胴体的氨基酸组成;蛋鸡呢,就测测鸡蛋的氨基酸组成。这是最直截了当的方法,

但这个方法却只考虑了「生产需求」,没能考虑到「维持需要」以及氨基酸的再利用。而现在普遍认为更为准确的方法称为「耗竭法」,它的本质是氮平衡实验 —— 其基本原理是能够得到最大氮沉积率的模式便是理想氨基酸模式,并且在理想蛋白中,每一种氨基酸都是「同等限制性」的(因为木桶完整了嘛)。这样一来,如果去除日粮中的某种氨基酸的一部分(比如20%),而氮沉积没有受到影响的话,那么这一部分相对而言就是多余的。这样一点一点剔除掉多余的成分或量,就可以确定不同状况下(维持、沉积、泌乳)理想的氨基酸模型。

在猪禽中,理想蛋白模式一般选择「赖氨酸」作为参照物 (100%),其它氨基酸分别按照它们与赖氨酸的比例来表示。 为什么选赖氨酸?首先因为它重要,在猪上它往往是第一限制性氨基酸,在家禽中则是第二限制性氨基酸。其次因为它的化学分析简单准确,并且唯一的功能便是合成蛋白质,不像其它氨基酸(如蛋氨酸)还有许多五花八门的功能。因此几十年来,动物营养学对赖氨酸需要量的研究最为广泛,也因而最便于利用。

不同标准推荐的生长育肥猪的理想蛋白模式
(引自Ajinomoto)


2. 确定不同饲料和饲料原料的「可消化氨基酸」。

这一步的目的则是知彼——搞清楚原料能提供啥。需要注意的是,光通过化学分析知道原料所含的「总」氨基酸是远远不够的,动物对蛋白质的消化吸收不是100%的,因此也不能直接与理想蛋白挂钩。所以这一步的关键,是搞清楚不同原料中「可消化」的氨基酸有多少。

这里的「可消化氨基酸」 指食入的饲料蛋白质经消化后被吸收的氨基酸,一般通过消化实验测得 —— 我们常采用的是回肠末端收取食糜的方法,这个方法测出的叫做「回肠表观可消化氨基酸」(apparent ileal digestibility, AID)。与此同时,在食糜中除了那些“外来的”没被消化的营养物质之外,还往往含有“内源”的排泄物(endogenous loss), 比如消化道分泌物(如消化酶)、黏膜脱落细胞,微生物等。因此,在回肠表观可消化氨基酸的基础上,扣除掉内源损失(即蛋白摄入为0时的氨基酸排出),得到的「回肠标准可消化氨基酸」(standardized ileal digestibility, SID --- 回去看看上图) 能够更准确地反应动物对氨基酸的消化吸收程度,并且不受蛋白质摄入量的多少而变化。还有更准确的一个指标,叫做「回肠真可消化氨基酸」(true ileal digestbility, TID), 但是它的测定需要考虑日粮特异性的内源损失,更为复杂麻烦,因此实际生产中很少使用。目前,SID是推荐使用的指标。

可消化氨基酸的不同表示方式
(引自Stein, 2007)

3. 知己知彼之后,我们知道了要建造一个什么样的大木桶,也知道了每一个小木桶的木板长短,那么通过计算,便可精确地配制出符合动物氨基酸需要的日粮了。

不同研究机构推荐的肉鸡理想蛋白模式
(引自张显东博士)

为什么要推广低蛋白日粮?

文章开头提到的两项新饲养标准,其实属于「团体标准」, 即“国家鼓励学会、产业技术联盟等社会团体协调相关市场主体共同制定的、满足市场和创新需要的标准」。它们并非强制执行的,但却代表的是行业专家的引导和未来的发展方向。

为什么要朝这个方向引导?

从其理论基础上来看,低蛋白日粮的益处其实已清晰可见—— 既然剔除了多余的氨基酸,保证了最合理、最大化地利用原料,那么自然,氮的排放减少,饲料成本降低(嗯, 在合成氨基酸夜夜骑视频合理的基础上)。中国农大谯仕彦老师的团队在这方面做了大量研究,他们的研究结果显示,日粮粗蛋白每降低1个百分点,减少蛋白质原料用量3个百分点,饲料成本可降低1.5%,氮的排放可降低8-10%。

畜牧生产中氮的排放是严重的环境问题

猪日粮中蛋白水平每降低1%,氮的排放可降低8-10%
(引自Wang et al., 2018)

而从动物自身的角度看,当然是吃得合适最好。如果摄入蛋白质过多或氨基酸模式不够理想,那么要处理掉消化吸收后无法利用的多余的氨基酸,也是一件麻烦事 —— 得通过脱氨基、尿素循环等过程从身体排出,否则对身体有害。 这本身是就是一个耗能的过程,对提高生产效率并无益处。并且,小肠内未被消化吸收的营养物质转移到后肠,又可能对微生物菌群的结构和数量带来负面影响,这在以前文章中已提到多次,就不展开说了。

与此同时,减少“intact protein”的使用,也可减少国家对豆粕等蛋白原料的进口依赖性。据估算,新标准在全行业全面推行后,养殖业的豆粕年消耗量将有望降低约1100万吨,带动减少大豆需求约1400万吨。在纷纷扰扰的国际贸易环境下,这是好事。

引用新标准中的引言:
“我国是饲料资源短缺的国家,蛋白质饲料长期以来进口(进口依存度接近80%),成为制约我国饲料工业和养殖业发展的瓶颈。与此同时,我国也是养殖大国,肉、蛋产量连续多年位居全球第一,但动物粪便排放产生的环境污染已经成为农村环境治理的一大难题……为推动饲料行业科技进步,减少饲料原料消耗,降低养殖业对环境总成的污染,本标准对粗蛋白、总磷在常规只设定下限值的基础上增设了上限值。“

说到底,低蛋白日粮是通往「精准营养」的必经之路。

低蛋白日粮的难点与解题思路
的确,站在行业可持续发展的高度,推广「低蛋白日粮」有诸多好处。但是新标准的推行也让动物营养师们迎来了新挑战 —— 低蛋白日粮应该如何配制?豆粕用量能降低多少?合成氨基酸该添加多少?减少豆粕的条件下,可否利用、如何利用非常规蛋白原料?… 这些,都是我们需要紧急思考与应对的问题。

目前而言,使用低蛋白日粮最大的难点,或许便是「保证动物生长性能」和「保证猪的瘦肉率」了。

毫无疑问,过多地降低日粮粗蛋白会损害动物的生长性能,粗蛋白降了之后氨基酸添加水平不恰当也不能最优化生长性能。但是,回到文章开头,我们已经提到,低蛋白日粮的定义其实已经要求以「不影响动物生长性能」为前提。

要达到这个前提,根据前面讲的理论基础,首要配制核心便是「等氨基酸」,并且必须是以「可消化氨基酸」为基础。不同于欧美地区万年不变的玉米豆粕型日粮或小麦玉米豆粕型日粮,我们国内的原料种类更多样化,这就要求对不同原料——尤其是大家还不太熟悉的「非常规原料」——的营养价值评定和数据采集做大量工作,从而更准确地估计原料可消化氨基酸,减少误差。

另外,当玉米豆粕型日粮中的蛋白质逐渐降低,限制性氨基酸的顺序也将有所变化, 从刚开始的赖氨酸、蛋氨酸, 慢慢到缬氨酸、异亮氨酸、精氨酸, 等等等等。然而今天的市场上能够大量被利用的,也只有赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、和色氨酸。因此,不可避免地,今天的日粮中还会继续存在“多余”的intact protein, 来保证不能被合成氨基酸cover的必需氨基酸需求。

当猪的日粮粗蛋白逐渐降低,第一限制性氨基酸的顺序
(引自Ajinomoto)

当肉鸡的日粮粗蛋白逐渐降低,第一限制性氨基酸的顺序
(引自Si et al., 2004)


低蛋白日粮影响猪的瘦肉率也是行业普遍反应的一个难点。这其中的原因就在于配制低蛋白饲料时,降低了蛋白原料用量,相应增加了能量原料用量;同时,动物少了处理多余的氮的这一耗能步骤,所能利用的能量也相应更多,这时能量和蛋白的平衡不好掌握,猪便容易过肥、背膘过厚、瘦肉率降低。

解决这个问题的思路则是派「净能系统」上场。目前家禽业普遍使用代谢能体系,而猪大多使用消化能体系。然后,净能体系是唯一与产品紧密联系的、最准确的能量评估体系。举个例子,对肉鸡而言,尽管玉米和豆粕的代谢能相似(约为15MJ/kg),但玉米的净能却大大高于豆粕(12 vs. 8 MJ/kg),因此如果仅仅通过增加玉米用量来降低豆粕用量,那么虽然ME差别不大,低蛋白日粮的NE其实是升高的,这就造成了能量过剩。(有关能量体系,我在以前的文章写过,请戳文末链接)

理论上讲,利用净能系统,我们可以根据生产需求(长x斤肉、下y斤蛋)直接估算配方需求,避免能量过剩,防止脂肪的过度沉积。与此同时,我们还要警惕能量的过低配制 --- 如果能量降低,动物采食量就会相应增加,到最后蛋白摄入量还是很高,这就与低蛋白日粮的目的---降低粗蛋白摄入、降低氮排放---相违背了。

李德发院士关于转型净能体系的报告
(图片来自改变饲界)

最后来划个重点吧!
低蛋白日粮的理论基础是氨基酸平衡、理想蛋白模型。并不是“低于需要量”,而是需要量的评定已由“粗”入“精”。
推广低蛋白日粮可降低饲料成本、降低氮排放,减少对豆粕等蛋白原料的进口依赖。是通往「精准营养」的必经之路。
目前使用低蛋白日粮的难点在于保证动物生长性能 & 保证瘦肉率。解题思路是建立原料「可消化氨基酸」的数据库 & 使用净能体系。

今天就此落笔吧。预告一下, 下一篇会请一位大咖来讲讲低蛋白策略之「如何利用非常规原料」哦!Stay tuned~

对了,今天在沈阳参加「2018中国农牧首席科学家论坛」的小伙伴们,下午可以听到谯仕彦老师的「低蛋白日粮与新型饲料资源开发技术的创新应用」的报告。我权当在这里抛砖引玉啦。
来源:曦曦博士

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