过瘤胃蛋氨酸的研究与应用

    摘 要：蛋氨酸是反刍动物重要营养成分之一，其在日粮中直接添加会被瘤胃微生物迅速降解，无法满足动物高产需要。因此，瘤胃保护性蛋氨酸日益成为研究的热点与重点。本文从蛋氨酸生化功能、保护方法及原理、对反刍动物生产性能的影响以及主要产品的应用方面进行了综述。
    关键词：过瘤胃蛋氨酸；反刍动物；研究进展 

    从1891年两位德国科学家Zuntz和Hagemann发现反刍动物可利用非蛋白氮到现今的康奈尔净碳水化合物和蛋白质体系（CNCPS），人类对蛋白质营养的研究已经有100多年的历程。目前，研究者们证实蛋白质营养的实质和核心是氨基酸营养，且深刻认识到蛋氨酸作为反刍动物的重要限制性氨基酸对充分发挥动物生产潜能，缓解蛋白质饲料资源紧缺现状，降低粪、尿氮排放以及保护环境等方面起着巨大作用。但是，由于反刍动物特殊的消化、代谢途径，直接添加结晶型蛋氨酸会在瘤胃微生物（原虫、细菌和真菌）作用下迅速降解而失去其显著生物功效。因此，过瘤胃蛋氨酸成为现阶段反刍动物营养研究的热点和重点，希望通过对其的研究和应用增加小肠限制性氨基酸数量、更加接近小肠理想氨基酸水平，进而达到增产和增收的目的。本文就过瘤胃蛋氨酸的研究近况作以下阐述。

    1 蛋氨酸的理化性质及其生物特性
    DL-蛋氨酸属含硫氨基酸，分子式为C5H11NO2S，相对分子质量为149.21，氮含量为9.4%，性状为白色薄片状结晶或结晶型粉末，有特殊气味，味微甜，溶于水（3.3g/100mL，25℃）、稀酸和稀碱。
    蛋氨酸是必需氨基酸之一，适量添加可在调节蛋白质合成与代谢、提高生产性能、增强免疫力等方面对动物机体起积极作用。在代谢方面，Robinson等（1998）指出，蛋氨酸是脂质合成中转甲基反应的甲基供体，其缺乏会影响乳脂的合成。蛋氨酸降解可生成肌酸，而肌酸（creatine）和磷酸肌酸（Creatine phosphate，CP）在能量储存及利用中起重要作用。蛋氨酸在体内可生成精胺，而精胺可促进细胞分裂和DNA转录。蛋氨酸还参与动物机体肾上腺素、胆碱的合成，其缺乏会导致发育不良、体重减轻、肌肉萎缩、毛质变坏等一系列缺乏症。在提高生产性能方面，许多试验表明蛋氨酸可增加高产奶牛产奶量和乳蛋白含量，可增加肉牛的日增重、缩短育肥周期降低养殖成本，可提高绒山羊产绒。在免疫力方面，研究证实蛋氨酸具有广泛的抗菌作用，对革兰氏阴性和阳性菌都有明显抑制作用。韩兆玉等（2009）研究表明夏季添加过瘤胃蛋氨酸可减少外周血液中淋巴细胞凋亡。Soder等试验证明泌乳中期的奶牛饲喂过瘤胃蛋氨酸，可增强外周血液T淋巴细胞增殖能力。
    蛋氨酸在所有氨基酸中毒性最强，添加过量会打破动物自身平衡损伤动物组织器官。杨维仁等证实过量添加蛋氨酸会破坏氨基酸平衡，使机体代谢过量氨基酸，造成尿素氮含量上升，尿氮排出量增加。陈小莉等（2002）试验证明高蛋氨酸会使骨骼肌、血清、肝脏游离氨基酸含量失常，大鼠生长受阻且明显损伤血管内皮细胞。

    2 过瘤胃蛋氨酸的类型及机制
    过瘤胃蛋氨酸又叫瘤胃保护性蛋氨酸，是通过物理或化学的方法保护或修饰蛋氨酸，使其最大程度避免瘤胃微生物的降解，从而过瘤胃被小肠吸收利用。这种产品应公认安全（GRAS）、氨基酸平衡和在小肠内有效吸收且在与青贮饲料配合使用时保持稳定。
    2.1 化学保护法
    化学保护法其机制是通过一定的化学反应掩蔽蛋氨酸中的氨基，然后利用瘤胃微生物重新形成氨基，从而达到过瘤胃的目的，使蛋氨酸进入小肠被有效吸收利用。目前主要产品为氨基酸类似物（液态蛋氨酸羟基类似物，HMB）和氨基酸金属螯合物（蛋氨酸锌、蛋氨酸硒等），此二者皆具有稳定的过瘤胃性能，且在促进纤维素消化、微生物脂类和蛋白质合成以及防治蹄腐烂、蹄裂、蹄间皮肤炎、蹄叶炎等方面各自发挥重要作用。
    2.2 物理保护法
    物理保护法主要指氨基酸包被法，即脂肪包被、纤维素包被和高分子材料包被。机制是利用反刍动物瘤胃（pH5～7）和真胃、小肠（pH2～3）存在明显pH差这一生理特征，选用pH敏感材料包被蛋氨酸，使其在瘤胃内稳定而在真胃、小肠易释放吸收，最终达到过瘤胃的目的。常用的包被材料有脂肪（动物油脂、植物油脂、棕榈油脂肪粉）、纤维素（乙基纤维素、羟丙基纤维素）和高分子聚合物（丙烯酸树脂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型）。

    3 过瘤胃蛋氨酸对反刍动物的影响
    3.1 过瘤胃蛋氨酸对奶牛的影响
    3.1.1 对采食量的影响
    采食量是提高奶牛生产性能的重要因素之一，研究过瘤胃蛋氨酸对采食量的影响意义重大。目前的研究结果不能确定过瘤胃蛋氨酸是否能够增加奶牛采食量，在肉骨粉、玉米酒糟日粮中添加过瘤胃蛋氨酸显著增加了干物质采食量，但在以肉骨粉和水解羽毛粉为主要蛋白质饲料以及豆粕日粮中添加过瘤胃蛋氨酸不能提高干物质采食量。因而过瘤胃蛋氨酸对干物质采食量的影响与基础日粮的组成有关。
    3.1.2 对瘤胃内环境的影响
    瘤胃内环境的稳定是奶牛高产的重要保证。研究表明当25%的瘤胃氮来自于氨基酸时，瘤胃微生物生长性能最佳。Salbury等（2005）试验证实蛋氨酸和蛋氨酸羟基类似物（MHA）能够促进瘤胃微生物的生长。韩占强等（2008）研究了3种过瘤胃蛋氨酸（棕榈油脂肪粉为壁材）对瘤胃挥发性脂肪酸和菌体蛋白的影响，结果表明有提高乙酸、丙酸浓度和降低丁酸的趋势，能够提高菌体蛋白浓度，但是影响都不显著（P>0.05）。林英庭等（2008）研究了3种过瘤胃蛋氨酸（棕榈油脂肪粉为壁材）对瘤胃pH和氨态氮（NH3-N）浓度的影响，结果表明过瘤胃蛋氨酸的添加能够增强瘤胃微生物利用NH3-N合成菌体蛋白的能力，提高NH3-N的利用效率。
    3.1.3 对产奶量、乳成分的影响 
    产奶量、乳成分是衡量过瘤胃蛋氨酸有效性的重要指标。V.Kudrna等（2009）以青贮料和精饲料为基础日粮，研究了产犊前后添加RP-Met对奶牛产奶性能、奶成分和血液指标的影响。试验表明每头添加RP-Met18.2g/d对产奶量、乳脂和乳蛋白含量影响不显著，但能够显著提高奶中必需氨基酸浓度。Izumi等（2000）、Kowalski等（2003）、Broderick等（2005）的研究表明泌乳初期添加RP-Met对产奶量和奶成分影响不显著，研究结果与以上相似。但是也有不一致的研究结果，Lara等（2006）以苜蓿草、青贮玉米和精料为基础日粮（精粗比为52:49），研究了添加不同水平RP-Met（0、8、16、24g/d）对荷斯坦奶牛产奶量的影响，结果表明产奶35kg/d需添加RP-Met 16g/d，RP-Met对产奶量和乳蛋白含量影响显著，对干物质进食量、体重、体况和乳脂率影响不显著。Samuelson等（2001）、Broderick等（2008）试验也表明添加RP-Met能够有效提高产奶量和乳蛋白含量。
    从以上可以看出，添加RP-Met对产奶量和乳成分的影响其研究结果并不完全一致，受到动物品种、年龄、体况、基础日粮等多方面因素的影响。Socha等（2005）经研究作出推论，泌乳早期添加RP-Met的效果与日粮粗蛋白质水平、可代谢蛋白供给量和瘤胃非降解蛋白小肠可消化率有关。因而在以后的试验中有必要统筹考虑各主要影响因素，确保试验结果的参考价值。
    3.1.4 对血液指标的影响
    Alex Bach等（2000）用4头荷斯坦奶牛以典型的产奶中期日粮配方为基础日粮并添加SDM（0、30、60g/d）、MSDM（60g/d）进行4×4拉丁方试验。研究发现最高蛋氨酸血浆浓度（133.9μm）为SDM（60g/d）。试验表明过瘤胃蛋氨酸的低瘤胃降解率能够最大限度提升血浆蛋氨酸浓度，且血浆浓度曲线可用于预测过瘤胃蛋氨酸的生物有效性。Thivierge等（2002）得出相似结论，血浆蛋氨酸浓度可以作为小肠氨基酸供给量的评定指标。ARDALAN等（2011）以40头荷斯坦奶牛随机分为4组进行2×2拉丁方试验设计，研究从产前4周到产后10周添加RP-Met对奶牛血浆代谢物含量的影响。试验表明产前添加RP-Met对血浆甘油三酯、血浆葡萄糖、血浆总蛋白、血浆游离脂肪酸、 β-羟基丁酸、血浆尿素氮和血浆天冬氨酸转移酶无显著影响；产后添加RP-Met能够显著提高血浆天冬氨酸转移酶含量和降低血浆蛋白浓度。Krober等（2000）得出相似结论，RP-Met能够显著影响泌乳初期奶牛天冬氨酸转移酶的浓度。就血浆游离脂肪酸浓度，近期研究表明RP-Met添加可显著降低游离脂肪酸浓度，但是Bateman等（1999）研究表明RP-Met对血浆游离脂肪酸浓度无显著影响。在血浆尿素氮方面，Roseler等（1993）研究表明其可以反应奶牛及日粮的蛋白质情况，如日粮粗蛋白质水平、粗蛋白质可消化性以及能量水平等。但Overton等（1998）、Bateman等（1999）研究发现RP-Met对血浆尿素氮影响不显著。Stretelski等（2009）研究报道了RP-Met可以显著提高产前期血糖浓度。
    3.2 过瘤胃蛋氨酸对肉牛的影响
    反刍动物日粮中营养成分不足时机体会通过降解体组织的方式以满足维持和生产需要，从而导致氮代谢异常。因此，体内几种主要氮含量的变化可作为评估日粮和动物体内营养平衡与否的重要指标。Archibeque等（2002）在对8头安格斯牛4×4拉丁方试验中，通过同位素法和颈静脉插管法研究了RP-Met对氮代谢的影响，结果表明添加RP-Met（25g/d）可以提高氮的沉积率（27.9g vs 23.7g，P<0.089）和氮的消化百分比（40.4% vs 34.6%，P<0.094），降低尿氮的排放（41.2g vs 44.6g，P=0.10）。Klemesrud等（1998）在肉牛饲喂中发现以羽毛粉和家禽副产物粉为主要蛋白质原料时，RP-Met和RP-Lys不是第一限制性氨基酸。Südekum等（2004）通过标准血液测定法研究了3种过瘤胃蛋氨酸产品对肉牛的生物利用率，结果表明RP-Met可提高血浆蛋氨酸浓度。姜淑贞等（2002）研究发现投饲动物油包被蛋氨酸可显著增加肉牛、氮沉积以及氮、必需氨基酸的小肠表观消化率，降低尿氮、血浆氨氮和血浆游离氨基酸含量，最佳十二指肠蛋氨酸需要量为13g/d。杨在宾等（2004）研究结果与前者一致。罗雄等（2009）研究了过瘤胃蛋氨酸对西门塔尔牛玉米秸秆瘤胃降解率的影响，结果表明RP-Met可显著提高玉米秸秆干物质（DM）、有机物（OM）、中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）的瘤胃有效降解率 （P）以及降解速度常数（C），显著提高劣制玉米秸秆的利用率。
    从以上可以看出，蛋氨酸可成为肉牛的第一限制性氨基酸，但是因基础日粮、动物品种、体况等因素的改变而会发生变化，添加过瘤胃蛋氨酸可显著改善体内氮代谢水平，提高肉牛的生产性能。

    4 过瘤胃蛋氨酸产品
    目前过瘤胃蛋氨酸产品主要有以下几种：

表1 RPMet产品

    较常用的产品主要是Smartamine M^TM（SmM）和Mepron^M85且多用于科研领域。Südekum等（2004）比较了3种过瘤胃蛋氨酸产品Smartamine M^TM、Mepron^M85 和METHIO-BY的使用效果，提高血浆蛋氨酸浓度分别为2016%、58%和82%，结果表明Smartamine M^TM添加效果最好。Kudrna等（2009）试验得出添加Mepron^M8518.2g/d可提高血浆蛋氨酸浓度，但是对产奶性能和奶成分无显著影响。Schwab等（2001）研究了Smartamine M^TM、HMB、HMBi以及1/3 HMB和2/3 HMBi混合物的添加效果，结果表明SmM和HMBi可显著增加乳蛋白浓度，HMB影响不显著。

    5 结语
    近年来科研工作者们对过瘤胃蛋氨酸的研究不断深入，但是我们必须清醒认识到对过瘤胃蛋氨酸的研究只是满足反刍动物对限制性氨基酸需要和建立小肠可利用氨基酸理想模式宏大工程的冰山一角，仍有很多问题值得进一步研究：一是深入研究蛋氨酸在动物体内的代谢途径和机理，进一步了解蛋氨酸对反刍动物营养、生产、免疫等方面的作用机制；二是进一步优化蛋氨酸过瘤胃技术便于大规模推广、应用，并以此为基础探索其他限制性氨基酸、维生素及小肽制品等的包被方法；三是充分研究添加过瘤胃蛋氨酸和过瘤胃赖氨酸的协同效应，确定其适宜添加量和比例，以求最佳使用效果；四是以过瘤胃氨基酸研究为核心，积极开展反刍动物低蛋白质日粮的研究工作，以缓解蛋白质资源紧缺之现状。
    （参考文献略）