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回歸根本 |「低蛋白日糧」的理論基礎和解題思路，你真的清楚了嗎？
中國飼料工業協會的兩項「新·飼養標準」已經發布一個多月了。
這兩項標準—— 《仔豬、生長育肥豬配合飼料》與《蛋雞、肉雞配合飼料》——于2018年11月1日正式開始推廣實施。
與2008年版的國家標準相比，這兩項新標準增設了「粗蛋白」和「總磷」的上限，下調了部分指標的下限值，并且增加了限制性氨基酸的品種 （在賴氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸的基礎上增加了纈氨酸和色氨酸）。
而其中，最受關注的莫過于粗蛋白的新標準。
在以往動物營養師常用的飼養標準中（比如NRC,國標等），通常只會標出粗蛋白的最低值——這很好理解，動物生長需要一定量的蛋白質，少了是萬萬不行的。但這一次，新標準不僅增設了「上限」，并且豬配合飼料中的平均粗蛋白水平由16%降至14%。蛋雞、肉雞配合飼料的平均粗蛋白水平也下調了約1.5個百分點。
新飼養標準的粗蛋白水平
新標準的發行，將「低蛋白日糧」這個話題推到了行業的風口浪尖。
那么，到底什么是「低蛋白日糧」呢？
低蛋白日糧是什么？
低蛋白日糧的定義，是指將日糧中的粗蛋白（crude protein）水平降低，同時通過添加適宜種類和數量「合成氨基酸」(synthetic amino acids) 來滿足動物對氨基酸的需求，從而不影響動物的生長性能和產品品質。
注意：低蛋白日糧并不是“低于需要量”， 而是需要量評定已經由“粗”入“精” 。從前在動物營養學還比較“粗”的時期，動物的需要量得按粗蛋白來設定（粗蛋白之所以姓「粗」，就是因為它不夠精細嘛） 。如今，隨著大家對蛋白質營養的實質的理解，我們已經知道，動物對粗蛋白的需求實質上是對「氨基酸」的需求，并且已建立了動物營養中能量、蛋白質、氨基酸的平衡理論，擁有了大量支撐數據。
這么一來， 我們可以更加精細地按「可消化氨基酸」的基礎來評定動物需要量，根據氨基酸平衡理論，剔除從”intact protein”（如豆粕）里來的多余的氨基酸，從而降低整個日糧的蛋白質水平。
在上圖這個肉雞日糧的例子中，我們可以看到豆粕的用量降低了52%， 合成氨基酸的用量從5.79 g/kg 增加至 23.43 g/kg。同時為了保證能量，玉米用量增加了26.8%。 最終，兩個配方的能值相等，蛋白水平從20%下降至15.6%，理論上動物對必需氨基酸的需求是滿足的。
低蛋白日糧的理論基礎
講到這里，我們可以看出，低蛋白日糧的理論基礎實質上就是「氨基酸平衡」。
這里的平衡，到底是什么意思呢？
這便要說到著名的「木桶理論」了。我們想象每一個氨基酸為一塊木板，它們共同組成了一個木桶，那么木桶里能裝多少水，取決的就是最短的那塊木板。 在營養學上，蛋白質的合成必須要求其所需的所有氨基酸同時在場，如果哪個氨基酸缺席了，或者量不太夠，那么所能合成的蛋白質也就只能限于此了。這個時候，這個氨基酸即為木桶中最短的木板。在營養學上，我們稱最短的木板為「第一限制性氨基酸」，第二短的為「第二限制性氨基酸」，以此類推。當最短的木板被補齊后，原先的第二限制性氨基酸就順位晉升為第一限制性氨基酸了。
如果合成一個蛋白質所需要100個賴氨酸，80個蛋氨酸，70個蘇氨酸，等等等等。那么，當這些所有的氨基酸都100%在場時，這時的氨基酸的組成和比例就是平衡的，沒有短缺，也沒有浪費。
如果一個木桶代表一種原料，那么可以想像，每一種原料的木板都有高有短，參差不齊。如何將所有原料在合成氨基酸的配合下拼湊起來，達到100%的完整的「配合大木桶」（i.e. 配合飼料），就是「低蛋白日糧」所追求的目標。
氨基酸的木桶原理 & 不同原料的氨基酸組成都不盡相同
但問題是，我們怎么知道這個「配合大木桶」該長啥樣呢？不知道目標，豈不是無從下手？
這時，就需要「理想蛋白」(ideal protein) 理論來指導了。所謂理想蛋白，是指它的「氨基酸組成和比例」與動物所需蛋白質的氨基酸的組成和比例一致，從而使動物對理想蛋白的利用率可達100%。
理想蛋白其實并不是一個新鮮的概念，從它的提出至今已將近80年了。但第一次將理想蛋白的概念與動物營養需要量聯系起來的，則是1981年英國農業研究委員會（ARC）所出版的《豬的營養需要》。
簡單來講，在動物營養學上，理想蛋白的應用分三個步驟：
1. 確定動物所需要的氨基酸的組成和比例。
這一步的目的是知己——搞清楚自己要的是啥，這就是所謂的「理想蛋白質模式」。早期理想蛋白模式的建立大多是參照機體的蛋白氨基酸組成， 比如肉雞和豬，就測測胴體的氨基酸組成；蛋雞呢，就測測雞蛋的氨基酸組成。這是最直截了當的方法，
但這個方法卻只考慮了「生產需求」，沒能考慮到「維持需要」以及氨基酸的再利用。而現在普遍認為更為準確的方法稱為「耗竭法」，它的本質是氮平衡實驗 —— 其基本原理是能夠得到最大氮沉積率的模式便是理想氨基酸模式，并且在理想蛋白中，每一種氨基酸都是「同等限制性」的（因為木桶完整了嘛）。這樣一來，如果去除日糧中的某種氨基酸的一部分（比如20%），而氮沉積沒有受到影響的話，那么這一部分相對而言就是多余的。這樣一點一點剔除掉多余的成分或量，就可以確定不同狀況下（維持、沉積、泌乳）理想的氨基酸模型。
在豬禽中，理想蛋白模式一般選擇「賴氨酸」作為參照物 （100%），其它氨基酸分別按照它們與賴氨酸的比例來表示。 為什么選賴氨酸？首先因為它重要，在豬上它往往是第一限制性氨基酸，在家禽中則是第二限制性氨基酸。其次因為它的化學分析簡單準確，并且唯一的功能便是合成蛋白質，不像其它氨基酸（如蛋氨酸）還有許多五花八門的功能。因此幾十年來，動物營養學對賴氨酸需要量的研究最為廣泛，也因而最便于利用。
不同標準推薦的生長育肥豬的理想蛋白模式
(引自Ajinomoto)
2. 確定不同飼料和飼料原料的「可消化氨基酸」。
這一步的目的則是知彼——搞清楚原料能提供啥。需要注意的是，光通過化學分析知道原料所含的「總」氨基酸是遠遠不夠的，動物對蛋白質的消化吸收不是100%的，因此也不能直接與理想蛋白掛鉤。所以這一步的關鍵，是搞清楚不同原料中「可消化」的氨基酸有多少。
這里的「可消化氨基酸」 指食入的飼料蛋白質經消化后被吸收的氨基酸，一般通過消化實驗測得 —— 我們常采用的是回腸末端收取食糜的方法，這個方法測出的叫做「回腸表觀可消化氨基酸」(apparent ileal digestibility, AID)。與此同時，在食糜中除了那些“外來的”沒被消化的營養物質之外，還往往含有“內源”的排泄物（endogenous loss)， 比如消化道分泌物（如消化酶）、黏膜脫落細胞，微生物等。因此，在回腸表觀可消化氨基酸的基礎上，扣除掉內源損失（即蛋白攝入為0時的氨基酸排出），得到的「回腸標準可消化氨基酸」(standardized ileal digestibility, SID --- 回去看看上圖) 能夠更準確地反應動物對氨基酸的消化吸收程度，并且不受蛋白質攝入量的多少而變化。還有更準確的一個指標，叫做「回腸真可消化氨基酸」(true ileal digestbility, TID), 但是它的測定需要考慮日糧特異性的內源損失，更為復雜麻煩，因此實際生產中很少使用。目前，SID是推薦使用的指標。
可消化氨基酸的不同表示方式
（引自Stein, 2007)
3. 知己知彼之后，我們知道了要建造一個什么樣的大木桶，也知道了每一個小木桶的木板長短，那么通過計算，便可精確地配制出符合動物氨基酸需要的日糧了。
不同研究機構推薦的肉雞理想蛋白模式
（引自張顯東博士）
為什么要推廣低蛋白日糧？
文章開頭提到的兩項新飼養標準，其實屬于「團體標準」， 即“國家鼓勵學會、產業技術聯盟等社會團體協調相關市場主體共同制定的、滿足市場和創新需要的標準」。它們并非強制執行的，但卻代表的是行業專家的引導和未來的發展方向。
為什么要朝這個方向引導？
從其理論基礎上來看，低蛋白日糧的益處其實已清晰可見—— 既然剔除了多余的氨基酸，保證了最合理、最大化地利用原料，那么自然，氮的排放減少，飼料成本降低（嗯, 在合成氨基酸價格合理的基礎上）。中國農大譙仕彥老師的團隊在這方面做了大量研究，他們的研究結果顯示，日糧粗蛋白每降低1個百分點，減少蛋白質原料用量3個百分點，飼料成本可降低1.5%，氮的排放可降低8-10%。
畜牧生產中氮的排放是嚴重的環境問題
豬日糧中蛋白水平每降低1%，氮的排放可降低8-10%
（引自Wang et al., 2018)
而從動物自身的角度看，當然是吃得合適最好。如果攝入蛋白質過多或氨基酸模式不夠理想，那么要處理掉消化吸收后無法利用的多余的氨基酸，也是一件麻煩事 —— 得通過脫氨基、尿素循環等過程從身體排出，否則對身體有害。 這本身是就是一個耗能的過程，對提高生產效率并無益處。并且，小腸內未被消化吸收的營養物質轉移到后腸，又可能對微生物菌群的結構和數量帶來負面影響，這在以前文章中已提到多次，就不展開說了。
與此同時，減少“intact protein”的使用，也可減少國家對豆粕等蛋白原料的進口依賴性。據估算，新標準在全行業全面推行后，養殖業的豆粕年消耗量將有望降低約1100萬噸，帶動減少大豆需求約1400萬噸。在紛紛擾擾的國際貿易環境下，這是好事。
引用新標準中的引言：
“我國是飼料資源短缺的國家，蛋白質飼料長期以來進口（進口依存度接近80%），成為制約我國飼料工業和養殖業發展的瓶頸。與此同時，我國也是養殖大國，肉、蛋產量連續多年位居全球第一，但動物糞便排放產生的環境污染已經成為農村環境治理的一大難題……為推動飼料行業科技進步，減少飼料原料消耗，降低養殖業對環境總成的污染，本標準對粗蛋白、總磷在常規只設定下限值的基礎上增設了上限值。“
說到底，低蛋白日糧是通往「精準營養」的必經之路。
低蛋白日糧的難點與解題思路
的確，站在行業可持續發展的高度，推廣「低蛋白日糧」有諸多好處。但是新標準的推行也讓動物營養師們迎來了新挑戰 —— 低蛋白日糧應該如何配制？豆粕用量能降低多少？合成氨基酸該添加多少？減少豆粕的條件下，可否利用、如何利用非常規蛋白原料？… 這些，都是我們需要緊急思考與應對的問題。
目前而言，使用低蛋白日糧最大的難點，或許便是「保證動物生長性能」和「保證豬的瘦肉率」了。
毫無疑問，過多地降低日糧粗蛋白會損害動物的生長性能，粗蛋白降了之后氨基酸添加水平不恰當也不能最優化生長性能。但是，回到文章開頭，我們已經提到，低蛋白日糧的定義其實已經要求以「不影響動物生長性能」為前提。
要達到這個前提，根據前面講的理論基礎，首要配制核心便是「等氨基酸」，并且必須是以「可消化氨基酸」為基礎。不同于歐美地區萬年不變的玉米豆粕型日糧或小麥玉米豆粕型日糧，我們國內的原料種類更多樣化，這就要求對不同原料——尤其是大家還不太熟悉的「非常規原料」——的營養價值評定和數據采集做大量工作，從而更準確地估計原料可消化氨基酸，減少誤差。
另外，當玉米豆粕型日糧中的蛋白質逐漸降低，限制性氨基酸的順序也將有所變化， 從剛開始的賴氨酸、蛋氨酸, 慢慢到纈氨酸、異亮氨酸、精氨酸, 等等等等。然而今天的市場上能夠大量被利用的，也只有賴氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、和色氨酸。因此，不可避免地，今天的日糧中還會繼續存在“多余”的intact protein， 來保證不能被合成氨基酸cover的必需氨基酸需求。
當豬的日糧粗蛋白逐漸降低，第一限制性氨基酸的順序
（引自Ajinomoto)
當肉雞的日糧粗蛋白逐漸降低，第一限制性氨基酸的順序
（引自Si et al., 2004)
低蛋白日糧影響豬的瘦肉率也是行業普遍反應的一個難點。這其中的原因就在于配制低蛋白飼料時，降低了蛋白原料用量，相應增加了能量原料用量；同時，動物少了處理多余的氮的這一耗能步驟，所能利用的能量也相應更多，這時能量和蛋白的平衡不好掌握，豬便容易過肥、背膘過厚、瘦肉率降低。
解決這個問題的思路則是派「凈能系統」上場。目前家禽業普遍使用代謝能體系，而豬大多使用消化能體系。然后，凈能體系是唯一與產品緊密聯系的、最準確的能量評估體系。舉個例子，對肉雞而言，盡管玉米和豆粕的代謝能相似(約為15MJ/kg)，但玉米的凈能卻大大高于豆粕(12 vs. 8 MJ/kg)，因此如果僅僅通過增加玉米用量來降低豆粕用量，那么雖然ME差別不大，低蛋白日糧的NE其實是升高的，這就造成了能量過剩。（有關能量體系，我在以前的文章寫過，請戳文末鏈接）
理論上講，利用凈能系統，我們可以根據生產需求（長x斤肉、下y斤蛋）直接估算配方需求，避免能量過剩，防止脂肪的過度沉積。與此同時，我們還要警惕能量的過低配制 --- 如果能量降低，動物采食量就會相應增加，到最后蛋白攝入量還是很高，這就與低蛋白日糧的目的---降低粗蛋白攝入、降低氮排放---相違背了。
李德發院士關于轉型凈能體系的報告
（圖片來自改變飼界）
最后來劃個重點吧！
低蛋白日糧的理論基礎是氨基酸平衡、理想蛋白模型。并不是“低于需要量”，而是需要量的評定已由“粗”入“精”。
推廣低蛋白日糧可降低飼料成本、降低氮排放，減少對豆粕等蛋白原料的進口依賴。是通往「精準營養」的必經之路。
目前使用低蛋白日糧的難點在于保證動物生長性能 & 保證瘦肉率。解題思路是建立原料「可消化氨基酸」的數據庫 & 使用凈能體系。
今天就此落筆吧。預告一下， 下一篇會請一位大咖來講講低蛋白策略之「如何利用非常規原料」哦！Stay tuned~
對了，今天在沈陽參加「2018中國農牧首席科學家論壇」的小伙伴們，下午可以聽到譙仕彥老師的「低蛋白日糧與新型飼料資源開發技術的創新應用」的報告。我權當在這里拋磚引玉啦。
來源：曦曦博士
