划重点丨低蛋白日粮的理论基础和解题思路

　　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, 在合成氨基酸价格合理的基础上）。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。