第四章蛋白质营养.docx
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第四章蛋白质营养
第四章蛋白质营养
反刍动物摄入的日粮蛋白质，一部分在瘤胃中被微生物降解，降解蛋白质（RDP）被用于合成瘤胃微生物蛋白质（MCP）、日粮的瘤胃非降解蛋白质（UDP）和瘤胃微生物蛋白质进入小肠，组成小肠蛋白质被消化、吸收和利用。
因此近代反刍动物蛋白质营养体系均以小肠蛋白为基础（图4.1），但表达的方式有所不同，例如，美国（NRC，1996、2001）和英国（AFRC，1993）用可代谢蛋白质，法国（INRA，1989）荷兰（Tamminga等，1994）用小肠可消化真蛋白质（PDI），北欧（Bickel等.1987）用小肠可吸收氨基酸（AAT-PBV），德国（Rohr,1987）用十二指肠粗蛋白，澳大利亚（CSIRO，1990）和中国（2000）用小肠表观可消化粗蛋白。
蛋白质
小肠可消化真蛋白
（或小肠可消化粗蛋白）
图4.1饲料小肠可消化蛋白质体系的示意图
第一节饲料蛋白质在瘤胃中的降解
日粮的瘤胃降解蛋白质是合成瘤胃微生物的主要氮源，而日粮的非降解解白质（UDP）则进入小肠，是小肠蛋白质组成部分。
所以评定饲料蛋白质的降解率对确定小肠蛋白质的数量和品质具有重要意义。
一、瘤胃微生物对蛋白质的降解
瘤胃细菌、原虫和真菌均能分解日粮蛋白质，但细菌起主导作用。
瘤胃微生物由所分泌的蛋白酶、肽酶和脱氨酶对蛋白质进行降解。
蛋白质被降解释放寡肽，继而分解为二肽和氨基酸。
一些氨基酸和肽被结合为微生物蛋白质还有一部分氨基酸由脱氨基转化为氨，氨又被微生物合成微生物蛋白或通过瘤胃壁被吸收。
图4.2饲料蛋白质在瘤胃降解的模式
瘤胃中主要的蛋白质分解菌有栖瘤胃拟杆菌（Bacteroideruminicola）、溶纤维丁酸弧菌（Butyrivibrofibrisolvens）、芽孢梭杆菌属（ClostridiumSP.）反刍动物真杆菌（Eubacteriumruminantium）、梭杆菌属（FusobacteriumSP.）、嗜淀粉瘤胃杆菌（Ruminobacteramylophilus）、反刍动物新月单胞菌（Selenomonasruminantium）、牛链球菌等（Streptococcusbovis）（Hazlewood等，1983;Wallace,1986、1988）。
混合细菌的占优势蛋白酶有半胱氨酸蛋白酶、丝氨酸蛋白酶和金属蛋白酶。
细菌蛋白酶的特性表现为混合型。
瘤胃细菌种群之间的各种酶活性虽有所不同，但具有良好的协同作用，相互补充，从而表现为综合特性。
例如，牛链球菌的高活性氨基肽酶补充了反刍动物新月单胞菌的低活性肽链内切酶（Wallace,1991）。
细菌对进入廇胃中的饲料颗粒进行附着，主要由细菌表面的蛋白酶对蛋白质进行降解，只有少量的细菌蛋白酶在细菌细胞外游离（Broderick，1998）。
瘤胃真菌具有细胞外金属蛋白酶，但它们在瘤胃中的活性较低（Wallace，1986、1991）。
混合的瘤胃原虫具有明显的似胰蛋白酶活性（Forsburg等，1984）。
原虫通过吞食饲料微粒、细菌和真菌摄入蛋白质，这些被摄入的蛋白质在细胞内被降解为肽、氨基酸和氨，氨基酸被合成原虫蛋白质。
由于原虫不能利用氨合成氨基酸，从而使氨释放到瘤胃中（Jounay和Ushida,1999）。
二、胃微生物对肽和氨基酸的分解
瘤胃细菌对肽的分解除二肽外起主要作用，纤毛虫对二肽的分解较活跃；如果把原虫去掉，则细菌的二肽酶活性增加，肽的分解主要在细胞外进行（Wallace等，1990）。
Bladen等（1961）首先筛选出分解肽的细菌并发现在培养中能产生氨。
以后Russell等（1984）发现牛链球菌S.bovis具有很高的亮氨酸氨基肽酶活性。
Wallace等（1990）研究表明细菌将肽转化为氨酸酸而不是氨。
肽的不同结构会影响肽的降解（图4.3），例如用胰蛋白酶分解的酪蛋白所提取的肽，其降解速度较慢（chen等。
1987）。
N-乙酰丙氨酸三肽比丙氨酸三肽的降解要慢（Wallace,1991）。
图4.3丙氨酸三肽和N-乙酰丙氨酸三肽在绵羊瘤胃液体外培养的分解
（引自wallace,1991）
氨基酸在瘤胃中的分解速度比大多数肽要慢（图4.4）。
原虫对氨基酸的脱氨基活性很强，大约是瘤胃细菌的3倍（Hino等，1985）因此在去瘤胃原虫的情况下，瘤胃液的脱氨基活性下降（Wallace,1987）。
原虫的多数种群都能降解蛋白质产生氨，其中内毛虫（Entodiniumcaudatum和Entodiniumsimplex）具有很高的活性。
图4.4蛋白质、肽和氨基酸分解率的范围（引自Wallace,1991）
对绵羊饲喂青干草和玉米的基础上，分别试验豆粕、酪蛋白，鱼粉和玉米蛋白的肽释放，结果表明各组的瘤胃液肽浓度（mgN/L）均在采食后1小时达到峰值，以后则逐渐下降。
各试验组的5个时间点瘤胃液肽氨基酸占总氨基酸的比例（%）比较稳定，其平均比例（%）和范围为，豆粕组71.0（64.3～82.2）、酪蛋白组89.4（87.6～90.9）、鱼粉组90.9（89.7～91.9）、玉米蛋白组92.2（91.3～93.3）（表4.1），瘤胃内肽的释放与氨氮值和菌体蛋白氮存在一定的正相关关系（欧宇，2003）。
表4.1 各试验组不同时间点瘤胃液肽氨基酸占总氨基酸的比例（%）
时间点（小时）
豆粕
酪蛋白
鱼粉
玉米蛋白
0
65.83
89.67
90.67
93.35
1
82.23
87.62
89.72
92.15
2
64.27
88.21
91.96
91.67
4
73.63
90.49
91.03
91.28
6
69.00
90.88
91.27
92.50
平均
70.99
89.37
90.93
92.19
欧宇，2003
研究结果还表明，从氮端起第一位氨基酸残基是脯氨酸，又有疏水性氨基酸结构的小肽，或者两种结构特点居其一的小肽，具有抗瘤胃降解的特性（欧宇2003）。
早在1961年，Bladen等发现细菌活动能产生氨。
Chen和Russell（1989）分离出的瘤胃细菌能生长在酪蛋白水解产物作为唯一碳源的条件下，消化链球菌Peptostreptococcus等细菌能酶解酪蛋白产生大量支链VFA。
细菌对离子载体敏感，当饲喂离子载体时脱氨基活性会降低，例如莫能菌素。
丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸的脱氨基还依赖氢化酶的活性，因此也被甲烷抑制剂所抑制（Russell等，1984），如果能筛选出适宜的抑制剂则有利于提高瘤胃发酵的能量利用效率和动物体内氮的沉积。
三、影响饲料蛋白质瘤胃降解率的因素
饲料蛋白质不同于纯蛋白质，因为它们由不同的蛋白质组成，这些蛋白质一般与其它聚合物相结合，从而影响了蛋白质的降解特性，形成了复杂的影响因素，至今尚未完全研究清楚。
1.基础日粮类型
基础日粮类型对被测饲料的蛋白质瘤胃降解率有明显影响，被测饲料的降解率在青粗饲料为基础日粮条件下的降解率较高，但在精饲料为基础日粮条件下则较低（φrskov,1979）（表4.2）。
其原因尚不清楚，可能由于不同的基础日粮类型引起瘤胃微生区系、瘤胃pH等方面的变化所致。
因此，为了使测得的降解率接近我国的饲养实际，建议基础日粮精饲料与青粗饲料干物质的比例宜保持在50∶50。
表4.2 基础日粮对绵羊瘤胃尼龙袋法测定蛋白质降解率（%）的影响
培养时间（小时）
被测豆粕
被测花生粕
被测葵花籽粕
大麦日粮
牧草日粮
大麦日粮
牧草日粮
大麦日粮
牧草日粮
3
22.9
38.4
27.5
36.1
32.6
52.1
6
30.6
50.7
40.9
60.8
43.7
64.0
9
39.7
59.2
49.8
65.2
53.4
77.5
15
47.4
78.7
65.9
89.7
65.7
84.5
24
61.7
89.0
82.0
95.1
79.9
91.9
引自φrskov，1979
2.被测饲料在瘤胃中的发酵时间
被测饲料在瘤胃中的发酵时间，也就是在瘤胃的停留时间，可用从瘤胃向后部消化道移动的速度（简称外流速度），以每小时的移动部分表示，通用符号为K。
外流速度会明显影响被测饲料的瘤胃降解率，大多数同一被测饲料的外流速度越慢则降解率越高，但也有少数饲料受外流速度的影响较小。
例如，对鱼粉用牛瘤胃瘘管尼龙法测定蛋白质降解降的结果表明，在瘤胃中发6酵小时的降解率仅为39.2%，但经发酵48小时便使降解率提高到79.7%（冯仰廉等1985）（表4.3）。
因此K值的确定对评定降解率是个必要因素。
表4.3 鱼粉在瘤胃中发酵时间对蛋白质降解率的影响
瘤胃中的发酵时间（小时）
6
12
24
48
72
蛋白质瘤胃降解率（%）
39.2
41.8
53.6
79.4
85.2
冯仰廉，1985
基础日粮的粗饲料的长度会影响被测饲料的瘤胃外流速度，外流速度以长草为基础的较快而以短草为基础的较慢（Ganev等，1979）。
精饲料的粉碎细度对瘤胃降解率的影响不显著（P>0.05）（冯仰廉，1984）（表4.4）
表4.4 精饲料不同粉碎细度的干物质瘤胃降解率（%）
在瘤胃中培培养（小时）
不同细度的豆粕
不同细度的混合精饲料
600цm及>600цm
300цm
150цm及<150цm
600цm
300цm
混合样品
6
52.3
53.3
56.4
78.4
73.8
75.4
12
64.0
69.2
68.5
84.4
77.5
80.8
24
82.4
81.8
78.5
88.8
85.7
86.7
48
95.7
96.1
92.2
92.5
87.1
89.8
72
98.0
97.0
93.3
91.8
88.7
91.1
注：
绵羊瘤胃尼龙袋法，冯仰廉等1984
饲养水平对瘤胃精饲料外流速度（K）有显著影响。
根据中国农业大学动物科技学院对牛的实验结果统计分析（冯仰廉等，1994），饲养水平与K值呈显著相关：
K=0.0364+0.173x，r=0.9162，n=7，p<0.01（饲养水平为1.3～3.0，K为0.058～0.091），其中x为饲养水平，以维持饲养的能量水平为1。
根据φrskov（1992）对牛的实验结果统计分析，亦获得很相似的回归式：
K=0.0394+0.176x，r=0.9076，n=4，p<0.01
（饲养水平为1.5～3.0，K为0.065～0.091）
绵羊的被测蛋白质饲料的外流速度在相同的饲养水平条件下，比牛大约要慢一倍；根据φrskov等（1992）对绵羊的实验资料统计分析，得出以下回归式：
K=0.0239+0.0212lnx，r=0.9952，n=4
（饲养水平为0.5～2.0，K为0.010～0.039）
因在饲养实践中不可能对各种饲料都实测K值，故可根据饲养水平用计算方法估测出K的值。
对产奶母牛在饲养水平相同的条件下，液态通过瘤胃的速度平均为0.1052±0.0167/小时，比鱼粉的平均速度0.0917±0.0114/小时稍快（冯仰廉等，1985）。
粗饲料的K值比精饲料要慢得多，根据中国农业大学的研究结果（颜品勋等，1994），在牛的饲养水平为1.4。
精粗饲料比为4∶6的条件下，羊草细度为>1.19mm、1.19～0.6mm和0.6～0.3mm的瘤胃外流速度（K）分别为0.0186、0.0193和0.0314，平均为0.0231，我国奶、肉牛饲养标准（2000）采用K=0.025。
尼龙袋法所测得的青粗饲料的快速降解部分（a值），与饲料中非蛋白质氮含量的相关很高，r=0.9431（n=6）。
青饲料的粗蛋白瘤胃降解率很高（表4.5，4.6）。
表4.5青粗饲料粗蛋白的尼龙袋法动态降解率（%）
鲜青草
鲜苜蓿
苜蓿干草
红三叶
豆腐渣
啤酒渣
高粱青贮
羊草
无芒雀麦
羊茅
稻草
a
17.60
47.44
47.03
31.03
47.36
5.53
37.74
25.56
25.31
35.98
33.10
b
73.41
41.66
41.04
64.05
50.47
94.47
39.25
43.70
60.51
48.32
66.90
c
0.0966
0.1089
0.0901
0.1027
0.1100
0.0273
0.0673
0.0496
0.0602
0.0734
0.0034
RSD
3.66
1.15
1.13
2.98
4.25
5.18
2.37
1.19
1.51
2.14
3.38
K
0.04
0.04
0.0314
0.0314
0.0399
0.0364
0.0253
0.0314
0.0314
0.0193
0.0191
有效降解率
69.51
77.90
77.47
80.08
84.40
46.02
66.28
52.32
65.07
69.84
43.12
颜品勋（1994），毛华明（1991）
表4.6 青粗饲料的粗蛋白降解率（%）
尼龙袋法（MadsenandHvelplund,1985）
法国采用的平均降解率
（INRA,1989）
大麦全株青贮
73
甜菜
80（76～82）
90
甜菜叶青贮
74（73～74）
三叶草和禾本科干草
60
三叶草和禾本科草青贮
72（66～79）
70
玉米青贮
62
70
禾本科草青贮
71（60～90）
75
禾本科草
60（40～70）
55
红三叶
70（67～73）
60
红三叶青贮
62
65
图4.5牛瘤胃精饲料外流速度（k）与饲养水平（以维持饲养水平为1.0）的关系
○中国农业大学试验资料，●фrskov试验资料
表4.7 不同粒度的铬标记羊草通过瘤胃的速度（k）
粒度（mm）
>1.19
0.6~1.19
0.3~0.6
K值
0.0186
0.0193
0.0314
颜品勋，1994
3.蛋白质的溶解度
对28种不同精饲料的118个样品，用溶解度法和瘤胃尼龙袋法评定蛋白降解率的对比实验表明，不同饲料用两种方法评定的降解率具有不同的相关（图4.6），因此统计结果为R=0.60、SD=11.2、C.V.（%）=21，这与INRA（1978）的结果相似。
此外，一些饲料如鱼粉的可溶性蛋白质含量很高，但蛋白质被微生物降解的速度却较慢；相反如大麦的可溶性蛋白质含量低，但蛋白质被微生物降解的速度却较快。
所以，用饲料蛋白质的溶解度不能较准确地预测蛋白质的实际降解率（Madsen等1987，Owens和Zinn,1988;Wallace,1991等）；INRA（1989）已将瘤胃尼龙袋法取代了INRA（1978）的溶解法去评定饲料的蛋白质降解率。
图4-6瘤胃尼龙袋法蛋白质降解率与蛋白质溶解度间的相关（118个精料）（Madsen等，1987）
□-籽实，△-大麦、小麦、燕麦、黑麦、#-玉米；
*油饼粕类；◇-鱼粉；+甲醛和热处理产品。
4.饲料和蛋白质种类
不同饲料的蛋白质组成各异。
大豆蛋白质中以大豆球蛋白（glycinin）为主，约占其总蛋白量的80～90%，也含少量白蛋白。
花生蛋白质中以花生球蛋白（arachin）和副花生球蛋白（conarachin）为主，分别约占总蛋白量的63%和33%。
玉米蛋白主要为玉米胶蛋白，属醇溶蛋白。
大麦胶蛋白是大麦蛋白质的主要蛋白。
白蛋白溶于水，但不溶于乙醇；球蛋白微溶于水，但溶于盐和碱溶液；谷蛋白溶于稀酸和稀碱，但不溶于水和醇；醇溶蛋白溶于70%～80%乙醇，但不溶于水。
饲料中除纯蛋白质外，还含有非蛋白质含氮化合物（NPN），NPN包括氨化物、胺、氨、肽、游离氨基酸、核酸。
禾本科和豆科牧草的NPN含量很高，据报道NPN含量范围，鲜草为10%～15%、干草为15%～25%、青贮为30%～65%（NRC综述，2001）。
鲜草中NPN的主要成分是肽、游离氨基酸和硝酸盐，但发酵牧草含有更高的游离氨基酸、氨、胺比例，但肽和硝酸盐的比例较低；苜蓿的NPN为蛋白质的25～36%，禾本科为14～34%（VanSoest,1994）。
不同蛋白质的细菌蛋白酶水解率（mg/mg蛋白酶小时）有很大差别，以酪蛋白最高、乳球蛋白次之、白蛋白最低，分别为0.995、0.484和0.072（Wallace,1991）。
饲料蛋白质与纯蛋白质不同，因为饲料蛋白质含有不同种类的蛋白质，并且这些蛋白质一般与其他聚合物相结合，从而影响了蛋白质的降解特性。
因此，即使在同一实验室用同样方法测定的同类饲料蛋白质降解亦存在一定变异（表4-8）。
表4-8 不同饲料的平均蛋白质降解率及其变异
蛋白质平均降解率（%）
n
SD
CV（%）
豆饼
50.96
12
6.92
13.58
豆粕
41.97
12
10.50
25.01
棉仁饼
36.76
5
6.48
17.63
玉米
38.73
7
7.14
18.44
羊草
55.74
9
6.07
10.89
注：
中国农业大学反刍动物营养实验室，2000，牛瘤胃尼龙袋法，K=0.08
以豆粕为例，分别取样于黑龙江和河南，它们的粗蛋白含量相似，分别为42.5%和43.3%。
但生长牛的降解率分别为56.5%和40.9%，两者相差15.6个百分点。
这些差异可能是由作物品种、加工方法或仓存时间等因素所致。
表4-9 同类饼粕饲料蛋白质瘤胃降解率的差异
饲 料
样品来源
粗蛋白（%）
蛋白质瘤胃降解率（%）
生长牛
产奶牛
豆 粕
豆 粕
黑龙江
河 南
42.5
43.3
56.5
40.9
50.1
36.2
花生饼
花生饼
河 北
北 京
35.4
40.3
54.3
74.3
48.2
70.2
棉籽饼
棉籽饼
北 京
河 南
35.1
28.6
27.0
58.4
23.9
56.8
注：
1.瘤胃蛋白质降解率是根据牛瘤胃尼龙袋法实测；
2.精饲料食糜外流速度（K），对生长牛采用K=0.06，对产奶牛采用K=0.08；
引自《奶牛营养需要和饲养标准》，2000。
NPN的瘤胃降解率很高，一般接近100%。
与植物细胞壁结合的蛋白质，也称为伸展蛋白质（extensins），可用酸性洗涤不溶性氮（ADIN）去表示。
饲料总氮中的ADIN含量（%）与牛、羊全消道的氮消化率呈线性负相关:
y=72-0.95x，r=-091，n=52，其中Y为全消化道消化率，x为ADIN含量（%）（VanSoest，1994）。
特别是秸秆等低质饲料的粗蛋白含量很少，且氮的降解率一般在30～40%，因此其营养价值很低。
鲜苜蓿和鲜禾本科草的蛋白质瘤胃降解率较高，一般在70～80%。
5.饲料蛋白质和氨基酸的瘤胃降解保护
蛋白质的结构会影响瘤胃微生物与蛋白质接触的程度，交联键能明显影响蛋白质的降解率。
例如，用氢硫基乙醇处理蛋白质则降低了降解率，当断开其中的二硫键便恢复了原有降解率，但用过甲酸处理酪蛋白，由于缺二硫键而降解率没有改变（Mahaolevan等，1980；Wallace,1983，1991）。
动物结缔组织中的弹性蛋白质中因具有广泛的交联键而抵抗瘤胃的降解。
因此对蛋白质结构修改是保护蛋白质在瘤胃被降解的重要途径。
表4-10 高碘酸氧化或用1.6-2-异氰酰乙烷交联对细菌蛋白
酶体外法蛋白质水解率的影响
水解率（mg/mg蛋白酶每小时）
对照
氧化的
交联的
酪蛋白
0.995
0.839
0.471
乳球蛋白
0.484
1.038
0.126
白蛋白
0.072
1.311
0.016
Wallace,1983
饲料经热处理能降低蛋白质瘤胃降解率，例如，未经热处理的豆粕蛋白质降解平均为42%，但经热处理后的豆粕蛋白质便下降到22%（冯仰廉，莫放等，2000）。
饲料经热处理能产生美拉德（Maillard）反应，该反应形成交联键以及氨基酸与羰基的缩合，从而能阻碍在瘤胃中的降解。
但温度过高或加热时间过长便会形成永久性键、蛋白质的热变性和肠消化率降低（VanSoest，1994）。
对氨基酸的降解率保护，常用的技术有采用脂肪酸或对pH具有特异性的聚合物对氨基酸形成保护膜，以降低在瘤胃中的降解，但在小肠的环境下，则包膜被溶解，从而不影响氨基酸的吸收率。
蛋氨酸羟基类似物（Met,hydroxyanalog）（DL-2-hydroxy-4-methylthiobutanoicacid;HMB）已被较多地用于提高产奶量。
Koenig等（1999）的研究表明，50%的HMB在瘤胃中不被降解。
四、饲料氨基酸的降解率
评定饲料蛋白质的氨基酸经瘤胃降解后的非降解氨基酸，对确定进入小肠氨基酸有重要意义。
饲料样的氨基酸可在实验室用氨基酸分析仪去测定，但用瘘管动物对所用饲料都进行氨基酸降解率的评定尚不可能，可用间接方法去估测。
对鱼粉、生大豆、向日葵粕、花生粕、麦麸皮、豆粕，棉籽粕、菜籽粕、羊草等8种植物性饲料牛瘤胃尼龙袋法动态模型研究结果表明，氨基酸占粗蛋白质的比例，降解后均稍高于降解前；降解前的总氨基酸占粗蛋白的比例（x）与降解后的总氨基酸占粗蛋白的比例（Y）呈显著线性相关（蒋琪等，1998）：
Y=28.3381+0.7259x，r=0.9081，n=8，p<0.01
Ganev等（1979）的研究相似，鱼粉、花生粕、豆粕用绵羊尼瘤胃龙袋法测定9小时的降解残渣总氨基酸略高于降解前的总氨基酸比例，但葵花籽粕则略低。
表4-11 饲料瘤胃降解前和降解后总氨基酸占粗蛋白的比例（%）
生黄豆
向日葵
麸皮
花生粕
豆粕
棉籽粕
菜籽粕
羊草
降解前
88.7
86.6
80.3
87.9
94.3
96.7
85.8
84.6
降解后
93.6
89.2
86.3
96.4
96.3
98.6
89.9
90.6
注：
牛瘤胃尼龙袋法，K=0.06
蒋琪等，1998。
虽然对单独的氨基酸瘤胃降解率有所报道（Susmel等，1993；Weisbijerg等，1996），但饲料氨基酸主要以蛋白质的形式存在，故其降解特性与纯氨基酸不同，所以不同降解率的蛋白质其氨基酸的降解率也会有相应的差异。
因此研究饲料蛋白质降解率与氨基酸降解率之间的相关会对估测氨基酸降解率提供依据。
对9种蛋白质饲料用牛瘤胃尼龙袋法的研究结果表明（表4-12），饲料蛋白质降解率（x）与总氨基酸降解率（Y）存在极显著的线性相关：
Y=-2.349+1.008x, r=0.996，n=9，p<0.01
各种单个氨基酸降解率亦与饲料蛋白质降解率呈显著线性相关（表4-12）（P<0.01）。
表4-12 饲料干物质、粗蛋白、总氨基酸、单个氨基酸的牛
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