豬的凈能體系研究進展

(中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室、中國飼料數據庫情報網中心，北京100193)

1 能量體系

動物生產中，飼料成本約占到運營成本的60%以上，而能量在飼料成本中所占的比重又是最大的。因此，無論是制定最低成本配方，還是更好地滿足動物營養需要，準確評定飼料能值就變得尤為重要[1]。此外，能量是動物生產性能的重要因素。飼料的能量包括總能、消化能、代謝能以及凈能。總能（GE）是指飼料中有機物質完全氧化燃燒生成二氧化碳、水和其他氧化物時釋放的全部能量；總能不會被動物全部利用，其相當大一部分會通過糞便、尿液、發酵氣體（如甲烷、氫氣）和熱量損失掉[1]。消化能（DE）是動物攝入飼料的總能與糞能之差，代謝能（ME）是飼料消化能減去尿能及消化道可燃氣體的能量后剩余的能量，而凈能（NE）是指代謝能減去代謝能在代謝利用過程以及飼料的攝食和消化過程中產生的熱增耗[2]。

建立任何一種能量體系，都需要測定或估計各種飼料原料的能值和確定動物的能量需要量。目前主要有3種能量體系，即消化能體系、代謝能體系和凈能體系，不同體系下飼料原料的能值存在明顯差異[3]（見表1）。豬飼料能量的評定最常見的是消化能和代謝能，但最接近飼料真實能值的應該是凈能，它是唯一的、使動物能量需要和日糧能值在同一基礎水平上表達的體系，在理論上與飼料自身的特性無關[1]。

表1 部分飼料原料的消化能、代謝能和凈能含量*

2 豬的凈能體系

事實上凈能就是飼料中用于提供機體能量消耗（維持）或沉積于肉、奶、蛋、妊娠產物或纖維物質（產品）中的能量[5]。它除了用于維持動物日常活動和適應環境變化之外，還參與動物體脂及體蛋白的沉積以及機體發育過程。凈能真實地反映了動物生理過程中的能量需要，與消化能和代謝能相比，具有一定的優勢。

2.1 凈能體系的優勢

2.1.1 凈能體系能準確表達飼料的有效能值

將一些常見的飼料進行比較就能發現，與凈能體系相比，消化能體系或代謝能體系往往都高估了蛋白類或纖維類飼料原料的能量利用率，如表2中的豆粕和麥麩，而低估了淀粉類或脂肪類飼料原料的能量利用率，如表2中的玉米和動物油[6]。

單純從定義上看，凈能不但考慮了糞能、尿能與氣體能損失，還考慮了熱增耗的損失，與消化能和代謝能相比，能準確反映飼料所含的真正可被動物利用的能量[7]。消化能體系或代謝能體系忽視了熱增耗在動物能量代謝過程中所扮演的重要角色，從而在飼料評定上出現偏差。所以說凈能準確地反映了營養物質在動物體內的代謝利用過程，更能保證滿足動物的能量需要，從而使得采用凈能體系能更好預測動物的生產性能。

表2 生長豬飼料原料的相對消化能、代謝能和凈能1

2.1.2 凈能體系可以不考慮飼料種類的影響

由于凈能已經考慮了飼料在動物代謝過程中所有已知的能量損失，所以我們可以認為動物就是以凈能的形式來利用能量的。對于具有相同的消化能或代謝能的不同飼料，其轉化為凈能的效率不同，動物最終利用到的有效能值就會不一樣；而具有相同凈能的不同飼料和養分，為動物提供的能量則沒有差別。凈能體系在理論上與飼料特性無關。我國飼料原料種類繁多，化學特性差異極大，尤其是近些年來因為常規蛋白飼料如大豆粕、魚粉等價格不斷高漲，非常規飼料的種類及應用面迅速擴大。非常規原料的消化能或代謝能與豬實際利用的有效能之間的比例常變化不定，在消化能體系或代謝能體系下使用這些飼料原料可能會降低豬的生長性能，而使用凈能體系則能夠有效避免原料品質上的波動對豬的生長性能的影響[8]。因此，在這種飼料資源背景下，因地制宜地開展飼料凈能的評定及應用，對不同動物提供的能量不會因原料的不同而出現實質性的差異。

2.1.3 凈能體系能降低飼料成本、減少污染

養殖業規模的增大也加劇了環境污染，畜禽(特別是養豬業)排泄的大量含氮物質是造成畜牧業環境污染的重要原因,這些含氮物質主要來自飼料中未被消化利用的粗蛋白和氨基酸的降解[9]。采用低蛋白日糧,可以在保持豬生長性能和胴體品質的前提下避免蛋白質原料的浪費,降低氮的排放量,具有巨大的經濟和環保價值[8]。從表1可見,玉米和豆粕中的代謝能含量相同(15.26 MJ/kg)，但玉米的凈能含量(12.42 MJ/kg)則比豆粕(8.07 MJ/kg)高很多。在典型的豬玉米-豆粕型日糧中，通過添加合成氨基酸、增加玉米、減少豆粕等手段，可使日糧粗蛋白含量降低2%，凈能卻提高了2%[10]。因此，在使用消化能（或代謝能）體系配制低蛋白日糧時就會使日糧的有效能偏高，導致能量蛋白的不平衡及能量過剩，而采用凈能體系配制低蛋白日糧則既降低粗蛋白含量又保證配方凈能不變。與此同時，低蛋白日糧對動物的生長性能沒有影響，卻能大幅度降低氮排放量。Kerr等(2003)的研究成果顯示當日糧蛋白水平降低4%時,豬的胴體品質無顯著差異[11]。張桂杰等(2010)的結果也表明利用凈能體系配制低蛋白日糧對豬胴體品質、肌肉品質沒有顯著性影響，且增重成本能夠顯著下降[12]。而Gatel等報道，在生長肥育階段，豬飼糧粗蛋白質水平由17.4%降至14.5%，總氮排出量減少了31.5%[13]。吳東等(2010)報道，在豬的生長階段和肥育階段，將飼糧粗蛋白質水平分別下調3%和2%，同時添加合成氨基酸達到理想氨基酸模式，結果生長階段和肥育階段的氮排泄量分別顯著降低了15.7%和15.2%[14]。所以說，利用凈能體系配制出等凈能、低蛋白的日糧，既能節約蛋白資源，降低生產成本，又可減少氮排放，利于環境保護。

2.2 豬飼料凈能評定

飼料的凈能考慮了所有的能量損失，特別是凈能與最終產品聯系密切，因此用凈能評定飼料的營養價值更為準確。但凈能的測定非常復雜，既需要大量的活豬和大型精密的測熱設施，還需要巨大的資金和漫長的時間才能得到可靠的結果，世界上只有少數幾個大型研究中心才能進行[4]。由于實測飼料凈能的費時費工，所以國內外飼料數據庫中的飼料凈能值大多數是通過飼料凈能回歸公式預測得到的。

2.2.1 飼料凈能的實測

根據凈能的定義，凈能測定有兩種途徑。一是通過消化能或代謝能來計算凈能，這種方法需要測定動物的熱增耗，即攝入飼料時動物總的機體產熱量減去動物絕食產熱量；另一種途徑是直接測定維持凈能(NEm)和沉積凈能(NEp)，對處于生長期的動物來說，凈能的攝入量是該飼喂水平下的存留能量和安靜狀態下的絕食產熱量（fasting heat production,FHP）之和[15]。存留能量即為沉積凈能，是攝入代謝能減去動物機體的總產熱量。

不論從哪個途徑考慮,都需要測定動物的體產熱量。機體產熱量可以借助專業的儀器直接測量,也可以通過估測氣體交換來進行間接測量,還可以通過代謝能攝入量和動物能量增量之差來計算,最后這種方法要借助比較屠宰技術來實現[1]。最近，Kil等[16]就通過比較屠宰技術測定了大豆油和精選白色油脂的凈能值。

動物絕食產熱量(FHP)可以在絕食動物上直接測定，也可以通過文獻查得，如Noblet等[17]推薦的179 kcal/kg BW0.6以及Van Milgen等[18]報道167 kcal/kg BW0.6。當然還可以通過不同飼喂水平下的產熱量值來進行推算，當代謝能攝入量為零時，此時的產熱量應為絕食產熱量。王康寧(2010)推薦了Lofgreen(1968)建議的回歸模型[7]：Log HP=a+b×MEI，其中HP為產熱量，MEI為代謝能攝入量，當MEI為零時，常數項a即為絕食產熱量。盡管這種方法被廣泛應用，但它有一定的局限性，對于生長豬來說，在變成空腹前，它會根據24 h之內的飼喂或能量水平來調整自己的絕食產熱量(FHP)[19]，所以代謝能攝入量(MEI)與絕食產熱量(FHP)不僅僅是回歸模型上簡單的自變量和截距的關系，兩者之間可能存在互作效應。同時，絕食產熱量(FHP)的估測還會受絕食時間長度[20]和豬的遺傳特性[18]的影響。因此，我們需要慎重對待這種絕食產熱量(FHP)的推測方法。而Van Milgen等(2001)還指出維持凈能(NEm)等于絕食產熱量(FHP)加上隨意活動的能量[21]，所以通過測定絕食產熱量(FHP)來獲得維持凈能值(NEm)時務必保證動物處于安靜狀態或加上動物隨意活動所消耗的能量。這無疑又增加了凈能測定工作的難度。

2.2.2 飼料凈能的預測

凈能的測定相對復雜，同時也不可能將每一種飼料都進行測定，所以最好的替代方法就是利用回歸方程預測凈能值，這些方程都是通過相似的、標準化的試驗得出的。可以根據豬飼料的消化能或代謝能以及飼料的化學成分，選擇合適的模型來預測凈能值。由于動物處于不同的生理階段，其對飼料能量利用的能力有極大的差異，所以在選擇預測模型時應注意選擇與試驗動物、試驗環境相匹配、相類似的方程。再者從統計的角度來看，應該選擇相關系數R2大、剩余標準差(RSD)小的預測模型。表3中收集了目前一些具有代表性的方程。其中，前兩個公式是INRA(2004)[6]推薦的，后三個公式是NRC(2012)[22]推薦的，其中公式4被用于計算NRC(2012)發布的豬飼料成分表中各飼料原料的凈能值，而中國飼料數據庫情報網中心發布的第22版飼料成分表也是按預測模型，結合飼料中的常規成分計算得到的[23]。

表3 豬飼料凈能值的典型預測公式*

需要指出的是，雖然越來越多的人開始關注日糧或飼料原料的凈能預測方程，但是凈能預測公式是從全價日糧里發展出來的[17]，所以預測單一飼料的凈能值時可能存在一定的誤差。然而，測定單一飼料凈能值的試驗開展得比較少，所以目前沒有足夠的數據來驗證單一飼料凈能的預測值。

2.3 動物凈能需要量

雖然凈能體系表達有效能值更為準確，但目前凈能在動物體內的分配方式尚不明朗。所以，NRC(2012)認為目前的能量機理模型還無法從凈能體系的角度模擬出動物的凈能需要量[22]。于是NRC(2012)創造了一個新指標，即“有效代謝能(effective ME)”。日糧凈能通過某種固定的轉換系數（見表4最后一行）而變成有效代謝能，從而借助能量機理模型從代謝能體系的角度模擬出動物的有效代謝能需要量。這在一定程度上將凈能與動物的能量需要量聯系起來了。

表4 NRC(2012)推薦的豬日糧能量水平(90%DM)

Noblet(2007)則給出了更為簡單的方法來獲得凈能需要量，即用已知的消化能需要量乘以0.71或代謝能需要量乘以0.74[24]。盡管這種轉換方式過于直白,但從制定動物營養需要量的角度來看，作為推薦量，其誤差并不會影響到生產實踐。在利用消化能或代謝能測算凈能需要量方面，De Lange(2008)給出了另一種建議，那就是改用凈能體系時，凈能需要量的數據應通過消化能或代謝能體系配制的典型日糧中的凈能含量來建立[25]。該推算方法更加合理，考慮到了動物能量代謝利用的規律。當然這些方法都需要大量的試驗來進行驗證和改進。

目前豬凈能需要量的測定主要通過生長實驗，也常借助比較屠宰技術來確定動物在特定生理階段、生產水平下對能量的總需要量。一般采用不同能量水平的飼糧，當動物在某一能量水平下能獲得最大日增重、最佳飼料利用率或胴體品質時，此能量水平作為該動物的能量需要量。尹慧紅等(2008)選用Noblet等(1994)的凈能預測公式配制5個不同凈能水平梯度的飼糧，并以20～50 kg生長豬的生長性能及養分消化率為標識確定該階段的凈能最佳需要量為9.45 MJ/kg[26]。而外國學者De Lange(2001)報道生長豬的凈能需要量為9.56 MJ/kg(90%DM)[27]。各類研究所報道的豬的凈能需要量存在一定的差異，這與試驗豬、試驗環境的不同有一定關系。鑒于飼料凈能值的測定難度較大，目前在確定豬的需要量的研究中，飼料原料的凈能值基本上都并非實測值。例如，王榮發等(2011)在研究生長豬色氨酸需要量的過程中，雖然采用凈能體系，但飼料原料的凈能值是通過預測公式推算出來的[28]。事實上對結果影響最為直接的是試驗中飼料原料所使用的凈能值，所以在飼料凈能測定技術取得長足發展之前，現階段所獲得的豬的凈能需要量都存在一定的局限性。

3 凈能體系面臨的挑戰

3.1 飼料凈能值評定方法復雜

雖然凈能體系優勢明顯，但真正在豬的生產實踐中建立凈能體系的情況并不多。可以說，豬飼料凈能值的測定技術和相關基礎理論的發展，制約了凈能系統的推廣與應用。由于飼料成分凈能含量的測定費時費力，目前各種飼料的凈能值數據比較缺乏。盡管借助前人提供的經驗預測公式，可以根據飼料的消化能、代謝能和主要化學成分來確定飼料凈能。但是，隨著我國飼料資源的日趨緊張，各種非常規的能量及蛋白質資源進入市場，同名異物的情形大量存在，即使是確定飼料的消化能及代謝能的難度就不小，那么如何考慮飼料化學成分的變異對凈能預測的影響面臨的挑戰將更大。因此需要進行深入細致的研究。

3.2 飼料凈能值可加性不明

在現行的畜牧飼養體系中，往往假定飼料原料中各個營養成分是可加的，即日糧營養成分可根據該日糧中各飼料原料的配比以及各飼料原料的營養含量累加出來。目前計算飼料配方的營養物質含量時，也都是把組成原料的有關營養物質含量按比例相加計算。但有研究證實，日糧采食量水平、蛋白質含量和飼養水平會改變單一飼料原料的消化率，不同原料之間也存在互作關系，從而改變飼料營養物質的可利用率[29]。所以在推廣應用凈能體系時，日糧中各種飼料原料凈能是否具有可加性，是探索營養代謝規律、完善凈能理論的過程中不可回避的問題。

3.3 飼料凈能值應隨動物生長階段有所細化

事實上，預測豬飼料能量值的關鍵在于能否得到準確可靠的能量或營養消化率[1]。計算凈能的含量需要用到具體、準確的消化能或代謝能值或可消化養分含量，所以飼料的能量消化率會間接地影響到飼料凈能值的評定。能量的消化率會受到飼料特性影響，如Le Goff(2001)提到能量消化系數與飼料中粗纖維含量呈線性負相關[30]；而同時，能量的消化系數也會隨著體重的增加而增加[24]，這主要是因為日糧纖維的消化率隨豬的生長發育而提高。生長豬和成年豬的能量消化率不同，將會對測定出來的飼料凈能值產生顯著影響。所以Noblet(2007)[24]認為飼料應隨動物的生長階段至少給出兩套凈能值，進而派生出兩套凈能體系——生長豬凈能體系和成年豬凈能體系，這樣才能有效實現對動物生長和生產性能的準確預測。

4 小結

凈能所表示的能量是最接近真實的動物維持和生產所需的能量，與動物的生長和生產緊密聯系。與消化能和代謝能體系相比，豬的凈能體系在預測生產性能、優化日糧結構、降低生產成本甚至環境保護等方面優勢明顯。然而，目前飼料凈能值數據的稀缺以及過于依賴預測模型等問題，突顯了當前能量代謝基礎研究非常薄弱的現實，使凈能體系只能停留在理論層次而無法真正應用到生產實踐中。所以探索豬能量代謝規律、充實凈能理論以及改進飼料凈能值測定技術，將是今后凈能體系漫長的建設過程中必須高度關注的環節。

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