支鏈氨基酸在畜禽低蛋白質飼糧體系中的應用

簡華鋒 章旭春 董信陽 鄒曉庭*

(1.浙江大學動物科學學院飼料科學研究所，生物飼料安全與污染防控國家工程實驗室，浙江大學動物分子營養學教育部重點實驗室，農業農村部(華東)動物營養與飼料重點實驗室，浙江省飼料與動物營養重點實驗室，杭州 310058；2.湖州市安吉縣科學技術局(安吉縣技術創新服務中心)，湖州 313300)

蛋白質作為機體三大營養物質之一，是促進畜禽生長發育、提高生產性能必不可少的關鍵營養物質[1]。畜禽機體所需蛋白質主要通過攝食飼糧中的粗蛋白質(crude protein，CP)經胃腸道消化分解為氨基酸、多肽以及酰胺等含氮化合物，然后經腸道上皮細胞吸收進入血液運輸到各個組織器官[2]。目前，蛋白質資源的短缺和畜禽養殖產生的環境污染已成為限制我國畜牧業發展的兩大瓶頸。畜禽攝入過量的蛋白質不僅會降低飼糧蛋白質的利用率，影響生產性能，而且還會增加糞便和尿液中氮、磷的排放，導致蛋白質發酵產生臭味[3-4]。此外，飼糧蛋白質水平過高會導致畜禽糞、尿中氨氣排放增加，造成環境污染，并且不利于畜禽健康養殖[5-6]。因此，在保障畜禽正常生長和生產性能的前提下，開發高效的低蛋白質氨基酸平衡飼糧體系已成為動物營養研究領域的熱點。目前，針對低蛋白質氨基酸平衡飼糧的研究主要集中在賴氨酸(Lys)、蛋氨酸(Met)、色氨酸(Trp)和蘇氨酸(Thr)等限制性必需氨基酸上，而關于支鏈氨基酸(branched-chain amino acid，BCAA)的研究則相對較少。低蛋白質氨基酸平衡飼糧通常添加Lys、Met等合成氨基酸來滿足畜禽氨基酸需要，但卻容易導致BCAA缺乏或不足，特別是纈氨酸(Val)和異亮氨酸(Ile)的缺乏[7]。BCAA缺乏或過量均會導致BCAA產生拮抗作用，抑制畜禽采食，導致畜禽生長阻滯和飼料利用率降低，嚴重影響畜禽生長和生產性能，造成蛋白質飼料資源的浪費。

1 低蛋白質氨基酸平衡飼糧與BCAA的代謝

低蛋白質氨基酸平衡飼糧是以理想蛋白質和氨基酸平衡為理論基礎，將飼糧中CP水平從NRC(1998)[8]推薦水平的基礎上降低2～4個百分點，同時合理添加合成氨基酸來滿足畜禽氨基酸的需要[9]。BCAA是指在α-碳原子上含有分支脂肪烴鏈的中性氨基酸，包括亮氨酸(Leu)、Ile和Val，因其分子中均含有分支側鏈而統稱為支鏈氨基酸[10]。BCAA的代謝主要發生在肝臟外組織器官，但在腸道中也會發生部分分解代謝。在仔豬上的研究表明，仔豬吸收的大量氨基酸不能完全進入肝臟，有30%～60%的必需氨基酸被門靜脈排流組織(portal-drained viscera,PDV)截取，其被稱為氨基酸的腸道細胞代謝[11]；其中有34%～36%的BCAA被腸道細胞截留，用于合成蛋白質或氧化分解為腸上皮細胞供能[12-13]。研究發現，仔豬小腸上皮細胞可以降解BCAA，其中Leu在腸道內主要用于合成腸細胞內蛋白以及黏膜蛋白[14]，而Val通過分解代謝產生的谷氨酸(Glu)可用于合成谷氨酰胺[15]。谷氨酰胺進一步分解代謝，為腸上皮細胞的增殖和更新提供能量來源[15]。此外，谷氨酰胺的分解代謝對維持腸道形態完整和黏膜屏障功能具有重要作用[16-17]。同樣，腸道微生物也參與BCAA的代謝。Dai等[18]研究表明，豬小腸微生物可有效代謝BCAA且具有腸段差異性，十二指腸微生物對氨基酸的利用顯著低于空腸和回腸，而回腸微生物對BCAA的利用則高于空腸微生物[19]。而大腸微生物則可以發酵BCAA產生支鏈脂肪酸，如異丁酸、2-甲基丁酸和異戊酸[20]。盡管其含量遠遠低于短鏈脂肪酸，但當丁酸缺乏時，異丁酸可作為腸上皮細胞能量來源[21]。與短鏈脂肪酸相似，支鏈脂肪酸同樣具有調控肝臟脂質和糖代謝的功能[22]。

在組織器官中，由于肝臟缺乏支鏈氨基酸轉氨酶，所以BCAA是唯一在肝臟外組織氧化分解代謝的必需氨基酸，其分解代謝的組織或器官依次為：骨骼肌、脂肪組織、腦、胃腸及肝臟；而肝臟則是其轉氨基產物支鏈α-酮酸的主要代謝器官[23]。BCAA經鈉離子依賴性氨基酸載體轉運進入細胞，在細胞內，BCAA在支鏈氨基酸轉氨酶的作用下轉氨基生成相應的支鏈α-酮酸，隨后經特定的載體將支鏈α-酮酸轉運進入線粒體內[24]。然后，支鏈α-酮酸經支鏈α-酮酸脫氫酶復合物催化，進行脫羧反應生成相應的支鏈酰輔酶A酯；Val、Leu和Ile在各自脫氫酶的作用下，分別生成琥珀輔酶A、乙酰輔酶A以及丙酰輔酶A參與三羧酸循環，通過生糖和生酮作用參與機體的糖、脂質和蛋白質的合成以及相互轉換[24-25]。

2 BCAA的生物學功能與拮抗作用

BCAA是機體內繼Lys、Met、Trp和Thr之后重要的限制性必需氨基酸，常常被譽為畜禽第五限制性必需氨基酸。BCAA具有廣泛的生物學功能，其不僅參與機體糖代謝[26-29]、脂質代謝[30-33]、蛋白質合成[33-35]，還參與調控機體的免疫功能[36]，對畜禽生長發育和生產性能都具有重要影響。研究表明，BCAA氧化產生ATP的效率遠高于其他氨基酸，其能有效促進糖異生(如Val屬于生糖氨基酸)，加速糖原的合成，是機體內重要的能量來源[26]。研究還發現，BCAA可通過調控機體胰島素的分泌﹑胰島素的敏感性以及葡萄糖轉運載體的表達和易位等方式調控糖代謝[26]。當BCAA缺乏時會導致機體胰島素分泌不足，使得機體糖代謝紊亂[27]，其可能通過抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白/核糖體蛋白S6激酶1(mTOR/S6K1)和激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)信號通路來調節機體胰島素敏感性[27-28]。此外，BCAA也被證明通過激活或者上調腸道或肌肉中葡萄糖轉運蛋白和轉運體的表達來促進糖的吸收[29]。

研究發現，BCAA不僅參與機體糖代謝，同時也在機體脂質代謝中發揮重要作用[30]。Guo等[31]研究發現，野生型小鼠在Leu缺乏的情況下其肝臟脂質代謝酶類基因的表達和脂肪酸合成酶的活性受到抑制，并激活脂肪組織的脂肪存儲。而一般性調控阻遏蛋白激酶2(general control nonderepressible 2，GCN2)基因缺失型小鼠，在Leu缺乏時則會表現出肝臟脂肪變性，脂質動員較少并且脂質代謝相關酶類基因表達不受抑制，該研究結果揭示，GCN2除了具有調控氨基酸代謝的功能之外，其在Leu缺乏時還具有調控脂質代謝穩態的新功能[31]。研究表明，當機體缺乏Leu時會通過增加白色脂肪脂解和棕色脂肪中解偶聯蛋白1(uncoupled protein 1，UCP1)的表達來增加機體能量消耗進而減少腹部脂肪沉積[32]；進一步研究發現Leu缺乏是通過激活G蛋白/cAMP/蛋白激酶A/cAMP反應元件結合蛋白途徑，促進下丘腦皮質激素釋放激素的表達和交感神經系統的激活，從而促進脂質氧化分解[33]。許多研究表明，脂酰肌醇-4,5-二磷酸-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(PI3K/Akt/mTOR)途徑和AMPK信號通路是調控機體糖和脂代謝以及蛋白質合成的關鍵靶點[34]。但是，目前關于BCAA調控機體脂質代謝的研究主要集中在Leu，而關于Ile和Val的研究報道較少。

BCAA最重要的功能是調控機體蛋白質的合成，抑制其他組織器官的蛋白質分解[34]。研究發現，Leu及其轉氨基代謝產物可通過mTOR/S6K1信號通路調控mRNA翻譯起始過程，促進機體蛋白質的合成[35]。在3種BCAA中，亮氨酸及其代謝物均可通過激活mTOR靶點使其與下游的活性蛋白互作，促進mRNA翻譯，最終刺激骨骼肌蛋白質合成和沉積，提高機體內蛋白質的利用率[36]。目前的研究表明，Leu和Ile均有調控機體蛋白質合成的功能，而Val則鮮有報道。此外，BCAA還能調控機體免疫功能，促進免疫器官發育和提高免疫因子活性[37]；同時，其還具有促進腸道發育和增強腸道免疫功能等重要生物學功能[37-38]。

BCAA之間的拮抗作用是指BCAA之間具有相似的化學結構，當某一種BCAA過量時其通過競爭性抑制氨基酸轉運載體對其他氨基酸的轉運和吸收，以及競爭支鏈氨基轉氨酶和支鏈α-酮酸脫氫酶2種分解代謝酶，而增強其他BCAA的分解，導致其含量進一步降低，表現為總BCAA缺乏[39]。例如，當飼糧中某一種BCAA(如Leu)的水平過高時，氨基酸轉運載體將優先轉運Leu進入組織細胞，同時支鏈氨基轉氨酶和支鏈α-酮酸脫氫酶也會優先分解代謝Leu，使得動物機體對Ile和Val的轉化效率顯著降低，最終導致機體組織細胞缺乏Ile和Val進而影響畜禽生長和生產性能[40]。因此，在應用低蛋白質飼糧的過程中，應當注意BCAA的供給和配比。

3 BCAA在畜禽低蛋白質飼糧體系中的應用

3.1 低蛋白質飼糧添加BCAA對畜禽生產性能的影響

許多研究表明，BCAA在畜禽低蛋白質飼糧體系中的合理應用對畜禽生長和生產性能具有重要影響。研究表明，在低蛋白質飼糧(17%CP)中額外添加BCAA，可通過促進仔豬采食和肌肉生長來提高仔豬生長性能，達到正常蛋白質水平飼糧(20%CP)的效果[41]。合理調整仔豬低蛋白質飼糧中BCAA的比例(Leu∶Ile∶Val分別為1.00∶0.75∶0.75和1.00∶0.51∶0.63)，可顯著提高仔豬平均日增重并降低料重比，且仔豬生長性能與飼喂正常蛋白質水平的飼糧無顯著差異[42]。Lordelo等[43]研究發現，28日齡仔豬低蛋白質飼糧(17%CP)中連續額外添加0.15% Val 4周，可提高仔豬采食量和生長速度并降低仔豬腹瀉，但是添加0.13% Ile則無此效果，說明不同的BCAA具有功能差異性。劉堯君等[44]研究發現，斷奶仔豬低蛋白質飼糧補充BCAA可提高仔豬生長性能，提高血液中相應氨基酸水平。

在家禽生產中，低蛋白質飼糧添加BCAA對不同生產用途家禽的生長和生產性能具有良好的促進作用。Ospina-Rojas等[45]研究發現，相比于聯合添加Trp、Thr和Ile，在基礎飼糧中已含有0.75%Lys和0.63%Met+半胱氨酸(Cys)的低蛋白質飼糧(16%CP)中單獨添加Ile對30～42周齡的海蘭W36蛋雞具有最佳的生長性能，推測Ile可能是蛋雞的第三限制性氨基酸。Waguespack等[46]研究發現，在22～42日齡肉雞低蛋白質飼糧(19.5%CP)中額外補充適量的Val(1.02%)可使肉雞獲得最佳生長性能。Do Nascimento等[47]也研究指出，不同日齡科寶(Cobb)肉雞(1～8日齡、9～21日齡和22～42日齡)的低蛋白質飼糧(20.0%、18.0%和16.5%CP)中額外添加適量的Val(1.028%、0.905%和0.853%)可獲得最佳生長性能。Ospina-Rojas等[48]研究表明，Leu能夠增加肉雞胸大肌纖維直徑，提高胸肌比率，Val能夠提高雞腿重，并且在CP水平為16%的低蛋白質飼糧中Leu與Val的最適添加量分別為1.20%和0.82%。Ospina-Rojas等[49]還研究發現，添加Val+Ile+精氨酸(Arg)+甘氨酸(Gly)復合氨基酸可以使肉雞的生長性能不受飼糧蛋白質水平下降的影響。此外，也有研究發現，同時補充Thr+Val+Trp 3種氨基酸的低蛋白質飼糧，可顯著改善鵪鶉因蛋白質不足引發的生產性能及繁殖性能的下降[50]。陳將等[51]研究表明，1～42日齡肉雞低蛋白質飼糧添加適宜水平的Val能顯著提高其平均日增重，并降低料重比，同時顯著降低42日齡肉雞血清中丙二醛含量，并提高血清中葡萄糖含量，提示低蛋白質飼糧補充Val可提高肉雞生長性能和抗氧化能力。以上研究均表明，家禽低蛋白質飼糧添加適量的BCAA有助于提高畜禽生長和生產性能。

3.2 低蛋白質飼糧添加BCAA對畜禽蛋白質代謝和氮排泄的影響

蛋白質是畜禽維持正常生長和生產性能的關鍵營養物質，低蛋白質飼糧添加BCAA對于畜禽維持機體蛋白質代謝具有重要作用。張宇峰等[52]研究表明，BCAA可提高腸道和肌肉中氨基酸轉運載體的表達，促進腸道和組織器官對氨基酸的吸收，但是BCAA添加過量則會抑制肌肉氨基酸轉運載體的表達。Zhang等[29,53]研究表明，仔豬低蛋白質飼糧補充BCAA，可以促進仔豬腸道氨基酸和肽轉運載體表達，從而促進腸道對營養物質的消化吸收，提高斷奶仔豬的生長性能。進一步研究發現，BCAA中的Leu可以通過激活PI3K/Akt/mTOR和細胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)信號通路，促進仔豬腸道中氨基酸轉運載體——丙氨酸-絲氨酸-半胱氨酸轉運載體2(alanine-serine-cysteine transporter 2，ASCT2)的表達[54]，而Ile則可以上調仔豬小腸鈉依賴型葡萄糖相關轉運載體1(sodium-glucose linked transporter，SGLT1)以及肌肉葡萄糖轉運載體1(glucose transporter 1，GLUT1)和葡萄糖轉運載體4(glucose transporter 4，GLUT4)的表達[29]，二者協同促進斷奶仔豬腸道對氨基酸和葡萄糖的吸收，最終改善仔豬生長性能。此外，低蛋白質飼糧添加BCAA還能通過增加肌肉蛋白質合成促進肌肉生長，并抑制蛋白質分解來促進仔豬生長[41,55]。Zheng等[41,55]研究表明，仔豬低蛋白質飼糧添加BCAA一方面通過影響下丘腦食欲調節相關基因的表達和通路的激活來促進仔豬采食；另一方面通過促進自身肌細胞代謝和蛋白質降解從而增加氨基酸的凈利用量，提高攝食狀態下骨骼肌蛋白質合成速率。進一步研究發現，BCAA通過下調泛素-蛋白酶體以及自噬-溶酶體途徑關鍵蛋白的表達，抑制禁食狀態下仔豬骨骼肌蛋白質降解，促進蛋白質沉積，從而促進骨骼肌生長[56]，最終使得仔豬的生長性能得以提高并恢復到飼喂高蛋白質飼糧水平。

Yin等[57]研究發現，斷奶仔豬低蛋白質飼糧(16.9%CP)在補充4種限制性氨基酸的基礎上，額外添加0.55%Leu能顯著提高仔豬組織器官蛋白質合成水平，其可以通過提高真核翻譯起始因子4E結合蛋白1(eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein 1，4E-BP1)和S6K1的磷酸化水平來促進mRNA的翻譯和起始過程最終促進蛋白質的合成。以上研究表明，低蛋白質飼糧添加BCAA一方面可以通過增加氨基酸和肽轉運載體的表達促進營養物質吸收，另一方面通過調控機體蛋白質合成和沉積來促進畜禽生長和改善生長性能。許多研究表明，低蛋白質飼糧添加BCAA不僅有利于提高畜禽生長和生產性能，還有助于降低畜禽氮排泄。研究發現，低蛋白質飼糧補充BCAA不僅可以提高仔豬氮的利用率，還能有效降低氮排放[44]。低蛋白質飼糧(16%CP)添加0.672%Ile可確保鵪鶉在維持正常生產性能的前提下顯著降低排泄物中氮的含量[58]。仔豬低蛋白質飼糧額外添加0.15%Val可降低總氮排泄，改善仔豬腹瀉[43]。綜上所述，低蛋白質飼糧補充BCAA不僅可以促進蛋白質的合成和沉積，還能降低氮排泄，減少畜禽養殖污染。

3.3 低蛋白質飼糧添加BCAA對畜禽免疫功能的影響

BCAA作為功能性氨基酸，還具有促進免疫器官發育和免疫細胞分化、調控免疫因子活性等功能[59]。任曼等[60]和Ren等[61]研究表明，斷奶仔豬低蛋白質飼糧添加BCAA可顯著提高仔豬生長性能，改善仔豬腸道絨毛形態，提高小腸免疫球蛋白含量和防御素的表達。進一步研究發現，3種BCAA均能在體外促進防御素表達，適當比例的BCAA可協同促進防御素表達[62]。其機制可能是Ile通過沉默信息調節因子1(Sirt1)/ERK/90絲氨酸/蘇氨酸激酶(90RSK)信號通路增強Ile對ERK1/2和90RSK磷酸化作用，促進腸上皮細胞防御素的表達，緩解脂多糖導致的應激損傷[62]。在體內，低蛋白質飼糧添加Ile可顯著提高斷奶仔豬平均日增重和血漿免疫球蛋白含量，其還能通過提高小腸防御素的表達抵抗病原微生物(大腸桿菌)感染，增強仔豬腸道免疫屏障功能，最終促進仔豬生長[63]。研究發現，飼糧添加Leu可通過激活mTOR信號通路，緩解豬輪狀病毒導致的空腸黏膜黏蛋白分泌和杯狀細胞數量減少[64]。目前，關于BCAA及低蛋白質飼糧添加BCAA對畜禽免疫功能影響相關的研究報道較少，還有待進一步深入研究。

3.4 低蛋白質飼糧添加BCAA對畜禽脂肪代謝的影響

最近的研究指出，低蛋白質飼糧添加適宜比例的BCAA可以改善豬的胴體性狀，降低胴體脂肪含量[65]。研究發現，仔豬機體脂肪總量伴隨著低蛋白質飼糧中BCAA比例(Leu∶Ile∶Val分別為1.00∶1.00∶1.00、1.00∶0.75∶0.75、1.00∶0.51∶0.63、1.00∶0.25∶0.25)下降而減少，而適宜比例的BCAA(1.00∶0.25∶0.25～1.00∶0.75∶0.75)能有效調節仔豬機體脂肪沉積[65]。Duan等[66]研究發現，平衡仔豬低蛋白質飼糧中BCAAs比例(Leu∶Ile∶Val分別為1.00∶1.00∶1.00、1.00∶0.75∶0.75、1.00∶0.51∶0.63、1.00∶0.25∶0.25)，可提高股二頭肌的脂肪含量，增加組織中多不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸比值(PUFA/SFA)，并降低n-6/n-3 PUFA值。同時，他們還發現CP水平為17%的飼糧中BCAA比例在1.00∶0.25∶0.25～1.00∶0.75∶0.75能顯著提高股二頭肌肌肉中肌內脂肪含量，并改善不同骨骼肌的脂肪酸組成，從而改變脂肪代謝相關基因的表達，進一步改善肉品質和營養價值[66]。其機制可能是通過改變脂質代謝相關基因mRNA表達水平以及激活AMPK、沉默信息調節因子1(SIRT1)和過氧化物酶體增殖激活受體γ輔助激活因子1α(PGC-1α)構成的調節細胞能量輸出的信號網絡，即能量感應網絡，共同調節機體能量代謝，以及通過促進線粒體的生物合成來促進肌肉組織中脂肪酸的氧化利用[65-66]。李鳳娜等[67]研究認為，BCAA可以促使脂肪組織合成并釋放脂聯素，靶向激活背部脂肪的AMPKα信號，在一定程度上抑制mTORC1信號通路的激活，促進背部脂肪的脂肪酸分解，使得機體更多的能量被肌肉組織吸收利用，用于蛋白質合成，維持較高的生產性能，達到與正常蛋白質水平飼糧相當的生產性能；同時，研究認為BCAA還可能通過AMPKα/Sirt1/PGC-1α能量網絡促進機體內線粒體的生物合成，從而增加脂肪酸的氧化分解和利用，最終導致機體脂肪含量下降[66]。這些研究結果提示，合理調整低蛋白質飼糧中BCAA的比例，可有助于改善豬的生產性能和肌肉脂肪含量，提高豬肉品質。

4 小 結

綜上所述，低蛋白質飼糧添加BCAA不僅可以在減少蛋白質原料用量，降低氮排放的前提下提高畜禽生長和生產性能，還能增強腸道免疫屏障功能，改善腸道健康；同時，BCAA也有助于改善畜禽產品肉質。由于BCAA缺乏或過量以及合成氨基酸的添加均會導致拮抗作用而影響畜禽生產性能，因此，畜禽低蛋白質飼糧體系在實踐生產中應用時，應當合理考慮BCAA含量和比例以及合成氨基酸的合理添加。現有研究結果表明，BCAA在畜禽低蛋白質飼糧體系中的應用研究大多數集中在豬的營養調控，而在家禽以及反芻動物中的研究則相對較少。同時，針對BCAA在畜禽低蛋白質飼糧體系中的應用和分子機制研究主要集中在Leu，Ile次之，而Val的研究最少。目前的研究結果提示不同的BCAA具有功能差異性，深入探討不同種類BCAA生物學功能差異的分子機制和途徑，以及它們之間的相互作用將對畜禽營養調控具有重要意義。總之，BCAA在低蛋白質飼糧體系中的應用研究，應當主要針對不同生產用途和不同生產時期的豬和家禽，同時也應當針對不同種BCAA(尤其是Ile和Val)及其比例開展研究，以期為BCAA在畜禽生產中的科學合理應用提供理論參考。