家禽支鏈氨基酸營養需要研究進展

牟湘鈺,徐云若,胡靜怡,周欣妍,朱勇文

(華南農業大學動物科學學院,廣州 510642)

蛋白質是促進家禽生長發育、提高生產性能的關鍵營養物質。近年來,蛋白質資源的短缺以及家禽攝入過量蛋白質對環境造成的負面影響已成為制約家禽養殖業發展的重要因素[1]。因此,開發低蛋白(crude protein,CP)飼糧至關重要。目前低CP飼糧的開發主要針對賴氨酸(lysine,Lys)、蛋氨酸(methionine,Met)和蘇氨酸(threonine,Thr)等限制性必需氨基酸,而關于支鏈氨基酸(branched-chain amino acids,BCAA)的研究相對較少。一方面,Lys和Met等合成氨基酸的添加容易導致BCAA的缺乏和比例失衡;另一方面,由于三種BCAA結構相似,容易引起代謝競爭和對酶降解的干擾。在亮氨酸含量通常較高的低CP飼糧中,這種情況進一步加劇了BCAA比例失衡,從而對家禽的生長產生負面影響[2]。因此,在研究低CP飼糧時,應特別關注BCAA在家禽生長中發揮的作用及適宜的添加比例。

基于此,本文綜述了BCAA的營養生理作用及其對家禽生產性能、產蛋性能、免疫功能及腸道健康的影響,并根據NRC(1994)提供的家禽BCAA推薦量探究其在肉雞、蛋雞和種雞中的不同需求?；诂F有BCAA需要量的相關數據,本文還指出了目前存在的研究空白,為重新評估疾病挑戰下和不同飼養條件下的BCAA需要量提供了研究方向。

1 BCAA的營養生理作用

家禽的生長、生產、免疫、酶反應和組織周轉等多種活動都需要蛋白質的參與。BCAA是指分子結構中側鏈具有分支結構的三種必需氨基酸,分別為亮氨酸(leucine, Leu)、異亮氨酸(isoleucine, Ile)和纈氨酸(valine, Val);其中,Leu為2-氨-4-甲基戊酸,Ile為2-氨基-3-甲基戊酸,Val為2-氨基-3-甲基丁酸。三種BCAA結構相似,與支鏈脂肪酸一樣攜帶疏水側鏈。BCAA在支鏈氨基酸轉氨酶(branched-chain aminotransferase, BCAT)的作用下初步降解,后經支鏈ɑ-酮酸脫氫酶(branched-chain ɑ-keto acid dehydrogenase complex, BCKD)作用完全降解,BCKD同時可導致輔酶A復合物的不可逆分解。該酶促反應往往由其中一種BCAA觸發(通常是Leu),最終導致其他BCAA被降解[3]。

盡管家禽高蛋白飼糧含有更多限制性氨基酸可滿足其生長早期的營養需求,但BCAA的生物學利用率尚不清楚。此外,家禽飼糧中任一BCAA水平過高或過低均會影響其他兩種的吸收與利用。例如,飼糧中Leu過量和Ile不足均會阻礙雛雞的生長,同時導致BCAA比例失衡,不利于其他BCAA的利用;特別是在低CP飼糧中添加Leu會增加其與Ile和Val的拮抗作用,并加劇Ile和Val的降解,阻礙家禽生長[4]。然而,在滿足飼糧中Ile和Val最低需求時,過量Leu不會表現出不利影響[5]。在玉米-豆粕型飼糧中,除Lys、Met和Thr三種限制性氨基酸外,BCAA也可能成為限制性因素,但目前仍無法確定將哪一種氨基酸作為家禽飼糧的第四限制性氨基酸[6]。相較于Ile,Val在Leu參與的反應中更容易出現拮抗反應和酶降解,目前可確定Val是玉米-豆粕型飼糧的限制性氨基酸,因此低CP飼糧通常會額外添加Val以滿足家禽所需;而Val水平過高(0.82%)并不會對Leu與Ile的利用產生較大影響[7]。

盡管BCAA在調節免疫功能和腸道健康上的重要性已得到普遍認可,但目前有關家禽靶向免疫、微生物群和腸道健康方面的研究應用十分有限。Konashi等[8]研究表明,低BCAA飼糧顯著降低了10～24日齡雄性科寶肉雞胸腺和法氏囊的重量,說明BCAA在淋巴器官發育和免疫機能中起著關鍵作用。有研究發現BCAA可以通過調節靶組織基因表達和蛋白酶信號轉導影響家禽的免疫功能及腸道健康[9]。而相較于其他BCAA,Leu能夠激活mTOR通路、上調蛋白酶以增強家禽的免疫功能[10]。此外,禽腸道菌群也會對BCAA的消化吸收產生影響。因此,在確定飼糧BCAA的最佳比例之前,有必要評估家禽腸道菌群多樣性對BCAA需要量的影響。

2 BCAA對肉禽生產性能的影響

NRC(1994)提供的BCAA推薦需要量僅適用于2～6周齡的肉雞,且該推薦量是在最低CP水平飼糧下得出的。而隨著新品系的培育和飼養模式的變化,家禽的營養需求也在不斷發生變化[11-12]。BCAA比例失衡會導致多余的部分被用于能量而非蛋白質的合成,而目前家禽BCAA的最佳比例尚未明確。

任何一種BCAA的過量與缺乏均會導致BCAA比例失衡,進而對肉雞的生產性能產生不利影響。Leu促進蛋白質合成的能力最強,但Leu過量會降低血漿中Ile和Val的濃度。Chen等[13]研究表明,將飼糧Leu水平由1.88%提高到2.73%(控制Ile和Val比例分別為Leu的59%和69%),可顯著提高1～21日齡肉仔雞末重、采食量、飼料利用率和胸肌率。Erwan等[14]研究表明,飼糧中添加0.5%Leu可顯著提高3～6周齡科寶肉雞胴體重并減少脂肪沉積,同時發現口服包被型Leu(每kg體重6 mmol·10 mL-1)能夠顯著降低7日齡肉仔雞血漿Ile和Val水平。一些研究者認為,飼糧配方中Leu的最佳水平應根據飼料原料類型來確定[15-16]。在Ile水平方面,蔣守群等[17]研究發現,隨著飼糧Ile從0.55%增加到0.66%,22～42日齡黃羽肉雞平均日增重和飼料利用率顯著提高。Kidd等[18]發現,低Ile(飼糧Ile水平為4.2 g·kg-1)會顯著降低雄性羅斯肉雞胸肌率;而在0.51%Ile的玉米-豆粕型飼糧中繼續添加額外的50%Ile可提高3～8周齡雄性肉雞生產性能。Park和Austic[19]通過分段回歸分析確定Ile在肉仔雞飼糧中的添加量應為0.63%～0.65%(占CP水平的3.28%～3.38%),且添加其他氨基酸(Lys、Arg除外)會加劇Ile的失衡。因此,在滿足主要限制性氨基酸需要量的基礎上,也要適當考慮Ile的需要量及BCAA的比例。在Val水平方面,Maynard等[20]研究發現,在高Leu和Ile飼糧中添加Val可顯著降低29～42日齡科寶肉雞羽毛的異常率。因此補充Leu和Ile之前,應先滿足Val的需要。從這一角度可認為Val是家禽玉米-豆粕型飼糧的第四限制性氨基酸。Maynard等[21]發現,缺乏Val會導致8～21日齡雌性科寶肉雞的生產性能下降、羽毛生長異常和腿部畸形。飼糧中Ile和Val比例的改變,同樣會使肉雞的生產性能下降。Corrent和Bartelt[22]研究發現,7～21日齡羅斯肉雞飼糧Ile∶Lys應為0.7～0.8,Val∶Lys應為0.8左右,Leu∶Lys是可變的,但需保持在1.30左右。Maynard等[23]發現,在花生粕-動物蛋白混合飼糧中添加Ile/Lys(67%～69%)和Val/Lys(75%～78%)顯著降低了0～48日齡雄性羅斯肉雞氮排放并增加胸肉質量。同時有研究發現,在飼糧中添加1 g·kg-1的Ile可顯著提高28～42日齡雄性羅斯肉雞胸肌率;添加1 g·kg-1的Val可顯著提高28～42日齡肉雞平均日增重;而Ile和Val聯合補充則會降低0～21日齡肉雞料重比及腹脂率,并提高42日齡肉雞末重[24-25]。Miranda等[26]研究發現,在不限制飼糧CP水平的情況下,Val∶Lys和Ile∶Lys分別為0.77和0.67時1～6周齡雄性科寶肉雞的生產性能顯著提升,脂肪沉積減少。Lima等[27]采用折線模型估算30周齡科寶肉雞的Val和Ile需要量分別為803和708 mg·d-1。在其他BCAA比例組合方面,Ospina-Rojas等[28]研究發現,飼糧1.19%Leu+0.86%Val水平可顯著提高21～42日齡雄性科寶肉雞的采食量和平均日增重;此外,飼糧Leu水平為1.13%時胸肌率最高,Val水平為0.71%時腿肌率最高,因此添加Val的同時應考慮Leu水平,以提高肉雞的生產性能。Maynard等[23]研究發現,在飼糧低CP(19%)水平下,低Ile(0.78%)和Leu(1.57%)組15～35日齡雌性科寶肉雞的翅重和采食量明顯高于低Val(0.87%)組;而低Ile組15～35日齡雄性科寶肉雞的料重比則明顯低于低Val和Leu組。

關于3種BCAA的組合效果,Pastor等[29]采用非線性回歸模型確定了雄性科寶肉雞在10～20日齡和25～35日齡Lys、Leu、Ile和Val的理想比例分別為100∶94∶55∶65和100∶106∶56∶72。Sakomura等[30]采用線性回歸模型估算出在體重代謝基礎上23周齡科寶肉雞維持所需的Ile、Leu及Val分別為每日94、52和155 mg·kg-0.75,在蛋白代謝基礎上分別為每日329、172和546 mg·kg-0.75?，F有的文獻和推薦標準指出,家禽生長所需的BCAA較少,但隨著日齡增長,生長后期BCAA與Lys的比值應有所提升[11-12]。但Kop-Bozbay等[31]研究發現,BCAA水平并不會對生長后期科寶肉雞和16～42日齡羅斯肉雞的生產性能造成顯著影響,這可能是飼糧中BCAA的來源不同造成的。其他特殊家禽方面,Martinez等[32]以及Hanafy和Attia[33]在對日本鵪鶉的研究中發現,飼糧Val水平為6.66 g·kg-1或0.2%可顯著提升其采食量和體重。Kop-Bozbay和Ocak[34]研究1～7日齡雛火雞發現,飼糧Leu∶Ile∶Val為3∶1∶2時,平均日增重和胸肌率顯著提高。

3 BCAA對蛋禽產蛋性能的影響

飼糧BCAA能夠在家禽肝組織中通過脂肪酸代謝產生卵黃和蛋白[35],在蛋雞產蛋過程中發揮重要作用。飼糧Ile在不同條件下對蛋雞日產蛋量和蛋品質產生不同影響。Miller等[36]發現,飼糧0.53%Ile水平就可滿足以血粉為主要蛋白來源的單冠白萊航雞的維持和產蛋需要。Ullah等[37]研究發現,在飼糧Ile含量從0.66%提升至0.72%時可顯著提高20～46周齡海蘭蛋雞的日產蛋量和產蛋重。Peganova和Eder[38]研究發現,飼糧Ile水平高于1.0%時產蛋期羅曼蛋雞的蛋品質降低;在低Val+Leu(0.63%+0.72%)組合中,Ile水平從0.57%提升至1.15%時蛋雞的日產蛋量降低。也有研究顯示,提高Ile水平并未使蛋雞產蛋性能表現出顯著差異[39]。上述研究結果不一致的原因推測可能是不同飼糧CP水平或不同家禽品種對Ile的消化率不同引起的。在Val水平方面,Liaqat等[40]研究表明,在飼糧Val含量從0.81%提升至0.87%可顯著提高羅曼蛋雞的產蛋率和蛋品質。對于其他特殊家禽,Hanafy和Attia[33]研究發現,在飼糧18%CP水平下,0.2%Val可顯著提高36～96日齡日本鵪鶉的產蛋率。而Jian等[41]研究發現33～41周齡鳳達蛋雞的產蛋率隨著飼糧Val水平升高而升高,而哈氏單位、蛋殼厚度、蛋黃顏色出現下降。相對肉禽,蛋禽以及主要飼料成分中不同的BCAA含量及其可利用率仍有待完善。

4 BCAA對種禽胚胎發育的影響

充分的BCAA營養供給對初生幼禽至關重要。為改善家禽胚胎的生長發育,除了在孵化后提供特定營養外,還可以通過卵內注射為發育中后期家禽胚胎提供足夠的營養和生物活性物質。Kita等[42]研究發現,卵內注射1%的Leu和Ile(453 mg Leu和271 mg Ile)可以加速雞胚的生長,縮短雛雞的孵化時間。Chowdhury等[43]研究發現,卵內注射500 μL含34.5 μmol Leu的無菌水顯著提高了出雛后肉雞初生重及熱應激期間的熱耐受性。Han等[44]研究發現,與注射Ile或Val相比,在第7天向胚胎卵黃囊注射500 μL含35 μmol Leu的無菌水顯著降低了出雛時雛雞的體溫并提高其5日齡的體重;而注射500 μL含70 μmol Leu的無菌水顯著提高了雞胚血漿甲狀腺素水平并顯著降低出雛10日齡時發生熱應激的雄性雛雞直腸溫度。崔洋洋等[45]在卵內注射9.06 mg Leu,顯著改善了慢性熱應激雌性羅斯肉雞的十二指腸絨毛高度和回腸隱窩深度。上述研究均表明,卵內注射Leu可以提高雛雞的耐熱性。Bhanja和Mandal[46]研究發現,卵內注射4～7 mg BCAA可顯著提高雞胚第1周的胚重。Kop-Bozbay和Ocak[47]研究發現,將0.2%的Leu、Ile和Val以3∶2∶1的比例混合注入雞胚羊膜腔,雞胚孵化率顯著降低,但雞胚的健雛率與初生重顯著提高。

5 BCAA對家禽免疫功能的影響

家禽肝組織中的BCAA主要由Val刺激粒狀淋巴細胞和無粒白細胞產生,參與自然殺傷細胞的增殖[48]。若BCAA添加充足,家禽黏膜會加速分泌免疫球蛋白A,減少固有層的致病性增殖。而作為白細胞、IL-12等促炎細胞因子和樹突狀細胞功能的動力來源,BCAA還在促進先天性和適應性免疫反應中發揮重要作用[49]。Sartori等[50]研究發現,添加BCAA可促進小鼠間充質細胞增殖,顯著下調p-NF-κB/NF-κB并上調p-STAT-3/STAT-3 mRNA表達,同時減少IL-6和TNF-α并增加抗炎介質水平,證明BCAA具有合成代謝和免疫調節的作用。董小英等[51]研究表明,在飼糧低CP水平(17%)下,添加BCAA會顯著降低仔豬血漿尿素和上皮內淋巴細胞數量并增加十二指腸絨毛長度和免疫球蛋白A數量。Prates等[52]研究發現,在25 mg·kg-1低脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)水平下,額外補充0.3%的BCAA、Arg和Cys,可部分逆轉斷奶仔豬因LPS應激而增加的炎癥反應及激素變化產生的應激生物標志物。在肉雞方面,Liu等[53]研究發現,在19胚齡雞胚腸細胞中添加Leu可觀察到NF-κB磷酸化并下調炎癥反應。Hale等[54]研究發現,飼糧低Ile水平(0.42%)顯著降低了30～42日齡雌性羅斯肉雞的胸腺重量和CD8+T細胞數量。Konashi等[8]研究發現,飼糧低BCAA水平(13.5 g·kg-1Leu、8 g·kg-1Ile和8.2 g·kg-1Val)顯著降低了10～24日齡雄性科寶肉雞胸腺和法氏囊的重量,說明BCAA在淋巴器官發育和免疫功能中起著關鍵作用。

6 BCAA對家禽腸道發育和菌群組成的影響

為了更好地吸收養分,家禽需要增加腸絨毛高度以產生更大的吸收表面積。有研究表明,飼糧1.37%～2.17%Leu水平可顯著提高AA肉雞空腸和回腸中的絨毛高度及十二指腸、空腸和回腸中的絨毛高度與隱窩深度的比[55]。Liu等[56]研究發現,在飼糧中添加400 mg·kg-1Ile可顯著增加初生AA肉雞空腸和回腸絨毛高度。Allameh和Toghyani[57]在低CP飼糧中補充可消化Val(9.9 g·kg-1),羅斯肉雞空腸和回腸的絨毛高度及杯狀細胞的數量顯著增加。BCAA可在轉氨過程中為Glu和Asp等氨基酸的合成提供氨基,而上述兩種氨基酸被認為是小腸黏膜細胞內蛋白質周轉和營養物質運輸的主要原料[58]。有研究表明,若BCAA比例不平衡,補充Ile不會對仔豬腸細胞的生長和增殖起促進作用[59]。常銀蓮[60]發現,上調飼糧BCAA水平可激活mTOR信號通路以促進初生AA肉雞腸道蛋白質的合成,從而促進腸道上皮細胞的增殖,增加腸絨毛高度。

目前,BCAA對腸道菌群的具體影響仍不明確,有待進一步研究。van der Wielen等[61]研究發現,從31日齡科寶肉雞盲腸中分離出的乳酸發酵菌(菌株G17T)、丙酸梭菌(93<5%)及新丙酸梭菌(93<5%)相似,且當底物中存在BCAA時生長平緩。Jian等[41]發現隨著飼糧Val水平的提高,33周齡羅曼蛋雞盲腸Fusobacterium、Aeriscardovia、Anaerobiospirillum、Aerococcus、Corynebacterium和Campylobacter的相對豐度顯著降低,Oribacterium和Frisingicoccus的相對豐度顯著增加。Liu等[56]發現,飼喂800 mg·kg-1Ile飼糧時,初生AA肉雞盲腸在門水平上的Firmicutes和Bacteroidota的相對豐度顯著降低,Proteobacteria和Cyanobacteria的相對豐度顯著增加。上述結果顯示,添加BCAA可能對家禽腸道菌群普遍存在有益影響,從而促進家禽的生長。

7 小 結

BCAA作為蛋白質合成的關鍵調控因子之一,對于促進肌肉生長發育和提高免疫機能起著至關重要的作用。近年來,更多研究表明BCAA在維持家禽腸道完整性、調控營養轉運蛋白和腸道微生物上具有重要作用,但對其具體作用機制仍有待明確,特別在家禽低蛋白飼糧配方中,應根據基礎飼糧CP含量、飼料原料種類及其BCAA含量和利用率,精準預測BCAA適宜需要量及其比例。在現有禁抗條件下,未來的研究應根據家禽采食量變化、腸道健康、應激水平和免疫狀態來精準調整適宜的可消化BCAA的需要量,以實現家禽飼料節本增效。