減少營養損失和提高生長豬可持續性的飼養策略

王祎汀 張配配 孟祥光

孫丹彤 譯自Frontiers in Veterinary Science，www.frontiersin.org/articles/10.3389/fvets.2021.720851/full

摘 要：多年來，利用營養物質養豬的效率有所提高。給豬飼喂能夠滿足其估算營養需要的飼料可以提高營養物質的利用率，利用率的提高相當于增加養豬生產的經濟收益，同時最大限度地改善環境的影響。撰寫本文的目的是回顧不同的日糧配伍法對動物營養物質利用率的影響，這些方法能向畜禽提供能夠滿足其所需營養水平的日糧，同時又能最大限度地減少營養物質的排泄量和溫室氣體的排放量。調整日糧配方來降低日糧中粗蛋白含量，可幫助畜禽最大限度利用日糧中氮和能量。減少動物生產碳足跡的重要技術是使用養殖場所在地的飼料原料和非人類食用產品（如菜籽粕），并在日糧中添加合成氨基酸。精準的飼喂和營養供給不僅可以通過每天定制畜禽所需的日糧，最大限度地提高動物對營養物質的利用率，還可以降低飼料成本，并提高日糧中氮的利用率。我們利用數學模型研究了減少日糧中粗蛋白水平對氮和能量利用率的影響。與不添加合成氨基酸的對照日糧相比，使用粗蛋白含量減少8％的試驗日糧，可使氮利用率提高54％，同時使飼料成本降低11％。由于減少了由蛋白質脫氨基作用引發的能量損失，日糧中粗蛋白含量的同步減少意味著可利用能量有了較大的提高。與對照日糧相比，豬飼喂低蛋白日糧后，通過尿液和后腸發酵引發的能量損失降低了24％。與群體（group phase）飼喂相比，精準的飼喂和營養供給可以使畜禽減少30％的氮排泄量。用低蛋白日糧和精準飼喂技術可使養豬績效具有相加性，產生61％的氮利用率。豬營養需要量的估算方法還有改進的空間。提高不同個體之間存在營養利用差異的認識，有助于進一步改善養豬生產對環境的影響。

關鍵詞：低蛋白日糧；可持續養豬生產；精準飼喂；精準營養；營養物質利用；營養物質利用率

中圖分類號：S816.8 ? 文獻標志碼：A 文章編號：1001-0769（2024）02-0001-11

飼養家畜是為了生產肉類、乳制品等食品以供人類食用。動物利用能量、氨基酸（amino acids，AA）、礦物質、維生素和水來維持機體生長、繁殖和哺乳。機體的維持和組織的合成（即瘦肉、脂肪等）依賴于日糧營養物質的充足供應。日糧中營養物質在轉化為動物產品過程中引發的營養物質的損失，會增加飼料成本，且日糧中過量添加氮、磷，糞肥中的微量礦物質，碳和甲烷的損失，還可能會增加養殖場的環境負荷。日糧中營養物質向動物產品轉化的效率普遍較低。日糧中的粗蛋白（crude protein，CP；即氮）是單胃動物飼料中有限和昂貴的營養物質之一。豬將CP轉化為機體蛋白質的效率為15％～33％，肉牛和肉雞的分別為10％～20％和30％～40％。隨著全球人口的增長以及人類和畜禽對植物蛋白需要量的不斷增加，我們需要重新定義評估生產效率的方法。畜禽飼料轉化為人類可食用的動物產品的效率，在全球土地資源有限和糧食安全的實際背景下進行評估可能更合適，因為它不僅僅是評估畜禽飼料轉化為單位動物產品的效率。例如，使用可消化的必需氨基酸評分來量化蛋白質質量的差異，再加上人類可食用蛋白質轉化效率的概念，就可以量化某個生產系統的凈蛋白質貢獻率。豬和雞的凈蛋白質貢獻率分別約為0.64和0.76，而奶牛的則為3.6。貢獻率大于1，表示動物鏈對提供人類營養物質有積極影響。雖然這些計算值很大程度上受畜禽日糧中所用飼料原料的影響，但這些數值表明人類和非反芻動物之間存在食物競爭。動物科學家和畜牧業所面臨的挑戰是如何提高飼料資源的利用率，使營養物質的供應量與動物的需要量相匹配，同時減少畜禽對人類可食用食物的依賴。

畜禽將日糧中的營養物質轉化為動物產品的效率取決于許多因素。這些因素可能與畜禽的特性（如新陳代謝、年齡和物種）、飼養方法（如飼料組成、飼養階段）和環境（即飼養系統）有關。在動物體內，導致畜禽出現營養缺乏的原因有很多。畜禽攝入的部分營養物質會用于基礎代謝，包括降解（分解代謝）和合成（合成代謝），或通過剝落和內源性分泌物在消化道中流失。這些營養物質的損失通常被稱為維持損失。在動物產品的合成過程中，營養物質也會流失（如身體消瘦）。在生長階段，動物會利用第一限制性氨基酸沉積蛋白質，由此引發的營養物質損失在很大程度上可歸因于其不可避免的分解代謝。AA的這種不可避免的損失應有別于其他代謝的損失，其他代謝的損失是由于AA過量分解代謝、化學性質上不可利用的AA（如熱損傷蛋白）排泄的結果，在較小程度上也有別于表皮AA的損失，以及AA被機體用于合成非蛋白質類化合物。以谷物為基礎日糧飼喂的生長豬，其未消化的氮，加上因消化、維持功能和機體沉積蛋白質引發的氮損失量，可能占氮的總攝入量的33％。日糧中的磷也有類似的情況。引發這些營養物質缺乏的根源很難減少，因為它們是動物代謝所固有的，在消化和代謝過程中均有發生。

造成營養物質損失的其他根源與飼料的組成以及為動物提供飼料的方法有關。這些損失與飼喂和飼養動物的方式有關，因此有很大的改善潛力。事實上，飼料是養豬生產對環境影響的主要原因（占70％）。在實際生產中，豬群中大多數豬獲得了超過其需要量的營養物質，然而這些多余的營養物質會被排出體外，導致營養物質利用率整體下降。避免向畜禽供應過量營養物質，從而減少它們的排泄量，重要的是：（a）精準估算日糧中畜禽代謝可用營養物質的含量；（b）估算每只動物在整個生長期中營養需要量；（c）制定限制營養物質過量的營養均衡日糧；（d）調整日糧中營養物質的供應量，以滿足動物的估算需要量。Pomar等分別在2015年和2017年對現有飼料原料中可用營養物質的估算法和營養需要量的確定方法進行了研究。此外，畜牧生產對環境的影響還包括畜禽和其糞便處理對溫室氣體（greenhouse gas，GHG）排放量的直接和間接影響，在某些情況下，如豬和家禽生產，占全球畜禽GHG排放量的9.5％左右。撰寫本文的目的是綜述不同的日糧配伍法對生長豬營養物質供給量的影響，以滿足生長豬的需求，并同時最大限度地減少營養物質排泄量和GHG排放量。

1? 制定營養均衡的日糧以減少營養物質的流失和排泄

為畜禽配制配合飼料指的是確定飼料原料和添加劑的混合比例，使飼料中營養物質的含量能以最優的飼料成本實現生產目標。當配合飼料能提供動物所需的全部營養物質時，它被稱為全價配合飼料。如今許多畜禽飼料都是全價配合飼料。

確定日糧配方的基本要求之一是準確了解動物所消化飼料原料的營養組成，以及動物生存和生產所需營養物質的量。線性規劃是確定日糧配方時廣泛使用的方法之一，在遵守一系列線性約束條件的前提下，確定可用飼料原料的添加水平，從而使目標函數（通常是混合物的成本）最小化（或最大化）。其他方法，如目標規劃，是線性規劃的擴展，包括幾個優化標準。然而，這些方法的主要特征是目標函數和約束條件的線性性質，這需要驗證一些重要的假設，如可加性（目標函數的值是每種原料貢獻值的總和，同樣，混合原料的營養物質貢獻值是每種原料營養物質貢獻值的總和）、比例性（混合原料貢獻值的變化會按比例改變混合原料的營養價值和成本）和可分割性（混合原料中某種原料的加入是可以無限分割的，并且不存在原料或營養物質之間的相互作用）等重要假設。

營養物質可以用不同的單位或不同的營養系統來表示飼料原料的供應量和動物的需要量。用于評估飼料原料潛在營養貢獻和動物所需營養成分的系統和單位，必須驗證配伍法的一些假設。例如，AA的回腸表觀消化率不滿足可加性假設，因為動物對增加日糧中AA水平產生的反應不一定是線性的。使用凈能和標準回腸可消化氨基酸系統能夠規避這些限制。此外，動物的氨基酸需要量通常是基于理想蛋白質的概念衡量的。這一概念產生于50多年前，指的是某一種蛋白質，在這種蛋白質中，日糧中所有必需氨基酸和非必需氨基酸都是共同限制的，因此AA的供應量完全滿足動物對AA的需要量。傳統上，賴氨酸一直被用作參考氨基酸，因為在以玉米-豆粕為基礎的飼料中，賴氨酸是豬和家禽的第一限制性氨基酸。理想蛋白質概念的應用大大簡化了實際的動物營養和飼料配方，因為營養學家只需評估賴氨酸的需要量，并根據理想蛋白質組成擴展其他氨基酸的需要量。

盡管如此，常規日糧配伍法在滿足營養約束的同時，能最大限度降低配合飼料的成本，并在增加環境約束時最大限度地減少過量營養物質的供應量。除了目標函數和約束條件的線性固有限制以及上述假設之外，線性規劃還受到目標函數的限制，通常建議將飼料（即配合飼料）的成本最小化。換言之，線性規劃是向動物提供其必需的營養物質，而不考慮營養物質的來源。因此，如果兩種日糧都能夠滿足配伍法的所有營養約束，而不考慮它們提供的營養物質是否過剩，則可以認為這兩種日糧是等價的。遺憾的是，通過在日糧配伍法中增加環境目標來減少環境足跡，這通常是一項復雜又昂貴的任務，會對生產競爭力產生不利影響。在日糧配方算法中引入環境目標，可以通過修改傳統的最低成本配方算法、使用目標和其他編程技術等實現。然而，無論選擇哪種配伍法，要盡量減少的環境準則應是能對生產的環境足跡產生最大影響的標準。利用生命周期對環境足跡進行全球量化評估，是一種很有應用前景的方法，但缺點是會將與生產原料、肥料等物質相關的環境足跡歸因于畜禽飼料。且解決方案對整個社會來說可能是最佳的，但對生產單位或生產者來說不一定是最佳的。實際中要采用這種方法，就必須采取國家和國際政策，使消費者和該行業各利益相關方分擔環境成本。本研究僅考慮了與動物飼養相關的環境足跡。

2? 通過飼料配伍減少碳足跡

隨著社會大眾日益要求減少動物生產系統的全球環境碳足跡，重點是要提高飼料原料生產的可持續性，確保動物對飼料原料的有效利用和糞便的科學處理。因此，除了精準配制飼料以減少營養物質的損失和排泄量之外，還需要更多的策略來減少全球生產的碳足跡。有人提出：（1）使用養殖場所在地的原料配制飼料；（2）使用食品和生物能源行業的副產品；（3）通過增加結晶AA的使用量，配制低蛋白日糧；（4）使用更高效的作物，減少化肥用量（如精細農業）。在所有這些策略中，使用更高效的作物有助于減少碳足跡。然而，當考慮到土地用途的變更時，用結晶AA來配制低蛋白日糧似乎是減少碳足跡的一種有效策略。結晶氨基酸是合成類化合物，與天然生成的氨基酸具有相同的結構。飼料級AA允許用合成和結晶的AA取代受束縛的蛋白質。氨基酸可以通過不同的方法生產，例如，從蛋白質水解產物中提取、化學合成和微生物發酵，每種方法具有不同的經濟和環境優勢。結晶AA是細菌發酵后通過結晶純化后獲得的產物。在歐洲等地區的生產環境中，飼料原料經常從遙遠的國家（如巴西和阿根廷）進口，使用飼料級AA來減少豆粕的使用量，可顯著減少土地的使用量、碳足跡和GHG排放量。通過添加結晶AA配制低蛋白日糧，或使用精準飼喂，或兩者并用，可以減少豆粕的使用量。不過，只有在不影響動物生長性能的情況下，這些替代性飼料才是環保的，可行的。

3? 低蛋白日糧對營養物質利用率和排泄量、碳足跡的模擬影響

能量、氨基酸、礦物質、維生素和水是動物生存（維持）、生長和生產（繁殖、哺乳等）所需的重要營養物質。在配制日糧時，應向動物提供足量的可口、可消化和可代謝的這些必需營養物質，以優化它們的生長、繁殖和生產。相關研究人員認為許多營養物質（尤其是AA）的過量供應不會影響動物的生產性能。事實上，排泄出的氮或來源于未消化的、不穩定的和化學上不可利用的日糧CP部分，或來源于過量供應的蛋白質以及不可避免的蛋白質分解代謝。隨著結晶氨基酸[如L-賴氨酸、DL-蛋氨酸（或其類似物）、L-蘇氨酸、L-色氨酸和L-纈氨酸]供應量的增加，目前已可能配制出氨基酸含量均衡的低蛋白日糧。當給豬和其他單胃動物提供所需的必需氨基酸時，包括非必需氨基酸在內的許多營養物質不會影響動物的生長。

低蛋白日糧對營養物質利用率和排泄量、碳足跡的影響是通過模擬生長豬的飼養進行評估的。有研究通過使用NRC的營養基質、EvaPig?軟件的標準回腸消化率（Vol.1.4.0.1）和公認的理想蛋白質氨基酸組成配制了5種配合飼料。這些飼料CP含量低，并加入與眾不同的結晶AA，以滿足體重25～50 kg的生長豬的營養需要。用于配制基礎日糧（日糧1）的飼料原料有玉米、小麥、豆粕、菜子粕、植物油、礦物質源（微量礦物質預混料、碳酸鈣、水合磷酸二鈣）和植酸酶。這些飼料原料盡可能從當地原料中選擇，其成本根據2021年1月15日的美元兌換率進行計算。

基于之前的研究結果來模擬豬的生產性能，飼養階段為體重達到25 kg后開始的28 d，豬的日均采食量（average daily feed intake，ADFI）為2 kg/d，日均增重（average daily weight gain，ADG）為0.95 kg/d，蛋白質的每天平均沉積量（protein deposition，PD）為152 g。按照相關文獻建議的維持需要和生長需要計算豬每天的賴氨酸需要量（g/d）。經糞便損失的能量可通過日糧中總能和可消化能之間的差異估算。按照Van Milgen等的建議計算了經尿液損失的能量，假設損失的能量來自兩種含氮組分的脫氨基作用，一種是必需的，另一種是可變的。強制性能量損失值與維持需要相關，而可變的經尿液損失的能量值與蛋白質的過量供應成比例。可消化能和可代謝能之間的差異代表纖維發酵產生甲烷損失的那部分能量。確定可代謝能和日糧凈能之間的差異可獲得熱量損失值。這些值與ADFI相乘可估算平均能量損失值（MJ/d）。從相應的營養物質攝入量中減去估算的保留值，可獲得氮和其他營養物質的排泄量。

就生長豬對氨基酸的需要量而言，賴氨酸通常是許多生長期動物（包括豬）日糧中的第一限制性氨基酸。玉米中的賴氨酸含量有限，因此在傳統的玉米-豆粕型日糧中必須添加更多的豆粕以滿足豬對賴氨酸的需要，但這會導致日糧含高水平的CP。在不添加結晶氨基酸的情況下，為滿足豬對氨基酸的需要而配制的基礎日糧（日糧1）主要由豆粕和菜籽粕組成，這兩種原料的添加量占日糧的38％，使日糧的CP達到22.3％（圖1A，表1）。在第二種必需氨基酸（蘇氨酸；日糧2）達到極限前向這種基礎日糧中添加L-賴氨酸，可以使日糧CP水平降低7％（圖1B）。日糧CP含量的下降是由豆粕和菜籽粕含量的減少以及玉米和小麥添加量的增加引起的。與基礎日糧相比，在第三個氨基酸成為限制性氨基酸（日糧3）之前向基礎日糧中補充L-賴氨酸和L-蘇氨酸，可以使日糧CP水平降低10％。此時，色氨酸和蛋氨酸成為限制性氨基酸，通過添加這四種飼料級AA，可以使日糧CP含量減少17％（CP含量為19％）（日糧4）。纈氨酸成為下一個限制性氨基酸。在基礎日糧中添加L-賴氨酸、L-色氨酸、L-蘇氨酸、蛋氨酸羥基類似物（methionine hydroxyanalogue，MHA）-蛋氨酸和L-纈氨酸，可使日糧5的CP含量降低26％（CP含量為16％）。需要強調的是，日糧中限制性氨基酸的順序和CP潛在減少取決于所使用的營養基質、所選擇的理想氨基酸組成、經濟方案和動物對氨基酸需要量的估測值。

與基礎日糧（日糧1）相比，使用5種飼料級結晶AA，可使豆粕和菜籽粕的添加量減少50％。這些飼料原料占參考日糧的38％。減少畜禽日糧中蛋白質原料，不僅能顯著減少氮的排泄量，還能減少土地使用量和碳足跡。王等報道，日糧CP含量每減少1％，氮的排泄量就會減少8％～10％。在本研究中，日糧粗蛋白含量每減少1％，氮的排泄量就會減少8％，這與王等的研究結果一致。在目前的模擬研究中，豬分別飼喂日糧1、日糧2、日糧3、日糧4和日糧5，氮的潴留率從40％提高到54％。同時，降低日糧CP含量，也會降低飼料成本（圖2）。盡管飼料成本隨著時間的推移和生產環境的不同而不斷變化，但日糧5比日糧1便宜11％，這是由于添加AA后減少了日糧中豆粕和菜籽粕的添加量。

日糧總能不能完全滿足動物的需要，因為一部分能量會通過糞便、尿液、腸道發酵產生的氣體（甲烷、氫氣）和熱量（即熱增耗）損失。經糞便損失的能量來自日糧中未被動物消化的有機物，這部分能量可能占動物所攝入總能的14％，而經尿液和發酵損失的能量可能占非增補日糧的8％。考慮到動物對谷物中能量的消化率高于對豆粕和菜籽粕中的，用低蛋白日糧飼喂豬會使經糞便損失的能量減少11％。此外，低蛋白日糧可以顯著降低蛋白質脫氨基作用，因此這是能量損失中能量成本差異最大的部分。豬喂給基礎日糧（含22％粗蛋白）后，其尿液和后腸發酵導致的能量損失比飼喂低蛋白日糧（含16％粗蛋白）的豬的高24％，這可能是因為尿液中每多1 g氮，這些氮發生脫氨基作用并排出需要消耗31.1 KJ的能量。日糧5和日糧1之間的熱增耗減少了13％。熱增耗的這種變化主要是由于日糧中淀粉和蛋白質的比例發生了改變。鑒于作為ATP的來源，葡萄糖的利用率高于蛋白質的，減少多余的日糧粗蛋白也會降低動物的熱增耗。此外，高水平的日糧CP會刺激動物體蛋白質的周轉，這一過程會增加能量消耗。

4? 精準飼喂作為提高營養物質利用率的工具

減少多余營養物質的排泄量和限制不可再生資源的使用，是發展可持續畜牧業生產系統的重要組成部分。營養物質的排泄量主要取決于營養物質的攝入量、代謝利用率以及日糧中營養物質的供給量與動物需要量之間的平衡程度。對于生長期的動物，日糧中營養物質的最佳含量隨著時間的推移會逐漸降低。因此，減少多余營養物質排泄量的有效方法是調整它們的供應量，以滿足動物的需要。隨著飼養階段的增加，這種伴隨營養物質調整所帶來的經濟和環境效益也會增加。然而，增加飼養階段會使飼喂管理變得復雜，有時還會增加設施成本。開發允許混合飼喂和自動分配兩種飼料的飼喂系統，當以可變比例混合時，可以滿足豬在整個生長期的營養需要。這使得分階段飼喂技術再次充滿希望，因為可以顯著減少營養物質的排泄量，而不會增加飼喂成本。但仍需要控制兩個重要的差異來源，即動物個體之間的差異和營養需要量的超時差異。傳統上養殖場會在很長一段時間內給動物飼喂相同的飼料。因此，只能增加飼養階段來控制超時差異。此外，鑒于大多數營養不足的動物會表現出生產性能下降，而過量飼喂的動物會表現出接近最佳水平的生產性能，提供營養物質是為了滿足畜群中要求最苛刻的動物的需要，以確保它們具有最佳的生產性能（即生長）。在這種情況下，幾乎所有動物能夠獲得超過它們所需的營養物質。此外，由于缺乏信息，無法精確估算提供給群體的最佳營養水平、飼料原料的組成以及其他不受控制和未知的因素（例如環境、健康），營養學家在配制日糧時應考慮到安全系數，以獲得最大的群體反應。

精準飼喂或精準動物營養是用每天定制的日糧飼喂動物的做法。精準飼喂和營養是精準飼養法的一部分，包括使用飼喂技術，及時向單頭動物或單個動物群提供適量的、合適的飼料。精準飼喂需要使用相互連接的智能傳感器和數據自動收集設備，并使用大數據分析技術，結合使用深度學習算法和控制設備（即自動飼喂器）的傳統數學和數據驅動模型。只有在動物個體水平上進行數據測量、數據處理和控制行動時，才能在個體水平上應用精準飼喂。

使用實時采食量和體重信息可以估算豬群或該豬群中的每一頭豬充分發揮其遺傳潛力所需營養物質的數量。例如，Pomar等使用了一種實時建模控制方法，來控制群養豬自由采食的時間變化。在該生產系統中，豬在整個生長-育肥期只喂給兩種飼料：飼料A——營養水平高；飼料B——營養水平低。通過將這兩種飼料以適當的比例混合，每日為每個個體（個體精準飼喂）或一群豬（日階段群體飼喂系統）定制日糧。這些研究人員將傳統的三階段飼喂系統與日階段群體飼喂系統進行了比較，得出的結論是每頭豬的日糧CP攝入量可減少7％，氮排泄量可減少12％。控制時間依賴性差異和動物個體之間的差異，可以進一步減少營養物質的攝入量和排泄量。Hauschild等利用建模方法估算單頭豬的實時營養需要量。Andretta等和Remus等比較了按照傳統的三階段飼喂系統（類似于Pomar等使用的飼喂系統）和采用精準飼喂系統飼喂的生長豬的生產性能。他們發現，按照每頭豬的估算需要量每天調整日糧中標準回腸可消化（standardized ileal digestible，SID）賴氨酸的含量，可使賴氨酸總供應量減少27％，而不會對豬的生長性能產生不利影響。

與群體飼喂相比，SID賴氨酸攝入量減少20％是通過對豬進行單頭飼喂，從而控制時間依賴性和動物個體間差異實現的。雖然飼料成本的降低在很大程度上取決于原料的價格，但如果僅控制隨時間而變的差異，預計飼料成本可降低1％～3％，如果同時控制這兩種差異來源時，可降低8％～10％。用每日定制的日糧飼喂豬時，氮的排泄量減少了近30％。Andretta等在2014年和2016年的研究中發現，日糧CP用于豬體內蛋白質沉積的效率分別提高了12.5％和13.4％。此外，在這些試驗中，賴氨酸和SID賴氨酸水平分別提高了30％和23％。CP和賴氨酸效率之間的這些差異是由以下事實造成的：配制試驗日糧時沒有將CP的含量降至最低水平，飼料A和飼料B含有不同水平的賴氨酸與CP。

5? 為精準飼喂配制低蛋白日糧

用低蛋白日糧和精準飼喂技術飼養豬產生的益處具有相加性。故，為精準飼喂的豬配制含有飼料級晶體AA的日糧，可以大大減少生長-育肥豬生產的碳足跡。如果Andretta等采用與之前模擬試驗中日糧5相同的配方配制試驗日糧，理論上氮排泄量將會減少43％，而不是觀察到的26％，氮的潴留效率將從54％上升到61％。重要的是，從這些試驗的結果可以看出，幼齡豬的效率比老齡的更高，而且按照需要量飼喂豬，可以顯著提高氮和其他營養物質的利用率。事實上，按照估算的SID賴氨酸需要量的90％向豬供應賴氨酸，會使蛋白質沉積量減少約5％，相比按需要量飼喂的豬，氮的排泄量可減少近20％。因此，這種減少對日糧配伍法非常敏感。事實上，為幼齡豬配制的飼料所含的營養物質更多，包括AA。因此，與為體重較大的豬配制的飼料相比，使用飼料級結晶AA對降低日糧總蛋白質含量的影響更大。當為精準飼喂配制日糧時，同樣，營養含量較高的飼料比營養含量較低的飼料對AA的添加水平反應更大。另一方面，營養物質含量較低的飼料（即飼料B）通常是為需要量最少的豬配制的。因此，在生長期結束時，豬對AA和其他營養物質的需要量較低，它們受添加的結晶AA的影響較小。這些營養含量較低的飼料不需要添加任何蛋白質原料，因為谷物中的AA含量超過了該飼料所需的水平。

6? 實際生產中配制低蛋白日糧的局限性

配制低蛋白日糧可能會對畜禽的可持續生產產生巨大影響，在精準飼喂環境下使用低蛋白日糧可能影響更大，因為這兩種飼喂技術具有相輔相成的作用。飼料和飼喂是減少碳足跡的重要生產因素，因為其影響約占動物生產對環境總影響的70％。然而，盡管使用低蛋白日糧和高效的精準飼喂系統有明顯的好處，但目前用于配制低蛋白日糧和精準飼喂系統的原理存在局限性。

根據豬的需要量精準調節營養物質的供應量，是優化飼料中營養物質的利用率、減少營養物質排泄量和動物生產系統碳足跡的關鍵點。假設飼料原料的消化率是累積的，且與動物、采食量和原料組成無關，那么可獲得日糧中可消化氨基酸含量。然而，這些原則并不可靠，因為低采食量可能會增加日糧中蛋白質和氨基酸的表觀理想消化率和SID的估算值，而且日糧中加入不溶性纖維會降低包括AA在內的大多數飼料原料的消化率。這些現象可能會導致原料的消化率缺乏相加性，低估或高估全價配合飼料中可利用的氨基酸。能否精準估算飼料原料和最終日糧中可利用的營養物質，仍然是配制低蛋白日糧或為豬提供所需營養物質的重要限制因素。

另一方面，確定動物生產所需營養物質的數量也具有挑戰性。對于特定的營養物質（如必需氨基酸），當其他營養物質都足量供給動物時，營養需要量可以定義為達到特定生產目的所需營養物質的數量，在養殖場中，這些營養物質是生產產出，如生長速度、蛋白質沉積和泌乳量。根據生產目的和營養物質的不同，所需營養物質的數量被認為是防止出現營養缺乏癥并不會影響動物正常發揮其必要功能的最低值。營養需要量受動物本身特性（如遺傳潛力、年齡、體重和性別）、飼料組成（如抗營養因子）和環境條件（如溫度和空間容量）相關因素的調節，并且在給定時間點對給定動物進行估算，作為維持需要和生產需要的總和。然而，當應用于豬群時，營養需要量應定義為完成特定生產目的所需營養物質的數量，如最佳的生長速度、蛋白質沉積率和飼料利用率。也就是說，當應用于群體時，營養需要量的概念應從長期向異質豬群提供所需營養物質的角度來考慮。在程度和模式上，單個動物對日糧營養物質供應量的反應可能不同于群體的反應，群體營養需要量應視為豬采食過量和采食不足的比例之間的最佳平衡，并認為這一比例將隨著時間的推移而變化。

經驗法和因子分析法是實踐中用來估算生長期動物營養需要量的兩種方法。經驗法通過給豬群飼喂不斷增加的待評估營養物質，并測量一群或多群豬的生產性能（如生長速度），估算它們的營養需要量。在經驗法中，觀察到群體達到最佳反應時的營養水平，被確定為豬群對該營養物質和在這一生長期中的群體需要量。然而，在因子分析法中，每日需要量是根據維護需要和生產需要之和估算的。這些需要量是針對每種營養物質或其前體進行估算的，并考慮了每種營養物質用于每個代謝環節的效率。因為豬群中的每頭豬在體重和生長潛力上存在差異，所以它們都有各自的需要量，并隨著時間的推移這種需要量會根據每頭豬自身的采食量和生長模式發生改變。當用因子分析法估算豬群的營養需要量時，通常用豬的平均值代表該群體的需要量。然而，必須謹慎對待這一假設，因為按照該平均值向豬群提供營養物質，意味著豬群中一部分豬可能飼喂過度，而另一部分豬飼喂不足，這會導致整個豬群出現非期望的生產性能。不過，有些因子分析法可能已經過了校準，可以使用群體平均值來估算群體的營養需要量。此外，與經驗法不同的是，因子分析法是使用一個特定時間點的個體信息來估算營養需要量的。因此，沒有評估在研究的生長期中發生的變化。最終，這兩種估算營養需要量的方法都是基于研究營養物質攝入量和動物反應之間關系的試驗結果。在經驗法中，這種關系用于估算顯示一定程度異質性的動物群體對不同營養水平的最佳反應。相比之下，因子分析法估算的是在給定時間點一頭動物所需營養物質的數量。因此，當采用因子分析法估算群體營養需要量時，所選個體應能正確代表該群體，而不一定是群體的平均值。

采用因子分析法的機械數學模型可代表動物反應的復雜性和調節反應的眾多因素。開發這些模型是為了模擬單個動物或一群動物的生長過程。然而，這些模型必須事先利用從已往的參考群體中收集的數據進行校準。此外，這些模型面臨的挑戰包括：⑴難以確定用于校準的合適參考群體；⑵大多數模型不足以代表種群的異質性；⑶目標群體中的動物可能遵循與參考群體不同的采食量和生長模式。因此，模型用戶必須非常小心地識別參考群體和目標群體可能存在的任何差異，以及目標群體在生長過程中的任何變化。

從營養的角度來看，動物的差異遠大于因子分析法和模型所體現的采食量和蛋白質沉積潛力的差異。目前因子分析法中用于估算動物的營養需要量或配制低蛋白日糧的原則是基于以下假設：⑴消化率是恒定的，只是飼料的一種屬性，例如玉米中賴氨酸的消化率為74％；⑵觀察到的（即SID）AA利用率在不同動物和年齡段中是恒定的，例如賴氨酸在機體蛋白質中的沉積率為72％（NRC 2012模型考慮了一些變化）；⑶不同動物和不同年齡動物體內蛋白質氨基酸組成是恒定的，例如賴氨酸為7％，并根據理想的蛋白質組成需要并保留AA。然而，這些假設并不完全正確。事實上，飼料原料中AA的消化率受日糧組成（例如纖維含量）、飼料加工工藝和動物自身因素（如采食量和體重）的影響。配制低蛋白日糧時應考慮影響營養物質消化率的因素。除此之外，動物利用可利用營養物質的效率可能不是恒定的。例如，豬利用吸收的氨基酸來沉積蛋白質的效率受許多因素影響，生產條件可能是其中重要的影響因素之一。因此，對于賴氨酸飼喂量低于其需要量的生長豬，Remus等和Cloutier等估算的SID賴氨酸的沉積效率分別為73％～94％和83％～100％。在蘇氨酸上可以觀察到類似的數據，估算效率為54％～84％。氨基酸供應量也會影響機體蛋白質的AA組成，不同的機體蛋白質受AA供應量的影響不同。事實上，內臟組織器官的蛋白質受氨基酸供應量的影響小于肌肉組織的，不同肌肉組織對日糧氨基酸供應量的反應也不同。一些蛋白質（膠原蛋白、白蛋白、C反應蛋白）比其他蛋白質所受的影響更大。在評估AA供應量和需要量時，使用恒定消化率、AA沉積效率以及機體蛋白質和動物產品的AA組成，可能會使估算值出現偏差，從而降低動物在減少營養物質過量供應時的生產性能。

理想蛋白質的概念是指蛋白質的氨基酸組成完全符合動物的需要，在這種情況下，所有氨基酸都具有同等的限制性。這一概念具有重要意義。首先，動物的反應是由第一限制性氨基酸驅動的，與其他氨基酸無關。第二，在另一個氨基酸變為限制性或達到最大反應前，動物的反應程度與可用的限制性氨基酸水平成比例。第三，過量的AA不會限制動物的最大反應。第四，AA之間沒有相互作用。在理想環境中，所有動物都會對給定的AA做出類似的反應。然而，理想蛋白質概念只能解釋動物反應中的一小部分。也就是說，對于任何給定的AA供應水平，動物在反應上都會有很大的差異，通常大于AA供應水平之間的差異。Remus等還指出，對于生長豬，采用傳統飼喂系統或精準飼喂系統飼喂時，蘇氨酸/賴氨酸的供應比例不同，豬的生產性能也不同。然而，在這兩種飼喂系統中，豬個體之間的差異很大，從而證實理想蛋白質組成只能解釋動物反應差異中相對較小的一部分。動物個體在氨基酸消化率、日糧AA的利用率和AA機體蛋白組成方面的差異，可能是造成動物對氨基酸供應量的反應出現差異的部分原因。

此外，當觀察到二次反應，或當某種AA缺乏或過量影響在其他AA發生變化時動物所產生反應的程度（AA之間相互作用）時，理想蛋白質概念的利用就會受到限制。例如，在使用色氨酸含量低的日糧時，補充纈氨酸會降低豬的ADG；而在使用色氨酸含量充足的日糧時，補充纈氨酸會增加豬的ADG。在另一項試驗中，日糧缺乏纈氨酸或其支鏈氨基酸不平衡，會降低豬的采食量和生長性能。氨基酸不僅是生產的基石，也是合成許多對動物新陳代謝至關重要的分子（如谷胱甘肽、肉堿、肌肽等）的重要底物。而且在神經調節、基因表達和小腸生長中發揮著重要的作用。有些氨基酸對免疫系統（即硫氨基酸）和維持腸道屏障的完整性（即蘇氨酸）發揮至關重要的作用，在衛生條件較差的情況下，應審查豬的AA供應情況。

功能性氨基酸是那些參與調節與改善動物健康、生長、繁殖和泌乳相關的關鍵途徑的AA。這些氨基酸可能與代謝性疾病的預防和治療有關，也可能會對腸道健康產生重大影響。生活在不同的生活環境中，豬對氨基酸和能量也會有不同的需要量。健康挑戰導致本可用于蛋白質沉積的氨基酸被用于維持免疫系統功能。因此，非反芻動物的生長性能會下降，而利用飼料促進動物生長的效率下降，導致對環境的影響增加。Cadéro等使用格子氣模型、元胞自動機模型（lattice gas model， cellular automata model，LCA模型）模擬了96種情況。該模型考慮到豬個體間的差異，旨在模擬健康狀況和飼養方式對經濟和環境的影響。他們得出的結論是，健康受損對碳足跡有重大影響，改進飼養方法以提高動物健康水平的做法有助于提高經濟效益。這些研究人員指出，給豬飼喂營養物質含量接近其需要量的日糧（如個體精準飼喂），有助于改善健康受損豬群的經濟效益。此外，每日分組飼喂或單獨飼喂豬，只能改善經濟效益和環境效益，與豬群的健康狀況無關。功能性氨基酸含量的改變可能有助于豬戰勝衛生挑戰，特別是在精準飼養系統中。

7? 展望

用低蛋白日糧以及每日定制的日糧單獨或分組喂豬，都會對氮的排泄量以及總的來說對畜禽生產的可持續性產生重大影響。事實上，動物攝入的營養物質如果未被動物或動物產品潴留，就會被排出體外，從而增加生產成本，降低養殖場的可持續性。對于傳統飼喂系統和精準飼喂系統使用的低蛋白日糧和極低蛋白日糧，要減少氨基酸的供應量，應在估算氨基酸需要量時不僅要考慮其在生產中的作用（即用于生產肉、奶等），還要考慮其重要的代謝功能。這還需要確保其他功能性營養物質（如可發酵碳水化合物、益生菌等），以最大限度提高動物腸道形態和腸腔內的微生物群、免疫系統等的完整性。我們需要更好地了解AA的消化和代謝利用情況，以量化動物的需要量及其對與動物腸道微生物群和生產環境相互作用的AA供應的反應。

極低蛋白日糧的配制和精準飼喂技術的使用，有賴于利用合理的營養概念和為精準估算動物個體實時營養需要量和動物反應而開發的綜合生物模型。將知識驅動模型和數據驅動模型結合起來，可進一步提高利用養殖場實時數據的能力，為提高養殖場盈利能力、營養物質利用率和動物生產系統的可持續性開辟新的機遇。如今，隨著先進計算機和通信技術以及高速數據采集傳感器的發展，我們可以在動物、飼料、飼養舍和其他養殖場層面獲得大量測量數據。除了這些新技術的可用性和數據收集之外，知識仍然是為每只動物或每群動物精準提供其所需營養物質，使其達到預期生產水平的最大限制因素。對于營養學家和建模師來說，了解導致個體動物使用日糧營養物質的能力發生改變的代謝過程是一項挑戰，但這是進一步提高畜牧生產系統效率所必需的。

原題名：Feeding strategies to reduce nutrient losses and improve the sustainability of growing pigs（英文）

原作者：Candido Pomar、Ines Andretta和Aline Remus