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反刍动物小肽营养研究进展

史 良 刁其玉 杨 勇
传统的代谢模型认为,蛋白质必须水解成氨基酸后才能被吸收利用。但近几十年的研究表明,不同来源的饲料在氨基酸利用率上存在差异,而且当动物采食按理想氨基酸模式配制的纯化日粮或氨基酸平衡的低蛋白日粮时,不能得到最佳生产性能和饲料效率。经过深入研究,人们认识到动物对蛋白质的需要不能完全由游离氨基酸来满足,为了达到最佳生产性能,还需要一定数量的肽,特别是小肽。
当蛋白质以小肽形式供给时,可提高动物对蛋白质的利用率,进一步发挥动物的生产潜能,具有增强动物免疫能力、改善动物产品品质等重要作用。Argyle等(1989)证明,肽或肽和氨基酸的混合物比单独以氨作为氮源更能促进微生物生长。Armstead等(1993)认为肽是瘤胃微生物蛋白质合成的重要底物。Russell等(1983)、Chen等(1987)的研究结果均表明,肽的摄取是瘤胃蛋白质降解的限速步骤。反刍动物蛋白质营养的研究已进入肽营养研究阶段,小肽营养在反刍动物生产中具有十分重要的作用。
1 小肽的吸收途径与吸收部位
反刍动物对小肽的吸收与单胃动物不同。研究发现,在反刍动物体内存在着两套吸收系统,肠系膜系统和非肠系膜系统(Webb,1990)。一般情况下,消化道中的小肽在瘤胃、网胃、瓣胃、皱胃和十二指肠等部位的吸收是以非肠系膜系统进行的;在空肠、结肠、回肠、盲肠等部位是以肠系膜系统进行的。Dirienzo等(1990)分别测定了绵羊氨基酸和肽的吸收,从肠系膜吸收的游离氨基酸为 36.74g/d, 以肽的形式吸收的氨基酸为52.01g/d; 从非肠系膜吸收的量分别为 4.51g/d 和308.4g/d。由此可见,非肠系膜系统是反刍动物肽吸收的主要途径。Matthews(1991)用离体瘤胃上皮细胞和瓣胃上皮细胞研究小肽的吸收情况时进一步发现,瘤胃上皮细胞和瓣胃上皮细胞对小肽的吸收是不饱和的被动扩散过程,瓣胃上皮细胞吸收小肽的能力要强于瘤胃上皮细胞。因此,反刍动物吸收肽的主要部位是瓣胃,其次是瘤胃等其它非肠系膜和肠系膜系统。
2 小肽的吸收机制和特点
2.1 中间载体转运体系
肠细胞对游离氨基酸的主动转运有4类系统:中性氨基酸、碱性氨基酸、酸性氨基酸和亚氨基酸系统。它们是逆浓度梯度转运,通过不同的Na+泵和非Na+泵系统而进行(Matthews,1991)。小肽也是逆浓度梯度转运,主要依赖H+浓度(Takuwa等,1985; Matthews,1987)或依赖Ca2+离子浓度转运(Vincenzini,1989)。Daniel等(1994)研究认为,小肽转运的动力来自质子的电化学梯度,质子向细胞内转运的动力产生于刷状缘顶端细胞的H+/Na+互转通道的活动。当小肽以易化扩散的形式进入细胞时,引起细胞的pH值下降,Na+/H+通道被活化,H+被释放出细胞,细胞的pH值得以恢复到原始水平。当缺少H+梯度时,依靠膜外的底物浓度进行;当存在细胞外高内低的H+浓度,则以底物浓度的生电共转运系统逆底物浓度进行转运。Fei等(1994)用微电极测定载体PepT1在转运Gly-Sar的前后细胞内的pH值,结果发现,pH值由7.22降到7.0,这说明,此种跨膜转运是与H+的跨膜转运一起进行的,如果改变环境的pH值,就会影响Gly-Sar的转运。
Vincerini(1989)报道,谷胱甘肽的跨膜转运与Na+、K+、Li+、Ca2+、Mn2+的浓度梯度有关,而与H+浓度无关。由于谷胱甘肽在生物膜内具有抗氧化功能,因而谷胱甘肽转运系统可能具有特殊的生理意义。
2.2 主动转运系统
它完全不同于肠细胞对游离氨基酸的主动转运,是一个独立的过程。Takuwa等(1985)首次证实,在氢离子浓度存在下的囊泡膜刷状缘肽的主动加速转运,这种转运方式在缺氧或添加代谢抑制剂的情况下被抑制。
2.3 渗透扩散
Matthews等(1991)用放免和非放免标记法进行瘤胃、瓣胃粘膜组织体外培养吸收肽的研究,将瘤胃、瓣胃上皮置于联体生活室(Parabiotic chambers)中,其粘膜表面是含有各种二肽浓度的pH值为6.0的缓冲液,浆膜表面是不含肽的pH值为7.4的缓冲液,生活室持续充氧,39℃下孵育。结果发现,浆膜表面的肽浓度随粘膜表面肽的浓度升高而呈线性增加,并且瓣胃上皮浆膜表面肽的浓度是瓣胃上皮粘膜表面的10倍。该结果提示,瘤胃和瓣胃内肽的吸收机制是渗透扩散,而不是中间载体转运。
小肽的吸收具有速度快、耗能低、不易饱和,且各种肽之间转运无竞争性与抑制性等特点(Rerat等,1988),再加上肽本身对于氨基酸或肽转运的促进作用,动物对肽中氨基酸残基的吸收比对游离氨基酸的吸收更迅速、更有效。在动物体内,小肽与游离氨基酸两种吸收机制,有助于减轻由于游离氨基酸相互竞争共同吸收位点而产生的吸收抑制,进而影响其蛋白质代谢。
3 反刍动物对小肽的代谢
蛋白质在反刍动物瘤胃内能降解成大量的小肽,小肽在瘤胃内的代谢主要由瘤胃微生物的肽酶完成且以外切酶为主(Wallace等,1990)。肽分子量的大小对其利用途径有影响,细菌对大分子肽的摄取速度比对小分子肽和氨基酸的摄取速度快,使大分子的肽更容易转化为菌体蛋白。Broderick等(1988)研究了混合瘤胃微生物对中性肽的代谢,发现含有3个丙氨酸残基的肽比其它中性二肽、三肽的代谢快,其次是Leu(Gly)2、Gly(Ala)2,然后是其它中性三肽、二肽代谢速度相似,但Gly-Pro较慢,(Ala)2代谢较Gly-Pro快,在由丙氨酸残基构成的肽中,三肽大于四肽,然后是五肽,二肽最慢。由此可见,分子量大小对肽代谢有影响,而且肽链的氨基酸序列对肽的利用率也有影响。通过研究Lys-Pro(赖氨酸-脯氨酸)肽、Lys-Ala(赖氨酸-丙氨酸)肽、Met-Ala(蛋氨酸-丙氨酸)肽的效应发现,前两种肽的代谢速度比后一种肽慢4倍。
4 小肽对反刍动物的营养作用
4.1 小肽对瘤胃微生物的调控作用
尽管大多数瘤胃微生物能利用氨和氨基酸作为氮源生长,但是肽合成微生物蛋白质的效率高于氨基酸(Wright,1967)。美国Cornell模型认为,发酵结构性碳水化合物的微生物不能利用肽。英国Rowett模式也用纯培养试验证明纤维素分解菌对肽没有反应。但李俐(2000)通过对瘤胃微生物发酵产气量、总VFA生成量和微生物合成量3个主要指标研究证明,肽能显著提高纤维素分解菌的活力和粗纤维的降解率。肽对瘤胃微生物生长的效应是加快微生物的繁殖速度,缩短细胞分裂周期,瘤胃细菌的生长速度在有肽时比有氨基酸时快70%。Chen等(1987)发现奶牛瘤胃液内肽不足是限制瘤胃微生物生长的主要因素。另一些研究者如Hooever(1991)已经证明,肽是瘤胃微生物达到最大生长效率的关键因子,对瘤胃微生物蛋白质合成量、小肠内氨基酸组成和微生物对粗饲料的降解有着重要影响。Cotta(1986)研究表明,一定浓度的肽能够显著降低某些细菌如Butyrivibrio Fibrisolvens的蛋白质分解活性,进而抑制了蛋白质降解生成NH3。Broderick(1989)研究证实了高浓度肽抑制了完整酪蛋白转变成NH3,同时也发现,随着连续培养液中肽浓度的升高,蛋白质的降解呈线性下降。姜宁(2005)认为,奶牛日粮中添加小肽,则有较多的过瘤胃蛋白质在小肠内消化、吸收。
4.2 小肽对反刍动物生产性能的影响
从营养角度来讲,提高奶牛乳蛋白的措施,主要是在满足奶牛乳腺总氮需要量的前提下,为奶牛乳腺提供合成乳蛋白所需最佳的氨基酸模式。经研究证明,小肽可以促进氨基酸的吸收。Backwell等(1997)的研究表明,组氨酸是以短肽的形式直接参与蛋白质的合成。Pocius等(1981)认为,血浆中的游离半胱氨酸不能满足合成乳蛋白的需要,而来自谷胱甘肽在乳腺GTP酶的作用下降解为甘氨酸及胱氨酸,可作为乳蛋白合成的原料,促进乳蛋白质合成。曹志军等(2004)试验结果表明,荷斯坦牛日粮中添加小肽比不添加小肽能较明显地提高乳蛋白率(P<0.05),同时添加保护性小肽比添加普通小肽产奶量提高10.91%。王恬等(2004)试验表明,添加小肽营养素后,无论是乳蛋白还是乳脂率,试验组均比对照组有所提高,且随着小肽营养素添加浓度的增加有提高的趋势,小肽营养素对乳品质的提高具有一定的促进作用。
4.3 小肽对营养物质消化率的影响
蛋白质是细胞的主要组成成分,它涉及动物大部分生命攸关的化学反应,在生命过程中起着非常重要的作用。动物日粮中蛋白质的水平高低和品质优劣直接或间接地影响其它营养物质的消化、吸收代谢过程(李峻成,2004)。Nielsen(1994)认为,小肽的迅速吸收及其对内分泌的作用,可能进一步影响动物的氮沉积、组织蛋白质周转代谢。Siddons(1975)通过在绵羊日粮中添加不同水平的小肽蛋白替代植物蛋白(各处理组总蛋白水平相同),发现动物对能量的利用率有显著的提高(P<0.05);Boza(1995)也在试验中证明了这一结果。李丽立等(2004)的试验结果表明,通过给山羊灌注或饲喂小肽能显著提高钙的表观消化率。
5 影响小肽吸收利用的因素
小肽的吸收与其理化性质有一定关系,一般小肽比多肽、L型比D型、中性比酸碱性肽更容易吸收。研究结果表明,反刍动物瘤胃细菌对大分子肽的摄取速度比小分子肽和氨基酸摄取速度快(Chen等,1987;Broderick等,1988),且利用效率更高(Hoover等,1991),细菌对低分子量的蛋白质降解产物(小分子量的肽和氨基酸)发酵较快,但高分子肽更容易转化为菌体蛋白质(Wright,1967)。由于反刍动物存在肽的非肠系膜吸收,且肽可被瘤胃微生物和组织利用,故通过加保护剂可改变小肽的吸收。程茂基等(2004)通过体外培养发现,反刍动物对瘤胃液肽的摄取量和摄取率显著高于大豆肽(P<0.05)和玉米肽(P<0.05),表明肽的结构和来源不同能影响其吸收和利用。
6 小结
小肽的营养作用和功能已被许多实验所证实,在反刍动物生产中的应用已逐步被人们所重视,由于反刍动物具有特殊的消化系统,其肽营养的研究还需进一步的完善。同时,肽制品的应用对于有效利用蛋白质,节约蛋白质资源,充分发挥反刍动物生产潜能提供了新途径。
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(编辑:张学智,mengzai007@163.com

史良,中国农业科学院饲料研究所,100081,北京。
刁其玉,单位及通讯地址同第一作者。
杨勇,浙江建德维丰饲料有限公司。
收稿日期:2006-06-19

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