陳代文教授：從動物營養學發展趨勢看飼料科技創新思路

這是著名動物營養學家陳代文教授及其團隊在動物營養理論突破和飼料科技創新上艱苦卓絕的探索和切實深刻的體會，對飼料和動物營養學業界同仁的創新研究與應用實踐具有指導意義或借鑒價值。

從動物營養學發展趨勢看飼料科技創新思路

陳代文

四川農業大學動物營養研究所

四川成都，611130

　　沒有理論的突破，技術的創新談何容易。飼料技術要創新，必須依託其理論基礎——動物營養學的進步。動物營養學要有新的進步就必須要以批判的眼光來認識現在，以繼承的胸懷來拓展我們的思路，以更清晰的認識來理清我們的聚焦。如何實現動物營養理論突破和飼料科技創新？下面談談個人的淺見，以期拋磚引玉。　　一、動物營養學現狀　　動物營養學的本質是解決動物「吃什麼、吃多少、怎麼吃」的問題，其首要任務是保障動物健康，才能實現高產、優質、生態養殖。傳統動物營養學經過200多年的發展，取得了突出的成績。從理論上，認識了動物需要的營養素有50餘種，基本了解其功能與代謝；從技術上制定了動物營養需要標準、建立了動物飼養模式；從實踐上，通過理論的進步到技術的創新，支撐了飼料工業和畜牧業的發展。但是，傳統動物營養和飼料技術的作用已經到了一個新的瓶頸，技術趨於相近，產品趨於同質，企業的競爭主要體現在非技術層面。怎麼解決這個瓶頸問題？首先必須客觀認識傳統動物營養學，在批判和繼承基礎上發展動物營養學。

　　傳統營養學的局限主要體現在以下四個特點。　　第一、重點關注投入產出。傳統動物營養學關注養分攝入量和排出量，對於養分代謝的中間過程並不清楚，是個黑匣子。傳統營養學的研究方法例如消化實驗、代謝實驗、平衡實驗、周轉代謝等的原理均是建立在投入產出關係上。　　第二，重點關注營養素。傳統營養學知識體系是建立在營養素基礎上體系，營養理論是營養素理論，如能量營養、蛋白質營養、氨基酸營養、碳水化合物營養、脂肪營養、礦物質營養、維生素營養；營養需要是營養素需要，如能量需要量、蛋白質需要量、氨基酸需要量等；營養平衡時營養素平衡，如能蛋平衡、氨基酸平衡等。傳統營養學對營養素存在形式、來源沒有研究。　　第三，片面、靜態和理想化。傳統營養學的核心內容如營養代謝、營養需要、營養價值等都是建立在一定的假設基礎之上的，如假設營養代謝的局部之和等於整體、飼料營養價值具有完全可加性、動物營養需要是動物的固有生物特性等等。由於實際生產條件與理論研究條件的巨大差異，這些假設實際上是不成立的，因此，根據傳統營養學建立的營養代謝效率、營養需要量、飼料營養價值參數、動物預期採食量等飼料核心技術參數用於生產實際是不準確的。

　　第四，忽略了腸道微生物。高等動物是真核（動物本身）與原核（寄居體內的微生物）生物的共居體，而原核細胞是真核細胞的10倍。 因此，動物營養本質上應該是真核生物營養和原核生物營養的統一。攝入的養分既要滿足動物本身的需要，同時也要滿足微生物的需要才能使動物獲得最佳健康和生產成績。而傳統動物營養學重點集中在真核營養部分，對原核營養研究極少。

　　基於以上特點，傳統營養學在應用時存在很多問題，例如，以營養素及其需要量為理論配製飼糧，相同營養水平的不同配方飼餵效果差異很大；同一飼糧飼餵同一群遺傳背景相同的動物，個體差異很大； 純合日糧與實用日糧的飼用效果差異很大。所以，我們迫切需要在動物營養的一系列關鍵環節取得突破，如營養素及其來源多樣性評估、營養組代謝轉化及調控機制、營養-宿主-微生物互作及其對動物的影響、營養需要與營養源營養價值等。

　　二、未來動物營養學的發展思考　　未來營養學將朝著橫向拓展、縱向深入的方向發展。橫向拓展就是從單項、獨立向多元、交叉發展，相互制約、相互影響；縱向深入就是由宏觀、群體到微觀、個體的深入研究。關於未來動物營養學的發展，下面談五點思考。　　1、關於營養學的內涵　　如上所述，動物營養實質上是真核生物營養和原核生物營養的統一，攝入的養分只有同時滿足二者的需要才能使動物獲得最佳健康和生產成績。對於真核營養，最終目標是揭示營養代謝轉化過程及效率。研究營養代謝與調控機制時，必須注意以下幾點：第一、解讀體外模型研究結果時必須非常謹慎，體內體外的數據是不能互換的；第二、神經-內分泌是調控營養代謝的根本機制和信號起源；第三、組織器官結構的完整以及細胞內區域定位是研究養分代謝的生理結構基礎；第四、研究必須層層深入，從整體到組織、到細胞、再到分子；第五，編碼基因和非編碼基因及其互作關係是揭示營養代謝及其機制的分子基礎。關於營養代謝的微觀層面，我們要研究的不是一個養分和一個基因的關係，而是研究營養組與基因—蛋白—代謝產物組的互作關係及其對動物健康和生產的影響。　　對於原核生物的營養，現代醫學研究表明，腸道微生物在營養代謝疾病、免疫功能障礙、肥胖、糖尿病、便秘、神經性疾病、抑鬱等疾病的發生髮展進程中起著重要的作用，提示微生物可能是調控動物營養的新機制和靶點。腸道微生物經過了20億年的進化，其穩定的菌群及其代謝模式、代謝產物對動物遺傳和代謝有著怎樣的影響，腸道微生物是否是動物遺傳的組成部分、是否是營養調控的信號途徑，值得我們進一步的深入研究。　　營養-宿主-微生物的互作決定動物健康和生產。如何同時滿足宿主和微生物的需要？這裡需要提出二個新概念。營養要素和營養結構。營養要素即是營養的主要因素，包括了營養素、營養源、添加劑及三者的互作。營養源即是營養素的來源，每種營養素的來源很多，來源不同，營養素的存在形式和結構就不同，在消化道的消化吸收程度和被微生物利用的程度就不同。營養素、營養源、添加劑及其適宜劑量組合稱為營養結構。營養結構的平衡，即營養要素的平衡，是滿足宿主和微生物需要的關鍵。

　　2、關於早期營養　　根據我們多年的研究，提出動物健康與生長的「胎兒起源」機制，本質上取決於母體營養。母體營養通過影響子宮內環境以及胎兒的營養模式影響胚胎及胎兒的遺傳表達和表觀遺傳，從而影響出生後組織發育和微生物定植。初生時的發育和健康狀況決定了一生的生長和健康。以豬為例，品種、營養與環境交互作用影響母豬對飼料養分的利用率以及母豬的內分泌，進一步影響子宮內環境和胎兒的發育，從而影響養分從母豬到胎兒的轉移，通過親本遺傳和胎兒表型遺傳影響胎兒的生長發育，最終決定生後的健康、生長以及胴體品質。　　我們系統研究了母豬營養對後代肌肉生長發育的影響，發現母豬營養影響初生仔豬、斷奶仔豬乃至出欄肥豬的體重、肌肉量以及肌纖維的類型。母體營養不良，其後代初生、斷奶和出欄時體重就小，肌肉量少，肌肉品質也差。生後營養有一定調控效果，但不如生前明顯。

　　3、關於抗病營養　　現代養殖面臨的最大問題是動物的健康問題。免疫系統發育和免疫功能以及受損組織細胞修復功能決定動物的健康水平。現代營養學和現代醫學研究結果表明營養可以促進免疫系統發育和免疫功能、促進受損組織細胞修復。營養物質作為一切生命活動的物質基礎，既影響動物生產效率高低和生產潛力發揮程度，也決定了動物健康狀況。因此，我們可以利用營養的手段調控動物機體的健康水平，提高機體對應激和疾病的抵抗力，防止或減少疾病的發生，實現動物的健康養殖。2005年我們率先提出「抗病營養」概念，並進行了深入研究。　　（1）營養與免疫。免疫反應是動物抗病的根本機制，營養可以影響豬免疫系統發育和免疫功能，蛋白質、氨基酸、維生素、微量元素等均可影響免疫細胞功能，通過NFкB、MAPK、MAVS、RIG等信號通路影響免疫活性因子表達，從而調控機體的特異抗病力和一般抗病力。因此，合理的營養方案可以增強豬的免疫力和對疾病的一般抵抗力。　　（2）營養與疾病。營養狀況可以影響特異性病原的致病作用，影響疾病的發生髮展過程以及特異性疫苗的免疫效果。合理的營養方案可以增強豬對特異性疾病的抵抗力，降低發病率、縮短病程、改善動物生產性能，減輕特異性病原的危害。　　（3）營養與應激。動物在生產過程中時常遭受各種應激，改變內分泌模式，導致應激綜合症發生率不斷上升，畜禽表現出採食量下降、生產性能降低、發生代謝性疾病甚至死亡等癥狀。合理的營養可以通過調節改善內分泌、調節細胞因子、提高機體抗氧化能力三條途徑緩解應激的危害。　　（4）營養與黴菌毒素。飼料黴菌毒素污染率很高，黴菌毒素不但影響豬的採食量和生產性能，而且破壞機體免疫力，降低疫苗的保護率，增加對疾病的易感性。維生素E、硒、甘露寡糖、酵母壁等可通過激活機體的抗氧化信號分子Nrf2,上調谷胱甘肽過氧化物酶、超氧化物歧化酶等相關酶的活性，緩解黴菌毒素的危害。

　　（5）營養與腸道健康。腸道是動物健康的第一道門戶，營養素、營養源、添加劑以及營養水平影響豬腸道形態結構、分泌功能、免疫功能和腸道微生物及其代謝產物，合理的營養方案可以通過調節腸道的機械屏障、化學屏障、免疫屏障、生物學屏障，保障豬的腸道健康，提高養分消化率和對疾病的一般抵抗力。　　儘管我們在抗病營養方面做了大量的研究工作，但是還有很多問題有待進一步的深入，例如,營養要素（特別是營養源）與抗病力的定性定量關係，確定適宜要素組合及水平；營養抗病分子機制及生物標識（biomarkers)；免疫系統和腸道發育的早期營養編程效應；營養干預與自由基平衡與黴菌毒素信號傳導；腸道微生物及其代謝產物的直接和信號作用；腸道微生物的營養調控與整體移植策略等。

　　4、關於微營養　　微營養（micronutrition）主要是指微量養分的營養。目前重點關注微量養分主要包括氨基酸、微量元素和維生素等養分。微量養分有兩大功能，一是執行功能，也就是基本作用，構成機體或產品的組成，防止營養缺乏症；二是調節功能，調節生命及養分代謝。氨基酸的基本作用是參與蛋白質的合成，其功能效應包括調節採食、免疫、蛋白質周轉、抗病、供能等；維生素的基本作用是以輔酶或輔助因子形式參與代謝調節，其功能效應包括抗氧化、抗應激、抗病、調節免疫、影響繁殖等；微量元素的基本作用是構成體組成、參與代謝調節，其功能效應包括抗應激、抗氧化、抗病、調節採食、調控免疫、影響微生態、提高繁殖力、畜產品改善品質等。微量養分的二個功能本質上是一回事，但在劑量—效應及作用機制方面存在差異。我們對微量養分的執行功能有一定的認識，但對其調節功能的認識還比較粗淺。由於調節功能非常複雜，在生命活動過程中發揮著非常重要的作用，其具體的劑量—效應關係和作用機制有待於進一步深入挖掘。

　　5、關於系統營養　　營養學是系統工程，包括真核生物系統、原核生物系統和飼料系統。營養的物質基礎是飼料，營養的對象是真核和原核細胞，三大系統之間相互制約和相互影響，構成系統營養的基本結構。　　研究系統營養根本方法是組學技術，包括宏觀層面上的營養組學(nutrigenomics)即營養結構(nutritional structure)技術和微觀層面上的營養基因組（nutrigenomics）、營養轉錄組(nutritranomics)、營養蛋白組(nutriproteomics)和營養代謝組學(nutrimetabolomics)技術。系統營養學通過研究營養、宿主和微生物三者的互作關係，利用各種組學技術，尋找生物標識（biomarkers），實現營養的預測預報和精準營養的目標。

　　三、飼料科技創新思考　　理論進步是技術創新的前提，飼料科技的創新須依賴動物營養學的理論突破，關鍵是必須解開黑匣子，至少有三個方面，一是營養結構，二是動物遺傳和表觀遺傳；三是腸道微生物。

　　1、營養結構與營養平衡技術　　營養平衡是飼糧配製的基本要求。營養平衡的本質問題是營養結構平衡。營養結構涉及四個營養要素的相互關係，即營養素及其互作、營養源及其互作、添加物及其互作以及營養水平及水平組合。營養平衡包含四個層次，營養素的平衡、營養源的平衡、營養素與營養源的互作效應以及營養素、營養源及添加劑的組合效應。傳統營養平衡只是營養素的平衡，與真正的營養平衡相距甚遠。真正的營養平衡是全方位的（涉及四大要素）和動態的（隨環境、飼料、管理而異）。全價飼料是單個飼料營養結構的平衡，而全局飼料是動物生產全程各階段飼料之間的系統平衡，包含了從母體營養到後代營養，從出生到出欄的全部飼料，例如豬的全局飼料就包含了後備料－配種料－妊娠前期料－妊娠後期料－哺乳料－空懷料以及教槽料－斷奶料－仔豬料－生長料－育肥料，飼料之間必須做到營養結構的系統平衡。

　　如果上述營養平衡的概念成立，則當前的飼料配製技術參數存在很多值得深入研究的問題，如目前的飼料營養價值參數是否準確，養分可加性是否成立，動物營養需要是否取決於飼料種類，當前飼養標準的科學性和局限性，如何評判飼料產品或配方的效果等等。

　　2、營養價值與營養需要資料庫　　營養價值，即營養源的價值。營養源的價值=營養源的化學結構+生物學效應。一方面，我們要利用現代分析手段，弄清組成飼料的所有營養物質及其存在方式和化學結構，另一方面，我們要應用現代生物學技術系統評估飼料成分的可消化性、代謝效應和安全性。目前這方面的研究非常薄弱，需要深入研究營養源的比較生物學效應，包括生長調節效應、微生態效應、營養代謝效應、代謝調節效應等。因為營養水平相同，營養源不同，動物在生長和健康存在巨大差異。如，根據我們的研究，對生長性能，純合日糧不如實用日糧、氨基酸平衡不能改變蛋白源的差異；對腸道健康，玉米澱粉不如豌豆澱粉、大豆油不如椰子油。　　營養需要的評估取決於標識。從宏觀層面來講，以養分邊際效應、生產性能、養分排放量為標識確定的需要量差異很大。從微觀層面來講，養分的功能很多、發揮功能的機制複雜，功能不同或機制不同，需要量就不同。營養需要量也是動態的，隨動物、飼料、環境、管理因素的變化而變化。　　3、腸道保健技術　　腸道是豬只健康的第一道門戶。營養、宿主、微生物互作決定動物的腸道健康。營養影響動物基因組的同時也影響微生物基因組，動物基因組與微生物基因組相互作用，共同決定動物的健康與表型。調控腸道保健的關鍵靶點在於黏膜的形態結構和腸道微生物菌群。在黏膜形態結構方面，必須確保正常發育，防止受損，受損後儘快修復。在腸道微生物方面，必須通過合理的營養模式或調節措施確保微生物菌群平衡或失衡後儘快恢復平衡。　　腸道保健的營養技術就是營養平衡技術，平衡的目標就是同時滿足宿主和微生物的需要。首先必須優化蛋白質、碳水化合物、脂肪等有機養分的種類及來源，這是最重要的，遠比添加劑重要；其次優化微量養分即氨基酸、維生素和微量元素的種類及來源，最後是選擇適宜的添加劑。現代醫學研究表明，菌群整體移植成為解決一些重大疑難疾病的重要手段。在動物生產上，當微生物菌群失衡時，整體菌群移植的效果如何，值得深入探究。

　　4、營養狀況評估體檢技術　　一方面，營養供給模式必然影響動物的消化吸收和組織代謝，最終影響體液或排泄物的化學組成。另一方面，體液或排泄物的化學組成可以反映養分的代謝率和消化率，最終反映飼料營養結構狀況。因此，通過檢測動物體液或排泄物中標識物的種類和含量既可反映動物的營養需要，也可反映飼料營養價值。因此，研究建立實時體檢技術十分重要和必要。　　5、營養源的開發與改造　　飼料資源短缺是限制畜牧業發展的一大因素。利用現代生物技術（發酵工程、酶工程、基因工程、蛋白質工程和微生物工程等）來改造營養源，合成蛋白質氨基酸改善飼料蛋白質品質，合成脂肪酸提高飼料能值，破壞抗營養因子提高飼料適口性和利用率，分泌有機酸、抗菌肽增強抗病力，分解粗纖維產生低聚糖調節微生態平衡，開發生物蛋白飼料、生物高能飼料以及生物飼料添加劑，是緩解飼料資源匱乏問題的有效途徑。現代加工工藝和技術，例如粉碎、制料、膨化、浸泡、熟化也是改造營養源的途徑之一。　　6、營養調控技術與功能飼料　　營養調控具有簡單、有效、快速和安全的特點。利用營養手段可有效調控動物生長、採食量、免疫、微生物、自由基平衡等，實現動物生長和健康的營養調控。因此，我們可以根據營養調控的靶點生產功能飼料。功能飼料的種類很多，例如免疫增強料、抗應激料、抗腹瀉料、腸道保健料、攻胎料、催乳料等等。這類飼料的研發和應用有利於進一步實現動物健康養殖的生產目的。

　　結語　　動物營養學的進步是飼料技術創新的前提，並且，從營養學的進步到飼料技術創新還有一個中間環節——孵化和轉化。技術創新僅僅是產業發展的一個方面，產業要提升還需要多方面的支撐。作為飼料產業的一員，我們的目標是做懂市場的技術員、有技術的科學家、懂管理的思想家、有思想的管理員，勇於探索、勤于思考、共同努力促進飼料產業的進步和發展。

　　來源：福星高~美篇

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