陈代文教授：从动物营养学发展趋势看饲料科技创新思路

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　　这是著名动物营养学家陈代文教授及其团队在动物营养理论突破和饲料科技创新上艰苦卓绝的探索和切实深刻的体会，对饲料和动物营养学业界同仁的创新研究与应用实践具有指导意义或借鉴价值。

从动物营养学发展趋势看饲料科技创新思路

陈代文

四川农业大学动物营养研究所

四川成都，611130

　　没有理论的突破，技术的创新谈何容易。饲料技术要创新，必须依托其理论基础——动物营养学的进步。动物营养学要有新的进步就必须要以批判的眼光来认识现在，以继承的胸怀来拓展我们的思路，以更清晰的认识来理清我们的聚焦。如何实现动物营养理论突破和饲料科技创新？下面谈谈个人的浅见，以期抛砖引玉。

　　一、动物营养学现状

　　动物营养学的本质是解决动物“吃什么、吃多少、怎么吃”的问题，其首要任务是保障动物健康，才能实现高产、优质、生态养殖。传统动物营养学经过200多年的发展，取得了突出的成绩。从理论上，认识了动物需要的营养素有50余种，基本了解其功能与代谢；从技术上制定了动物营养需要标准、建立了动物饲养模式；从实践上，通过理论的进步到技术的创新，支撑了饲料工业和畜牧业的发展。但是，传统动物营养和饲料技术的作用已经到了一个新的瓶颈，技术趋于相近，产品趋于同质，企业的竞争主要体现在非技术层面。怎么解决这个瓶颈问题？首先必须客观认识传统动物营养学，在批判和继承基础上发展动物营养学。

　　传统营养学的局限主要体现在以下四个特点：

　　第一、重点关注投入产出。传统动物营养学关注养分摄入量和排出量，对于养分代谢的中间过程并不清楚，是个黑匣子。传统营养学的研究方法例如消化实验、代谢实验、平衡实验、周转代谢等的原理均是建立在投入产出关系上。

　　第二，重点关注营养素。传统营养学知识体系是建立在营养素基础上体系，营养理论是营养素理论，如能量营养、蛋白质营养、氨基酸营养、碳水化合物营养、脂肪营养、矿物质营养、维生素营养；营养需要是营养素需要，如能量需要量、蛋白质需要量、氨基酸需要量等；营养平衡时营养素平衡，如能蛋平衡、氨基酸平衡等。传统营养学对营养素存在形式、来源没有研究。

　　第三，片面、静态和理想化。传统营养学的核心内容如营养代谢、营养需要、营养价值等都是建立在一定的假设基础之上的，如假设营养代谢的局部之和等于整体、饲料营养价值具有完全可加性、动物营养需要是动物的固有生物特性等等。由于实际生产条件与理论研究条件的巨大差异，这些假设实际上是不成立的，因此，根据传统营养学建立的营养代谢效率、营养需要量、饲料营养价值参数、动物预期采食量等饲料核心技术参数用于生产实际是不准确的。

　　第四，忽略了肠道微生物。高等动物是真核（动物本身）与原核（寄居体内的微生物）生物的共居体，而原核细胞是真核细胞的10倍。 因此，动物营养本质上应该是真核生物营养和原核生物营养的统一。摄入的养分既要满足动物本身的需要，同时也要满足微生物的需要才能使动物获得最佳健康和生产成绩。而传统动物营养学重点集中在真核营养部分，对原核营养研究极少。

　　基于以上特点，传统营养学在应用时存在很多问题，例如，以营养素及其需要量为理论配制饲粮，相同营养水平的不同配方饲喂效果差异很大；同一饲粮饲喂同一群遗传背景相同的动物，个体差异很大； 纯合日粮与实用日粮的饲用效果差异很大。所以，我们迫切需要在动物营养的一系列关键环节取得突破，如营养素及其来源多样性评估、营养组代谢转化及调控机制、营养-宿主-微生物互作及其对动物的影响、营养需要与营养源营养价值等。

　　二、未来动物营养学的发展思考

　　未来营养学将朝着横向拓展、纵向深入的方向发展。横向拓展就是从单项、独立向多元、交叉发展，相互制约、相互影响；纵向深入就是由宏观、群体到微观、个体的深入研究。关于未来动物营养学的发展，下面谈五点思考。

　　1、关于营养学的内涵

　　如上所述，动物营养实质上是真核生物营养和原核生物营养的统一，摄入的养分只有同时满足二者的需要才能使动物获得最佳健康和生产成绩。对于真核营养，最终目标是揭示营养代谢转化过程及效率。研究营养代谢与调控机制时，必须注意以下几点：第一、解读体外模型研究结果时必须非常谨慎，体内体外的数据是不能互换的；第二、神经-内分泌是调控营养代谢的根本机制和信号起源；第三、组织器官结构的完整以及细胞内区域定位是研究养分代谢的生理结构基础；第四、研究必须层层深入，从整体到组织、到细胞、再到分子；第五，编码基因和非编码基因及其互作关系是揭示营养代谢及其机制的分子基础。关于营养代谢的微观层面，我们要研究的不是一个养分和一个基因的关系，而是研究营养组与基因—蛋白—代谢产物组的互作关系及其对动物健康和生产的影响。

　　对于原核生物的营养，现代医学研究表明，肠道微生物在营养代谢疾病、免疫功能障碍、肥胖、糖尿病、便秘、神经性疾病、抑郁等疾病的发生发展进程中起着重要的作用，提示微生物可能是调控动物营养的新机制和靶点。肠道微生物经过了20亿年的进化，其稳定的菌群及其代谢模式、代谢产物对动物遗传和代谢有着怎样的影响，肠道微生物是否是动物遗传的组成部分、是否是营养调控的信号途径，值得我们进一步的深入研究。

　　营养-宿主-微生物的互作决定动物健康和生产。如何同时满足宿主和微生物的需要？这里需要提出二个新概念。营养要素和营养结构。营养要素即是营养的主要因素，包括了营养素、营养源、添加剂及三者的互作。营养源即是营养素的来源，每种营养素的来源很多，来源不同，营养素的存在形式和结构就不同，在消化道的消化吸收程度和被微生物利用的程度就不同。营养素、营养源、添加剂及其适宜剂量组合称为营养结构。营养结构的平衡，即营养要素的平衡，是满足宿主和微生物需要的关键。

　　2、关于早期营养

　　根据我们多年的研究，提出动物健康与生长的“胎儿起源”机制，本质上取决于母体营养。母体营养通过影响子宫内环境以及胎儿的营养模式影响胚胎及胎儿的遗传表达和表观遗传，从而影响出生后组织发育和微生物定植。初生时的发育和健康状况决定了一生的生长和健康。以猪为例，品种、营养与环境交互作用影响母猪对饲料养分的利用率以及母猪的内分泌，进一步影响子宫内环境和胎儿的发育，从而影响养分从母猪到胎儿的转移，通过亲本遗传和胎儿表型遗传影响胎儿的生长发育，最终决定生后的健康、生长以及胴体品质。

　　我们系统研究了母猪营养对后代肌肉生长发育的影响，发现母猪营养影响初生仔猪、断奶仔猪乃至出栏肥猪的体重、肌肉量以及肌纤维的类型。母体营养不良，其后代初生、断奶和出栏时体重就小，肌肉量少，肌肉品质也差。生后营养有一定调控效果，但不如生前明显。

　　3、关于抗病营养

　　现代养殖面临的最大问题是动物的健康问题。免疫系统发育和免疫功能以及受损组织细胞修复功能决定动物的健康水平。现代营养学和现代医学研究结果表明营养可以促进免疫系统发育和免疫功能、促进受损组织细胞修复。营养物质作为一切生命活动的物质基础，既影响动物生产效率高低和生产潜力发挥程度，也决定了动物健康状况。因此，我们可以利用营养的手段调控动物机体的健康水平，提高机体对应激和疾病的抵抗力，防止或减少疾病的发生，实现动物的健康养殖。2005年我们率先提出“抗病营养”概念，并进行了深入研究。

　　（1）营养与免疫。免疫反应是动物抗病的根本机制，营养可以影响猪免疫系统发育和免疫功能，蛋白质、氨基酸、维生素、微量元素等均可影响免疫细胞功能，通过NFкB、MAPK、MAVS、RIG等信号通路影响免疫活性因子表达，从而调控机体的特异抗病力和一般抗病力。因此，合理的营养方案可以增强猪的免疫力和对疾病的一般抵抗力。

　　（2）营养与疾病。营养状况可以影响特异性病原的致病作用，影响疾病的发生发展过程以及特异性疫苗的免疫效果。合理的营养方案可以增强猪对特异性疾病的抵抗力，降低发病率、缩短病程、改善动物生产性能，减轻特异性病原的危害。

　　（3）营养与应激。动物在生产过程中时常遭受各种应激，改变内分泌模式，导致应激综合症发生率不断上升，畜禽表现出采食量下降、生产性能降低、发生代谢性疾病甚至死亡等症状。合理的营养可以通过调节改善内分泌、调节细胞因子、提高机体抗氧化能力三条途径缓解应激的危害。

　　（4）营养与霉菌毒素。饲料霉菌毒素污染率很高，霉菌毒素不但影响猪的采食量和生产性能，而且破坏机体免疫力，降低疫苗的保护率，增加对疾病的易感性。维生素E、硒、甘露寡糖、酵母壁等可通过激活机体的抗氧化信号分子Nrf2,上调谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶等相关酶的活性，缓解霉菌毒素的危害。

　　（5）营养与肠道健康。肠道是动物健康的第一道门户，营养素、营养源、添加剂以及营养水平影响猪肠道形态结构、分泌功能、免疫功能和肠道微生物及其代谢产物，合理的营养方案可以通过调节肠道的机械屏障、化学屏障、免疫屏障、生物学屏障，保障猪的肠道健康，提高养分消化率和对疾病的一般抵抗力。

　　尽管我们在抗病营养方面做了大量的研究工作，但是还有很多问题有待进一步的深入，例如,营养要素（特别是营养源）与抗病力的定性定量关系，确定适宜要素组合及水平；营养抗病分子机制及生物标识（biomarkers)；免疫系统和肠道发育的早期营养编程效应；营养干预与自由基平衡与霉菌毒素信号传导；肠道微生物及其代谢产物的直接和信号作用；肠道微生物的营养调控与整体移植策略等。

　　4、关于微营养

　　微营养（micronutrition）主要是指微量养分的营养。目前重点关注微量养分主要包括氨基酸、微量元素和维生素等养分。微量养分有两大功能，一是执行功能，也就是基本作用，构成机体或产品的组成，防止营养缺乏症；二是调节功能，调节生命及养分代谢。氨基酸的基本作用是参与蛋白质的合成，其功能效应包括调节采食、免疫、蛋白质周转、抗病、供能等；维生素的基本作用是以辅酶或辅助因子形式参与代谢调节，其功能效应包括抗氧化、抗应激、抗病、调节免疫、影响繁殖等；微量元素的基本作用是构成体组成、参与代谢调节，其功能效应包括抗应激、抗氧化、抗病、调节采食、调控免疫、影响微生态、提高繁殖力、畜产品改善品质等。微量养分的二个功能本质上是一回事，但在剂量—效应及作用机制方面存在差异。我们对微量养分的执行功能有一定的认识，但对其调节功能的认识还比较粗浅。由于调节功能非常复杂，在生命活动过程中发挥着非常重要的作用，其具体的剂量—效应关系和作用机制有待于进一步深入挖掘。

　　5、关于系统营养

　　营养学是系统工程，包括真核生物系统、原核生物系统和饲料系统。营养的物质基础是饲料，营养的对象是真核和原核细胞，三大系统之间相互制约和相互影响，构成系统营养的基本结构。

　　研究系统营养根本方法是组学技术，包括宏观层面上的营养组学(nutrigenomics)即营养结构(nutritional structure)技术和微观层面上的营养基因组（nutrigenomics）、营养转录组(nutritranomics)、营养蛋白组(nutriproteomics)和营养代谢组学(nutrimetabolomics)技术。系统营养学通过研究营养、宿主和微生物三者的互作关系，利用各种组学技术，寻找生物标识（biomarkers），实现营养的预测预报和精准营养的目标。

　　三、饲料科技创新思考

　　理论进步是技术创新的前提，饲料科技的创新须依赖动物营养学的理论突破，关键是必须解开黑匣子，至少有三个方面，一是营养结构，二是动物遗传和表观遗传；三是肠道微生物。

　　1、营养结构与营养平衡技术

　　营养平衡是饲粮配制的基本要求。营养平衡的本质问题是营养结构平衡。营养结构涉及四个营养要素的相互关系，即营养素及其互作、营养源及其互作、添加物及其互作以及营养水平及水平组合。营养平衡包含四个层次，营养素的平衡、营养源的平衡、营养素与营养源的互作效应以及营养素、营养源及添加剂的组合效应。传统营养平衡只是营养素的平衡，与真正的营养平衡相距甚远。真正的营养平衡是全方位的（涉及四大要素）和动态的（随环境、饲料、管理而异）。全价饲料是单个饲料营养结构的平衡，而全局饲料是动物生产全程各阶段饲料之间的系统平衡，包含了从母体营养到后代营养，从出生到出栏的全部饲料，例如猪的全局饲料就包含了后备料－配种料－妊娠前期料－妊娠后期料－哺乳料－空怀料以及教槽料－断奶料－仔猪料－生长料－育肥料，饲料之间必须做到营养结构的系统平衡。

　　如果上述营养平衡的概念成立，则当前的饲料配制技术参数存在很多值得深入研究的问题，如目前的饲料营养价值参数是否准确，养分可加性是否成立，动物营养需要是否取决于饲料种类，当前饲养标准的科学性和局限性，如何评判饲料产品或配方的效果等等。

　　2、营养价值与营养需要数据库

　　营养价值，即营养源的价值。营养源的价值=营养源的化学结构+生物学效应。一方面，我们要利用现代分析手段，弄清组成饲料的所有营养物质及其存在方式和化学结构，另一方面，我们要应用现代生物学技术系统评估饲料成分的可消化性、代谢效应和安全性。目前这方面的研究非常薄弱，需要深入研究营养源的比较生物学效应，包括生长调节效应、微生态效应、营养代谢效应、代谢调节效应等。因为营养水平相同，营养源不同，动物在生长和健康存在巨大差异。如，根据我们的研究，对生长性能，纯合日粮不如实用日粮、氨基酸平衡不能改变蛋白源的差异；对肠道健康，玉米淀粉不如豌豆淀粉、大豆油不如椰子油。

　　营养需要的评估取决于标识。从宏观层面来讲，以养分边际效应、生产性能、养分排放量为标识确定的需要量差异很大。从微观层面来讲，养分的功能很多、发挥功能的机制复杂，功能不同或机制不同，需要量就不同。营养需要量也是动态的，随动物、饲料、环境、管理因素的变化而变化。

　　3、肠道保健技术

　　肠道是猪只健康的第一道门户。营养、宿主、微生物互作决定动物的肠道健康。营养影响动物基因组的同时也影响微生物基因组，动物基因组与微生物基因组相互作用，共同决定动物的健康与表型。调控肠道保健的关键靶点在于黏膜的形态结构和肠道微生物菌群。在黏膜形态结构方面，必须确保正常发育，防止受损，受损后尽快修复。在肠道微生物方面，必须通过合理的营养模式或调节措施确保微生物菌群平衡或失衡后尽快恢复平衡。

　　肠道保健的营养技术就是营养平衡技术，平衡的目标就是同时满足宿主和微生物的需要。首先必须优化蛋白质、碳水化合物、脂肪等有机养分的种类及来源，这是最重要的，远比添加剂重要；其次优化微量养分即氨基酸、维生素和微量元素的种类及来源，最后是选择适宜的添加剂。现代医学研究表明，菌群整体移植成为解决一些重大疑难疾病的重要手段。在动物生产上，当微生物菌群失衡时，整体菌群移植的效果如何，值得深入探究。

　　4、营养状况评估体检技术

　　一方面，营养供给模式必然影响动物的消化吸收和组织代谢，最终影响体液或排泄物的化学组成。另一方面，体液或排泄物的化学组成可以反映养分的代谢率和消化率，最终反映饲料营养结构状况。因此，通过检测动物体液或排泄物中标识物的种类和含量既可反映动物的营养需要，也可反映饲料营养价值。因此，研究建立实时体检技术十分重要和必要。

　　5、营养源的开发与改造

　　饲料资源短缺是限制畜牧业发展的一大因素。利用现代生物技术（发酵工程、酶工程、基因工程、蛋白质工程和微生物工程等）来改造营养源，合成蛋白质氨基酸改善饲料蛋白质品质，合成脂肪酸提高饲料能值，破坏抗营养因子提高饲料适口性和利用率，分泌有机酸、抗菌肽增强抗病力，分解粗纤维产生低聚糖调节微生态平衡，开发生物蛋白饲料、生物高能饲料以及生物饲料添加剂，是缓解饲料资源匮乏问题的有效途径。现代加工工艺和技术，例如粉碎、制料、膨化、浸泡、熟化也是改造营养源的途径之一。

　　6、营养调控技术与功能饲料

　　营养调控具有简单、有效、快速和安全的特点。利用营养手段可有效调控动物生长、采食量、免疫、微生物、自由基平衡等，实现动物生长和健康的营养调控。因此，我们可以根据营养调控的靶点生产功能饲料。功能饲料的种类很多，例如免疫增强料、抗应激料、抗腹泻料、肠道保健料、攻胎料、催乳料等等。这类饲料的研发和应用有利于进一步实现动物健康养殖的生产目的。

　　结语

　　动物营养学的进步是饲料技术创新的前提，并且，从营养学的进步到饲料技术创新还有一个中间环节——孵化和转化。技术创新仅仅是产业发展的一个方面，产业要提升还需要多方面的支撑。作为饲料产业的一员，我们的目标是做懂市场的技术员、有技术的科学家、懂管理的思想家、有思想的管理员，勇于探索、勤于思考、共同努力促进饲料产业的进步和发展。

　　（文章来源：福星高的美篇）