蛋白质作为动物机体结构和功能的物质基础，其营养与代谢一直是动物营养研究的重点。日粮中的蛋白质在消化道中各种酶的作用下生成游离氨基酸、二肽和三肽，才能被机体吸收和利用。因此，蛋白质营养的实质是氨基酸营养。早在1912 年，德国化学家在以犬为模型的试验中，首次提出将氨基酸分为营养性必需氨基酸和非必需氨基酸。20 世纪50年代，基于动物生长与机体的氮平衡理论，Rose 等对这一分类方法进行了补充和完善。必需氨基酸是指其碳骨架在动物细胞内不能合成或合成量不能满足最佳生长、发育和健康的需要，因而必须由饲粮供给的氨基酸。相反，非必需氨基酸（也称为动物细胞可合成的氨基酸）是指能在动物体内合成并满足动物维持、生长、发育和健康的需要，因而无需由饲粮供给的氨基酸。早期的这种氨基酸分类方法，促进了氨基酸营养研究及其在动物饲粮中的应用，推动了畜禽养殖业的发展。然而，最近二十多年的研究发现，传统意义上的非必需氨基酸除参与蛋白质的合成外，还具有多种重要的生理功能。Wu在系统地研究氨基酸代谢与生理生化机制的基础上，提出营养学上“功能性氨基酸”这一新概念，是指除合成蛋白质外，对动物的生长发育、繁殖泌乳、免疫反应和健康有重要影响的氨基酸。功能性氨基酸对动物最佳的生长发育是必需的，包括精氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸和色氨酸。功能性氨基酸摄入不足可引起血浆氨基酸水平下降和生长因子分泌减少，降低机体的免疫功能，影响养猪业的健康和可持续性发展。“功能性氨基酸”的提出，拓展了传统意义上把氨基酸分为必需氨基酸与非必需氨基酸的局限，推动了猪蛋白质和氨基酸营养的理论研究和创新。本文就猪功能性氨基酸营养与代谢研究的国内外发展趋势及存在的问题进行综述和探讨，为动物蛋白质营养的进一步深入研究和应用提供参考。
1 氨基酸在猪小肠的代谢
猪小肠能够对日粮中可消化的必需氨基酸与非必需氨基酸进行不同程度的代谢和利用，称为首过代谢。日粮中97% 的谷氨酸、95% 的天冬氨酸、67% 的谷氨酰胺、50% 苏氨酸、45% 的赖氨酸、40% 的精氨酸和脯氨酸、35% 的支链氨基酸、丝氨酸和苯丙氨酸、30% 蛋氨酸、组氨酸、胱氨酸、甘氨酸和酪氨酸、25% 的色氨酸在小肠被分解代谢。猪小肠被分解代谢的氨基酸，一部分用于生成ATP，为肠上皮细胞提供能量，或用于合成肠黏膜中的蛋白质和其他小分子物质，如核酸、谷胱甘肽、一氧化氮、多胺、抗菌肽和黏蛋白等，其余为肠道中细菌所利用，用于菌体蛋白的合成并维持肠道内微生态平衡。小肠中存在的大量的氨基酸代谢，一方面有助于消化道内氮的循环和转化，同时也改变了日粮中用于动物生长的氨基酸供给，影响机体的整体代谢和健康。因此，合理的氨基酸供给应在保障肠上皮屏障功能及肠道微生态平衡的氨基酸需要的同时，尽可能增加进入肝门静脉的氨基酸含量和比例，这可能是一种更为合理和高效的氨基酸营养调控策略。
2 肠道微生物与氨基酸代谢
动物肠道中存在着数量和种类丰富的肠道微生物，其数量是体细胞的10 倍，因此人和动物机体是宿主细胞与微生物的超级生物体。肠道的首过代谢改变了进入门静脉的氨基酸组成。进一步的研究发现，猪的肠上皮细胞能代谢支链氨基酸，却不能氧化其他必需氨基酸，这提示肠道细菌可能参与了氨基酸的首过代谢。通过微生物厌氧培养技术，Dai 等研究发现，十二指肠、空肠和回肠的细菌能大量代谢赖氨酸、苏氨酸、精氨酸、谷氨酸和亮氨酸，中等程度地代谢异亮氨酸、缬氨酸和组氨酸；相反，这些细菌对脯氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸和色氨酸代谢最弱。不同的肠道微生物可代谢氨基酸的种类和能力各不相同，肠腔微生物更多地分解代谢氨基酸，肠壁微生物则更多地参与氨基酸的合成代谢。有趣的是，肠道微生物与肠上皮细胞在氨基酸代谢方面存在分工与协作，这可能是宿主细胞与微生物长期共进化和选择的结果。被肠道细菌利用的氨基酸的具体代谢途径和产物目前还不清楚，推测这些产物可能与菌体蛋白的合成、其他小分子物质（如维生素）的合成、调节微生物增殖与代谢有关。肠道微生物菌群失衡能够引起上皮屏障结构和功能的改变，影响机体代谢和健康。
另一方面，添加外源性氨基酸可以调节猪肠道的微生物组成与比例，促进乳酸菌等有益微生物的增殖，抑制条件性致病菌的定殖，进而直接或间接影响机体消化道生理和肠屏障功能。Dai 等发现, 谷氨酰胺、精氨酸能调节肠道微生物的氨基酸利用和代谢。本课题组最近的研究发现，断奶仔猪日粮中添加适量色氨酸可以调节小肠及后肠的微生物组成和肠上皮组织中紧密连接蛋白表达，改善仔猪的生长性能。这可能与色氨酸的代谢产物激活了芳香烃受体，提高了肠道免疫有关（未发表数据）。这些结果提示，氨基酸在肠道微生物与宿主细胞互作中可能发挥着非常重要的作用。
肠道微生物对营养物质吸收和代谢的影响已被广泛关注。鉴于肠道微生物在营养的吸收、代谢与免疫调节中的重要作用，有学者提出把肠道微生物看作是动物机体特殊而且必需的重要组成。功能性氨基酸在猪肠道微生物和氨基酸代谢中的重要生理学功能的认识才刚刚开始。肠道菌群稳态受遗传和环境因素的影响。饲粮中的氨基酸组成和比例影响肠道微生物的组成和丰度，微生物代谢中间产物或终产物（多胺和生物胺等）作用于肠上皮细胞、内分泌细胞、上皮淋巴细胞等，进而影响肠屏障功能。不同的肠道微生物在氨基酸代谢上存在协同或拮抗效应，加之体外培养条件与动物体内环境的差异性，肠道微生物与氨基酸代谢相关的研究进展缓慢。16S rRNA 和宏基组测序技术的应用，推动了相关研发的深入。值得注意的是，肠道微生物相关的报道大多为描述性的研究，氨基酸在宿主细胞和肠道微生物互作中确切的分子机制尚不清楚，还需要进一步更为深入的研究。无菌猪肠道菌移植模型有助于挖掘肠道微生物功能，阐释氨基酸在肠道菌群失调与肠道疾病中的机制，推动动物营养学科的发展与进步。
3 功能性氨基酸与猪肠上皮屏障功能
猪小肠上皮细胞的黏膜侧和基底膜侧在蛋白表达、生理功能和氨基酸代谢方面存在明显差异。这些细胞能够分解丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、脯氨酸、支链氨基酸，但不能分解利用天冬酰胺、甘氨酸、半胱氨酸、丝氨酸、组氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和酪氨酸。猪小肠上皮细胞几乎不能净合成谷氨酰胺、谷氨酸和甘氨酸，但这些氨基酸是维持肠上皮细胞正常功能所必需的。在血液里所有的氨基酸中，谷氨酰胺是唯一能够被肠上皮细胞摄取的氨基酸。最近的研究发现，给哺乳仔猪或断奶仔猪补充功能性氨基酸，能改善小肠绒毛结构和氨基酸转运载体表达，增加血浆中氨基酸水平，提高仔猪的生长性能。这主要是由于功能性氨基酸通过激活小肠和肌肉组织中蛋白质合成的mTORC1 信号通路，并抑制蛋白质降解相关基因的表达，促进了蛋白质沉积。断奶应激综合症严重影响仔猪的生长发育，给养猪业带来了巨大的经济损失。谷氨酰胺、甘氨酸、谷氨酸是仔猪肠道发育必需的重要氨基酸。断奶后的仔猪从饲料中摄取的这3 种氨基酸明显低于其断奶前从乳中的摄取量，这可能是造成肠绒毛脱落、屏障功能下降的重要营养因素。补充谷氨酰胺可以明显改善断奶仔猪的肠绒毛结构，促进肠上皮细胞间紧密连接蛋白表达，提高仔猪平均日增重。体外研究发现，谷氨酰胺主要通过钙调素依赖蛋白激酶激酶2（CaMKK2）和糖皮质激素释放因子调节仔猪肠黏膜通透性，并通过促进GSH 生成，减少氧化应激引起的细胞凋亡，维持肠道微环境中的氧化还原稳态。7~21 日龄的哺乳仔猪补充甘氨酸，可明显改善断奶应激引起的肠屏障功能下降，降低血氨和尿素氮水平，提高蛋白质利用效率。猪小肠上皮细胞培养液中非必需氨基酸，引起细胞死亡和单层上皮细胞电阻的下降和通透性的增加，提示了非必需氨基酸在肠上皮屏障中的重要作用。这些研究为通过谷氨酰胺、谷氨酸和甘氨酸的合理添加，改善断奶应激给养猪生产带来的不利影响提供了重要的理论依据。
4 氨基酸与母猪繁殖性能
早期的胚胎死亡或丢失直接响母猪的繁殖性能和养猪业生产效率。氨基酸缺乏或供给不足是造成胚胎或胎儿发育不良和存活率低的一个重要原因。胎盘是母体与胎儿之间营养物质、氧气和CO2 以及代谢产物转运的器官。子宫胎盘间血流量的大小与胎儿营养物质吸收和发育密切相关。精氨酸家族的氨基酸在妊娠30~40 d 的猪尿囊液中含量非常丰富，占尿囊液中游离氨基酸氮总量67%~80%，提示其对胚胎发育和胎儿存活有重要作用。母猪饲粮中添加精氨酸家族氨基酸能促进胚胎滋养层细胞增殖及胎盘中NO 和多胺的合成，进而促进血管的生成，提高胎盘对胎儿的营养物质供给，改善胎儿的存活和发育，提高窝产活仔数和母猪泌乳性能。7~21 日龄的哺乳仔猪合成精氨酸有限，不利于其最大生产性能的发挥，补充精氨酸家族氨基酸明显提高了仔猪的免疫功能、生长性能和平均日增重。
5 寡肽营养与猪的生长发育
长期以来，游离氨基酸被认为是饲粮中蛋白质吸收的主要形式。近年的科学研究表明，蛋白质在肠道消化酶水解后的主要吸收形式是寡肽。相对于游离氨基酸，小肽被肠上皮细胞吸收更高效，这可能是动物的长期进化和选择的结果。断奶仔猪日粮中添加0.5% 丙氨酰- 谷氨酰胺二肽提高了仔猪肌肉中的蛋白质沉积，而且这种促生长的效应明显高于游离氨基酸，这可能与其促进组织中蛋白质合成，减少肠上皮细胞氧化应激损伤有关。本课题组研究发现，妊娠后期母猪日粮中添加小麦水解蛋白能够提高胎盘中氨基酸转运载体表达，促进母体营养物质的转运效率和胎猪的生长发育，提高仔猪初生窝重。猪乳中的甘氨酰- 脯氨酰- 羟脯氨酸三肽通过仔猪小肠上皮上的肽转运载体，促进小肠绒毛的增殖和发育。动物副产品或植物蛋白源在肠道复合酶的消化作用下生成小肽，能有效地去除抗营养因子，并具有游离氨基酸不具备的生物活性而成为新的研究热点。已报道的生物活性肽已达数百种之多。蛋白质水解产生的活性肽成分与底物组成、水解条件（pH、温度、作用时间）、纯化工艺密切相关。相信随着活性肽制备工艺改进和生产成本的下降，这些功能性活性肽将在养猪生产中得到广泛应用。到目前为止，小肽在动物体内吸收、转运和代谢的机制以及生理学功能尚不明确，需要深入和系统的研究。建立切实可行的小肽营养价值评价和质量控制体系以及检测技术是小肽营养研究亟待解决的问题。高分辨质谱和高效液相色谱检测技术的突破将极大促进活性肽在动物科学中的研究与应用。
6 猪对动物细胞可合成的氨基酸的需要量
肠道是营养物质消化、吸收的重要场所，也是机体最大的免疫器官。猪肠道的结构和功能的完整性是其吸收日粮中营养物质和维持动物生长发育、繁殖泌乳及其他生理功能的前提。小肠上皮细胞和肠道微生物对氨基酸的代谢研究，揭示了非必需氨基酸在肠道健康中的重要营养和生理功能，推动了人们对蛋白质营养的认识和理解。传统动物营养学理论中的理想蛋白模式仅仅考虑动物对必需氨基酸的需求，忽视了由动物细胞合成的氨基酸在肠道、肠外组织器官和动物机体发挥最佳生产性能中的重要作用。基于可合成氨基酸的最新研究结果，认为氨基酸的平衡理论要同时考虑必需氨基酸和非必需氨基酸，要考虑宿主对氨基酸的需要，也要考虑肠道微生物对氨基酸的代谢和需要。Wu等在系统研究猪氨基酸与代谢的基础上，提出了日粮可消化氨基酸的推荐添加量，对猪的日粮优化有重要指导意义。这种新的氨基酸平衡理论，将宿主与微生物作为统一整体，全方位考虑传统意义上的必需氨基酸与非必需氨基酸，将极大地推动氨基酸营养的研究和应用，并为养猪生产中通过非必需氨基酸营养优化饲粮的配制、提高日粮氮的利用效率提供了试验依据和理论基础，这对于人和其他动物的营养学也具有一定的借鉴意义。
7 展望
近年来，畜禽氨基酸营养取得了一系列的重要研究进展。尽管如此，仍然有许多问题需要解决。例如，肠上皮细胞和肠道微生物如何感应日粮中的氨基酸模式并作出响应，进而通过不同的代谢途径完成氮在不同组织器官的分配与周转；氨基酸代谢与肠道发育的动态适应机制；氨基酸代谢产物对肠内分泌细胞功能、肠道发育、黏膜免疫以及脑肠轴调节中的生理学功能；小肽与游离氨基酸吸收形式的切换机制；氨基酸调节脂肪代谢与沉积的机制；氨基酸调节基因表达的表观遗传学机理；非必需氨基酸的最佳需要量等，还需要更为深入的研究。测定猪的氨基酸需要量需配制纯合或半纯合日粮，因此生长育肥猪、妊娠母猪和泌乳母猪氨基酸需要量的测定试验成本较高。以大鼠、小鼠和鱼等作为试验动物得到的研究结果，可为猪的可合成氨基酸的需要量模式提供重要参考。我国饲用蛋白质资源严重缺乏，对进口大豆的依存度高达70%。通过对晶体氨基酸或蛋白水解活性肽的合理使用，结合低蛋白日粮配制技术，有助于提高日粮蛋白质的利用效率，减少氮排放给环境带来的污染，缓解蛋白质饲料资源的紧缺对我国养猪业带来的不利影响和挑战。
简言之，氨基酸生物化学与生理学相关的基础研究推动了氨基酸在养猪生产中的应用。突破传统动物营养学中氨基酸分类方法的局限，全方位考虑氨基酸的营养价值，将功能性氨基酸的基础研究应用于猪日粮的配制，无疑将提高饲料蛋白质的转化效率和养猪业的生产效率，促进畜牧业的健康和可持续性发展。
(审核编辑: 猪猪侠)
