什么是蛋白动力学？如何在营养实践中应用它？

新年好！！大家春节过得开心吗？来，龙年开工第一天，拉上你们来学习一篇干货哇。我最近采访了来自哈姆雷特蛋白的全球猪产品经理，Jessika van Leeuwen博士。

Jessika毕业于荷兰瓦格宁根大学，在肠道营养领域工作多年，于2021年加入了哈姆雷特蛋白。一年前，我们一起聊过仔猪中蛋白原料的选择，那时候，Jessika便提到了她的团队正在进行一些有意思的研究 —— 蛋白动力学。一年后，她带着最新的研究进展回到曦曦说，我们一起讨论了「蛋白动力学」这个新概念 —— 到底它是什么？为什么重要？我们又能如何在营养实践中应用它？

Q 什么是蛋白动力学？与动物营养学中对蛋白的传统观点有何不同？

Jessika: 还记得在一年多前那期采访中，我们讨论了优质蛋白质的重要性，我也给大家卖了个关子，说我们有一些关于蛋白的有趣发现，今天终于能为大家揭晓谜底啦，那就是——蛋白动力学（protein kinetics）！提到「动力」，自然是和运动的东西有关，自然地，蛋白动力学便是研究日粮蛋白质在消化道中被降解、吸收的速度和位置的动态过程。

在过去，我们通常习惯使用「蛋白消化率」这个指标来评估蛋白类饲料原料，比如一个原料有比较高的粗蛋白水平 + 较高的消化率，我们便认为它是一种优质的蛋白原料。这样的评价并不是错误的，只是我们还需要考虑一些其它因素。

我们都知道，对于蛋白消化率的测定，一般是通过采取回肠末端食糜，来与日粮中的蛋白水平进行对比得出的。因此，消化率这个指标只反映了在小肠末端还剩下多少蛋白质，并没有说明肠道内蛋白质被消化、吸收的速度和位置。这一点非常重要，因为对于不同来源的蛋白，这个过程的差异非常大。对于某些蛋白原料来说，可能需要走完整个小肠，才能达到最大的吸收率；而另一些蛋白原料则相对更容易被消化，可能大部分在小肠的前端就被消化吸收了。

血粉和高蛋白豆粕在小肠不同位置的表观消化率对比。尽管二者在回肠末端的消化率相同，对于血粉来说，其中大部分蛋白质已经在小肠前端被水解；而对于高蛋白豆粕来说，蛋白质大部分在小肠远端位置被水解，这说明了血粉中蛋白质的消化速度要快于高蛋白豆粕（图表摘选自Toghyani et al.，2020）

Q 为什么蛋白消化的速度和位置很重要呢？

Jessika: 许多人问过我这个问题，只要蛋白质被消化吸收，进入循环系统，那么它们就可以被利用；量都是那么多，为什么要去在意消化吸收的速度和位置呢？

但就如刚刚所说，我们对消化率的了解都是基于回肠末端收食糜定氮，然后通过与日粮中蛋白含量比较，倒推得出的结果。这仅仅是告诉我们，多少蛋白被消化了，而并不知道有多少蛋白被真正有效利用了。

然而，近几年的最新研究结果表明，当一种蛋白原料能越快被消化吸收，人或动物对蛋白的利用率越高。其主要有两个原因——

1) 能氮同步释放。由于糖类物质的消化很快，在小肠近端（如空肠）含有大量可利用的葡萄糖，这些葡萄糖可为肠细胞吸收氨基酸提供能量来源，会促进更大比例的氨基酸直接吸收入血，提高氨基酸的吸收效率。而在回肠中，肠细胞使用氨基酸作为能量源，导致通过尿液排出更多的氮，而氨基酸的吸收变少。

2) 氨基酸同步吸收。晶体氨基酸的吸收速率是远快于日粮中其它蛋白原料的，但我们通过晶体氨基酸补充的并不是所有种类的氨基酸，而机体要合成蛋白，是需要同时存在所有种类的氨基酸。因此，这些晶体氨基酸需要在体内等待日粮蛋白被消化释放出来的其它氨基酸，才能通过蛋白合成沉积下来。

大家可以把这个过程想象成搭积木：假设我们需要红、黄、蓝和绿四色积木来合成一个蛋白。红色和黄色的积木是晶体氨基酸，由于吸收快，它们很快便进入血液；而蓝色和绿色的积木是日粮蛋白原料里的氨基酸，等待它们被消化、释放、吸收需要一定的时间。但在体内，氨基酸并不能以游离形式长时间存在，如果红色和黄色的晶体氨基酸积木迟迟等不来日粮蛋白降解产生的蓝色、绿色氨基酸积木，部分晶体氨基酸就会通过「脱氨基作用」随尿液排出体外。对环境而言，增加了氮排放；就生产而言，蛋白利用率降低。

其实，不论是能氮的同步释放还是氨基酸的同步吸收，这二者都是息息相关且相互依存的。比如，在过去合成氨基酸没有广泛使用的时候，可能原料里都是我们所谓的“慢速蛋白（slow protein，对应的是快速蛋白，fast protein）”，这样即使保证了氨基酸能够同步吸收，但却错过了能量的峰值，导致蛋白利用率不高。而随着晶体氨基酸的推广和低蛋白日粮的普及，现在许多配方里都补充了很多的晶体氨基酸，特别是对于幼龄动物、泌乳母猪这些蛋白质需要量高的动物，保证这些合成氨基酸与日粮蛋白中氨基酸的平衡和同步吸收是至关重要的。

生长猪中氨基酸和葡萄糖同步供应（Synchronous）和非同步（Asynchronous）供应对氮利用率的影响（图表引自Van den Borne et al.，2007）

Q 有什么最新的蛋白动力学的研究进展嘛？

Jessika: 哈姆雷特的「酶解大豆蛋白」 (HP300) 已经有30余年的历史了，也在市场上有着很多的实际应用。但过去除了高消化率、低抗营养因子以外，我们对它的效果解释并不完善。而当我们带入蛋白动力学的概念，去进行实验研究的时候，发现了很多有意思的结果，与大家分享~

我们进行的第一个实验是体外模拟消化实验 —— 模拟体内消化道的环境，在蛋白酶消化液(含胰蛋白酶、糜蛋白酶和肠肽酶)和适宜的温度下，通过pH-stat法间接测量蛋白水解过程中肽键断裂释放的质子氢含量，来测定蛋白质水解的速率。当我们将不同来源的植物蛋白（尤其是不同加工方式的特质大豆蛋白产品）与动物蛋白相比时，我们发现哈姆雷特的酶解大豆蛋白比所有其它的大豆特质蛋白都要消化得更快，甚至能够和血浆蛋白、乳清蛋白这类动物蛋白有着接近的消化速率。

不同大豆来源蛋白原料的水解速率比较。测定蛋白质降解速度一般采用水解常数k（L/(mol *s）来表示，椭圆泡中的值表示与大豆粕比较的蛋白水解速度差异百分比；k值越高，水解就越快，吸收也越快（引自Bible et al., 2023）

这样的发现让我们非常惊喜，为了验证，我们又进行了多次重复实验，都得到了比较一致的结果。

那，造成这种消化速率差异的原因是什么呢？

我认为是特殊的加工方式所造成的。我们最早开始生产酶解大豆蛋白（哈姆雷特蛋白HP300），是为了去除其中的抗营养因子，结果在酶解的同时，无意间改变了产品中蛋白的分子结构，我们甚至可以把酶解过程看作一个预消化的步骤。这也就解释了上面提到的体外实验的结果。有趣的是，与HP300相反，很多其它大豆特质蛋白的加工工艺甚至会让它比原始的豆粕消化速率更低。

在体外实验后，我们也进行了动物实验，来对比日粮中「快速蛋白」和「慢速蛋白」对仔猪生长的影响。在这个实验中，我们进行了一个2 x 2的实验设计，分别是正常蛋白水平和低蛋白水平，以及快速蛋白和慢速蛋白两种不同蛋白原料 —— 在之前体外模拟消化实验中，我们发现大豆浓缩蛋白的消化速率相对较慢，因此选择了它作为慢速蛋白，而快速蛋白则为HP300。我们将配置好的全价日粮按照之前的流程进行了体外模拟消化实验，发现仍存在40-60%的蛋白消化速率差异。

而从最后动物的生长性能来看，结果比我们想象的差异还要大 —— 不仅在低蛋白水平下，快速蛋白组动物的生长表现要优于慢速蛋白组，甚至低蛋白水平 + 快速蛋白组要比正常蛋白水平 + 慢速蛋白组的表现更好。因此，即使在正常蛋白水平的日粮中，由于慢速蛋白的存在，蛋白利用率也不是最佳的；而当使用低蛋白日粮时，由于通常会补充额外的晶体氨基酸，在这种情况下，快速蛋白能够保证动物体内氨基酸平衡和不同的氨基酸之间的同步吸收，进而提高动物的蛋白利用率。

Q 从蛋白动力学的角度来看，有没有一个最佳的快/慢速蛋白比例？

Jessika: 对于幼龄动物来说，在使用低蛋白日粮额外补充晶体氨基酸时，保证日粮蛋白原料中有一定比例的快速蛋白是至关重要的。在我刚刚提到的动物实验中，我们的慢速蛋白组尽管叫慢速蛋白，但里面仍有8%左右的快速蛋白；而快速蛋白组里的快速蛋白比例是20%。从实验结果来看8%的快速蛋白比例是远远不够的。我们后来经过研究发现，对于保育猪来说，日粮中快速蛋白占比至少要不低于12.5%（包括晶体氨基酸在内），且比例越高越好。

Q 在与一线营养师交流蛋白动力学这个概念的过程中，有遇到过什么挑战吗？

Jessika: 蛋白动力学这个概念虽然不是新提出的，但要真正应用到实际配方设计中，还是一个很大的观念转变。在发现不同蛋白消化速率会影响动物生长表现后，我们也将这个发现分享给了世界各地的客户，结果发现大家都遇到过类似的相关问题，比如，为什么额外添加赖氨酸看不到任何性能提升呢？这下我们知道原因了，是因为氨基酸吸收不同步造成的，额外补充的赖氨酸没来得及被利用就代谢掉了。所以，蛋白动力学的理念还是得到了许多人的共鸣的。

当然，也有许多人提出了一些疑问——

1) 一些人认为，在猪自由采食的情况下，摄入的饲料不断地被消化吸收，其实糖类、氨基酸都是一个持续的供应过程，不存在同不同步的问题。但在实际养殖过程中，特别是对幼龄动物来讲，比如雏鸡、断奶仔猪，虽然它们是自由采食，但并不代表它们随时都能吃到饲料。有些仔猪在断奶后相当长一段时间都不会开口吃料，还有情况是转栏后在群体里会形成等级制度，等级低的猪只能饱一顿饿一顿，甚至有些猪好几天都吃不上一口饲料。所以在这个阶段，保证日粮中快速蛋白的比例是很有必要的。

2) 在目前的饲料配方实践中，配方师们还是习惯使用粗蛋白水平、可消化氨基酸作为饲料原料的固定指标来优化饲粮，做得更精细一点的可能还会考虑抗营养因子。而现在，我们提出了一个评估蛋白原料的新维度——消化速率，这意味着营养师在做配方时，还需要额外考虑不同饲料原料的营养动力学的变化、吸收前后不同原料间的相互作用，从蛋白动力学的角度去挑选蛋白原料。

有营养师也提出这样的问题：体外实验测出来的蛋白消化速率和真正的体内消化动态之间，它们的相关性如何？在设计配方的时候可以基于蛋白动力学的k值来设计吗？我认为我们目前得到的结论可能暂时还不能支持这样的操作 —— 因为体外实验还需要更加标准化，许多原料的k值还有待更准确的测定。对于蛋白动力学的k值，大家可以把它作为一个参考，不用在配方的配置中关注它的具体数值，只是可以自己界定一下哪些原料属于快速蛋白，哪些属于慢速蛋白，规定配方软件必须保证12.5%以上的晶体氨基酸和快速蛋白原料，再从成本角度去挑选剩下的原料。而对于慢速蛋白原料，就要留心其在配方中的比例不要过高，否则可能对动物生长有负面影响。

我相信在不久的将来，随着我们研究的深入，蛋白动力学也会成为配方设计中必不可少的要素之一！

Q 蛋白动力学的未来，你的下一个研究会关注什么呢？

Jessika: 之前的实验结果给了我们很大的振奋和信心，我们想继续深入地优化、进行更多的试验，建立一个原料的「蛋白动力学数据库」并分享给大家，可以在上面查询哪些原料是快速蛋白哪些是慢速蛋白。同时，我们还对哺乳母猪日粮的蛋白动力学优化非常感兴趣，正在进行相关研究，希望能得到有意思的结果！