支鏈氨基酸對家禽種蛋孵化率、免疫力、腸道菌群的影響

孫研研譯

孫研研 譯自Poultry Science，Vol.101（2022），№5：101715

何 娜 審

摘 要：支鏈氨基酸（branched-chain amino acids，BCAA；主要為亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸）除了維持動物機體能量的穩態和為轉氨基作用提供氮底物和碳框架外，還是蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）調節葡萄糖、脂質和蛋白質合成的信號分子，也是蛋白激酶B－哺乳動物雷帕霉素靶點（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號通路的靶點。谷物普遍含有較高水平的亮氨酸，蛋白質含量低的日糧（俗稱“低蛋白日糧”）中這三種BCAA的比例不平衡，會對家禽的生長性能產生負面影響。這是由于這三種BCAA具有相似的結構，會引發代謝競爭，并會干擾酶降解。最新的證據表明，日糧中加入BCAA對家禽的先天性和適應性免疫系統維持正常功能以及腸道黏膜保持完整性至關重要。至于家禽的BCAA需要量，NRC（1994）給出了推薦值，商品肉雞和蛋雞的營養標準也明確了各自的推薦量。綜合文獻資料可知，家禽的BCAA需要量受日糧類型以及家禽的品種和年齡的影響。值得注意的是，與飼料原料成分中的BCAA（即結合型BCAA）相比，針對非結合型BCAA的添加比例的研究有限，而這將會影響家禽在不同疾病挑戰條件下對BCAA的動態利用率，特別是那些會影響腸道消化糜排空速率的疾病。

關鍵詞：支鏈氨基酸；孵化率；免疫力；微生物區系；產蛋性能

中圖分類號：S816.79 文獻標志碼：A 文章編號：1001-0769（2023）01-0011-07

1 種蛋胚胎注射支鏈氨基酸（branched-chain amino acids，BCAA）對胚胎發育和孵化率的影響

向出雛后的家禽提供特定營養物質的重要性已眾所周知，隨著胚胎飼喂技術的不斷發展，向孵化后期的種蛋胚胎提供足夠的營養物質和生物活性物，可能會提高家禽出雛后的生長性能。Kita等在孵化前通過氣室向種蛋注射約1％的亮氨酸和異亮氨酸（這一注射量相當于使雞蛋中亮氨酸和異亮氨酸分別達到453 mg和271 mg），能加速入孵種蛋胚胎的生長，縮短雛雞的出殼時間。Chowdhury等和Han等報道，向種蛋注射L-亮氨酸可提高處于熱應激環境中的肉雞的耐熱性，并加快增重。Han等發現，與異亮氨酸或纈氨酸相比，在孵化的第7天向種蛋胚胎的卵黃囊注射? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?用無菌水配制的亮氨酸溶液（濃度為? ? ? ?35 μmol/500 μL），顯著降低了雛雞出殼時的體溫，并提高了雛雞出殼后5 d內的體重。此外，Han等報道，在種蛋胚胎形成的第7天向胚胎注射L-亮氨酸，可降低雛雞出雛時的血漿甲狀腺素水平和直腸溫度，并降低10日齡肉用公雞熱應激時的直腸溫度。雛雞出雛時體溫降低可能是由于剛出殼的雛雞無法維持體溫穩態，但是，亮氨酸注射組剛出殼雛雞直腸溫度升高表明雛雞的體溫調節功能正在發育完善，這與代謝率升高相關。熱應激時家禽的直腸溫度降低表明，向入孵種蛋的胚胎注射亮氨酸可以提高雛雞的耐熱性。然而，Zeitz等發現，肉雞日糧中亮氨酸的添加量比品種營養標準中的推薦量高60％（育雛期、育成期和育肥期分別為1.59％、1.43％和1.35％）時，對蛋白質合成或肌肉降解通路均沒有顯著影響。Bhanja和Mandal給試驗組肉雞種蛋的胚胎注射4～7 mg亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸的混合物，孵出的雛雞第1周的體重比對照組的雛雞重21％，體液免疫力和細胞免疫力也增強。給火雞種蛋胚胎的羊膜囊注入0.2％的以3∶1∶2的比例配制成的L-亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸的混合物（即BCAA混合物），與注射生理鹽水的對照組火雞種蛋相比，孵化率降低9％以上，雛火雞質量提高2.5％，且出殼體重增加13％。

2? BCAA對家禽腸道發育、免疫力和腸道微生物區系的影響

Singh等指出，為了提高家禽的生長速度和產蛋性能，與免疫細胞、腸道完整性和腸道菌群平衡相關的胃腸道正常發育和功能是必不可少的。盡管BCAA在調節家禽的免疫力和腸道健康方面有重要的作用，但現有文獻尚未闡明具體的作用機制。此外，在家禽生產中關于用BCAA調節免疫力、腸道菌群和腸道整體健康的研究極少。家禽日糧中補充BCAA后所產生的效果應與在豬或小鼠中觀察到的效果相似。但是，家禽、豬和其他單胃物種在免疫力和腸道微生物區系上存在差異，因此還需要進一步研究才能確定BCAA對家禽腸道健康的影響。

在人體和體外模型上進行的一些研究已經證明，BCAA通過鈉非依賴性中性氨基酸轉運體或溶質載體運輸，并在大腦、脾臟、肝臟、骨骼肌、腸道和腎臟中表達。Bonvini等圍繞BCAA通過氧化、脫氨基和轉氨基作用向各種細胞和組織供應能量、調節其他生理功能進行了全面綜述。簡而言之，在支鏈氨基酸轉氨酶（branched-chain aminotransferase，BCAT）的作用下，BCAA會發生氨基交換，產生支鏈ɑ-酮酸（branched-chain ɑ-keto acids，BCKAs）；在支鏈α-酶酸脫氫酶（branched-chain ɑ-keto acids dehydrogenase，BCKD）的催化作用下，BCAA會發生不可逆的氧化脫羧。根據通路和最終代謝物，亮氨酸可以生成酮，纈氨酸會生成糖，異亮氨酸既可以生成糖又可以生成酮。當發酵BCAA時，纈氨酸被轉化為異丁酸，亮氨酸被轉化為2-甲基丁酸，異亮氨酸被轉化為異戊酸，作為支鏈脂肪酸（branched-chain fatty acid，BCFA）代謝物，Smith等和Apajalahti等證明這些代謝物沒有嚴重的毒性作用。BCKD存在于腸道黏膜中；BCAT既存在于腸道黏膜中，又存在于肝臟中，但肝臟中的含量較低；BCAA主要存在于骨骼肌中，通過BCKD氧化調節BCAA。BCAT和BCKD在免疫細胞中有較高的濃度，BCAA的濃度在細胞周期的S期會提高。

3? BCAA對家禽免疫力的作用

Monirujjaman等發現，在家禽肝臟中，所有BCAA中主要由纈氨酸刺激顆粒狀和非顆粒狀淋巴細胞的淋巴發生，并增加自然殺傷（natural killer，NK）細胞的數量。Ma等和Nie等證明，充足的BCAA也是黏膜分泌型IgA的刺激物，可減少黏膜固有層中致病微生物的增殖，BCAA作為白細胞、白細胞介素-12（interleukin-12，IL-12）等促炎細胞因子和樹突狀細胞的能量來源，在促進先天性和適應性免疫反應上發揮著重要作用。Sartori等證明，在間充質細胞培養基中添加BCAA，可以促進細胞的增殖，降低磷酸化k基因結合（phosphorylated factor-k-gene binding，p-FkB）與k基因結合核因子（nuclear factor-k-gene binding，NFkB）? ? ? ? ? 基因表達量的比值，提高磷酸化信號轉導及轉錄激活因子3（phosphorylated signal? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?transducer and activator of transcription 3，p-STAT3）與信號轉導因子和轉錄激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT-3）基因表達量的比值，減少IL-6和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor alpha，TNF-ɑ），增加抗炎介質。Calder通過體外研究證明，BCAA被結合到用于合成RNA和DNA的蛋白質中，并被免疫細胞氧化以發揮細胞功能。這些研究證明，BCAA具有合成代謝和免疫調節的作用。此外，與蛋白質限制的日糧相比，在低蛋白日糧（粗蛋白含量為17％）中添加BCAA，可以降低仔豬血漿中尿素的含量和上皮淋巴細胞的數量，增加十二指腸絨毛高度和IgA的濃度。Cherroute等指出，在功能正常時一般不希望出現上皮淋巴細胞水平升高，因為這意味著黏膜正在發生炎癥反應。在一項體外試驗中，Liu等研究了補充亮氨酸對經脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）處理的胚齡為19 d的雞胚腸道組織的效果，發現亮氨酸通過核因子-κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）的磷酸化下調了LPS誘導的炎癥反應。在用低劑量LPS（25 μg/kg）刺激斷奶仔豬時，額外添加0.3％的BCAA以及精氨酸和半胱氨酸，可以部分逆轉由LPS刺激所加劇的炎癥和激素變化的應激生物標志物。與對照組仔豬相比，BCAA+精氨酸+半胱氨酸處理組仔豬的血清皮質醇水平在第10天從3.5 μg/dL降低到1.7 μg/dL，結合珠蛋白水平從19.84 mg/dL? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 降低到13.59 mg/dL，胰島素樣生長因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）的濃度在第35天從144 μg/L提高到231 μg/L。Thornton等發現，當日糧纈氨酸含量從6.4 g/kg提高到8.65 g/kg時，3～ 6周齡肉雞的免疫器官或抗體滴度沒有發生任何變化，因此，纈氨酸邊緣性缺乏不會影響肉雞的免疫力，因為免疫對纈氨酸的需要量可能低于生長對纈氨酸的需要量。這些結果表明，纈氨酸是肉雞生長發育和生理功能所必需的，但它與其他氨基酸（特別是其他BCAA）的比例對于獲得最佳生長效果至關重要?？偟膩碚f，充足的氨基酸對動物機體細胞毒素分子、多肽、免疫球蛋白、細胞因子等的合成以及先天性免疫和適應性免疫的化學通訊和功能至關重要。充足的BCAA對免疫細胞以及免疫細胞分裂合成所需的核酸和蛋白質必不可少。

4? BCAA對家禽腸道發育和營養物質轉運的影響

家禽通常需要較長的腸道絨毛來產生較大的表面積，以便更好地吸收營養。在日糧與腸道微生物存在互作以及腸道組織自身衰老的作用下，腸道絨毛上皮細胞會有規律地脫落，在某些疾病暴發期間，脫落可能更明顯。Jeurissen等、Wang等和Singh等指出，脫落的細胞可通過隱窩細胞分裂得到補充，在腸道絨毛萎縮時，隱窩深度會增加，因此，絨毛與隱窩比值是反映腸道健康的良好指標。在肉雞日糧中添加亮氨酸（占日糧的1.37％～2.2％），可顯著提高空腸和回腸的絨毛高度以及十二指腸、空腸和回腸的絨毛與隱窩比值，證實了亮氨酸在家禽腸道發育中的作用。Allameh和Toghyani報道，在肉雞的低蛋白日糧中添加纈氨酸，當添加量達到陽性對照日糧中可消化纈氨酸水平（育雛期、育成期和育肥期日糧中的含量分別為0.9％、0.79％和0.71％）的90％時，空腸和回腸的絨毛高度分別增加29％和17％，空腸和回腸杯狀細胞數量分別增加12％和9％。研究人員發現，日糧中添加的纈氨酸不僅不會影響肉雞的免疫反應，還可以增加蛋白質沉積，改善腸道形態。在轉氨基過程中，BCAA還可以為其他氨基酸的合成提供氨基，特別是谷氨酸和天冬氨酸，它們是家禽小腸黏膜細胞內蛋白質周轉和營養物質運輸的主要能量來源。如果亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸的比例不恰當，添加亮氨酸可能不會促進腸道細胞的生長和增殖。

BCAA的代謝為其他氨基酸（尤其是谷氨酰胺）提供碳骨架和氮，從而支持免疫活性。Yudkoff證明，大腦中BCAA供應的增加限制了谷氨酸的大量積累，并阻止這種神經遞質達到毒性水平。此外，BCAA轉氨基產生的丙氨酸和谷氨酰胺可以防止氨在肌肉中積累，并將其運輸到肝臟和腎臟中，進行進一步的代謝和排泄。

從本質上說，氨基酸是內源性肽的組成部分，且具有抗菌作用。腸道上皮細胞內膜可產生廣譜抗菌肽，包括防御素和抗菌肽，以抵御微生物入侵的持續刺激。在豬腸道上皮細胞的體外研究和豬體內研究中，Ren等觀察到BCAA（很有可能是異亮氨酸）可能通過激活沉默調節蛋白1（sirtuin 1 silent mating type information regulation 2 homolog -1，Sirt1）/細胞外信號調節激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）/核糖體S6激酶90（ribosomal S6 kinase 90，90RSK）信號通路刺激β-防御素。Duan等證明，按1∶0.25∶0.25～1∶0.75∶0.75的限制比例在豬日糧（粗蛋白含量為17％）中添加亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸，可提高氨基酸轉運蛋白的表達，降低肌肉蛋白降解相關基因的表達，提高肌肉游離氨基酸濃度，降低血清尿素氮含量。Zhang等報道，在斷奶仔豬的低蛋白日糧（試驗組日糧的粗蛋白含量為17％）中添加BCAA，使亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸的濃度達到與對照組日糧（粗蛋白含量為20.9％）同等水平，試驗組仔豬Na+偶聯的中性氨基酸轉運體和陽離子氨基酸轉運體表達量增加，黏膜組織在形態上得到改善。哺乳仔豬的腸道絨毛高度和絨毛與隱窩比值隨著日糧中亮氨酸添加量的增加而升高，而且氨基酸轉運體B（amino acid transporter B0+，ATB0+）{溶質載體家族6（氨基酸轉運蛋白）成員14[solute carrier family 6 （amino acid transporter）， member 14，SLC6A14]}也上調，ATB0+可以在補充亮氨酸的仔豬空腸中和其他亮氨酸轉運體一起運輸20種蛋白源性氨基酸中的18種。這說明以恰當的比例添加亮氨酸，可以促進仔豬腸道對多種氨基酸的吸收。

5? BCAA對家禽腸道菌群的影響

目前關于BCAA對動物腸道菌群影響的了解還非常有限，需要進一步探討。在體外培養研究中，Dai等將BCAA與其他氨基酸一起加入豬腸道食糜中，發現這些氨基酸可被細菌合成蛋白質，因此認為BCAA可以調節腸道菌群的多樣性。van der Wielen等利用從31日齡肉雞盲腸中分離的乳酸發酵菌（植物乳酸桿菌G17T株）進行體外研究，該菌與丙酸梭菌（Clostridium propionicum）和新丙酸梭菌（Clostridium neopropionicum）相似。在培養底物中添加L-纈氨酸、L-亮氨酸和L-異亮氨酸時，乳酸發酵菌的生長緩慢。Yin等在最近的一項研究中發現，飼喂低蛋白日糧（粗蛋白含量為14％）的仔豬腸道中γ變形菌門、乳酸菌門和氣單胞菌門的細菌豐度降低，在日糧中添加BCAA可以恢復這些細菌的豐度。Spring等發現，在斷奶仔豬的低蛋白日糧（粗蛋白含量為13％～14％）中添加三種BCAA以達到與對照日糧的相同水平，可以促進有益菌群在腸道中的定植。與對照組相比，在低蛋白日糧中添加BCAA增加了糞便中帕魯迪菌（Paludibacteraceae）和互養菌（Synergistaceae）的數量，降低了鏈球菌科（Streptococcaceae）、未分類氧化桿菌科（Oxyphotobacteria_unclassified）、? ? ?假單胞菌科（Pseudomonadaceae）和希瓦菌科（Shewanellaceae）細菌的豐度。帕魯迪菌科（Paludibacteraceae）細菌家族中的帕魯迪菌（Paludibacter）可以發酵碳水化合物，產生醋酸鹽和丁酸鹽。Apajalahti和Vienola報道，乳酸菌（Lactobacillus spp.）和產氣膜梭菌（Clostridium perfringens）在生長時需要亮氨酸和異亮氨酸，而大腸桿菌不需要，因此，氨基酸添加量的差異可能有利于家禽胃腸道中某些菌群與其他菌群的競爭。Jian等研究了日糧中補充纈氨酸對33周齡蛋雞腸道菌群的影響，其中對照組基礎日糧中纈氨酸總含量為0.59％、試驗組日糧中纈氨酸總含量為0.79％，結果表明添加纈氨酸不會影響蛋雞盲腸菌群的α多樣性和β多樣性，但會降低梭桿菌屬（Fusobacterium）、卡多維亞菌屬（Aeriscardovia）、厭氧螺旋菌屬（Anaerobiospirillum）、氣球菌屬（Aerococcus）、桿狀桿菌屬（Corynebacterium）和彎曲桿菌屬（Campylobacter）細菌的相對豐度，增加假丁酸菌屬（Oribacterium）和弗里辛格球菌屬（Frisingicoccus）細菌的相對豐度。這些結果表明，一般情況下日糧中添加BCAA會對家禽腸道菌群產生有益影響，促進家禽的生長。由于抗生素生長促進劑使用受限，通過調整家禽日糧中的BCAA添加量調節腸道菌群組成受到更多關注。

6? BCAA對肉雞骨骼發育的影響

Farran和Thomas研究了纈氨酸缺乏型和BCAA缺乏型日糧對3周齡肉用公雞的影響，發現纈氨酸缺乏組雛雞的骨灰分和骨鈣含量（0.63％）低于對照組和BCAA缺乏組雛雞的。在該研究中，纈氨酸缺乏組肉雞的鈣排泄量是纈氨酸添加組肉雞的3倍。研究人員還指出，維持雛雞成骨細胞活性需要比例適當的BCAA，纈氨酸比例低可能會增加細胞活性，導致纈氨酸缺乏組雛雞出現骨異常。但Amirdahri等發現不同的纈氨酸與賴氨酸比例會影響與肉用母雞脛骨相關的參數。因此，不僅個別或全部BCAA的缺乏會對家禽的健康和生產性能產生負面影響，其最佳比例對家禽的生長代謝也至關重要。

7? 家禽BCAA研究展望

一些新證據表明，在發病狀態下，家禽腸道黏膜對營養物質的選擇性、通透性可能會發生改變，對毒素和致病菌的滲透性更強，從而引發更多的并發癥。Prado-Rebolledo等報道，在感染沙門菌期間，肉雞的腸道通透性提高。在這種狀態下，肉雞對BCAA的需要量也可能會發生改變，不僅為了修復腸道的完整性，也為了促進免疫細胞的增殖和抗菌因子的分泌。Bortoluzzi等和Castro等指出，腸道感染會增加內源性氨基酸損失，補充氨基酸可以改善腸道完整性和通透性。家禽改變BCAA需要量的機制還需要進一步研究，特別是蛋雞、肉雞和火雞的變化。關于在發病狀態下家禽對BCAA的利用，Parker等證明BCAA是家禽在感染艾美耳球蟲期間回腸表觀消化率降低幅度最大的氨基酸之一。感染期間腸道絨毛吸收面積和刷狀緣轉運體的減少可能是造成BCAA消化率下降的主要原因。Teng等發現，在暴發球蟲病時，家禽腸道黏膜的完整性受到影響，導致細胞旁通透性增強，營養物質的吸收發生變化，且影響氮的沉積。Rochell等報道了家禽感染艾美耳球蟲后血漿中BCAA濃度不降反升，確定這些氨基酸在感染球蟲期間是如何被家禽利用的，以及它們之間的比例改變能否產生有益的影響還需進一步的研究。正如前文所述，為了更好地理解高水平的亮氨酸或血漿中異亮氨酸和纈氨酸濃度的拮抗作用，仍需廣泛的研究，在保證其他兩種BCAA的含量不變的前提下，在疾病挑戰和未挑戰的狀態下給家禽補充不同水平（從低到高）的另一種BCAA。Hilliar等指出，日糧中粗蛋白含量的減少可以降低腸道菌群產生的丁酸量，丁酸既是結腸細胞的能量來源，又可以刺激宿主防御系統。他們還發現，由產氣莢膜梭菌和艾美耳球蟲并發感染引起的亞臨床壞死性腸炎，會導致家禽的粗蛋白消化率下降，而飼喂較高水平的氨基酸可加速恢復家禽健康。

除了疾病挑戰外，熱應激會加快肌肉蛋白質的分解代謝，因此也會增加家禽對BCAA的需要量。補充BCAA可以增加長期處于熱應激狀態下的家禽的體重，并能夠降低雛禽的直腸溫度。對于生長在熱帶地區的家禽，當限飼或降低采食量可能會減少家禽攝入的可利用營養物質時，評估含有較高水平BCAA的高密度日糧是否能有效維持家禽的生長非常重要，甚至也需要根據日糧類型和家禽的健康狀況評估家禽對可消化BCAA的需要量。家禽對補充的非結合型BCAA和結合型BCAA可能具有不同的利用率。Waldroup等報道，在維持或提高動物生產性能上，通過添加氨基酸來增強營養價值的低蛋白日糧并不會與通過飼料原料獲得氨基酸和蛋白質的高蛋白日糧有相同的效果。飼料中的豆粕是家禽所需粗蛋白、必需氨基酸和BCAA的主要來源。不恰當的豆粕加工技術、纖維含量和粗蛋白含量可能會影響家禽對BCAA的利用率。目前，文獻尚未明確報道家禽在球蟲病、沙門菌病和壞死性腸炎等疾病的暴發期對BCAA的需要量。家禽對BCAA和其他營養物質的需要量會發生改變也存在爭議。根據目前對腸道黏膜屏障功能惡化、腸道通透性增加以及免疫系統對抗感染導致機體對氨基酸需求增加的理解，建議在疾病暴發期進一步評估家禽對BCAA的需要量。近年來，蛋雞飼養方式逐漸從傳統的籠養向非籠養轉變。飼養環境的改變可能會使蛋雞面臨包括球蟲病在內的多種疾病挑戰的壓力。此外，由于飼料中抗生素生長促進劑的添加受到限制，家禽會對BCAA的需要量發生變化。臨床或亞臨床感染的蛋雞對不同BCAA之間的最佳比例和需要量也需要進一步研究，因為疾病會影響雞蛋形成所需氨基酸的轉運。

8? 總結

BCAA是動物機體蛋白質合成的關鍵調控因子之一。不同BCAA之間的最佳配比對于引發營養傳感器向肌細胞傳遞增殖和分化信號，從而導致肌肉生長和發育至關重要。雖然越來越多的研究證明BCAA在維持家禽免疫應答方面有重要作用，但抗生素生長促進劑的限制使用，導致動物患病風險加大，目前飼料中BCAA的推薦添加量可能還不足以應對該風險。不同BCAA之間的配比與胸肌疾病的關系也有待進一步深入研究。雖然BCAA對家禽腸道完整性、營養轉運和腸道菌群組成等方面的影響已開展了一些探索，但仍需要在此基礎上對BCAA的添加進行進一步標準化。在配制家禽日糧時，應謹慎選擇飼料原料，以確保不同BCAA之間具有合適的配比，例如，在不同BCAA的含量上，玉米和干酒糟及其可溶物往往含有更多的亮氨酸；血粉中異亮氨酸含量較低；玉米、豆粕和肉骨粉中不同BCAA之間配比更為平衡。此外，家禽對添加的非結合型氨基酸的利用率不如日糧中蛋白質結合型氨基酸，因此不同BCAA之間的配比應基于可消化氨基酸水平進行設定?？傊?，還需要進一步的研究來評估家禽飼料中不同BCAA之間的配比的影響，進而優化BCAA含量不同的主要飼料原料的配比。

原題名：Functional role of branched chain amino acids in poultry： a review（英文）

原作者：Woo Kyun Kim、Amit Kumar Singh、Jinquan Wang和Todd Applegate