饲料添加剂之二十――色氨酸

　　一、色氨酸对畜禽的作用

　　色氨酸是重要的营养剂。可参与动物体内血浆蛋白质的更新，并可促使核黄素发挥作用，还有助于烟酸及血红素的合成，可显着增加怀孕动物胎仔体内抗体，当畜禽缺乏色氨酸时，生长停滞，体重下降，脂肪积累降低，种公畜睾丸萎缩。色氨酸可使动物球蛋白含量增加， 从而增强抗病力。

　　家禽：色氨酸及其主要的代谢产物5-HT、褪黑激素等通过对动物采食、免疫、抗应激等多方面的调控，可降低家禽粪氮的排放，提高了粗蛋白质的利用率， 从而减少集约化畜禽养殖导致的环境污染。添加色氨酸可降低鸡的攻击性， 减少啄羽、啄肛现象。

　　猪 ：从相关研究来看，饲粮中添加一定量的色氨酸可以提高猪只采食量，促进其生长，减缓应激、提高其免疫力和改善肉质。同样， 猪因断奶、密饲而产生的咬尾现象也可通过补充色氨酸得到解决。

　　奶牛：对泌乳期的乳牛有促进泌乳作用。

　　二、色氨酸在饲料中的应用

　　色氨酸作为动物体内不能合成而又具有多项生理功能的必需氨基酸， 已经被我国农业部确认为6种饲料级氨基酸之一， 成为继赖、蛋氨酸之后的第3大饲料添加氨基酸。

　　在常用饲料原料中， 它分别是肉骨粉、玉米和大豆粕的第一、第二和第三限制性氨基酸。近年来， 由于在配合饲料中大量使用合成的蛋氨酸和赖氨酸， 使得色氨酸成为饲料中主要的限制性氨基酸。在饲料中只要添加微量色氨酸， 就能产生很大的效果。色氨酸对猪禽营养代谢的作用主要通过以下几方面实现: 色氨酸可转化为促进畜禽生长的尼克酰胺并预防尼克酰胺缺乏症的出现; 色氨酸对脂肪代谢产生影响， 可减少禽类肝脏脂肪的含量; 色氨酸可提高生长猪肝脏、 皮肤、和整体组分的蛋白质合成率; 色氨酸对畜禽采食量、生产性能和饲料转化率都发挥作用; 色氨酸还对畜禽行为产生影响， 减少攻击行为， 减轻应激反应。 在利用度方面， L- 色氨酸的利用率为100%， DL- 色氨酸的生物学有效性对猪相当于L - 色氨酸的80% ~85% ， 对鸡相当于L- 色氨酸的55% ~ 56%； D- 色氨酸的生物有效性对猪相当于L- 色氨酸的60% ~70%， 对鸡相当于L 型的15% 左右。在D型和DL型的利用度上种属差异很大。

　　色氨酸的需要量色氨酸同赖氨酸和蛋氨酸一样也是日粮中容易缺乏的氨基酸。在低蛋白水平的玉米- 豆粕型日粮中， 赖氨酸为第一限制性氨基酸， 其次为色氨酸， 再次为苏氨酸( 满足生长需要) 。色氨酸在体组织内可转化为烟酸， 因此决定色氨酸需要时应考虑烟酸的需要。动物对色氨酸的需要量不但受品种类型、性别、生长阶段、饲养密度、环境温度、光照及饲料氨基酸平衡情况的影响， 同时与日粮烟酸水平显着相关。1998 年NRC 推荐， 生长肥育猪日粮中应含色氨酸0??11 % ~ 0??17 %; 1981 年ARC 推荐为0??12 % ~ 0??16 %。张克英等报道， 25~ 35 kg 生长猪达到最大生产性能的D- 色氨酸需要量为0??17 %， 粗蛋白质水平为17??92 %。Burgoon 等( 1992) 报道， 猪在开食期( 6~ 16 kg) 、生长期( 22~ 50 kg) 和育成期( 55~ 97 kg) 3 个阶段色氨酸需要量分别为0??15 %、0??10 % 和0??06 %， 其平均消化率为97 % 。Mohn 等( 1994) 报道， 日粮色氨酸与赖氨酸的比值小于0??16 时， 会对鸡的采食量和骨骼发育造成不良影响， 当色氨酸的供给量为0??20 %时， 可达到最大增重和饲料利用率。饲喂玉米- 豆粕型日粮的肉仔鸡， 总的色氨酸需要量为0??22 % 。Schutte 等( 1999) 指出， 以可消化氨基酸为基础， 其理想氨基酸相对于赖氨酸( 100%) ， 蛋鸡: 蛋氨酸+ 半胱氨酸84 % ， 苏氨酸18%， 色氨酸18 % ， 缬氨酸81 % ， 亮氨酸74 %; 肉鸡: 蛋氨酸+ 半胱氨酸75 %， 苏氨酸65 % ， 色氨酸18 %， 精氨酸110 % ， 缬氨酸80 % ， 异亮氨酸70 %。

　　猪色氨酸需要量参考：

　　对于饲粮色氨酸的适宜含量，NRC(1998)指出20～50 kg猪的总色氨酸需要量为0．13％～0．18％ ， 50～120 kg猪的总色氨酸需要量为0．09％～0．17％。很多学者都认为这个推荐量偏低，但不同研究得出的结果又大相径庭。

　　鸡色氨酸需要量参考：

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　　三、饲料中色氨酸的来源

　　1、天然来源：

　　色氨酸通常是谷物类饲料的第二或第三限制性氨基酸， 尤其在以高粱和玉米为基础的饲料中显得更为明显。Batterhan 等( 1997)测定了生长猪常用的饲料中色氨酸含量: 相对饲料中蛋白质含量， 色氨酸在各种饲料的含量( g/ 16gN) 以玉米较低为0..43， 其他谷物饲料中等为0..71~ 0..98， 高粱粗蛋白质水平较低， 色氨酸处于临界缺乏状态。在蛋白质原料中， 肉骨粉的色氨酸含量较低， 为0..29~ 0..47; 血粉最高， 为1..39， 但利用率低。其他动、植物性蛋白质饲料中色氨酸含量较高。

　　2、工业合成：

　　L一色氨酸的生产最早主要依靠化学合成法和蛋白质水解法，但是随着对微生物法生产L一色氨酸研究的不断深入，这种方法已经走向实用并且处于主导地位。微生物法大体上可以分为直接发酵法、微生物转化法和酶法。近年来还出现了将直接发酵法与化学合成法相结合、直接发酵法与转化法相结合生产L一色氨酸的研究。另外，重组DNA技术在微生物育种和酶工业上的应用极大地推动了直接发酵法和酶法生产L一色氨酸的工业化进程。

　　（1）微生物转化法亦称前体发酵法。这种方法使用葡萄糖作为碳源，同时添加合成L一色氨酸所需的前体物如邻氨基苯甲酸、吲哚等，利用微生物的L一色氨酸合成酶系来合成L．色氨酸。这种方法同直接发酵法一样，需要解除生物合成途径中大部分酶所受到的反馈调节，以使L_色氨酸能够高浓度蓄积。另外，所添加的前体物大都是抑制微生物生长的，因此添加量不可过高，一般采取分批少量添加的方法。同时可以筛选前体物的抗性突变株来提高前体物的添加量。另外，前体物的价格比较昂贵，不利于降低成本。

　　（2）酶法酶法是利用微生物中L一色氨酸生物合成酶系的催化功能生产L-色氨酸。这些酶包括色氨酸酶、色氨酸合成酶、丝氨酸消旋酶等。根据提供这些酶的微生物种类数，可以分为双酶菌法和单酶菌法两种类型。该法既可以直接加入细胞壁溶解酶使细胞破壁后再使用，也可以将所需的酶固定化后再使用，一般由酶源菌体的培养、菌体的分离洗涤、固定化和反应几个阶段组成。酶法能够利用化工合成的前体物为原料，既充分发挥了有机合成技术的优势，又具有产物浓度高、收率高、纯度高、副产物少、精制操作容易的优点，是一种成本较低的生产L-色氨酸的工业化生产方法。

　　（3）直接发酵法该法是以葡萄糖、甘蔗糖蜜等廉价原料为碳源，利用优良的L一色氨酸生产菌种来生产L一色氨酸。对这种方法的研究进行的比较早，但在相当长的一段时间内达不到工业化生产的要求。主要原因是从中国精细化I协会动物用亿学品行业委员会Tet：010-64418347 URL：http：l／m删．achem．cn Email：嗽@achem．cn 37葡萄糖到L一色氨酸的生物合成途径比较漫长，其代谢流也比较弱，而且L一色氨酸的合成需要多种前体物(如PRPP等)，若想进一步提高L一色氨酸的积累量就必需设法增强合成这些前体物的代谢流。另一方面，L一色氨酸生物合成途径中的调控机制比较复杂，除了反馈调节这一粗调系统之外，还存在着细调系统一弱化子系统。随着重组DNA技术在微生物育种中的应用，为优良的L一色氨酸生产菌株的筛选和产酸水平的提高提供了可靠的技术保障，使微生物直接发酵法生产L_色氨酸成为一种廉价的工业化生产方法。

　　（4）其他生产方法的研究这些方法主要是将上述几种方法有机地结合起来进行L一色氨酸的生产。主要有直接发酵法与化学合成法、酶法相结合，其特点是利用发酵法廉价提供一种前体物，再结合其它方法的优势进行生产。综合而言，利用天然蛋白质水解提取L色氨酸，原料有限，收率低，不可取；以吲哚为起始原料进行化学合成的，合成得到的DL-色氨酸经消旋酶消旋后制得L一色氨酸，分离与拆分烦琐复杂，存在难度。由于发酵法以葡萄糖为原料，利用微生物的某些营养缺陷型菌株，通过代谢控制发酵，人为地改变和控制微生物的代谢途径来实现L一色氨酸的生产，优点是原料来源十分广泛易得，且价格便宜，如淀粉(木薯淀粉、玉米淀粉)，糖蜜、甘蔗汁等。此方法适宜大规模投产。故发酵法生产L一色氨酸是我们生产企业优先考虑采取的生产技术与研发重。[!--empirenews.page--]

　　四、色氨酸的生理作用

　　屠宰和运输过程中突然的应激会引起脑中神经递质的释放，神经受到刺激，释放激素到血液，结果是肌肉代谢受到刺激，造成不良肉质。已经证明应激动物下丘脑复合胺浓度较低。于是人们考虑是否能够通过饲料中添加某种营养元素来提高下丘脑中复合胺的浓度，并以此来减缓应激。对此人们进行了有益的尝试，研究发现：当日粮中色氨酸浓度提高时，下丘脑复合胺前体物浓度提高，并且饲料中添加色氨酸能够有效降低由于屠宰前应激引起的 PSE肉的发生率。

　　1.色氨酸在动物体内转运的特殊性

　　作为一种常量营养物质，色氨酸在血浆和组织中水平发生变化所引起的效应不同于其他氨基酸。

　　它是动物体内惟一通过非共价键与血白蛋白结合的氨基酸(McMenemy等，1958)。这种结合与其分子构型有关：L-色氨酸以高度立体专一性主要在一个位点上与血清白蛋白结合，而D-色氨酸与血清白蛋白的结合力很小，只有L-色氨酸的1%(McMenemy等，1958)。此外，它还受其他一些大分子中性氨基酸和血浆中游离脂肪酸浓度变化的影响。当这种结合状态改变时，色氨酸在体内代谢就会发生变化(如影响大脑中5-羟色胺的合成)，甚至造成一些疾病，如肝昏迷。

　　2.色氨酸可调节动物肝脏蛋白质的合成

　　Sidransky等(1980)证明L-色氨酸能够影响肝脏RNA和蛋白质的代谢，它能显着地促进肝脏多核糖体集聚、细胞质poly(A)-RNA合成、核标记RNA释放和提高核膜核苷三磷酸酶活性;进一步研究表明：L-色氨酸可以增加肝细胞核糖体和RNA的聚合(Garrett等(1984)，促进肝脏微粒体复合功能氧化酶系统的作用，增加细胞色素p-450含量，增加每毫克微粒体蛋白中NADPH-细胞色素C还原酶和NADH-细胞色素b5还原酶的活性，从而增加肝脏微粒体蛋白含量(Takahashi，1991)。另外，Cortamira等(1991)认为色氨酸是通过刺激胰岛素释放而增加肌肉和肝脏蛋白质合成的。因而，色氨酸是一种特殊的氨基酸，它不仅是蛋白质的氨基酸组成成分之一，还参与调节蛋白质的合成，至于这种调节功能的详细机理，还有待于进一步研究。

　　3.色氨酸对神经介质5-羟色胺(5-HT)合成和采食量的影响

　　色氨酸浓度改变将影响5-羟色胺的合成大脑中5-羟色胺是以色氨酸为前体物而合成(Fernstrom等，1974)，其关键酶是色氨酸羟化酶，受色氨酸浓度、神经元兴奋频率、酶的钙依赖性磷酸化和辅助因子存在与否等因素影响(Fernstrom，1983)。在体外或体内，该酶的Km值约为50uM，而大脑中色氨酸的水平经常在10-30uM，即该酶处于非饱合状态，所以大脑中色氨酸浓度变化将改变大脑5-羟色胺的合成速度(Arimanana等，1984)。一般而言，大脑中色氨酸水平增加1倍(从15增到30uM)能使大脑中5-羟色胺升高20%-30%(Arimanana等，1984)。在通过血脑屏障时，色氨酸与长链中性氨基酸(LNAA)如酪氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、丙氨酸和缬氨酸，特别是异亮氨酸和缬氨酸发生竞争作用(Colmenares和Wurt鄄man，1979)。因此，血浆中LNAA的增减直接影响转移入大脑的色氨酸量，进而影响5-HT的合成。

　　色氨酸通过5-羟色胺调节动物采食量5-羟色胺能使大脑活动暂时受到抑制，使动物趋于安静，促进睡眠。这可能有利于动物降低维持需要，促进生长和提高饲料转化效率。许多学者(Weinberger等，1978;Lacy等，1986)认为色氨酸对采食量的影响与其所合成的5-羟色胺有关。色氨酸严重缺乏时，5-羟色胺耗竭，从而导致采食量急剧下降;色氨酸水平过高时，大脑中5-羟色胺合成增加;由于5-羟色胺可增加动物的饱感，当它超过生理水平时，可抑制动物采食;用中枢注射法进行研究的结果也证实了5-羟色胺的这种作用(Goldman等，1971;Den鄄bow等，1983)。色氨酸很可能直接作用于氨基酸受体或通过增加外周5-羟色胺而起作用(Deutsch等，1980;Friedman等，1984;Lacy等，1986)。当日粮色氨酸水平接近需要量时，其水平发生变化不足以改变大脑中5-羟色胺的合成率，因而它是通过外周起作用;而在色氨酸严重缺乏或过高时，血浆中色氨酸水平的变化就能引起大脑中色氨酸水平发生变化，从而影响5-羟色胺的合成，进而对采食量进行调节。

　　4.色氨酸合成烟酸及烟酰胺核苷酸

　　色氨酸转化成烟酸的效率部分过量 的色氨酸(已满足机体蛋白质合成的需要)可转化成烟酸单核苷酸。在100%克分子转化下，理论上1.7mg色氨酸可转化成1mg烟酸。但动物体内色氨酸转化成烟酸实际效率比较低，如种蛋孵化为5.6%，人、鸡和仔猪约为2%，而鸭为0.5%。[!--empirenews.page--]

　　影响色氨酸转化成烟酸的因素 在色氨酸经犬尿氨酸途径向烟酸转化过程中，其限速酶是色氨酸加氧酶，该酶只存在于肝脏中，受色氨酸水平、糖皮质激素、胰高血糖素、高浓度的辅酶(尤其是NADPH)、雌激素、血红素(Badawy等，1975)等因素调节，此外，其他一些酶以及日粮中某些营养成分也影响着色氨酸的转化效率，综合起来有如下几方面：甲基吡碇羧酸羧化酶(PAC)和3-羟-2-氨基苯甲酸加氧酶(3-HAAO)的活性。Chen等(1996)试验表明，日粮中添加色氨酸或烟酸均能改善肉仔鸡生长和防止烟酸缺乏症，而北京鸭和雌番鸭只有添加烟酸才能防止烟酸缺乏。他们发现鸡肝脏中PAC活性和3-HAAO与PAC活性的比率明显受日粮中色氨酸或烟酸水平的影响，而鸭没有，鸭肝脏中PAC活性为鸡的4-5倍，因而其反应底物3-羟基-2-氨基苯甲酸经羧化途径转化成乙酰CoA，而经无酶途径转化成烟酸的前体物喹啉酸较少。

　　维生素B2和B6。色氨酸合成烟酸反应途径中的犬尿氨酸酶对VB6缺乏非常敏感，VB6缺乏时，该酶活性降低(Knox，1953)，色氨酸的大量代谢产物，如黄尿酸、犬尿喹啉酸和3-羟基磷氨基苯甲酸从尿中排出(Sauberlich，1985)。Henderson等(1995)发现维生素B2缺乏可使犬尿氨酸的羟化作用减弱。

　　亮氨酸。以前的研究发现玉米和高粱中含有过高亮氨酸而导致糙皮病，因认为它对体内色氨酸转化成烟酸过程中的某些酶有抑制作用。但从细胞水平研究的结果表明，亮氨酸对色氨酸加氧酶的活性无影响(Salter等，1985)。Lowry等(1989)用斜率技术分析鸡的生长数据时，也没有发现过量的亮氨酸影响色氨酸或烟酸的代谢。后来研究发现，亮氨酸可抑制肠道对色氨酸的吸收，从而影响其利用。

　　日粮中的铁、铜水平。铁缺乏可导致血红素减少，从而减弱或改变了色氨酸加氧酶活性(Badawy等，1975)。Oduho(1993，1994)认为缺铁只有在色氨酸作为烟酸的前体物时才影响色氨酸代谢。

　　Hollister等(1966)报道日粮中铜水平会影响色氨酸转化成烟酸的效率。

　　生理状态及色氨酸的分子构型。在妊娠阶段，色氨酸转化成烟酸的效率高于非妊娠阶段，烟酸不能由D-色氨酸合成。

　　色氨酸可能是烟酰胺核苷酸的重要前体物通常认为，烟酸是NAD和NADP的正常前体物。但大多证据如哈纳氏病(色氨酸加氧酶缺乏症)，类癌瘤综合症以及药物诱导的糙皮症都说明即使添加了烟酸，糙皮症依然严重。因而在正常情况下，色氨酸更可能是烟酰肽核苷酸的重要前体物，因为喹啉酸转磷酸核糖基酶一般是在比其Km值低得多的环境下起催化作用的。在喹啉酸增加时，它与核苷酸的结合速度也增加;而烟酰胺和烟酸转磷酸核基酶一般是在其Vmax下起作用的，因而多余的烟酸不能被利用，经甲基化后排出体外(Bender等，1982)。

　　因而关于色氨酸与烟酸之间的关系，尽管其转化效率较低，但从生化和生理层次上进行研究，有着重要意义。

　　5.色氨酸可合成褪黑激素并影响动物的生理机能

　　在松果体腺细胞，色氨酸在5-羟色胺-N-乙酰转移酶和羟基吲哚-O-甲基转移酶的联合催化下，生成褪黑激素。它参与一系列代谢调节活动，控制动物的生物节律，还对性激素有拮抗作用。Bowman(1989)研究表明：日粮添加色氨酸和不连续光照能提高肉仔鸡的免疫力，这可能是通过被认为具有免疫促进作用又被光照所调控的褪黑激素而起作用。

　　6.动物对不同分子构型(D型和L型)色氨酸的利用

　　各种动物能很好地利用L-色氨酸。对L-色氨酸的利用动物种间存在较大差异：猪和大鼠能很好地利用D-色氨酸(Ohara等，1980)，而小鼠、鸡、狗和人利用得很少(Friedman等，1982;Czarnechi等，1982)。Morrison等(1956)观察到腹腔注射D-色氨酸比口服有更高的利用率，发现肠对D-色氨酸的吸收率低，这部分解释了禽类对D-色氨酸的低利用率。另外，有生物学效应的D型氨基酸是经过两步反应发挥作用的：先在a位碳上氧化生成酮的类似物，然后经氨基转移作用生成L型氨基酸。因而D-色氨酸利用率低也可能是由于该动物品种使D型转变成L型的效率低所致。当日粮中添加色氨酸时，应当考虑其分子构型。