最佳矿物元素体系（Optimal Mineral System，OMS）-Ⅰ

近一个世纪来，历经动物营养工作者不懈努力，建立起一整套能量、蛋白质代谢体系，评估动物营养需要和饲料营养价值，配制精准营养配方。矿物元素营养已被广泛地认可和应用，但迄今还没有一个有效的评价体系。为了实现矿物元素营养价值，达到完全精准营养的目标，提高动物生产力和饲料养分利用率，建立矿物元素营养评价体系势在必行。

评定不同品种、不同生理阶段和不同生产目的动物营养需要量和饲料营养价值。

研究方法包括饲养试验、配对试验、分区分组试验、拉丁方试验、因子（正交）试验、屠宰试验、热学试验（间接、直接）等；统计分析涉及均值、变异系数、标准差、卡方检验、T检验、F检验、多重比较、相关分析等。

日粮配方是养分的载体，也是动物营养研究的终极结果，以线性规划为模型，成本为目标函数，昂贵或适口性欠佳原料为约束函数，统筹动物营养需要量和饲料有效养分含量，实现动物生产和营养物质利用率最大化的精准营养目标。

动物饲料营养物质包括碳水化合物、脂肪、蛋白质，矿物元素、维生素和水分六大类。

01.

能量饲料

碳水化合物是能量饲料的主体，其中包括淀粉、非淀粉多糖、脂肪和蛋白质。饲料脂肪含量低，不是能量供应的主体。蛋白质是结构物质，供应超过动物需要或氨基酸不平衡时，通过脱氨提供能量。淀粉是以α-1，4糖苷键连接的葡萄糖大分子物质，有直链和支链之分。动物体可产生分解α-1，4糖苷键的酶，因此淀粉的消化利用率高，是动物（尤其是单胃动物）的主要能量来源。

经典营养学把非淀粉多糖称为粗纤维，其中包括纤维素、半纤维素和木质素；近代营养学把非淀粉多糖细分为纤维素、半纤维素、果胶、β-葡聚糖、果聚糖、低聚半乳糖和木质素等。纤维素是由β-1，4糖苷键连接的葡萄糖，动物不分泌分解β-1，4糖苷键的酶，半纤维素主要是五碳糖类。因此，单胃动物几乎不能利用非淀粉多糖物质。单胃动物回肠和大肠定居的厌氧菌也酵解一些非淀粉多糖，产生低级脂肪酸，但产量非常有限，而且因大肠没有绒毛吸收，一般情况下非淀粉多糖不计入单胃动物能量代谢范畴。反刍动物瘤胃栖居的微生物和纤毛原虫分解纤维素和其他一些非淀粉多糖，产生低分子脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、戊酸等，这些脂肪酸是反刍动物的一个重要能量来源。因此，营养学把单胃动物营养称为生物化学营养，反刍动物为微生物营养。

02.

蛋白质饲料

经典营养学用粗蛋白质评估动物蛋白质需要量和饲料蛋白质营养价值。凯氏定氮法可以测定粗蛋白含量，其中包括真蛋白氮和非蛋白氮，非蛋白氮是含氮化合物但不是氨基酸，包括尿素、尿酸、硝酸盐、亚硝酸盐和一些含氮物质。单胃动物不能利用非蛋白氮，反刍动物瘤胃微生物利用非蛋白氮合成微生物蛋白，进入真胃和小肠后被畜主消化、吸收，具有重要的蛋白营养价值。

有关蛋白质饲料的定义还不是非常明确，习惯上把粗蛋白含量高出20%的饲料称为蛋白质饲料，包括豆科籽实、油料加工副产品，如豆粕、棉粕、菜籽粕等，过去也用一些动物性蛋白原料，如鱼粉、肉骨粉、蚕蛹等。蛋白质是动物体四大组织、八大系统的建筑材料，供应过量或氨基酸比例不平衡，多余的氨基酸经脱氨生成烷烃化合物，被用作能量部分，虽不经济有效，但有物尽其用的作用。

03.

脂肪

常温条件下固态的油脂称脂肪，液态为油，脂肪或油都是甘油三酯，二者的区别仅在于脂肪酸链的长度和不饱和脂肪酸的含量不同。脂肪含氧量少，被氧化的程度低，产热量大，能值高，是葡萄糖的2.25倍；含水分少，介于10% - 15%之间，体积小，是能量储备物质，也是动物脏器和体驱的保护物质。与其他化合物结合的脂肪称为酯或类酯，是细胞酯蛋白和糖酯的结构物质。

04.

矿物元素

目前确认与生命活动有关的矿物元素包括常量元素钙（Ca）、磷（P）、钾（K）、镁（Mg）、钠（Na）、氯（Cl），微量元素铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn）和超微量元素碘（I）、硒（Se）、钴（Co）、铬（Cr）等。矿物元素中大部分是过渡元素，如Fe、Cu、Zn、Mn、Co和Cr，也有碱金属，如Na和K以及碱土金属，如Mg和Ca。这些元素既是蛋白质、酶系统、内分泌、生物信使的结构物质，也是活性物质，与机体物质构型和新陈代谢密切相关，因此称之为生命活动的芯片或生命元素。

饲料原料中含少量矿物元素，称之为本底值，本底元素种类和含量与植物生命活动密切关联，大部分本底矿物元素与植物大分子物质，如植酸、草酸、单宁酸、木质素等以共价键结合，动物利用率非常低。因此，本底矿物元素基本上没有动物营养价值，设计配方时一般不予以考虑。

05.

维生素

基于化学性质，维生素被划分为水溶性和脂溶性二大类，饲料尤其是绿色饲料含一些维生素，但含量少不能满足动物代谢的需要，为了安全起见，添加量比实际需要量可能高一些。

06.

水分

动物体水分有三个来源，即饮水、饲料水和代谢水。水分不产生能量也不直接提供营养物质，但水是生物体物质代谢的介质，参与几乎所有生物化学反应，因此水分也被列入营养范畴。

酶制剂、酸化剂、抗氧化剂等添加剂不属于动物必需的营养物质，但各有明确功能。酶制剂可以协助动物（尤其是单胃动物）降解饲料营养物质，当下用植酸酶释放磷元素的实践已很普及。欧美一些国家多用大麦、燕麦和小麦作能量饲料，这些原料中可溶性非淀粉多糖含量高，影响动物消化酶的功效。因此，针对这些非玉米能量饲料已开发出一系列酶产品，降解可溶性阿拉伯糖、木聚糖等五碳糖类产品，改善营养物质消化率。相比之下，针对淀粉、脂肪、蛋白质等的酶制剂效果尚不稳定，仍需持续观察验证。酸化剂调节消化道pH环境，有助于消化酶发挥作用。但不论无机或有机酸化剂都易与无机矿物添加剂释放出的金属离子结合，发生中和、加成等反应，影响酸化剂的使用效果，生产实际需要注意这一点。抗氧化剂有防止物质氧化、酸败的功效，在湿、热地区尤为重要。

饲料能量和营养物质需经消化、吸收、转运、合成、分解等代谢，才能转化成有效能、可利用氨基酸和脂肪等。

01.

能量与能量代谢体系

碳水化合物、脂肪和蛋白质都不同程度地提供能量，而且能量涵盖机体全部代谢过程，如躯体行动、神经传导、血液循环、消化吸收、呼吸活动、内分泌、物质分解与合成等都依赖于有效能。畜禽日粮配方中，能量部分约占日粮花费的70%，饲料花费又是畜禽养殖业总成本的70%左右。简言之，每养一头猪或一只禽，能量花费约占总花费的50%。因此，理解能量代谢、转换规律及其有效性对挖掘动物遗传潜能，提高饲料能量利用率，改善健康和降低生产成本至关重要。

（1）总能（Gross energy，GE）：GE是实验室用热量仪测得的饲料总燃烧热，其中包括淀粉、非淀粉多糖、蛋白质和脂肪的燃烧热。GE没有能量营养意义，但GE是研究能量代谢的基础。为了评估饲料有效能，针对动物解剖机构、消化和代谢等生理特点，有效能被划分为三大体系，即消化能、代谢能和净能。

（2）消化能（Digestible energy，DE）：DE计算公式：DE = GE - FE，式中FE是粪能，DE通常被用于评估猪的能量需要和饲料能量营养价值。粪能包括未被消化和吸收的饲料能量，其中也含有代谢产生的内源性能量（Endogenous energy，EN），EN包括消化液、消化酶、脱落上皮细胞所含的能量。为了真实地反映动物能量消化率，DE又分为表观消化能（Apparent digestible，ADE）和真实消化能（True digestible energy，TDE）。真实消化能是从FE中减去EN计算的DE值，计算公式：TDE = GE - （FE - EN）。EN不易测定，占FE的比例小，试验又费时、费工、花费大，实际中多用DE。

在玉米生产国，如中国和美国，玉米是生猪日粮的主要能量来源，玉米淀粉含量高，利用率高，通常用DE评估生猪能量需要量和玉米DE含量。澳大利亚、北欧、俄罗斯等国生猪养殖业部分或全部用大麦、小麦、燕麦和黑麦（Rye）做能量饲料，这些原料受自然条件，如土壤、光照、温度、湿度的影响大，饲料中淀粉、非淀粉多糖和粗灰分含量变差大，消化能含量不稳定，九十年代起就开始尝试用净能，当前使用净能评价猪营养的国家越来越多。

（3）代谢能（Metabolizable energy，ME ）：ME也叫表观代谢能（Apparent metabolizable energy，AME），计算公式：ME = GE - FE - UE，其中UE是尿能。禽类使用同一排泄腔排出粪便和尿液，分离粪、尿实际操作难度大，因此习惯上用ME（AME）评估禽类能量需要量和饲料有效能含量。

（4）净能（Net energy，NE）：NE是评估反刍动物能量需要量和饲料能量价值的体系，计算公式：NE = GE - FE - UE - fE - HI，式中fE和HI分别代表瘤胃发酵气体（甲烷）热和热增耗。

反刍动物日粮中青贮饲料、干草用量大，粗纤维含量高，瘤胃微生物发酵产生的挥发性脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸等）是反刍动物重要的能量来源。瘤胃发酵同时产生甲烷等气体并释放热量，称为发酵热（Fermentation heat，fE）。营养物质消化、吸收和中间代谢产生的热量称为热增耗（Heat increment，HI）。fE和HI随日粮纤维含量等因素变化而波动较大，是反刍动物热损耗的重要组成部分。依据能量守恒定律，营养学采用直接测热法，或依据呼吸商（RQ）的间接测热法，测定动物单位时间内经辐射、对流、传导和蒸发散失的热量，评估动物能量消耗量和沉积的热量，测定动物生产力最大化时能量需要量、能量转化效率和和饲料有效能含量。

关于fE和HI，fE是纯废热，但HI不完全是热损耗，动物在临界温度或寒冷环境利用部分HI维持体温。过去国内把HI称为食后体增热，但真正意义上的食后体增热（Postprandial thermogenesis，PT）指过渡采食导致的热能损失。一般认为，动物为了维持生命活动和生产需要能量，维持的能量需要随动物生产水平的提高略有增加，但增加的幅度有限，比较稳定，因此，提高采食量降低了维持生命活动的相对需要量，改善料重比。诚然，提高采食量会加重消化器官的负担、增加消化酶分泌，PT产出增加，还会加速食糜通过速率，营养物质消化受到影响。可见，提高采食量降低维持生命活动的相对需要量与PT损耗量是一柄双刃剑，合理调整采食量可能是要考虑的问题。

动物采食的能量用于维持生命活动和生产产品，两者目标不同，能量利用率也有差别。欧美国家分别用维持净能（Net energy for maintenance，NEm）和生产净能（Net energy for production，NEp）表达反刍动物NE代谢。NEm不易测定，但可分为基础代谢（Basic metabolism，BM）和活动产热（Activity heat，AH）两部分，分别测定后相加求得。BM代表动物在适宜温度（25℃左右）、禁食和休眠状态下的产热。早年研究发现，BM与体重的2/3次幂成正比，用公式表示为：BM = aWᵇ，式中a是常数，W是自然体重，b是指数，后来把Wᵇ称之为代谢体重，大部分动物的平均a值为70KJ/Wᵇ。正常条件下，AH值约为BM的20%，至此，得出NEm = aWᵇ + 20% aWᵇ的公式，并以此计算NEm。

总之，DE、ME、NE能量代谢体系把动物能量需要量和饲料有效能含量进行体系化、标准化和模型化，为配制精准能量营养奠定了基础。

经典营养用粗蛋白质评价动物饲料蛋白营养价值和动物需要量，反刍动物用粗蛋白具有一定的意义，但对单胃动物，粗蛋白不能反映氨基酸的组成与平衡，误差很大。当前，使用氨基酸代替粗蛋白营养避免了蛋白质资源浪费，降低了配方成本，是蛋白营养一大进步。

01.

粗蛋白营养

反刍动物瘤胃微生物利用非蛋白氮合成微生物蛋白，进入真胃和小肠后被畜主消化和吸收，微生物蛋白是反刍动物一个重要的蛋白质来源。单胃动物回肠和大肠微生物也可以利用部分非蛋白氮合成氨基酸，但量少且不易消化和吸收，因此，非蛋白氮对单胃动物不具有实际营养价值。

02.

氨基酸营养

随着氨基酸分析方法（化学法、近红外法）的普及，氨基酸营养已经逐步取代了传统粗蛋白概念，加之回肠可消化氨基酸的应用，日粮配方氨基酸营养已趋于精准化和模式化。

基于生物化学中动物体合成氨基酸碳骨架的可能性，营养学把氨基酸划分为非必需氨基酸、半必需氨基酸和必需氨基酸。非必需氨基酸指动物体可以合成无需从饲料供应的氨基酸；半必需氨基酸指有机体可以合成一些，但还不能完全满足代谢需要，必须从饲料中获得部分的氨基酸；必需氨基酸是代谢需要但体内不能合成，必须从饲料供给的氨基酸；在必需氨基酸中，动物体既不能合成，饲料含量又少，不能满足需要的称为限制性氨基酸，生产中通常以工业合成的氨基酸补充限制性氨基酸，如蛋氨酸（羟基蛋氨酸）、赖氨酸、苏氨酸和色氨酸。

03.

氨基酸平衡

植物蛋白质氨基酸组成与动物氨基酸需要不尽相同，数量和种类有差别，因此，植物蛋白不能完全满足动物氨基酸代谢需要，利用率低。为了解决这个问题，过去饲料行业倾向多用高蛋白日粮弥补植物蛋白存在的氨基酸不平衡问题，以致部分仔猪日粮粗蛋白含量高达22% - 24%，蛋鸡日粮粗蛋白也上升到19%。因为当时油脂价格高，日粮能蛋比失调，高蛋白日粮忽略了能量平衡，提高蛋白水平虽使生产力有所改善，但远不足以抵偿配方的额外花费，既增加了成本，又造成蛋白质资源的浪费，降低了蛋白质利用率，增加了动物合成、排泄尿素和尿酸负担，仔猪还出现营养性下痢等问题。

为了有效地利用氨基酸资源，解决动植物氨基酸不平衡问题，美国营养学家创立了理想蛋白概念（Ideal protein concept），并用回肠可消化氨基酸，建立了氨基酸营养平衡模型。早年理想蛋白模型得到北美及至世界其他区域饲料业的认可和应用，历经数年实践证明，该模型理论上无可厚非，但生产结果没有体现出理想蛋白概念的优势，以致没有得到广泛地应用。纵观理想蛋白模型，理论上没有太多瑕疵，不失为低蛋白、精准氨基酸营养的基础。但是，模型忽略了与氨基酸代谢相匹配的能量参数，且未考虑与能量和氨基酸代谢息息相关的矿物元素营养，这些因素可能是影响理想蛋白模型价值的根本原因。

当前，行业普遍使用低蛋白和氨基酸平衡日粮，因此，降低了配方成本，改善了动物生产力，避免了蛋白资源浪费，初步达到氨基酸均衡营养的目标。由此也暴露出一个值得关注的问题：以前行业普遍用高蛋白日粮，并依据动物体合成能力和饲料供应，把氨基酸划分为非必需、半必需、必需和限制性氨基酸；在低蛋白日粮条件下，这种分类可能已不适用。为此，有必要通过动物试验和生产实践，对氨基酸类别重新审视和划分，以便更合理地搭配蛋白质饲料、使用工业氨基酸，解决供求矛盾，实现低蛋白日粮条件下的氨基酸平衡，进一步提高生产力和蛋白质利用率。

总之，动物营养学已建立起从总能、消化能、代谢能到净能的能量代谢体系，以及从粗蛋白、氨基酸平衡到理想蛋白模型的蛋白营养体系。但作为生命活动芯片的矿物元素，虽实现了配方矿物营养平衡，但没有达到细胞平衡的终极目标，在最佳矿物元素体系（Optimal Mineral System，OMS）-Ⅱ中将系统阐述矿物元素营养体系与代谢。

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