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微量元素氨基酸螯合物的营养作用机理
  作者:乐国伟 摘自:畜牧人 日期:2012-11-07  

  微量元素是动物维持生命和生产必不可少的营养素,它们直接或间接地参与机体几乎所有生理和生化过程,其作用与动物生长和健康密切相关。微量元素添加剂经历了无机盐类添加剂、简单的有机物和氨基酸微量元素螯合物三个发展阶段。氨基酸与肽的微量元素螯合物作为第三代微量元素添加剂,具有良好的生物稳定性、易被消化吸收、生物学效价高等特点,认识氨基酸与肽的微量元素螯(络)合物的吸收、代谢途径及其作用机制,有助于其广泛的推广应用。

  1. 微量元素氨基酸螯合物化学性质

  微量元素氨基酸螯合物对饲料有效成分破坏作用小。氨基酸微量元素螯合物因其金属离子与氨基酸分子通过配位键结合后,使其分子内电荷趋于中性,形成了较稳定的化学结构。配位体与金属离子间的结合常数,影响稳定性与利用能力,适宜的稳定常数决定其在消化吸收以及在靶组织的释放、利用能力。在体内pH环境下,有效的保护了螯合物中的金属离子,既有防止与饲料中植酸、磷酸根离子等的结合作用,又有阻止动物消化道中不溶性胶体的吸附作用,从而提高了动物机体对金属离子的吸收。微量元素螯合物中的金属离子在配位体如氨基酸的保护下,可有效地抵御与其他离子生成难溶的无机盐,缓解矿物质间的拮抗竞争作用。而氨基酸、肽的微量元素螯合物具有类似二肽的结构,消减了氨基酸吸收与转运的竞争。配位体的性质,提供抗氧化性的功能基团。同时,在体外减轻了金属离子氧化还原反应对维生素的破坏,从而减少了营养物质的损失,增强了其吸收利用的程度。微量元素-氨基酸螯合物提高复合预混料中维生素的储存稳定性,明显降低预混料中维生素损失率。

  2. 微量元素氨基酸吸收利用机制

  无机盐微量元素必须借助辅酶的作用与氨基酸或其他物质形成络合物后才能被机体吸收[1],吸收后金属元素在血液中与某些蛋白结合,被运输到机体所需要的部位发生功效。多数学者认为,有机微量元素如锌在动物机体内的吸收代谢与无机盐不同,氨基酸及蛋白螯合物利用肽和氨基酸的吸收机制,不同于小肠中无机锌的吸收机制,位于五元或六元环螯合物中心的金属可以通过小肠绒毛刷状缘,以氨基酸或肽的形式被吸收。研究表明,小肽能被完整地吸收,通过肠粘膜进入血液循环,微量元素利用氨基酸或肽的吸收机制,可以使吸收和循环进入机体的效率更高。氨基酸与肽螯合物既是机体吸收金属离子的主要形式,又是动物体内合成蛋白过程中的中间物质,因此,而且可以减少许多生化过程,节约能量消耗,具有较高的生物学效价[2]。

  微量元素的代谢受稳衡机制调控。研究表明,稳衡调控在吸收、尿中排出、向肠腔的分泌、同红细胞的交换、从肌肉中释放几个位点。多数学者认为,肠道是微量元素稳衡调控的主要场所,吸收与内源分泌是机体稳衡调控的主要方式。当日粮供给水平较低时,吸收增加,排泄减少。排泄主要经粪便。粪便中除来源于日粮中未吸收部分之外,还有相当部分来自于唾液、肝脏、胰脏、肠粘膜细胞等向肠腔的内源分泌。机体摄入量大时,肝脏、胰脏向小肠分泌的增加,从而使内源排出增多,以达到调节营养的平衡。如锌转运载体蛋白-1(zinc transporter,ZnT)在十二脂肠和空肠基底膜细胞中广泛存在,ZnT-1主要位于质膜,承载锌向细胞外运输的作用,以消除锌过量可能导致的潜在毒性。ZnT-2在小肠、肾脏、胎盘、肝脏中表达较多,其将锌从细胞质转运到内涵体或溶酶体。ZnT-3主要在脑、睾丸中表达,它将胞内锌转运入囊泡。ZnT-4主要存于乳腺和质膜,胞内锌转运进入囊泡。在生理条件下,锌载体的表达与饲粮锌浓度有密切的关系。另外,还有一种(divalent cation transporter,DCT)载体,主要在十二脂肠、空肠、肾、骨髓中表达;其主要功能是作为锌载体。当机体锌缺乏时,加强锌的转运,从而增加吸收。用半定量RT-PCR法测定小肠ZnT1、ZnT4、DCT1、。结果表明,Zn-Met、ZnSO4处理显著降低ZnT1、ZnT4、DCT1 mRNA表达量(P<0.05);Zn-Met组ZnT1、DCT1 mRNA表达量均显著低于ZnSO4组(P<0.05);两种锌处理间ZnT4 mRNA表达量无明显差异(P>0.05),另外肽载体表达增强。这些结果表明,氨基酸螯合物吸收更快,使ZnT1、ZnT4及DCT1 mRNA表达快速下降,减少肠道中锌的吸收,从而维持锌的内稳态;

  动物机体内金属硫蛋白(metallothionein,MT)合成与日粮微量元素摄入量有关。禁食或饲喂高锌的小鼠肠粘膜细胞中金属硫蛋白表达显著增强;但在常规剂量的锌条件下,MT没有明显变化。小肠及肝脏MT-1 mRNA表达显示MT促进肠道对锌的吸收和在粘膜细胞中滞留。细胞内游离锌浓度上升时,细胞MT合成增加,其与游离锌螯合;相反,锌浓度下降时,MT合成及稳定水平下降,结合在MT中的锌数量下降。锌与MT结合的生物学效率受细胞的氧化还原状态影响。在小鼠肝脏、小肠MT-1 mRNA表达量,均为Control

  3. 微量元素氨基酸螯合物与机体氧化还原状态

  消化道自由基的生成与微量元素的形式和浓度有关。微量元素螯合物由于其特殊的结构,具有较好的化学稳定性,分子内电荷趋于稳定,防止由于金属离子如铁、铜、锌二价离子诱发的自由基生成等作用,防止无机微量元素铁诱导产生的氧化损伤作用。无机盐金属离子如铁,作为变价元素,2-3价互换,催化H2O2形成OH..。同时,一些氨基酸、肽如蛋氨酸等配体本身具有清除自由基的能力, 从而影响肠粘膜细胞的功能、增殖、分化。

  微量元素的缺乏或利用不良,影响过抗氧化酶的活性,将导致氧化还原等代谢过程紊乱,导致能量物质趋向于流失或脂肪细胞,影响生长发育甚至发生贫血等疾病。高浓度的一些微量元素会诱发氧化应激,导致肠粘膜损伤,同时随着微量元素浓度的提高,吸收效率降低。无极微量元素更易诱导H2O2生成羟自由基,具有潜在毒性,可引起细胞损害。同时,一定浓度的自由基可诱导胃、十二指肠以及胰腺分泌生长抑素(SS)表达与分泌,减缓胃肠道食糜通过速度,抑制胃泌素等肠道激素以及消化液与酶的分泌,降低ATP酶偶联的转运载体的功能,减缓营养素的吸收,总的效应是减少游离基的生成,保护肠道粘膜细胞,但降低生长速度。许多微量元素本身有参与抗氧化酶体系的作用,如铁、铜、锰、锌、硒等。微量元素缺乏在一定程度上造成了小鼠的氧化损伤,会显著提高血清MDA含量。如补锌使之明显下降(P<0.05)。有机、无机锌源均显著提高AKP、GSH-Px活性、T-AOC、T-SOD、CuZn-SOD(P<0.05),而Zn-Met组T-AOC、T-SOD显著高于ZnSO4组(P<0.05)。添加锌显著降低NO含量(P<0.05),Zn-Met效果显著强于ZnSO4(P<0.05)。说明两种锌源均能提高机体的抗氧化能力,而Zn-Met效果强于ZnSO4。

  有机微量元素能够调节消化道氧化还原状态,影响生长轴激素的分泌。锌对维持机体正常生长具有重要作用,它对生长激素(GH)、胰岛素样生长因子I(IGF-I)、性腺激素等都有重要的影响。一般认为,GH通过诱导合成IGF,尤其IGF-I而发挥作用。IGF-I可以降低机体组织的分解代谢,刺激细胞分裂、骨骼生长、蛋白质合成等。锌缺乏时会降低GH mRNA基因表达、机体GH水平或损害GH 与其受体间的结合,降低IGF-I、GHR基因表达量,从减缓动物生长[3]。锌对维持机体正常生长具有重要作用,它对生长激素(GH)、胰岛素样生长因子I(IGF-I)、性腺激素等都有重要的影响。一般认为,GH通过诱导合成IGF,尤其IGF-I而发挥作用。IGF-I可以降低机体组织的分解代谢,刺激细胞分裂、骨骼生长、蛋白质合成等。锌缺乏时会降低GH mRNA基因表达、机体GH水平或损害GH 与其受体间的结合,降低IGF-I、GHR基因表达量,从减缓动物生长[4]。补锌均能显著提高IGF-I基因表达水平(P<0.05),与ZnSO4相比,Zn-Met更大幅度地提高IGF-I mRNA表达(P<0.05),从而有效地促进小鼠生长(P<0.05)[5]。

  有机微量元素能够调节细胞氧化还原状态,从而影响细胞增殖、凋亡的细胞过程。采用地噻咪松作为氧化应激的诱导剂建立小鼠胸腺细胞凋亡模型;培养基中分别补加0、50、100、500、1000μM ZnSO4或Zn-Met,培养16小时;测定细胞凋亡率、细胞内钙离子浓度、DNA片段化等指标[6]。结果表明,地噻咪松处理使自由基增加,细胞活力显著下降,加锌使之得到有效恢复;Zn-Met处理的细胞活力高于同剂量ZnSO4处理。两种锌源对地噻咪松诱导的胸腺凋亡均有抑制作用,且这种抑制作用具有剂量效应。50、100、1000μM添加水平时,Zn-Met对细胞凋亡的抑制作用低于ZnSO4(P<0.05);500μM时,两种锌源对凋亡的抑制作用相近(P>0.05)。氧化应激时,钙离子细胞内流,随锌补加水平升高时,细胞培养上清液及胞内GSH-Px、CuZn-SOD活性随之增高;而胞内钙浓度随锌添加水平增加显著降低(P<0.05);Zn-Met对钙离子浓度升高的抑制作用弱于同剂量ZnSO4(P<0.05)。Zn-Met提高细胞抗氧化的能力较强。细胞培养上清液中AKP活性随锌添加水平增加呈上升趋势;当添加剂量为1000µM时,Zn-Met处理组显著高于ZnSO4处理(P<0.05)。上述结果表明,两种锌源均能抑制地噻咪松体外诱导的胸腺细胞凋亡,其机制涉及细胞内Ca2+浓度、氧化还原状态的变化等生理生化过程。有机锌有助于改善氧化还原状态,影响消化道、免疫器官细胞的增殖、分化,影响消化液、酶的分泌等[7]。氨基酸微量元素螯合物的特性决定了缓解应激,防止氧化应激对机体的损伤从而提高生产性能。

  4. 微量元素氨基酸螯合物促生长作用

  微量元素氨基酸螯合物具有促生长作用。微量元素氨基酸螯合物生物学利用率高于无机锌,能有效促进动物生长。饲喂玉米淀粉—酪蛋白半纯合基础日粮,添加硫酸锌和蛋氨酸锌日粮,结果表明,在饲养前期蛋氨酸锌促长效果优于硫酸锌(P<0.05)。尽管两种锌源对GH水平、GHR基因表达无显著影响(P>0.05);均能提高肝脏、血清锌含量及血清AKP活性;蛋氨酸锌处理组织锌含量增加幅度略高于硫酸锌处理(P>0.05)。但Zn-Met显著提高IGF-I mRNA表达(P<0.05),从而有效地促进小鼠生长(P<0.05)[8]。基因芯片的结果显示,与硫酸亚铁相比,蛋氨酸螯合铁组肝组织珠蛋白与转铁蛋白合成相关基因,以及胆固醇、蛋白质、ATP、脂肪合成相关基因明显上调[9],表明微量元素氨基酸螯合物通过调节物质代谢影响生长。

  在猪生产中的应用仔猪仔猪日粮中添加氨基酸微量元素螯合物能促猪生长,提高饲料利用率。给28日龄的断奶仔猪分别饲喂30天氨基酸微量元素螯合物与无机盐日粮,结果表明,仔猪平均日增重提高8.3%,饲料效率提高8.1%。以35日龄断奶仔猪为试验对象,试验组饲料中添加0.04%的蛋氨酸铁螯合物,对照组饲料中不添加蛋氨酸铁螯合物。经过30天的饲养试验,结果表明:试验组的日增重比对照组多增重77克,提高了25.4%,差异极显著(P﹤0.01);试验组的平均采食量比对照组增加92克,提高了19.5%;试验组的料重比比对照降低4.5%。在乳猪开料分别添加蛋氨酸铁(100毫克/千克)和硫酸亚铁2.5克/千克)进行对比试验,试验组21日龄断奶平均增重极显著地高于对照组(P﹤0.01);试验组育成率比对照组提高8.3%;试验组的白痢发病率比对照组降低13.88%。因此,氨基酸微量元素螯合物更有效地改善断奶仔猪的生产性能,明显提高哺乳仔猪断奶窝重和断奶成活率。

  生长育肥猪在肥育猪日粮中添加氨基酸微量元素螯合物,可以提高增重,提高饲料报酬。研究表明,蛋氨酸铁组比硫酸亚铁组生长猪日增重提高9.56%(P<0.05),采食量提高1.88%(P>0.05),饲料报酬提高7.09%(P<0.05),血红蛋白含量提高2.37。以部分螯合物形式的铁锌和轻基蛋氨酸铁分别替代无机盐,平均日增重分别提高2.8%和8.3%,降低料肉比4.1%和13.7%。据报道,在日粮中添加氨基酸微量元素螯合物,在不增加采食量的情况下,试验组全期平均日增重较对照组高6.4%,改善饲料效率6.9%,与对照组比较差异显著。使用氨基酸微量元素螯合物的投入产出比为1:19。

  在鸡生产中的应用蛋鸡在蛋鸡的日粮中添加氨基酸微量元素螯合物能有效提高产蛋性能,改善蛋壳质量。国外研究发现,对饲喂氨基酸微量元素螯合物的产蛋鸡的鸡蛋成分进行分析,蛋壳矿物质元素的组分比例同对照组发生了较大的变化,蛋壳的结构比无机组紧密,蛋黄中微量元素的含量高于无机组。用微量元素蛋氨酸螯合物饲喂42周龄的海兰W-36蛋鸡,结果在营养等价的日粮条件下,以螯合物形式提供微量元素和蛋氨酸的试验组比等量补加无机盐和蛋氨酸的对照组,其产蛋率、饲料效率和综合经济效益分别提高了4.2%、4.37%、2.2%、2.2%。在蛋鸡日粮中添加0.1克/千克的蛋氨酸铜,蛋鸡的产蛋量和蛋壳的硬度显著上升,软壳蛋的比例和蛋重下降。还有饲喂试验证明,给蛋鸡饲喂复合氨基酸微量元素螯合物,比饲喂无机盐增加产蛋率7%,料蛋比降低7%以上,死亡率、破蛋率减少8%~40%,产蛋高峰期延长,鸡蛋质量提高,蛋黄微量元素含量增加10%以上。

  5. 微量元素氨基酸螯合物对机体免疫功能的影响

  有机微量元素能够调节机体免疫力,提高抗病及抗应激能力。微量元素氨基酸螯合物可减少吸收过程自由基的形成,能够增强杀菌能力,提高免疫反应,提高动物机体免疫应答反应,发挥抗病、抗应激作用[10],如有机锌络合物可有效地治疗猪增生性肠炎,氨基酸螯合铜与抗生素有协同作用。在21日龄断奶小鼠,随机分为三组(对照组,硫酸锌组和蛋氨酸组);测定脏器指数、酸性α-萘酯酶染色阳性率(ANAE+)、IL-1、IL-2、血清溶血素、淋巴细胞转化率(SI)、IgA、IgG、IgM等免疫学指标;研究结果表明,基础日粮中添加Zn-Met和ZnSO4均能有效改善小鼠免疫机能;与Control相比,两种锌源均能显著提高胸腺指数、ANAE+、IL-2、SI、IgM、IgA、IgG(P<0.05);Zn-Met组显著升高脾脏指数、IL-1、溶血素、血清球蛋白(P<0.05);Zn-Met组 ANAE+、IgA、IgG均优于ZnSO4组。微量元素氨基酸螯合物促生长作用可有效提高机体免疫能力,有机的效果优于无机盐。

  在仔猪生后3天饲喂添加蛋氨酸铁饲料,死亡率比饲喂添加硫酸亚铁饲料降低30.4%。研究发现母猪、仔猪同时补饲氨基酸螯合铁,极显著提高了血清免疫球蛋白水平,显著提高仔猪抗病能力,并明显表现有协同增强免疫力的作用。给处于高温环境中的猪补充300微克/千克吡啶羧酸铬4周,具有缓解高温应激作用,提高日采食量3.9%,日增重提高16.7%(P<0.05),料肉比下降12.2%(P<0.05)。增强免疫力,提高抗病能力。

  结语

  氨基酸微量元素螯合物对增加猪禽的采食量,提高生长速度和繁殖力,改善产品品质和机体的免疫功能等均有不同程度的促进作用,无论从提高猪禽生产的效益,还是从环境保护角度来讲,以氨基酸(肽)微量元素螯合物作为猪禽日粮添加剂,具有广泛的应用前景。深入研究适合机体的最佳螯合物结构形式、作用机制、最佳添加比例及剂量,以降低饲养成本,达到最佳的经济效益。

  主要参考文献:

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  [4] Yu ZP, Le GW, Shi YH. Effect of zinc sulphate and zinc methionine on growth, plasma growth hormone concentration, growth hormone receptor and insulin-like growth factor-I gene expression in mice[J]. Clin Exp Pharmacol Physiol. 200532(4):273-278

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