礦物元素理想模式研究——從理論到實(shí)踐

方熱軍 項(xiàng)智鋒 楊永生 曹滿(mǎn)湖

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128)

構(gòu)思于20世紀(jì)40年代的理想蛋白質(zhì)概念［1］，通過(guò) Cole［2］、Fuller 等［3-4］、Wang 等［5］的不懈努力，在幾十年后終于結(jié)出碩果;ARC(1981)［6］豬的營(yíng)養(yǎng)需要將理想蛋白質(zhì)正式與單胃動(dòng)物氨基酸需要量的確定及飼料蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的評(píng)定聯(lián)系起來(lái)，使理想蛋白質(zhì)氨基酸模式(IAAP)不僅僅停留在理論層面和評(píng)價(jià)蛋白質(zhì)質(zhì)量的好壞上，特別是NRC(1998)［7］豬的營(yíng)養(yǎng)需要根據(jù)這一理論列出了維持、產(chǎn)奶、蛋白質(zhì)和體組織沉積等不同狀況下的理想氨基酸模式;新版NRC(2012)［8］豬的營(yíng)養(yǎng)需要以回腸末端標(biāo)準(zhǔn)化氨基酸消化率(SID)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步提升了這一理論的應(yīng)用價(jià)值和使用要求。實(shí)際生產(chǎn)中，配方師利用IAAP進(jìn)行飼糧配方，在保持動(dòng)物正常生長(zhǎng)性能發(fā)揮前提下，有效降低了配方成本、節(jié)約了蛋白質(zhì)資源，同時(shí)減少了氮的排放，奠定了低氮飼糧配制的理論基礎(chǔ)。

礦物元素是動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)中的一大類(lèi)無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)素，具有重要的營(yíng)養(yǎng)生理功能。在動(dòng)物體內(nèi)礦物元素或參與體組織的結(jié)構(gòu)組成;或作為酶(參與輔酶或輔基的組成)的組成成分(如鋅、錳、銅、硒等)和激活劑(如鈣、鎂等)參與體內(nèi)物質(zhì)代謝;或作為激素組成(如碘)參與體內(nèi)的代謝調(diào)節(jié)等;還有的元素以離子的形式維持體內(nèi)電解質(zhì)平衡和酸堿平衡，如Na+、K+、PO34-等。必需礦物元素必須由外界供給，當(dāng)外界供給不足，不僅影響生長(zhǎng)或生產(chǎn)，而且引起動(dòng)物體內(nèi)代謝異常、生化指標(biāo)變化和缺乏癥。

不同礦物元素相互之間是不是也存在某種合適的比例關(guān)系?換言之，是不是也存在礦物元素理想模式?如果存在，又如何去確定?研究礦物元素理想模式面臨哪些難題需要解決?面對(duì)資源耗竭和環(huán)境污染的雙重壓力，提出并研究礦物元素理想模式并不斷實(shí)踐，不僅可極大地豐富動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)科學(xué)的理論體系，而且具有重要的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。

1 礦物元素理想模式的理論基礎(chǔ)及其研究的意義

所謂礦物元素理想模式是指飼糧中微量礦物元素在組成(包括元素的構(gòu)成形式)和比例上與動(dòng)物所需微量礦物元素的質(zhì)和量保持一致，動(dòng)物對(duì)該種飼糧中微量礦物元素的利用率應(yīng)為100%。因此，礦物元素理想模式涉及到動(dòng)物和飼糧2個(gè)方面。

不同礦物元素相互之間是否也存在某種合適(理想)的比例關(guān)系?許多研究結(jié)果對(duì)此予以了肯定的回答。動(dòng)物體內(nèi)礦物元素含量分布有如下特點(diǎn):第一，按無(wú)脂空體重基礎(chǔ)表示，每個(gè)礦物元素在各種動(dòng)物體內(nèi)的含量比較近似，常量元素近似程度更大;第二，體內(nèi)電解質(zhì)類(lèi)元素含量從胚胎期到發(fā)育成熟，不同階段都比較穩(wěn)定;第三，不同組織器官中礦物元素含量，依其功能不同而含量不同，鈣、磷是骨骼的主要組成成分，因此，骨中鈣、磷含量豐富;鐵主要存在于紅細(xì)胞中，動(dòng)物肝中微量礦物元素含量普遍比其他器官含量高。除了不同動(dòng)物種類(lèi)、不同生長(zhǎng)性能條件下最佳(理想)的鈣磷比、處于等滲溶液的鈉離子濃度等眾所周知的例子外，Rees等［9］在對(duì)230名病人頭發(fā)微量元素含量進(jìn)行分析后，驚人地發(fā)現(xiàn)頭發(fā)中微量元素含量模式與被檢者的身體狀況密切相關(guān);Lawrence［10］對(duì)人頭發(fā)存在的“四低模式”進(jìn)行了深入分析和解讀;Joseph等［11］對(duì)尼日利亞奶粉和嬰兒食品中微量礦物元素含量和模式進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。Fuchs等［12］研究了母豬懷孕后期不同形態(tài)的銅、鐵、錳、鋅4種微量礦物元素不同模式對(duì)母豬繁殖性能及其仔豬生長(zhǎng)性能、腸道健康的影響。以上研究均證實(shí)，在人或動(dòng)物體內(nèi)，微量礦物元素通過(guò)體內(nèi)代謝調(diào)節(jié)，以一定的比例呈現(xiàn)，從而影響機(jī)體的功能活動(dòng)，換言之，機(jī)體內(nèi)微量礦物元素的比例反映機(jī)體的健康狀況與性能。在動(dòng)物生產(chǎn)研究中，礦物元素理想模式研究的根本在于從整體上把握各微量礦物元素添加量，使其無(wú)限臨近動(dòng)物維持機(jī)體最佳狀態(tài)與性能的需要量。

正常生長(zhǎng)和生產(chǎn)的動(dòng)物，除了適應(yīng)其環(huán)境的變化以外，其自身各個(gè)組成部分是處于恒定或者動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的。動(dòng)態(tài)平衡是動(dòng)物體內(nèi)礦物元素代謝的一個(gè)重要特征。機(jī)體的礦物元素，不管是以與蛋白質(zhì)、氨基酸相結(jié)合的形式存在，還是以離子狀態(tài)存在，都是在不斷地進(jìn)行著吸收和排出、沉積和分解的周轉(zhuǎn)代謝，從而成為理想模式的理論基礎(chǔ)。

研究不同動(dòng)物、不同生產(chǎn)條件下礦物元素理想模式不但可以極大地豐富動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)中礦物元素營(yíng)養(yǎng)的體系和內(nèi)容，而且具有重要的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)意義。

2 試驗(yàn)證明

為了探索微量礦物元素銅、鐵、錳、鋅之間的理想模式，本課題組以體重7 kg左右仔豬為研究對(duì)象，比較研究了典型飼糧中4種微量礦物元素模式對(duì)仔豬生長(zhǎng)性能、養(yǎng)分消化率以及相關(guān)血清生化指標(biāo)的影響［13］。

試驗(yàn)用鋅作為參比對(duì)象(在相應(yīng)模式中假設(shè)其為100.00)，在玉米-豆粕型基礎(chǔ)飼糧(代謝能13.65 MJ/kg;粗蛋白質(zhì) 19.50%)基礎(chǔ)上，共設(shè)計(jì)了6個(gè)不同的模式(表1)，基礎(chǔ)飼糧中4種微量礦物元素含量分別為銅 9.50 mg/kg、鐵85.60 mg/kg、錳 14.00 mg/kg、鋅 27.50 mg/kg。每個(gè)模式(處理)設(shè)4個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)4頭豬，試驗(yàn)期35 d。

6種模式按如下方法設(shè)計(jì):

模式 A:以 NRC(1998)［7］10 ～20 kg 仔豬鋅、鐵、銅、錳推薦量之間的比例作為4種微量礦物元素添加比例，未考慮飼料原料中4種微量礦物元素的含量，以相應(yīng)的硫酸鹽形式添加。

模式B:參照豬脫脂組織中鋅、鐵、銅、錳含量比例作為4種微量礦物元素添加比例［14-15］，未考慮飼料原料中4種微量礦物元素的含量，以相應(yīng)的硫酸鹽形式添加。

模式C:參照豬血清中鋅、鐵、銅、錳含量比例作為4種微量礦物元素添加比例［14-15］，未考慮飼料原料中4種微量礦物元素的含量，以相應(yīng)的硫酸鹽形式添加。

模式 D:基礎(chǔ)飼糧錳含量為 NRC(1998)［7］10～20 kg仔豬錳推薦量的4.67倍，高于另外3種微量礦物元素達(dá)到的相應(yīng)倍數(shù)，另外3種微量礦物元素以相應(yīng)的硫酸鹽形式添加補(bǔ)充到NRC(1998)［7］推薦量的 4.67 倍。

模式 E:以 NRC(1998)［7］10 ～20 kg 仔豬鋅、鐵、銅、錳推薦量之間的比例作為4種微量礦物元素添加比例，未考慮飼料原料中4種微量礦物元素的含量，微量礦物元素以氨基酸螯合物形式添加。

模式F:添加某公司斷奶仔豬料預(yù)混料。

結(jié)果(表2和表3)表明，模式E和F平均日增重顯著高于模式A和B。模式F和D腹瀉率最低，模式A和B的腹瀉率最高，模式D腹瀉率比模式A和B顯著降低了52.35%，模式F的腹瀉率比模式A和B顯著降低了66.63%。模式C和F粗蛋白質(zhì)消化率最高，達(dá)到了 79.62%和80.10%，分別比模式A極顯著提高了7.51%和6.87%。模式F和B的粗脂肪消化率分別比模式A顯著提高了3.72%和3.79%。但是，模式F的糞中微量礦物元素銅、錳含量是最高的。模式E和F血清尿素氮含量相對(duì)較低，顯著低于模式B和C。各模式血清總鐵結(jié)合力以模式E為最高，模式D最低，模式E與D差異極顯著，模式E總鐵結(jié)合力顯著高于模式A。血清中銅藍(lán)蛋白含量各模式中模式A最低，顯著低于模式B，極顯著低于模式 C、D、E和 F。

表1 鋅、鐵、銅和錳在飼糧中的添加模式和水平Table 1 Supplemental pattern and level of Zn，F(xiàn)e，Cu and Mn in diets

綜合生長(zhǎng)性能指標(biāo)和血清生化指標(biāo)，模式E(鋅∶鐵∶銅∶錳 =100.00∶100.00∶6.25∶3.75，鋅添加水平為 80.00 mg/kg)和模式 F(鋅∶鐵∶銅∶錳 =100.00∶105.26∶105.26∶31.58)優(yōu)于其他模式，比較而言，模式F糞中微量礦物元素排泄量較大，容易對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不良影響。

微量礦物元素相互之間的協(xié)同與拮抗作用在動(dòng)物體內(nèi)非常普遍，其存在形式?jīng)Q定了微量礦物元素的生物活性。大量研究表明，無(wú)機(jī)微量元素(如微量元素的硫酸化合物或氧化物等)能增加微量元素的拮抗作用［16-19］。研究表明，在哺乳仔豬階段，與無(wú)機(jī)微量元素組比較，微量元素以氨基酸螯合物形式添加，鋅、鐵、銅、錳比例為100.00∶100.00∶6.25∶3.75 時(shí)，能獲得較佳的生理功能，動(dòng)物從而表現(xiàn)出優(yōu)良的生長(zhǎng)性能;有機(jī)微量元素更接近動(dòng)物體成分，其吸收利用程度較無(wú)機(jī)形式的元素高，副作用少，而生物合成的有機(jī)元素又較化學(xué)合成的有機(jī)元素效果好［20］。但也有研究表明，微量元素以無(wú)機(jī)微量元素或有機(jī)微量元素形式存在，兩者之間生物學(xué)利用率只存在微小或并不存在差別［21-22］，其原因可能是在不同研究中礦物質(zhì)來(lái)源的不同，或者說(shuō)生物學(xué)利用率并沒(méi)有考慮到添加量與指標(biāo)之間的效應(yīng)關(guān)系［23］。另外，對(duì)礦物元素理想模式的研究需要結(jié)合動(dòng)物特定的生長(zhǎng)發(fā)育階段。在仔豬哺乳階段，微量元素缺乏，需要補(bǔ)充高活性微量元素，才能發(fā)揮理想效果。

3 小結(jié)

礦物元素理想模式涉及到動(dòng)物和飼糧2個(gè)方面。礦物元素在動(dòng)物體內(nèi)代謝迅速，同時(shí)，體內(nèi)又存在自穩(wěn)恒機(jī)制，加上不同元素之間的相互作用，因此，與IAAP相比，礦物元素理想模式的研究既有其共性(同樣涉及動(dòng)物和飼料2個(gè)方面)，又存在較大的特殊性。

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概括來(lái)說(shuō)，確定礦物元素理想模式需要解決3大難題:第一，動(dòng)物不同礦物元素的需要量。確定礦物元素的需要量的關(guān)鍵是選擇合適的敏感指標(biāo)。針對(duì)礦物元素的功能特性，礦物元素理想模式指標(biāo)的選擇需要對(duì)宏觀指標(biāo)(比如生長(zhǎng)性能、繁殖性能、泌乳性能、經(jīng)濟(jì)性狀等)和微觀指標(biāo)(比如器官生理生化指標(biāo)、免疫機(jī)能、酶活性、基因表達(dá))進(jìn)行綜合考慮，需要結(jié)合動(dòng)物種類(lèi)、生長(zhǎng)階段、產(chǎn)品用途、環(huán)境因素等實(shí)際情況，對(duì)特定指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化篩選。比如微量礦物元素的缺乏能引起動(dòng)物生長(zhǎng)性能的顯著降低，對(duì)產(chǎn)肉類(lèi)品種，生長(zhǎng)性能指標(biāo)往往放在優(yōu)先考慮的位置;目前飼料行業(yè)面臨的微量元素超標(biāo)排放問(wèn)題不容忽視，比如高銅獨(dú)特的促生長(zhǎng)作用和“豬糞黑說(shuō)明消化好”的誤導(dǎo)宣傳，微量元素的代謝排放應(yīng)考慮進(jìn)來(lái);酶活性指標(biāo)能較直觀反映特定元素的生理代謝狀態(tài)，比如雞含錳超氧化物歧化酶常和生長(zhǎng)性能指標(biāo)結(jié)合應(yīng)用［24］。礦物元素理想模式研究提供的是最優(yōu)化的動(dòng)物健康水平，優(yōu)化的生長(zhǎng)、繁殖、免疫指標(biāo)不可或缺［25］。簡(jiǎn)單的礦物元素理想模式構(gòu)建過(guò)程可借鑒單一元素的數(shù)學(xué)回歸分析［26］，或者采用近紅外光譜技術(shù)(NIRS)預(yù)測(cè)分析［27］，而對(duì)于多因素多指標(biāo)的礦物元素理想模式可嘗試采用遺傳算法［28］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［29］等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建。在參照元素的選擇上，鋅、銅、錳因?yàn)槭莿?dòng)物體內(nèi)主要細(xì)胞酶和轉(zhuǎn)錄因子的組成元素，參與了機(jī)體大部分生化代謝過(guò)程［15］，可給予優(yōu)先考慮。第二，飼料原料的生物學(xué)效價(jià)(生物利用率)。飼料原料，包括礦物質(zhì)飼料中礦物元素生物學(xué)效價(jià)的評(píng)定，關(guān)鍵是要準(zhǔn)確測(cè)定內(nèi)源排泄量［26］。目前生物學(xué)效價(jià)的評(píng)定方法已逐漸成熟。礦物元素生物學(xué)效價(jià)的測(cè)定通常采用下列方法:通過(guò)飼養(yǎng)試驗(yàn)測(cè)定消化吸收率、運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)、瘺管技術(shù)(可以考察元素在消化道某一部位的消失情況)以及其他特殊方法，如鐵采用的紅細(xì)胞充容法［30］。第三，礦物元素之間或者其他營(yíng)養(yǎng)素與礦物元素之間的相互作用和影響。礦物元素之間存在復(fù)雜的協(xié)同與拮抗作用，比如在單胃動(dòng)物中，鈣與鐵可促進(jìn)鋅的吸收與利用，而鐵可促進(jìn)維生素E的吸收，協(xié)同作用在礦物元素缺乏的動(dòng)物體內(nèi)表現(xiàn)的更為明顯［31］;而在反芻動(dòng)物中，銅的吸收受到鉬與硫的特異性抑制，而飼糧中高水平的鈣抑制鋅的吸收［32］。在礦物元素理想模式的研究中，關(guān)鍵是搞清楚微量礦物元素之間相互關(guān)系以及其他營(yíng)養(yǎng)素對(duì)微量礦物元素利用的影響。而動(dòng)物種類(lèi)、飼糧中陰陽(yáng)離子平衡、飼料原料來(lái)源、動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育階段等因素都會(huì)影響礦物元素理想模式的效果，相信隨著研究資料的不斷積累和研究技術(shù)的不斷創(chuàng)新，礦物元素理想模式一定會(huì)有清晰的輪廓和美好的應(yīng)用前景展示在人們面前。

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