有機微量元素在水生養(yǎng)殖動物中的研究與應用策略

李永吉 李文輝 李軍勇 李向前 周 波

(1.岳陽市農(nóng)業(yè)科學院，湖南 岳陽 414000；2.廣州市天科生物科技有限公司，廣東 廣州 510627；3.岳陽市農(nóng)業(yè)技術推廣站，湖南 岳陽 414000)

近年來，隨著人類環(huán)保意識的增強及業(yè)內(nèi)對水生養(yǎng)殖動物營養(yǎng)研究的深入，水產(chǎn)飼料行業(yè)正逐步向高效、減排、安全、健康方向發(fā)展。微量元素作為動物必需的營養(yǎng)素之一，隨著其在機體的物質(zhì)及能量代謝中起到的作用越來越受到重視，也經(jīng)歷了從無機到有機化的發(fā)展過程。

有機微量元素是指金屬微量元素與氨基酸、小肽、蛋白質(zhì)、多糖衍生物、有機酸等配位體通過共價鍵和離子鍵結(jié)合而形成的絡合物或螯合物。當前針對有機微量元素的生物學研究主要以氨基酸、小肽、蛋白質(zhì)絡合物或螯合物為主。

一、有機微量元素的特點

1.化學結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，吸收好，生物學效價高

關于有機微量元素的吸收機制的兩種假說：一種為完整吸收假說，Ashmead(1993)提出，金屬氨基酸配合物和其蛋白鹽利用肽和氨基酸的吸收機制被完整吸收，此觀點的核心是金屬離子以共價鍵和離子鍵與氨基酸或小肽的配位體鍵合，被保護在配合物的核心，并且金屬配合物以整體的形式穿過腸黏膜細胞膜、黏膜細胞和基底細胞膜進入血液；另一種為競爭吸收假說，這種觀點認為，微量元素氨基酸配合物和其蛋白鹽并非以整體和電中性形式才能被有效吸收，配位程度適宜的有機微量元素進入消化道后，可以防止金屬元素變成不溶性化合物(如受到植酸、草酸、磷酸等因素的影響)或被吸附在阻礙元素吸收的不溶性膠體上，而直接到達小腸刷狀緣，并在吸收位點發(fā)生水解，其中的金屬元素以離子形式進入腸上皮細胞并被吸收入血，因此提高了金屬離子的吸收效率。

根據(jù)國內(nèi)外科研部門的研究，經(jīng)氨基酸螯合后的微量元素在水產(chǎn)動物中的吸收率是無機鹽的1.25～2.5倍，而且可以省去許多生化過程，節(jié)省體能消耗，提高飼料利用率。

2.維持體內(nèi)pH恒定的環(huán)境

金屬離子和有機配位體的反應形成了一個緩沖體系，機體通過控制腸道及組織中pH來控制緩沖體系的反應，保證金屬離子濃度的恒定。

3.降低吸收拮抗及對飼料中其他營養(yǎng)素(脂肪、維生素等)的破壞

微量元素之間存在復雜的吸收拮抗作用，如Fe2+與 Zn2+、Cu2+與 Mn2+、Ca2+與其他金屬元素之間在消化吸收過程中都存在一定的拮抗作用，有機微量元素獨特的螯合結(jié)構(gòu)(例如微量元素氨基酸螯合物)有效抑制了礦質(zhì)元素之間的拮抗作用，增強了金屬元素的利用率(張強，2010)。

有研究表明，飼料中使用經(jīng)有機化處理的復合微量元素，可降低飼料中脂肪(不飽和脂肪酸)的氧化速度，從而減少飼料中氧化產(chǎn)物的含量，延長保質(zhì)期。

Mario Marchetti等(2000)研究表明，混合含有維生素A、維生素D3、維生素E、維生素K、維生素B1、維生素B2、維生素B6、維生素B12、抗壞血酸、煙酰胺、泛酸、葉酸、生物素和金屬硫酸鹽或氨基酸螯合物的銅、鋅、鐵、錳等，把混合物一半在37℃存儲，另一半在20℃存儲，分別在0、90、180天測定維生素的效能。當這些維生素與金屬氨基酸螯合物一起儲存時，維生素A、維生素K、維生素B6和抗壞血酸的損失率明顯低于金屬硫酸鹽。37℃時，在金屬硫酸鹽的存在下，維生素B6和維生素B2顯著降解，抗壞血酸、維生素A和維生素K在20℃時顯著降解；而在氨基酸螯合物的存在下則不明顯。結(jié)論是，在含有維生素和礦物質(zhì)的儲藏食物中，如果添加的礦物質(zhì)來源是氨基酸螯合物，那么容易氧化的維生素降解就會明顯減少。

4.加強動物體內(nèi)酶的激活與產(chǎn)生，提高免疫及抗菌能力，緩解應激，提高生產(chǎn)性能

微量元素有機螯合物被吸收進入魚體后，螯合的微量元素被直接運輸?shù)教囟ǖ陌薪M織和酶系統(tǒng)中，滿足機體需要；有些微量元素氨基酸螯合物在結(jié)構(gòu)上與動物體內(nèi)生物酶形態(tài)有些類似，可能作為“單獨單元”在動物體內(nèi)起作用，有利于提高動物免疫力，增強機體抗病和抗應激能力。同時微量元素有機螯合物還可減少體內(nèi)自由基的形成，能夠增強殺菌能力，提高動物機體免疫應答水平。

5.改善飼料適口性，有誘食作用；改善動物肌肉營養(yǎng)水平，減少排放，有利于環(huán)保

有機微量元素如氨基酸螯合鹽融氨基酸和礦物質(zhì)元素于一體，含有大量氨基酸，因此具有特殊的鮮香味，對魚蝦有誘食作用，彌補了無機鹽適口性差的弱點。目前使用的氨基酸螯合鹽多數(shù)是利用甘氨酸或蛋氨酸與金屬元素螯合形成，甘氨酸對多數(shù)魚蝦都具有誘食作用，而蛋氨酸是實用飼料中的限制性氨基酸之一。氨基酸螯合鹽在提供微量元素的同時，也補充了氨基酸的不足，這種多重功能正是氨基酸螯合鹽養(yǎng)殖效果優(yōu)于無機鹽的重要原因。

此外，有機微量元素在生產(chǎn)制作過程中的螯合結(jié)晶工藝可降低由無機鹽而帶入的有害重金屬的含量，從而減少飼料產(chǎn)品重金屬超標的風險。

二、有機微量元素在水生動物上的應用研究

1.國外研究概況

Apines等(2004)為評價氨基酸螯合微量元素在虹鱒日糧中的價值，分別用無機鹽(SF)和氨基酸螯合物(AM)中的微量元素設計了3種日糧：日糧1(SF)和日糧2(AM)分別含有相同數(shù)量的無機鹽和氨基酸螯合物形式的微量元素，日糧3(AM-HF)使用氨基酸螯合物形式的微量元素，含量為日糧1或日糧2的一半。每種日糧投喂15周，魚分為3組，每組30尾，平均個體重(1.52±0.21)克。結(jié)果顯示：各處理組對魚的生長無影響(P＞0.05)；而AM組的骨(P＜0.01)和肝(P＜0.05)中Cu含量顯著高于SF組；同樣，螯合物組血細胞比容(P＜0.05)和堿性磷酸酶(ALP)活性(P＜0.01)均較高。此外，通過RT-PCR定量，AM組的DNA聚合酶和Cu、Zn的SOD表達較SF組顯著上調(diào)(P＜0.05)。AM組Mn、Zn的吸收和沉積量均高于無機鹽組(P＜0.05)。而且，從實驗中得知，一半含量的螯合物組與全部含量的無機鹽組相當。

Lay Nguyen等(2018)經(jīng)過8周的養(yǎng)殖實驗研究表明，用含有機硒日糧喂養(yǎng)的尼羅羅非魚魚片中的硒含量顯著高于用含無機硒日糧喂養(yǎng)的魚。

Anant等(2013)研究了太平洋凡納濱白對蝦食用無機銅或螯合銅的反應。以酪蛋白、明膠、大豆分離蛋白、魷魚肌粉和小麥淀粉為主要成分制成半純化缺銅基礎日糧(銅含量為8毫克/升)。日糧粗蛋白質(zhì)35%，脂肪8%，提供了蝦的所有其他營養(yǎng)需求。日糧分兩組，一組分別補充55、80、116、168、243和363毫克/升的銅，銅源為硫酸銅；另一組分別補充26、39、52、65和83毫克/升的銅，銅源為螯合銅。所有實驗日糧都含有1.2%的植酸。分別用不同的日糧投喂幼蝦(N＝8；初始體重0.4克/尾)6周。在6周結(jié)束時，蝦的平均最終重量在8.75～10.11克/尾，生長速度在1.47～1.71克/周。實驗結(jié)果表明，蝦從硫酸銅中需要的銅是螯合銅源銅的3～4倍，以達到類似的生長性能。添加了168毫克/升和243毫克/升銅的硫酸銅的處理組的生長速度明顯高于基礎組。同樣，從螯合來源的銅為52毫克/升和83毫克/升時也達到了相似的效果，也明顯高于基礎組。全身和肝胰臟的銅濃度隨膳食補充銅的不同而不同。基礎飼料喂養(yǎng)的蝦組織銅濃度明顯降低。

2.國內(nèi)的研究概況

呂景才等(2005)在鱉飼料中添加氨基酸螯合鹽與市售鱉飼料進行對比試驗，結(jié)果表明，添加螯合鹽試驗組的增重效果均優(yōu)于市售飼料的對照組。稚鱉的兩個試驗組分別比對照組多增重51.15%和71.68%，日增重率也比對照組提高0.48%和0.42%。

楊原志和董曉慧(2007)在凡納濱對蝦飼料中添加20、40、60、80和100毫克/千克的硫酸鋅和Zn-Met，試驗結(jié)果表明，不同鋅源對蝦的免疫有顯著影響(P＜0.05)，使用Zn-Met為鋅源時，添加量為40～60毫克/千克時生長和免疫效果最好。

黃欽成等(2018)以軍曹魚幼魚SGR、RBC、脊椎骨Co含量為判斷依據(jù)，Co-Met的生物學效價分別為Co-Cl的1.47、1.49、1.12倍。

卓起瑯和陳學豪(2004)用微量元素氨基酸螯合物替代無機鹽喂養(yǎng)鰻魚、甲魚和鯉魚，魚體增重明顯。各試驗組在基礎日糧配方相同的情況下，當維生素含量減少30%的添加量時，魚體增重率、飼料系數(shù)和成活率均優(yōu)于無機鹽。這表明，添加微量元素氨基酸螯合物可大大減少對維生素的破壞，從而減少其用量，促進水產(chǎn)動物生長，降低飼料系數(shù)。

Hewei Wang等(2017)通過比較俄羅斯鱘魚生長、Cu狀態(tài)、抗氧化活性、免疫反應和Cu表觀消化率表明，Cu-Met的銅的生物效價是CuSO4形態(tài)下的銅的1.5～2倍。

Tan Beiping等(2001)的實驗表明，以增重、貝殼日增長或組織中Zn積累量為判斷依據(jù)，皺紋盤鮑幼鮑對Zn-Met的利用率是ZnSO4的2.66～3.28倍；盡管皺紋盤鮑對Fe-Met和FeSO4的生物利用率相似，但卻發(fā)現(xiàn)，若使用Fe-Met，可以明顯提高動物的免疫力并避免Fe對其他元素比如Mn的拮抗作用。

三、有機微量元素的加工工藝及技術

以單一氨基酸微量元素配合物為例，目前氨基酸微量元素配合物的常用生產(chǎn)方法主要有液相合成法、微波固相合成法、室溫固相合成法3種。液相合成法在反應條件和技術上都比較成熟，缺點是成本較高，工藝復雜，副產(chǎn)物多，大量酸液或堿液的使用和廢液排放污染環(huán)境等。

四、問題與展望

1.與大多數(shù)陸生動物不同，水生動物生活于水中，種類繁多，除了從飼料中獲得微量元素外，還可以通過鰓、體表、腸等從水環(huán)境中吸收礦物質(zhì)。因此，實際養(yǎng)殖水體中微量元素的組成、含量及養(yǎng)殖模式可直接影響水生養(yǎng)殖動物對飼料中微量元素的利用情況。當前，針對不同水生養(yǎng)殖動物的不同生長階段、不同養(yǎng)殖水體、不同養(yǎng)殖模式與環(huán)境，結(jié)合對不同有機微量元素的營養(yǎng)需求數(shù)據(jù)庫仍有待進一步細化完善。

2.使用成本方面，相對于無機微量元素，有機微量元素較高的價格仍然是限制其普及使用的原因之一，因此，如何通過尋求廉價的原料及優(yōu)化生產(chǎn)工藝來進一步降低使用成本也是未來需要進一步努力的方向。

3.有機微量元素的水生動物體內(nèi)吸收、運轉(zhuǎn)及利用機制仍不甚明確，研究方法仍需發(fā)展完善。

4.針對不同種類有機微量元素的質(zhì)量評價方法及標準有待進一步完善健全。

5.功能性有機微量元素的研發(fā)應用成為一個重要發(fā)展方向，眾所周知，微量元素除了參與有機體組織構(gòu)成，還通過調(diào)節(jié)生物新陳代謝過程中的生理生化反應(例如酶的激活與產(chǎn)生、內(nèi)分泌系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等)而起到改善生長及繁殖性能、提高機體免疫及抗應激水平等的功能性作用。因此，如何根據(jù)不同劑型的有機微量元素(配位體、結(jié)構(gòu)等)在性能上的差異來強化其在有機體中的功能性作用將成為新熱點。

五、水生養(yǎng)殖動物有機微量元素應用策略

1.有機微量元素主要包括金屬氨基酸絡合物、金屬(特定氨基酸)絡合物、金屬氨基酸螯合物、金屬多糖絡合物、金屬蛋白鹽和有機酸鹽等。選用有機微量元素，既要考慮水生養(yǎng)殖動物與陸生動物在生長環(huán)境、吸收利用機制等方面的差異，又要考慮不同劑型有機微量元素的使用性價比。當前，公開的文獻資料及研究應用成果以金屬氨基酸螯合物為主。

2.應考慮到因不同生產(chǎn)工藝而造成的同類有機微量元素產(chǎn)品品質(zhì)的差異及掌握基本的評價指標。即使是同種生產(chǎn)工藝，工藝參數(shù)的設置不同也會影響產(chǎn)品品質(zhì)與性能，例如氨基酸螯合物的螯合強度、穩(wěn)定常數(shù)、純度等。

3.建議盡量從專業(yè)廠家定制水生動物專用的有機復合礦，有機微量元素涉及精細化工、動物營養(yǎng)等領域，其研發(fā)、生產(chǎn)及評估相對專業(yè)。另外，在相關部門和市場的雙重壓力之下，企業(yè)也需要不斷地聚焦專業(yè)分工與合作。飼料中的微量元素以幾十種不同的無機和有機單體形式存在，如果逐一進行評估，勢必會增加飼料企業(yè)大量的人力和物力投入，而不評估會增加飼料的安全和穩(wěn)定性方面的風險。在此情況下定制復合有機礦不失為最安全有效的解決方案。

4.相對于無機微量元素，有機復合多礦的添加成本應綜合考慮到微量元素的添加濃度降低、飼料中其他營養(yǎng)素和抗營養(yǎng)因子的影響及對飼料中如脂肪(氧化)和維生素(活性的損失)的節(jié)約作用、動物生長性能的改善提高。

總之，隨著國家、社會及行業(yè)等各方面對環(huán)境保護工作的日益重視，有機微量元素作為當今世界范圍內(nèi)理想的新型高效微量元素飼料添加劑，代表了微量元素添加劑的發(fā)展趨勢，必將對我國的水產(chǎn)飼料行業(yè)、水生動物養(yǎng)殖行業(yè)及環(huán)境保護領域做出重要貢獻。