有機(jī)微量元素在奶牛養(yǎng)殖中應(yīng)用的研究進(jìn)展

潘 軍，陳 晨，王瑞平

（1.廣州博善生物科技股份有限公司，廣州 510663；2.哈爾濱博善聯(lián)合生物飼料有限公司，哈爾濱 150090）

微量元素主要是指鋅（Zn）、錳（Mn）、銅（Cu）、鐵（Fe）、硒（Se）、鉻（Cr）、鈷（Co）、碘（I）。隨著奶牛單產(chǎn)不斷提高，微量元素在奶牛生產(chǎn)中的作用也越來越引起行業(yè)的重視。提供的微量元素包括無機(jī)形式和有機(jī)形式，有機(jī)微量元素又經(jīng)歷了產(chǎn)品類型的不斷迭代，不同種類的微量元素的吸收機(jī)制以及對奶牛的價值需要把握和運用。

1 有機(jī)微量元素種類

有機(jī)微量元素經(jīng)歷三個主要發(fā)展階段，最早是有機(jī)酸類的微量元素，如葡萄糖酸鋅、富馬酸亞鐵等；之后出現(xiàn)了氨基酸螯合類的微量元素，如甘氨酸、蛋氨酸、賴氨酸螯合微量元素等；到了2015年國家正式批準(zhǔn)了蛋白螯合微量元素作為添加劑來使用，特別規(guī)定采用植物蛋白源作配位體的微量元素，可以用于反芻動物。有機(jī)微量元素的發(fā)展可歸結(jié)為配位體由有機(jī)酸到氨基酸再到更廣泛的蛋白源（寡肽、小肽、氨基酸）的變化。有機(jī)微量元素還包括以酵母硒和酵母鉻為代表的酵母類微量元素產(chǎn)品，以及煙酸鉻、丙酸鉻等（見圖1）。當(dāng)然酵母也可以轉(zhuǎn)化Fe、Cu、Mn、Zn[1-2]。

圖1 有機(jī)微量元素的代謝過程

到目前為止，相對于維生素來講，微量元素在動物營養(yǎng)中的作用在某種程度上是被輕視的。維生素常作為輔基或輔酶，而微量元素在維持酶分子構(gòu)象中發(fā)揮不可或缺的作用，且與酶的活性直接相關(guān)，特別是一些抗氧化酶類。

客戶選擇維生素是很容易的，已經(jīng)有很清晰的標(biāo)準(zhǔn)了。但在選擇微量元素時，特別是選擇有機(jī)微量元素的時候就會很模糊，因此需要討論清楚。

2 微量元素的吸收轉(zhuǎn)運機(jī)制

無機(jī)微量元素與有機(jī)微量元素的主要吸收部位都在小腸。無機(jī)微量元素也不都是被動吸收的，也有主動吸收通路。所謂被動吸收是指不經(jīng)過上皮細(xì)胞吸收，也叫繞細(xì)胞吸收（Paracellular），是通過腸黏膜內(nèi)外壓差或滲透壓經(jīng)細(xì)胞間隙吸收的，見圖2。

圖2 中像小草一樣的圖示為小腸絨毛，絨毛下面是上皮細(xì)胞。無機(jī)微量元素不僅可通過細(xì)胞間隙進(jìn)行簡單擴(kuò)散，還可以主動吸收。近年來，相繼在腸黏膜上皮細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)一些金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白，如二價陽離子轉(zhuǎn)運體（DMT1）、金屬轉(zhuǎn)運蛋白1（MTP1）等。部分金屬離子不能通過細(xì)胞間隙[3]，如圖2中“X”的部位?，F(xiàn)已證實銅離子只能通過主動吸收方式進(jìn)入門靜脈，而不能通過細(xì)胞間隙吸收。

生物體對微量元素吸收量的多少，直接影響新陳代謝和健康水平。主動吸收的方式能更好地控制和調(diào)節(jié)微量元素的進(jìn)入，這與生物進(jìn)化有關(guān)。

氨基酸螯合的微量元素，主要通過氨基酸的通道吸收，是通過與不同的對應(yīng)載體結(jié)合并有鈉離子參與，經(jīng)上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運吸收的，是主動吸收，這一點是清楚的。而對于蛋白螯合的微量元素，特別是我國規(guī)定可在反芻動物上使用的植物蛋白源“復(fù)合氨基酸鐵（銅、錳、鋅）絡(luò)合物”，在研討其吸收機(jī)制之前，首先要搞清這里所指的“復(fù)合氨基酸”的主體成分是由植物蛋白源降解而來的寡肽、小肽和氨基酸的混合物，以小肽為主。氨基酸和小肽螯合微量元素被認(rèn)為是分別通過氨基酸和小肽通路進(jìn)行主動吸收的。氨基酸類的吸收方式如上所述；小肽類的是通過氫離子+轉(zhuǎn)運蛋白Pep T1轉(zhuǎn)運的，為主動吸收。不僅在反芻動物的小腸中，在瘤胃中也發(fā)現(xiàn)了這一載體蛋白；若氨基酸構(gòu)建成了二肽或三肽，其也可以通過Pep T1轉(zhuǎn)運[4]。

假定日糧中僅添加硫酸鹽類的金屬離子，例如硫酸銅，那么這些微量元素離子的主動吸收需要經(jīng)過三個過程。第一個過程是微量元素“進(jìn)入”上皮細(xì)胞，這個過程需要一個轉(zhuǎn)運蛋白；第二個過程是微量元素在細(xì)胞內(nèi)“移動”，最后到達(dá)上皮細(xì)胞根部，這個過程需要一個轉(zhuǎn)運的伴侶蛋白；第三個過程是“穿越”腸上皮細(xì)胞根部，之后微量元素進(jìn)入到門靜脈循環(huán)，這個過程需要有ATP泵參與。銅離子只能通過上述的主動吸收過程進(jìn)入到門靜脈中[3]，甚至二價銅離子都不能直接被吸收，只能首先被還原成一價銅離子才被吸收轉(zhuǎn)運。上皮細(xì)胞表面有銅離子還原酶用于二價銅離子的還原。

綜上并進(jìn)一步描述，銅離子的吸收轉(zhuǎn)運過程大致是：二價銅離子還原成一價銅離子，然后通過一種叫CTR1的轉(zhuǎn)運蛋白或者是DMT1轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運到上皮細(xì)胞內(nèi)部，然后再通過伴侶蛋白或借助金屬硫蛋白把它轉(zhuǎn)移到高爾基體內(nèi)，然后再從高爾基體排出細(xì)胞外。一價銅離子排出細(xì)胞外之后再氧化回到原來的二價狀態(tài)，然后由門靜脈內(nèi)部的白蛋白轉(zhuǎn)運到肝臟及其他組織（見圖3）。

DMT1不是銅元素專屬的轉(zhuǎn)運蛋白，還可以轉(zhuǎn)運鐵、鋅、錳，而且它優(yōu)先轉(zhuǎn)運鐵。從轉(zhuǎn)運蛋白競爭的角度來看，元素之間的相互拮抗是必然的。

Mn可能是以被動方式轉(zhuǎn)運為主，F(xiàn)e是以主動轉(zhuǎn)運方式為主[3]。需要強(qiáng)調(diào)的是三價鐵首先變成二價鐵才能通過上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運吸收。如果在使用硫酸亞鐵時，不小心發(fā)生了氧化，變成紅色的三價鐵，這不僅僅是顏色改變的問題，它的利用率也會隨之降低。二價鐵離子先是與DMT1結(jié)合轉(zhuǎn)運到上皮細(xì)胞內(nèi)，之后由伴侶蛋白轉(zhuǎn)運至小腸絨毛根部，然后再通過轉(zhuǎn)鐵蛋白轉(zhuǎn)運到門脈循環(huán)，再通過輔助的轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運到身體的各個部位，特別是骨髓等造血器官。

Zn離子是通過被動和主動兩種方式轉(zhuǎn)運的，但以哪種機(jī)制為主，現(xiàn)在還未知[3]。當(dāng)Zn的用量超高時，一方面吸收會發(fā)生反饋抑制，另一方面上皮細(xì)胞內(nèi)會誘導(dǎo)產(chǎn)生一種叫“金屬硫蛋白”的成分，其能大量結(jié)合過多的Zn離子，消除高鋅對細(xì)胞的毒性，待Zn需要時重新釋放或在上皮細(xì)胞脫落的時候隨著糞便排出體外。

在飼料配合過程中，過去主要用亞硒酸鈉作為微量元素硒源。P.Van Dael等[5]比較了硒酸鈉和亞硒酸鈉作為人補(bǔ)充硒源上的吸收及沉積情況，結(jié)果表明硒酸鈉的吸收率遠(yuǎn)高于亞硒酸鈉；但Se也會排泄掉，結(jié)果兩者的沉積率并無差異。推測亞硒酸鈉可能是被動吸收，而硒酸鈉可能存在某種主動吸收方式?？紤]亞硒酸鈉本身就具有一定的不穩(wěn)定性（氧化性），因此認(rèn)為硒酸鈉似乎更適合作添加劑。但考慮其需要從尿中排除，腎功能不全的幼齡反芻動物需要慎重應(yīng)用。硒源的選擇需要在吸收、代謝（排泄）和沉積過程中依據(jù)其表現(xiàn)予以綜合考量。

酵母硒中的Se是以硒代蛋氨酸或硒代半胱氨酸為主要形式存在的，這兩種硒代氨基酸是通過氨基酸的通路吸收的，是主動轉(zhuǎn)運。硒代蛋氨酸轉(zhuǎn)移進(jìn)入細(xì)胞以后，要通過胱硫醚合酶及胱硫醚裂解酶催化轉(zhuǎn)化成硒代半胱氨酸，進(jìn)而硒代半胱氨酸需要在轉(zhuǎn)氨酶和巰基轉(zhuǎn)移酶的作用下生成硒化氫，硒化氫再與一種特殊的tRNA結(jié)合，這種特殊的tRNA事先要攜帶有一個分子的絲氨酸，在硒代半胱氨酸合成酶的催化下生成硒代半胱氨酸與tRNA的結(jié)合物（SeCystRNA），然后SeCystRNA轉(zhuǎn)移到核糖體，按照mRNA序列合成具有生物活性的硒蛋白，發(fā)揮生理作用。上述無機(jī)硒源進(jìn)入細(xì)胞后也要還原成硒化氫，接下來的利用路徑與有機(jī)硒相同[3]。

因為受多種要素干擾，無機(jī)鉻的吸收率在3.0%～0.5%。但具體的吸收機(jī)制不詳，推測是通過細(xì)胞間隙吸收[3,6]。

3 影響反芻動物微量元素吸收轉(zhuǎn)運的因素

無機(jī)微量元素的吸收易受各種因素影響，特別是反芻動物，存在一些增加吸收或減少吸收的因素，見表1。

表1 影響反芻動物微量元素吸收的因素

食糜中的氨基酸、多糖、葡萄糖、脂肪酸，還有氨、碳酸、磷酸根等與微量元素結(jié)合后可能會幫助微量元素吸收；而硫化物、木質(zhì)素、土壤中帶入的硅酸鹽可能阻礙微量元素的吸收。還有一些蛋白質(zhì)、微生物在前胃對微量元素有親和力，但在皺胃的酸性環(huán)境下變性，使得這種親和力對吸收的影響減輕。進(jìn)入十二指腸以后，膽汁進(jìn)入，食糜中的酸被中和、氯離子被吸收，從而使食糜變得偏堿性，這對有機(jī)微量元素的穩(wěn)定性也帶來考驗。小腸中影響微量元素轉(zhuǎn)運蛋白表達(dá)的因素也間接影響著微量元素的吸收[3,7]。

M.J.Faulkner等[8]設(shè)計了稱為“粗飼料”的傳統(tǒng)奶牛日糧和“副產(chǎn)品”日糧，副產(chǎn)品日糧特征為高中性洗滌纖維（NDF）、低淀粉。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Zn和Mn的吸收與日糧類型存在互作關(guān)系。揭示不同的奶牛飼養(yǎng)企業(yè)應(yīng)根據(jù)所使用的日糧來構(gòu)建微量元素標(biāo)準(zhǔn)。

實際上，以無機(jī)離子形式吸收進(jìn)入門脈循環(huán)的微量元素，很少以獨立離子形式存在，絕大部分要與蛋白質(zhì)結(jié)合。若使用有機(jī)微量元素，它本身已經(jīng)是一個氨基酸或小肽結(jié)合態(tài)，利用效率當(dāng)然更高。

概括來講，食糜在反芻動物瘤胃內(nèi)停留的時間較長，無機(jī)微量元素的離子態(tài)可能與食糜中一些組分發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，影響微量元素的利用。另外，轉(zhuǎn)運金屬離子的載體有些是共用的，相互間存在競爭關(guān)系，因此反芻動物特別是高產(chǎn)反芻動物可能更需要有機(jī)微量元素。有機(jī)微量元素不易受上述干擾因素影響，利用率高。使用有機(jī)微量可以適量降低添加水平，這樣可防止微量元素過多攝入成為自由基，反而影響動物健康以及不被吸收的微量元素過量排放到環(huán)境中。

給體細(xì)胞數(shù)大于20萬的奶牛（306頭）一次性皮下注射微量元素，其中包含Zn（300 mg）、Mn（50 mg）、Se（25 mg）和Cu（75 mg），對照組奶牛（314頭）接受一次性皮下注射無菌生理鹽水，結(jié)果并未對體細(xì)胞數(shù)有降低作用[9]。筆者認(rèn)為這種突然大劑量注射難以取得理想的效果。若一定要補(bǔ)充，需要在把握牛群微量元素狀況的基礎(chǔ)上，掌握好計量，最好通過緩釋劑型或日糧來柔性補(bǔ)充為好。

4 有機(jī)微量元素在奶牛生產(chǎn)上的應(yīng)用價值體現(xiàn)

相對無機(jī)微量元素，有機(jī)微量元素具有如下優(yōu)勢：1）主動吸收，吸收效率更高；2）各有獨立的轉(zhuǎn)運機(jī)制，可避免離子間的拮抗；3）可躲避抗?fàn)I養(yǎng)因子干擾；4）適口性好；5）減少對腸道的損傷，尤其是小動物；6）能減少對日糧中其他營養(yǎng)物質(zhì)（如脂類、維生素）的破壞。上述第五條是在實踐中獲得的體會，當(dāng)給初生仔豬灌服鐵劑時，若其易于解離成離子，仔豬則會出現(xiàn)震顫甚至死亡。將無機(jī)微量元素穩(wěn)定化處理再與維生素A存放12 h后，維生素A活性比未處理的少損失10%[10]。

有機(jī)微量元素在奶牛生產(chǎn)中應(yīng)用的對比試驗都是基于奶牛對的其需要量。表2中列出了NRC（2001）[11]和B.Weiss[12]的微量元素推薦量。

表2 奶牛對微量元素的需要量（飼糧干物質(zhì)） mg·kg-1

北京三元奶牛場2001—2004年生產(chǎn)中執(zhí)行的微量元素添加標(biāo)準(zhǔn)見表3[13]。

表3 北京三元奶牛場2001—2004年生產(chǎn)中執(zhí)行的微量元素添加標(biāo)準(zhǔn) mg·kg-1

J.E.Nocek等[14]設(shè)計了一個對比試驗，比較了不同添加量和來源微量元素的應(yīng)用效果（見表4）。

表4 微量元素對比試驗設(shè)計 mg·kg-1

結(jié)果顯示：按NRC標(biāo)準(zhǔn)的75%使用有機(jī)微量元素能達(dá)到無機(jī)微量元素100%添加的效果；如果按照標(biāo)準(zhǔn)量的100%添加有機(jī)微量元素，還可以提高產(chǎn)奶量和乳品質(zhì)量，并且能改善蹄的健康狀況。按NRC標(biāo)準(zhǔn)添加有機(jī)微量元素，之后再增加3.3倍Mn（硫酸錳）和9.1倍Co（葡萄糖酸鈷），還有利于產(chǎn)后母牛復(fù)情。

用有機(jī)微量元素培育后備母牛，后備母牛表現(xiàn)為妊娠期縮短、泌乳期的產(chǎn)奶量更高[15]。已經(jīng)證明使用有機(jī)微量元素的Cu、Mn、Zn，可以提高母牛發(fā)情配種率[16]。

J.L.Siciliano-Jones等[17]按Zn 360 g·d-1，Mn 200 g·d-1，Cu 125 g·d-1，Co 22 g·d-1的標(biāo)準(zhǔn)分別給奶牛添加無機(jī)和有機(jī)微量元素。結(jié)果顯示飼喂有機(jī)微量元素組牛每日所產(chǎn)乳蛋白量極顯著增加，固形物含量顯著增加，3.5%和4%乳脂率的標(biāo)準(zhǔn)乳（FCM）有增加的趨勢。蹄底潰瘍顯著減少，蹄根糜爛和淘汰率有減少的趨勢。

J.M.Defrain等[18]也設(shè)計了奶牛按Zn 360 g·d-1，Mn 200 g·d-1，Cu 125 g·d-1，Co 25 g·d-1的標(biāo)準(zhǔn)分別飼喂無機(jī)和有機(jī)微量元素，證實使用有機(jī)微量元素可顯著減少蹄底糜爛，改善受胎率（P=0.08），同時還改善了一些泌乳性能。

在干奶期或圍產(chǎn)前期添加有機(jī)微量元素可以降低產(chǎn)犢損失，提高初乳中免疫球蛋白含量。在產(chǎn)后堅持用一半有機(jī)微量元素替代無機(jī)微量元素，乳脂率更高[19]。A.P.Somkuwar等[20]在產(chǎn)奶前中后期都添加有機(jī)微量元素，結(jié)果產(chǎn)奶量和乳脂率均得到改善。

有機(jī)微量元素最重要的作用是抗氧化。各種微量元素相關(guān)抗氧化酶及其作用見表5。

表5 微量元素相關(guān)抗氧化酶及其抗氧化作用

硒是機(jī)體中最重要的抗氧化成分，谷胱甘肽過氧化物酶中含有4個硒原子。不僅是Se，Zn、Cu、Mn、Fe、I均是一些抗氧化酶的關(guān)鍵成分，其中Zn、Cu、Mn均與超氧化物歧化酶（SOD）相關(guān)。

在母豬產(chǎn)業(yè)，一個經(jīng)典試驗經(jīng)常被提到：將繁殖過3胎的和發(fā)情不配種的同期母豬屠宰，測體內(nèi)微量元素的殘留量。發(fā)現(xiàn)所有有正常繁殖行為的母豬經(jīng)過三胎以后，其體內(nèi)的礦物元素都有缺失，特別是Ca、P、Zn、Se；而且產(chǎn)奶量越高，窩重越大，它們的微量元素流失的就越多。

S.I.Kumi等[21]連續(xù)測定了5胎母牛初乳中的微量元素含量，結(jié)果見表6。

表6 不同胎次奶牛產(chǎn)后首次初乳中的微量元素含量（DM基礎(chǔ)）

由表6可知，奶牛也有相似母豬的情形，盡管初乳未必能反應(yīng)母牛微量元素的全貌。

近期研究發(fā)現(xiàn)，不同形式的微量元素影響瘤胃纖維消化。在奶牛日糧中添加10 mg·kg-1Cu，40 mg·kg-1Mn，50 mg·kg-1Zn，結(jié)果來源于羥基氯化微量（Hy?droxychloride trace minerals）和復(fù)合氨基酸絡(luò)合（Metal specific amino acid complexes）的有機(jī)微量元素組其中性洗滌纖維（NDF）和酸性洗滌纖維（ADF）消化率和食后2 h及4 h瘤胃揮發(fā)性脂肪酸（VFA）濃度高于硫酸鹽類微量元素組[22]。推測硫酸鹽類微量元素進(jìn)入瘤胃后快速釋放出游離金屬離子可能危害了瘤胃微生物和纖維降解菌。

5 微量元素的應(yīng)用策略

在養(yǎng)殖一線可以通過觀察蹄病發(fā)生比例、測定血漿和修蹄所積累的蹄屑中的微量元素含量來快速判斷牛群微量元素狀況并采取相應(yīng)優(yōu)化對策。此外，微量元素的作用是漸進(jìn)累加的，因此若牛場較長時間牛奶中體細(xì)胞數(shù)過高、淘汰時的平均胎次過低和發(fā)病率偏高，都需要審視微量元素的狀況。

有機(jī)微量元素的使用方法包括：1）全有機(jī)化；2）有機(jī)+無機(jī)；3）額外補(bǔ)充。

奶牛核心群或10 t以上的牛群可以考慮全有機(jī)化。無機(jī)微量元素不僅利用率低，在預(yù)混料或精補(bǔ)料中添加還有可能引起飼料氧化，產(chǎn)生的過氧化物對奶牛的健康不利。因此即使使用無機(jī)微量元素最好也進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

研究發(fā)現(xiàn)干奶期肥胖的牛，在接下來的圍產(chǎn)期，血漿中的Zn、Cr和Mn濃度低于體況評分低的牛，揭示其抗氧化消耗高[23]。因此對膘情控制不當(dāng)?shù)呐Ｈ?，需要在生產(chǎn)中考慮使用有機(jī)微量元素。

所有微量元素的選擇首先是適口性。決策者可以通過自己舔嘗來判斷。對Fe、Cu、Mn、Zn來講，適口性從好到差應(yīng)該是復(fù)合氨基酸絡(luò)合物＞單一種類氨基酸絡(luò)合物＞氧化物＞硫酸鹽。

其次就是測定指標(biāo)，主要包括螯合率和穩(wěn)定性。絡(luò)（螯）合物螯合率測定的難點在于有機(jī)微量元素絡(luò)（螯）合物的產(chǎn)品豐富，它們在溶解度、酸堿度、配位比、螯合強(qiáng)度等方面都有較大的差異，難以建立統(tǒng)一的方法。此外，樣品中螯合態(tài)和游離態(tài)的微量元素難以精確分離，而且有機(jī)微量元素對酸和堿的穩(wěn)定性不強(qiáng)，在酸和堿的環(huán)境中都有一定程度的分解，總的來說目前還沒有成熟的分離方法，很難非常準(zhǔn)確地測定螯合率。目前主要有凝膠過濾色譜法和有機(jī)溶劑萃取法[24]。萃取法是利用螯合金屬不溶于甲醇的原理，用甲醇進(jìn)行洗脫，將有機(jī)態(tài)與離子態(tài)金屬離子分離開來，再用差減法測得螯合率。該方法不需要特別的設(shè)備，適合奶牛養(yǎng)殖企業(yè)采用。但根據(jù)筆者積累的數(shù)據(jù)，市面上常見有機(jī)微量元素產(chǎn)品的螯合率差異不大，而穩(wěn)定性差異較大。對于反芻動物來說，當(dāng)然希望有機(jī)微量元素通過前四個胃后還保持螯合狀態(tài)到達(dá)小腸，這一穩(wěn)定系數(shù)可以采用模擬胃液浸泡法來測定。但由于也受到pH值等許多因素的影響，目前看只適合于在同一測定條件下進(jìn)行不同產(chǎn)品的相對比較。此外，穩(wěn)定系數(shù)與反芻動物微量元素利用率的確切關(guān)系還有待研究數(shù)據(jù)的不斷積累。

酵母硒的價值目前主要是測定硒代蛋氨酸和硒代半胱氨酸含量，但利用率還受到菌種、后處理等因素的影響。有研究通過實驗動物檢測沉積率來判斷其生物學(xué)價值，發(fā)現(xiàn)酵母硒的沉積率比亞硒酸鈉高25%～50%。目前有機(jī)硒的主要產(chǎn)品形式是酵母硒。F.Barbé等[25]對比了酵母硒和硒代蛋氨酸在奶牛上的使用效果，發(fā)現(xiàn)硒轉(zhuǎn)移到奶中的效率還是酵母硒更高。因此生產(chǎn)富硒奶建議優(yōu)選酵母硒。

綜上，微量元素的價值需要采取綜合指標(biāo)用耐心來判斷。往往是使用時不知不覺，撤下后發(fā)現(xiàn)問題來了。