動物硅營養(yǎng)研究進(jìn)展

舒 燕 王升平 龔 平 鄔理洋

(1.湖南省微生物研究院，長沙 410009；2.湖南省農(nóng)用微生物應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，飼用微生態(tài)制劑湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，長沙 410009)

硅是地殼中除氧之外最豐富的化學(xué)元素，也是構(gòu)成動物機(jī)體的基礎(chǔ)元素之一。已經(jīng)有研究表明硅對低等生物如硅藻、放射蟲等及某些高等植物如水稻來說是一種必需的營養(yǎng)元素。但是對于動物硅一直被認(rèn)為不是一種必需元素，后來發(fā)現(xiàn)硅會影響膠原蛋白、骨組織的合成，與心血管保護(hù)、免疫系統(tǒng)增強(qiáng)、阿爾茨海默病等有關(guān)[1-2]，表明硅對動物具有重要生理作用。然而，硅對動物的確切生物學(xué)作用機(jī)制仍然未知。因此，本文綜述了硅的生物來源、對動物生理功能的影響、動物對硅的吸收、在動物體內(nèi)分布和轉(zhuǎn)運(yùn)等，旨在為硅在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 硅的生物來源

硅在自然界分布廣泛，因此飲食中硅的來源非常豐富。富含纖維的植物如大米、燕麥、大麥等都是動物良好的硅源，豆類、菠菜和一些塊根類蔬菜也含有比較豐富的硅[3]，但是動物性食品如肉、奶中硅含量較低，這些食物硅含量為1～440 mg/kg[4-6]。此外，飲用水、礦泉水和啤酒中也含有少量的硅。部分食物中硅含量見表1。食物中的硅大多以硅酸鹽、二氧化硅的形式存在，幾乎不溶于水，不易被動物機(jī)體吸收。硅溶解在水中后以原硅酸(H4SiO4)的形式存在，是動物胃腸道硅吸收的有效形式，能被胃腸道迅速吸收，是動物機(jī)體硅元素的主要生物利用來源。

表1 部分食物中硅含量 Table 1 Silicon content of some foods[4-6] mg/100 g

續(xù)表1項目 Items硅含量 Silicon content生菜 Lettuce1.11～2.78芹菜 Celery0.29～5.50紅蘿卜 Carrots0.10～2.29西蘭花 Broccoli0.50～0.78土豆 Potato0.34～0.56蘿卜 Radish0.1～5.1紅薯 Sweet potato0.27水果 Fruits香蕉 Banana 4.77～5.44菠蘿 Pineapple3.93桔子 Orange 0.32～2.52桃子 Peach0.64蘋果 Apple0.21～0.50草莓 Strawberries 0.12牛奶及奶制品 Milk and milk products牛奶 Milk 0.07～0.20奶酪 Cheese0.39～0.47飲料 Beverages礦泉水 Mineral water 6.88* 高硅礦泉水 Mineral water (high-silicon)14.46* 自來水 Tap water0.02～0.34啤酒 Beer1.14～6.00

2 硅對動物生理功能的影響

2.1 硅對動物結(jié)締組織生物學(xué)功能的影響

硅存在于動物及人體多種器官組織中，據(jù)報道，在骨和其他結(jié)締組織中硅的含量最高。硅能夠改善骨基質(zhì)的質(zhì)量，促進(jìn)骨的礦化。增加硅的攝入能夠增加機(jī)體骨密度[7-8]，從而改善骨強(qiáng)度。同時，硅在膠原蛋白和蛋白多糖的交聯(lián)中起重要作用。在動物試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)給予低硅飲食的大鼠的骨密度下降，膠原蛋白合成能力降低，分解增加。給予硅缺乏飲食的大鼠，股骨中鈣含量下降[9]。而在雞的研究中也表明在飼糧中補(bǔ)充硅可增加雞的骨密度和骨強(qiáng)度[10-11]；給年輕賽馬額外補(bǔ)充硅可明顯減少骨損傷[12]，并且發(fā)現(xiàn)給斷奶的馬額外補(bǔ)充硅，可使其第3掌骨骨礦物質(zhì)含量明顯增加[13]。董盟[14]研究表明，硅酸對成骨細(xì)胞Ⅰ型膠原(collagen type-1，COL-1)的合成具有促進(jìn)作用，并能誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的分化，而且硅酸可促進(jìn)COL-1 mRNA的轉(zhuǎn)錄。通過體外試驗(yàn)也進(jìn)一步證實(shí)了硅可以通過誘導(dǎo)COL-1合成并增強(qiáng)成骨細(xì)胞分化，增加骨基質(zhì)的合成，從而促進(jìn)骨的形成[15]。

結(jié)締組織中的硅含量可能隨著動物年齡的增長而降低。在動物生長過程中如果飲食中嚴(yán)重缺硅可引起結(jié)締組織生長異常和缺陷。硅除了影響骨的合成外，還可保持血管結(jié)構(gòu)完整性、彈性、滲透性，能增強(qiáng)血管的彈力纖維強(qiáng)度，防止粥樣硬化斑塊的形成，降低冠心病的發(fā)病率。有研究表明，血管壁中的硅含量與動脈粥樣硬化程度成反比[16]。Vidé等[17]研究表明，富硅螺旋藻(silicon-enriched spirulina，SES)可以減輕高脂飲食引起的倉鼠血管功能障礙，預(yù)防動脈粥樣硬化。Pérez-Granados等[16]研究表明，飲水中添加硅酸鹽能夠降低血漿中的總脂質(zhì)含量；此外，結(jié)締組織中的硅和透明質(zhì)酸含量下降會導(dǎo)致皮膚和頭發(fā)水分含量降低、彈性喪失，皮膚老化，影響頭發(fā)和指甲的外觀。Barel等[18]和Wickett等[19]研究表明，原硅酸能夠刺激膠原蛋白的產(chǎn)生以及結(jié)締組織修復(fù)。

2.2 硅對動物免疫功能的影響

近年來，對硅與動物機(jī)體免疫之間的關(guān)系進(jìn)行了一些研究，發(fā)現(xiàn)硅對機(jī)體免疫功能具有重要作用，硅可以刺激免疫細(xì)胞增殖，調(diào)節(jié)免疫功能。Seaborn等[9]研究表明，在食物中補(bǔ)充精氨酸可顯著降低伴刀豆球蛋白A(concanavalin A，ConA)誘導(dǎo)的脾臟T淋巴細(xì)胞DNA合成，但受飲食中硅的影響，飲食中的硅不足會損害脾淋巴細(xì)胞的免疫應(yīng)答。同時，大量研究表明，二氧化硅影響各種細(xì)胞免疫反應(yīng)，硅能夠激活淋巴細(xì)胞增殖，而硅不足則抑制淋巴細(xì)胞增殖。在對小鼠和大鼠的研究中，Antonini等[20-21]研究顯示，亞慢性和短期接觸二氧化硅晶體可以通過增加大鼠嗜中性粒細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞和自然殺傷(NK)細(xì)胞刺激免疫系統(tǒng)，對呼吸防御機(jī)制產(chǎn)生有益作用；它還能激活吞噬細(xì)胞，產(chǎn)生額外的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，從而有助于肺部感染因子的清除。在大鼠中，結(jié)晶二氧化硅還可以促進(jìn)CD8+T細(xì)胞以及少量CD4+T細(xì)胞的增殖和活化。BarodonW是一種硅酸鈉和某些金屬鹽在堿性溶液中形成的礦物復(fù)合物，其中硅酸鈉占總量的60%。近年來，對BarodonW在動物免疫功能影響方面進(jìn)行了相關(guān)研究，Koo等[22]和Yoo等[23]研究表明，BarodonW對馬、豬具有免疫刺激作用。BarodonW在賽馬中具有非特異性的免疫刺激作用，并且對馬葡萄球菌亞種和金黃色葡萄球菌具有更高的吞噬活性。使用了BarodonW的馬群減少了應(yīng)激誘發(fā)的呼吸道疾病等臨床并發(fā)癥的發(fā)生，BarodonW具有類似于滅活痤瘡丙酸桿菌的免疫細(xì)胞激活作用。同時，BarodonW誘導(dǎo)主要組織相容性復(fù)合體Ⅱ(major histocompatibility complex Ⅱ，MHCⅡ)淋巴細(xì)胞和非T/B(N)細(xì)胞水平的增加，提高植物血凝素(phytohemagglutinin，PHA)、ConA和商陸有絲分裂原的活性。BarodonW還可通過增加抗體滴度和免疫細(xì)胞比例對豬霍亂和胸膜肺炎放線桿菌疫苗免疫發(fā)揮輔助作用。

硅除了可以刺激免疫細(xì)胞增殖，調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能外，還在機(jī)體對抗炎癥過程中發(fā)揮作用。Vidé等[17]在倉鼠高脂飲食中添加SES，與對照組相比，SES可以減少炎癥，降低腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和白細(xì)胞介素-6(interleukine-6，IL-6)含量，降低多形核細(xì)胞數(shù)量和核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)活性。Radovanovic等[24]評估了攝入富硅水對長期暴露于飲食鋁中的大鼠的全身炎癥的影響，結(jié)果表明，長期攝入鋁會引發(fā)全身性和局部性腹膜炎癥反應(yīng)、腹膜巨噬細(xì)胞(peritoneal macrophage，PM)功能障礙，導(dǎo)致體外試驗(yàn)中PM受到脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)刺激時，PM表現(xiàn)出低吞噬活性和低TNF-α分泌，攝入富硅水組大鼠可通過恢復(fù)PM的吞噬作用和細(xì)胞因子的產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)鋁引起的血清白細(xì)胞介素-2(interleukine-2，IL-2)含量的增加，恢復(fù)大鼠PM中白細(xì)胞介素-10(interleukine-10，IL-10)和TNF-α的分泌，減輕慢性炎癥反應(yīng)，降低鋁的免疫毒性。而Oner等[25]的研究表明，偏硅酸鈉具有免疫刺激作用，并可充當(dāng)有效的線粒體激活劑；飼糧中添加偏硅酸鈉，可以通過提高線粒體氧的利用來激活氨的形成。這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步表明硅酸鈉可能具有免疫刺激及抗炎作用。

2.3 硅對動物抗氧化功能的影響

動物體內(nèi)存在著氧化系統(tǒng)與抗氧化系統(tǒng)，在機(jī)體健康情況下，體內(nèi)氧化系統(tǒng)與抗氧化系統(tǒng)處于相對平衡狀態(tài)，共同維持機(jī)體健康，但是在受到外界環(huán)境過冷、過熱、斷奶應(yīng)激等不良影響，導(dǎo)致動物體內(nèi)氧化系統(tǒng)與抗氧化系統(tǒng)失衡時，會產(chǎn)生氧化應(yīng)激。在氧化應(yīng)激狀態(tài)下，大量的自由基在細(xì)胞內(nèi)蓄積，造成生物膜損傷，破壞細(xì)胞完整性，影響免疫功能和酶的活性，導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生，近年來的研究發(fā)現(xiàn)硅具有抗氧化活性。

2.3.1 硅對高脂飲食氧化應(yīng)激保護(hù)機(jī)理

飼喂高飽和脂肪酸/高膽固醇飲食的動物，其中的膽固醇和膽酸鹽可引起機(jī)體脂肪變性、炎癥和氧化應(yīng)激。目前認(rèn)為硅對高脂飲食或高膽固醇引起的氧化應(yīng)激保護(hù)機(jī)制主要有2個方面：一是通過降低血脂，減少脂質(zhì)氧化引起的氧化損傷來達(dá)到抗氧化作用。Garcimartín等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在飼喂高膽固醇重組豬肉(restructured pork，RP)的老年大鼠飲食中添加硅，有助于老年大鼠的極低密度脂蛋白(very low density lipoprotein，VLDL)組成正常化并減少VLDL氧化，降低高膽固醇飲食帶來的負(fù)面影響，表明硅可以降膽固醇和血脂，減少脂質(zhì)氧化。二是通過影響抗氧化酶的活性來達(dá)到抗氧化作用。Vidé等[27]研究表明，給飼喂高脂飲食的倉鼠補(bǔ)充硅，可增強(qiáng)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)的活性。Santos-López等[28]研究表明，在高膽固醇飲食中添加硅，提高了大鼠肝臟的SOD活性，并且增加了肝臟錳超氧化物歧化酶(Mn-SOD)和銅鋅超氧化物歧化酶(CuZn-SOD)表達(dá)量，減少了大鼠肝臟的氧化損傷，其作用效果優(yōu)于強(qiáng)抗氧化劑羥基酪醇。

核轉(zhuǎn)錄因子紅細(xì)胞系相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid-2-related factor 2，Nrf2)抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response element，ARE)信號通路參與調(diào)控多種抗氧化基因的表達(dá)，進(jìn)而平衡機(jī)體內(nèi)氧化還原體系，維持細(xì)胞正常生命活動。Nrf2是細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵成分，參與機(jī)體抗氧化應(yīng)激。Suh等[29]研究表明，在正常情況下，Nrf2通路抗氧化過程的激活與谷胱甘肽(glutathione，GSH)的合成、脂質(zhì)代謝以及炎癥抑制有關(guān)。Yates等[30]研究表明，Nrf2的激活可以抑制參與脂肪酸合成關(guān)鍵酶的表達(dá)，并降低肝臟內(nèi)脂質(zhì)含量；Nrf2通過抑制脂肪生成和促進(jìn)脂肪酸氧化來保護(hù)肝臟免受脂肪變性的影響。Santos-López等[28]研究表明，硅可通過促進(jìn)Nrf2的活化、增加Nrf2的表達(dá)來參與高膽固醇/高脂飲食和衰老引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)，并且Nrf2與SOD、過氧化氫酶(catalase，CAT)之間存在顯著的正相關(guān)。硅還可通過激活的Nrf2激發(fā)Ⅱ相解毒酶的表達(dá)，從而為機(jī)體提供額外的抗氧化保護(hù)作用。Vidé等[17]研究表明，在高脂飲食的倉鼠飼糧中添加SES可以降低倉鼠血脂的產(chǎn)生，還可通過降低其心臟和肝臟的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶活性，并且保持SOD和GPx的活性來防止氧化應(yīng)激，表明SES具有預(yù)防高脂飲食引起的氧化應(yīng)激作用。這些研究結(jié)果均表明，硅通過降低血脂的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)抗氧化酶的表達(dá)來達(dá)到抗氧化應(yīng)激的作用。

2.3.2 硅對ROS氧化應(yīng)激保護(hù)機(jī)理

H2O2:過氧化氫 hydrogen peroxide；ROS：活性氧 reactive oxygen species；Silicon:硅;Fas L:自殺相關(guān)因子配體 factor associated suicide ligand；TRAS-L:腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體tumor necrosis factor-related apoptosis ligand；TNF-αL:腫瘤壞死因子-α配體 tumor necrosis factor-α ligand；Death Receptor:死亡受體；Lipid peroxidation:脂質(zhì)過氧化物;LDH:乳酸脫氫酶lactate dehydrogenase; release:釋放;NECROSIS:壞死;Caspase-8:半胱氨酸蛋白酶-8 cysteine-aspartic acid specific protease-8;Caspase-3:半胱氨酸蛋白酶-3 cysteine-aspartic acid specific protease-3;APOPTOSIS:凋亡。圖1 H2O2誘導(dǎo)細(xì)胞損傷和硅的神經(jīng)保護(hù)機(jī)制Fig.1 Cellular damage induced by H2O2 and neuroprotection mechanism of Si[31]

2.3.3 硅對鋁引起的氧化應(yīng)激保護(hù)機(jī)理

鋁是一種常見的金屬材料，在日常生活中被廣泛使用。鋁除了具有公認(rèn)的生理作用外，還可對動物機(jī)體產(chǎn)生不利影響。鋁具有神經(jīng)毒性，在大腦累積可引發(fā)大腦的氧化損傷，鋁可通過血腦屏障，與帕金森氏病、阿爾茨海默氏病的形成有關(guān)[33]。鋁在機(jī)體其他器官組織積累，也會導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，DNA損傷引發(fā)氧化應(yīng)激和炎癥[24]。目前認(rèn)為硅主要通過調(diào)節(jié)與鋁相關(guān)的抗氧化酶的活性、減少消化道對鋁的吸收、促進(jìn)鋁的排泄來減輕鋁的毒性。Kobayashi等[34]發(fā)現(xiàn)，在6-羥基多巴胺誘發(fā)的半帕金森氏病小鼠模型中，使用硅基藥物進(jìn)行治療可減輕小鼠的多巴胺能神經(jīng)元變性，并防止運(yùn)動平衡和協(xié)調(diào)能力受損。Gonzalez-Muoz等[35]研究表明，硅酸可誘導(dǎo)與鋁相關(guān)的內(nèi)源性抗氧化酶的表達(dá)下調(diào)并使TNF-αmRNA表達(dá)正?；９柽€可以降低鋁的生物利用度，從而減少鋁的神經(jīng)毒性。人和小鼠食用適量的啤酒和原硅酸，可以減少消化道對鋁的吸收，并減少鋁在大腦中的積累[35-36]。Davenward等[37]研究表明，飲用富含硅的礦泉水，可以通過促進(jìn)尿液鋁的排泄來減輕阿爾茨海默氏癥患者身體的鋁負(fù)擔(dān)。Noremberg等[33]研究發(fā)現(xiàn)，通過腹膜內(nèi)施用與胃腸內(nèi)營養(yǎng)相似濃度的硅，可以減少長期暴露于鋁引起的大鼠腦中與氧化應(yīng)激有關(guān)的脂質(zhì)過氧化物(lipid peroxidation，LPO)含量的升高帶來的有害作用；同時，硅還可降低硫代巴比妥酸反應(yīng)物質(zhì)(thiobarbituric acid reactive substances，TBARS)含量，表明硅對鋁誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激引起的細(xì)胞損傷具有保護(hù)作用。

3 動物對硅的吸收與代謝

3.1 硅的吸收

盡管外界環(huán)境和食物中存在大量的硅，但是多數(shù)含硅復(fù)合物不易溶于水，生物利用度低。過去認(rèn)為人類對硅的需求量為5～25 mg/d；有文獻(xiàn)報道，在美國硅攝入量為每天20～50 mg/d，在芬蘭每日平均攝入硅29 mg/d，英國則是20～50 mg/d[38]。但是，對動物目前尚無確切的每日硅建議需要量。

3.2 硅的代謝

從飲食中攝入的硅可被吸收并進(jìn)入血液，硅吸收進(jìn)入血液后，會迅速轉(zhuǎn)移到組織和細(xì)胞中，參與代謝或被機(jī)體儲存[39]。血液中的硅濃度保持相對恒定，在10～50 μmol/L[40]。在血液之外，原硅酸主要與糖胺聚糖結(jié)合，在主動脈、氣管、肌腱、骨骼和皮膚中含量特別豐富，但是在肝臟、腎臟等器官含量較低。從飲食中攝取的硅除了部分被機(jī)體吸收外，可經(jīng)糞便和尿液排泄，硅的尿排泄量隨硅攝入量的增加而增加，但達(dá)到最大值后將不隨硅攝入量的增加而增加[2]。Pruksa等[41]研究表明，被吸收的硅在24 h后大約96.3%隨糞便和尿液排出，其中約有57%經(jīng)尿液排出，約39.3%經(jīng)糞便排出。Marcowycz等[42]研究表明，與對照組相比，健康受試者攝入原硅酸-香蘭素(orthosilicic acid-vanillin，OSA-VC)后，6 h內(nèi)尿硅排泄量顯著增加，并且攝入的硅大約有21%從尿液中排出。

硅的運(yùn)輸由硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(silicon transporter，SIT)介導(dǎo)，包含硅攝入蛋白和硅外排蛋白。硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白最早是在硅藻中被發(fā)現(xiàn)，其存在于多種硅藻、鞭毛藻中，后來在植物中也發(fā)現(xiàn)了硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它們屬于水通道蛋白，分別為負(fù)責(zé)將硅轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)的攝入蛋白(如Lsi1、Lsi6)和將硅轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外的外排蛋白(如Lsi2)[43]。但是，目前對于脊椎動物的硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白研究較少。Alexandre[40]首次發(fā)現(xiàn)了人類的甘油水通道蛋白(aquaglycer-oporins，AQP)家族的AQP3、AQP7、AQP9和AQP10，可以在非洲爪蟾卵母細(xì)胞和HEK-293細(xì)胞中充當(dāng)硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，將硅轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)。而Ratcliffe等[43]發(fā)現(xiàn)了動物的硅外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Slc34a2(也稱為NaPiⅡb)是一種磷酸鈉共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，該蛋白在慢性硅缺乏飲食的大鼠腎臟中表達(dá)上調(diào)。當(dāng)該蛋白在非洲爪蟾卵母細(xì)胞中異源表達(dá)時，硅的外排活性被誘導(dǎo)，其表達(dá)量與植物硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Lsi2相似。硅外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Slc34a2與植物、硅藻中的硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因序列沒有相似性，但卻與植物硅外排蛋白有很高的結(jié)構(gòu)相似性。Carpentier等[44]則首次對哺乳動物AQP選擇性硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相關(guān)殘基的結(jié)構(gòu)-功能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，AQP1的XX/R過濾器由殘基F56-H180組成，而AQP10中的XX/R過濾器由殘基G62-G202組成，當(dāng)將AQP1通過FH→GG進(jìn)行置換突變時，硅運(yùn)輸能力增強(qiáng)，而當(dāng)將AQP10進(jìn)行GG→FH置換突變時，則失去了硅的運(yùn)輸能力。

4 小 結(jié)

綜上所述，硅具有促進(jìn)動物骨骼生長發(fā)育、維持皮膚與頭發(fā)彈性，影響心血管健康、傷口愈合，參與免疫調(diào)節(jié)和抗氧化等多種生物學(xué)作用。目前對硅在動物免疫調(diào)節(jié)和抗氧化應(yīng)激作用機(jī)制方面的研究還存在一些不足，硅對機(jī)體免疫功能調(diào)控和抗氧化相關(guān)分子機(jī)理研究相對較少；此外，對硅在動物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)及調(diào)控方面研究不多，除了已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的2種硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，是否還存在其他的硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白還不是很清楚，這些方面都有待進(jìn)一步研究，為實(shí)際應(yīng)用硅營養(yǎng)促進(jìn)動物健康生長提供理論依據(jù)。