鉻對動物生產(chǎn)性能和肉品質(zhì)影響的研究進展

余涵婧,瞿明仁,陳傳斌,王 隆,毛 康,許蘭嬌*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學 江西省動物營養(yǎng)重點實驗室/營養(yǎng)飼料開發(fā)工程研究中心 江西 南昌 330045;2.安佑生物科技集團股份有限公司 江蘇 太倉 215400 )

我國經(jīng)濟快速發(fā)展帶來居民生活水平的提高，人們所攝取的肉制品總量增多，種類多樣性增加，比例也發(fā)生了變化[1]。報道指出，2017年中國人均肉類消費為50.3 kg，其中66%為豬肉，21%為禽類，8%為牛肉，5%為羊肉；而1980年城鄉(xiāng)居民人均肉類消費量僅為12.7 kg，其中豬肉占87.6%，禽類占6%，牛羊肉僅占6.4%[2-3]。因肉制品需求量的提高以及牛羊肉比例的增加，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2017年提出要“穩(wěn)生豬、促牛羊、興奶業(yè)”的重要戰(zhàn)略。但中國飼料原料產(chǎn)量有限，原料進口依賴度高，如何通過營養(yǎng)手段提高飼料利用率、降低料重比和提高肉品質(zhì)成為當今科研工作者的研究熱點之一。

據(jù)報道，鉻元素可與不同配體形成復合物，如酵母鉻、吡啶甲酸鉻、蛋氨酸鉻等，在動物試驗和生產(chǎn)實踐中具有顯著提高采食量、生長速度和瘦肉率以及降低料重比等方面的作用[4-6]。鉻在代謝中的主要作用是通過一種叫做葡萄糖耐量因子(GTF)的金屬有機分子[7]增強胰島素的作用。它可作用于胰島素受體(insulin receptor,IR)上的酪氨酸激酶而提高胰島素敏感性，進一步使胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)磷酸化?；罨蟮氖荏w底物可分別通過MAPK、PI3K和AKT通路影響核內(nèi)基因表達和細胞膜上葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白-4(GLUT-4)的異位。目前，鉻制劑對非反芻動物影響的研究和應(yīng)用比較廣泛，反芻動物上的研究更多地聚焦在生產(chǎn)性能方面，而其對肉質(zhì)影響的研究還不夠深入，尤其在肌內(nèi)脂肪的沉積方面[8]。鉻元素在動物各個生產(chǎn)階段的添加量不同，并且NRC也沒有將鉻元素列入到必需微量礦物元素推薦量中?，F(xiàn)對近些年關(guān)于鉻在動物生產(chǎn)性能和胴體品質(zhì)方面及其可能的作用機制的研究進行綜述，以期對后續(xù)在畜禽上開展試驗研究和實際應(yīng)用具有指導意義。

1 鉻制劑對動物生長性能和肉品質(zhì)的影響

美國RAD于1980年建議人的鉻元素安全攝入量為0.05～0.20 mg/d，而沒有對畜禽推薦鉻的適宜用量。一般情況下，畜禽飼糧中的鉻可以滿足其正常需要。但研究表明，在飼糧中添加鉻復合物具有緩解動物應(yīng)激反應(yīng)、提高機體免疫力、改善生長性能、降低脂肪沉積、增加不飽和脂肪酸含量和改善肉品質(zhì)等作用。直到1996年，美國食品與藥品監(jiān)督管理局(FDA)首次批準可在豬全價料中添加不超過0.2 mg/kg 的Cr3+。我國及NRC建議在豬、禽日糧中添加適量的鉻，但并沒有給出各個階段明確的推薦用量。相對于豬、禽等非反芻動物，鉻反芻動物上的研究及適宜添加量目前還在探索之中。

1.1 鉻制劑對豬生長性能和肉品質(zhì)的影響AMOIKON等[9]于1995年在大白、漢普夏和杜洛克三元雜交生長豬(初始體質(zhì)量21.3 kg，飼喂21 d)日糧中添加200 μg/kg的鉻(吡啶甲酸鉻形式)所做的試驗發(fā)現(xiàn)，在此生長階段添加鉻制劑對日增重、日采食量和料肉比等沒有顯著影響。這與WENK等[10]在生長育肥豬上的研究結(jié)果相似；日糧中添加不同形式(CrPic、CrCl3以及酵母鉻)的鉻，質(zhì)量濃度為500 μg/kg，沒有顯著影響27.6～60.0 kg生長階段豬的生長性能，但在60.0～106.5 kg育肥階段，顯著提高了豬的日增重、日采食量，顯著降低了料肉比。該育肥階段的結(jié)果與LI等[11]于2017年在初始體質(zhì)量76.7 kg、飼喂60 d的杜長大育肥豬的試驗結(jié)果相同，但其吡啶甲酸鉻和酵母鉻用量僅為200 μg/kg。分析認為，這可能是由于豬本身的生長發(fā)育過程所決定的，在體質(zhì)量低于80 kg時，豬以肌肉沉積為主，鉻的添加與否并不能明顯的影響該生長過程；而高于80 kg之后，豬的生長速度減慢，能量堆積造成脂肪沉積速率大于肌肉，鉻的降脂增肌作用就會顯現(xiàn)出來。目前，鉻制劑的不同形態(tài)對生長育肥豬生產(chǎn)性能的研究仍是熱點之一[5,12-13]。有研究表明，添加200 μg/kg鉻會增加母豬分娩率，提高二胎母豬產(chǎn)仔數(shù)和成活率[14]。添加200 μg/kg煙酸鉻和酵母鉻可提高仔豬初生質(zhì)量，降低哺乳期仔豬發(fā)病率和病死率[15]。

據(jù)報道，相對于添加400 μg/kg的鉻，添加200 μg/kg鉻可顯著增加育肥后期總肌肉色素水平、眼肌面積和脂肪瘦肉比率顯著降低骨骼肌膽固醇水平，說明添加200 μg/kg的鉻可提高蛋白合成率，改善胴體品質(zhì)[12]。胴體品質(zhì)的改善很大程度上得益于較高的肌內(nèi)脂肪含量，即大理石紋路的豐富度。對背最長肌成分分析結(jié)果顯示，不論是添加CrCl3還是CrPic都會增加肌肉中的脂肪含量[11]。BOLEMAN等[16]也報道，添加200 μg/kg CrPic會增加胴體肌肉含量，但同時也會增加肌內(nèi)脂肪含量，大理石紋評分更高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能的機理是鉻可激活胰島素受體，使胰島素敏感性增加，葡萄糖進入脂肪細胞增多促進脂肪合成，減少脂肪的動員和脂肪酸的釋放[17]。

1.2 鉻制劑對家禽生長性能和肉品質(zhì)的影響有研究表明，日糧中鉻的增加使胰島素血漿濃度線性增加，表明鉻在增強胰島素作為胰島素輔助因子的生理作用[18]。SAHIN等[19]認為，添加吡啶甲酸鉻能提高熱應(yīng)激肉仔雞的體質(zhì)量、飼料效率和胴體品質(zhì)。HUANG等[20]研究表明，添加丙酸鉻、吡啶磷酸鉻和氯化鉻的肉雞日增重均高于對照組。飼喂2.0 mg/kg 鉻飼料的肉雞比飼喂0.4 mg/kg飼料的肉雞具有更高的ADG。添加鉻組與對照組相比，腹部脂肪百分比降低，而胸部肌肉脂肪(IMF)未受影響。添加鉻的肉仔雞胸肌肉色b*值降低。喂食CrPro的肉雞的b*值也低于喂食CrCl3或CrPic的肉雞。GHAZI等[21]通過研究基礎(chǔ)日糧中的鉻質(zhì)量濃度以及BAHRAMI等[22]分析鉻超過3.0 mg/kg的日糧對家禽生長性能的影響，結(jié)果表明生長性能的改善可能是由于基礎(chǔ)日糧中的高鉻質(zhì)量濃度所致。RAMA等[23]研究表明，當用有機鉻為400 μg/kg的飼料喂養(yǎng)時，鉻對熱應(yīng)激條件下飼養(yǎng)的家禽是有效的，而對熱中性區(qū)飼養(yǎng)的家禽是無效的。然而，SANDS等[24]報道，無論環(huán)境溫度如何，飼喂添加有機鉻飼料在雞日增重和飼料效率方面都有顯著改善。 MOEINI等[25]研究結(jié)果表明，在熱應(yīng)激條件下，日糧添加有機鉻(1 200 mg/L -Cr-Met)對血液指標和肉雞生產(chǎn)性能有一定的積極影響。這可能是因為飼養(yǎng)環(huán)境不同，鉻有緩解熱應(yīng)激的作用。在熱應(yīng)激條件下，日糧添加任何形式的鉻對肉雞的日增重和飼料轉(zhuǎn)化率等方面有顯著的改善；在普通適宜溫度飼養(yǎng)條件下，日糧添加任何形式的鉻對肉雞日增重都無明顯影響。

1.3 鉻制劑對牛羊生長性能和肉品質(zhì)的影響在無應(yīng)激狀態(tài)下，在體質(zhì)量為(253±4)kg的肉牛飼料中添加100，200，400 μg/kg干物質(zhì)的酵母鉻，對肉牛采食量、增加體質(zhì)量以及葡萄糖清除速率沒有顯著影響。但在392.8 kg肉牛飼料中添加800 μg/kg精飼料的煙酸鉻可顯著增加其體質(zhì)量[26]。這可能是由于在肉牛育肥前期，生長速度較快，吸收的營養(yǎng)物質(zhì)主要用來合成蛋白和維持器官、骨骼等生長發(fā)育，而到了育肥中后期，更多的營養(yǎng)物質(zhì)則用來合成脂肪并蓄積。鉻可通過提高肉牛育肥后期的高密度脂蛋白水平，降低低密度脂蛋白水平來降低外周脂肪的沉積[27]。SUNG等[28]的研究結(jié)果顯示，日糧添加蛋氨酸鉻會顯著提高牛胴體品質(zhì)，增加肌內(nèi)脂肪的含量而提高大理石紋評分。在羊的育肥后期，鉻的添加并沒有提高其生產(chǎn)性能，但會增加肌肉含量并降低腎周脂肪含量；肌肉含量的增加則會導致剪切力升高[29]。在經(jīng)受應(yīng)激的育肥后期羊的飼料中添加不同劑量的鉻，則會有效減輕應(yīng)激帶來的負面效果而顯著提高其生產(chǎn)性能，尤其是在300 μg/kg的飼糧添加量組[30]。在夏季熱應(yīng)激條件下，奶牛的采食量隨著鉻添加量的升高而增加，乳中脂肪、蛋白和固形物以及所含能量在鉻添加量為0.05 mg/kg BW0.75(代謝體質(zhì)量)時最高，同時血液中胰島素、NEFA的水平顯著降低，這也與鉻會增加胰島素敏感性的機理相符合[31]。有研究認為，是由于鉻會促進淋巴細胞和外周中性粒細胞的分裂增殖，從而提高機體健康度和強化乳房功能[32-33]。

據(jù)報道，熱應(yīng)激與飼料攝入量、生長速率和免疫力降低以及血液成分和生物途徑變化有關(guān)，會導致畜禽生產(chǎn)力受損[34]。另據(jù)報道，熱負荷會導致飼料攝入量和生長性能下降，并表明熱負荷反過來會導致組織合成的能量消耗減少[35-38]。然而有研究顯示，補充鉻可以增加熱應(yīng)激動物的采食量，從而提高生長性能[39]。同樣，與對照組(分別為21.24，19.56 kg/d)相比，鉻酵母增加了熱應(yīng)激泌乳奶牛的采食量[40]。

牛羊是反芻動物，瘤胃中存在大量的微生物(如細菌、真菌和原蟲等)，營養(yǎng)物質(zhì)攝入后首先在瘤胃中發(fā)酵，產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸以及合成微生物蛋白。脂肪攝入后，絕大多數(shù)不飽和脂肪酸被氫化成為飽和脂肪酸而蓄積與體內(nèi)。目前，更多的研究僅僅聚焦在鉻制劑對生產(chǎn)性能和肉品質(zhì)方面，而很少關(guān)注鉻制劑對瘤胃發(fā)酵性能的影響以及微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)的變化，還有脂肪酸組成的改變[41]。

2 鉻元素生物學功能的分子機制

鉻元素以Cr2+、Cr3+和Cr6+的形式存在于自然界中，Cr2+因還原性最強，幾乎在體內(nèi)很難檢測到，其通常都是被氧化為Cr3+存在于機體內(nèi)。Cr3+在機體內(nèi)是最穩(wěn)定的存在形式，與Cr6+不同的是其不能穿過細胞膜。從1798年鉻元素被發(fā)現(xiàn)[42]，到之后的很長一段時間內(nèi)，其都被視為是癌癥發(fā)生的誘因之一[43]。直到1959年，SCHWARZ等[44]發(fā)現(xiàn)鉻元素是大鼠體內(nèi)必需的一種微量礦物元素，是構(gòu)成和維持葡萄糖耐受因子(glucose tolerance factor,GTF)活性所必需的。1977年，JEEJEEBHOY等[45]發(fā)現(xiàn)其缺乏會導致人體葡萄糖不耐受和神經(jīng)病變，胰島素敏感性降低，人們才逐漸意識到鉻元素對維持機體正常代謝和穩(wěn)態(tài)的重要性。2.1 GLUT-4通路 GTF由Cr3+和煙酸、甘氨酸、谷氨酸以及半胱氨酸組成，其最早在1977年由TOEPFER等[46]提純并分析得出。在對啤酒酵母培養(yǎng)物進行分析提純時，同樣也發(fā)現(xiàn)了活性很高的Cr3+，并且Cr3+和上述有機物形成的復合物與從酵母培養(yǎng)物中提取出來的GTF有相同的生物學活性，這說明Cr3+是GTF發(fā)揮生物學功能所必需的[47-48]。人體缺乏鉻元素會導致葡萄糖不耐受和胰島素敏感性降低，造成機體血糖水平升高，胰島素、膽固醇以及甘油三酯水平增加，以及高密度脂蛋白含量降低等癥狀[49]，說明鉻元素在胰島素作用過程中有顯著的協(xié)同作用。在健康和罹患糖尿病大鼠上的研究顯示，腹腔注射GTF會分別降低禁食狀態(tài)下血漿葡萄糖38%和14%～29%，同時會分別降低血漿甘油三酯和膽固醇水平47%和35%；并且GTF配合胰島素治療時降血糖和降血脂效果更加顯著，降幅達到39%～51%，甘油三酯降低達76%[50]。關(guān)于這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，有研究報道指出GTF質(zhì)量濃度與胰島素質(zhì)量濃度分別為20 g/L和233 nmol/L時，均會最大化地增加2-脫氧葡萄糖(2-deoxyglucose，2-DG)向3T3-L1細胞的運輸，在質(zhì)量濃度為50 g/L時會最大化地增加2-DG向L6肌管細胞的運輸，而且GTF與胰島素同時添加會顯著提高3T3-L1脂肪細胞和L6肌管細胞對2-DG的敏感性并顯著減弱脂質(zhì)分解[51]。CHEN等[52]在3T3-L1細胞上的研究顯示，在培養(yǎng)液中加入CrCl3或CrPic后，其細胞內(nèi)膜上的GLUT-4積聚，并重新分布到細胞質(zhì)膜，在胰島素存在條件下，增強了葡萄糖向3T3-L1細胞內(nèi)的運輸。這種葡萄糖攝取增多的現(xiàn)象同樣也會發(fā)生在骨骼肌細胞中[53-54]。同時，鉻會使細胞質(zhì)膜上的膽固醇減少，增加了細胞質(zhì)膜的流動性，協(xié)同強化GLUT-4的重新分布并進而顯著增強3T3-L1細胞對葡萄糖的攝取。此項研究也暗示了鉻通過作用于GLUT-4使得脂肪細胞3T3-L1中脂質(zhì)合成增加[52]。

有報道顯示，給高效表達胰島素受體的中國倉鼠卵巢細胞(CHO-IR)添加不同的含鉻復合物(如氯化鉻、吡啶甲酸鉻、組氨酸鉻等)，可使胰島素依賴性地增強完整細胞中IR的酪氨酸磷酸化，而不是直接激活重組胰島素受體激酶。鉻可通過抑制完整細胞上對立蛋白酪氨酸磷酸酶(opposing protein tyrosine phosphatase，PTP1B)來增加IR磷酸化水平，說明鉻元素首先必需激活細胞膜上的胰島素受體激酶，才能進一步促進IR酪氨酸磷酸化[55]。相似的研究結(jié)果顯示，鉻元素可增強胰島素治療下細胞表面GLUT-4和PI3K的活性，以及Akt的磷酸化，進一步提高IR的磷酸化水平，提高胰島素敏感性[56]。動物長期攝入高淀粉或高糖的食物后，極易造成血糖含量升高和脂質(zhì)合成增加。在脂質(zhì)合成過程中，會產(chǎn)生大量的促炎癥因子和氧化產(chǎn)物，需要額外補充維生素E等抗氧化物質(zhì)來增強機體細胞的抗氧化能力，防止造成氧化損傷[57-59]。TNF-α被證明是降低胰島素敏感性和抑制胰島素生物學功能的重要細胞因子[60-62]。U937細胞培養(yǎng)試驗結(jié)果顯示，高糖培養(yǎng)液中的U937細胞會產(chǎn)生大量的TNF-α和氧化應(yīng)激，而在其中加入不同濃度梯度的CrCl3溶液后，均可有效抑制TNF-α的產(chǎn)生和降低氧化應(yīng)激[63]。但另有研究報道，成肌細胞培養(yǎng)中加入鉻制劑和胰島素，會增加活性氧(ROS)的產(chǎn)生，伴隨葡萄糖攝取的增加；當加入抗氧化劑后，由于ROS被清除，葡萄糖攝取減少[64]。 ROS是胰島素信號途徑的組成部分，鉻對胰島素敏感性的促進與否取決于細胞的抗氧化狀態(tài)，該研究顯示，鉻會增加細胞膜上磷酸酶的活性而會抑制胰島素信號途徑[64]。

鉻元素的作用機制尚待完善，目前的研究熱點聚焦在2個方面：一是鉻元素在細胞表面作用位點的發(fā)掘，具體的說是對GLUT-4通路的影響；二是鉻元素對胰島素信號通路中蛋白的作用。隨著研究的深入和科研技術(shù)手段的創(chuàng)新，對于鉻元素的作用機制的闡釋會愈來愈完善。

3 小結(jié)

日糧中添加鉻制劑提高動物生產(chǎn)性能，改善肉產(chǎn)品品質(zhì)等方面作用，適合在我國養(yǎng)殖業(yè)開發(fā)應(yīng)用，可滿足當前人們對肉品質(zhì)的高要求。在當前飼料資源相對缺乏的條件下，集約化養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，動物應(yīng)激現(xiàn)象普遍存在，故動物低鉻缺鉻現(xiàn)象十分普遍。合理利用鉻制劑來抗應(yīng)激、優(yōu)化生產(chǎn)性能、提高飼料利用率及肉產(chǎn)品品質(zhì)，其作用機制可能與胰島素信號等通路的激活密切相關(guān)。而對反芻動物飼糧鉻的適宜添加量和肉品質(zhì)方面的研究較少，如鉻對肌內(nèi)脂肪含量及脂肪酸的組成等方面研究鮮見報道。另外，瘤胃是反芻動物最大的消化器官，鉻制劑對瘤胃微生物的影響以及作用機制是今后的研究方向之一。