微量矿物元素(简称“微量元素”)主要包括铁、铜、锰、锌等金属元素及硒、碘、氟等非金属元素,在机体发育、生长和代谢中发挥重要作用,是多种代谢过程中酶的关键辅酶因子,对生物体的健康至关重要。在生猪养殖中,微量元素的缺乏会威胁猪只的健康和生产效率[1]。为了防止新生仔猪出现缺铁性贫血、母猪繁殖能力下降等问题,通常会在饲粮中添加铁、锌和锰等元素。无机微量元素具有来源广泛和使用成本低等特点,常被用作饲料添加剂。然而,由于其吸收利用率低,在养殖生产中往往会在饲粮中添加高于畜禽实际需要量的微量元素[2-3]。微量元素过载也会给动物机体带来负面影响,如降低肝脏的抗氧化能力[4]、引起肠道屏障功能障碍[5]、提高仔猪腹泻率并降低机体免疫力[6]等,且未被吸收的部分会随粪便及尿液排泄到体外进入土壤等环境中,危害生态环境和食品安全[7]。为了更准确地满足动物机体对微量元素的需求,并平衡微量元素的添加量与吸收率之间的关系,有机微量元素因其应用效果好正在逐渐替代传统的无机微量元素[8]。本文将对有机微量元素的定义与分类、吸收机制及在猪生产中的研究和应用进展进行综述,重点介绍有机铁、有机铜、有机锰和有机锌,为其今后在生猪养殖中的推广和高效应用提供参考。
1 有机微量元素的定义与分类
有机微量元素是一类新型的微量元素饲料添加剂,属于第三代微量元素添加剂,其研究可以追溯到20世纪60年代[9],直至2001年,美国饲料管制协会(Association of American Feed Control Officials,AAFCO)对有机微量元素进行了定义并做了相应的分类。有机微量元素是指金属元素与有机配合体通过共价键或离子键结合形成的简单络合物或螯合物,包括金属氨基酸络合物、金属特定氨基酸络合物、金属氨基酸螯合物、金属多糖络合物和金属蛋白盐。目前,应用较多的有机微量元素为以甘氨酸及蛋氨酸为代表的金属氨基酸络合物或螯合物系列。
近些年来,随着化学工业科技的发展和生产工艺的创新,一些新型的有机微量元素饲料添加剂逐渐被研发并进入市场,也称其为第四代微量元素饲料添加剂,主要有酵母微量元素和小肽螯合微量元素[10]。
2 有机微量元素的吸收机制
完整吸收假说是指金属氨基酸络合物或螯合物及其蛋白盐在肠道内以氨基酸或者小肽的形式被吸收。此前,有研究表明,有机微量元素能够以完整的形式被吸收[13]。Gao等[14]利用Caco-2细胞模型评估了氨基酸铜的吸收机制,其铜离子的表观渗透率比硫酸铜形式的至少高7.6倍,通过抑制介导铜离子吸收的铜离子转运蛋白(copper transporter 1,CTR1),发现CTR1不是主要参与者,说明氨基酸铜是以氨基酸的吸收途径进入体内,并且氨基酸铜的转运效率增强是通过氨基酸转运蛋白介导的。此外,有研究表明,甘氨酸或小肽通过内吞作用将铜带入细胞,补充蛋白铜或甘氨酸铜显著上调育肥猪空肠中寡肽转运体1(oligopeptide transporter 1,PepT1)和丙氨酸-丝氨酸-半胱氨酸转运蛋白2(alanine-serine-cysteine transporter 2,ASCT2)表达,但还需要进一步研究以确定PepT1和ASCT2是否与有机铜转运蛋白存在联系[15]。无机铁在肠道中通过二价金属离子转运蛋白1(divalent metal transporter 1,DMT1)吸收转运。Fang等[16]研究发现,在缺铁仔猪饲粮中添加120 mg/kg硫酸亚铁或甘氨酸亚铁,饲喂甘氨酸亚铁显著提高仔猪十二指肠和空肠中PepT1的表达水平并显著降低DMT1的表达水平,表明2种铁源存在不同的吸收途径和机制,PepT1可能是介导甘氨酸亚铁吸收和转运的特殊的非血红素铁受体。除有机铜和有机铁外,也有研究表明,PepT1参与有机锌在肠道中的吸收[17]。
竞争吸收假说是指配位体对金属离子具有保护作用,能够避免低pH的胃肠道环境及饲粮中其他原料的干扰,使其到达肠道吸收部位后发生水解,以离子的形式被肠道细胞吸收利用。有研究表明,有机微量元素与无机微量元素被吸收的形式很可能是相同的,有机微量元素的配体在金属离子被吸收前发生分离[18]。Zhuo等[19]对灌胃硫酸亚铁和甘氨酸亚铁的SD大鼠肠道黏膜进行转录组测序,发现肠道转运蛋白基因表达不存在显著差异,表明二者具有相同的吸收机制。Yu等[20]进一步对敲除DMT1的Caco-2细胞进行了相同浓度的硫酸亚铁和甘氨酸亚铁处理,结果发现,敲除DMT1以及不同铁源处理均不会改变PepT1的表达,这表明甘氨酸亚铁中的铁可能和硫酸亚铁一样,通过DMT1转运进入肠细胞。
目前,关于有机微量元素吸收机制的研究结果存在一定的多样性,这与有机微量元素来源、测定方法和分析手段等因素紧密相关。随着研究的不断深入,已经发展出多种研究方法和技术探究营养素在生物体内的吸收和转运等动态过程。因此,有机微量元素的吸收机制仍需进一步研究,以明确其吸收途径和转运蛋白。
3 有机微量元素在猪生产中的应用
与无机微量元素相比,有机微量元素具有吸收利用率高、生物学效价高、毒性低以及环保等特点。在养猪业中,有机微量元素的应用较为广泛,并表现出良好的效果。
3.1 提高生长性能
在饲粮中添加有机微量元素有利于降低腹泻率,改善肠道菌群,增加饲粮向体重的转化,进而提高猪的生长性能。在21日龄断奶仔猪饲粮中添加50%和100%微量元素需求的无机微量元素和蛋白质螯合微量元素(铁、铜、锰、锌),结果表明,2种来源的微量元素均显著提高其生长性能,且不同来源之间没有显著差异[12]。Chen等[21]研究发现,羟基蛋氨酸螯合微量元素(铜、铁、锰、锌)替代20%和40%无机微量元素均显著提高生长育肥猪的平均日增重(ADG)。除复合有机微量元素外,单一种类有机微量元素的应用也表现出良好的促生长作用。在饲粮中添加20~80 mg/kg氨基酸锌可以改善断奶仔猪的生长性能,同时断奶仔猪可以耐受饲粮中添加800 mg/kg氨基酸锌,对机体健康不会有负面影响[22]。Gonzalez-Esquerra等[23]研究表明,与饲喂160 mg/kg硫酸铜相比,饲粮中添加50~150 mg/kg蛋氨酸羟基类似物螯合铜显著提高仔猪的饲料转化率,这可能与血清中生长素释放肽和生长激素表达水平的提高有关。由于配体和生产工艺等的不同,不同来源的有机微量元素在应用效果上也存在差异。Diao等[24]在断奶仔猪饲粮中分别添加100 mg/kg硫酸锌、甘氨酸锌和乳酸锌,发现2种有机锌源都能改善断奶仔猪的生长性能和肠道屏障功能,而乳酸锌可以显著降低腹泻率,比甘氨酸锌具有更好的效果。目前,关于有机锰在猪上的应用研究有限,魏茂莲等[25]研究发现,饲粮中的锰源和添加水平对断奶仔猪的生长性能没有影响,在肉鸡上也有类似的结果[26],这说明生长性能可能不是评价不同锰源生物利用度的适当标准。
Meta分析能够基于已有文献的研究数据进行二次整合,通过大数据视角得到定量的研究结论。2项关于有机铁和有机锌的Meta分析均表明,相较于无机铁/锌,在饲粮中添加相同剂量的有机铁/锌显著改善断奶仔猪的生长性能,提高ADG和平均日采食量(ADFI),降低料重比[27-28]。然而,也有研究表明,不同来源的微量元素之间没有显著差异。Zhang等[29]研究发现,微量元素(铁、铜、锰、锌、硒)的来源对断奶仔猪的ADG和ADFI没有显著影响。类似地,在育肥猪饲粮中添加相同剂量的硫酸铜或者硫酸铜与氨基酸铜(1∶1)复合物,未观察到ADG的差异[30]。这些研究结果的差异性可能与有机微量元素产品来源、试验设计、试验环境以及猪的生长阶段等因素有关。值得注意的是,有机微量元素的添加需在适宜水平内,以避免造成资源浪费和环境污染。Jiao等[31]报道,在生长猪饲粮中添加0.2%天冬氨酸锌螯合物在改善生长性能方面比添加0.3%更具有积极作用。
3.2 促进元素吸收利用
有机微量元素有利于提高机体对微量元素的吸收利用,降低粪便中的微量元素含量,从而降低污染环境和食品中重金属蓄积的风险。血液和组织中的微量元素含量可以用于指示机体的微量元素状态、吸收和利用效果。一项研究表明,在仔猪饲粮中添加4周的有机微量元素(铁、铜、锰、锌、硒)显著提高血清中铁、铜、锰的含量,提高铁在肝脏及锌和锰在骨骼中的累积,并显著降低粪便和尿液中微量元素含量[32]。Liu等[18]研究发现,与硫酸盐形式的无机微量元素相比,甘氨酸螯合铁和2-羟基-4-(甲硫基)丁酸螯合锌/铜/锰具有更高的吸收率和保留率,能够减少粪便中金属元素和磷的排泄量,同时吸收率的提高也会伴随着生长性能的提高。肠道对微量元素的吸收受到多种因素的影响,包括发育阶段、微量元素之间的相互作用以及饮食成分等。有机微量元素可以化合物的形式被吸收,并在刷状缘水解,从而减轻拮抗作用,有助于改善矿物质的吸收[15]。此外,与无机形式(硫酸盐、氯化物和氧化物等)相比,有机微量元素在胃肠道中更为稳定,可以最大限度地减少与肠道中的食糜成分形成不溶性复合物,通过肠黏膜吸收,并循环到靶组织。Sun等[33]研究表明,在断奶仔猪饲粮中添加75~100 mg/kg小肽螯合铁(small peptide chelated iron,SPCI)显著提高了血清中的铁含量和肝脏、肾脏等组织中铁的沉积,降低了十二指肠黏膜中DMT1的表达,说明SPCI可以促进胃肠道对铁的吸收。此外,也有研究表明,添加相同剂量的酵母铁比无机铁更能有效提高断奶仔猪血清中的铁含量,这与酵母铁更容易在体内转化和吸收并沉积到组织中有关[34]。Liu等[35]研究发现,与硫酸锌相比,在饲粮中添加蛋氨酸锌(150 mg/kg锌),显著提高了锌的表观消化率和组织中的锌含量。Schlegel等[36]使用锌标记的大鼠模型研究发现,在膳食中存在植酸盐的情况下,甘氨酸锌的生物利用度明显高于硫酸锌,提高了16%。此外,与硫酸亚铁相比,甘氨酸亚铁螯合物也显示出更高的生物利用度,其铁的吸收率在人类和大鼠中是硫酸亚铁的2倍[37]。在后备母猪饲粮中添加20~60 mg/kg氨基酸锰会增加功能性黄体中锰的积累[38]。甘氨酸形式微量元素具有很好的促进消化吸收的作用,这是因为甘氨酸是所有必需氨基酸中分子质量最小的,有助于金属离子甘氨酸螯合物结构的稳定性,减少胃肠道中其他抑制剂的干扰,且同时供给微量元素和氨基酸[39-40]。然而,也有研究表明,在低pH下,羟基丁酸螯合物的稳定性优于相应的氨基酸螯合物[41]。因此,开展基于体外和体内的不同配体有机微量元素稳定性和应用效果对比试验十分有必要。
3.3 增强抗氧化功能
微量元素是多种抗氧化酶的重要辅因子,其摄入和储存有利于提高动物机体抵抗氧化应激的抗氧化能力。仔猪在断奶后容易受到环境和饲粮等多种因素的影响,导致机体氧化还原系统紊乱,自由基大量累积,进而引起生长速度减缓,并伴有腹泻出现。Ma等[37]研究表明,在28日龄断奶仔猪饲粮中添加甘氨酸亚铁螯合物,显著提高了血清中超氧化物歧化酶(SOD)活性并降低了血清中丙二醛(MDA)含量,其能够通过增强抗氧化性能、改善铁转运、上调生长激素、调节粪便微生物群以及增强代谢功能,改善仔猪的生长性能并降低腹泻率。在断奶仔猪饲粮中添加30~60 mg/kg柠檬酸铜显著提高血清中铜锌超氧化物歧化酶(Cu/Zn-SOD)活性并降低血清中MDA含量,有效改善断奶仔猪的抗氧化状态并减少脂质过氧化[42]。除了在断奶仔猪中的应用,有机微量元素在生长育肥猪上也表现出良好的抗氧化功能。Xiong等[43]研究发现,在生长育肥猪饲粮中使用30%~60%的有机微量元素(铁、铜、锰、锌,氨基酸螯合物形式)替代100%的无机微量元素,能够提高血清的抗氧化能力和营养物质的消化率,同时减少粪便中的微量元素含量。马莲香等[44]研究表明,在育肥猪饲粮中添加20%商业推荐剂量的有机微量元素(铁、铜、锰、锌,蛋白质盐形式)显著提高了机体抗氧化水平,且与无机微量元素相比无显著差异。含有微量元素的肝脏抗氧化酶活性被认为是评价猪矿物质需要量的敏感标准。Liu等[45]研究表明,与无机微量元素相比,补充中国商业推荐水平的有机微量元素(蛋白质盐形式的铁、铜、锰、锌以及酵母硒形式的硒)完全替代无机微量元素,可以提高生长肥育猪的肝脏Cu/Zn-SOD、碱性磷酸酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性,并具有更强的刺激抗氧化酶活性的能力。Tang等[46]研究表明,在正常或者氧化应激条件下,补充乳酸锌可以增强抗氧化酶的活性和表达,降低线粒体活性氧的产生,减少促炎细胞因子的分泌,并通过激活单磷酸腺苷活化的蛋白激酶(AMPK)-核因子红系2相关因子2(Nrf2)-p62通路,提高猪空肠上皮细胞的抗氧化能力和线粒体功能,作为一种新型仔猪饲料添加剂,具有替代硫酸锌的极大潜力。
3.4 调节免疫功能
微量元素对哺乳动物的免疫系统发育和免疫功能的维持起着重要作用,其缺乏会引起免疫力下降和易感性增加。铁对新生仔猪的生长发育至关重要,缺铁与免疫缺陷和感染密切相关。与肠外补铁相比,新生仔猪通过口服补充甘氨酸亚铁螯合物能显著降低肝脏中白细胞介素-1β(IL-1β)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的mRNA表达水平,表明口服补充有机铁可以通过减少促炎因子的产生来改善贫血仔猪的免疫状态[47]。Liao等[48]研究发现,与空白对照组和基础饲粮中添加650 g/t硫酸铜相比,在保育仔猪饲粮中添加320 g/t N-氨甲酰谷氨酸亚铜螯合物显著提高血清中免疫球蛋白A(IgA)和免疫球蛋白M(IgM)含量,表明有机铜可以通过调节免疫球蛋白水平来诱导仔猪的免疫反应。Xie等[49]在断奶仔猪饲粮中添加低水平的蛋氨酸锌部分替代或者完全替代硫酸锌,结果发现,至少50%的硫酸锌被蛋氨酸锌替代时,与仔猪机体免疫功能相关的锌消化率、血液IgA含量和胸腺指数均得到改善,表明仔猪玉米-豆粕型饲粮中添加50 mg/kg硫酸锌和25 mg/kg蛋氨酸锌是有利于仔猪机体免疫系统和维持生长性能的最佳策略。此外,不同锌源可能通过不同的机制发挥免疫调节作用。有机锌可能通过激活Toll样受体2(TLR2)信号传导,降低促炎细胞因子白细胞介素-18(IL-18)的表达,并增强肠上皮屏障功能[50]。Zhang等[29]在断奶仔猪上应用有机微量元素,发现用1/3水平无机微量元素的有机微量元素可以改善仔猪血清中IgG含量,并减少粪便中铜、锌、铁、锰的排泄量,有利于减轻环境污染。
3.5 调控肠道菌群
微量元素对于维持原生微生物种群和宿主的健康至关重要,肠道微生物和宿主稳态之间存在双向作用[51]。铜和锌具有抗炎和抗菌特性,可以抑制致病菌的生长,从而影响肠道微生物群。Kim等[52]评估了硫酸铜、甘氨酸铜、氨基酸铜和羟基丁酸铜螯合物对生长猪肠道微生物的影响,结果表明,与硫酸铜相比,甘氨酸铜和羟基丁酸铜螯合物显著提高了肠道普雷沃氏菌属、巨球型菌属以及乳酸菌属等有益菌属的丰度。这些有益菌属可以将碳水化合物降解为短链脂肪酸或者直接利用,从而提供能量以提高生长性能,调节免疫系统,预防肠道炎症和其他与肠道相关的感染[53-54],增加了有机铜替代无机铜的潜在可能性。同样,Lei等[55]研究发现,与添加硫酸铜相比,添加甘氨酸铜显著提高了梅山猪肠道中有益菌的丰度并降低了有害菌的丰度,同时显著提高粪便中丁酸、戊酸等有益代谢物的含量。丁酸盐被认为是肠细胞的主要能量来源,丁酸的产生有利于肠上皮细胞的修复和增殖,改善肠道屏障,调节肠道免疫,维持仔猪肠道健康[56]。Jiao等[31]研究表明,在生长猪饲粮中添加0.1%~0.3%天冬氨酸锌螯合物,粪便中大肠杆菌和乳酸杆菌数量随着添加剂量的增加分别呈线性减少和线性增多。肠道微生物群中几乎所有细菌的复制和生长都与铁有关,铁对多种病原体的毒力和定植也具有重要影响。Zeng等[34]研究表明,28日龄断奶仔猪饲粮中添加84 mg/kg酵母铁与添加104 mg/kg硫酸亚铁具有相同的饲喂效果,且酵母铁显著提高了肠道中厚壁菌门、布劳特氏菌属和消化球菌属等有益菌的丰度,这些有益菌的增加可以促进二价铁离子(Fe2+)的吸收,缓解缺铁性贫血。目前,有关复合有机微量元素对猪肠道菌群影响的研究还相对较少,有待于进一步探究。
3.6 改善肉品质
生猪的营养状况会影响猪肉的感官品质和营养价值,有机微量元素能够改善肉品质和胴体产量。在育肥猪饲粮中添加小肽螯合微量元素替代无机微量元素,能够显著抑制猪肉脂质氧化和提高肉的保水性,其能够通过激活内源抗氧化酶(特别是SOD)调节猪肉品质,且有机微量元素浓度大幅度降低到1/3水平仍能实现大部分替代效果[57]。Natalello等[58]研究发现,饲粮中添加45和100 mg/kg甘氨酸锌均显著降低胴体冷却损失和提高抗氧化能力,但不会改变肉的微量元素含量、肉色稳定性及脂肪酸组成。韩萌萌等[59]研究表明,与亚硒酸钠和硫酸亚铁相比,在育肥猪饲粮中添加酵母硒和甘氨酸铁对胴体性状没有显著影响,但能显著提高宰后24 h背最长肌的肉色红度值,并增加肌肉中的粗蛋白质含量,这与肌肉抗氧化性能的提升有关。然而,有机微量元素提高猪肉氧化稳定性的机制还有待进一步阐明。Wang等[60]采用蛋氨酸羟基类似物螯合微量元素(铁、铜、锰、锌)分别替代20%、40%、60%和100%的无机微量元素,结果发现,随着添加量的增加,猪肩部脂肪厚度和第6~7肋骨脂肪厚度呈降低趋势;且与无机组相比,有机组肌肉滴水损失降低了5.08%~19.77%,pH提高了1.05%~3.68%,同时蛋氨酸、苯丙氨酸和精氨酸含量降低,表明有机微量元素可以改善猪的胴体性状、肉品质和风味。Zhao等[61]在育肥猪饲粮中分别添加20、40、80和160 mg/kg羟基蛋氨酸类似物螯合铜和160 mg/kg硫酸铜,结果表明,80 mg/kg有机铜显著提高胴体重并提高腰部深度,这可能是通过刺激生长激素的分泌来实现的。
4 小结与展望
近年来,有机微量元素经历了多次升级迭代,在猪不同生长阶段中展现出积极的生物学效应,实现了对传统无机微量元素的部分替代,有利于生猪养殖的绿色健康发展,是极具发展潜力的饲料添加剂。然而,在生产应用中,有机微量元素仍面临诸多问题和挑战,如成本高、稳定性差以及缺少统一的检测方法和评价标准。在今后的研究中,可以从以下几个方面推动有机微量元素的进一步发展:1)建立统一且严格的产品标准和监管体系,以确保产品的质量和安全性;2)开发新的产品工艺,提高产品的稳定性和生产效率,如采用包被技术和微胶囊技术以增强产品稳定性,并实现肠道内的缓慢释放,采用纳米技术以提高生物活性和吸收效率;3)深入挖掘有机微量元素的吸收机制,揭示其在机体内的代谢途径,为优化其应用策略提供科学依据;4)确定有机微量元素在猪不同生长阶段的适宜添加量,并结合现代规模化养猪生产中低蛋白质饲粮的应用背景,实现精准饲养。