蛋壳是禽类在进化中形成的一种保护自身繁衍的结构，具有抵抗外力破坏和抵御微生物侵染等功能。蛋壳品质是蛋鸡生产中重要的经济性状和外观性状指标。提高蛋壳品质，尤其是提高蛋鸡产蛋后期的蛋壳品质对于家禽行业的安全优质高效生产尤为重要。关于目前广泛研究的营养调控措施，如饲粮钙磷水平及比例调节、钙源和粒度大小选用、补充维生素D₃以及黄酮类、有机酸、精油和植物提取物等饲料添加剂的应用，已有详细论述^[1-2]。蛋壳中还含有多种微量元素，不仅是蛋壳的无机组成成分，也通过影响碳酸钙沉积和超微结构形成进而调控蛋壳的力学特性。近年来的研究多集中于从微观结构角度，解析微量元素对蛋壳品质的影响和作用机制。如何合理使用微量矿物元素，并兼顾矿物元素排放对环境的影响，尤其是水平和来源的合理选用，仍是蛋鸡生产中需要考虑的一个重要实际问题。因此，本文从饲粮中微量元素的水平和来源的应用以及调控蛋壳品质的作用机制等方面进行综述，并总结了一些最新研究进展，旨在为研究和应用提供参考和借鉴。

1 鸡蛋蛋壳中矿物元素的组成

矿物质是鸡蛋蛋壳的主要组成成分，占蛋壳总重的94%~97%，主要是由碳酸钙以热力学最稳定相的三方晶系方解石有序构成，还包括碳酸镁以及碳酸钙和碳酸镁的混合物。除了钙、钠、钾和镁等常量元素外，蛋壳中还含有多种微量元素，如锶、镍、钡、硒、铜、铁、锰、锂和钴等。蛋壳的微量元素中，铁元素含量最高，达2.3 mg/g左右；其次是锶(0.13~0.30 mg/g)和镍元素(约20 μg/g)等^[3]。由于蛋壳富含钙及多种对人体有益的微量元素，有研究者提出可将蛋壳加工成为人体补充钙源的制剂^[4]。王佩伦^[3]采用电感耦合等离子体质谱仪测定了蛋壳中15种微量元素含量，并分析了其与产蛋鸡周龄和蛋壳品质的关系，发现蛋壳中砷、硒、镉、钒、锂和铜含量随产蛋鸡周龄增加而降低；其中，砷、镉和硒等元素含量与蛋壳强度呈极显著正相关，而蛋壳铁、钴、镍和锶等元素含量与蛋壳强度呈极显著负相关；另外，蛋壳中铁、镍与钙的含量呈显著负相关，而砷、镉与蛋壳钙沉积量呈显著正相关。因此，微量元素可能会影响蛋壳中钙离子的成核、结晶和生长，从而影响蛋壳的物理特性和力学特性。

2 饲粮微量元素对蛋壳品质的影响

产蛋鸡饲粮中补充的微量元素一般有锰、铁、铜、锌、碘和硒等。蛋禽对常量元素的吸收率较高，但对微量元素吸收率较低。高产蛋鸡对锰的吸收率只有2%~5%，对锌、铜和铁的吸收率分别为20%、15%和40%左右^[5]。锰、锌和铜等是蛋壳形成过程的必需微量元素，相关研究较多(表 1)。一方面，蛋壳形成过程中的关键酶，如糖基转移酶、碳酸酐酶和赖氨酸氧化酶等，需要微量元素作为其活性因子发挥功能；另一方面，微量元素可能参与有机大分子和钙离子在界面处的相互作用，共同协调控制无机矿物相的有序析出和沉积，从而使蛋壳形成特殊的多层结构。目前的研究主要集中于微量元素在蛋壳超微结构形成中的作用和机制研究，不同形式微量元素的生物学效价比较等。

2.1 锰

与其他微量元素不同，锰主要沉积于蛋壳中，蛋壳中锰的含量大约是蛋黄的3倍，为0.30~0.75 mg/kg^[6]。微量元素缺乏导致的蛋壳缺陷问题可能主要与锰缺乏有关。锰可通过调节产蛋鸡输卵管壳腺部糖胺聚糖的合成代谢，影响蛋壳超微结构的形成，进而调控蛋壳品质。锰是半乳糖-β-1, 3-葡萄糖醛酸基转移酶(galactose β-1, 3-glucuronosyl transferase，GlcAT-Ⅰ)的活性因子。与添加100 mg/kg的硫酸锰相比，产蛋鸡饲粮不额外添加锰时(基础饲粮锰水平为14.3 mg/kg)，蛋壳腺内GlcAT-Ⅰ mRNA和蛋白表达水平降低^[7]，蛋壳膜中糖醛酸和糖胺聚糖的含量随饲粮锰水平提高而升高^{[6, 8]}。锰缺乏也可导致人软骨组织中糖胺聚糖浓度下降^[9]。因此，锰的不足可能导致糖胺聚糖合成受阻，而糖胺聚糖是构成蛋壳壳膜纤维和乳突核部的重要组成部分。当产蛋鸡饲粮锰不足(< 7 mg/kg)时，蛋壳厚度降低，蛋壳赤道附近呈现半透明，蛋壳表面粗糙；超微结构观察显示，饲粮锰缺乏时乳突单元变大且形态不规则，乳突体变宽，乳突层变薄^[10]。与不添加锰相比，饲粮添加无机或有机锰可提高产蛋后期蛋壳有效层厚度，使乳突和乳突间距显著缩小、乳突排列紧密，蛋壳表面裂纹减少，蛋壳强度、厚度和弹性系数提高^{[6-7, 11]}。

根据蛋壳形成过程的时序性和周期性，按照排卵时间-卵在输卵管位置-蛋壳超微结构形成的研究思路，分析蛋壳形成过程中锰调控蛋壳超微结构及糖胺聚糖的变化，结果表明锰参与调控蛋壳结构形成的整个过程。在蛋壳壳膜形成期和矿化初期，饲粮添加锰对蛋壳膜的弹性无显著影响，但超微结构观察显示蛋壳基质膜上的成核位点密度和乳突密度增加。在蛋壳快速矿化期和矿化末期，锰降低了乳突宽度并增加了蛋壳强度，且矿化末期乳突层比例降低而有效层比例增加^[12]。因此，乳突层可能是锰调控蛋壳超微结构形成的最关键部位。乳突层虽然不直接受力，亦非受力最大的结构层，但其与蛋壳的力学特性密切相关。采用材料力学方法模拟蛋壳微观结构变化导致的应力变化，发现蛋壳微单元最大弯曲荷载与栅栏层厚度呈正比，与乳突层厚度呈反比，与乳突间距呈反比^[8]。乳突层也是蛋壳裂纹产生的初始位置。通过蛋白质组和转录组分析，也验证了锰通过糖胺聚糖的合成代谢酶，调节鸡体输卵管蛋壳腺部的蛋白糖基化和聚糖代谢，调控蛋壳乳突层结构，进而影响后续蛋壳结构的形成和最终力学特性^{[8, 13]}。

上述锰调控蛋壳结构和力学特性的机制研究，主要是基于以不额外添加锰的饲粮处理为对照的科学试验设计。从实际应用的角度，客观讨论添加水平或范围及来源的效果，可能对生产更具有参考意义。根据回归模型，当以蛋壳品质(蛋壳强度)为判断依据，以一水硫酸锰或氨基酸锰作为锰源时，最佳锰的添加剂量分别为110~120 mg/kg和80~90 mg/kg(玉米-豆粕型基础饲粮，基础饲粮锰水平为32.7 mg/kg)^[14]。但仅根据数据统计结果看，饲粮锰水平大于70 mg/kg后，各组间蛋壳强度和厚度无显著性差异^[14]。与此类似，饲粮中添加70~210 mg/kg的硫酸锰时，未观察到对蛋壳品质的显著影响^[15]。

为此，我们课题组进行了1项为期24周的生产试验，观察饲粮添加0~400 mg/kg氨基酸锰的效果(未发表数据)。结果表明，综合考虑生产性能和蛋壳品质，饲粮中最佳锰(氨基酸锰)的添加水平为40 mg/kg(基础饲粮锰水平为21.95 mg/kg)。另有研究表明，饲粮蛋氨酸锰的最佳添加水平为60 mg/kg(饲粮总锰水平为60.78 mg/kg)，可提高产蛋后期蛋壳厚度和蛋壳强度^[16]；提高蛋壳腺的钙结合蛋白mRNA表达水平，降低蛋壳乳突宽度^[6]。综上，为了避免蛋壳缺陷，产蛋鸡饲粮中额外补充40~60 mg/kg的锰效果较好。如果基础饲粮锰含量按10~30 mg/kg计，饲粮总锰适宜水平为50~70 mg/kg，这与我国蛋鸡饲养标准(NY/T 33—2004)推荐的锰需要量(60 mg/kg)相似，但高于NRC(1994)提出的产蛋鸡对锰的需要量(20 mg/kg)。

关于无机或有机形式的比较，比较一致的结论是，有机锰比无机锰具有更高的生物利用率。当以指数模型评价有机锰相对于无机锰的生物学效价(锰添加水平分别为25、50、100和200 mg/kg)，有机锰(复合氨基酸锰)相对于无机锰(硫酸锰)的生物学效价分别是406%(蛋壳强度)、458%(蛋壳弹性)和357%(蛋壳厚度)^[17]。因此，在同等效果时，无机锰能够被较低剂量的有机锰替代。比较最佳水平的无机锰(120 mg/kg)和有机锰(80 mg/kg)对蛋壳力学特性和超微结构形成的影响，发现有机锰只是在乳突成核阶段显著增加了成核位点密度，除此之外二者并无显著差异^[12]。同样，与添加60 mg/kg的硫酸锰相比(饲粮总锰水平为60.42 mg/kg)，添加20~80 mg/kg来自蛋氨酸锰的锰(饲粮总锰水平为20.69~81.03 mg/kg)，未观察到对蛋壳厚度和强度的显著影响^[6]。此外，试验中可观察到有机形式的锰对蛋壳品质的改善效果比无机锰更快；有机锰对蛋壳品质的改善具有时间累积效应，并且最佳剂量随时间延长可能有降低的趋势^{[8, 14]}。

2.2 锌

蛋壳中锌含量为60~90 mg/kg^[18]，为锰含量的10倍以上。锌在机体代谢中具有更为广泛的生物学作用，如参与抗氧化防御系统、调节脂质代谢和免疫功能等。蛋壳品质对锌源及水平的响应不如胫骨锌含量或含锌酶的活性更敏感，因此后者常被用来作为评价锌需要量的敏感指标^[18-19]。早期研究表明，饲粮锌缺乏(< 10 mg/kg)会导致产蛋率、孵化率降低，但对蛋壳厚度无显著影响。目前，关于锌调控蛋壳品质的机理研究主要认为，锌是碳酸酐酶的辅助因子，能够促进壳腺部碳酸的水解，增加碳酸根离子浓度，从而促进碳酸钙的形成^[20]。饲粮添加锌能够促进蛋壳腺内碳酸酐酶的基因表达，提高血浆和蛋壳腺内碳酸酐酶活性，进而促进壳腺部碳酸钙的沉积^[21]。尽管与不额外补充锌的基础饲粮相比，添加锌能够改善蛋壳的超微结构，使蛋壳晶体更加致密，减少蛋壳表面裂缝，但锌对蛋壳品质的改善作用可能主要是蛋壳厚度或壳重的增加，而非蛋壳强度的提高^{[19-20, 22]}。随硫酸锌或蛋氨酸锌添加水平(0~140 mg/kg)增加，鸡蛋蛋壳厚度呈线性增加，蛋重和蛋壳强度呈线性降低^[20]；或是蛋壳厚度和蛋壳重随饲粮锌添加水平(0~120 mg/kg)呈线性增加，而蛋壳强度无显著变化^[23]。但是当产蛋后期(60周)鸡只饮水摄入大量氯化钠(2 g/L)时，饲粮添加锌能够显著缓解蛋壳强度下降、壳重降低等缺陷问题^[24]，提高壳腺部碳酸酐酶活性^[25]。同样，锌也能够有效缓解热应激导致的壳重降低和蛋壳缺陷^[26]。可见，在鸡体应激状态时，锌对蛋壳品质具有明显的改善作用。

由于蛋壳品质指标的不敏感以及动物生理状态的不确定，仅仅依据蛋壳品质，很难得出产蛋鸡饲粮锌的最佳添加剂量。可供参考的是，NRC(1994)推荐产蛋鸡对锌的需要量分别是35(白壳品系)和40 mg/kg(褐壳品系)，我国《鸡饲养标准》(NY/T 33—2004)的推荐量是80 mg/kg；我国农业部2625号公告中将家禽饲粮中锌的限量由150 mg/kg调整至120 mg/kg。另外，目前多数研究也一致认为有机锌比无机锌具有更高的生物学效价^[26]。与添加80 mg/kg的硫酸锌比较，饲粮添加40或80 mg/kg羟基蛋氨酸螯合锌显著降低蛋壳破损率，增加蛋壳厚度、强度、密度和壳重比，推荐40 mg/kg蛋氨酸螯合锌添加效果最佳(饲粮总锌含量为75.97 mg/kg)^[18]。需要注意的是，育雏育成期饲粮中添加100~200 mg/kg纳米氧化锌，可能导致肝脏和卵巢脂质代谢紊乱和产蛋率下降^[27]。

2.3 铜和铁

铜主要作为赖氨酰氧化酶的辅酶，参与维持蛋壳基质薄膜的完整性。赖氨酰氧化酶是一种含铜金属酶，该酶催化赖氨酸转化成锁链素(由4个赖氨酸形成的交联体，见于弹性蛋白)或异锁链素。缺铜引起赖氨酸交联体结构改变，导致壳膜中纤维结构异常，从而影响蛋壳钙化^[28]。蛋壳中铜含量随产蛋鸡周龄增加有降低的趋势，并可能在40周龄后快速下降^[3]。早期研究报道，添加70~140 mg/kg的铜对蛋壳品质无显著影响，但高剂量的铜(250和500 mg/kg)降低了蛋壳厚度和产蛋后期(72~75周)蛋鸡的采食量(300 mg/kg)^[29]。我国《鸡饲养标准》推荐蛋鸡铜需要量为8 mg/kg。有学者认为基础饲粮中铜的含量足以满足产蛋鸡的生产需要^[30]。海兰褐产蛋鸡(47周)饲粮(10.3 mg/kg)短期(2周)不添加铜，未观察到对生产性能和抗氧化指标的显著影响^[30]。

铁是机体血红蛋白和非血红蛋白的辅因子，铁离子与原卟啉-Ⅸ在亚铁螯合酶的作用下生成血红素，参与褐壳蛋鸡蛋壳颜色的形成。而近年来关于单一添加铁对蛋壳影响的研究并不多见，并且同一品系蛋鸡上的结果也不一致。深、浅褐壳2类蛋壳的分析结果显示，饲粮添加170 mg/kg的甘氨酸铁较不添加组和85 mg/kg硫酸铁组显著提高深褐色蛋壳中色素含量，加深蛋壳颜色，而对浅褐色蛋壳的颜色及色素含量无显著影响，且添加同水平(85 mg/kg)有机铁和硫酸铁对蛋壳颜色和强度无显著影响^[31]。

2.4 复合微量元素

鉴于微量元素间的协同或拮抗作用，有学者从生产中复合添加的角度，研究了多种微量元素的适宜剂量，比较了有机与无机微量元素的作用效果。在产蛋后期海兰褐蛋鸡饲粮中添加羟基蛋氨酸锌和羟基蛋氨酸锰，能够改善蛋壳微观结构和蛋壳质量，其中破蛋率、蛋壳强度和蛋壳厚度随试验锌(6~21 mg/kg)、锰(3~18 mg/kg)添加剂量线性增加^[32]。王卫涛^[33]提出将基础饲粮中微量元素含量按30%生物学效价换算成有效含量，以NRC(1994)推荐量为标准补齐铜、铁、锰和锌的添加方案，能够改善蛋壳强度、厚度以及钙元素的表观利用率。饲粮同时添加无机或有机形式的锰、锌和铜，随添加水平的提高，蛋壳强度和蛋壳比重呈线性增加、破损蛋率呈线性降低，推荐添加水平为锰65 mg/kg、锌60 mg/kg和铜10 mg/kg^[34]。其中，有机来源的微量元素组蛋壳超微机构中，栅栏层厚度更大、乳突密度更低，蛋壳厚度和蛋壳强度更佳。此外，有机微量元素能够促进锌、锰、铁和铜在蛋鸡体内和鸡蛋中的沉积，降低元素排泄^[35]。试验表明，低于常规预混料中无机微量元素添加量的小肽螯合微量元素能够满足50~56周龄蛋鸡正常生产与生理功能，并能有效减少粪中微量元素含量，添加量按无机组微量元素添加量的60%效果较好^[36]。但也有报道，锰、锌与其他微量矿元素复合添加时，无机和有机形式之间的差异并不显著^[37]。薛颖^[38]按NRC(1994)推荐产蛋鸡需要量的25%、50%、75%、100%和125%添加不同水平的无机或有机复合微量元素(锰、锌、铁、硒和铜)，除了个别采样点外，无机组与有机组间蛋壳强度及蛋壳厚度没有显著差异。

另外，针对养殖环境污染问题，更多的微量元素研究开始考虑包括铜、锌在内的重金属减量使用，有学者尝试完全不添加或参照推荐量按比例减量的研究。需要注意的是，减量试验中的指标、试验周期和判断依据十分重要。在研究中，大多是以生产性能、鸡体微量元素的沉积不受影响的前提下，尽可能地降低使用量和粪污排泄量。一般认为，维持最佳生产性能的微量元素需要量低于以动物最佳健康状况或最佳产品品质为判据的需要量。产蛋鸡饲粮中完全不补充铜、铁、锰、锌和硒时，蛋壳强度、厚度和蛋壳比例下降^[38]。蛋壳超微结构分析显示，产蛋鸡饲粮完全不补充微量元素(铜、锰和锌)时，乳突体的排列更加杂乱无章^[34]。另外，产蛋鸡(48~57周，海兰W-36)饲粮中不额外添加铁、铜和锌，对生产性能指标、受精蛋孵化率、蛋壳比例和比重无显著影响，但饲粮中锰的缺失显著降低了蛋壳重^[39]。这表明，微量元素的减量使用可能还要考虑不同微量元素的作用差别。1项24周的产蛋鸡试验表明，饲粮中无机及有机复合微量元素分别以NRC(1994)推荐需要量的25%和50%添加效果最佳，能够保证生产性能和鸡蛋品质，同时减少微量元素的排泄^[38]。

3 小结

微量元素与蛋壳品质的关系研究已有几十年。近年来，新的分析技术如扫描和透射电镜、红外光谱分析等的采用，有助于更加精细地观察蛋壳的超微结构和化学组成；组学技术的应用及与表型数据的关联分析有助于解析蛋壳形成过程的关键因子及调控网络。但仍有许多问题有待进一步研究与探讨，归结起来主要有如下3个方面：

① 微量元素调控蛋壳品质的作用机理还不能完全确定。近年来的研究主要解析了其在蛋壳生物矿化过程中的作用，即以蛋壳为关注点，解析在蛋壳各个形成阶段中的作用。基于微量元素的抗氧化、免疫调节等广泛的生理作用，可能还需考虑其对鸡体状况、蛋壳腺或离子转运的可能调节作用。应从整体上分析判断，而不能将蛋壳形成过程孤立研究。此外，新技术的研究结果需要进行整合，如从蛋壳超微结构形成角度解析的可能机理，与组学结果的相互验证、联合使用。

② 微量元素的理性使用。一是需要区别机制研究和应用性研究，再指导生产中适宜剂量的选用。二是微量元素的调控作用的讨论不应忽略基础饲粮中的本底含量。基础饲粮中微量元素的含量常会因不同批次或地理区域的饲料原料，呈现较大变异。即使相同配方配制的玉米-豆粕型基础饲粮，不同批次之间含量相差也可能很大^[33]。

③ 单从蛋壳品质指标及应用性价比来看，有机微量元素在实际生产中的应用优势可能并不很大。但从养殖环境污染及降低微量元素排放的考虑，相对低剂量有机微量矿物元素的使用将更具有生态效益。也有学者提出，有机锰需要考虑其螯合程度而不能仅仅依据有机和无机来划分。