有機微量元素在奶牛養殖中應用的研究進展

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）。隨著奶牛單產不斷提高，微量元素在奶牛生產中的作用也越來越引起行業的重視。提供的微量元素包括無機形式和有機形式，有機微量元素又經歷了產品類型的不斷迭代，不同種類的微量元素的吸收機制以及對奶牛的價值需要把握和運用。

1 有機微量元素種類

有機微量元素經歷三個主要發展階段，最早是有機酸類的微量元素，如葡萄糖酸鋅、富馬酸亞鐵等；之后出現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年國家正式批準了蛋白螯合微量元素作為添加劑來使用，特別規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。有機微量元素的發展可歸結為配位體由有機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品，以及煙酸鉻、丙酸鉻等（見圖1）。當然酵母也可以轉化Fe、Cu、Mn、Zn[1-2]。

圖1 有機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象中發揮不可或缺的作用，且與酶的活性直接相關，特別是一些抗氧化酶類。

客戶選擇維生素是很容易的，已經有很清晰的標準了。但在選擇微量元素時，特別是選擇有機微量元素的時候就會很模糊，因此需要討論清楚。

2 微量元素的吸收轉運機制

無機微量元素與有機微量元素的主要吸收部位都在小腸。無機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過上皮細胞吸收，也叫繞細胞吸收（Paracellular），是通過腸黏膜內外壓差或滲透壓經細胞間隙吸收的，見圖2。

圖2 中像小草一樣的圖示為小腸絨毛，絨毛下面是上皮細胞。無機微量元素不僅可通過細胞間隙進行簡單擴散，還可以主動吸收。近年來，相繼在腸黏膜上皮細胞中發現一些金屬離子轉運蛋白，如二價陽離子轉運體（DMT1）、金屬轉運蛋白1（MTP1）等。部分金屬離子不能通過細胞間隙[3]，如圖2中“X”的部位。現已證實銅離子只能通過主動吸收方式進入門靜脈，而不能通過細胞間隙吸收。

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節微量元素的進入，這與生物進化有關。

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載體結合并有鈉離子參與，經上皮細胞轉運吸收的，是主動吸收，這一點是清楚的。而對于蛋白螯合的微量元素，特別是我國規定可在反芻動物上使用的植物蛋白源“復合氨基酸鐵（銅、錳、鋅）絡合物”，在研討其吸收機制之前，首先要搞清這里所指的“復合氨基酸”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為是分別通過氨基酸和小肽通路進行主動吸收的。氨基酸類的吸收方式如上所述；小肽類的是通過氫離子+轉運蛋白Pep T1轉運的，為主動吸收。不僅在反芻動物的小腸中，在瘤胃中也發現了這一載體蛋白；若氨基酸構建成了二肽或三肽，其也可以通過Pep T1轉運[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過三個過程。第一個過程是微量元素“進入”上皮細胞，這個過程需要一個轉運蛋白；第二個過程是微量元素在細胞內“移動”，最后到達上皮細胞根部，這個過程需要一個轉運的伴侶蛋白；第三個過程是“穿越”腸上皮細胞根部，之后微量元素進入到門靜脈循環，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運。上皮細胞表面有銅離子還原酶用于二價銅離子的還原。

綜上并進一步描述，銅離子的吸收轉運過程大致是：二價銅離子還原成一價銅離子，然后通過一種叫CTR1的轉運蛋白或者是DMT1轉運蛋白轉運到上皮細胞內部，然后再通過伴侶蛋白或借助金屬硫蛋白把它轉移到高爾基體內，然后再從高爾基體排出細胞外。一價銅離子排出細胞外之后再氧化回到原來的二價狀態，然后由門靜脈內部的白蛋白轉運到肝臟及其他組織（見圖3）。

DMT1不是銅元素專屬的轉運蛋白，還可以轉運鐵、鋅、錳，而且它優先轉運鐵。從轉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運為主，Fe是以主動轉運方式為主[3]。需要強調的是三價鐵首先變成二價鐵才能通過上皮細胞轉運吸收。如果在使用硫酸亞鐵時，不小心發生了氧化，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結合轉運到上皮細胞內，之后由伴侶蛋白轉運至小腸絨毛根部，然后再通過轉鐵蛋白轉運到門脈循環，再通過輔助的轉運蛋白轉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運的，但以哪種機制為主，現在還未知[3]。當Zn的用量超高時，一方面吸收會發生反饋抑制，另一方面上皮細胞內會誘導產生一種叫“金屬硫蛋白”的成分，其能大量結合過多的Zn離子，消除高鋅對細胞的毒性，待Zn需要時重新釋放或在上皮細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充硒源上的吸收及沉積情況，結果表明硒酸鈉的吸收率遠高于亞硒酸鈉；但Se也會排泄掉，結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。考慮亞硒酸鈉本身就具有一定的不穩定性（氧化性），因此認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用。硒源的選擇需要在吸收、代謝（排泄）和沉積過程中依據其表現予以綜合考量。

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，是主動轉運。硒代蛋氨酸轉移進入細胞以后，要通過胱硫醚合酶及胱硫醚裂解酶催化轉化成硒代半胱氨酸，進而硒代半胱氨酸需要在轉氨酶和巰基轉移酶的作用下生成硒化氫，硒化氫再與一種特殊的tRNA結合，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的結合物（SeCystRNA），然后SeCystRNA轉移到核糖體，按照mRNA序列合成具有生物活性的硒蛋白，發揮生理作用。上述無機硒源進入細胞后也要還原成硒化氫，接下來的利用路徑與有機硒相同[3]。

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

3 影響反芻動物微量元素吸收轉運的因素

無機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合后可能會幫助微量元素吸收；而硫化物、木質素、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、微生物在前胃對微量元素有親和力，但在皺胃的酸性環境下變性，使得這種親和力對吸收的影響減輕。進入十二指腸以后，膽汁進入，食糜中的酸被中和、氯離子被吸收，從而使食糜變得偏堿性，這對有機微量元素的穩定性也帶來考驗。小腸中影響微量元素轉運蛋白表達的因素也間接影響著微量元素的吸收[3,7]。

M.J.Faulkner等[8]設計了稱為“粗飼料”的傳統奶牛日糧和“副產品”日糧，副產品日糧特征為高中性洗滌纖維（NDF）、低淀粉。結果發現Zn和Mn的吸收與日糧類型存在互作關系。揭示不同的奶牛飼養企業應根據所使用的日糧來構建微量元素標準。

實際上，以無機離子形式吸收進入門脈循環的微量元素，很少以獨立離子形式存在，絕大部分要與蛋白質結合。若使用有機微量元素，它本身已經是一個氨基酸或小肽結合態，利用效率當然更高。

概括來講，食糜在反芻動物瘤胃內停留的時間較長，無機微量元素的離子態可能與食糜中一些組分發生結合反應，影響微量元素的利用。另外，轉運金屬離子的載體有些是共用的，相互間存在競爭關系，因此反芻動物特別是高產反芻動物可能更需要有機微量元素。有機微量元素不易受上述干擾因素影響，利用率高。使用有機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境中。

給體細胞數大于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，結果并未對體細胞數有降低作用[9]。筆者認為這種突然大劑量注射難以取得理想的效果。若一定要補充，需要在把握牛群微量元素狀況的基礎上，掌握好計量，最好通過緩釋劑型或日糧來柔性補充為好。

4 有機微量元素在奶牛生產上的應用價值體現

相對無機微量元素，有機微量元素具有如下優勢：1）主動吸收，吸收效率更高；2）各有獨立的轉運機制，可避免離子間的拮抗；3）可躲避抗營養因子干擾；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物質（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，仔豬則會出現震顫甚至死亡。將無機微量元素穩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]。

有機微量元素在奶牛生產中應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） mg·kg-1

北京三元奶牛場2001—2004年生產中執行的微量元素添加標準見表3[13]。

表3 北京三元奶牛場2001—2004年生產中執行的微量元素添加標準 mg·kg-1

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

表4 微量元素對比試驗設計 mg·kg-1

結果顯示：按NRC標準的75%使用有機微量元素能達到無機微量元素100%添加的效果；如果按照標準量的100%添加有機微量元素，還可以提高產奶量和乳品質量，并且能改善蹄的健康狀況。按NRC標準添加有機微量元素，之后再增加3.3倍Mn（硫酸錳）和9.1倍Co（葡萄糖酸鈷），還有利于產后母牛復情。

用有機微量元素培育后備母牛，后備母牛表現為妊娠期縮短、泌乳期的產奶量更高[15]。已經證明使用有機微量元素的Cu、Mn、Zn，可以提高母牛發情配種率[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的標準分別給奶牛添加無機和有機微量元素。結果顯示飼喂有機微量元素組牛每日所產乳蛋白量極顯著增加，固形物含量顯著增加，3.5%和4%乳脂率的標準乳（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的標準分別飼喂無機和有機微量元素，證實使用有機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。

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

有機微量元素最重要的作用是抗氧化。各種微量元素相關抗氧化酶及其作用見表5。

表5 微量元素相關抗氧化酶及其抗氧化作用

硒是機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鍵成分，其中Zn、Cu、Mn均與超氧化物歧化酶（SOD）相關。

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

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

表6 不同胎次奶牛產后首次初乳中的微量元素含量（DM基礎）

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母牛微量元素的全貌。

近期研究發現，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，結果來源于羥基氯化微量（Hy?droxychloride trace minerals）和復合氨基酸絡合（Metal specific amino acid complexes）的有機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 微量元素的應用策略

在養殖一線可以通過觀察蹄病發生比例、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優化對策。此外，微量元素的作用是漸進累加的，因此若牛場較長時間牛奶中體細胞數過高、淘汰時的平均胎次過低和發病率偏高，都需要審視微量元素的狀況。

有機微量元素的使用方法包括：1）全有機化；2）有機+無機；3）額外補充。

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

研究發現干奶期肥胖的牛，在接下來的圍產期，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的牛群，需要在生產中考慮使用有機微量元素。

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，適口性從好到差應該是復合氨基酸絡合物＞單一種類氨基酸絡合物＞氧化物＞硫酸鹽。

其次就是測定指標，主要包括螯合率和穩定性。絡（螯）合物螯合率測定的難點在于有機微量元素絡（螯）合物的產品豐富，它們在溶解度、酸堿度、配位比、螯合強度等方面都有較大的差異，難以建立統一的方法。此外，樣品中螯合態和游離態的微量元素難以精確分離，而且有機微量元素對酸和堿的穩定性不強，在酸和堿的環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，很難非常準確地測定螯合率。目前主要有凝膠過濾色譜法和有機溶劑萃取法[24]。萃取法是利用螯合金屬不溶于甲醇的原理，用甲醇進行洗脫，將有機態與離子態金屬離子分離開來，再用差減法測得螯合率。該方法不需要特別的設備，適合奶牛養殖企業采用。但根據筆者積累的數據，市面上常見有機微量元素產品的螯合率差異不大，而穩定性差異較大。對于反芻動物來說，當然希望有機微量元素通過前四個胃后還保持螯合狀態到達小腸，這一穩定系數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行不同產品的相對比較。此外，穩定系數與反芻動物微量元素利用率的確切關系還有待研究數據的不斷積累。

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價值，發現酵母硒的沉積率比亞硒酸鈉高25%～50%。目前有機硒的主要產品形式是酵母硒。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，發現硒轉移到奶中的效率還是酵母硒更高。因此生產富硒奶建議優選酵母硒。

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