硒的生物學作用及其在牛生產中的應用研究進展

劉旭光 熊康寧 湯小朋 池永寬

(貴州師范大學喀斯特研究院，國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴陽 550001)

硒存在于器官、組織及體液中，其在牛體內具有重要的營養和生理功能。硒最重要的生理功能是參與硒蛋白的組成，如谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、甲狀腺素脫碘酶(DIOs)、硫氧還蛋白還原酶(TrxR)，對機體生化代謝過程產生的過氧化物有很強的催化還原作用，保護生物膜的結構和功能免受脂質過氧化的影響[1-2]。此外，研究表明硒在影響動物生長性能與繁殖機能、增強免疫功能與抗病性、提高基礎代謝率、補償和協調某些維生素、拮抗有毒元素等方面也起著重要作用[3-7]。本文主要綜述了硒的生物學功能、應用研究進展以及不同化學形式硒的使用效果，以期為硒在牛生產與應用中提供參考。

1 硒的生物學功能

1.1 硒對牛抗氧化功能的影響

硒的抗氧化功能主要體現在硒蛋白參與動物機體抗氧化體系的組成，是含硒酶的活性中心。GSH-Px、DIOs和TrxR是機體重要的含硒酶，硒主要通過參與這3種酶的催化還原過程來發揮抗氧化作用[8-9]。GSH-Px最早發現于牛紅細胞中，也是機體組織中含量最豐富的一種過氧化物催化酶[10]。GSH-Px是發揮抗氧化作用、清除組織中有害過氧化物的主要酶類，目前發現其至少存在4種同工酶，即胞漿GSH-Px(GPx1)[11]、胃腸道專屬性GSH-Px(GPx2)[12]、血漿GSH-Px(GPx3)[13]和磷脂過氧化氫GSH-Px(GPx4)[14]。GSH-Px的主要生理功能是催化過氧化氫及其他有機氫過氧化物，使其變為還原態，進而減少自由基的產生，保護細胞膜的結構和正常功能，免受脂質、蛋白質、DNA等因失去電子帶來的損害與干擾[15-16]。TrxR屬吡啶核苷酸-二硫化物氧化還原酶家族，按其分布區域分為胞漿TrxR(TrxR1)、線粒體TrxR(TrxR2)和硫氧還蛋白谷胱甘肽還原酶(TrxR3)3種同工酶，是一種由還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)依賴性催化硫氧還蛋白還原的硒蛋白，它與NADPH和硫氧還蛋白構成硫氧還蛋白系統[17-18]。TrxR的主要生理功能是催化NADPH，依賴NADPH提供的電子還原硫氧還蛋白上的二硫鍵，即維持氧化型硫氧還蛋白的還原型，還原型硫氧還蛋白通過清除體內的活性氧(ROS)達到抗氧化的目的[19]。谷胱甘肽(GSH)/GSH-Px系統和過氧化物酶(Prxs)系統中，TrxR既能還原氧化型Prxs，也可以輔助血漿GSH-Px傳遞電子還原血液中的氧化型GSH-Px，對于系統維持胞質內過氧化物穩定具有重要作用[20]。因此，TrxR的表達水平和活性是影響機體細胞內還原狀態的一個重要因素。DIOs酶系主要包括DIO1、DIO2和DIO3，是一種具有催化還原作用的含硒酶，與甲狀腺關系密切，參與甲狀腺激素的生成和代謝，對甲狀腺發揮免疫作用和抗氧化作用意義重大[21]。DIOs則通過調節活性甲狀腺素的合成和分泌，進而影響機體的抗氧化過程及其他生理活動[22]。

大量飼喂試驗表明，補充適量的硒可以改善牛的抗氧化功能。Salman等[23]通過泌乳奶牛試驗研究表明，基礎飼糧中添加酵母硒有助于提高奶牛血液硒含量，改善機體的抗氧化能力。呼顯生等[24]研究發現，奶牛基礎飼糧中硒含量達到0.6 mg/kg時，可顯著提高血清中GSH-Px活性和硒含量，增加泌乳量，說明補充適量的硒可以減輕泌乳期奶牛的氧化應激。Warken等[25]研究表明，分別在奶牛產前20 d、產犢當天以及產后20 d，通過皮下注射方式補充10 mL的礦物質補充劑(含亞硒酸鈉0.024 g)可提高血液中GSH-Px和超氧化物歧化酶(SOD)活性，降低ROS含量。Vedovatto等[26]探究注射微量元素(ITM)對內洛犢牛抗氧化能力和免疫功能的影響，注射量為每45 kg體重注射1 mL ITM，每毫升ITM含有60 mg鋅、10 mg錳、5 mg硒和15 mg銅，結果表明，相較于對照組，注射ITM顯著提高了血漿中SOD和GSH-Px活性，顯著提高了白細胞數量，但對中性粒細胞和肥大細胞數量無顯著影響。Wang等[27]在研究血清硒含量與隱性乳房炎奶牛機體免疫功能和抗氧化能力的關系時表明，GSH-Px活性隨血清硒含量的增加而提高，飼糧長期缺硒則會增加隱性乳房炎的發病率。

1.2 硒對牛免疫功能的影響

硒在牛體內的水平與機體免疫系統的正常發育及功能維持密切相關，它是提高機體免疫力與抗病性不可或缺的微量元素之一。有研究表明，給離體培養的牛細胞加入維生素E和硒時，可以最大程度地提高淋巴細胞的增殖與分化速率[28]，說明硒具有促進細胞增殖和提高機體免疫功能的作用。Aribi等[29]研究發現，硒也影響免疫細胞的反應水平，適當的補充硒可以增加巨噬細胞的活性和吞噬能力，并可以有效抑制病菌的增殖。Chung等[30]研究發現，加硒狀態下體外培養的中性粒細胞對金黃色葡萄球菌具有更強的殺滅能力。這表明硒與吞噬細胞的關聯在于硒會影響吞噬細胞的吞噬效率和殺菌活性，適量補硒可以提高機體免疫力。倪麗麗[31]通過奶牛試驗研究表明，基礎飼糧中有機硒含量為0.6 mg/kg DM時，顯著提高了血清中可溶性輔助T淋巴細胞含量，可以有效增強機體的細胞免疫，同時酵母硒組比亞硒酸鈉組具有更好的瘤胃環境、抗氧化能力及免疫反應。B淋巴細胞負責體液免疫，在抗原(BCR)刺激下會活化并產生大量活性氧，而活性氧的積累會降低白細胞分化抗原(CD19)的表達，導致體液免疫抑制[32-33]。同時，在這一過程中B淋巴細胞分化為漿細胞，漿細胞可生成各類免疫球蛋白，它們是構成體液免疫的關鍵。而免疫球蛋白G、免疫球蛋白A、免疫球蛋白M是體液中幾種重要的免疫球蛋白，研究發現機體硒含量會影響免疫球蛋白的表達[34-35]。王傳蓉等[36]研究表明，在母牛預產前60 d到產后30 d內補飼維生素E和硒可顯著提高圍產期母牛血清和初乳中免疫球蛋白G、免疫球蛋白A和免疫球蛋白M含量，同時也顯著增加犢牛血清中免疫球蛋白G和免疫球蛋白A含量，有效改善犢牛的免疫水平，降低發病率。Kamada等[4]研究得出，在初乳中添加硒可顯著提高新生犢牛血清中免疫球蛋白G含量，且適宜添加量為3.0 mg/kg。而缺硒則會降低血液和體液中免疫球蛋白含量，引發牛的免疫缺陷，增加患病幾率[37-38]。以上研究表明，飼糧補充硒可以促進牛的體液免疫、細胞免疫和固有免疫，提高機體免疫系統的應答水平。

1.3 硒對牛對瘤胃環境的影響

硒對牛瘤胃發酵功能有重要影響，對于牛而言，硒的營養生理作用不僅針對機體組織，而且對瘤胃環境也同樣重要。硒也是瘤胃微生物必需的微量元素，它參與瘤胃微生物的生化代謝，通過促進微生物的生長，提高瘤胃內菌群數量和微生物活性，進而影響瘤胃的發酵環境[39]。Liu等[40]研究發現，硒通過增加牛瘤胃總揮發性脂肪酸(VFA)含量，降低瘤胃pH和氨態氮濃度，同時在基礎飼糧硒含量為0.3 mg/kg時補充硒，可以獲得較好的瘤胃微生物數量和蛋白酶活性，提高牛對營養物質的消化吸收率。Zhang等[41]通過奶牛試驗發現，瘤胃pH隨飼糧含硒量增加而降低，但微生物數量和蛋白酶活性則隨飼糧含硒量增加而增加，與對照組相比，富硒組具有較高的VFA含量和較低的乙酸/丙酸值，有效改善了瘤胃發酵功能，提高了養分消化率。Wei等[42]研究表明，補充硒可以改善泌乳中期奶牛的瘤胃發酵，同時補充硒代蛋氨酸羥基類似物與補充亞硒酸鈉相比，具有更高的表觀吸收率和VFA含量。飼糧添加酵母硒后，體外發酵24 h可以顯著增加瘤胃VFA含量和單細胞蛋白含量，提高牛瘤胃發酵的能量效率[43]。武霞霞[44]研究發現，在含有基礎飼糧的體外瘤胃培養液中加入硒發酵3～48 h，對照組的瘤胃發酵功能和營養物質消化率較硒補充組差。但是也存在不同的研究發現，西門塔爾牛飼糧中添加包被硒不會影響瘤胃總VFA含量[45]，其具體原因尚不明確。

以上研究表明，飼糧補充硒可以通過增加瘤胃VFA濃度、影響瘤胃發酵的模式和發酵的能量利用效率來改善瘤胃發酵功能，提高牛對營養物質的消化吸收率。

2 硒對牛生長性能的影響及其作用機制

2.1 增重

動物體內的微量元素含量一定程度上決定于其生產地域，而飼糧缺硒是導致牛缺硒的主要原因，通過補充適量的硒，可以起到提高牛生長性能的作用。甲狀腺激素是由甲狀腺器官合成和分泌的碘化氨基酸，具有增加機體基礎代謝的作用，可促進蛋白質的合成與周轉，加速其他營養物質的代謝，同時可與生長激素起協同作用，調控生長激素的合成和表達，進而促進動物的生長發育[46]。硒對牛生長性能的影響主要是通過脫碘酶調控甲狀腺激素的動態平衡來實現。甲狀腺中三碘甲狀腺原氨酸(T3)的含量是甲狀腺素(T4)含量的5～8倍，但腺體中大部分為T4，只有少部分T3，脫碘酶可以催化T4轉化為T3，增強胰島素分泌，達到促進生長的目的[47-48]。因此，當動物機體缺硒時，T3含量會降低，生長發育受阻。有研究表明，圍產期母牛注射亞硒酸鈉和維生素E，可增加犢牛抗病性，且能促進犢牛的生長，顯著提高初生重和平均日增重[49]。韓東魁[50]研究發現，補硒可顯著提高黃牛的飼料轉化率，但是對平均日增重的作用效果不顯著。李春梅等[51]給妊娠后期母牦牛注射硒和維生素E，結果表明，與對照組相比，試驗組犢牦牛平均日增重顯著提高，而疾病發生率明顯下降。但是也有部分研究認為，飼糧中補充硒未對動物生長性能產生顯著影響，例如，Salles等[52]在研究飼糧添加有機硒對犢牛生長性能的影響時發現，補充硒可以提高飼料轉化率，但不會顯著影響犢牛的增重、體高、體長等指標。Haug等[53]的研究也表明，飼糧中補充硒未能對公牛的干物質采食量和生長性能產生影響。這可能與養殖環境、牛的年齡階段和生理狀態以及硒的添加形式、添加水平、添加時間等因素有關。

2.2 泌乳量和乳品質

硒對奶牛的泌乳性能和乳汁成分有重要影響。對于泌乳期奶牛而言，硒的營養生理功能不僅是增強乳腺組織的免疫能力，減少乳腺炎的發病率[54]，而且也是DIOs的活性中心，可以通過調節甲狀腺激素的表達而影響乳汁分泌[55]。另外，酵母硒等有機硒能提供氨基酸、維生素以及脂肪等多種營養物質和某些協調因子，調控糖類、脂質、蛋白質的轉化與合成[56]，進而影響乳品質。Wang等[57]研究發現，奶牛補充300 mg/kg DM的酵母硒，補充組產奶量和乳汁中硒含量顯著高于對照組。呼顯生等[24]研究發現，飼糧補充硒可顯著提高奶牛泌乳性能，減少體細胞數量，提高乳品質。王治華等[58]在奶牛飼糧中添加150 IU/d的維生素E和0.3 mg/kg的硒，結果表明，補充組泌乳量較對照組提高了19.03%，但各組間乳汁成分無顯著差異。郝宏曉等[59]研究補硒水平與奶牛生長性能的關系，飼糧中分別添加0.45、0.60 mg/kg的亞硒酸鈉，結果表明，產奶量相較于對照組分別提高了1.7和1.3 kg/d，且乳蛋白率也顯著上升。蔣昊[60]也研究發現，奶牛基礎飼糧中添加硒有提高產奶量的趨勢。Rabiee等[61]通過奶牛試驗發現，產前至泌乳期結束給奶牛補充含有硒的有機微量元素，可明顯提高乳脂率和乳蛋白率。Karkoodi等[62]報道，奶牛飼糧中添加有機硒可以有效改善乳成分，提高乳汁中乳脂和乳蛋白含量。但是，Ran等[63]研究發現，飼糧中添加酵母硒并不能顯著提高奶牛的產奶量。以上研究表明，飼糧中添加硒影響泌乳量和乳品質的相關研究結果雖存在一定差異，但從整體上看，補充硒可改善泌乳性能，并且不會對乳品質產生負面影響。

綜上所述，硒在提高牛的增重及泌乳量方面具有積極作用，對乳品質無不良影響。究其原因有三：一是硒能改善瘤胃微生物區系，通過增加瘤胃微生物的活性和豐度促進瘤胃發酵，提高牛對飼料的利用率；二是硒能提高機體抗氧化能力和免疫功能，使牛處于最佳的健康狀態；三是硒參與調控生長激素的合成與表達，增加機體基礎代謝，進而提高牛的生長性能，并在一定程度上改善乳品質。

3 硒對牛繁殖性能的影響

硒是維持牛生殖系統發育和繁殖機能正常運行的必需微量元素之一，其對繁殖性能的影響也是以硒蛋白形式實現的。氧化應激是導致牛繁殖性能受損的重要因子，硒蛋白及其代謝產物通過清除生殖系統和生殖細胞代謝過程中產生的過氧化氫與有機氫過氧化物，降低活性氧自由基對繁殖性能的影響[64-67]。

3.1 母牛

硒在母牛生殖過程的每個階段都起著重要作用。活性氧自由基能干擾包括前列腺素、卵泡素、黃體激素的合成以及卵母細胞成熟、受精過程、胚胎發育等繁殖機能[68-69]，含硒酶作為抗氧化劑可以保護生殖系統的結構與功能免受過氧化物的干擾及損害，進而改善母牛的繁殖性能。有研究表明，荷斯坦奶牛飼糧中添加硒可提高產犢時和產犢后血漿硒含量，且產犢后血漿孕酮含量的升高早于對照組，說明奶牛產犢前后補硒有利于促進產犢后黃體功能的恢復[70]。Ullah等[71]研究發現，奶牛飼糧添加0.3 mg/kg的酵母硒可提高血清孕酮含量和產奶量，降低血清皮質醇含量。Lizarraga等[72]研究結果顯示，給體外培養的亞伯丁安格斯牛初級卵母細胞補充硒之后，卵母細胞的活力和數量增加，補充10 ng/mL硒可顯著提高卵母細胞的活力和數量，促進胚胎發育。Khatti等[73]研究發現，圍產期奶牛基礎飼糧中添加80 IU/kg的維生素E和0.3 mg/kg的硒可顯著縮短產后首次發情時間，提高妊娠率，有效改善產后繁殖性能。還有研究表明，補充適量的硒可以降低圍產期奶牛乳腺炎、子宮炎發生率以及產后胎盤滯留率[74-75]。

3.2 公牛

硒除了對母牛生殖過程起重要作用，對公牛雄性激素分泌、生精組織發育和功能維持、精子發生、精液質量等也有重要影響。動物長期缺硒會損害生精組織，導致睪丸萎縮和曲精細管發育不良，影響精原細胞進行有絲分裂[64]。硒是維持精子發生的必需微量元素，精子成熟過程中硒被血漿硒蛋白P轉運到睪丸，在脂蛋白受體作用下，經睪丸足細胞吸收、合成、分泌為睪丸硒蛋白，參與精子的正常發生[76-78]。硒蛋白P缺陷可導致精原細胞中硒含量降低，有絲分裂受阻或停止，畸形精子增多，精液質量下降[79]。此外，硒也通過GSH-Px參與抗氧化作用，保護成熟精子免受活性氧自由基損傷。睪丸硒含量下降可引起GPx4表達水平降低，造成線粒體代謝過程中產生的活性氧自由基積累，進而破壞生物膜的完整性，導致精子活力下降，甚至功能喪失[80]。El-Sharawy等[81]研究得出，補充硒可以有效改善公牛精液質量和部分血液成分，每周2次補充10 mg/頭的賽樂硒或亞硒酸鈉可以顯著提高公牛的精子存活率、血清睪酮含量和精漿中果糖含量，降低精子畸形率，且有機硒的效果優于無機硒。Khalil等[82]研究硒納米顆粒(Se-NPs)對低溫保存荷斯坦公牛精子質量的影響，發現添加1.0 μg/mL Se-NPs可以提高解凍后的精子質量，降低脂質過氧化、細胞凋亡以及低溫保存造成的精子損傷，從而提高受精率。楊文瑾[83]研究發現，硒影響冷凍公牛的精液品質，添加亞硒酸鈉可顯著降低精子畸形率，并能有效改善體外存活時間。

4 硒對牛肉品質的影響

色澤、風味和營養物質含量等是衡量牛肉品質的重要理化性質[84]，它們反映肉的質地、新鮮程度、風味特征和營養特性。脂質氧化是肉質惡化的主要原因，肉中的氧化反應會影響肉色穩定性、風味物質含量和營養價值[85-86]。硒作為動物體內重要的抗氧化劑，其抗氧化功能對阻止肌紅蛋白或氧合肌紅蛋白變性、防止多不飽和脂肪酸氧化、減少滴水損失、維持肉色穩定、保持肉中營養成分具有重要作用。韓東魁[50]通過延邊黃牛試驗發現，基礎飼糧中添加0.2%的富硒和富鍺酵母培養物，肌肉中亞油酸和風味氨基酸含量均顯著高于對照組，且飽和脂肪酸含量相對較低。這說明補充適量的硒能增加牛肉的風味物質含量，降低脂質氧化速率，改善肉品質。Rossi等[87]研究發現，與在生長育肥牛飼糧中添加0.2 mg/kg亞硒酸鈉相比，添加相同水平的富硒酵母不僅有降低剪切力的趨勢，而且肉色、風味、亮度也有顯著改善。這說明補充有機硒提高了肉的嫩度和色澤穩定性，有利于延長貨架期。Cozzi等[88]對夏洛萊牛肉品質做了研究分析，得出基礎飼糧中添加硒可以有效改善肉品質，且富硒酵母組比亞硒酸鈉組具有更好的肉色和嫩度。徐娥等[89]研究發現，在育肥牛飼糧中添加有機硒可顯著提高牛肉中的硒沉積，硒的添加量為0.3 mg/kg時，牛肉的營養品質得到有效改善。

5 不同硒源的使用效果比較

在動物生產中，常見的硒源有兩大類，即由生物轉化而來的植物活性硒和金屬礦藏中獲取的無機硒。有機硒有富硒蛋氨酸、酵母硒、富硒藻等，酵母硒在動物營養中應用較為廣泛，而無機硒主要包括硒酸鈉和亞硒酸鈉[90]。不同化學形態的硒有著不同的生物效價，因此在畜牧生產中有必要研究牛適宜的添加硒源。有研究發現，添加硒的化學形態對過渡期奶牛血液淋巴細胞、紅細胞、血紅蛋白和紅細胞比容等無顯著影響，但是有機硒更有助于改善奶牛的健康狀況和繁殖性能[91]。El-Sharawy等[81]發現，添加不同來源硒的水牛血清睪酮和硒含量無顯著差異，但是與添加亞硒酸鈉相比，添加賽樂硒顯著提高了精漿中果糖含量和精子存活率。Beck等[92]研究有機硒和無機硒對斷奶犢牛營養狀況和免疫答應的影響，結果表明，硒酵母與傳統硒源相比，不僅具有更高的生物學利用效率，而且提高了血清硒含量和巨噬細胞吞噬功能。張清月等[43]研究表明，與添加亞硒酸鈉相比，硒代蛋氨酸和酵母硒具有更好的瘤胃發酵功能。孫玲玲[93]研究發現，中國荷斯坦奶牛飼糧中添加不同化學形態的硒對血清GSH-Px活性、泌乳量和乳品質均無顯著影響，Niwińska等[94]也研究發現，不同硒源對母牛-犢牛間硒轉移效率無顯著影響。表1為不同化學形式的硒使用效果比較，大部分研究認為有機硒生物安全性、生物學效價和適口性高于無機硒。

表1 不同化學形式的硒使用效果比較

有些研究認為，有機硒具有更高的生物學效價，有機硒的吸收率高于無機硒，組織中硒的沉積率顯著增加，毒性較小，在動物生產中的效果也優于無機硒。但是目前有機硒發揮營養生理功能的分子機制和作用機理尚不清楚。盡管學者們從不同的角度揭示了有機硒在動物體內發揮營養作用的機制，但是不同的研究結果之間還存在一定差異[95]，還需要繼續深入研究。

6 小 結

綜上所述，硒在牛生產應用中發揮著重要作用，硒不僅參與物質代謝調控，而且在維持機體正常生理功能和生長發育過程中也起著重要作用。它通過參與機體GSH-Px活性中心的構成，發揮調節抗氧化功能的作用，還可通過促進機體免疫器官與免疫細胞的方式來提高機體的免疫水平。此外，缺硒時補充硒能改善牛的瘤胃發酵模式，提高牛對飼料中有機和無機營養物的吸收利用率，進而促進各組織器官的發育，改善牛的生長性能、繁殖機能和肉品質等。目前，關于硒的基礎研究較多，但是硒在不同品種、不同性別或不同生長階段牛生產中的添加量、添加形式及其在機體內的轉化規律、作用效果等機理性研究還有待進一步研究。