氨基酸螯合锌的研究及其在水产动物中的应用

■孙 蓬 邢克智 白东清 陈成勋 郭永军 王庆奎 程镇燕

（天津农学院水产学院天津市水产生态及养殖重点实验室，天津 300384）

锌是鱼体所必需的微量元素，是目前确认的15种微量元素中生理功能最多的一种元素，微量元素锌分布于机体所有器官、组织和体液中（Chvapil，1973），是许多酶如碳酸脱氢酶、胰肽酶、金属酶、碱性磷酸酶、乳糖脱氢酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等多种酶的组成成分，以及某些酶如碱性磷酸酶的激活剂（Vallee等，1993）。锌不仅参与动物体内碳水化合物、脂肪、蛋白质、核酸、维生素以及微量元素等营养物质的代谢（王则民，1997），而且还在骨骼发育和皮毛生长、凝血、生物膜稳定等生理机能中担负着重要角色（Hughes，1985）；锌还参与胰岛素、胰高血糖素、生长激素、前列腺素及其他激素的合成与代谢（Jansen等，2009）；促进生殖器官和生殖机能的正常运行（王群等，2005）；参与味蕾细胞转化（Hoover等，1997），直接影响消化酶活性（许梓荣，2001）；并参与免疫和抗氧化的过程（Shi等，1998；Powell，2000）。

锌的重要性和各种缺乏症在陆生动物和人类中已得到公认（Underwood等，1997），由于锌普遍存在于环境和饲料原料中，使人们认为鱼类不会出现明显的缺乏症状。直到1973年，白内障在虹鳟（Oncorhynchus mykiss）中爆发，使人们认识到虹鳟不能利用白鱼粉中的锌。白鱼粉中过多的矿物质会影响鱼体对锌的吸收和累积，从而导致眼球白内障。虹鳟缺锌会导致生长缓慢，死亡率升高，眼球白内障，鳍和皮肤溃烂（Ogino等，1978），身体短小畸形等症状（Satoh等，1983）。轻度的锌缺乏，能引起免疫反应降低；锌严重缺乏时，引起鱼体生长停滞、食欲减退、死亡率增高、白内障、皮肤及鳍糜烂，出现体躯短肥症等明显缺锌症状（Marcelo等，2004；Gatlin等，1983；Watanabe等，1997）。鲶鱼饲喂含低锌的饲料，导致生长缓慢，厌食，骨中锌和钙的水平与血清中锌浓度下降（Gatlin等，1983）。在鱼的孵化期，投喂低锌饲料会降低产卵量及卵的孵化率（Takeuchi等，1981）。因此，锌是维持水产动物正常生长、繁殖及生理功能的关键因素之一，但仅靠从水体中吸收不能满足机体的正常需要，还必须从饲料中摄取，因此饲料被认为是鱼类主要的锌源。鉴于水产动物的饲料原料中存在一系列阻碍锌利用的因子，对锌的补充通常是必要的。

至今，微量元素锌的添加剂发展经历了三代：第一代锌产品为无机锌盐类，常用的为硫酸锌等。无机锌盐类的微量元素添加剂结构不稳定，由于带有结晶水，在饲料加工过程中易造成分解，引起饲料中其他营养成分潮解甚至失效，易与维生素发生拮抗，易与饲料中的植酸结合成难以被机体吸收利用的物质。但是因其价格低廉，至今仍得到广泛的应用；第二代为简单的有机酸锌盐类，比如葡萄糖酸锌和乙酸锌等，其稳定性好，但流动性较差；由于前两代的微量元素生物学效率低，并影响饲料中其他成分，再加上人们的环保意识逐渐增强，促使第三代微量元素添加剂螯合锌产生。氨基酸螯合锌作为一种营养全面、适口性佳、吸收率高、安全性好、诱食作用强的新型饲料添加剂，可以明显改善水产动物的生长性能，增强免疫功能，还可减少微量元素在饲料中的添加量，减轻排泄物中微量元素对环境的污染（Tippawan等，1995）。有研究表明，螯合锌与无机锌相比具有更高的生物利用率，螯合锌作为动物饲料添加剂引起制造商和养殖者的重视，可以作为提高动物生产性能的一种手段。

1 氨基酸螯合锌的概念和特点

1.1 氨基酸螯合物（锌）的概念

1996年美国饲料管理协会(Terry等，1998)(AAFCO)将“氨基酸微量元素螯合物”定义为：氨基酸微量元素螯合物是由可溶性金属盐中的一个金属元素离子同氨基酸按一定摩尔比，以共价键形式结合而成的一类具有独特环状结构的螯合物。其中水溶性氨基酸的平均分子量在150左右，生成的螯合物分子量在800左右。氨基酸同Mn、Cu、Zn等离子形成配位数为4且摩尔比为2∶1（氨基酸∶金属元素）的螯合物，螯合物中的金属离子称为中心离子（如铜、铁、锌、锰等），与中心离子螯合的分子称为配位体，配位体可以是单个氨基酸（如赖氨酸、蛋氨酸、甘氨酸等），也可以是复合氨基酸。金属离子（锌）与氨基酸螯合后形成了具有双重营养作用的新型添加剂，在补充饲料中微量元素（锌）的同时还可以补充氨基酸。

1.2 氨基酸螯合物（锌）的特点

1.2.1 化学结构稳定

无机态的锌仅是阴阳离子间形成离子键结构，而螯合物的锌离子不仅和氨基酸形成配位键，而且与其羧基构成离子键形成五元或六元环，锌离子被封闭在螯环内，较为稳定，而且氨基酸螯合锌分子内部电荷趋于中性，形成了稳定性的化学结构。

1.2.2 抗干扰性强，生物利用率高

螯合物中氨基酸对金属离子起保护作用，能防止金属元素在肠道变成不溶解的化合物，因而具有较高的吸收率和生物利用率(周毓平，1994)。无机态的微量元素在碱性条件下(如鱼的中肠)溶解度会降低（庆宁等，2003；Natalia等，2004）。氨基酸螯合微量元素生物利用率高的原因可能是金属元素与氨基酸形成螯合物后，分子内电荷趋于中性，可在消化道内保持良好的稳定性，受其它无机离子或拮抗物的影响小，不易与其他物质结合成不溶性化合物或被吸附在不溶性胶体上。氨基酸螯合锌吸收的两种假说也阐述了氨基酸螯合锌比无机锌具有更高的生物学利用率的可能原因（杨建梅等，2008），它能更好地促进动物的生产性能、免疫及抗氧化能力。

1.2.3 毒性小，可形成缓冲系统，调节肠道pH值

氨基酸螯合微量元素作为体内生化过程的中间产物，毒性反应小，安全性高，并且半数致死量远远大于无机盐。氨基酸螯合微量元素还可提供缓冲系统的作用，金属离子和有机配位体的反应为金属离子在介质中的浓度提供了一个缓冲系统，通过螯合物的离解或形成来保证金属离子浓度恒定，而机体又可以通过控制肠道及组织中pH值的水平反过来调节缓冲系统中游离金属离子的水平，为机体提供了一个可利用的金属离子蓄存池，使其维持在动物所需但无毒的浓度水平（钟国清，2003）。无机盐会影响胃肠内的pH值和体内的酸碱平衡，氨基酸螯合物为体内正常的中间产物，对机体很少产生不良的刺激作用，有利于胃肠道的消化吸收。

1.2.4 诱食性强，吸收快

氨基酸螯合微量元素是融和氨基酸与微量元素于一体，具有氨基酸特有的鲜香味，对鲑鳟鱼有诱食作用（Nelson，1991），同时弥补了饲料适口性差的缺点。易于被动物采食，利于胃肠道的吸收利用，同时可增强动物体内生物酶的活性，提高蛋白质、脂肪和维生素的利用率，大大提高了动物生长性能（江素梅等，2013）。氨基酸螯合微量元素进入动物体内后，按不同组织和酶系统对氨基酸的需要，将被氨基酸螯合的微量元素直接运输到特定的靶组织和酶系统中，通过酶和组织的作用释放出微量元素，以满足机体的需要（袁书林等，2002）。这样就节省了吸收无机微量元素所需的时间，促使氨基酸螯合微量元素在机体内被快速高效地利用。

1.2.5 改善免疫力，减少病害

氨基酸金属螯合物在结构上与动物体内酶的形态有些类似，可作为“单独单元”在机体内起作用，可以提高细胞免疫和体液免疫功能（张洪波，2003），增强抗菌能力，防止病害侵袭。适量的锌可提高血液中性粒细胞和腹腔吞噬细胞的杀菌作用。T淋巴细胞对缺锌是特别敏感的。动物在缺锌的条件下，免疫脏器明显萎缩，T细胞亚群、淋巴因子活性发生变化（吴玉臣等，2004）。高锌会使动物出现生理紊乱，胸腺重量减轻，胸腺肽含量及活性降低，胸腺激素活性受到抑制，从而抑制了T淋巴细胞的增殖和分化功能，使T淋巴细胞的分化出现障碍（吴红岩，2007）。

1.2.6 减少环境污染

生产中广泛使用高锌饲料虽然能够促进动物生长，提高饵料利用率，但由于无机锌的生物利用率较低，大部分未被吸收的锌会随粪、尿排出体外，导致环境污染和资源浪费（辜玉红等，2004）。有机锌具有较高的生物利用率，许多研究表明，在饲料中添加低水平的有机锌，能够达到与高剂量无机锌同样的促生长效果，而锌的排泄率大幅降低。因此，有机锌能降低养殖业中的锌污染。Carlson（2004）在乳猪饲料中分别补充多糖类锌125 mg/kg、蛋白锌200 mg/kg和氧化锌2 000 mg/kg，各组平均日增重和饲料转化效率没有明显差异，但添加200 mg/kg蛋白锌组与2 000 mg/kg氧化锌组相比较，每天从粪、尿中排出的锌分别降低了6.2倍和91.6倍。Case等（2002）发现，在乳猪饲料中分别补充多糖类锌500 mg/kg和氧化锌3 000 mg/kg，各组比补充氧化锌150 mg/kg的饲粮组，提高了乳猪平均日增重和采食量；有机锌组和无机高锌组在增重和采食量上没有差异；有机锌组粪、尿锌的日排放量，分别低于高锌组3.2倍和2.9倍，差异显著。

2 氨基酸螯合盐（锌）的吸收机制

2.1 完整吸收机制假说

完整吸收机制假说认为锌与氨基酸螯合后通过肽和氨基酸的吸收机制被小肠组织以整体形式被完整吸收利用，而无机态微量元素几乎不能透过肠壁，需要与肠道内的氨基酸或小肽结合形成有机形式才能穿过肠壁黏膜被吸收（Glover等，2003、2004）。此观点的核心是金属离子以共价键和离子键与氨基酸的配位体配合，被保护在络合物的核心，并且金属螯合物以整体形式穿过黏膜细胞膜、黏膜细胞和基底膜再进入血液。此过程是一个耗能的过程，因此与无机锌相比，氨基酸螯合锌能节省能量，并且可以直接快速的被机体吸收，从而具有更高的生物学利用率。Found（1974）证明位于具有五元环或六元环中心的金属离子可以直接通过小肠绒毛刷状缘，以胞饮的形式吸收。Koike等（1964）根据双标记锌-EDTA络合物中的65Zn和14C在雏鸡血液中的等比例含量，推断锌-EDTA络合物可完整吸收。而Hill等（1987）发现双标记蛋氨酸锌螯合物的14C和65Zn在鼠外翻肠囊中的吸收不成比例，因此认为氨基酸锌络合物不能完整吸收，并且在肠囊培养物中添加ZnCl2、蛋氨酸锌和赖氨酸锌的结果表明，有机锌和无机锌的生物学效价相似。

2.2 竞争机制假说

金属螯合物中微量元素的吸收利用率高可用竞争吸收机制来解释。竞争机制假说认为螯合程度适宜的有机微量元素络合物或螯合物进入消化道后，可以避免肠腔中沉淀剂对矿物元素的沉淀或吸附作用，而直接到达小肠刷状缘，并在吸收位点处发生水解，其中的金属以离子形式进入肠上皮细胞，并吸收进入血液，因此进入体内的微量元素量增加（Ashmead，1993）。无机锌以Zn2+存在，易与饲料中的植酸结合成难以被机体吸收利用的物质，从而降低锌在肠道吸收的量（Apines等，2003）。这一观点强调的是有机微量元素到达吸收部位的量比无机形态的多。

由于目前尚无直接试验证据证明哪一种假说更符合有机锌在肠道中的吸收情况。因此，对有机锌的作用机制还需要进行深入研究。

3 氨基酸螯合锌在水产动物中的应用

现今，氨基酸螯合锌已广泛地应用于畜禽业（Puchala等，1999；Swiatkiewicz等，2001）。在水产动物上，对鱼类（Apines-amar等,2004；Paripatananont等,1995；Satoh等，2001）和鲍（Tan等，2001）也已经做了一些氨基酸螯合锌的研究。

3.1 对生物利用率的影响

徐学明等（2002）报道，氨基酸螯合锌在预混料中具有较好的稳定性，对维生素E和维生素C的破坏作用明显小于无机盐。Paripatananont等（1995）在以蛋清或大豆为基础的精制饲料中添加Zn-Met或ZnSO4喂养1龄的斑点叉尾鮰10周，结果表明在蛋清饲料组，Zn-Met和ZnSO4的添加量分别为5.58 mg/kg和18.94 mg/kg时鱼体获得最大体增重，Zn-Met和ZnSO4的添加量分别为6.58 mg/kg和19.91 mg/kg时骨骼中锌达到最大沉积量；而以大豆为基础的饲料组，Zn-Met和ZnSO4添加量为5.91 mg/kg和30.19 mg/kg时鱼体获最大体增重，Zn-Met和ZnSO4的添加量分别为12.82 mg/kg和≥80 mg/kg时骨骼中锌达到最大沉积量。Apines等（2003）在含有锌30 mg/kg的半精制饲料中添加1.5%的植酸和4%的磷酸钙，并且额外补充氨基酸螯合锌和硫酸锌，结果发现氨基酸螯合锌组的虹鳟末增重显著高于添加相同剂量的硫酸锌组，表明氨基酸螯合锌在植酸或磷酸钙的存在下仍具有较高的生物学优势。Hardy等（1987）曾报道，投喂氨基酸螯合锌的虹鳟体内的Zn含量明显高于投喂ZnSO4的虹鳟。Wedekind等（1992）在肉仔鸡上的试验证明，以生长速度和胫骨中锌含量作为评价指标，在精制日粮、半精制日粮和玉米-豆粕型日粮中添加的蛋氨酸锌，其生物学效价（生物学效价设为100%）分别是一水硫酸锌的117%、177%和206%。虞泽鹏等（2002）分别以肉仔鸡的胰脏锌含量、胫骨锌含量和血清磷酸酶作为评价指标，测得蛋氨酸锌的生物学效价分别是硫酸锌的133.93%、108.35%和105.94%。周锦兰等(2002)分别以粗灰分重、锌含量和日增重为评价指标，测得蛋氨酸螯合锌的生物学利用率比无机锌分别提高了43%、55.3%和33.6%。Ashmead(1992)研究表明，动物肠道中蛋氨酸锌比碳酸锌、硫酸锌、氧化锌等无机形式的锌有更高的吸收比率。然而Li等（1996）在斑点叉尾鮰上却发现蛋氨酸螯合锌的生物学效价与硫酸锌相当。而近期的研究也有类似矛盾的结果，Savolainen等（2010）发现羟基蛋氨酸螯合锌与硫酸锌相比，在提高杂交条纹鲈生长性能方面没有显示出优势，相反降低了血清锌含量。然而，更多的研究表明了有机锌具有更大的优势。

3.2 对免疫机能的影响

Lin等(2013)报道，用有机锌和硫酸锌分别饲喂凡纳滨对虾，发现有机锌可以更显著提高凡纳滨对虾的生长、存活和免疫力。王洪荣等(1994)指出，蛋氨酸锌饲喂奶牛可降低奶中体细胞数和乳房炎患病率，减少腐蹄病的发生。Dudley-cash（1997）报道，给肉鸡补充蛋氨酸锰和蛋氨酸锌可减少肉鸡球虫病的发生，降低因球虫病所致的死亡率。Nockels（1994）在比较蛋氨酸锌对动物免疫机能影响的试验中发现，与等量的氧化锌相比，蛋氨酸锌可提高雏鸡、断奶仔猪和绵羊的免疫力。在产蛋鸡日粮中，添加氨基酸锌与添加硫酸锌相比，55～59周龄期间添加氨基酸锌组鸡的死亡率较低且抗体水平较高(杨人奇等，2003)。Ahn等(1998)也报道，与氧化锌（ZnO）添加量相同时，蛋氨酸锌能提高仔猪血清IgG含量。

3.3 对抗氧化功能的影响

Apines等(2003)]用3种含有不同形式微量元素的饵料投喂1.11 g的虹鳟15周，第一种微量元素添加Zn-SO4、MnSO4、CuSO4，第二种为ZnSO4、MnSO4和Cu-AA，第三种为Zn-AA、Mn-AA、Cu-AA。结果表明Zn-AA、Mn-AA、Cu-AA组的碱性磷酸酶活性显著高于其他组，且微量元素吸收效果也好于前两种。Apines-amar等（2004）在含锌量为40 mg/kg的虹鳟饲料中分别添加锌水平为40 mg/kg硫酸锌，40、20 mg/kg的氨基酸螯合锌，将这三种饲料分别记为SF、AM、AM-Hf，结果发现AM-Hf组虹鳟生长性能、酶活力及组织沉积与SF组相当，而AM组虹鳟的碱性磷酸酶、DNA聚合酶、CuZn-SOD活性均比SF组高，表明氨基酸螯合锌是一种更有效的锌源添加形式。在杂交条纹鲈（Buentello等，2009）以及真鲷（pagrosomus major）（Sarker等，2007）上也有类似报道。成廷水（2004）研究表明，添加氨基酸锌可显著提高45周龄蛋鸡肝脏组织的总抗氧化能力（T-AOC）和谷胱甘肽（GSH）含量，降低组织脂质过氧化产物丙二醛（MDA）的生成；显著提高脾脏组织超氧化物歧化酶（SOD）活性和GSH含量，降低MDA的含量。在小鼠上的研究结果表明饲粮中添加蛋氨酸锌可显著提高碱性磷酸酶（AKP）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、T-AOC，总SOD、铜锌超氧化物歧化酶（CuZn-SOD）活性（虞泽鹏等，2005）。试验证明，缺锌大鼠血清锌含量和AKP活性降低，红细胞谷胱甘肽S转移酶水平升高，GSH浓度下降，红细胞抗氧化功能不全（Kraus等，1997）。在大鼠的试验中发现，严重和中度锌缺乏导致蛋白质、脂肪和DNA的氧化损伤，可能是由于锌依赖性抗氧化功能的下降而引起的（Oteiza等，1995）。另外，研究还表明，缺锌显著降低血液和肝脏GSH含量和SOD活性，增加MDA的含量，补锌显著减少内源MDA的形成（Shaheen等，1995）。可见，氨基酸螯合锌对于维持动物机体的抗氧化系统是不可或缺的营养素添加剂。

4 氨基酸螯合锌在水产业中的应用前景及存在的问题

4.1 生产工艺不完善、产品成本较高

氨基酸螯合锌在水产动物中的优势显而易见，但是由于生产工艺复杂，市售价格和成本较高，制约了其广泛的应用。因此需要对氨基酸螯合锌产品开发加大投入，改进加工工艺，降低生产成本，生产出符合市场需要的氨基酸螯合锌产品。

4.2 吸收利用机制研究较少

现在氨基酸螯合锌在水产动物中的应用主要集中于营养学方面，如生长率和增重率等传统指标的研究，但有关氨基酸螯合锌在鱼虾体内的吸收机理和利用机制研究较少，有待于进一步研究。搞清楚氨基酸螯合锌在机体内的代谢机理，可为氨基酸螯合锌的推广提供理论基础。

4.3 产品质量不稳定、缺乏质量管理体系

目前国内的氨基酸螯合锌在水产和畜禽中应用日益广泛，然而许多使用相同类型氨基酸螯合锌产品的试验结果差异较大，影响因素除试验设计、动物类型和试验过程的控制外，很重要的一条就是产品质量。但质量管理体系还处于完善过程中，这正是目前氨基酸螯合锌推广过程中所面临的问题。

设计配方时，若饲料中添加氨基酸螯合锌，则可以考虑将锌的添加量较无机盐减少一半以上。但是还应考虑到饲料中氨基酸的平衡，并相应减少与锌螯合的氨基酸的量。

随着饲料行业的不断发展，相关政策出台，锌元素作为一种专业性较强的添加剂，产品结构及技术含量也将发生根本性改变。尽管在一定时期内，锌元素饲料添加剂仍将是无机锌、有机锌及氨基酸螯合锌等多种形态产品并存，但从节约资源和保护环境角度出发，饲料中无机锌用量会逐年下降，而安全高效、生物学效价高的氨基酸螯合锌市场空间将越来越大，有望成为未来微量元素锌市场的主导产品。