铜在奶牛上的营养作用研究

敖·德古里那， 张 楠， 焦蓓蕾， 杨春生， 王 静， 贺永强

(内蒙古蒙牛乳业(集团)股份有限公司，奶源事业部质量技术管理中心，内蒙古 呼和浩特 011500)

铜在自然界含量丰富，分布广泛，不仅应用于工业生产，更在动物体营养调控上有一定的价值。国外学者对奶牛微量元素铜的需要量已有了深入的研究，在各版本的NRC奶牛饲养标准中都给出了铜元素的需要量，但是由于我国奶牛业起步较晚，对于微量元素的添加及应用没有科学的参考依据，研究也较为有限，因此，在一定程度上对于微量元素的研究制约着我国奶牛业的快速发展。铜作为奶牛体内必需的微量元素之一，在奶牛的生长性能、生产性能、免疫能力、繁殖性能及抗氧化性能等都发挥着重要作用。近年来，随着我国畜牧业的快速发展，微量元素铜作为动物体所必需的矿物质元素添加剂越来越受到人们的重视，人们对铜的研究也越来越深入。

1 铜概述

1.1 铜简述

铜广泛存在于地壳和海洋中。铜在地壳中含量约为0.01%自然界中的铜多数以化合物的形式存在。铜属于IB族过渡金属，在常温下为紫红色固体，+2价铜是最常见的价态，它可以和绝大部分常见的阴离子形成盐，常见的一些铜化合物有硫酸铜(CuSO4)、氧化铜(CuO)、氯化铜(CuCl2)等。

铜作为动物体必需的微量元素，广泛分布于各种生物组织中，在奶牛机体中主要以金属蛋白的形式存在，并以酶的形式起着相关功能作用。每个含铜蛋白的酶类都有其特定的生理生化学效应，并对生命过程都起着十分重要的作用。

1.2 动物饲料中铜源的选择

微量元素铜是动物体必需的微量元素，但是由于铜在自然界中存在形式多种多样，动物对于不同形式铜的吸收率是完全不同的。铜作为动物饲料添加剂可以简单的划分为无机铜源和有机铜源两大类。无机铜包括硫酸铜、氧化铜、碳酸铜和氯化铜等，奶牛从不同化合物中摄取铜能力从大到小顺序为：碳酸铜、硝酸铜、硫酸铜、氧化铜、二氧化铜、铜丝。其中由于五水硫酸铜水溶性好、含铜量高、生物利用率高等特点其成为了目前人们首选的补铜剂之一。有机铜源主要包括氨基酸螯合铜和蛋白铜盐。在动物营养研究中，常见的氨基酸络合铜有蛋氨酸络合铜、赖氨酸络合铜和甘氨酸络合铜，由于甘氨酸铜的纯度高达90%以上，晶体结构好，结构稳定，水溶性高，吸收率高的特点，并且有机铜不会受到如钼、锌及铁等金属离子的影响而产生拮抗作用，谷甘氨酸铜是目前作为有机铜源主要的补铜剂[1]。

1.3 铜在动物机体的内含量及分布

微量元素铜虽然在动物体内含量很低，但却广泛分布于动物机体内各种组织和细胞中。大部分以结合态的形式存在，小部分以游离状态存在。动物机体各组织中含铜量随年龄、性别及日粮含铜量水平的高低而发生变化。正常来说，健康成年奶牛体内含铜量约为80 mg。在新生犊牛机体中含铜量是最高的，平均约含13～14 mg。在动物体组织中，铜主要分布在心脏、肝脏、肾脏、脑、毛发等部位。其中肝脏、骨骼、脑和毛发属于高铜含量器官。肝脏作为高铜含量器官，是动物机体铜主要贮存的场所也是主要的代谢器官。已有学者研究表明[2]，肝脏铜含量是评价动物机体铜状况的一项十分敏感指标，当日粮中铜水平高于动物体的需要量且不至于使动物铜中毒时，动物体内铜含量与日粮铜水平呈正相关关系。另外，血液中铜含量也可以作为评价动物体铜营养的重要指标[3]。

1.4 动物体内铜的代谢

奶牛体内的铜主要通过采食饲料获得，当奶牛从饲粮中摄取的铜进入消化道后，铜在奶牛小肠前段(主要为十二指肠前段)中被有效吸收。日粮铜经小肠上皮细胞吸收后在其表面铜结合蛋白介导下穿越肠基底外侧膜进入血液并循环至肝脏，同时在肝细胞膜表面铜转运蛋白介导下由血液将铜运送至身体的各个器官并发挥相应作用[4]。铜在机体的吸收率通常只有5%～10%，而日粮中90%以上的铜经过肝脏随胆汁排泄到消化道，再由粪便排出体外，只有微量铜通过尿和汗液排出。另外，动物体消化道中过量的铜元素与胆汁中的氨基酸结合，两者形成复合物后随着粪便排出体外[5]。铜在奶牛体内的吸收机制一种是可饱和的主动运输，另一种是不饱和的扩散过程。这两种吸收机制取决于饲料中含铜量的高低，当饲料中含铜量较低时机体通过可饱和的主动形式来转运铜；当饲喂高铜饲料时，铜的转运主要是不饱和的扩散过程起主导作用[6]。奶牛体内铜具体的代谢过程如图1。

图1 动物体内铜代谢过程

1.5 铜促生长作用

铜作为动物体内必需的微量元素之一，其营养功能已被我们熟知，在饲料中添加适量的铜便可以提高奶牛的生长性能，对奶牛的生长育肥有很好的促进作用。自1945年Braude首次发现，在猪饲料中添加高剂量的铜可显著提高猪的饲料利用率和生长率后，铜作为动物一种高效的促生长剂被广泛的用于实际生产中。Ward等[7]在开食及生长阶段的育成牛饲料中补铜即可增加牛的干物质采食量。Arthington等研究也发现[8]，在育成牛的草料中添加铜，其干物质采食量可比未补铜的有显著提高。黄应祥等[9]在8月龄以上的奶牛饲料中添加中等剂量的铜，饲喂93 d，结果表明奶牛平均日增重提高了11.9%，每1 kg增重耗能降低了12.1%。

以上研究结果表明，饲粮中添加铜具有促进奶牛生长发育的作用。追究其内在原因，是因为铜能够影响奶牛体内促生长激素和生长相关因子的合成和分泌，从而调控奶牛体内蛋白质的沉积，最终发挥出促进动物生长的作用。近年来随着现代分子生物学的快速发展，人们也从分子水平上确定了铜元素对促生长激素合成与分泌的作用。铜元素的促生长作用主要是铜能够调节促生长激素的合成和分泌[10]。在奶牛日粮中添加铜，其能够通过动物体血脑屏障在动物的脑中进行积累，并在转铜蛋白的作用下传递给动物机体相应的含铜蛋白，提高脑细胞内各种含铜酶的活性，并刺激下丘脑释放生长激素释放激素(GH-releasing hormone，GHRH)，从而影响激素GH的分泌，促进机体生长[11-13]。

1.6 铜影响生产性能

铜对于奶牛的生产泌乳性能有着重要的影响。研究表明，在日粮中添加适当浓度的铜可以提高饲料的转化率，提高奶牛产奶量和改善乳品质。刘曦等[14]的研究指出，在奶牛日粮中添加24 mg/kg的螯合铜，饲喂60 d，其产奶量提高27.8%，乳蛋白提高7.72%。黄志秋等[15]为奶牛饲喂7.6 mg/kg的铜，结果表明，奶牛泌乳量提高7.66%～9.61%，且其乳脂率干物质含量未降低。另有文献指出，在荷斯坦奶牛饲料中添加10 mg/kg和40 mg/kg干物质铜，结果表明，降低了牛奶乳脂中反式脂肪酸C18烯酸和C18共轭二烯酸的含量[16]。铜能够改善奶牛的生产性能可能是因为，饲粮中带正电的铜离子进入到奶牛瘤胃中，与带负电的瘤胃微生物相结合，从而增加了瘤胃微生物对植物的附着，满足了瘤胃微生物群落生长的需要，增加了细菌对植物纤维的降解，从而提高了饲料转化率，增加了产奶量[17]。对于乳品质的改善，可能是因为饲粮中铜影响了瘤胃微生物对脂肪的氢化作用，从而降低了乳脂中某些脂肪酸的含量，使乳脂含量降低。

1.7 铜影响机体免疫功能

铜元素在维持动物机体正常的免疫功能方面发挥着重要的作用[18]。铜通过参与机体免疫球蛋白的形成和免疫相关酶类的调节，在不同程度上影响机体的免疫器官、体液免疫、细胞免疫。铜缺乏引起淋巴免疫器官的病理损伤和体液免疫、细胞免疫以及非特异性免疫功能降低[19]。许多研究学者在大鼠及肉鸡上的研究表明，当铜缺乏时，动物机体胸腺、脾脏会发生不同程度的萎缩，重量减轻以及淋巴细胞减少等症状；当补充铜时，动物机体迅速恢复免疫功能并促进胸腺增长[20-21]。对于体液免疫，许多研究证实，铜缺乏可引起T淋巴细胞和单核细胞(MNC)中的白细胞介素-2(IL-2)分泌减少[22-23]，补充铜，能促进奶牛T淋巴细胞的成熟或转化[24]。分析其原因，可能是因为动物体铜缺乏会导致铁代谢的障碍，从而使动物脾脏肝脏和淋巴组织中与铁有关的血黄素沉积，血黄素的沉积诱导机体发生化学反应，产生具有极强毒性的羟自由基，使动物T淋巴细胞单位成熟机制受到影响，进而影响动物的免疫系统。而在细胞免疫的研究中，有学者指出铜缺乏可致奶牛淋巴细胞内细胞色素氧化酶活性降低，使细胞内三磷酸腺苷(ATP)生成减少，从而造成动物机体IgG合成受阻[24]。另有学者观察指出，轻度铜缺乏也能引起乳牛嗜中性白细胞杀菌活力降低，补铜可以提高嗜中性白细胞的功能或恢复缺铜动物嗜中性白细胞杀菌活力[25]。

1.8 铜对繁殖性能的影响

动物的繁殖性能是制约动物周转与出栏的一个因素[26]。近年来，国内外许多研究表明，铜与奶牛的生殖存在极为密切的关系。一些学者认为，动物在进行繁殖活动时需要比维持正常生理活动需要更多的铜，因此，想要提高动物的繁殖性能，在动物繁育期间必须要保证铜的需要量，从而来保证繁育后代的效果达到最佳。在动物机体内，特别是像奶牛等大型反刍动物体内，缺铜会导致红细胞和结缔组织在动物胚胎发育阶段产生缺陷。由于红细胞不能持续地供给母畜和胎儿，所以缺铜会引起分娩困难、流产、死胎等情况从而动物降低繁殖性能[27]。奶牛缺铜时会导致母牛发情迟缓甚至受到抑制，也会导致其卵巢机能低下从而导致分娩困难，胎衣不下[28]。微量元素铜主要影响奶牛机体卵巢促黄体素的分泌，对于奶牛维持发情与妊娠具有明显作用。而对于种公牛来说，种公牛精液中铜含量与精子的密度与活性在某一范围内呈正相关关系。而在很多原发性缺铜的草场，适量的补饲铜元素可以防止母牛的发情紊乱，并能够减少奶牛产后胎衣不下、子宫炎的发生率，保证犊牛的成活率。有研究指出，给荷斯坦奶牛注射铜，其受胎率从53%提高到67%[29]。还有研究指出，给荷斯坦牛中补充铜，其受胎率从53%提高到72%。另有研究表明，给血铜浓度低的奶牛中补充铜，可以改善奶牛繁殖力，提高其受胎率[30]。对于公牛而言，金穗华等[31]研究指出，铜浓度与精子活力在一定范围内呈正相关，到达峰值后逐渐下降。铜改善奶牛的繁殖性能主要是由于铜元素能够促进动物机体垂体释放生长激素(GH)、促甲状腺素(TSH)、促黄体素(LH)和促肾上腺皮质激素(ACTH)的分泌，从而影响肾上腺皮质类固醇和茶酚胺的合成，进而影响奶牛繁殖力。对于公牛来说，铜可以提高前列腺素与受体的结合力，促进前列腺素E2(PEG2)的作用，从而引起公牛LH水平提高，并使睾酮分泌增加。

1.9 铜与抗氧化性能

动物机体的健康与机体自身防御系统息息相关，特别是对于奶牛这种高产动物来说，高强度的代谢特别容易使动物产生氧化应激反应，进而引起奶牛多种慢性疾病，并对奶牛的生产性能产生极其严重的影响，因此抗氧化性能对动物的健康以及生产起着重要作用。现阶段，由于我国奶牛泌乳量不断提高，奶牛缺乏铜的亚临床病例不断增多，对于奶牛的生产产生了巨大的影响，从而影响了经济效益的增加。许多研究都表明，动物的抗氧化能力在一定程度上决定着动物机体本身抵抗这些自由基危害的能力。有学者指出，动物机体在新陈代谢过程中产生的氧自由基，会刺激机体生物膜中的多不饱和脂肪酸，从而引起脂质发生过氧化作用，并且氧化反应中产生的分解产物能够引起细胞损伤，从而危害机体健康[32]。铜作为动物体必需的微量元素，主要通过影响机体抗氧化酶活性来发挥抗氧化作用。铜是超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和血浆铜蓝蛋白(CP)的重要组成成分，这些酶可保护细胞免受氧代谢的毒性影响，维护动物细胞结构和功能的完整性。许楚楚等[33]的研究指出，泌乳奶牛血浆中血浆铜蓝蛋白、总抗氧化能力(T-Aoc)与铜含量密切相关，铜缺乏与动物体的总抗氧化能力呈极显著的负相关关系。分析其原因是因为奶牛机体在正常情况下，其抗氧化能力和不断产生的氧自由基的氧化能力保持着动态的平衡关系，以确保奶牛机体组织免于氧化损伤。而当奶牛处于围产期，特别是处于应激状态时，奶牛体内会产生出大量的自由基，破坏了机体抗氧化能力与自由之间的动态平衡使抗氧化能力下降或者自由基产生异常增多则导致组织的氧化损伤，从而促发奶牛的多种疾病[34-35]，当奶牛机体缺乏铜时，抗氧化酶系活性降低，超氧阴离子自由基和过氧化氢积累。从而攻击生物膜，使细胞膜功能和结构发生变化，从而导致细胞机能降低，使奶牛机体组织中SOD和GSH-Px活性降低，致使多种酶失活机体的抗氧化能力下降。

2 铜的需要量

奶牛对于微量元素铜的需要量受到多种因素的影响，其中包括年龄、生理状况、产奶状况及饲料组成成分等。NRC奶牛饲养标准中采用析因法确定奶牛对于铜的需要量，奶牛体内铜最低需要量为10 mg/kg，最大耐受量为100 mg/kg，当奶牛从日粮中摄入铜量超过了其最大耐受量，就会导致奶牛铜中毒。奶牛组织生长所需的铜约为1.15 mg/kg体增重，初乳分泌时铜的需要量为0.6 mg/kg，常乳约为0.2 mg/kg，奶牛在妊娠早期(<100 d)时胎盘及子宫组织铜的需要量为0.5 mg/d；另外，铜在奶牛体内内源性损失大约为71 μg/kg·bw，对于体重在650 kg，日产奶量为40 kg的高产奶牛来说，其铜的需要量为15.7 mg/kg[36]。

3 小 结

综上所述，铜作为动物体必需的微量元素之一，在动物体内发挥着重要的作用。不仅参与动物体的生长和生产，对于动物的繁殖、免疫及抗氧化都有着极其重要影响。随着铜元素在奶牛营养调控中研究深入，人们可以通过对微量元素铜的营养调控来最大限度地发挥动物的生产潜力并提高经济效益。但是我们对于铜在奶牛营养调控的研究中也面领着巨大的挑战，例如铜在奶牛日粮中具体添加量；如何避免在铜元素的添加过程中与其他金属元素的协同及拮抗作用，从而避免浪费，达到最佳的生物学效应，这些都是今后研究的难点及重点。因此，我们在今后的研究中，要在确定奶牛品种、生理阶段及饲养方式的基础上结合当地资源的现状，选择出适宜的铜源及铜添加水平，从而使动物的生产达到最佳。