多糖微量元素络合物的饲料化应用研究进展

王志，李彦卿，庄伟，陈震，刘金乐，柳东，赵安琪，吕永坤，熊文龙，许敬亮，应汉杰

（1 郑州大学化工学院，河南郑州450001； 2 郑州大学生命科学学院，河南郑州450001； 3 南京工业大学生物与制药工程学院，江苏南京211816； 4 信阳师范学院生命科学学院，河南信阳464000； 5 郑州大学农学院，河南郑州450001）

引 言

微量元素如铬、钴、铜、碘、铁、锰、钼、硒和锌等，对动物的正常生命活动起着尤为重要的作用，它们是细胞代谢、免疫调节、骨骼形成、酸碱平衡调节等生理活动不可缺少的物质，也是很多激素和酶的必需成分或辅助成分[1-3]。虽然动物对这些微量元素的需求量很少，但它们无法被其他营养物质取代，微量元素摄入过量或不足都会引起各种相关疾病的发生，甚至形成致命危害[4-5]。

对动物而言，微量元素可分为两大类，即无机微量元素和有机微量元素。无机来源是常见的硫酸盐、氧化物、氯化物、碳酸盐金属元素，它们可能与胃肠道中的纤维、植酸、单宁、草酸、硅酸盐或其他矿物质相互作用，从而干扰其吸收[6]。另一类有机微量元素通常被称为“螯合物”或“络合物”，美国饲料管理官员协会（Association of American Feed Control Officials，AAFCO）于2001年制定出有机微量元素的定义，即微量元素与蛋白质、氨基酸、有机酸、小肽、多糖及其衍生物等有机分子通过共价键或离子键结合形成的络合物或螯合物[7],有机微量元素分类见表1。与无机微量元素相比，有机微量元素有着无须配体、稳定性好、吸收率高、满足动物高峰需求时速补、环境污染小等显著优势[14-16]。

多糖作为一种天然高分子化合物，因其独特的生物功能在抗氧化、抗肿瘤、降血糖和免疫调节等方面具有很大的研究和应用价值，已经在食品、医疗、化妆品等领域得到广泛应用[17–20]。多糖分子大多含有羟基、氨基和负氧基等活性基团易与多种金属离子通过化学和物理吸附形成复合物，发挥更优异的生物学效果[21]。特别是自2020 年7 月1日“禁抗令”的颁布起，饲料生产企业停止生产含有促生长类药物饲料添加剂（中药类除外）的商品饲料。意味着抗生素将禁止使用，这将会导致动物的生长生产周期增加、染病率上升等问题，而绿色、安全的多糖微量元素络合物，可提高动物免疫力，是替代抗生素使用的绿色动物饲料添加剂[22-23]。近年来，糖生物学的研究快速发展，多糖微量元素络合物的研究也进入迅速发展阶段。至今已有一些关于多糖微量元素络合物方面的综述报告，但多局限于局部方面的研究[21,24]。本文从多糖微量元素络合物的制备工艺、结构及在养殖业中的用途等方面系统综述了多糖微量元素络合物的最新研究进展。

1 多糖微量元素物络合物的合成

自然界中存在一些天然多糖微量元素复合物，研究者们已经从植物中提取这些复合物，其中，富硒多糖因其抗肿瘤功能备受关注[25–29]，但这些复合物中微量元素含量很少，并且植物生长时间也相对较长[30]，因此，高效、高微量元素含量的人工合成多糖微量元素络合物引起了广泛关注。多糖含有多种活性基团(如羟基、羧基和醛基等)，其复杂的空间结构使这些活性基团能与金属盐化合物反应，得到相应的多糖微量元素络合物产品[31]。锌、铜、硒、铁和锰是动物饲料中通常添加的关键微量元素[32]，它们都能够通过对应可溶性金属盐与多糖发生络合反应的方式与多糖结合，其中硒元素较为特殊，一般采用亚硒酸钠（Na2SeO3）或者亚硒酸（H2SeO3）与多糖络合。生物法合成多糖微量元素络合物能够将无机微量元素转化为有机微量元素，并且反应过程温和，具有良好的生物功能和安全性[21]，过程一般包括：（1）多糖的分离纯化；（2）多糖与可溶性金属盐溶液（FeCl3、ZnSO4和CuCl2等）的络合反应，络合物的合成工艺条件则需要根据多糖分子类型选择；（3）多糖微量元素络合物的纯化[图1（a）]。另外，产胞外多糖微生物在富含微量元素的人工培养基中生长，可快速合成多糖微量元素复合物[图1（b）]，与植物多糖富集微量元素相比具有生产效率高、成本低的特点，具有广泛的应用前景。

表1 有机微量元素分类Table 1 Classification of organic trace elements

图1 多糖微量元素络合物的制备Fig.1 Preparation of polysaccharide trace element complexes

已报道的用于络合微量元素的多糖根据来源可分为植物多糖、藻类多糖、微生物多糖及节肢动物的壳聚糖，其中壳聚糖因其来源丰富和成本低廉，近年来已被广泛报道和总结用于制备壳聚糖微量元素络合物[24,33–35]，本研究主要总结植物多糖、藻类多糖和微生物多糖与微量元素络合物的人工合成。

1.1 植物多糖与微量元素的络合

多糖是植物细胞壁的主要组分，按照其功能不同可分为膳食多糖和中草药多糖。前者主要包括淀粉、纤维素和果胶等多聚糖；后者一般特指从黄芪、当归、人参等中草药中提取的一类活性多糖，因具有抑菌、抗病毒和促进免疫等作用，在动物饲料方面已经得到应用[36-39]，也是络合微量元素的主要多糖类型（表2）。

根据络合物的配位理论，多糖可通过羟基提供的孤对电子基团与金属元素发生配位反应，释放出H+，形成多糖微量元素络合物。因此，溶液的酸碱度是影响络合物微量元素含量的主要因素之一，可以决定多糖表面电荷和金属离子形态。多糖络合微量元素的反应一般选择pH 为8～10，因为碱性条件下OH-浓度增加，会中和多糖表面H+，使多糖表面负电荷和活性位点数增加，有利于络合。但是当溶液为强碱性环境时，金属离子可能会形成沉淀，因而阻止络合物的形成[13]。硒元素的络合一般选择SeO2-3，因此络合反应的最佳pH 通常为弱酸性或者中性。此外，Wang 等[45]发现在白沙蒿多糖与硒的络合反应中，氯化钡中的钡离子会与羟基结合，提高其亲核性，增强络合反应的效率，显著提高硒的含量（图2）。

1.2 海藻多糖与微量元素的络合

图2 硒与多糖络合反应机理示意图Fig.2 Reaction mechanism of the synthesis of Se and polysaccharide comples

与高等植物类似，多糖也是藻类细胞壁的主要组分，可占细胞干重的4%～76%，其结构复杂，主要单体有半乳糖、鼠李糖、木糖、精糖、糖醛酸等。藻类多糖，如琼脂、褐藻酸盐和卡拉胶，因亲水性强和稳定性好在动物饲料中被用作稳定剂和凝固剂[50-51]。此外，海藻多糖被证明具有多种生物功能，包括抗凝血、抗病毒、免疫调节和抗炎功能[52–54]。Chotigeat 等[55]将提取自褐藻的硫酸化岩藻多糖添加在饲料中喂养受病毒感染的对虾，对虾的存活率得到有效改善，最高可达93%。藻类多糖多数属硫酸多糖，硫酸多糖因其具有强阴离子性，在中性条件下，对金属反离子便具有很强的亲和力。但是，多糖大分子的结构特征与体系的流变性能有较大关系，因此需要不同的温度来制备强络合物。通过优化络合工艺条件，浒苔（Enteromorpha prolifera）多糖与硒和铜络合的最佳温度分别是80℃和70℃[56-57]，石莼（Inonotus obliquus）多糖与铁络合的最佳温度是60℃[58]，而总状蕨藻（Caulerpa racemosa）多糖在室温下就可与硒形成强络合物[59]，但几种海藻多糖分子结构差异如何影响配位反应过程仍有待进一步研究。

1.3 微生物多糖与微量元素的络合

微生物多糖主要指微生物代谢过程产生的胞外多糖和荚膜多糖，特别是那些被认为安全（generally recognised as safe，GRAS）的微生物或者益生菌生产的多糖应用于微量元素络合，很容易被审批用作饲料添加剂。我国农业部允许在饲料中添加的微生物（包括乳酸菌22 种、丙酸杆菌1 种、芽孢杆菌7 种、酵母菌2 种、曲霉菌2 种、光合细菌1 种等）生产的多糖则可直接用于饲料添加剂。

微生物-多糖复合物既可通过在培养基中直接添加无机金属盐，通过微生物代谢体内合成；也可以先通过微生物合成多糖，在体外进行多糖与微量元素的络合（表3），两种方法各有优缺点。Malinowska 等[64]报道真菌如蘑菇能够高效富集土壤或营养介质中的微量元素包括硒，Jin 等[69]和Zhang等[70]发现阴沟肠杆菌和动物双歧杆菌能有效吸收无机硒并转化为有机硒-多糖复合物。这种方法可选择对动物生长有益的细菌来合成，不需要复杂的多糖纯化步骤，可直接饲喂。但并不是所有微生物都可以有效代谢无机金属盐，体外多糖与微量元素的络合则具有负载量可控和生产工艺稳定的优势。异型微生物多糖，由单体糖葡萄糖、甘露糖、葡糖酸、鼠李糖、葡萄糖醛酸、甘露糖醛酸和半乳糖等构成，明确其结构组成对于多糖微量元素络合物制备工艺的建立极其重要。微生物多糖与植物多糖和藻类多糖相比，其生产受自然灾害、气候和地理环境影响较小，且可用农业废弃物为原料进行发酵，实现资源循环利用的同时降低成本[71-72]，因此是制备多糖微量元素络合物的理想选择。特别是随着合成生物学技术的发展，构建能同时代谢微量元素和高产多糖的工程菌，将为多糖微量元素络合物的规模化生产提供可能。

2 多糖微量元素络合物的生物功能

2.1 提升免疫力

多糖微量元素络合物对动物的免疫力提高多体现在其对淋巴细胞的增殖作用。大多数研究表明，细菌的胞外多糖微量元素络合物比其胞外多糖具有更强的免疫调节功能[60-61]。小鼠口服从阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacaeZ0206）发酵液中分离出的一种含硒胞外多糖后，免疫器官指数、脾淋巴细胞增殖和血清溶血素浓度明显增加。这些结果表明该含硒胞外多糖可作为一种有效的免疫调节剂来增强细胞和体液免疫反应[73]。分离自Caulerpa racemosa的多糖硒化后对小鼠外周T 淋巴细胞亚群(CD3+、CD4+、CD8+)以及从小鼠脾脏分离的自然杀伤细胞(NK 细胞)的免疫调节作用具有显著提高的效果，被认为是一种理想的天然免疫调节剂[59]。植物多糖微量元素络合物也在免疫调节方面具有增益的效果。Xu 等[74]制备的灰树花多糖铁复合物能够促进小鼠淋巴细胞的增殖，并且具有一定的抗氧化性。Qin 等[47]比较当归多糖和硒化修饰后的当归多糖对鸡外周血淋巴细胞增殖的影响发现，硒化修饰后的当归多糖能显著增强其免疫调节功能。

2.2 抗肿瘤功能

分离自夏枯草的多糖与锌络合等得到的络合物能够有效抑制肝癌细胞的增殖（500µg/ml抑制率达到98.4%），是人类肝细胞癌治疗和预防的有效候选物[48]。从富硒灵芝菌丝体中提取的含硒多糖可以诱导人乳腺癌细胞凋亡，与天然多糖相比，其中6种癌细胞系增殖显示出约10 倍的抑制作用[75]。来自根瘤菌的含硒多糖能够显著抑制肝癌细胞的生长，并且能够显著增加荷瘤小鼠的胸腺和脾脏指数，可以作为一种理想的抗肿瘤剂[61]。

表2 植物多糖与微量元素的络合Table 2 Summary of the plant polysaccharide and trace element complexes

2.3 抗氧化功能

饲料中的主要成分会受外界影响而产生氧化反应，导致饲料变质，影响畜禽健康[76]。大量研究表明多糖本身具有清除多种活性氧（reactive oxygen species，ROS）的抗氧化作用，多糖金属元素络合物则可抑制ROS 的生成，表现出更好的抗氧化功能。Wang 等[45-46]通过体外抗氧化实验发现，含硒多糖作为一种新的硒源与天然多糖相比，其抗氧化功能显著增强。Pan等[43]通过体外抗氧化检测发现，米糠多糖金属复合物，包括米糠多糖-铁、米糠多糖-铜和米糠多糖-锌，均能在体外表现出安全的抗氧化功能。铁多糖络合物具有良好的生物利用度和体外抗氧化功能，能够提高动物对铁元素的吸收率，因此，铁多糖络合物是良好的补铁剂候选物[13,40-41]。仔猪饲料中添加壳聚糖锌后，仔猪体内的超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性均显著提高，说明多糖微量元素在饲料抗氧化方面具有较好的应用潜力[77]。

表3 微生物多糖与微量元素的络合Table 3 Summary of the microbial polysaccharide and trace element complexes

2.4 其他生物功能

滑菇多糖与锌的络合物具有降血脂、抗氧化和保肝作用，可作为一种新的高脂血症功能性食品原料[65]。Zhang 等[49]制备出的苦瓜多糖铬络合物在对患有糖尿病小鼠治疗四周后，小鼠表现出明显较低的空腹血糖水平，并且胰岛素水平和抗氧化酶活性均高于糖尿病组。浒苔多糖具有良好的生物功能，但其较高的分子质量导致其生物功能受到影响，对细菌和植物病原真菌的抑制作用较小。亚硒酸钠和浒苔多糖在硝酸的作用下能够合成降解硒多糖，合成的硒多糖络合物则对大肠杆菌和植物病原真菌具有很强的抑制作用[56]。

3 多糖微量元素饲料化应用现状及存在的问题

动物饲料中的第一代微量元素添加剂，如亚硒酸钠、硫酸铜、硫酸锌等无机盐，因其价格低廉而备受养殖者的青睐[15]；第二代主要包括乳酸镁、柠檬酸亚铁等有机酸盐，能够更好地维持动物肠胃内稳定的消化环境，从而促进动物对微量元素的吸收[78-79]。但两代产品均存在适口性差、吸收率低、环境污染等问题。随着生物技术的发展，有机微量元素已经成为国内外研究的热点，并且作为动物饲料中第三代微量元素添加剂也越来越被养殖业接受[80–83]。多糖微量元素络合物中多糖本身具有丰富的生物功能，多糖复杂的空间结构也赋予了它与微量元素结合的能力，因此，具有广阔的饲料化应用前景[31]。

目前，多糖微量元素络合物添加剂已经在动物饲料中得到应用，对动物的生长性能、生产以及发育有显著的改善效果。在肉鸡饲粮中添加600 mg/kg 的果胶低聚糖螯合锌能够显著提高肉鸡的平均日增重（average daily gain，ADG）和平均日饲料摄入量（average daily feed intake，ADFI）[84]。 Williams等[85-86]研究表明在仔猪出生后7 天内注射一次200 mg 的Gleptoferron 补铁剂（葡庚糖酐铁）能够优化仔猪断奶前后的生长发育，提高仔猪重量。Ma 等[77]发现壳聚糖锌能够提高仔猪体内的碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性，从而间接促进仔猪生长。在饲料中添加甘露寡糖微量元素（Cu，Mn，Se和Zn）能够改善妊娠期母牛的生产性能以及新生牛犊的健康状况[16]。

虽然多糖微量元素的优异功效正逐渐得到养殖业的认可，但其饲料化应用目前还存在一些问题。与无机盐类微量元素添加剂相比，在同一添加水平下多糖微量元素的成本较高。由于不同来源多糖的结构差异较大，多糖微量元素络合物的生产工艺也有所不同，工业化生产尚不成熟。多糖微量元素的生物学效价取决于多糖与微量元素的络合率及络合强度，因此对产品络合率及络合强度做出正确评价显得至关重要。因此，建立统一的质量评价方法，并对不同种类的多糖微量元素生物学利用率进行评价，对多糖微量元素的推广与应用具有重要意义。

4 总结与展望

多糖与微量元素的络合既能发挥多糖的生物学功能，又能克服无机微量元素生物利用率低的缺点，降低动物饲料产品中微量元素的添加，有利于提高动物饲养的经济效益和动物的生长性能，同时减少微量元素添加剂造成的环境污染。多糖微量元素络合物的合成工艺往往由多糖结构决定，同时不同种类的多糖结构，也赋予络合物不同的生物功能，包括抗肿瘤、抗氧化和提升免疫力。目前，多糖微量元素因其优异功效已被添加至饲料中，但在饲料工业中大力推广多糖微量元素络合物，亟需根据多糖分子结构，建立统一的络合工艺条件和标准的微量元素络合率和络合强度检测方法，以适应规模化生产，降低成本。

此外，通过微生物发酵利用废弃生物质资源合成胞外多糖，或者从木质纤维中提取木聚糖等益生元，可有效降低多糖生产成本，促进绿色农业发展，制造绿色畜牧产品；根据微量元素的协同或者拮抗作用，开发多糖络合两种及以上微量元素的络合物，并根据其生物功能和利用率对产品进行仔细分类，可实现产品功能多元化和精确饲养。微量元素的形态和含量都会影响动物对其吸收，不同络合强度的多糖微量元素络合物的吸收利用效率、相对生物学效价、环保等方面还具有很大的发展空间。