有机微量元素在奶牛养殖中应用的研究进展

潘 军，陈 晨，王瑞平

（1.广州博善生物科技股份有限公司，广州 510663；2.哈尔滨博善联合生物饲料有限公司，哈尔滨 150090）

微量元素主要是指锌（Zn）、锰（Mn）、铜（Cu）、铁（Fe）、硒（Se）、铬（Cr）、钴（Co）、碘（I）。随着奶牛单产不断提高，微量元素在奶牛生产中的作用也越来越引起行业的重视。提供的微量元素包括无机形式和有机形式，有机微量元素又经历了产品类型的不断迭代，不同种类的微量元素的吸收机制以及对奶牛的价值需要把握和运用。

1 有机微量元素种类

有机微量元素经历三个主要发展阶段，最早是有机酸类的微量元素，如葡萄糖酸锌、富马酸亚铁等；之后出现了氨基酸螯合类的微量元素，如甘氨酸、蛋氨酸、赖氨酸螯合微量元素等；到了2015年国家正式批准了蛋白螯合微量元素作为添加剂来使用，特别规定采用植物蛋白源作配位体的微量元素，可以用于反刍动物。有机微量元素的发展可归结为配位体由有机酸到氨基酸再到更广泛的蛋白源（寡肽、小肽、氨基酸）的变化。有机微量元素还包括以酵母硒和酵母铬为代表的酵母类微量元素产品，以及烟酸铬、丙酸铬等（见图1）。当然酵母也可以转化Fe、Cu、Mn、Zn[1-2]。

图1 有机微量元素的代谢过程

到目前为止，相对于维生素来讲，微量元素在动物营养中的作用在某种程度上是被轻视的。维生素常作为辅基或辅酶，而微量元素在维持酶分子构象中发挥不可或缺的作用，且与酶的活性直接相关，特别是一些抗氧化酶类。

客户选择维生素是很容易的，已经有很清晰的标准了。但在选择微量元素时，特别是选择有机微量元素的时候就会很模糊，因此需要讨论清楚。

2 微量元素的吸收转运机制

无机微量元素与有机微量元素的主要吸收部位都在小肠。无机微量元素也不都是被动吸收的，也有主动吸收通路。所谓被动吸收是指不经过上皮细胞吸收，也叫绕细胞吸收（Paracellular），是通过肠黏膜内外压差或渗透压经细胞间隙吸收的，见图2。

图2 中像小草一样的图示为小肠绒毛，绒毛下面是上皮细胞。无机微量元素不仅可通过细胞间隙进行简单扩散，还可以主动吸收。近年来，相继在肠黏膜上皮细胞中发现一些金属离子转运蛋白，如二价阳离子转运体（DMT1）、金属转运蛋白1（MTP1）等。部分金属离子不能通过细胞间隙[3]，如图2中“X”的部位。现已证实铜离子只能通过主动吸收方式进入门静脉，而不能通过细胞间隙吸收。

生物体对微量元素吸收量的多少，直接影响新陈代谢和健康水平。主动吸收的方式能更好地控制和调节微量元素的进入，这与生物进化有关。

氨基酸螯合的微量元素，主要通过氨基酸的通道吸收，是通过与不同的对应载体结合并有钠离子参与，经上皮细胞转运吸收的，是主动吸收，这一点是清楚的。而对于蛋白螯合的微量元素，特别是我国规定可在反刍动物上使用的植物蛋白源“复合氨基酸铁（铜、锰、锌）络合物”，在研讨其吸收机制之前，首先要搞清这里所指的“复合氨基酸”的主体成分是由植物蛋白源降解而来的寡肽、小肽和氨基酸的混合物，以小肽为主。氨基酸和小肽螯合微量元素被认为是分别通过氨基酸和小肽通路进行主动吸收的。氨基酸类的吸收方式如上所述；小肽类的是通过氢离子+转运蛋白Pep T1转运的，为主动吸收。不仅在反刍动物的小肠中，在瘤胃中也发现了这一载体蛋白；若氨基酸构建成了二肽或三肽，其也可以通过Pep T1转运[4]。

假定日粮中仅添加硫酸盐类的金属离子，例如硫酸铜，那么这些微量元素离子的主动吸收需要经过三个过程。第一个过程是微量元素“进入”上皮细胞，这个过程需要一个转运蛋白；第二个过程是微量元素在细胞内“移动”，最后到达上皮细胞根部，这个过程需要一个转运的伴侣蛋白；第三个过程是“穿越”肠上皮细胞根部，之后微量元素进入到门静脉循环，这个过程需要有ATP泵参与。铜离子只能通过上述的主动吸收过程进入到门静脉中[3]，甚至二价铜离子都不能直接被吸收，只能首先被还原成一价铜离子才被吸收转运。上皮细胞表面有铜离子还原酶用于二价铜离子的还原。

综上并进一步描述，铜离子的吸收转运过程大致是：二价铜离子还原成一价铜离子，然后通过一种叫CTR1的转运蛋白或者是DMT1转运蛋白转运到上皮细胞内部，然后再通过伴侣蛋白或借助金属硫蛋白把它转移到高尔基体内，然后再从高尔基体排出细胞外。一价铜离子排出细胞外之后再氧化回到原来的二价状态，然后由门静脉内部的白蛋白转运到肝脏及其他组织（见图3）。

DMT1不是铜元素专属的转运蛋白，还可以转运铁、锌、锰，而且它优先转运铁。从转运蛋白竞争的角度来看，元素之间的相互拮抗是必然的。

Mn可能是以被动方式转运为主，Fe是以主动转运方式为主[3]。需要强调的是三价铁首先变成二价铁才能通过上皮细胞转运吸收。如果在使用硫酸亚铁时，不小心发生了氧化，变成红色的三价铁，这不仅仅是颜色改变的问题，它的利用率也会随之降低。二价铁离子先是与DMT1结合转运到上皮细胞内，之后由伴侣蛋白转运至小肠绒毛根部，然后再通过转铁蛋白转运到门脉循环，再通过辅助的转运蛋白转运到身体的各个部位，特别是骨髓等造血器官。

Zn离子是通过被动和主动两种方式转运的，但以哪种机制为主，现在还未知[3]。当Zn的用量超高时，一方面吸收会发生反馈抑制，另一方面上皮细胞内会诱导产生一种叫“金属硫蛋白”的成分，其能大量结合过多的Zn离子，消除高锌对细胞的毒性，待Zn需要时重新释放或在上皮细胞脱落的时候随着粪便排出体外。

在饲料配合过程中，过去主要用亚硒酸钠作为微量元素硒源。P.Van Dael等[5]比较了硒酸钠和亚硒酸钠作为人补充硒源上的吸收及沉积情况，结果表明硒酸钠的吸收率远高于亚硒酸钠；但Se也会排泄掉，结果两者的沉积率并无差异。推测亚硒酸钠可能是被动吸收，而硒酸钠可能存在某种主动吸收方式。考虑亚硒酸钠本身就具有一定的不稳定性（氧化性），因此认为硒酸钠似乎更适合作添加剂。但考虑其需要从尿中排除，肾功能不全的幼龄反刍动物需要慎重应用。硒源的选择需要在吸收、代谢（排泄）和沉积过程中依据其表现予以综合考量。

酵母硒中的Se是以硒代蛋氨酸或硒代半胱氨酸为主要形式存在的，这两种硒代氨基酸是通过氨基酸的通路吸收的，是主动转运。硒代蛋氨酸转移进入细胞以后，要通过胱硫醚合酶及胱硫醚裂解酶催化转化成硒代半胱氨酸，进而硒代半胱氨酸需要在转氨酶和巯基转移酶的作用下生成硒化氢，硒化氢再与一种特殊的tRNA结合，这种特殊的tRNA事先要携带有一个分子的丝氨酸，在硒代半胱氨酸合成酶的催化下生成硒代半胱氨酸与tRNA的结合物（SeCystRNA），然后SeCystRNA转移到核糖体，按照mRNA序列合成具有生物活性的硒蛋白，发挥生理作用。上述无机硒源进入细胞后也要还原成硒化氢，接下来的利用路径与有机硒相同[3]。

因为受多种要素干扰，无机铬的吸收率在3.0%～0.5%。但具体的吸收机制不详，推测是通过细胞间隙吸收[3,6]。

3 影响反刍动物微量元素吸收转运的因素

无机微量元素的吸收易受各种因素影响，特别是反刍动物，存在一些增加吸收或减少吸收的因素，见表1。

表1 影响反刍动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，还有氨、碳酸、磷酸根等与微量元素结合后可能会帮助微量元素吸收；而硫化物、木质素、土壤中带入的硅酸盐可能阻碍微量元素的吸收。还有一些蛋白质、微生物在前胃对微量元素有亲和力，但在皱胃的酸性环境下变性，使得这种亲和力对吸收的影响减轻。进入十二指肠以后，胆汁进入，食糜中的酸被中和、氯离子被吸收，从而使食糜变得偏碱性，这对有机微量元素的稳定性也带来考验。小肠中影响微量元素转运蛋白表达的因素也间接影响着微量元素的吸收[3,7]。

M.J.Faulkner等[8]设计了称为“粗饲料”的传统奶牛日粮和“副产品”日粮，副产品日粮特征为高中性洗涤纤维（NDF）、低淀粉。结果发现Zn和Mn的吸收与日粮类型存在互作关系。揭示不同的奶牛饲养企业应根据所使用的日粮来构建微量元素标准。

实际上，以无机离子形式吸收进入门脉循环的微量元素，很少以独立离子形式存在，绝大部分要与蛋白质结合。若使用有机微量元素，它本身已经是一个氨基酸或小肽结合态，利用效率当然更高。

概括来讲，食糜在反刍动物瘤胃内停留的时间较长，无机微量元素的离子态可能与食糜中一些组分发生结合反应，影响微量元素的利用。另外，转运金属离子的载体有些是共用的，相互间存在竞争关系，因此反刍动物特别是高产反刍动物可能更需要有机微量元素。有机微量元素不易受上述干扰因素影响，利用率高。使用有机微量可以适量降低添加水平，这样可防止微量元素过多摄入成为自由基，反而影响动物健康以及不被吸收的微量元素过量排放到环境中。

给体细胞数大于20万的奶牛（306头）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），对照组奶牛（314头）接受一次性皮下注射无菌生理盐水，结果并未对体细胞数有降低作用[9]。笔者认为这种突然大剂量注射难以取得理想的效果。若一定要补充，需要在把握牛群微量元素状况的基础上，掌握好计量，最好通过缓释剂型或日粮来柔性补充为好。

4 有机微量元素在奶牛生产上的应用价值体现

相对无机微量元素，有机微量元素具有如下优势：1）主动吸收，吸收效率更高；2）各有独立的转运机制，可避免离子间的拮抗；3）可躲避抗营养因子干扰；4）适口性好；5）减少对肠道的损伤，尤其是小动物；6）能减少对日粮中其他营养物质（如脂类、维生素）的破坏。上述第五条是在实践中获得的体会，当给初生仔猪灌服铁剂时，若其易于解离成离子，仔猪则会出现震颤甚至死亡。将无机微量元素稳定化处理再与维生素A存放12 h后，维生素A活性比未处理的少损失10%[10]。

有机微量元素在奶牛生产中应用的对比试验都是基于奶牛对的其需要量。表2中列出了NRC（2001）[11]和B.Weiss[12]的微量元素推荐量。

表2 奶牛对微量元素的需要量（饲粮干物质） mg·kg-1

北京三元奶牛场2001—2004年生产中执行的微量元素添加标准见表3[13]。

表3 北京三元奶牛场2001—2004年生产中执行的微量元素添加标准 mg·kg-1

J.E.Nocek等[14]设计了一个对比试验，比较了不同添加量和来源微量元素的应用效果（见表4）。

表4 微量元素对比试验设计 mg·kg-1

结果显示：按NRC标准的75%使用有机微量元素能达到无机微量元素100%添加的效果；如果按照标准量的100%添加有机微量元素，还可以提高产奶量和乳品质量，并且能改善蹄的健康状况。按NRC标准添加有机微量元素，之后再增加3.3倍Mn（硫酸锰）和9.1倍Co（葡萄糖酸钴），还有利于产后母牛复情。

用有机微量元素培育后备母牛，后备母牛表现为妊娠期缩短、泌乳期的产奶量更高[15]。已经证明使用有机微量元素的Cu、Mn、Zn，可以提高母牛发情配种率[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的标准分别给奶牛添加无机和有机微量元素。结果显示饲喂有机微量元素组牛每日所产乳蛋白量极显著增加，固形物含量显著增加，3.5%和4%乳脂率的标准乳（FCM）有增加的趋势。蹄底溃疡显著减少，蹄根糜烂和淘汰率有减少的趋势。

J.M.Defrain等[18]也设计了奶牛按Zn 360 g·d-1，Mn 200 g·d-1，Cu 125 g·d-1，Co 25 g·d-1的标准分别饲喂无机和有机微量元素，证实使用有机微量元素可显著减少蹄底糜烂，改善受胎率（P=0.08），同时还改善了一些泌乳性能。

在干奶期或围产前期添加有机微量元素可以降低产犊损失，提高初乳中免疫球蛋白含量。在产后坚持用一半有机微量元素替代无机微量元素，乳脂率更高[19]。A.P.Somkuwar等[20]在产奶前中后期都添加有机微量元素，结果产奶量和乳脂率均得到改善。

有机微量元素最重要的作用是抗氧化。各种微量元素相关抗氧化酶及其作用见表5。

表5 微量元素相关抗氧化酶及其抗氧化作用

硒是机体中最重要的抗氧化成分，谷胱甘肽过氧化物酶中含有4个硒原子。不仅是Se，Zn、Cu、Mn、Fe、I均是一些抗氧化酶的关键成分，其中Zn、Cu、Mn均与超氧化物歧化酶（SOD）相关。

在母猪产业，一个经典试验经常被提到：将繁殖过3胎的和发情不配种的同期母猪屠宰，测体内微量元素的残留量。发现所有有正常繁殖行为的母猪经过三胎以后，其体内的矿物元素都有缺失，特别是Ca、P、Zn、Se；而且产奶量越高，窝重越大，它们的微量元素流失的就越多。

S.I.Kumi等[21]连续测定了5胎母牛初乳中的微量元素含量，结果见表6。

表6 不同胎次奶牛产后首次初乳中的微量元素含量（DM基础）

由表6可知，奶牛也有相似母猪的情形，尽管初乳未必能反应母牛微量元素的全貌。

近期研究发现，不同形式的微量元素影响瘤胃纤维消化。在奶牛日粮中添加10 mg·kg-1Cu，40 mg·kg-1Mn，50 mg·kg-1Zn，结果来源于羟基氯化微量（Hy⁃droxychloride trace minerals）和复合氨基酸络合（Metal specific amino acid complexes）的有机微量元素组其中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）消化率和食后2 h及4 h瘤胃挥发性脂肪酸（VFA）浓度高于硫酸盐类微量元素组[22]。推测硫酸盐类微量元素进入瘤胃后快速释放出游离金属离子可能危害了瘤胃微生物和纤维降解菌。

5 微量元素的应用策略

在养殖一线可以通过观察蹄病发生比例、测定血浆和修蹄所积累的蹄屑中的微量元素含量来快速判断牛群微量元素状况并采取相应优化对策。此外，微量元素的作用是渐进累加的，因此若牛场较长时间牛奶中体细胞数过高、淘汰时的平均胎次过低和发病率偏高，都需要审视微量元素的状况。

有机微量元素的使用方法包括：1）全有机化；2）有机+无机；3）额外补充。

奶牛核心群或10 t以上的牛群可以考虑全有机化。无机微量元素不仅利用率低，在预混料或精补料中添加还有可能引起饲料氧化，产生的过氧化物对奶牛的健康不利。因此即使使用无机微量元素最好也进行稳定化处理。

研究发现干奶期肥胖的牛，在接下来的围产期，血浆中的Zn、Cr和Mn浓度低于体况评分低的牛，揭示其抗氧化消耗高[23]。因此对膘情控制不当的牛群，需要在生产中考虑使用有机微量元素。

所有微量元素的选择首先是适口性。决策者可以通过自己舔尝来判断。对Fe、Cu、Mn、Zn来讲，适口性从好到差应该是复合氨基酸络合物＞单一种类氨基酸络合物＞氧化物＞硫酸盐。

其次就是测定指标，主要包括螯合率和稳定性。络（螯）合物螯合率测定的难点在于有机微量元素络（螯）合物的产品丰富，它们在溶解度、酸碱度、配位比、螯合强度等方面都有较大的差异，难以建立统一的方法。此外，样品中螯合态和游离态的微量元素难以精确分离，而且有机微量元素对酸和碱的稳定性不强，在酸和碱的环境中都有一定程度的分解，总的来说目前还没有成熟的分离方法，很难非常准确地测定螯合率。目前主要有凝胶过滤色谱法和有机溶剂萃取法[24]。萃取法是利用螯合金属不溶于甲醇的原理，用甲醇进行洗脱，将有机态与离子态金属离子分离开来，再用差减法测得螯合率。该方法不需要特别的设备，适合奶牛养殖企业采用。但根据笔者积累的数据，市面上常见有机微量元素产品的螯合率差异不大，而稳定性差异较大。对于反刍动物来说，当然希望有机微量元素通过前四个胃后还保持螯合状态到达小肠，这一稳定系数可以采用模拟胃液浸泡法来测定。但由于也受到pH值等许多因素的影响，目前看只适合于在同一测定条件下进行不同产品的相对比较。此外，稳定系数与反刍动物微量元素利用率的确切关系还有待研究数据的不断积累。

酵母硒的价值目前主要是测定硒代蛋氨酸和硒代半胱氨酸含量，但利用率还受到菌种、后处理等因素的影响。有研究通过实验动物检测沉积率来判断其生物学价值，发现酵母硒的沉积率比亚硒酸钠高25%～50%。目前有机硒的主要产品形式是酵母硒。F.Barbé等[25]对比了酵母硒和硒代蛋氨酸在奶牛上的使用效果，发现硒转移到奶中的效率还是酵母硒更高。因此生产富硒奶建议优选酵母硒。

综上，微量元素的价值需要采取综合指标用耐心来判断。往往是使用时不知不觉，撤下后发现问题来了。