微量元素氨基酸螯合物的生物學(xué)效價(jià)研究進(jìn)展

虞俊翔，孫南耀，王光然，胡曉波，謝明勇*

（南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌　330047）

微量元素氨基酸螯合物的生物學(xué)效價(jià)研究進(jìn)展

虞俊翔，孫南耀，王光然，胡曉波，謝明勇*

（南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330047）

微量元素氨基酸螯合物作為第3代微量元素補(bǔ)充劑，具有生物學(xué)效價(jià)高、生化穩(wěn)定性強(qiáng)、抗病能力強(qiáng)、環(huán)境污染小及易于吸收等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊。本文就微量元素氨基酸螯合物的營養(yǎng)生理功能、生物學(xué)效價(jià)的評(píng)定方法與影響因素及其在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

螯合物；微量元素；生物學(xué)效價(jià)

微量元素的生物學(xué)利用率一般與其存在形式密切相關(guān)，自然界中微量元素以無機(jī)和有機(jī)2 種形態(tài)存在。微量元素補(bǔ)充劑有第1代無機(jī)鹽類、第2代有機(jī)酸鹽類和第3代微量元素氨基酸螯合物（amino acides microelements chelate，Aa-M）產(chǎn)品，Aa-M作為新一代理想的有機(jī)微量元素添加劑，其多種生物學(xué)功能及其高生物學(xué)效價(jià)已受到廣泛重視，近年來在國內(nèi)外發(fā)展較快，成為微量元素營養(yǎng)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一［1-2］。

Aa-M是由微量元素金屬離子與氨基酸經(jīng)過絡(luò)合反應(yīng)生成的具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的配位絡(luò)合物或螯合物。金屬元素的配位數(shù)差異使得所形成的螯合物中金屬離子與氨基酸螯合劑的物質(zhì)的量比一般為1∶1～1∶3［3］。金屬陽離子與氨基酸中的氨基和羰基分別形成配位鍵和離子鍵，構(gòu)成五元或六元螯環(huán)（α-氨基酸螯合物為五元環(huán)，β-氨基酸螯合物為六元環(huán)），其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。由于多數(shù)Aa-M具有接近于動(dòng)物體內(nèi)天然形態(tài)的元素補(bǔ)充劑的特征：化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、易于消化吸收、無刺激性、無毒害、質(zhì)量增加明顯，被認(rèn)為具有較高的生物學(xué)效價(jià)［4-6］。目前，Aa-M的研究與應(yīng)用范圍已達(dá)到一個(gè)新的層次。

圖1　1　α-氨基酸微量元素螯合物結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of α-amino acid-microelement chelate

圖2　2　β-氨基酸微量元素螯合物結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of β-amino acid-microelement chelate

1　Aa-M的生物學(xué)優(yōu)越性

Aa-M生物學(xué)優(yōu)越性在理化性質(zhì)穩(wěn)定、吸收代謝機(jī)制良好、生理功能多樣等方面得到了廣泛體現(xiàn)。

1.1理化性質(zhì)穩(wěn)定

微量元素與氨基酸形成螯合物后，分子內(nèi)電荷趨于中性，使其在動(dòng)物體內(nèi)受pH值的影響較小，在胃的酸性環(huán)境內(nèi)能保持較好的穩(wěn)定性。游離形態(tài)的微量元素在進(jìn)入動(dòng)物機(jī)體消化道時(shí)，與氨基酸類物質(zhì)常形成不穩(wěn)定的物質(zhì)的量比為1∶1的化合物，一旦受到強(qiáng)配位體影響后，金屬離子將與其他配合物（如磷酸、植酸、草酸、多酚類物質(zhì)、抗壞血酸等）形成無效螯合物［7］。而氨基酸微量元素螯合物穩(wěn)定常數(shù)適中，具有抗酸能力，能克服強(qiáng)配體的不利影響，避免對(duì)維生素的氧化分解作用［8］。

另外，在反芻動(dòng)物體內(nèi)，氨基酸螯合物由于其穩(wěn)定的特性而不會(huì)受到瘤胃微生物的影響，且不會(huì)形成任何難溶物質(zhì)［9］。例如，在反芻動(dòng)物日糧中添加的CuSO4經(jīng)瘤胃微生物作用后易形成亞硫酸鹽和硫化物，它們與飼料中其他成分作用后在小腸易形成極難溶的復(fù)合物沉淀，導(dǎo)致銅的利用率極大降低，而氨基酸螯合銅則可直接通過瘤胃而不會(huì)受瘤胃微生物的影響［10］。

1.2吸收代謝機(jī)制良好

微量元素被利用的過程通常依次為：口服、溶解、吸收、代謝、沉積。Aa-M的吸收率比無機(jī)微量元素高30%左右［11］，原因在于二者的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)方式不同。研究表明，一般的游離金屬元素需要在相關(guān)輔酶的運(yùn)輸下，與氨基酸等物質(zhì)結(jié)合后才被機(jī)體吸收（例如，鋅必須和胰腺分泌的小分子質(zhì)量蛋白配體形成絡(luò)合物才能被吸收，而不能以離子的形式轉(zhuǎn)運(yùn)）；而Aa-M是利用配位體（氨基酸或肽）的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)吸收，而不是游離金屬元素的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，故不必先同其他物質(zhì)結(jié)合［12-13］。金屬微量元素離子能以配位鍵或離子鍵與氨基酸配位體鍵合，使自身被保護(hù)在絡(luò)合物的中心，通過配位體的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，以絡(luò)合物形式穿過黏膜細(xì)胞膜、黏膜細(xì)胞和基底細(xì)胞膜進(jìn)入血液，從而減弱金屬微量元素間的拮抗作用，大大提高金屬微量元素的利用率。另外，微量元素被動(dòng)物機(jī)體吸收的效率還受諸多因素影響，如：溶解度、離子形態(tài)、濃度以及飼料中其他成分的作用［14］。Aa-M在機(jī)體環(huán)境條件下溶解性較好，同時(shí)，相對(duì)分子質(zhì)量小于800的螯合物均能通過腸道黏膜。

1.3營養(yǎng)功能多樣

Aa-M既是機(jī)體快速吸收微量元素的重要形式，又是體內(nèi)合成蛋白質(zhì)環(huán)節(jié)的中間物質(zhì)，因此，其具有多種優(yōu)越的營養(yǎng)特性與功效（表1）。

表1　Aa-M的營養(yǎng)生理功能Table 1 Nutritional and physiological functions of amino acidmicroelement chelates

2　Aa-M的生物學(xué)效價(jià)

生物學(xué)效價(jià)這一概念本身是抽象的，它可以包括消化率、代謝吸收率、可利用率和有效性等多重含義，因此也稱為生物學(xué)利用率。生物學(xué)利用率可總結(jié)為營養(yǎng)素被動(dòng)物采食，參與機(jī)體代謝過程后，在動(dòng)物體內(nèi)貯存部分占采食總量的比值［27］。Aa-M獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其相比傳統(tǒng)的無機(jī)鹽類和簡單有機(jī)鹽類微量元素補(bǔ)充劑具有更高的生物學(xué)效價(jià)。

2.1Aa-M的生物學(xué)效價(jià)評(píng)定方法

Aa-M的生物學(xué)效價(jià)評(píng)定方法一般有參比法、同位素示蹤法和平衡實(shí)驗(yàn)法。評(píng)定指標(biāo)的選擇主要有血液學(xué)參數(shù)指標(biāo)、骨骼（脛骨）發(fā)育參數(shù)指標(biāo)、生產(chǎn)性能指標(biāo)和外觀指標(biāo)等。不同的研究方法和評(píng)定指標(biāo)均有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟捎貌煌氖侄?。通常通過計(jì)算營養(yǎng)素的相對(duì)生物利用率來評(píng)價(jià)Aa-M的生物學(xué)效價(jià)。

參比法的應(yīng)用目前最為多見，它包括斜率比法、標(biāo)準(zhǔn)曲線法、三點(diǎn)法等，是一類用以研究相對(duì)生物學(xué)利用率的方法。參比法通常需選取一類性態(tài)穩(wěn)定，被廣泛認(rèn)可具有傳統(tǒng)添加效益的物質(zhì)作為標(biāo)準(zhǔn)物，如ZnSO4、ZnO、FeSO4、CuSO4等［6，28-29］。由于評(píng)定指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)物和研究物的添加量均具有線性關(guān)系，可通過考察2 種物質(zhì)的添加效應(yīng)來比較得到研究物相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)物的生物學(xué)效價(jià)。

同位素示蹤法是通過測定標(biāo)記的微量元素在動(dòng)物體內(nèi)組織中的含量來評(píng)定營養(yǎng)素的生物學(xué)效價(jià)，它可以反映螯合物中的微量元素進(jìn)入體內(nèi)的分布情況。這種方法可以提高實(shí)驗(yàn)測定的準(zhǔn)確性，縮短實(shí)驗(yàn)周期，理論上最為理想，但由于使用該法的飼料成本和設(shè)備需求很高，使得它在有機(jī)微量元素和氨基酸微量元素螯合物的生物學(xué)利用率測定中的應(yīng)用并不多見。

平衡實(shí)驗(yàn)法也叫表觀吸收率評(píng)定法，原理和所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備都較簡單。該法是在一段時(shí)間內(nèi)，通過測定動(dòng)物的微量元素采食量和排出量，來得到動(dòng)物對(duì)營養(yǎng)素的吸收利用率。

該方法雖然是測定表觀吸收率的經(jīng)典方法，但由于在實(shí)驗(yàn)過程中動(dòng)物的微量元素?cái)z入量和排泄量很小，導(dǎo)致所測數(shù)據(jù)易受到誤差干擾，用它來表示螯合物的生物學(xué)利用率存在較大的片面性。然而該方法在實(shí)施過程中動(dòng)物始終處于自然狀態(tài)，所得數(shù)據(jù)較貼近動(dòng)物日常水平，可作為其他研究方法的參考基準(zhǔn)［27］。

2.2不同Aa-M生物學(xué)效價(jià)的比較

微量元素參與了酶的合成、機(jī)體骨骼發(fā)育，以及維持組織與免疫系統(tǒng)的完整性，雖然需求量小，卻發(fā)揮了重要的生理功能［30］。Aa-M作為添加劑可以滿足動(dòng)物對(duì)各種微量元素的生理需要，同時(shí)產(chǎn)生對(duì)人畜健康和生態(tài)環(huán)境的雙重益處。Aa-M目前主要有3 種分類方法：1）按照微量元素的種類可以分為氨基酸鐵、氨基酸鋅、氨基酸銅、氨基酸錳等螯合物，均能作為相應(yīng)微量元素的補(bǔ)充劑；2）按照氨基酸的種類可以分為蛋氨酸、賴氨酸、甘氨酸、蘇氨酸等系列微量元素螯合物，其穩(wěn)定性與氨基酸配體的配位能力成正比，與配體的體積成反比，配體的體積越大，螯合時(shí)的空間位阻越大；3）按照氨基酸的特異性可以分為單一氨基酸螯合物與復(fù)合氨基酸螯合物如二肽銅、多肽鋅等。單一氨基酸螯合物產(chǎn)品結(jié)構(gòu)確定，性質(zhì)較穩(wěn)定，但生產(chǎn)成本高；復(fù)合氨基酸螯合物生產(chǎn)成本低，一般由蛋白質(zhì)水解得到，組成不固定，易吸潮結(jié)塊，易被氧化，穩(wěn)定性差［31］。當(dāng)前用于飼料添加劑生產(chǎn)的氨基酸螯合物主要有蛋氨酸的鐵、銅、錳、鋅、鈷螯合物，賴氨酸的鋅、銅螯合物，甘氨酸鐵螯合物，蘇氨酸鋅螯合物等產(chǎn)品。針對(duì)特定動(dòng)物、特定日糧、特定環(huán)境及特定階段來選用相應(yīng)Aa-M的研究取得了明顯的效果，如氨基酸鋅能提高生長育肥豬日體質(zhì)量增加量、改善胴體品質(zhì)［15，32］、促進(jìn)水產(chǎn)動(dòng)物的生產(chǎn)、提高水產(chǎn)動(dòng)物的免疫力、存活率和飼料轉(zhuǎn)化率［33-34］、還可避免反芻動(dòng)物瘤胃中微生物的降解作用，具有一定的過瘤胃功能，改善其酮體品質(zhì)［35］。氨基酸鐵能調(diào)控動(dòng)物體內(nèi)激素代謝，增強(qiáng)抗病力，提高仔豬成活率和窩產(chǎn)仔數(shù)［36-37］；氨基酸銅、鋅可增強(qiáng)肉雞的生長性能、免疫性能，改善雞肉品質(zhì)［38-39］，也可以提高蛋雞的蛋孵化率和健雛率［40］。

表2　部分Aa-M的生物學(xué)利用率研究Table 2 Bioavailability of amino acid-microelement chelates

對(duì)于氨基酸種類不同的同種微量元素Aa-M，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)其均對(duì)該微量元素的功能作用起到了促進(jìn)效果，相對(duì)利用率均在一個(gè)相近區(qū)間浮動(dòng)。表2列出了部分Aa-M的相對(duì)利用率及其研究方法。多數(shù)研究表明，氨基酸種類不同的Aa-M其生物學(xué)效價(jià)及發(fā)揮的功能作用無明顯差異，原因在于其統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢使其能更好地被動(dòng)物體腸道吸收。對(duì)于微量元素種類不同的同種氨基酸配體的Aa-M，如羥基蛋氨酸銅、鋅、鐵、錳，研究發(fā)現(xiàn)，該配體相同的4 種不同Aa-M的生物學(xué)利用率分別高于對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)物，變化的顯著程度為Aa-Zn≈Aa-Cu＞Aa-Mn≈Aa-Fe［47］。總之，不同Aa-M對(duì)動(dòng)物的作用效果差異不顯著，使用低劑量的的不同Aa-M來替代傳統(tǒng)的高劑量無機(jī)鹽制劑，有利于環(huán)境保護(hù)，也具有更高的生物學(xué)效益［48-50］。

2.3影響Aa-M生物學(xué)效價(jià)的因素

Aa-M的生物學(xué)效價(jià)易被以下因素影響：產(chǎn)品質(zhì)量、添加水平、日糧組成、動(dòng)物種類、效價(jià)評(píng)定指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)參照物的選擇等。例如，不同實(shí)驗(yàn)所使用的Aa-M產(chǎn)品質(zhì)量以及所設(shè)定的微量元素添加水平均有不同，易造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異；飼糧中某些抑制劑或促進(jìn)劑會(huì)造成不同元素之間的拮抗或互補(bǔ)影響，也導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映動(dòng)物機(jī)體對(duì)其利用程度；此外，不同的動(dòng)物、同種動(dòng)物不同品種、同品種不同生理?xiàng)l件和生長階段的動(dòng)物都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的吸收利用情況產(chǎn)生影響；另外，微量元素經(jīng)體內(nèi)代謝后作用于機(jī)體不同組織產(chǎn)生的特異性敏感指標(biāo)不同，采用不同研究方法和評(píng)定指標(biāo)，所得的結(jié)果可能也有略微差異甚至產(chǎn)生矛盾［51］；實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間長短不一也會(huì)影響生物利用率的最終表達(dá)情況。

3　結(jié) 語

Aa-M是微量元素添加劑新一代產(chǎn)品，其功能作用與積極意義毋庸置疑，但目前仍存在一些問題，限制了Aa-M的推廣與發(fā)展。大量資料證明，相比無機(jī)鹽和有機(jī)酸鹽類，氨基酸螯合物的生物學(xué)效價(jià)更高且能有效促進(jìn)動(dòng)物生長。但也有研究表明，賴氨酸鋅、蛋氨酸鋅與硫酸鋅對(duì)斷奶仔豬和羔羊具有相同的生物學(xué)效價(jià)［52-53］，甚至還有學(xué)者以血紅蛋白為評(píng)價(jià)指標(biāo)來研究蛋氨酸鐵的相對(duì)生物學(xué)效價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)其僅為硫酸亞鐵的68%［54］。可見Aa-M的相對(duì)生物學(xué)效價(jià)評(píng)定工作還有待科學(xué)全面的評(píng)價(jià)，評(píng)定Aa-M的生物學(xué)效價(jià)不能僅以某一種微量元素的利用率來表達(dá)，而應(yīng)當(dāng)是涵蓋飼糧產(chǎn)品的動(dòng)物消化率、代謝利用率、體內(nèi)組織留存率以及多種對(duì)象動(dòng)物的健康狀況和生產(chǎn)性能在內(nèi)的一個(gè)綜合指標(biāo)，需要一套完整的評(píng)定體系。如何使Aa-M生物學(xué)效價(jià)的研究結(jié)果更客觀準(zhǔn)確，操作方式更簡單，成本消耗更低廉是今后需解決的問題。此外，應(yīng)繼續(xù)深入研究Aa-M在機(jī)體內(nèi)的作用機(jī)制，揭示可能使其在動(dòng)物體內(nèi)獲得高吸收利用的影響因素，從理論上探明影響Aa-M生物學(xué)效價(jià)的原因。另外，Aa-M在飼糧中的有效添加量、最佳添加比例也有待進(jìn)一步研究。

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Advances in Bioavailability of Amino Acid-Microelement Chelates

YU Junxiang， SUN Nanyao， WANG Guangran， HU Xiaobo， XIE Mingyong*
（State Key Laboratory of Food Science and Technology， Nanchang University， Nanchang330047， China）

Amino acid-microelement chelates， the third generation of trace element supplement， with multiple biological functions such as high bioavailability， good biochemical stability， strong disease resistance， less environmental pollution and fast absorption， have broad prospects. This paper reviews the nutritional and physiological functions and application in animal breeding of amino acid-microelement chelates， methods for evaluating their bioavailability and its influencing factors.

chelate； trace element； bioavailability

TS201.4

A

1002-6630（2015）23-0367-05

10.7506/spkx1002-6630-201523065

2015-06-30

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（20151BBF60040）；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20132BAB204002）；江西省重大科技創(chuàng)新研究項(xiàng)目（20124ACF00400）；江西省教育廳2011年度產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（GJJ11002）

虞俊翔（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣δ苁称放c保健。E-mail：jxyu1210@163.com

謝明勇（1957—），男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称窢I養(yǎng)學(xué)、食品安全、功能保健食品。E-mail：myxie@ncu.edu.cn