鐵元素的營養(yǎng)作用及在動(dòng)物生產(chǎn)上的應(yīng)用

周文俊，徐子偉，鄧波，吳杰

(1.浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321000； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所，浙江 杭州 310021)

鐵是生物體內(nèi)多種蛋白質(zhì)的組成成分，參與機(jī)體內(nèi)的各種生化反應(yīng)，在生物體內(nèi)起著重要的作用。缺乏或過多攝入鐵元素，將影響機(jī)體的生理功能。在飼料中添加適量的微量元素，有促進(jìn)動(dòng)物生長的作用[1]。作為動(dòng)物體內(nèi)一種含量相對(duì)較高的金屬元素，鐵元素在畜牧上運(yùn)用廣泛，開發(fā)新型的飼料鐵源添加劑，對(duì)畜牧生產(chǎn)具有重要的意義。

1 鐵的代謝

1.1 鐵的含量及分布

鐵在動(dòng)物體內(nèi)的含量約為30～70 mg·kg-1，不同組織器官鐵含量不同，含量較豐富的組織器官包括血液、肝臟、脾臟和骨髓等。血紅蛋白是動(dòng)物機(jī)體中鐵的最主要存在形式，60%～70%的鐵元素分布在血紅蛋白中，2%～20%的鐵元素分布在肌紅蛋白中，剩余的鐵以鐵蛋白(轉(zhuǎn)鐵蛋白、乳鐵蛋白等)、血鐵黃素和各種酶、細(xì)胞色素等形式存在，極少數(shù)鐵以二價(jià)或三價(jià)鐵離子的形態(tài)存在。細(xì)胞內(nèi)部的色素鐵含量約占1%，動(dòng)物體內(nèi)各種酶及運(yùn)載體的鐵含量約為1%。

1.2 鐵的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)

腸道對(duì)鐵的吸收十分低效，常介于5%～15%之間。消化道對(duì)鐵吸收的能力排序依次為：十二指腸>回腸>小腸中段>胃[2]。除腸道吸收外，機(jī)體保證鐵供應(yīng)的另一途徑是巨噬細(xì)胞對(duì)鐵的回收利用。進(jìn)入腸道細(xì)胞內(nèi)的鐵離子結(jié)合鐵伴侶蛋白被運(yùn)送到需鐵部位，或腸道細(xì)胞基底膜內(nèi)側(cè)表面，以便再次跨膜運(yùn)輸。血液中鐵膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Ferroportin 1)或血漿銅藍(lán)蛋白氧化成三價(jià)形態(tài)，并形成轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵(Transferrin binding iron)[3]進(jìn)行運(yùn)輸。近年，鐵代謝中一種包含Mobilferrin蛋白的mf2整合素鐵轉(zhuǎn)運(yùn)途徑被發(fā)現(xiàn)。

1.3 影響鐵吸收的因素

動(dòng)物的種類、年齡、健康狀況、腸道pH、腸道生理狀況等會(huì)直接影響鐵的吸收，例如二價(jià)鐵與氫離子偶聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)，因而酸性環(huán)境有利于鐵的吸收。動(dòng)物體內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)機(jī)制的存在，使動(dòng)物自身的鐵含量也成為影響鐵吸收的因素，鐵的存在形態(tài)及飼料因素也會(huì)影響動(dòng)物對(duì)鐵的吸收，血紅素鐵吸收效率高于非血紅素鐵，植物源的鐵容易與植物抗?fàn)I養(yǎng)因子結(jié)合沉淀，吸收率偏低，例如植酸、草酸、單寧等能通過減少鐵的溶解性抑制吸收[4]，飼料中高含量的銅、鋅、錳、碘、氟等會(huì)通過競(jìng)爭(zhēng)載體，抑制鐵的吸收[5]，檸檬酸、乳酸、氨基酸等物質(zhì)則會(huì)促進(jìn)鐵元素的吸收[6]，這主要是因?yàn)樗麄兡芘c鐵發(fā)生螯合，以氨基酸或有機(jī)酸的吸收方式被腸道吸收，從而避免與別的金屬離子競(jìng)爭(zhēng)載體。

2 鐵的生理功能

2.1 轉(zhuǎn)運(yùn)和貯存氧氣

鐵是血紅素中與氧氣結(jié)合的部位。血紅蛋白含有4個(gè)血紅素分子，參與機(jī)體氧氣和二氧化碳的運(yùn)輸；肌紅蛋白僅有1個(gè)結(jié)合血紅素的珠蛋白，起儲(chǔ)存和分配氧氣的作用。因此，為動(dòng)物補(bǔ)鐵可以提高血紅蛋白含量，在哺乳母豬的日糧中添加適量的硫酸鹽亞鐵和硫酸銅，可以防治哺乳仔豬的貧血癥。

2.2 催化生化反應(yīng)

鐵參與生物體內(nèi)多種酶的組成，對(duì)生物新陳代謝起不可替代的作用。鐵是神經(jīng)遞質(zhì)合成酶的重要輔酶[7]，也可以保障磷元素在DNA合成中的供應(yīng)，從而保障蛋白質(zhì)的合成[8]。此外，多種氧化還原酶、細(xì)胞色素、烏頭酸酶、DNA修復(fù)酶等蛋白都含有鐵元素，在線粒體呼吸和DNA的合成與修復(fù)中都有鐵元素的參與。三羧酸循環(huán)中，有近一半的酶和蛋白因子依賴其鐵元素發(fā)揮功能，膠原蛋白、脂肪酸、碘的代謝也都與鐵相關(guān)[9]。

2.3 生理防衛(wèi)

鐵不但對(duì)免疫細(xì)胞的增殖及特異性免疫應(yīng)答的產(chǎn)生十分重要[10]，還可以通過增強(qiáng)白細(xì)胞的吞噬能力，從而加強(qiáng)動(dòng)物的抵抗力[11-12]。轉(zhuǎn)鐵蛋白等不少含鐵蛋白具有免疫方面的額外功能。乳鐵蛋白可在腸道中將鐵離子結(jié)合成復(fù)合物，減少病菌對(duì)其利用，還可以與溶菌酶協(xié)同作用，或直接結(jié)合細(xì)菌的細(xì)胞壁，改變細(xì)胞壁性狀，從而抑制細(xì)菌。

2.4 抗氧化

研究顯示，鐵蛋白具有抗氧化的生理功能[13]。雖然鐵是生物體內(nèi)過氧化物酶、超氧化物歧化酶等多種抗氧化酶的催化中心，但同時(shí)過量的鐵會(huì)通過芬頓或哈勃-威斯反應(yīng)催化有毒氧中間體的產(chǎn)生。因此，鐵在抗氧化上具有雙重的作用。

3 鐵與動(dòng)物養(yǎng)殖

3.1 動(dòng)物鐵的缺乏癥

新生動(dòng)物的缺鐵現(xiàn)象十分普遍，缺鐵是發(fā)生貧血的主要原因[14]。當(dāng)體內(nèi)循環(huán)的血紅蛋白和紅細(xì)胞數(shù)量減少，血紅蛋白含量低于0.07 g·mL-1時(shí)，仔豬便處于缺鐵狀態(tài)。缺鐵性貧血被認(rèn)為是家畜嚴(yán)重的鐵異常病。鐵的缺乏會(huì)對(duì)免疫功能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致T淋巴細(xì)胞數(shù)量下降，細(xì)胞免疫功能減弱，同時(shí)影響體液免疫、非特異性免疫。早期缺鐵，還會(huì)使腦海馬背側(cè)的腦源性營養(yǎng)因子的分布及比例發(fā)生改變[15]，影響仔豬大腦發(fā)育。生產(chǎn)上，動(dòng)物缺鐵會(huì)導(dǎo)致嗜睡、呼吸加快、皮膚蒼白、毛發(fā)粗亂、精神萎靡、食欲減退、生長減慢等各種不良癥狀，并導(dǎo)致死亡率增加[16]。成年豬缺鐵，還會(huì)導(dǎo)致煩躁不安、疲乏、心跳加速等癥狀。

3.2 鐵過量的危害

鐵能通過非酶促反應(yīng)，產(chǎn)生有毒的芬頓反應(yīng)中間體，破壞維生素、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)，還能導(dǎo)致質(zhì)膜和核酸的氧化損害，致使肝細(xì)胞壞死，導(dǎo)致幼齡動(dòng)物中毒[17]。高濃度鐵會(huì)導(dǎo)致血色素沉著癥等疾??；刺激并導(dǎo)致腸道黏膜損傷[18]，引起胃脘痛、腹瀉和便秘等癥狀[19]；抑制動(dòng)物對(duì)鋅、鎂等元素的吸收[20]，致使動(dòng)物銅代謝的紊亂。研究顯示，高鐵處理下，小鼠肝臟鐵代謝相關(guān)基因增加，銅代謝紊亂，出現(xiàn)缺銅癥狀[21]。高鐵還會(huì)導(dǎo)致個(gè)別動(dòng)物心肌肥大、血清和組織銅消耗、血清銅藍(lán)蛋白下降等[22]。鐵是細(xì)菌合成DNA所必須的營養(yǎng)成分。過多補(bǔ)鐵會(huì)加快細(xì)菌的繁殖，威脅動(dòng)物健康。在早期缺鐵嬰兒的研究中顯示，注射右旋葡萄糖酸酐或900 mg每天食物補(bǔ)鐵，會(huì)導(dǎo)致革蘭氏陰性菌膿毒癥提高4倍[16]。鐵的過量添加，會(huì)導(dǎo)致糞便中鐵元素過高，對(duì)環(huán)境造成重金屬污染，影響畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 動(dòng)物飼用鐵補(bǔ)劑

4.1 鐵補(bǔ)劑的斷代劃分

目前鐵補(bǔ)劑的發(fā)展大致經(jīng)歷了3個(gè)階段，第1代鐵補(bǔ)劑是指鐵的無機(jī)鹽，包括硫酸亞鐵、氯化亞鐵等。第2代鐵補(bǔ)劑是檸檬酸鐵、富馬酸鐵等有機(jī)鐵，相較于第1代鐵補(bǔ)劑，具有更好的生物學(xué)效價(jià)，有機(jī)鐵的使用，提升了動(dòng)物對(duì)鐵的吸收率[23]。第3代鐵補(bǔ)劑即所謂的氨基酸螯合鐵。鐵通過2個(gè)以上的鍵與配位體形成的內(nèi)絡(luò)合鐵即為螯合鐵[24]。氨基酸螯合鐵相較于前2種鐵補(bǔ)劑具有多種優(yōu)勢(shì)。按照配位氨基酸的不同，一般可將氨基酸螯合鐵分為單一氨基酸螯合鐵和復(fù)合氨基酸螯合鐵，目前以賴氨酸鐵、甘氨酸鐵、蛋氨酸鐵等單一氨基酸鐵的研究最為常見，在畜牧應(yīng)用上取得了良好效果，復(fù)合氨基酸螯合鐵通常由蛋白水解物與鐵元素螯合而來，生產(chǎn)相對(duì)簡單，畜牧上運(yùn)用更加廣泛[25]。

4.2 氨基酸螯合鐵的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

4.2.1 生物利用率高

氨基酸螯合鐵可以減少抗?fàn)I養(yǎng)因子和其他金屬離子對(duì)鐵吸收的抑制作用。鐵元素在動(dòng)物體內(nèi)多以螯合態(tài)發(fā)揮功能，氨基酸螯合鐵吸收后，可以直接運(yùn)往特定部位發(fā)揮功能，減少了中間步驟，因而氨基酸螯合鐵相對(duì)于無機(jī)鐵具有更高的生物利用率。Henry等[26]研究表明，氨基酸螯合鐵或蛋白類的鐵，相較于硫酸亞鐵具有125%～185%的生物學(xué)效價(jià)。邵建華等[27]研究顯示，氨基酸螯合鐵的吸收速率可以達(dá)到硫酸亞鐵的3～5倍。Kegley等[28]分別給仔豬補(bǔ)飼甲硫氨酸螯合鐵和硫酸亞鐵，發(fā)現(xiàn)甲硫氨酸螯合鐵相對(duì)于硫酸亞鐵的生物學(xué)效價(jià)為180%。而甘氨酸螯合鐵生物利用率可以達(dá)到一水硫酸亞鐵的2倍[29]。

4.2.2 親子傳遞性

氨基酸螯合鐵相比于無機(jī)鐵補(bǔ)劑，不但具有更高的利用率，還具有良好的傳遞性。研究顯示，氨基酸螯合鐵相比于無機(jī)鐵更容易穿過胎盤屏障，進(jìn)入胚胎。飼喂氨基酸螯合鐵，可以增加通過胎盤進(jìn)入胚胎的鐵的量，因此可以更好的將鐵傳遞給后代。

4.2.3 副作用少

過多補(bǔ)鐵不利于動(dòng)物健康，糞便高濃度鐵殘留還會(huì)污染環(huán)境。氨基酸螯合鐵的適口性、生物效價(jià)要強(qiáng)于無機(jī)鐵。與此同時(shí)，動(dòng)物對(duì)氨基酸螯合鐵具有更高的耐受性，減少了鐵對(duì)動(dòng)物的副作用。氨基酸螯合鐵的吸收，會(huì)根據(jù)動(dòng)物飲食需要而調(diào)節(jié)，使動(dòng)物可以高效的吸收鐵元素但不至于鐵過量[11]。此外，由于氨基酸螯合鐵較高的生物效價(jià)，其飼料鐵添加量較無機(jī)鐵更低，糞鐵殘余量也更低。因此可以減少鐵元素的排放，減輕環(huán)境重金屬污染的壓力。

4.3 氨基酸螯合鐵的運(yùn)用

由于鐵在胎盤的轉(zhuǎn)移效率低下，母乳鐵含量不足，仔豬出生時(shí)體內(nèi)鐵含量低，缺鐵性貧血在仔豬階段十分常見[30]。氨基酸螯合鐵運(yùn)用于仔豬補(bǔ)鐵效果顯著，單獨(dú)添加或和硫酸亞鐵合用氨基酸螯合鐵，可以顯著提升仔豬的生長性能，降低料重比，且效果優(yōu)于硫酸亞鐵[31-32]。

母豬體內(nèi)的鐵含量較低，會(huì)對(duì)母乳及仔豬中的鐵含量造成影響，導(dǎo)致仔豬的鐵營養(yǎng)狀況較差。采用營養(yǎng)策略，提高母豬的鐵含量，不但會(huì)增強(qiáng)母豬體質(zhì)，還會(huì)使鐵通過胎血屏障、乳汁、糞便等傳遞給仔豬[33]，有利于改善仔豬的鐵營養(yǎng)狀態(tài)。黃國清等[34]研究顯示，與硫酸亞鐵相比，甲硫氨酸鐵能使母豬的初次配種成功率提高7.2%，死胎率降低2.1%。Wang等[35]、Li等[36]等研究中，氨基酸螯合鐵分別提升了母豬和仔豬的鐵營養(yǎng)狀況及生產(chǎn)性能。

占海昱、詹康等[37-38]發(fā)現(xiàn)，甲硫氨酸或復(fù)合氨基酸螯合鐵提升了生長豬的日增重并降低了料重比；馮國強(qiáng)、杜秀平等[39-40]研究發(fā)現(xiàn)，氨基酸螯合鐵提升了家禽的免疫性能；唐圣國、曹盛豐等[41-42]研究中，氨基酸螯合鐵提升了雞蛋的含鐵量；祈艷霞等[43]發(fā)現(xiàn)，氨基酸螯合鐵可以提高鵪鶉的產(chǎn)蛋率和蛋料比。

4.4 鐵補(bǔ)劑發(fā)展動(dòng)態(tài)

氨基酸螯合鐵是3代鐵補(bǔ)劑中最新的1代，但鐵補(bǔ)劑的發(fā)展也有別的思路。采用包被的方式處理鐵源物質(zhì)，可以提高動(dòng)物對(duì)鐵的吸收效率，減少鐵補(bǔ)劑的異味[44]，防止動(dòng)物的食欲下降。常用于鐵源物質(zhì)包被的材料包括海藻酸鈉凝膠[45]、植物油、脂肪酸、乳液聚合甘油[46]、纖維素衍生聚合物及混合在乳膠中的碳水化合物等。利用生物鐵蛋白也是提高鐵補(bǔ)劑生物效價(jià)的方法。以硫酸亞鐵為仔豬日糧唯一鐵源添加劑，并補(bǔ)飼以5、10、15 mg·kg-1的來源于圍沙蠶并表達(dá)于大腸桿菌和芽孢桿菌的重組鐵蛋白。結(jié)果顯示，在試驗(yàn)15～42 d，日采食量隨著重組蛋白濃度線性增長；在29～42 d，10 mg·kg-1的添加量使日增重和飼料轉(zhuǎn)化率顯著提高，表觀干物質(zhì)消化率顯著增加，血清鐵、血紅蛋白和鐵蛋白等線性增加[47]。

氨基酸螯合鐵本身也在不斷創(chuàng)新?；旌吓湮惑w螯合物，是指不同配位體與螯合中心螯合，形成的絡(luò)合物。理論上，2種及以上的氨基酸絡(luò)合物比單一氨基酸絡(luò)合物具有更高的溶解性與生物效價(jià)[48]。合理設(shè)計(jì)的混合配位體的氨基酸螯合鐵或絡(luò)合鐵可能成為鐵補(bǔ)劑發(fā)展的新方向。此外，多肽螯合鐵、多糖鐵等大分子螯合物鐵等多種鐵補(bǔ)劑的研究也取得了進(jìn)展。

5 小結(jié)與展望

綜上可知，鐵元素在動(dòng)物體內(nèi)發(fā)揮著重要的生理作用。畜牧上可利用含鐵的物質(zhì)治療動(dòng)物鐵缺乏癥，或進(jìn)一步開發(fā)動(dòng)物的生產(chǎn)潛力。飼用鐵補(bǔ)劑的發(fā)展已經(jīng)到達(dá)了以無機(jī)鐵、有機(jī)鐵、氨基酸螯合鐵等3代鐵補(bǔ)劑共存的局面。然而氨基酸螯合鐵在畜牧上的運(yùn)用還存在著效果不穩(wěn)定、作用機(jī)理存疑問、生產(chǎn)工藝復(fù)雜等不利于推廣的問題。今后研究者應(yīng)繼續(xù)解決氨基酸螯合鐵的上述問題，與此同時(shí)開發(fā)新型氨基酸螯合鐵鐵補(bǔ)劑及其他類型的鐵補(bǔ)劑也當(dāng)并重。此外，由于不同動(dòng)物、不同生理?xiàng)l件和不同日糧營養(yǎng)水平均會(huì)影響機(jī)體對(duì)鐵的需要量，故明確鐵的使用條件更具有生產(chǎn)實(shí)際意義。