馬新燕 呂 林 解競靜 張麗陽 羅緒剛
(中國農業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所礦物元素營養(yǎng)研究室,動物營養(yǎng)學國家重點實驗室,北京100193)
飼糧中的鐵以2種形式存在,即血紅素鐵和非血紅素鐵。血紅素鐵存在于動物性產(chǎn)品中,非血紅素鐵主要以氧化物或無機鹽的形式存在于植物性產(chǎn)品(如谷物、蔬菜及豆類等)中。
肉雞對飼糧中鐵的主要吸收部位是十二指腸。動物對血紅素鐵和非血紅素鐵吸收的途徑不同。血紅素鐵結合到十二指腸刷狀緣膜上,然后以鐵卟啉的形式,通過內吞方式被腸黏膜細胞吸收[3]。非血紅素鐵由胃進入腸道后主要以3價鐵的形式存在,3價鐵轉化成2價鐵后才能被有效吸收[4-5]。在十二指腸上段的酸性環(huán)境中,3價鐵被十二指腸細胞色素還原酶b(cytochrome b reductase,cytb)還原成2價鐵后,2價金屬轉運蛋白1(DMT1)將2價鐵轉運到十二指腸刷狀緣頂膜,進而由十二指腸上皮細胞吸收[6-7]。細胞內攝取的鐵主要在線粒體中被利用,合成鐵硫簇及亞鐵血紅素[8-9]。
機體鐵的排泄途徑較少,主要依靠腸絨毛上脫落的細胞排泄,還有少量通過尿液和汗液排泄[10]。因此,動物體內鐵過量是不可避免的,過量的鐵在細胞內產(chǎn)生自由基,導致DNA和蛋白質氧化,細胞膜脂質過氧化,從而使細胞損害或死亡[11-13]。然而,動物體內存在自我保護機制。細胞內鐵過量時,除一些酶(如過氧化氫酶等)清除過量鐵產(chǎn)生的自由基外,鐵轉運蛋白和鐵蛋白(ferritin)在防止鐵中毒方面也發(fā)揮重要作用。膜鐵轉運蛋白1(ferroportin 1,F(xiàn)pn1)將鐵從胞內轉運到血液,然后通過血液循環(huán)由轉鐵蛋白(transferrin)將其轉運到其他組織中利用或由鐵蛋白儲存[3,14]。同時,鐵的排泄量也增加,從而防止過量的鐵對機體細胞造成損害。
肉雞鐵營養(yǎng)需要量的研究方法有飼養(yǎng)試驗、平衡試驗、屠宰試驗等,但本質上可分為2類,即劑量反應法和析因法。
劑量反應法就是在含鐵很低的基礎飼糧中添加不同水平鐵,然后觀測動物對不同鐵水平的反應,并擬合出敏感指標與飼糧中鐵水平的適宜反應曲線,以此確定鐵的營養(yǎng)需要量。這種方法簡單易行,是研究鐵等礦物元素營養(yǎng)需要量的常用方法,但其結果受基礎飼糧影響較大。因此,劑量反應法所得結果具有一定的局限性[15]。
析因法是以微量元素代謝機理為基礎,根據(jù)微量元素在動物體內代謝過程中的損耗量(即內源損失,E)與每日沉積量(即生產(chǎn)需要,R)而確定微量元素的凈需要量,再根據(jù)該微量元素的生物學利用率(A)來確定肉雞該微量元素在飼糧中的適宜需要量。動物對某一微量元素的需要量用公式可表示為:G=(E+R)/A。此公式中各參數(shù)的完整性和可靠性決定了用析因法確定動物對微量元素需要量的準確性和可靠性。
析因法研究肉雞鐵營養(yǎng)需要量的優(yōu)點有:1)不需誘導肉雞鐵的缺乏癥;2)可以估算不同類型飼糧及不同家禽品種鐵的需要量;3)靈活性大??紤]到體重、鐵的總利用率等的變化,計算中使用的參數(shù)可隨時變動。此方法主要的不足之處在于缺乏基本信息,尤其是計算所需的鐵利用率及其維持需要[15]。
目前關于肉雞鐵營養(yǎng)需要量的研究很少,尤其是專門進行肉雞鐵營養(yǎng)需要量的研究更少。NRC[16]對肉雞各生長階段飼糧中鐵的推薦量為80mg/kg,而我國雞飼養(yǎng)標準[17]對0~3周齡肉雞飼糧中鐵的推薦量為100mg/kg,4~7周齡為80mg/kg。前人關于肉雞對鐵的營養(yǎng)需要量的研究結果[18-24]總結列于表1。由表1可見,以肉雞的生長性能和血液指標(血紅蛋白濃度和紅細胞壓積)作為鐵營養(yǎng)需要量的評價指標時,肉雞鐵營養(yǎng)需要量為40~100mg/kg。前人研究中主要采用的純合或半純合飼糧,適口性差,肉雞的采食量少,生長嚴重受阻。純合或半純合飼糧含較少的實用型飼糧所含的影響鐵吸收的成分,這些原因可能會導致飼喂純合或半純合飼糧時低估肉雞對鐵的營養(yǎng)需要量。另外,前人評價鐵營養(yǎng)需要量時采用的這些常規(guī)指標也許不能有效地使肉雞對飼糧中不同水平鐵表現(xiàn)出敏感的反應,所以尋找與鐵代謝相關的敏感特異性功能指標是評價肉雞鐵營養(yǎng)需要量亟需解決的問題之一。因此,為了充分發(fā)揮現(xiàn)代快速生長肉雞的生長潛力,很有必要重新評價肉雞對鐵的營養(yǎng)需要量。
影響肉雞鐵營養(yǎng)需要量的因素很多,如肉雞因素(品種、性別、年齡和健康狀況)、飼糧組成、飼糧中鐵利用率、研究方法和評價指標等。本文主要就肉雞因素、飼糧組成、評價指標及肉雞對飼糧中鐵利用率進行概述。
肉雞的品種、性別、年齡及健康狀況影響其對飼糧中鐵的吸收和利用,進而影響肉雞對鐵的營養(yǎng)需要量[19-21]。現(xiàn)代快速生長的肉雞對鐵的需要量較高,其中由于公雞生長速度較母雞快,對鐵的需要量更高。隨著年齡的增長,肉雞代謝強度減弱,可能對鐵的需要量降低。由我國雞飼養(yǎng)標準[17]可見,4周齡肉雞對鐵的需要量與前3周相比降低了20mg/kg。Cao等[25]研究表明,肉雞第3周時肝臟、腎臟、脾臟和骨骼中鐵的沉積量比第2周少,隨著肉雞年齡的增長,組織中鐵沉積量降低。因此,不同年齡段的肉雞采用組織鐵沉積量評價鐵的需要量時,將得出鐵需要量不同的結果。Southern等[21]報道,采用血紅蛋白濃度和紅細胞壓積評價肉雞鐵需要量,感染球蟲的肉雞比健康肉雞對鐵的需要量增加了20mg/kg。肉雞感染球蟲后,采食量下降,同時十二指腸中的球蟲降低了鐵與其轉運載體的結合能力,因此鐵的吸收降低,導致肉雞對飼糧中鐵的需要量提高。可見,肉雞自身的這些因素影響肉雞鐵需要量。
表1 肉雞飼糧鐵的營養(yǎng)需要量Table 1 Iron nutritional requirement for broilers in diets
飼糧中存在許多影響鐵吸收的成分,目前研究較多的有植酸、單寧、纖維素、果膠、抗壞血酸和一些氨基酸等。然而這些研究的試驗動物多是大鼠和豬等哺乳動物,關于肉雞的研究較少。飼糧中這些影響鐵吸收的成分可能降低或提高肉雞對飼糧中鐵的利用率,進而導致肉雞對鐵的營養(yǎng)需要量升高或降低。
4.2.1 抑制因素
飼糧中存在抑制動物對鐵吸收的成分,如植酸、纖維素、果膠、單寧及一些礦物元素等。
1942年,Widdowson等[26]經(jīng)典的平衡試驗表明,植酸抑制飼糧中鐵吸收。隨后的許多研究亦得出相同結論。Morris等[27]報道,以硫酸亞鐵利用率100%為標準,飼喂大鼠去植酸的麥麩時鐵利用率為113%,而飼喂未去植酸的麥麩時鐵利用率為98%,可見去植酸后大鼠對麥麩中鐵利用率提高了15%。因此,麥麩中的植酸可能是抑制鐵吸收的主要成分,麥麩中是否還存在其他阻礙鐵吸收的成分,有待進一步研究。酪蛋白-葡萄糖飼糧中分別添加豆粕(含鐵19mg/kg)和豆粕+植酸處理后,發(fā)現(xiàn)試雞對添加豆粕+植酸的組中鐵的利用率比只添加豆粕的組降低了19%[28]。同時,Hallberg等[29]在人上的研究也得出一致的結論。這些研究均表明,植酸會抑制鐵的吸收和利用,可能是由于植酸與鐵結合,形成難溶的植酸鐵,減少了小腸中的可溶性鐵,從而阻礙了小腸對鐵的吸收。然而,也有較少的研究表明飼糧中鐵充足時,植酸含量低于或等于4%不會影響大鼠對飼糧中鐵的利用[30]。因此,目前關于植酸對飼糧中鐵吸收的影響尚存在爭議,有待于進一步研究。
纖維素一直以來都被認為是飼糧中鐵吸收的限制因素,Reinhold等[31]發(fā)現(xiàn),小麥中與纖維素結合的鐵有0.38mg/g,玉米中與纖維素結合的鐵高達20%,小麥和玉米中鐵與纖維素結合形成難溶的復合物,抑制了飼糧中鐵的吸收。然而,近年來也有研究結果顯示纖維素對鐵的吸收沒有影響。大鼠飼喂添加纖維素100g/kg的飼糧,其生長性能、血紅蛋白濃度及肝臟鐵含量均未受到影響,此研究表明纖維素可能不會影響大鼠對鐵的利用[32]。Freitas等[33]和 Weber等[34]均與前者得出一致的結論。目前,飼糧中纖維素含量與鐵利用率關系的研究結果存在爭議,這可能與飼糧的類型、纖維素的種類及動物的品種等因素相關,因此纖維素對飼糧中鐵的利用率有待進一步研究。類似于纖維素,果膠也被認為阻礙飼糧中鐵的吸收,但是,Miyada等[35]在大鼠飼糧中添加果膠(2個處理的鐵含量相近),發(fā)現(xiàn)果膠未影響大鼠對鐵的利用。目前畜牧業(yè)主要以玉米等植物性飼料為主,因此研究纖維素和果膠對鐵吸收的影響有著重要的意義。
單寧是植物性飼料中的另一種抗營養(yǎng)因子。大量研究結果表明,單寧抑制飼糧中鐵的吸收。大鼠飼糧中單寧含量多于10g/kg會導致大鼠血紅蛋白濃度、紅細胞壓積、血清鐵含量及肝臟鐵含量均降低,說明單寧會抑制飼糧中鐵吸收,從而降低飼糧中鐵的利用率[36]。Lee等[37]在豬上的研究結果與Kaosar等[36]一致。單寧阻礙飼糧中鐵的吸收,主要原因在于單寧特殊的分子結構。每個單寧分子含有8個沒食子酸分子,每分子沒食子酸含有1個沒食子?;?,這些?;c鐵存在較高的親和力[38],鐵與單寧結合形成難溶的復合物,在腸道中亦不易解離,從而導致小腸對鐵的吸收受阻。
另外,飼糧中的一些礦物元素也阻礙鐵的吸收,如錳、銅和鋅等2價金屬,它們與鐵共用DMT1,因此它們在吸收的過程中由于競爭DMT1,可能會干擾鐵吸收[39]。
4.2.2 促進因素
飼糧中亦存在一些促進鐵吸收的成分,如抗壞血酸和一些氨基酸等。
1968年,Conrad等[40]報道抗壞血酸促進鐵吸收,其機制是pH較低時抗壞血酸與鐵結合形成螯合物,此螯合物在腸腔中是可溶狀態(tài),從而促進了鐵的吸收。隨后許多研究者采用動物模型或細胞培養(yǎng)技術均證明了抗壞血酸促進鐵吸收[41-43]。
通過對大鼠十二指腸原位結扎研究發(fā)現(xiàn),組氨酸、賴氨酸和 半 胱 氨 酸 促 進 鐵 的 吸 收[44-45]。Glahn等[46]和Swain等[47]采用細胞培養(yǎng)方法得出了一致的結論。這些氨基酸能有效地與3價鐵形成螯合物[48],阻止了3價鐵在腸道pH大于3的環(huán)境下轉化成難溶的沉淀物,增加了鐵在腸腔內的溶解,從而促進鐵的吸收。另有人認為,這種螯合物可以通過主動轉運直接由腸壁進入血液[49],但這一觀點有待進一步研究確定,這將為氨基酸螯合鐵在生產(chǎn)中廣泛應用奠定基礎。
然而,上述飼糧中這些成分是否會影響肉雞對鐵的利用尚未見文獻報道,推測飼糧中這些影響鐵吸收的組分可能影響肉雞鐵的營養(yǎng)需要量。
目前在查閱的文獻中發(fā)現(xiàn),前人研究肉雞鐵營養(yǎng)需要量主要采用一些常規(guī)指標,如肉雞的生長性能、血液指標及組織鐵含量等。然而,鐵在動物體內主要通過功能蛋白或酶參與肉雞體內一系列重要的生化反應。因而推測,用特異性功能敏感指標,如含鐵蛋白或含鐵關鍵酶等及其基因表達來評價肉雞對鐵的營養(yǎng)需要量,可能比用常規(guī)指標更敏感更科學。
4.3.1 含鐵蛋白
動物體內的含鐵蛋白主要有鐵蛋白和血紅蛋白等。
鐵蛋白是一種在動物體內廣泛存在并且高度保守的含鐵蛋白,由24個亞基構成球形空殼,核部可結合約4 500個3價鐵原子[50-51]。鐵蛋白的合成受鐵水平的影響,鐵對鐵蛋白mRNA水平影響不顯著,鐵主要在翻譯水平調節(jié)鐵蛋白的合成[2,52-54]。鐵蛋白的翻譯水平調控依靠鐵調節(jié)蛋白(iron regulatory protein,IRP)與鐵反應元件(iron responsive element,IRE)的調節(jié)。鐵蛋白mRNA 5′非翻譯區(qū)(UTP)存在一個IRE,鐵水平低時,IRP與IRE結合,抑制鐵蛋白的翻譯,鐵蛋白的合成降低,鐵水平高時反之[12,14]。
另一種含鐵蛋白血紅蛋白,由4個亞基構成α2β2結構,主要是在血液中結合并運輸氧氣。大量研究報道,鐵水平高時血紅蛋白濃度上升,鐵水平低時血紅蛋白濃度降低[55-57],尚未見文獻報道鐵水平對血紅蛋白基因表達水平的影響。
4.3.2 含鐵酶
動物體內含鐵關鍵酶是保證動物體健康所需的關鍵酶,如琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase,SDH)、過氧化氫酶(catalase,CAT)、細胞色素c氧化酶(cytochrome c oxidase,COX)及cytb,它們的活性均受鐵水平的調節(jié)。SDH和CAT發(fā)揮作用的場所主要在線粒體,SDH是三羧酸循環(huán)及呼吸鏈中的關鍵酶,CAT的主要作用是清除由呼吸作用產(chǎn)生的氧陰離子自由基。Feng等[58]研究發(fā)現(xiàn),玉米-豆粕飼糧中添加鐵含量分別為0、30、60、90、120mg/kg的甘氨酸 螯合鐵,豬 肝臟中SDH和CAT的活性均隨著鐵添加水平的升高而升高。COX是呼吸鏈末端的電子受體,通過Cu2+將獲得的電子直接傳遞給氧原子,使氧氣轉化成水。前人研究表明,缺鐵降低COX酶的活性[59]。飼喂大鼠高鐵(鐵含量198mg/kg)和缺鐵飼糧(鐵含量3~6mg/kg),發(fā)現(xiàn)缺鐵大鼠大腦中COX活性降低[59]。cytb是另一種含鐵關鍵酶,主要在十二指腸上皮細胞的刷狀緣膜上高度表達,主要作用是將不能被機體吸收的3價鐵還原成可被吸收的2 價 鐵[4,6,60]。Tako等[61]報 道,缺 鐵 組 肉 雞 十二指腸黏膜中cytb mRNA的水平比高鐵組顯著地提高了20%。小白鼠飼喂缺鐵飼糧也導致十二指腸中cytb的表達升高[60]。鐵是這些含鐵關鍵酶發(fā)揮作用的必需輔基,因此缺鐵導致這些酶的激活受阻,從而使其活性降低。
上述鐵水平在含鐵蛋白或含鐵酶類的研究中,研究的動物模型主要是鼠類、豬等哺乳動物,未見采用這些指標評價動物對鐵營養(yǎng)需要量的研究。因此,這些指標能否用于肉雞鐵需要量的研究尚不清楚。但是,今后研究肉雞鐵營養(yǎng)需要量時,除采用肉雞的生長性能、血液指標及組織鐵含量這些常規(guī)評價指標外,可以嘗試采用與鐵代謝相關的含鐵酶類或蛋白質作為新的評價指標,期望這些指標能作為評價肉雞鐵營養(yǎng)需要量的潛在特異敏感性指標。
飼糧中鐵的生物學利用率即飼糧中的鐵被畜禽實際吸收并利用的量占其總量的百分率,是影響鐵營養(yǎng)需要量的重要因素。飼糧中鐵生物學利用率的影響因素主要有2個方面——肉雞因素及飼糧因素。肉雞因素,如肉雞種類及日齡等。不同種類的肉雞對飼糧中鐵的利用率不同,幼齡肉雞由于消化器官不健全,對飼糧中鐵的利用率可能比成年的低。飼糧因素,如飼糧中影響鐵吸收利用的營養(yǎng)成分及飼糧中鐵源的類型等。本實驗室近期關于肉雞飼喂酪蛋白-葡萄糖飼糧對一種新型有機鐵源蛋白鐵(鐵含量為14.15%)生物學利用率的研究結果表明,以血紅蛋白濃度作為評價指標,有機蛋白鐵相對無機硫酸亞鐵(100%)的生物學利用率為116.6%,有機蛋白鐵的生物學利用率顯著高于無機硫酸亞鐵。通過懸掛滴汞電極極普法測定此有機蛋白鐵的穩(wěn)定常數(shù)(Qf值)為43.6,屬于中等絡合強度有機鐵,其生物學利用率比無機硫酸亞鐵高,此結果與本實驗室前期研究發(fā)現(xiàn)的中等絡合強度的有機錳或鋅相對生物學利用率高于相應無機硫酸鹽[62-64]的結果一致。Bao等[24]研究亦表明,肉雞對飼糧中有機鐵源的生物學利用率高于無機鐵源。目前關于肉雞對有機鐵生物學利用率的研究較少,但關于豬等其他動物的許多研究表明,飼糧中有機鐵生物學利用率比無機鐵高[65-66]。另有研究表明,有機鐵源的生物學利用率低于或等同于無機鐵源[25,67]。不同有機鐵源生物學利用率研究結果的差異可能與其產(chǎn)品質量及絡合強度等有關。因此,肉雞對飼糧中鐵的生物學利用率仍需進一步研究。肉雞對飼糧中鐵的生物學利用率直接影響其對外源鐵的添加量,進而影響其對鐵的營養(yǎng)需要量。飼糧中鐵利用率高,一定程度上會減少外源鐵的添加量,同時亦可減少鐵的排泄量,有利于環(huán)境的保護;飼糧中鐵利用率低則反之。
肉雞鐵營養(yǎng)需要量的研究較少,還有大量的工作要做,主要體現(xiàn)在篩選合適的特異敏感性新指標來評價飼喂實用飼糧時肉雞對鐵的營養(yǎng)需要量。前人已進行了鐵水平對哺乳動物體內含鐵蛋白及含鐵關鍵酶調節(jié)的研究,而關于肉雞等家禽方面的研究較少。所以,今后評價肉雞對鐵的營養(yǎng)需要量的研究中,除了采用常規(guī)的評價指標外,可以嘗試用這些特異功能性指標,以期尋找到更敏感特異功能性指標,從而更科學客觀地評價肉雞對鐵的營養(yǎng)需要量。
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