余涵婧,瞿明仁,陳傳斌,王 隆,毛 康,許蘭嬌*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西省動(dòng)物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/營養(yǎng)飼料開發(fā)工程研究中心 江西 南昌 330045;2.安佑生物科技集團(tuán)股份有限公司 江蘇 太倉 215400 )

我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶來居民生活水平的提高，人們所攝取的肉制品總量增多，種類多樣性增加，比例也發(fā)生了變化[1]。報(bào)道指出，2017年中國人均肉類消費(fèi)為50.3 kg，其中66%為豬肉，21%為禽類，8%為牛肉，5%為羊肉；而1980年城鄉(xiāng)居民人均肉類消費(fèi)量僅為12.7 kg，其中豬肉占87.6%，禽類占6%，牛羊肉僅占6.4%[2-3]。因肉制品需求量的提高以及牛羊肉比例的增加，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2017年提出要“穩(wěn)生豬、促牛羊、興奶業(yè)”的重要戰(zhàn)略。但中國飼料原料產(chǎn)量有限，原料進(jìn)口依賴度高，如何通過營養(yǎng)手段提高飼料利用率、降低料重比和提高肉品質(zhì)成為當(dāng)今科研工作者的研究熱點(diǎn)之一。

據(jù)報(bào)道，鉻元素可與不同配體形成復(fù)合物，如酵母鉻、吡啶甲酸鉻、蛋氨酸鉻等，在動(dòng)物試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中具有顯著提高采食量、生長速度和瘦肉率以及降低料重比等方面的作用[4-6]。鉻在代謝中的主要作用是通過一種叫做葡萄糖耐量因子(GTF)的金屬有機(jī)分子[7]增強(qiáng)胰島素的作用。它可作用于胰島素受體(insulin receptor,IR)上的酪氨酸激酶而提高胰島素敏感性，進(jìn)一步使胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)磷酸化?；罨蟮氖荏w底物可分別通過MAPK、PI3K和AKT通路影響核內(nèi)基因表達(dá)和細(xì)胞膜上葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-4(GLUT-4)的異位。目前，鉻制劑對(duì)非反芻動(dòng)物影響的研究和應(yīng)用比較廣泛，反芻動(dòng)物上的研究更多地聚焦在生產(chǎn)性能方面，而其對(duì)肉質(zhì)影響的研究還不夠深入，尤其在肌內(nèi)脂肪的沉積方面[8]。鉻元素在動(dòng)物各個(gè)生產(chǎn)階段的添加量不同，并且NRC也沒有將鉻元素列入到必需微量礦物元素推薦量中?，F(xiàn)對(duì)近些年關(guān)于鉻在動(dòng)物生產(chǎn)性能和胴體品質(zhì)方面及其可能的作用機(jī)制的研究進(jìn)行綜述，以期對(duì)后續(xù)在畜禽上開展試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 鉻制劑對(duì)動(dòng)物生長性能和肉品質(zhì)的影響

美國RAD于1980年建議人的鉻元素安全攝入量為0.05～0.20 mg/d，而沒有對(duì)畜禽推薦鉻的適宜用量。一般情況下，畜禽飼糧中的鉻可以滿足其正常需要。但研究表明，在飼糧中添加鉻復(fù)合物具有緩解動(dòng)物應(yīng)激反應(yīng)、提高機(jī)體免疫力、改善生長性能、降低脂肪沉積、增加不飽和脂肪酸含量和改善肉品質(zhì)等作用。直到1996年，美國食品與藥品監(jiān)督管理局(FDA)首次批準(zhǔn)可在豬全價(jià)料中添加不超過0.2 mg/kg 的Cr3+。我國及NRC建議在豬、禽日糧中添加適量的鉻，但并沒有給出各個(gè)階段明確的推薦用量。相對(duì)于豬、禽等非反芻動(dòng)物，鉻反芻動(dòng)物上的研究及適宜添加量目前還在探索之中。

1.1 鉻制劑對(duì)豬生長性能和肉品質(zhì)的影響AMOIKON等[9]于1995年在大白、漢普夏和杜洛克三元雜交生長豬(初始體質(zhì)量21.3 kg，飼喂21 d)日糧中添加200 μg/kg的鉻(吡啶甲酸鉻形式)所做的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在此生長階段添加鉻制劑對(duì)日增重、日采食量和料肉比等沒有顯著影響。這與WENK等[10]在生長育肥豬上的研究結(jié)果相似；日糧中添加不同形式(CrPic、CrCl3以及酵母鉻)的鉻，質(zhì)量濃度為500 μg/kg，沒有顯著影響27.6～60.0 kg生長階段豬的生長性能，但在60.0～106.5 kg育肥階段，顯著提高了豬的日增重、日采食量，顯著降低了料肉比。該育肥階段的結(jié)果與LI等[11]于2017年在初始體質(zhì)量76.7 kg、飼喂60 d的杜長大育肥豬的試驗(yàn)結(jié)果相同，但其吡啶甲酸鉻和酵母鉻用量僅為200 μg/kg。分析認(rèn)為，這可能是由于豬本身的生長發(fā)育過程所決定的，在體質(zhì)量低于80 kg時(shí)，豬以肌肉沉積為主，鉻的添加與否并不能明顯的影響該生長過程；而高于80 kg之后，豬的生長速度減慢，能量堆積造成脂肪沉積速率大于肌肉，鉻的降脂增肌作用就會(huì)顯現(xiàn)出來。目前，鉻制劑的不同形態(tài)對(duì)生長育肥豬生產(chǎn)性能的研究仍是熱點(diǎn)之一[5,12-13]。有研究表明，添加200 μg/kg鉻會(huì)增加母豬分娩率，提高二胎母豬產(chǎn)仔數(shù)和成活率[14]。添加200 μg/kg煙酸鉻和酵母鉻可提高仔豬初生質(zhì)量，降低哺乳期仔豬發(fā)病率和病死率[15]。

據(jù)報(bào)道，相對(duì)于添加400 μg/kg的鉻，添加200 μg/kg鉻可顯著增加育肥后期總肌肉色素水平、眼肌面積和脂肪瘦肉比率顯著降低骨骼肌膽固醇水平，說明添加200 μg/kg的鉻可提高蛋白合成率，改善胴體品質(zhì)[12]。胴體品質(zhì)的改善很大程度上得益于較高的肌內(nèi)脂肪含量，即大理石紋路的豐富度。對(duì)背最長肌成分分析結(jié)果顯示，不論是添加CrCl3還是CrPic都會(huì)增加肌肉中的脂肪含量[11]。BOLEMAN等[16]也報(bào)道，添加200 μg/kg CrPic會(huì)增加胴體肌肉含量，但同時(shí)也會(huì)增加肌內(nèi)脂肪含量，大理石紋評(píng)分更高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能的機(jī)理是鉻可激活胰島素受體，使胰島素敏感性增加，葡萄糖進(jìn)入脂肪細(xì)胞增多促進(jìn)脂肪合成，減少脂肪的動(dòng)員和脂肪酸的釋放[17]。

1.2 鉻制劑對(duì)家禽生長性能和肉品質(zhì)的影響有研究表明，日糧中鉻的增加使胰島素血漿濃度線性增加，表明鉻在增強(qiáng)胰島素作為胰島素輔助因子的生理作用[18]。SAHIN等[19]認(rèn)為，添加吡啶甲酸鉻能提高熱應(yīng)激肉仔雞的體質(zhì)量、飼料效率和胴體品質(zhì)。HUANG等[20]研究表明，添加丙酸鉻、吡啶磷酸鉻和氯化鉻的肉雞日增重均高于對(duì)照組。飼喂2.0 mg/kg 鉻飼料的肉雞比飼喂0.4 mg/kg飼料的肉雞具有更高的ADG。添加鉻組與對(duì)照組相比，腹部脂肪百分比降低，而胸部肌肉脂肪(IMF)未受影響。添加鉻的肉仔雞胸肌肉色b*值降低。喂食CrPro的肉雞的b*值也低于喂食CrCl3或CrPic的肉雞。GHAZI等[21]通過研究基礎(chǔ)日糧中的鉻質(zhì)量濃度以及BAHRAMI等[22]分析鉻超過3.0 mg/kg的日糧對(duì)家禽生長性能的影響，結(jié)果表明生長性能的改善可能是由于基礎(chǔ)日糧中的高鉻質(zhì)量濃度所致。RAMA等[23]研究表明，當(dāng)用有機(jī)鉻為400 μg/kg的飼料喂養(yǎng)時(shí)，鉻對(duì)熱應(yīng)激條件下飼養(yǎng)的家禽是有效的，而對(duì)熱中性區(qū)飼養(yǎng)的家禽是無效的。然而，SANDS等[24]報(bào)道，無論環(huán)境溫度如何，飼喂添加有機(jī)鉻飼料在雞日增重和飼料效率方面都有顯著改善。 MOEINI等[25]研究結(jié)果表明，在熱應(yīng)激條件下，日糧添加有機(jī)鉻(1 200 mg/L -Cr-Met)對(duì)血液指標(biāo)和肉雞生產(chǎn)性能有一定的積極影響。這可能是因?yàn)轱曫B(yǎng)環(huán)境不同，鉻有緩解熱應(yīng)激的作用。在熱應(yīng)激條件下，日糧添加任何形式的鉻對(duì)肉雞的日增重和飼料轉(zhuǎn)化率等方面有顯著的改善；在普通適宜溫度飼養(yǎng)條件下，日糧添加任何形式的鉻對(duì)肉雞日增重都無明顯影響。

1.3 鉻制劑對(duì)牛羊生長性能和肉品質(zhì)的影響在無應(yīng)激狀態(tài)下，在體質(zhì)量為(253±4)kg的肉牛飼料中添加100，200，400 μg/kg干物質(zhì)的酵母鉻，對(duì)肉牛采食量、增加體質(zhì)量以及葡萄糖清除速率沒有顯著影響。但在392.8 kg肉牛飼料中添加800 μg/kg精飼料的煙酸鉻可顯著增加其體質(zhì)量[26]。這可能是由于在肉牛育肥前期，生長速度較快，吸收的營養(yǎng)物質(zhì)主要用來合成蛋白和維持器官、骨骼等生長發(fā)育，而到了育肥中后期，更多的營養(yǎng)物質(zhì)則用來合成脂肪并蓄積。鉻可通過提高肉牛育肥后期的高密度脂蛋白水平，降低低密度脂蛋白水平來降低外周脂肪的沉積[27]。SUNG等[28]的研究結(jié)果顯示，日糧添加蛋氨酸鉻會(huì)顯著提高牛胴體品質(zhì)，增加肌內(nèi)脂肪的含量而提高大理石紋評(píng)分。在羊的育肥后期，鉻的添加并沒有提高其生產(chǎn)性能，但會(huì)增加肌肉含量并降低腎周脂肪含量；肌肉含量的增加則會(huì)導(dǎo)致剪切力升高[29]。在經(jīng)受應(yīng)激的育肥后期羊的飼料中添加不同劑量的鉻，則會(huì)有效減輕應(yīng)激帶來的負(fù)面效果而顯著提高其生產(chǎn)性能，尤其是在300 μg/kg的飼糧添加量組[30]。在夏季熱應(yīng)激條件下，奶牛的采食量隨著鉻添加量的升高而增加，乳中脂肪、蛋白和固形物以及所含能量在鉻添加量為0.05 mg/kg BW0.75(代謝體質(zhì)量)時(shí)最高，同時(shí)血液中胰島素、NEFA的水平顯著降低，這也與鉻會(huì)增加胰島素敏感性的機(jī)理相符合[31]。有研究認(rèn)為，是由于鉻會(huì)促進(jìn)淋巴細(xì)胞和外周中性粒細(xì)胞的分裂增殖，從而提高機(jī)體健康度和強(qiáng)化乳房功能[32-33]。

據(jù)報(bào)道，熱應(yīng)激與飼料攝入量、生長速率和免疫力降低以及血液成分和生物途徑變化有關(guān)，會(huì)導(dǎo)致畜禽生產(chǎn)力受損[34]。另據(jù)報(bào)道，熱負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致飼料攝入量和生長性能下降，并表明熱負(fù)荷反過來會(huì)導(dǎo)致組織合成的能量消耗減少[35-38]。然而有研究顯示，補(bǔ)充鉻可以增加熱應(yīng)激動(dòng)物的采食量，從而提高生長性能[39]。同樣，與對(duì)照組(分別為21.24，19.56 kg/d)相比，鉻酵母增加了熱應(yīng)激泌乳奶牛的采食量[40]。

牛羊是反芻動(dòng)物，瘤胃中存在大量的微生物(如細(xì)菌、真菌和原蟲等)，營養(yǎng)物質(zhì)攝入后首先在瘤胃中發(fā)酵，產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸以及合成微生物蛋白。脂肪攝入后，絕大多數(shù)不飽和脂肪酸被氫化成為飽和脂肪酸而蓄積與體內(nèi)。目前，更多的研究僅僅聚焦在鉻制劑對(duì)生產(chǎn)性能和肉品質(zhì)方面，而很少關(guān)注鉻制劑對(duì)瘤胃發(fā)酵性能的影響以及微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)的變化，還有脂肪酸組成的改變[41]。

2 鉻元素生物學(xué)功能的分子機(jī)制

鉻元素以Cr2+、Cr3+和Cr6+的形式存在于自然界中，Cr2+因還原性最強(qiáng)，幾乎在體內(nèi)很難檢測(cè)到，其通常都是被氧化為Cr3+存在于機(jī)體內(nèi)。Cr3+在機(jī)體內(nèi)是最穩(wěn)定的存在形式，與Cr6+不同的是其不能穿過細(xì)胞膜。從1798年鉻元素被發(fā)現(xiàn)[42]，到之后的很長一段時(shí)間內(nèi)，其都被視為是癌癥發(fā)生的誘因之一[43]。直到1959年，SCHWARZ等[44]發(fā)現(xiàn)鉻元素是大鼠體內(nèi)必需的一種微量礦物元素，是構(gòu)成和維持葡萄糖耐受因子(glucose tolerance factor,GTF)活性所必需的。1977年，JEEJEEBHOY等[45]發(fā)現(xiàn)其缺乏會(huì)導(dǎo)致人體葡萄糖不耐受和神經(jīng)病變，胰島素敏感性降低，人們才逐漸意識(shí)到鉻元素對(duì)維持機(jī)體正常代謝和穩(wěn)態(tài)的重要性。2.1 GLUT-4通路 GTF由Cr3+和煙酸、甘氨酸、谷氨酸以及半胱氨酸組成，其最早在1977年由TOEPFER等[46]提純并分析得出。在對(duì)啤酒酵母培養(yǎng)物進(jìn)行分析提純時(shí)，同樣也發(fā)現(xiàn)了活性很高的Cr3+，并且Cr3+和上述有機(jī)物形成的復(fù)合物與從酵母培養(yǎng)物中提取出來的GTF有相同的生物學(xué)活性，這說明Cr3+是GTF發(fā)揮生物學(xué)功能所必需的[47-48]。人體缺乏鉻元素會(huì)導(dǎo)致葡萄糖不耐受和胰島素敏感性降低，造成機(jī)體血糖水平升高，胰島素、膽固醇以及甘油三酯水平增加，以及高密度脂蛋白含量降低等癥狀[49]，說明鉻元素在胰島素作用過程中有顯著的協(xié)同作用。在健康和罹患糖尿病大鼠上的研究顯示，腹腔注射GTF會(huì)分別降低禁食狀態(tài)下血漿葡萄糖38%和14%～29%，同時(shí)會(huì)分別降低血漿甘油三酯和膽固醇水平47%和35%；并且GTF配合胰島素治療時(shí)降血糖和降血脂效果更加顯著，降幅達(dá)到39%～51%，甘油三酯降低達(dá)76%[50]。關(guān)于這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，有研究報(bào)道指出GTF質(zhì)量濃度與胰島素質(zhì)量濃度分別為20 g/L和233 nmol/L時(shí)，均會(huì)最大化地增加2-脫氧葡萄糖(2-deoxyglucose，2-DG)向3T3-L1細(xì)胞的運(yùn)輸，在質(zhì)量濃度為50 g/L時(shí)會(huì)最大化地增加2-DG向L6肌管細(xì)胞的運(yùn)輸，而且GTF與胰島素同時(shí)添加會(huì)顯著提高3T3-L1脂肪細(xì)胞和L6肌管細(xì)胞對(duì)2-DG的敏感性并顯著減弱脂質(zhì)分解[51]。CHEN等[52]在3T3-L1細(xì)胞上的研究顯示，在培養(yǎng)液中加入CrCl3或CrPic后，其細(xì)胞內(nèi)膜上的GLUT-4積聚，并重新分布到細(xì)胞質(zhì)膜，在胰島素存在條件下，增強(qiáng)了葡萄糖向3T3-L1細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸。這種葡萄糖攝取增多的現(xiàn)象同樣也會(huì)發(fā)生在骨骼肌細(xì)胞中[53-54]。同時(shí)，鉻會(huì)使細(xì)胞質(zhì)膜上的膽固醇減少，增加了細(xì)胞質(zhì)膜的流動(dòng)性，協(xié)同強(qiáng)化GLUT-4的重新分布并進(jìn)而顯著增強(qiáng)3T3-L1細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取。此項(xiàng)研究也暗示了鉻通過作用于GLUT-4使得脂肪細(xì)胞3T3-L1中脂質(zhì)合成增加[52]。

有報(bào)道顯示，給高效表達(dá)胰島素受體的中國倉鼠卵巢細(xì)胞(CHO-IR)添加不同的含鉻復(fù)合物(如氯化鉻、吡啶甲酸鉻、組氨酸鉻等)，可使胰島素依賴性地增強(qiáng)完整細(xì)胞中IR的酪氨酸磷酸化，而不是直接激活重組胰島素受體激酶。鉻可通過抑制完整細(xì)胞上對(duì)立蛋白酪氨酸磷酸酶(opposing protein tyrosine phosphatase，PTP1B)來增加IR磷酸化水平，說明鉻元素首先必需激活細(xì)胞膜上的胰島素受體激酶，才能進(jìn)一步促進(jìn)IR酪氨酸磷酸化[55]。相似的研究結(jié)果顯示，鉻元素可增強(qiáng)胰島素治療下細(xì)胞表面GLUT-4和PI3K的活性，以及Akt的磷酸化，進(jìn)一步提高IR的磷酸化水平，提高胰島素敏感性[56]。動(dòng)物長期攝入高淀粉或高糖的食物后，極易造成血糖含量升高和脂質(zhì)合成增加。在脂質(zhì)合成過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的促炎癥因子和氧化產(chǎn)物，需要額外補(bǔ)充維生素E等抗氧化物質(zhì)來增強(qiáng)機(jī)體細(xì)胞的抗氧化能力，防止造成氧化損傷[57-59]。TNF-α被證明是降低胰島素敏感性和抑制胰島素生物學(xué)功能的重要細(xì)胞因子[60-62]。U937細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，高糖培養(yǎng)液中的U937細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生大量的TNF-α和氧化應(yīng)激，而在其中加入不同濃度梯度的CrCl3溶液后，均可有效抑制TNF-α的產(chǎn)生和降低氧化應(yīng)激[63]。但另有研究報(bào)道，成肌細(xì)胞培養(yǎng)中加入鉻制劑和胰島素，會(huì)增加活性氧(ROS)的產(chǎn)生，伴隨葡萄糖攝取的增加；當(dāng)加入抗氧化劑后，由于ROS被清除，葡萄糖攝取減少[64]。 ROS是胰島素信號(hào)途徑的組成部分，鉻對(duì)胰島素敏感性的促進(jìn)與否取決于細(xì)胞的抗氧化狀態(tài)，該研究顯示，鉻會(huì)增加細(xì)胞膜上磷酸酶的活性而會(huì)抑制胰島素信號(hào)途徑[64]。

鉻元素的作用機(jī)制尚待完善，目前的研究熱點(diǎn)聚焦在2個(gè)方面：一是鉻元素在細(xì)胞表面作用位點(diǎn)的發(fā)掘，具體的說是對(duì)GLUT-4通路的影響；二是鉻元素對(duì)胰島素信號(hào)通路中蛋白的作用。隨著研究的深入和科研技術(shù)手段的創(chuàng)新，對(duì)于鉻元素的作用機(jī)制的闡釋會(huì)愈來愈完善。

3 小結(jié)

日糧中添加鉻制劑提高動(dòng)物生產(chǎn)性能，改善肉產(chǎn)品品質(zhì)等方面作用，適合在我國養(yǎng)殖業(yè)開發(fā)應(yīng)用，可滿足當(dāng)前人們對(duì)肉品質(zhì)的高要求。在當(dāng)前飼料資源相對(duì)缺乏的條件下，集約化養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，動(dòng)物應(yīng)激現(xiàn)象普遍存在，故動(dòng)物低鉻缺鉻現(xiàn)象十分普遍。合理利用鉻制劑來抗應(yīng)激、優(yōu)化生產(chǎn)性能、提高飼料利用率及肉產(chǎn)品品質(zhì)，其作用機(jī)制可能與胰島素信號(hào)等通路的激活密切相關(guān)。而對(duì)反芻動(dòng)物飼糧鉻的適宜添加量和肉品質(zhì)方面的研究較少，如鉻對(duì)肌內(nèi)脂肪含量及脂肪酸的組成等方面研究鮮見報(bào)道。另外，瘤胃是反芻動(dòng)物最大的消化器官，鉻制劑對(duì)瘤胃微生物的影響以及作用機(jī)制是今后的研究方向之一。