吡啶甲酸铬的研究概述及其应用进展

李致宝 ，韦少平 ，夏中生，许朝芳，张丽娟 ，柯 敏

（1．广西化工研究院，广西 南宁 530001;2．广西大学动物科技学院，广西 南宁 530005）

吡啶甲酸铬的研究概述及其应用进展

李致宝1，韦少平1，夏中生2，许朝芳1，张丽娟1，柯 敏1

（1．广西化工研究院，广西 南宁 530001;2．广西大学动物科技学院，广西 南宁 530005）

铬是人和动物的必需微量元素。而对效力高，吸收率好的铬源营养添加剂——吡啶甲酸铬的研究应用已经有近20年的时间。本文对吡啶甲酸铬近些年来的有关基础研究、合成工艺及应用研究作概括性的简介。

吡啶甲酸铬;营养添加剂;合成工艺;应用研究

1 铬及吡啶甲酸铬的性质

铬（chromium）是原子序数为24，质地硬而脆的银灰色的过渡性金属元素。自1797年法国一位化学家首次发现以来，一直被认为是对人畜都有害的矿物元素。随着研究的进展，到20世纪70年代，人类才认识到铬是人和动物[1～2]的必需微量元素。1959年，Shwartz＆Mertz首次从啤酒酵母中分离出葡萄糖耐受因子 （GTF），并证实铬是GTF 的主要活性成分。铬有 3 种价态:Cr2＋、Cr3＋、Cr6＋，其中 Cr6＋毒性最大。 Cr3＋是铬在体内存在的稳定形式，其化合物参与骨骼形成和蛋白质、脂肪、糖代谢及胰岛素的生化过程，对血红蛋白合成及造血过程具有促进作用。Cr6＋在体内则影响糖、脂肪及蛋白质三大物质的代谢，抑制谷胱甘肽还原酶的活性，与氧形成氧化铬，夺取血中部分氧气，导致机体缺氧，引起代谢障碍。

铬源分为无机铬和有机铬。无机铬（如硫酸铬、三氯化铬等）生物活性非常低，生物利用率0．4%～3%左右，而有机铬的生物利用率是前者的10倍以上，达10%～25%[3]。目前，市场上有机铬主要有吡啶甲酸铬、酵母铬、烟酸铬。吡啶甲酸铬（Chromium Picolinate）又称吡啶羧酸铬，皮考啉酸铬，是吡啶甲酸与Cr3＋化合物的络合物，分子式:Cr（C6H4NO2）3，分子量:418．33，系紫红色结晶性细小粉末，流动性良好，常温下稳定，微溶于水，不溶于乙醇，属于脂溶性非电解质，可顺利通过细胞膜直接作用于组织。对Wistar大鼠的口服LD50大于 5000mg·kg－1BW，毒性甚微，使用安全，目前被认为是人类最好的补铬制剂，也是畜禽补铬的理想添加剂。

2 吡啶甲酸铬的生物学功能

Mertz曾报道 GTF是一种以烟酸－Cr－烟酸为轴线，以 Glu，Gly，Cys等为配位体的物质，1993 年他发现GTF可提高猪胰岛素的活性，认为GTF是胰岛素的增强剂[4]。铬是GTF的主要活性成分，其最主要的生理机能是通过GTF协助或增强胰岛素（Insulin）在体内的功能作用而影响蛋白质、脂肪、糖等多种营养物质的代谢[5]。有研究证明，补充吡啶甲酸铬影响机体的葡萄糖代谢和胰岛素的灵敏度。Amoikon等利用静脉葡萄糖耐量检测和注射胰岛素检测的传统方法，证明了吡啶甲酸铬对葡萄糖代谢的影响[6]。在动物高强度生长期，铬不仅可调节蛋白质代谢，而且还可作为免疫调节剂来影响动物的健康与生长性能[7～8]。

众所周知，胰岛素对葡萄糖的作用很大。胰岛素可促进葡萄糖在体内的利用。科学家认为，GTF可能是通过启动胰岛素和细胞膜之间二硫键的连接而促进胰岛素与其靶器官（肌肉、脂肪组织）上特异受体相结合。当胰岛素与其特异受体结合后，细胞对血液中葡萄糖和氨基酸的摄入量增加。在生长激素及类胰岛素生长因子的作用下，细胞利用摄入的葡萄糖和氨基酸，驱动蛋白质的合成及肌肉组织的生长、发育。NRC于1997年指出:在调节人和实验动物的血糖和免疫反应方面，铬是起重要作用的微量元素。而吡啶甲酸铬是有机铬中唯一得到美国国家安全认可的铬源保健品[9]。

3 吡啶甲酸铬的合成工艺

吡啶甲酸铬一般是由甲基吡啶氧化成吡啶甲酸，再与三价铬化合物络合而成。目前甲基吡啶氧化的方法很多，主要有[10]:

3．1 化学氧化法

化学氧化法包括高锰酸钾、臭氧和硝酸作氧化剂氧化。不少厂家是将2-甲基吡啶溶于水，激烈搅拌下分批加入高锰酸钾等氧化剂，之后加盐酸调pH值，再用苯提取，产品收率65%。王海棠等[11]通过添加相转移催化剂和冰醋酸提取剂等改进方法，使得反应产率提高15%以上，2-吡啶甲酸的收率达82．37%。使用化学氧化法生产吡啶甲酸，成本高，生产中会产生大量废液，污染环境;氧化剂在酸、碱条件下对设备腐蚀，发达国家已经逐渐淘汰。臭氧氧化法对设备无腐蚀，三废少，收率较高，缺点是需要特殊的臭氧发生器，难以大规模生产。

3．2 微生物发酵氧化法

利用微生物细菌发酵作用，可以将杂环上的甲基氧化成羧基。Ishikawa T等[12]在玫红球菌sP·NS156的存在下，于30℃发酵230h，甲基吡啶在相同条件下发酵，吡啶甲酸的产率能达到90%以上。微生物发酵制备吡啶甲酸，条件温和，成本低，转化率高，不污染环境。但是，其生产周期过长，规模化生产具有一定困难。

3．3 气相氧化法

气相氧化法是将甲基吡啶在300～450℃变成蒸气，再与氨气、水蒸汽、空气或者氧气混合经过催化剂层，氧化生成吡啶甲腈，吡啶甲腈控制水解生成吡啶甲酰胺和吡啶甲酸。气相氧化法温度高，能源消耗大，反应难于控制，容易产生焦油和有害气体，催化剂对原料要求纯度高。

3．4 电解氧化法

电解氧化制备吡啶甲酸是在有隔膜的电解槽的阳极进行。电解质、隔膜很重要，而电极导电性与耐腐蚀性影响电解效率和电极寿命，这两方面的影响直到20世纪80年代才得到解决。李克昌等[13]以平板网状 PbO2／Ti（1cm×2．5cm）为阳极，Ni板（1cm×3cm）为阴极，阳极室和阴极室用国产CM-001质子交换膜隔开，饱和KC l甘汞电极为参比电极，通过鲁金毛细管与阳极相连，阳极液为2-甲基吡啶和H2SO4的水溶液，阴极液为10%NaOH水溶液，电解氧化2-甲基吡啶，选择性达96．88%。对于选择性来说，电解反应的最佳条件应该是:40℃，1．0mol·L－1H2SO4，0．5mol·L－12-甲 基吡啶和阳极电位1．95V。电解氧化法具有条件温和，生产成本低，三废少的优点，是今后化工发展的方向之一。

4 吡啶甲酸铬的应用研究

吡啶甲酸是人和哺乳动物肝脏、肾脏内产生的氨基酸代谢产物，并大量存在于牛奶等食物中，其与Cr3＋紧密结合成稳定的化合物吡啶甲酸铬，可以被人体很好地吸收。因此吡啶甲酸铬是一种被卫生部所允许的、能添加到保健食品中的功效成分，是公认的理想的铬源补充剂，主要应用于医药、保健食品和饲料添加剂。

4．1 在医药保健食品上的应用

作为医药和保健食品添加剂，吡啶甲酸铬的主要功效:降糖减肥、强肌健体、增强免疫力。吡啶甲酸铬在国内现有文献中应用研究的报道很少。但是早在2003年卫生部已经确定了保健食品中吡啶甲酸铬含量的测定方法。标准中明确吡啶甲酸铬可以功效成分添加于片剂或胶囊等保健食品中，对糖尿病患者有重要的辅助治疗作用[14]。作为营养补充剂，在《营养素补充剂申报与评审规定》中三价铬每人每天最低摄入量15μg，最高摄入量150μg[15]。吡啶甲酸铬作为铬源的矿物质化合物列在名单中。

在发达国家如美国对吡啶甲酸铬的应用研究，主要着眼于糖尿病患者研究。

蒋晓丽[16]引用 Scrip 2004（2965）22 介绍表明，美国Nutrition 21公司已经对吡啶甲酸铬进行了应用研究，发现作为胰岛素辅助因子补充剂，吡啶甲酸铬可用于治疗与胰岛素抵抗相关的疾病。该公司公布的数据还显示该补充剂可显著减轻非典型抑郁症患者的嗜糖癖好，这种癖好是非典型抑郁症的一种典型症状。在为期8周的双盲研究中 113 例患者随机接受吡啶甲酸铬（400μg·d－1，2周，随后 600μg·d－1，6 周）或安慰剂。结果显示尽管与基线相比两组均有显著改善 （P＜0．0001），但在改善嗜糖癖好、体重改变、强迫性思想和拒绝敏感等方面治疗组明显好于安慰剂组 （P＜0．05）。Julie Martin等[17]在糖尿病Ⅱ型的被试者中添加1000μg·kg－1吡啶甲酸铬，6 个月的实验研究表明吡啶甲酸铬实验组明显增强胰岛素的敏感性（P＜0．05），改善被试患者血糖代谢。

4．2 作为饲料添加剂的应用

吡啶甲酸铬的应用研究最多还是作为饲料添加剂在畜禽业上的研究。目前，畜禽对铬的需要量还没有具体的标准，一般应用的添加剂量为10－6级。现有的试验研究表明添加吡啶甲酸铬对畜禽可表现出较好的应用效果:促进动物的生长，改善畜产品品质，特别是酮体品质，提高母畜的繁殖性能，增加产仔数，使内分泌系统功能完善，增强机体的免疫力及抗应激能力。

Page等[18]报道在猪的肥育饲粮中补加200μg·kg－1吡啶甲酸铬，可明显改善胴体品质和提高瘦肉率，降低背膘厚度，结果与β-兴奋剂相似但不如注射生长激素的效果。补铬可以提高猪内源生长激素的浓度[18]。吴文婕等[19]将吡啶甲酸铬、烟酸铬、酵母铬分别以 0．2mg·kg－1的浓度添加到生长育肥猪饲料中，结果显示，这3种有机铬对生长肥育猪的日增重、料重比的差异显著（P＜0．05）。现在一般认为:为了提高猪胴体品质时，在肥育期最后的6～9周添加铬最好，而添加的剂量以200μg·kg－1为佳。

Ward等[20]研究发现在3周龄肉鸡日粮中添加0．2mg·kg－1吡啶羧酸铬可增加酮体蛋白质含量和减少脂肪含量。张敏红[21]的研究表明，日粮中添加800μg·kg－1有机铬（吡啶甲酸铬），可使 56d 龄肉鸡体重、日增重、饲料转化率分别提高 7．5%、11．9%、6．5%，表明给饲养于高温条件（30～35℃）下的肉鸡补铬可提高增重和饲料转化率。这与Nam等的报告结果相似[22]。杨恒伟等[23]在对照组基础上添加0．25mg·kg－1吡啶羧酸铬、0．50mg·kg－1吡啶羧酸铬、0．25mg·kg－1柠檬酸铬、0．50mg·kg－1柠檬酸铬。试验分为2个阶段:生长前期（1～28d龄），生长期（29～42d 龄）。 生长期，与对照组相比，仅 0．50 mg·kg－1吡啶羧酸铬显著提高了日增重 （P＜0．05），降低了料重比（P＜0．05），从全期来看具有相同的结果。 与对照组相比，0．50 mg·kg－1柠檬酸铬和 0．50 mg·kg－1吡啶羧酸铬都显著提高了肉鸡生长前期的腿肌率（P＜0．05），对生长期无显著效果。

吡啶甲酸铬的研究主要集中在常见的饲养动物，在反刍动物上用有机铬的研究以牛居多，并且主要研究其抗应激及提高免疫力的作用。至于在其他数量较少的动物上的研究陆续也有报道，但远没有在猪鸡上的研究深入，许多实践问题还有待以后的探讨。

5 展望

目前人们对吡啶甲酸铬的研究越发感兴趣，研究也越来越深入。吡啶甲酸铬的作用引起了人们特别是糖尿病研究人员的关注。在畜牧业应用上的深入研究，也促进了吡啶甲酸铬的推广使用。但在实际生产与应用上，由于生产成本高，造成最终产品的高价格，从而影响了吡啶甲酸铬的使用面。另外部分人对三价铬的安全性认识不足和担心也制约了吡啶甲酸铬的应用。随着科学家对吡啶甲酸铬基础和应用研究的深入及产品的推广，我们有理由相信吡啶甲酸铬的应用将更为广泛，更能发挥其应有的作用。

[1] Jeejebhoy，K．N．，Chu， R．C．，Marliss，E．B．， Greenberg，G．R．＆ Bruce-Robertson， A．Chromium deficiency，glucose intolerance and neuropathy reversed by chromium supplementation in a patient receiving long-term total parenteral nutrition[J]．American Journal of Clinical Nutrition， 1977，30:531-538．

[2] Shwartz，K．＆ Mertz，W．Chromium（Ⅲ） and the glucose tolerance factor [J]．Archives of Biochemistry and Biophysiology，1959，85:292-295．

[3] Mowat DN，et al．Biochemistry Molecular Biology，1997，118:117-121．

[4] Mertz， W．chromium in human nutrition:a review[J]．J．Nutr．， 1993，123:626-633．

[5] Mordenti，A．，Piva， A．＆ Piva，G．Chromium in animal nutrition and possible effects in human health[J].In Biotechnology in the Feed Industry，Proceedings of Alltech’s Thirteenth Annual Symposium．1997，227-240．

[6] Amoikon，E．k．Fernandez，J．M．，Southern，L．L．et al．Effect of chromium tripicolinate on growth，glucose tolerance，insulin sensitivity，plasma metabolites，and growth hormone in pigs[J]．J．Anim．SCI．， 1995，73:1123-1130．

[7] Chang， G．X．，Mallard，B．A．，Mowat，D．N．＆ Gallo，G．F．Effect of supplemental chromium on antibody responses of newly arrived feeder calves to vaccine and ovalbumin[J]．Canadian Journal of Veterinary Research，1995， 60:140-144．

[8] Subiyatno．A．et al．J．Dairy Sci．1996．79:1436-1445．

[9] 郭亮，张敏红．吡啶甲酸铬的毒理学安全性研究进展[J]．饲料博览（技术版），2008，（5）:22-24．

[10] 张永华，张国玺，高红核．吡啶甲酸合成方法综述[J]．首都师范大学学报（自然科学版），2007，28（3）:50-52．

[11] 王海棠，王咏心，潘志权．一种合成2-吡啶甲酸的新方法[J]．湖北化工．2001，（2）:26-27．

[12] Ishikawa T，Maeda K，Mukohara Y，et a l．Manufacture of nicotinic acids from 3-picolines with rhodococcus and the rhodococcus SP·NS156 [P]．JP 0723792，1995．

[13] 李克昌，张恒彬，刘佳，曹学静．2-甲基吡啶的电氧化研究[J]．分子科学学报， 2005，21（3）:6-10．

[14] GB／T 5009．195-2003，保健食品中吡啶甲酸铬的测定[S]．

[15] 蒋晓丽．铬补充剂可减轻嗜糖癖好 [J]．国外医讯，2004，（9）:16-17．

[17] Julie Martin， Zhong Q．Wang， Xian H．Zhang，et al．Chromium Picolinate Supplementation Attenuates Body Weight Gain and Increases Insulin Sensitivity in Subjects With Type 2 Diabetes[J]．diabetes care，2006，29（8）:1826-1832．

[18] Page T．G．，Southern，L．L．，Ward，T．L．et al．Effect of chromium picolinate on growth and serum and carcass traits of growing～finishing pigs[J]．J Anim．Sci．， 1993，71:656-662．

[19] 吴文婕，边连全，王昕陟．不同能量水平下3种有机铬对生长肥育猪生长性能及胴体品质的影响[J]．2008，29（23）:30-32．

[20] Ward T．L，et al．Effects of dietary on growth， nitrogen balance and body composition of growing broier chicks[J]．Poult Sci．，1993， 72（Suppl．1）:37（Abstr）．

[21] 张敏红．吡啶羧酸铬对畜禽抗高温、高产生理性应激效果的研究[J]．饲料博览，2000，（12）:31-33．

[22] Nam．K．T．，et al．the effects of dietary chromium on broiler chicks under heat stress [J]．Proceeding of World’s Poultry congress， 1996，79:1278．

[23] 杨恒伟，杨维仁，杨在宾，等．日粮中添加有机铬对肉仔鸡生产性能和屠体指标的影响 [J]．中国粮油学报，2010，（6）:86-89．

Research Summary on Chromium Picolinateand its Application

LI Zhi-bao1， WEIShao-ping1， XIA Zhong-sheng2，XU Zhao-fang1， ZHANG Li-juan1， KE Min1， WENG De-hong1
（1．Guangxi Research Institute of Chemical Industry， Nanning 530001，China;2．College of Animal Science and Technology， Guangxi University， Nanning 530005，China）

Chromium was essential trace elements for human and animal．Chromium picolinate，as one of organic chromium compounds，had been the popular Cr supplement．This review summarized the biological function， synthesis technology and application research of chromium picolinate， so that provided the theory background for further research．

chromium picolinate;nutrition additives;synthesizing technology;applied research

TQ 253.21

A

1671-9905（2011）07-0011-04

2011-04-15