微量元素氨基酸螯合物的生物学效价研究进展

虞俊翔，孙南耀，王光然，胡晓波，谢明勇*

（南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌　330047）

微量元素氨基酸螯合物的生物学效价研究进展

虞俊翔，孙南耀，王光然，胡晓波，谢明勇*

（南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌330047）

微量元素氨基酸螯合物作为第3代微量元素补充剂，具有生物学效价高、生化稳定性强、抗病能力强、环境污染小及易于吸收等优点，发展前景广阔。本文就微量元素氨基酸螯合物的营养生理功能、生物学效价的评定方法与影响因素及其在养殖业中的应用进行了综述。

螯合物；微量元素；生物学效价

微量元素的生物学利用率一般与其存在形式密切相关，自然界中微量元素以无机和有机2 种形态存在。微量元素补充剂有第1代无机盐类、第2代有机酸盐类和第3代微量元素氨基酸螯合物（amino acides microelements chelate，Aa-M）产品，Aa-M作为新一代理想的有机微量元素添加剂，其多种生物学功能及其高生物学效价已受到广泛重视，近年来在国内外发展较快，成为微量元素营养研究领域的热点之一［1-2］。

Aa-M是由微量元素金属离子与氨基酸经过络合反应生成的具有环状结构的配位络合物或螯合物。金属元素的配位数差异使得所形成的螯合物中金属离子与氨基酸螯合剂的物质的量比一般为1∶1～1∶3［3］。金属阳离子与氨基酸中的氨基和羰基分别形成配位键和离子键，构成五元或六元螯环（α-氨基酸螯合物为五元环，β-氨基酸螯合物为六元环），其结构如图1和图2所示。由于多数Aa-M具有接近于动物体内天然形态的元素补充剂的特征：化学稳定性强、易于消化吸收、无刺激性、无毒害、质量增加明显，被认为具有较高的生物学效价［4-6］。目前，Aa-M的研究与应用范围已达到一个新的层次。

图1　1　α-氨基酸微量元素螯合物结构图Fig.1　Structure of α-amino acid-microelement chelate

图2　2　β-氨基酸微量元素螯合物结构图Fig.2　Structure of β-amino acid-microelement chelate

1　Aa-M的生物学优越性

Aa-M生物学优越性在理化性质稳定、吸收代谢机制良好、生理功能多样等方面得到了广泛体现。

1.1理化性质稳定

微量元素与氨基酸形成螯合物后，分子内电荷趋于中性，使其在动物体内受pH值的影响较小，在胃的酸性环境内能保持较好的稳定性。游离形态的微量元素在进入动物机体消化道时，与氨基酸类物质常形成不稳定的物质的量比为1∶1的化合物，一旦受到强配位体影响后，金属离子将与其他配合物（如磷酸、植酸、草酸、多酚类物质、抗坏血酸等）形成无效螯合物［7］。而氨基酸微量元素螯合物稳定常数适中，具有抗酸能力，能克服强配体的不利影响，避免对维生素的氧化分解作用［8］。

另外，在反刍动物体内，氨基酸螯合物由于其稳定的特性而不会受到瘤胃微生物的影响，且不会形成任何难溶物质［9］。例如，在反刍动物日粮中添加的CuSO4经瘤胃微生物作用后易形成亚硫酸盐和硫化物，它们与饲料中其他成分作用后在小肠易形成极难溶的复合物沉淀，导致铜的利用率极大降低，而氨基酸螯合铜则可直接通过瘤胃而不会受瘤胃微生物的影响［10］。

1.2吸收代谢机制良好

微量元素被利用的过程通常依次为：口服、溶解、吸收、代谢、沉积。Aa-M的吸收率比无机微量元素高30%左右［11］，原因在于二者的吸收转运方式不同。研究表明，一般的游离金属元素需要在相关辅酶的运输下，与氨基酸等物质结合后才被机体吸收（例如，锌必须和胰腺分泌的小分子质量蛋白配体形成络合物才能被吸收，而不能以离子的形式转运）；而Aa-M是利用配位体（氨基酸或肽）的转运系统吸收，而不是游离金属元素的转运系统，故不必先同其他物质结合［12-13］。金属微量元素离子能以配位键或离子键与氨基酸配位体键合，使自身被保护在络合物的中心，通过配位体的转运系统，以络合物形式穿过黏膜细胞膜、黏膜细胞和基底细胞膜进入血液，从而减弱金属微量元素间的拮抗作用，大大提高金属微量元素的利用率。另外，微量元素被动物机体吸收的效率还受诸多因素影响，如：溶解度、离子形态、浓度以及饲料中其他成分的作用［14］。Aa-M在机体环境条件下溶解性较好，同时，相对分子质量小于800的螯合物均能通过肠道黏膜。

1.3营养功能多样

Aa-M既是机体快速吸收微量元素的重要形式，又是体内合成蛋白质环节的中间物质，因此，其具有多种优越的营养特性与功效（表1）。

表1　Aa-M的营养生理功能Table 1 Nutritional and physiological functions of amino acidmicroelement chelates

2　Aa-M的生物学效价

生物学效价这一概念本身是抽象的，它可以包括消化率、代谢吸收率、可利用率和有效性等多重含义，因此也称为生物学利用率。生物学利用率可总结为营养素被动物采食，参与机体代谢过程后，在动物体内贮存部分占采食总量的比值［27］。Aa-M独特的结构使其相比传统的无机盐类和简单有机盐类微量元素补充剂具有更高的生物学效价。

2.1Aa-M的生物学效价评定方法

Aa-M的生物学效价评定方法一般有参比法、同位素示踪法和平衡实验法。评定指标的选择主要有血液学参数指标、骨骼（胫骨）发育参数指标、生产性能指标和外观指标等。不同的研究方法和评定指标均有各自的优点和缺点，应根据实际情况和实验目的采用不同的手段。通常通过计算营养素的相对生物利用率来评价Aa-M的生物学效价。

参比法的应用目前最为多见，它包括斜率比法、标准曲线法、三点法等，是一类用以研究相对生物学利用率的方法。参比法通常需选取一类性态稳定，被广泛认可具有传统添加效益的物质作为标准物，如ZnSO4、ZnO、FeSO4、CuSO4等［6，28-29］。由于评定指标与标准物和研究物的添加量均具有线性关系，可通过考察2 种物质的添加效应来比较得到研究物相对于标准物的生物学效价。

同位素示踪法是通过测定标记的微量元素在动物体内组织中的含量来评定营养素的生物学效价，它可以反映螯合物中的微量元素进入体内的分布情况。这种方法可以提高实验测定的准确性，缩短实验周期，理论上最为理想，但由于使用该法的饲料成本和设备需求很高，使得它在有机微量元素和氨基酸微量元素螯合物的生物学利用率测定中的应用并不多见。

平衡实验法也叫表观吸收率评定法，原理和所需实验设备都较简单。该法是在一段时间内，通过测定动物的微量元素采食量和排出量，来得到动物对营养素的吸收利用率。

该方法虽然是测定表观吸收率的经典方法，但由于在实验过程中动物的微量元素摄入量和排泄量很小，导致所测数据易受到误差干扰，用它来表示螯合物的生物学利用率存在较大的片面性。然而该方法在实施过程中动物始终处于自然状态，所得数据较贴近动物日常水平，可作为其他研究方法的参考基准［27］。

2.2不同Aa-M生物学效价的比较

微量元素参与了酶的合成、机体骨骼发育，以及维持组织与免疫系统的完整性，虽然需求量小，却发挥了重要的生理功能［30］。Aa-M作为添加剂可以满足动物对各种微量元素的生理需要，同时产生对人畜健康和生态环境的双重益处。Aa-M目前主要有3 种分类方法：1）按照微量元素的种类可以分为氨基酸铁、氨基酸锌、氨基酸铜、氨基酸锰等螯合物，均能作为相应微量元素的补充剂；2）按照氨基酸的种类可以分为蛋氨酸、赖氨酸、甘氨酸、苏氨酸等系列微量元素螯合物，其稳定性与氨基酸配体的配位能力成正比，与配体的体积成反比，配体的体积越大，螯合时的空间位阻越大；3）按照氨基酸的特异性可以分为单一氨基酸螯合物与复合氨基酸螯合物如二肽铜、多肽锌等。单一氨基酸螯合物产品结构确定，性质较稳定，但生产成本高；复合氨基酸螯合物生产成本低，一般由蛋白质水解得到，组成不固定，易吸潮结块，易被氧化，稳定性差［31］。当前用于饲料添加剂生产的氨基酸螯合物主要有蛋氨酸的铁、铜、锰、锌、钴螯合物，赖氨酸的锌、铜螯合物，甘氨酸铁螯合物，苏氨酸锌螯合物等产品。针对特定动物、特定日粮、特定环境及特定阶段来选用相应Aa-M的研究取得了明显的效果，如氨基酸锌能提高生长育肥猪日体质量增加量、改善胴体品质［15，32］、促进水产动物的生产、提高水产动物的免疫力、存活率和饲料转化率［33-34］、还可避免反刍动物瘤胃中微生物的降解作用，具有一定的过瘤胃功能，改善其酮体品质［35］。氨基酸铁能调控动物体内激素代谢，增强抗病力，提高仔猪成活率和窝产仔数［36-37］；氨基酸铜、锌可增强肉鸡的生长性能、免疫性能，改善鸡肉品质［38-39］，也可以提高蛋鸡的蛋孵化率和健雏率［40］。

表2　部分Aa-M的生物学利用率研究Table 2 Bioavailability of amino acid-microelement chelates

对于氨基酸种类不同的同种微量元素Aa-M，经比较发现其均对该微量元素的功能作用起到了促进效果，相对利用率均在一个相近区间浮动。表2列出了部分Aa-M的相对利用率及其研究方法。多数研究表明，氨基酸种类不同的Aa-M其生物学效价及发挥的功能作用无明显差异，原因在于其统一的结构优势使其能更好地被动物体肠道吸收。对于微量元素种类不同的同种氨基酸配体的Aa-M，如羟基蛋氨酸铜、锌、铁、锰，研究发现，该配体相同的4 种不同Aa-M的生物学利用率分别高于对应标准物，变化的显著程度为Aa-Zn≈Aa-Cu＞Aa-Mn≈Aa-Fe［47］。总之，不同Aa-M对动物的作用效果差异不显著，使用低剂量的的不同Aa-M来替代传统的高剂量无机盐制剂，有利于环境保护，也具有更高的生物学效益［48-50］。

2.3影响Aa-M生物学效价的因素

Aa-M的生物学效价易被以下因素影响：产品质量、添加水平、日粮组成、动物种类、效价评定指标及标准参照物的选择等。例如，不同实验所使用的Aa-M产品质量以及所设定的微量元素添加水平均有不同，易造成实验结果差异；饲粮中某些抑制剂或促进剂会造成不同元素之间的拮抗或互补影响，也导致实验数据不能真实反映动物机体对其利用程度；此外，不同的动物、同种动物不同品种、同品种不同生理条件和生长阶段的动物都会对产品的吸收利用情况产生影响；另外，微量元素经体内代谢后作用于机体不同组织产生的特异性敏感指标不同，采用不同研究方法和评定指标，所得的结果可能也有略微差异甚至产生矛盾［51］；实验持续的时间长短不一也会影响生物利用率的最终表达情况。

3　结 语

Aa-M是微量元素添加剂新一代产品，其功能作用与积极意义毋庸置疑，但目前仍存在一些问题，限制了Aa-M的推广与发展。大量资料证明，相比无机盐和有机酸盐类，氨基酸螯合物的生物学效价更高且能有效促进动物生长。但也有研究表明，赖氨酸锌、蛋氨酸锌与硫酸锌对断奶仔猪和羔羊具有相同的生物学效价［52-53］，甚至还有学者以血红蛋白为评价指标来研究蛋氨酸铁的相对生物学效价时发现其仅为硫酸亚铁的68%［54］。可见Aa-M的相对生物学效价评定工作还有待科学全面的评价，评定Aa-M的生物学效价不能仅以某一种微量元素的利用率来表达，而应当是涵盖饲粮产品的动物消化率、代谢利用率、体内组织留存率以及多种对象动物的健康状况和生产性能在内的一个综合指标，需要一套完整的评定体系。如何使Aa-M生物学效价的研究结果更客观准确，操作方式更简单，成本消耗更低廉是今后需解决的问题。此外，应继续深入研究Aa-M在机体内的作用机制，揭示可能使其在动物体内获得高吸收利用的影响因素，从理论上探明影响Aa-M生物学效价的原因。另外，Aa-M在饲粮中的有效添加量、最佳添加比例也有待进一步研究。

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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

江西省科技支撑计划项目（20151BBF60040）；江西省自然科学基金项目（20132BAB204002）；江西省重大科技创新研究项目（20124ACF00400）；江西省教育厅2011年度产学研合作项目（GJJ11002）

虞俊翔（1991—），男，硕士研究生，研究方向为功能食品与保健。E-mail：jxyu1210@163.com

谢明勇（1957—），男，教授，博士，研究方向为食品营养学、食品安全、功能保健食品。E-mail：myxie@ncu.edu.cn