铬对动物生产性能和肉品质影响的研究进展

余涵婧,瞿明仁,陈传斌,王 隆,毛 康,许兰娇*

(1.江西农业大学 江西省动物营养重点实验室/营养饲料开发工程研究中心 江西 南昌 330045;2.安佑生物科技集团股份有限公司 江苏 太仓 215400 )

我国经济快速发展带来居民生活水平的提高，人们所摄取的肉制品总量增多，种类多样性增加，比例也发生了变化[1]。报道指出，2017年中国人均肉类消费为50.3 kg，其中66%为猪肉，21%为禽类，8%为牛肉，5%为羊肉；而1980年城乡居民人均肉类消费量仅为12.7 kg，其中猪肉占87.6%，禽类占6%，牛羊肉仅占6.4%[2-3]。因肉制品需求量的提高以及牛羊肉比例的增加，农业农村部2017年提出要“稳生猪、促牛羊、兴奶业”的重要战略。但中国饲料原料产量有限，原料进口依赖度高，如何通过营养手段提高饲料利用率、降低料重比和提高肉品质成为当今科研工作者的研究热点之一。

据报道，铬元素可与不同配体形成复合物，如酵母铬、吡啶甲酸铬、蛋氨酸铬等，在动物试验和生产实践中具有显著提高采食量、生长速度和瘦肉率以及降低料重比等方面的作用[4-6]。铬在代谢中的主要作用是通过一种叫做葡萄糖耐量因子(GTF)的金属有机分子[7]增强胰岛素的作用。它可作用于胰岛素受体(insulin receptor,IR)上的酪氨酸激酶而提高胰岛素敏感性，进一步使胰岛素受体底物(insulin receptor substrate,IRS)磷酸化。活化后的受体底物可分别通过MAPK、PI3K和AKT通路影响核内基因表达和细胞膜上葡萄糖转运蛋白-4(GLUT-4)的异位。目前，铬制剂对非反刍动物影响的研究和应用比较广泛，反刍动物上的研究更多地聚焦在生产性能方面，而其对肉质影响的研究还不够深入，尤其在肌内脂肪的沉积方面[8]。铬元素在动物各个生产阶段的添加量不同，并且NRC也没有将铬元素列入到必需微量矿物元素推荐量中。现对近些年关于铬在动物生产性能和胴体品质方面及其可能的作用机制的研究进行综述，以期对后续在畜禽上开展试验研究和实际应用具有指导意义。

1 铬制剂对动物生长性能和肉品质的影响

美国RAD于1980年建议人的铬元素安全摄入量为0.05～0.20 mg/d，而没有对畜禽推荐铬的适宜用量。一般情况下，畜禽饲粮中的铬可以满足其正常需要。但研究表明，在饲粮中添加铬复合物具有缓解动物应激反应、提高机体免疫力、改善生长性能、降低脂肪沉积、增加不饱和脂肪酸含量和改善肉品质等作用。直到1996年，美国食品与药品监督管理局(FDA)首次批准可在猪全价料中添加不超过0.2 mg/kg 的Cr3+。我国及NRC建议在猪、禽日粮中添加适量的铬，但并没有给出各个阶段明确的推荐用量。相对于猪、禽等非反刍动物，铬反刍动物上的研究及适宜添加量目前还在探索之中。

1.1 铬制剂对猪生长性能和肉品质的影响AMOIKON等[9]于1995年在大白、汉普夏和杜洛克三元杂交生长猪(初始体质量21.3 kg，饲喂21 d)日粮中添加200 μg/kg的铬(吡啶甲酸铬形式)所做的试验发现，在此生长阶段添加铬制剂对日增重、日采食量和料肉比等没有显著影响。这与WENK等[10]在生长育肥猪上的研究结果相似；日粮中添加不同形式(CrPic、CrCl3以及酵母铬)的铬，质量浓度为500 μg/kg，没有显著影响27.6～60.0 kg生长阶段猪的生长性能，但在60.0～106.5 kg育肥阶段，显著提高了猪的日增重、日采食量，显著降低了料肉比。该育肥阶段的结果与LI等[11]于2017年在初始体质量76.7 kg、饲喂60 d的杜长大育肥猪的试验结果相同，但其吡啶甲酸铬和酵母铬用量仅为200 μg/kg。分析认为，这可能是由于猪本身的生长发育过程所决定的，在体质量低于80 kg时，猪以肌肉沉积为主，铬的添加与否并不能明显的影响该生长过程；而高于80 kg之后，猪的生长速度减慢，能量堆积造成脂肪沉积速率大于肌肉，铬的降脂增肌作用就会显现出来。目前，铬制剂的不同形态对生长育肥猪生产性能的研究仍是热点之一[5,12-13]。有研究表明，添加200 μg/kg铬会增加母猪分娩率，提高二胎母猪产仔数和成活率[14]。添加200 μg/kg烟酸铬和酵母铬可提高仔猪初生质量，降低哺乳期仔猪发病率和病死率[15]。

据报道，相对于添加400 μg/kg的铬，添加200 μg/kg铬可显著增加育肥后期总肌肉色素水平、眼肌面积和脂肪瘦肉比率显著降低骨骼肌胆固醇水平，说明添加200 μg/kg的铬可提高蛋白合成率，改善胴体品质[12]。胴体品质的改善很大程度上得益于较高的肌内脂肪含量，即大理石纹路的丰富度。对背最长肌成分分析结果显示，不论是添加CrCl3还是CrPic都会增加肌肉中的脂肪含量[11]。BOLEMAN等[16]也报道，添加200 μg/kg CrPic会增加胴体肌肉含量，但同时也会增加肌内脂肪含量，大理石纹评分更高。出现这种现象可能的机理是铬可激活胰岛素受体，使胰岛素敏感性增加，葡萄糖进入脂肪细胞增多促进脂肪合成，减少脂肪的动员和脂肪酸的释放[17]。

1.2 铬制剂对家禽生长性能和肉品质的影响有研究表明，日粮中铬的增加使胰岛素血浆浓度线性增加，表明铬在增强胰岛素作为胰岛素辅助因子的生理作用[18]。SAHIN等[19]认为，添加吡啶甲酸铬能提高热应激肉仔鸡的体质量、饲料效率和胴体品质。HUANG等[20]研究表明，添加丙酸铬、吡啶磷酸铬和氯化铬的肉鸡日增重均高于对照组。饲喂2.0 mg/kg 铬饲料的肉鸡比饲喂0.4 mg/kg饲料的肉鸡具有更高的ADG。添加铬组与对照组相比，腹部脂肪百分比降低，而胸部肌肉脂肪(IMF)未受影响。添加铬的肉仔鸡胸肌肉色b*值降低。喂食CrPro的肉鸡的b*值也低于喂食CrCl3或CrPic的肉鸡。GHAZI等[21]通过研究基础日粮中的铬质量浓度以及BAHRAMI等[22]分析铬超过3.0 mg/kg的日粮对家禽生长性能的影响，结果表明生长性能的改善可能是由于基础日粮中的高铬质量浓度所致。RAMA等[23]研究表明，当用有机铬为400 μg/kg的饲料喂养时，铬对热应激条件下饲养的家禽是有效的，而对热中性区饲养的家禽是无效的。然而，SANDS等[24]报道，无论环境温度如何，饲喂添加有机铬饲料在鸡日增重和饲料效率方面都有显著改善。 MOEINI等[25]研究结果表明，在热应激条件下，日粮添加有机铬(1 200 mg/L -Cr-Met)对血液指标和肉鸡生产性能有一定的积极影响。这可能是因为饲养环境不同，铬有缓解热应激的作用。在热应激条件下，日粮添加任何形式的铬对肉鸡的日增重和饲料转化率等方面有显著的改善；在普通适宜温度饲养条件下，日粮添加任何形式的铬对肉鸡日增重都无明显影响。

1.3 铬制剂对牛羊生长性能和肉品质的影响在无应激状态下，在体质量为(253±4)kg的肉牛饲料中添加100，200，400 μg/kg干物质的酵母铬，对肉牛采食量、增加体质量以及葡萄糖清除速率没有显著影响。但在392.8 kg肉牛饲料中添加800 μg/kg精饲料的烟酸铬可显著增加其体质量[26]。这可能是由于在肉牛育肥前期，生长速度较快，吸收的营养物质主要用来合成蛋白和维持器官、骨骼等生长发育，而到了育肥中后期，更多的营养物质则用来合成脂肪并蓄积。铬可通过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来降低外周脂肪的沉积[27]。SUNG等[28]的研究结果显示，日粮添加蛋氨酸铬会显著提高牛胴体品质，增加肌内脂肪的含量而提高大理石纹评分。在羊的育肥后期，铬的添加并没有提高其生产性能，但会增加肌肉含量并降低肾周脂肪含量；肌肉含量的增加则会导致剪切力升高[29]。在经受应激的育肥后期羊的饲料中添加不同剂量的铬，则会有效减轻应激带来的负面效果而显著提高其生产性能，尤其是在300 μg/kg的饲粮添加量组[30]。在夏季热应激条件下，奶牛的采食量随着铬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铬添加量为0.05 mg/kg BW0.75(代谢体质量)时最高，同时血液中胰岛素、NEFA的水平显著降低，这也与铬会增加胰岛素敏感性的机理相符合[31]。有研究认为，是由于铬会促进淋巴细胞和外周中性粒细胞的分裂增殖，从而提高机体健康度和强化乳房功能[32-33]。

据报道，热应激与饲料摄入量、生长速率和免疫力降低以及血液成分和生物途径变化有关，会导致畜禽生产力受损[34]。另据报道，热负荷会导致饲料摄入量和生长性能下降，并表明热负荷反过来会导致组织合成的能量消耗减少[35-38]。然而有研究显示，补充铬可以增加热应激动物的采食量，从而提高生长性能[39]。同样，与对照组(分别为21.24，19.56 kg/d)相比，铬酵母增加了热应激泌乳奶牛的采食量[40]。

牛羊是反刍动物，瘤胃中存在大量的微生物(如细菌、真菌和原虫等)，营养物质摄入后首先在瘤胃中发酵，产生挥发性脂肪酸以及合成微生物蛋白。脂肪摄入后，绝大多数不饱和脂肪酸被氢化成为饱和脂肪酸而蓄积与体内。目前，更多的研究仅仅聚焦在铬制剂对生产性能和肉品质方面，而很少关注铬制剂对瘤胃发酵性能的影响以及微生物区系结构的变化，还有脂肪酸组成的改变[41]。

2 铬元素生物学功能的分子机制

铬元素以Cr2+、Cr3+和Cr6+的形式存在于自然界中，Cr2+因还原性最强，几乎在体内很难检测到，其通常都是被氧化为Cr3+存在于机体内。Cr3+在机体内是最稳定的存在形式，与Cr6+不同的是其不能穿过细胞膜。从1798年铬元素被发现[42]，到之后的很长一段时间内，其都被视为是癌症发生的诱因之一[43]。直到1959年，SCHWARZ等[44]发现铬元素是大鼠体内必需的一种微量矿物元素，是构成和维持葡萄糖耐受因子(glucose tolerance factor,GTF)活性所必需的。1977年，JEEJEEBHOY等[45]发现其缺乏会导致人体葡萄糖不耐受和神经病变，胰岛素敏感性降低，人们才逐渐意识到铬元素对维持机体正常代谢和稳态的重要性。2.1 GLUT-4通路 GTF由Cr3+和烟酸、甘氨酸、谷氨酸以及半胱氨酸组成，其最早在1977年由TOEPFER等[46]提纯并分析得出。在对啤酒酵母培养物进行分析提纯时，同样也发现了活性很高的Cr3+，并且Cr3+和上述有机物形成的复合物与从酵母培养物中提取出来的GTF有相同的生物学活性，这说明Cr3+是GTF发挥生物学功能所必需的[47-48]。人体缺乏铬元素会导致葡萄糖不耐受和胰岛素敏感性降低，造成机体血糖水平升高，胰岛素、胆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症状[49]，说明铬元素在胰岛素作用过程中有显著的协同作用。在健康和罹患糖尿病大鼠上的研究显示，腹腔注射GTF会分别降低禁食状态下血浆葡萄糖38%和14%～29%，同时会分别降低血浆甘油三酯和胆固醇水平47%和35%；并且GTF配合胰岛素治疗时降血糖和降血脂效果更加显著，降幅达到39%～51%，甘油三酯降低达76%[50]。关于这种现象的产生，有研究报道指出GTF质量浓度与胰岛素质量浓度分别为20 g/L和233 nmol/L时，均会最大化地增加2-脱氧葡萄糖(2-deoxyglucose，2-DG)向3T3-L1细胞的运输，在质量浓度为50 g/L时会最大化地增加2-DG向L6肌管细胞的运输，而且GTF与胰岛素同时添加会显著提高3T3-L1脂肪细胞和L6肌管细胞对2-DG的敏感性并显著减弱脂质分解[51]。CHEN等[52]在3T3-L1细胞上的研究显示，在培养液中加入CrCl3或CrPic后，其细胞内膜上的GLUT-4积聚，并重新分布到细胞质膜，在胰岛素存在条件下，增强了葡萄糖向3T3-L1细胞内的运输。这种葡萄糖摄取增多的现象同样也会发生在骨骼肌细胞中[53-54]。同时，铬会使细胞质膜上的胆固醇减少，增加了细胞质膜的流动性，协同强化GLUT-4的重新分布并进而显著增强3T3-L1细胞对葡萄糖的摄取。此项研究也暗示了铬通过作用于GLUT-4使得脂肪细胞3T3-L1中脂质合成增加[52]。

有报道显示，给高效表达胰岛素受体的中国仓鼠卵巢细胞(CHO-IR)添加不同的含铬复合物(如氯化铬、吡啶甲酸铬、组氨酸铬等)，可使胰岛素依赖性地增强完整细胞中IR的酪氨酸磷酸化，而不是直接激活重组胰岛素受体激酶。铬可通过抑制完整细胞上对立蛋白酪氨酸磷酸酶(opposing protein tyrosine phosphatase，PTP1B)来增加IR磷酸化水平，说明铬元素首先必需激活细胞膜上的胰岛素受体激酶，才能进一步促进IR酪氨酸磷酸化[55]。相似的研究结果显示，铬元素可增强胰岛素治疗下细胞表面GLUT-4和PI3K的活性，以及Akt的磷酸化，进一步提高IR的磷酸化水平，提高胰岛素敏感性[56]。动物长期摄入高淀粉或高糖的食物后，极易造成血糖含量升高和脂质合成增加。在脂质合成过程中，会产生大量的促炎症因子和氧化产物，需要额外补充维生素E等抗氧化物质来增强机体细胞的抗氧化能力，防止造成氧化损伤[57-59]。TNF-α被证明是降低胰岛素敏感性和抑制胰岛素生物学功能的重要细胞因子[60-62]。U937细胞培养试验结果显示，高糖培养液中的U937细胞会产生大量的TNF-α和氧化应激，而在其中加入不同浓度梯度的CrCl3溶液后，均可有效抑制TNF-α的产生和降低氧化应激[63]。但另有研究报道，成肌细胞培养中加入铬制剂和胰岛素，会增加活性氧(ROS)的产生，伴随葡萄糖摄取的增加；当加入抗氧化剂后，由于ROS被清除，葡萄糖摄取减少[64]。 ROS是胰岛素信号途径的组成部分，铬对胰岛素敏感性的促进与否取决于细胞的抗氧化状态，该研究显示，铬会增加细胞膜上磷酸酶的活性而会抑制胰岛素信号途径[64]。

铬元素的作用机制尚待完善，目前的研究热点聚焦在2个方面：一是铬元素在细胞表面作用位点的发掘，具体的说是对GLUT-4通路的影响；二是铬元素对胰岛素信号通路中蛋白的作用。随着研究的深入和科研技术手段的创新，对于铬元素的作用机制的阐释会愈来愈完善。

3 小结

日粮中添加铬制剂提高动物生产性能，改善肉产品品质等方面作用，适合在我国养殖业开发应用，可满足当前人们对肉品质的高要求。在当前饲料资源相对缺乏的条件下，集约化养殖生产过程中，动物应激现象普遍存在，故动物低铬缺铬现象十分普遍。合理利用铬制剂来抗应激、优化生产性能、提高饲料利用率及肉产品品质，其作用机制可能与胰岛素信号等通路的激活密切相关。而对反刍动物饲粮铬的适宜添加量和肉品质方面的研究较少，如铬对肌内脂肪含量及脂肪酸的组成等方面研究鲜见报道。另外，瘤胃是反刍动物最大的消化器官，铬制剂对瘤胃微生物的影响以及作用机制是今后的研究方向之一。