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含硒氨基酸的营养代谢与产品价值评估

发布时间:2017-04-01

刘永刚博士早在1980年代初即师承著名动物营养学家杨凤教授,开始研习硒的营养代谢与缺乏症,84年获动物营养硕士学位后,留学荷兰瓦赫宁根(Wageningen)大学取得农业与环境科学博士学位,此后在加拿大曼尼托巴(Manitoba)大学农业与食品学院从事博士后研究,刘永刚博士从事动物营养领域研究与推广工作30多年,发表文献著作150多篇,刘博士目前任职安迪苏亚太公司,担任副总裁。 

本笔记由作者雨田,在CFARIS 2017中国氨基酸与饲料原料应用研讨会上聆听刘永刚博士的演讲,整理记录并撰写而成,难免有疏漏之处,敬请谅解和指正,感谢读者!


回顾硒的200年 

  

1817年,被誉为有机化学之父的著名瑞典化学家贝采尼乌斯(Berzelius),在分析硫化物残渣的过程中发现一种全新元素,他用希腊文Selenium月亮之意来命名这个新元素,这是人类对硒元素的首次发现,距今正好200周年。 

1957年,德国科学家施瓦茨(Schwarz)与福尔茨(Foltz)在研究引起肝坏死的病因时,发现含硫氨基酸和维生素E对肝脏都有保护作用,同时发现还有一个第3因子对肝脏有更强的保护作用。在经历8年的研究后,才测出这种对肝脏有很强保护作用的第3因子是一种含硒有机化合物。得到这个测定结果的日期是1957年5月17日。这是人类第一次证明了硒具有维护生命健康的作用,是人类认识硒的第一个里程碑,距今60年。 

从此,硒的研究进入了飞速的发展阶段。在动物营养领域,1970年代,NRC初步推荐动物日粮硒营养含量水平为0.1ppm;1980年代,四川农业大学动物营养所(1984)对不同畜禽的研究证实,日粮硒营养水平应达到0.3ppm。此建议标准被广泛采用。关于补硒产品的使用,早前动物日粮普遍使用无机硒。进入1990年代,酵母硒作为有机硒源,得到认可, 并开始在动物日粮中普及应用。 2014年,安迪苏成功合成出羟基硒代蛋氨酸OH-Seleomethionine (Selisseo),作为纯品含硒氨基酸获得欧盟认可 (EU 3b814)。由此推出第三代硒源,以标准化产品应用于饲料行业。   


硒的营养:从微量元素到硒蛋白   


从元素周期表来看,硒与硫属于同一家族元素,硫元素是蛋氨酸、半胱氨酸等含硫氨基酸的重要组成,相对于硫元素,硒原子的核电荷、电子层与原子半径更大,其氧化性和非金属特性更弱,硒代氨基酸与硫代氨基酸在化学结构上的区别,主要体现在硒元素取代了硫元素在其分子中的位置,常见硒代氨基酸包括硒代蛋氨酸、硒代半胱氨酸和羟基硒代蛋氨酸。 

在生命体中,硒代蛋氨酸是主要的硒储存形式。硒代蛋氨酸通过合成硒蛋白作为机体储硒形式。而硒代半胱氨酸是主要的硒利用形式,被誉为第21种氨基酸,主要用于合成硒酶,调节氧化还原反应,参与机体抗氧化应激。目前发现硒在动物机体内参与合成多达25种功能性硒蛋白,其中包含四种硒酶:

1.   脱碘酶(DIO),参与甲状腺功能与激素调节; 

2.   谷胱甘肽过氧化物酶(GPx),是机体抗氧化系统的核心,参与机体过氧化物清除; 

3.   硫氧还蛋白还原酶(TrxR), 主要与硫氧还蛋白、NADPH共同构成了硫氧还蛋白系统,从事机体氧化还原调节和抗氧化防御、细胞生长和凋亡调节、器官发育调控等多种功能; 

4.   蛋氨酸亚砜还原酶B1(MsrB1),是一种含SeCys的硒酶,可以将生物体内的蛋氨酸亚砜(MetO)还原为蛋氨酸(Met),使其所在的蛋白质重新恢复活性。   


氧化应激、抗氧化剂、硒酶和抗氧化系统   


自由基是指具有不成对电子的原子或基团,在机体内主要包含ROS (reactive oxygen species)和RNS。其中ROS为需氧细胞在代谢过程中产生一系列活性氧簇,包括:O2-, H2O2 及HO2·,·OH等,一项小鼠的细胞培养试验表明,每个小鼠细胞每天的ROS生成量达两千亿个分子(Chance B., Sies H. and Boveries A, 1979)。 

机体内的自由基通过其浓度调节着机体细胞的生死平衡,引起细胞凋亡坏死。研究发现,低浓度的自由基能够影响一系列信号转导途径;而中、高浓度的ROS通过细胞氧化应激反应诱导细胞凋亡甚至导致其坏死。过度的自由基蓄积,将导致动物机体产生各种疾病、癌变、炎症甚至死亡等,因此机体需要通过抗氧化系统和抗氧化剂,来消除自由基蓄积,从而维持机体氧化还原平衡。 

这一类抗氧化系统主要包括谷胱甘肽过氧化物酶(GPx),过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)所构成的抗氧化酶系统,以及维生素C,维生素E,黄酮类物质以及胡萝卜素家族等抗氧化剂,共同形成的抗氧化三级防御系统。 

机体抗氧化系统的三级防御分别是: 

1.   由CAT、SOD和GPx所构成的抗氧化酶系统,主要清除自由基和过氧化物; 

2.   由谷胱甘肽、维生素E和胡萝卜素等构成的二级防御,主要捕获游离的自由基; 

3.   由谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、硫氧还蛋白还原酶(TrxR),蛋氨酸亚砜还原酶(Msrs)等酶所构成的三级防御,主要消除氧化的蛋白、核酸和脂质等物质。 

抗氧化酶系统和抗氧化剂有各自的运作特点并具有协同作用,例如由谷胱甘肽过氧化物酶(GPx),谷胱甘肽转移酶(GR),超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽(还原型GSH和氧化型GSSG)所构成的抗氧化酶系统,负责清除细胞内线粒体呼吸产生的ROS,同时可消除细胞膜上脂质氧化所产生的过氧化物;而脂溶性维生素E可以进入细胞膜,作为氢原子供体,可以与细胞膜中的脂质氧化生成的ROO·或R·结合形成稳定ROOH或RH,其自身则转化为性质较稳定的生育酚游离基,进一步地,生育酚游离基可以被还原型谷胱甘肽提供的质子,还原为维生素E。此过程受硒酶GPx的催化,生成的GSSG再通过GR的催化作用被还原为GSH。硒酶系统与维生素E各司其职,形成循环往复的抗氧化协同效应。   


硒缺乏症与硒对动物生产性能的影响   


动物的硒缺乏症主要包括 

1.   肌肉发育营养性疾病,白肌病;

2.   降低繁殖性能,生殖力低下 

3.   甲状腺功能失调导致的生长性能障碍 

4.   免疫性能低下,疾病易感 

5.   应激耐受能力减弱   


硒对动物生产性能的影响 

根据刘博士的讲授,硒对动物生产性能的影响,可以总结如下: 

针对种鸡性能 

1.   通过保护精巢多不饱和脂肪酸成分,改善精子活力 

2.   改善种猪种鸡的健康和免疫能力,延长使用寿命 

3.   改进种蛋品质和增加种蛋硒储量,促进鸡胚的被动免疫和应激耐受 

4.   提升种蛋孵化率,同时降低雏鸡硒缺乏症的发生率,改进雏鸡健康水平 

5.   鸡胚硒储量与其0-21天雏鸡FCR线性负相关。硒帮助雏鸡早期发育获得更好的FCR,并增进对氧化应激的抵抗力,降低死亡率   


针对断奶仔猪 

1.   相对于无机硒添加和空白对照,日粮添加有机硒可显著降低断奶仔猪腹泻率 

2.   相对于空白对照,日粮添加无机或有机硒可显著提升肝脏硒储量,其中有机硒效率更高 

3.   相对于空白对照,日粮添加无机或有机硒可显著提升肝脏抗氧化酶活性 

4.   有机硒应用,相对于无机硒,可显著改善仔猪的日增重、采食量、血清免疫球蛋白IgA和肌肉硒储量,可明显降低仔猪腹泻率、FCR   


针对繁殖母猪 

1.   繁殖母猪应用有机硒,相对于无机硒,可显著提升仔猪出生重、28天断奶成活率;同时可显著降低腹泻率 

2.   繁殖母猪应用有机硒,可显著促进初乳和常规乳中的硒含量 

3.   繁殖母猪应用有机硒,可显著改善母猪机体的总抗氧化能力、SOD酶和GPx酶的活性,同时可显著改善初乳和11d奶水中的GPx酶活。 

4.   总结以上,应用有机硒可改善母猪抗氧化应激能力,提升母猪繁殖性能。对于经产母猪的效果尤其明显   


肉蛋品质 

1.   针对中大猪应用有机硒,相对于无机硒,可显著改善肉色、肌间脂肪和肌肉中的硒储量,可显著降低肉的24h滴水损失,并延长猪肉的货架期。 

2.   针对肉禽应用有机硒,可减少禽肉的滴水损失,延长货架期,改善禽肉中的EPA&DHA等多不饱和脂肪酸含量,同时提高了禽肉中的硒储量,可减缓禽肉的氧化,延长禽肉制品的货架期。

3.   蛋鸡使用有机硒,可改善蛋壳品质,同时显著提高蛋黄和蛋清中的硒储量,使鸡蛋新鲜度提升,货架期延长。   


针对反刍动物 

1.   添加无机硒,部分无机硒会被瘤胃微生物还原为单质硒,无法被反刍动物机体利用;而有机硒可部分被瘤胃微生物用于合成菌体硒蛋白,再连同其余部分被动物利用。 

2.   有机硒应用于反刍动物,可改善反刍动物的抗氧化能力, 维护动物的机体健康。在奶牛高水平生产负荷下,更有利于增强免疫与健康,减少乳房炎等疾病,并维持良好的生产性能。 

3.   应用有机硒,可改善反刍动物机体健康,降低乳品中的体细胞(SCC),同时可减少乳房炎发生率。 

4.   有机硒被反刍动物摄入后,经过机体的转化,可以显著提升牛奶中的硒含量,生成富硒奶产品。   


从无机硒到含硒氨基酸,硒源利用的三个时代  


从应用硒酸盐和亚硒酸盐等无机硒,到以酵母硒为代表的有机硒产品,再到纯粹的含硒氨基酸-羟基硒代蛋氨酸,追溯动物饲料领域对硒源利用的历史,可划分为三个时代 

第1代,主要为无机硒,包括硒酸盐和亚硒酸盐 

无机硒多为加工副产品,可能含有重金属 

有剧烈毒性,生产中威胁生产人员安全 

有效利用率低,仅能满足预防动物的硒缺乏症。难以实现有效的硒补充以促进动物健康和生产性能 

第2代,主要以酵母硒为代表的有机硒 

通过酵母来富集与转化无机硒,在酵母体内形成多种有机硒化合物

酵母硒组成复杂,含有近50种不同的含硒化合物。其中有效硒源硒代蛋氨酸的含量从0-70%不等,品质变异很大 

酵母的培养过程受pH值、温度等条件因素影响,难以控制批次稳定性。其品质评估是应用过程中的难点,需要严格的QC管理与独特的实验室分析能力。否则难以检测产品,无法保证产品的稳定性。 

第3代,未来新一代含硒氨基酸,羟基硒代蛋氨酸(OH-SeMet) 

化学合成的纯品羟基硒代蛋氨酸,纯度大于99.5% 

标准化的有机硒源,易于QC检测、管理,批次一致性和稳定性俱佳 

高效的生物学利用率,机体可利用能力等同于蛋氨酸产品 

羟基硒代蛋氨酸不易被氧化,相对于硒代蛋氨酸,其稳定性更好 

羟基硒代蛋氨酸,2013年5月通过欧盟认证(Reference 3b814),作为有机硒可应用于所有动物饲料。   


展望第3代有机硒,羟基硒代蛋氨酸   


羟基硒代蛋氨酸,是品质纯粹的有机分子,属于第3代有机硒。相对于传统硒源,羟基硒代蛋氨酸的纯度高,品质稳定,QC管理方便。新一代羟基硒代蛋氨酸不仅安全可靠,而且易于使用,其在饲料中应用的稳定性和生物学利用度,都显著高于传统硒源,是动物营养领域的新一代硒源。 

第一代无机硒,在动物日粮中利用硒酸盐和亚硒酸盐等,仅能满足预防动物的硒缺乏症。 

第二代酵母硒,由于组分复杂,QC品质管理不便,易吸潮结块,批次稳定性不易控制,应用效果的稳定性难以保证。 

第三代羟基硒代蛋氨酸,化学纯品,性质稳定,使用简单,安全,生物学利用率高。不仅是提升动物健康与性能的新一代硒源,也可用来生产品质上乘的高档动物蛋白产品。