钾,镁和硫在动物营养中的作用 | ||||||||||
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作者:刘庆平 博士 和DIRK E. AXE 博士 多年来钾, 镁和硫一直被认为是维持生命所必需的营养因子. 对于这一点, 科学家和应用营养师意见是一致的. 但是, 在讨论这些矿物质的营养需要水平、各种形式存在的矿物质的推荐量和生物学效价时, 观点往往是不同的. 尽管这三个元素都被归类为必需矿物质元素. 但是, 传统观点认为常规饲料原料中的这些元素的含量已经足够，没有必要考虑在饲料配方中额外添加这些元素. 结果导致 对这些元素的营养需要和饲养水平研究远远落后于对其它常量元素如钙和磷的研究. 然而, 在今天集约化养殖的条件下, 由于动物品种的不断改进、生长速度的提高、各种副产品在饲料中的使用以及这些元素在饲料原料中的变异,为了最大限度地发挥动物的生产性能，获得最大的经济效益, 我们必须从新考虑动物的钾,镁和硫营养. 这些元素的需要再也不能被忽视了. ·钾 钾是动物体内仅次于钙和磷的第三丰富的矿物质元素. 单单从储量来看, 它就是重要的矿物质元素之一. 与钠不同的是, 钠主要存在于细胞外液如血浆中. 而钾主要存在于细胞内液中. 作为体内一个重要的电解质, 钾参与细胞的酸碱平衡, 离子平衡, 水平衡, 和渗透压的保持. 在维持这些重要功能中起着举足轻重的作用. 钾在几个酶控生化反应中起着激活和辅酶的作用. 这些反应包括能量的转换和利用、蛋白质合成及碳水化合物代谢. 钾也参与磷的代谢反应. 由于磷代谢在体内是最为普遍的, 因此, 细胞中的大量代谢反应离不开钾离子. 钾也参与神经和肌肉细胞的电传导和神经脉冲的传递. 这些包括钾钠离子穿越细胞膜的主动运输. 许多酶控系统参与这些反应. 许多大学的研究表明, 钾在猪的蛋白质代谢中作用非常明显. 普度大学的研究表明添加0.4%的钾离子使得日粮钾水平提高到1%, 青年母猪和阉公猪的平均日增重分别提高12%和20%. 该试验所使用的日粮的蛋白质含量为13.3%, 赖氨酸的添加量我0.15%. 适当的钾和钙平衡是正常肌肉收缩所必须的. 钙钾比例过高会导致肌肉维持在完全收缩状态, 导致我们常见的钙僵直. 相反, 如果钾离子的浓度高于钙浓度, 会使肌肉松弛, 所谓的钾抑制. 此外, 钾离子也参与其它代谢功能. 但是, 详细的讨论超出了本文的范围. 钾也是主要的动物产品如牛奶, 肉类和鸡蛋中的组成部分. 许多人包括营养师都没有意识到钾是奶中最为丰富的矿物质. 实际上, 牛奶生产的钾需要远远超过对钙和磷的需要量. 例如, 一个奶牛每天生产40 公斤牛奶, 单产奶所需要的钾就有60克之多. 而产奶的磷和钙的需要量分别为40 和 48 克. 据估计, 奶牛钾采食量的25% 到 40% 立即被分泌到奶中. 此外, 奶牛维持其它生理功能也需要钾离子. 如果日粮中的钾浓度不够或钾的采食量不足会导致体重下降或产奶量降低. 长期的钾负平衡必然会造成生产性能下降和疾病. 由于在体内钾是一个流动性强并处于动态平衡的矿物质元素, 必须依赖每天从日粮中摄取. 钾离子除了作为正常细胞功能所必须的元素, 在肌肉和神经中储存一定量之外, 在体内其它组织中并没有适当的储备. 这一点与钙和磷是不同的. 骨骼中储存着大量的钙和磷元素，并且可以随时动用. [top] ·镁 体内的镁离子, 大约70%储存在骨骼中, 29%的在软组织细胞中, 其余1%存在于细胞外液中. 骨骼中的镁不仅有它的结构性功能, 而且起着体内储备的作用. 随着动物到达成熟, 动物动用骨骼镁的能力急剧下降. 成年动物仅可以动用骨骼镁储备的大约2%来满足它们的生理需要.而对于年轻动物,如果日粮镁的采食量不足, 它们可以动用大约骨骼总镁量的30%. 因此, 对于成年动物, 通过日粮来满足它们的镁需要是非常重要的. 镁对体内的许多酶据有激活作用. 因为它参与几乎所有的蛋白质合成和能量代谢, 镁几乎介入所有的体内代谢功能. 尽管我们对许多生理系统中镁所起的作用有非常清楚的了解, 但基于现有的知识,我们仍然无法完全解释缺镁症时的许多症状. 缺镁时由于神经传递和肌肉收缩增加, 导致动物烦躁易怒. 事实上, 最常见的缺镁症状是动物高度兴奋并容易激怒. 几乎所有动物都会如此. 青草抽搐症(缺镁症)是一个典型的例证. 症状包括动物运动不协调, 容易兴奋, 厌食, 泌乳量降低, 过量唾液分泌, 眼睛迟钝, 肌肉颤动, 咬牙, 易怒, 痉挛, 昏厥最后导致死亡. 早期的研究表明镁可以使动物镇静. 镁也是机体内重要的电解质之一. 它是仅次于钾离子的细胞内第二大电解质. [top] ·硫 硫无疑也在动物营养非常重要. 该元素在反刍动物营养中比在猪鸡营养中得到的重视更多. 很早的研究认为大多数动物包括家禽的硫需要能够从两个含硫氨基酸(蛋氨酸和胱氨酸)中的硫得到满足. 事实上, 以前的报道认为单胃动物不能利用以元素或硫酸盐形式存在的硫. 而现在的研究表明早期的研究结论值得提出质疑. 事实上, 现在的研究结果毫无疑问地证实无机硫是完全能够被动物吸收和利用的. 含硫氨基酸在蛋白质结构中据有举足轻重的作用. 酞链之间的二硫键交叉连接对于决定蛋白质的二级结构是非常重要的. 蛋白质的功能多种多样, 包括结构组成(胶原蛋白), 催化剂(酶), 携带氧气(血红蛋白), 激素(胰岛素), 和许多其它功能. 硫元素的代谢功能主要来源于蛋白质中的含硫氨基酸, 游离含硫氨基酸, 以及一些低分子量的其它含硫化合物. 除了含硫氨基酸在蛋白质中起的结构性功能之外, 巯基是酶的活性位置的组成部分. 据估计, 如果巯基团被破坏, 大约90%的酶就会失去活性. 由于硫元素在蛋白质结构和酶的活性中所起的重要作用, 它几乎参与所有的机体代谢过程. 除了它在蛋白质中的角色, 硫元素作为维生素如硫胺素和生物素的组成也参与其它代谢过程. 此外, 以硫酸根形式存在的硫离子在许多代谢产物从尿液中排出前的脱毒过程中有着重要作用. [top] ·硫酸盐在家禽中的使用 以硫酸根存在的硫离子是多糖化合物的重要组成部分. 而这些多糖于特定的蛋白质结合形成粘多糖. 软骨素是一个这种粘多糖的重要例证之一. 软骨素是软骨,骨骼,肌肉韧带和血管壁的必须结构组成. 动物需要大量的硫元素来合成软骨素. 如果硫化物的含量太低, 动物必须利用含硫氨基酸来满足软骨素合成所需要的硫元素. 因此, 硫化物的添加能够节省不必要的胱氨酸和蛋氨酸的分解代谢. 为了证明早期研究的结果, 弗罗里达大学的Harms 博士和他的同事们进行了一系列的研究来决定硫酸盐在家禽日粮中的作用. 他们的研究表明在饲喂纯化日粮时, 即使日粮的含硫氨基酸浓度在0.83%的情况下, 添加无机硫酸盐仍然提高鸡的生产性能. 根据他们的试验结果, Harms博士做了进一步的研究以检验在实际生产日粮中添加无机硫是否可以替代部分蛋氨酸来满足家禽对无机硫的需要. 结果发现在实际生产日粮中添加无机硫可以取得部分蛋氨酸. 而且结果非常恒定. 表一列举了其中一个试验的结果供大家参考. 表1. 在八个星期玉米豆帕日粮中添加蛋氨酸或硫酸钠对 肉鸡的体重和饲料转换率的影响
对照组日粮中含硫氨基酸分别为0.40%蛋氨酸和0.39%胱氨酸. 在对照组日粮中添加0.075%蛋氨酸可以显著提高日增重. 这说明像作者预料的一样,日粮中缺乏蛋氨酸. 当使用0.5%硫酸钠取得添加的蛋氨酸后,日增重相同. 添加蛋氨酸或硫酸钠都提高了鸡的饲料利用率. 给火鸡日粮中添加无机硫的结果于鸡相同. 表2对Harms博士和他的同事们在火鸡试验进行了总结 表 2. 添加蛋氨酸或添加硫酸钠对小火鸡增重和饲料利用率的影响
同样, 基础日粮的含硫氨基酸不足(0.76%). 三周令时的体重和饲料利用率看表二. 添加0.105%蛋氨酸或0.25%硫酸钠都显著提高体重(日增重). 不难想象, 添加蛋氨酸能提高日增重. 因为基础日粮缺乏蛋氨酸. 有趣的是, 尽管在统计检验中差异不显著, 在添加了0.105%或0.21%蛋氨酸的日粮基础上添加0.25%硫酸钠都得到了增重和饲料利用率的进一步提高. 添加蛋氨酸或硫酸钠都提高了饲料利用率. 这些研究证明, 与肉鸡相同, 火鸡也可以利用硫酸钠中的无机硫来替代和满足部分含硫氨基酸需要.Harms博士的假设是家禽没有对硫酸根本身的需要而是通过转换成胱氨酸来节省蛋氨酸. Harms 博士也对蛋鸡做了研究. 结果表明像肉鸡和火鸡一样, 蛋鸡也可以利用无机硫来取得部分含硫氨基酸需要. [top] ·反刍动物的硫需要 俄汉俄州立大学的Conrad 和 Bouchard博士们在奶牛上做了一系列有趣的研究. 他们对不同来源和水平的硫来源进行了研究和对比. 所使用的日粮为半纯化日粮或玉米豆帕日粮. 在含有0.10%硫的半纯化日粮中添加硫酸钠或得乃美(硫酸钾镁)使得完全日粮中的硫含量提高到0.18%和0.24%. 饲喂缺乏硫的基础日粮时, 奶牛的采食量, 干物质消化率和产奶量降低. 而且引起动物硫负平衡. 添加得乃美或硫酸钠提高了干物质采食量, 干物质消化率和产奶量. 但是, 在添加同样量的硫元素的情况下, 得乃美在提高动物的氮和硫沉积上优于硫酸钠. 当得乃美添加在玉米豆帕日粮中使得日粮的含硫量提高到0.2%时, 与没有添加硫的日粮(0.125 硫)相比结果请看表3. 表 3. 添加得乃美试验结果对比
与基础日粮相比, 添加得乃美把干物质消化率从67%提高到69.4%(P<.05). 硫在组织中的沉积从1克/天提高到5.4克/天. 表观硫消化率从47.7%提高到66.6% (P<.05). 被用来生产牛奶和组织沉积的吸收氮利用率从48.5%提高到52.9%. 因此, 作者作出结论认为高产奶牛日粮中的含硫量至少应该在0.20%. [top] ·反刍动物日粮中的氮硫比 对于反刍动物, 硫与氮的利用率直接相关. 正是因为如此, 在配制奶牛日粮时, 研究人员专门制定了日粮氮硫饲喂指南. 当日粮中的硫含量不足时, 硫缺乏的影响与其它营养的缺乏(如蛋白质和能量的缺乏)相比显得并不明显. 但是, 美味猕猴桃如果日粮中的氮硫比不适当, 动物对蛋白质或氮的利用率会降低. 主要是由于瘤胃微生物对蛋白质的利用率降低所至. 研究人员普遍公认日粮中的氮硫比应该在大约10:1. 这个比例对含有无机氮的日粮尤其重要. 许多饲料原料的氮硫比大于10:1. 通过循环返回到瘤胃的氮和返回到瘤胃的硫有一个比率, 该比率一般为70 到 80比1. 因此, 很显然, 由于硫元素的缺乏, 动物无法有效地利用循环返回到瘤胃中的氮. 在这种情况下, 添加无机氮而不考虑添加无机硫是毫无意义的.为了使用者的方便, 作者在表4中列举了一些日粮粗蛋白质水平以及相应的硫水平. 在这些相应的水平下, 氮硫比达到理想状态. 表 4. 达到10:1氮硫比的反刍动物饲料中的硫水平
[top] · 营养在饲料原料中的含量变异和利用率 在讨论矿物质营养时, 我们首先应当注意到的是不同来源的矿物质它们的利用率是不同的. 尽管关于不同来源的钾,镁和硫的利用率上还有许多工作要做, 已经有大量的文献可供参考. Herbert Peeler博士在动物科学杂志中发表的综述文章提供了许多有价值的参考. 简单地说, 溶解性好的硫来源如硫酸钠,硫酸钾和硫酸镁可以被家禽很好利用. 而硫酸钙的利用率很低.尽管反刍动物可以利用硫磺,许多研究表明硫酸根中的硫利用率更好. 关于各种来源的硫的利用率,没有一个统一的定论. 但是, Conrad博士的研究表明不同来源的硫利用率的确不同. 表 5. 镁离子在玉米中的变化 (毫克/公斤) 数据基于1万个样品
除了利用率之外, 在进行饲料配方设计是, 工作人员也应当注意到饲料原料的组成变化. 正是由于原料的营养成分的变异, 想要设计一个配方来仅仅满足动物最低营养需要是不实际的. 营养师有责任在配制日粮时考虑一定的安全系数以保证动物不会因为原料成分的不稳定导致的营养缺乏. 安全系数的大小决定于日粮成分变异幅度的大小.如果变异幅度大,那么安全系数就应该大. 表5列举了镁离子在不同产地玉米中的水平变化. 表6是佐治亚州各种作物的植物组织中矿物质成分变化 表6. 佐治亚州作物的植物组织矿物质成分
表7列举了在美国中西部地区三年的苜蓿干草钾和镁元素含量. 表7. 苜蓿干草的成分变异
干草通常被认为是动物钾离子的重要来源. 但是, 钾离子的含量随着季节和年度的变化而变化. . 密苏里大学的Pfander教授很早就报道过狐茅属草的钾离子在冬天和早春含量大量下降. 当在饲喂低钾日粮的绵羊日粮中添加氯化钾时, 绵羊的生产性能明显改善. 表 8. 不同月份收割的狐茅属草钾含量变化
表9是从得克萨斯州草地中收获的牧草的矿物质成分变化. 可以看到七月份的钾含量是一月份的3倍之多黄芪枸杞红枣. 表 9. 野牛草和格栏马草的矿物质含量变化
研究表明给放牧的肉牛额外添加钾离子可以改进生产性能. 内布拉思加大学的Clanton博士对草地饲草的营养变化做了多年的研究. 在氮硫比适宜的情况下, 给放牧的动物添加钾离子可以改进非蛋白氮的利用率. [top] ·钾镁硫在动物营养中的需要 为什么日粮中钾镁硫水平对家禽和家畜如此重要? 表10列举了一些对生产者和饲料公司感兴趣的而且直接影响利润率的生产性能. 许多这些生产性能都是相互关联的. 一个的改进可以导致另一个的提高. 表10. 适宜的 K, Mg 和 S 水平对下列生产性能有着直接影响:
钾硫镁都会影响奶牛的产奶量. 饲喂精料多的情况下, 提高日粮镁离子水平可以部分校正乳脂率低的问题. Adams博士认为硫酸根也会起到一定的效果. 高产奶牛为了满足产奶的需要,每天应该有大量的日粮钾离子摄入量. 我们知道牛奶的成分是较为恒定的.因此,限制钾的采食量会降低产奶量. 对于产奶动物包括奶牛和泌乳母猪,每天采食足够的钾离子是非常重要的. 在所有的动物中, 一个非常明显的现象是即使钾镁硫任何之一稍有缺乏,都会减少采食量. 采食量量的大小直接决定着动物的生产性能. 没有足够的采食量,生产性能就会降低. 钾和硫都对动物的饲料利用率有影响. 牛,猪和家禽的研究都证明了这一点. 而且生长率也会因此受到影响. 研究资料和生产实践都证明添加硫有助于家禽的羽毛生长. 这一点很容易理解. 因为羽毛主要是由蛋白质组成. 而含硫氨基酸是羽毛蛋白的一个重要结构成分. 此外, 硫酸盐的添加改进产蛋量. 研究也表明镁离子的添加能够改进蛋壳质量. 我们以前已经阐述过, 硫对于反刍动物是非常重要的. 特别是它对蛋白质利用率的影响. 钾和镁参与许多代谢反应, 因此它们也间接影响营养包括蛋白质的代谢. 硫离子及其在日粮中的含量直接影响到纤维素的消化率. 而提高纤维素消化率有利于提高产奶量, 饲料利用率和生长. 钾镁硫对于繁殖系统的正常功能和效率是必须的. 足够的日粮钾镁硫有利于提高繁殖力. 钾和镁参与体内的电解质, 酸碱平衡和体液平衡. 因此, 在应激状态下, 足够的钾和镁对于缓解应激和由此引起的一系列问题是非常重要的. 比如, 猪的咬尾问题与圈舍过于拥挤和其它应激状态有关. 研究表明在日粮中添加钾和镁可以显著地减少咬胃问题. 这可能是由于这些元素据有我们前面谈到的镇静作用. 提高钾和镁在家禽和其它动物日粮中的浓度也有利于降低动物的烦躁和应激. 镁和钾作物电解质的另一个作用是它们减少肉类缩水的角色. 在家禽和猪上已经做了一些工作. 而且一些研究证明添加钾和/或镁可以减少PSE猪和活重的脱水. 肉牛上的工作也在进行. 作为电解质, 镁, 钾和硫化合物也被广泛用来作为动物轻泄剂. 这一功能特别在产前和泌乳母猪日粮中得到了广泛使用. 比如, 在日粮中添加1.0%到1.5%硫酸钾镁, 可以有效的防止母猪便秘,提高仔猪成活率和日增重以及母猪的繁殖性能. [top] 三去一补 ·钾镁硫在的推荐量 David Beede博士推荐把泌乳奶牛日粮的钾水平提高到1.5-1.8%, 结合 0.4-0.6% 钠离子和 0.35% 的镁离子,可以有效地克服热应激. Dave Hutcheson博士给刚刚到达肥育场的肉牛持续14天饲喂含有1.4%钾的日粮,有效地减少了死亡率和疾病的发生.肉牛的28天增重明显提高. 根据大量的试验结果并结合实际生产经验, 我们建议各种动物日粮中的钾镁硫最低含量, 请大家见表11. 表 11. IMC 推荐量
·总结 在本文中, 我们对钾硫镁在动物营养中的作用进行了探讨. 研究表明作为必需营养成分, 钾、硫和镁离子对动物生产和经济效益有着直接的影响. 在现代集约化的动物生产和管理条件下, 许多因素与以前不同, 如遗传基因和动物品种的变化, 生长率的提高,工业副产品以及低质量的饲料原料在饲料中的广泛使用, 拥挤的圈舍, 原料成分的不稳定性,等等因素都给对动物营养和饲料配制提出了更大的挑战. 这种挑战要求我们在生产实践中充分利用现有的营养和饲料生产知识. 并在使用这些知识的同时不断地创新. 为了达到最大的经济效益, 我们应该尽我们的最大努力生产营养全面且经济效益高的饲料产品. 合理地使用含钾, 镁和硫的理想饲料原料来满足动物对这些元素的需要, 能够帮助我们达到最大经济收益. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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