钙是微量元素吗（钙微量元素）

前段时间整理文章，才发现在「动物营养101」系列里我竟然还没有写过矿物质？！不行不行，虽然人家的需要量小，但却是动物生长必需的营养物质之一，怎么能少？

嗯～安排。

今天我们来聊聊矿物质家族中最四两拨千斤的「微量元素」们吧！

什么是微量元素？

微量元素又叫微矿。如果去翻字典，「矿」的定义是「蕴藏在地层中的自然物质」。地里的元素就是矿物质、矿物元素。在营养学中，「矿物质」(minerals) 指的是构成机体组织和维持正常生理功能所必需的一大类无机营养素。所谓必需，是因为它们在动物体内有确切的生理功能，且必需由外界提供，动物自身是不能合成的（不然…就不用开采了嘛，直接请猪兄给打个铁合个金，多好）；一旦供给不足，就会出现缺乏症。

大家还能背「元素周期表」不？哈哈。大自然好神奇，这么多元素，从地里水里空气里，一层层地通过食物链，与动物、与我们链接起来。 (表中红色框出来的就是营养学中的「微量元素」）

在自然界这100多个元素中，我们已知有多达45种矿物元素存在在动物体内。其中，又有12个是动物营养中的「微量元素」(trace minerals；也简称为“微矿”)。它们是： 铁、锌、铜、锰、碘、硒、钴、钼、氟、铬、硼、硅。（其中，金字旁的这几位，大家又自然而然地称之为「金属」）

所谓微量，是与「常量元素」相比较而言的。0.01%（100 mg/kg) 是个分界线，如果在动物体内含量高于0.01%，就是「常量元素」 — 钙、磷、钠、钾、氯、镁、硫这7兄弟;少于 0.01%，就是微量元素了。还有一些更少的（比如铝啊锡啊），虽然按道理吧也是微量元素，但因为它们在实际生产中几乎不会出现缺乏症，就一般不在动物营养的讨论范围内了。

好，搞明白了微量元素的定义和范畴，按照教科书的逻辑，该讲它们各自的重要功能了吧？嘿嘿，我们今天偏偏先不讲功能。

为什么呢？因为要发挥它们该有的功能，有一个重要前提 — 那就是这些微量元素们必须得能够进入到机体细胞去。我们知道，一个营养素从饲料到被动物机体所利用，中间有几个关键的步骤：

摄入(ingestion) ➡️ 消化(digestion) ➡️ 吸收(absorption) ➡️ 转运 (transport) ➡️ 最终到达需要去的细胞而被利用(utlization)。

而不同的微量元素来源，能满足这个前提的能力可谓千差万别。对于微量元素来说，它不像蛋白质、脂肪、碳水化合物这些大分子还需要「消化」这一步，因此，「吸收」就是关键的第一步。

营养物质吸收的示意图（图片引自youtube）

明确一个概念：在营养学中，「吸收」指的是营养物质从肠腔，穿过肠道上皮细胞进入循环系统（血液或者淋巴系统）的过程。这里要穿两次哦，首先是穿过「刷状缘」(brush border) 从肠腔进入肠上皮细胞，；然后是穿过基底膜 (basal membrane) 从肠上皮细胞进入血液。

无机微量元素的吸收

在传统的动物日粮中，微量元素通常以「无机盐」的形式来添加。要锌？上氧化锌 or 硫酸锌。要铜？上硫酸铜。铁？硫酸亚铁….总之就是中学化学里面学的最简单的化合物。

这些无机矿便宜好做，很长时间是作为饲料原料的首选。然而，它们（在诸多问题中）有个最严重的问题，就是吸收率太低了 —- 比如锌已经算不错了，吸收率也只有30～60%；铁只有5～30%；铜和锰更惨，5～10%，都不好意思说…

这样一来，要满足动物的需求，按这个吸收率来算，在饲料中不加个需要量的好几十倍都不够。那么自然，大量的微量元素其实只是穿肠而过，通过动物粪便排出，成了环境的负担。我们现在在行业里提倡减铜减锌，很大一部分就是出于保护环境的考量。

为啥无机微量元素吸收率这么低呢？这里主要有两个原因：

1). 到达肠细胞长路漫漫，它们很容易被半路劫走呢。

这里指的是日粮中的其它物质对微量元素的拮抗作用。

你想啊，动物的胃肠道是多么鱼龙混杂的地方。这些微量元素以无机盐的形式入口之后，解离成了游离的金属离子，孤孤单单一路跋涉到肠上皮细胞的过程中，难免会碰上“别人”非要与它一起走；而如果这个“别人”正巧是机体不喜欢的、不愿意吸收的，那就麻烦了 —— 一个典型的例子就是「植酸」(phytic acid)，它喜欢好多矿物元素啊，逮上一个便牢牢地抓住（发生螯合反应），于是这些被植酸抓住的铁啊锌啊，不能再被吸收，就只有排出去的份了 —— 嗯，「抗营养因子」的称号不是白来的哇！

植酸能和不同的微量、常量元素形成螯合物，抑制其吸收 （图片引自Majumder et al., 2019)

2). 它们的「转运载体」不太给力。

我们以铁为例，铁的吸收主要发生在十二指肠和空肠前端。在正常生理条件下，无机铁盐摄入之后，亚铁离子 (Fe2+) 需要通过专门的「转运载体DMT1」给开门，进入肠细胞。

但问题是，这个DMT1可不只给铁开门。DMT1 的全称是Divalent metal cation trasnporter 1， 翻译过来就是「二价金属阳离子转运载体1」。哈哈哈，其它的二价金属阳离子（比如锌啊锰啊）它也想雨露均沾。所以，DMT1很忙的！摊到铁身上，吸收率自然就低了。而假如日粮中其它微量元素的水平很高的话，还会仗着队伍强大而霸占着DMT1这条路，影响铁及其它矿物元素的吸收，导致吸收率更是低上加低。

这，是微量元素与微量元素自家人之间的竞争和拮抗。

（除了DMT1之外，其它元素还有它们自己的转运载体系统，大都也都存在同样的问题）

矿物元素之间的拮抗 (图片来自网络）

补充一句：这里讨论的都是传统的无机微量元素。后来又有升级版的无机矿，比如碱式氯化铜、碱式氯化锌、各种包被、纳米等等，就不展开啦。

有机微量元素的吸收

怎么解决传统无机微量元素吸收率低的问题呢？我们还是以铁为例子 — 其实摄入的铁除了以亚铁离子形式走DMT1通道被吸收之外，还有另一个形式，即血红素铁 (heme-iron)。

我们知道吃红肉补铁，就是因为红肉中的血红蛋白含量高，而血红蛋白即是由血红素和珠蛋白组成的。血红素铁能够走专门的血红素载体HCP1进入细胞，不去与别人抢DMT1。这一下子吸收效率就能高出无机铁好几倍！

铁的吸收和转运 — DMT1通道 vs. 血红素铁通道 (HCP1)（图片引自Muckenthaler et al., 2012)

血红素铁是天然的有机微量元素的存在。可惜对畜牧动物而言，通过血红素铁满足铁的需要是不太现实；而且除了铁，其它微量元素怎么办？

于是，化工合成的「有机微量元素」 就登上了舞台 — 说白了，就是把微量元素和别的有机营养物质提前在体外给配好喽。这么一来，微量元素仗着有了“伙伴”保护，在路上不会被别人拐走（被拮抗物质影响），一路顺风顺水来到肠细胞。要敲门进入的时候呢，路子也一下子宽了好多 — 矿物质吸收通道太挤了？没关系，不跟你们抢，我们走VIP通道（氨基酸、蛋白通道等；这被称之为「完整吸收」）！于是乎，吸收率提高啦，随之而来的好处便是减少排放、保护环境。

除了「完整吸收」（配体和微量元素一起被吸收）这个可能的通道，还有一种观点认为有机微量元素的主要功劳是保驾护航，护送微量元素到达吸收位点就解离，然后金属仍然通过金属吸收通道进入；但因为到达的金属多了，竞争力强，吸收率仍然得到提高 — 这被称为「竞争吸收」。有机微量元素是否能被完整吸收？这应该与配体和结合方式相关。

有机微量元素可能通过氨基酸转运载体被吸收 (图片引自美国金宝公司Zinpro)

不同的有机微量元素

不是所有的「有机微量元素」都一样哦！

如果我们去看「有机」的定义，其实挺含糊的 — 一般认为，有机化合物是含碳的，且经常有碳、氢、氧三个元素（但不包括碳的氧化物，碳酸盐，碳酸氢盐，氰化物，硫氰化物）。可以看出，只要是微量元素与某某有机化合物的结合物，都可以叫做「有机微量元素」。

于是乎在有机微量元素的世界里，也有了形形色色长得不一样的成员。从美国饲料管控协会（AAFCO）的原料目录中可以看到，被批准的有机微量元素就有好多种形式。包括了：

农业部的目录和AAFCO也差不多。看似眼花缭乱，其实仔细一看，这里面的不同之处就在于两点：

1). 微量元素和谁在一起？

是氨基酸、小肽、蛋白质、还是有机酸？是哪个氨基酸？这些通通都叫做「配体」(ligand)。其实配体是一个很广的概念，上面提到的血红素、植酸等，只要能和微量元素结合，牵手走一段的，都是配体。

这样一来，选择和谁在一起就是非常重要的决定。配体自身的吸收率如何？VIP级别够不够高 — 是否有自己的专属转运通道？与其它营养物质的拮抗或交互作用多不多？你别说，在这些配体里面，也分一个面子大小、刷脸成功率高不高呢。并且，不同的动物之间也会存在着差异，比如氨基酸是否必需，在不同动物中就不完全相同。这，都决定着微量元素最终的吸收率。

所以，配体朋友得靠谱啊～

在「敲除DMT1」的细胞模型中比较硫酸铁 vs. 甘氨酸铁的吸收，发现两者的吸收都被DMT1敲除所影响，文章作者认为这可能说明甘氨酸铁仍是主要通过DMT1通道吸收。（WT = wild type, 对照；KO = knock-out, DMT1敲除模型；引自Yu et al., 2019)相关阅读： 6分钟看透甘氨酸盐吸收差的几大原因！

2). 如何在一起？

是「螯合」、「络合」、还是「盐」？

是的，有机微量元素也可能是以「盐」(salt) 的形式存在，只要与金属阳离子结合的是含有阴离子的有机物（比如说丙酸锌）。根据盐的定义，在溶液中，金属有机盐会产生水合金属阳离子和游离阴离子(或其水解产物)。

而「螯合」(chelate) 和「络合」(complex) 这两个概念常常容易混淆。简单来说，络合物包括了螯合物 — 只要是金属原子或离子与另一个或多个配体形成共价键 (covalent Bond)，就叫做络合(complex) ；而螯合在络合的基础上，必须形成「环状结构」、并且金属必须是环的一员的这么一个化合物。络合物和盐的差别在于 — 络合物在溶液中仍然是一个整体，不会水解。

美国AAFCO对金属盐、络合物、螯合物的定义（引自AAFCO 2020）

为什么「如何在一起」很重要呢？

上面说到，做有机微量元素的目的就是希望保证微量元素能够成功到达肠上皮细胞、成功被吸收嘛。那么，有的产品虽然在饲料中确实是名副其实的「有机微量元素」，但当到达小肠的时候，这位配体朋友还在不在？如果进了肠道就解离了走散了，那就还是剩微量元素孤军奋战，到了该吸收的时候，也没法刷脸VIP通道了。所以，络合或螯合的稳定性很重要 — 配体朋友得牢靠！

另外，由于加工工艺各不相同，最终的产品里真正成功络合、螯合的有多少%？ 剩下的如果仍然是离子形态，就失去了意义了。

稳定的有机微量元素可以减少肠腔中拮抗物质的半路劫持 （图片引自美国金宝公司Zinpro)

一不留神已经4700字，才讲完吸收的前半段 。

微量元素营养是一个很复杂、很有意思的话题，不同的微量元素都有不一样的吸收转运通路。吸收进入肠道细胞当然是极其关键的第一步，不被吸收就肯定没法被利用，但从吸收到利用还有好多步骤呢，因此吸收率不一定等与利用率。如果有机会，我们改天再接着聊。

总结一下～

近五十年以来，美国金宝公司 (Zinpro) 只专注于一个领域 —— 动物微量元素营养。金宝开创的「金宝高效能矿物质」是拥有独特生产工艺和专利的氨基酸金属络合物，经过250+ 同行评审研究验证，确保微量元素在动物体内达到较高的吸收率和利用率，帮助挖掘动物生产潜力，以达到更好的终生生产表现。

「金宝高效能矿物质」

Zinpro Performance Minerals

可溶于水

良好的稳定性

独特的吸收路径

改善动物生产性能