有机微量元素的原子经济性

钟神秀 · 发表于 2009-8-24 11:26:56

微量元素是动物机体所必须的营养要素之一，直接参与机体几乎所有的生理和生化功能，对生命活动起着极其重要的作用，在饲料工业上被列为“动物营养第五要素”。研究微量元素的效能、经济特性和环保性能具有很大的理论和实践意义。

1．有机微量元素的范畴

有机微量元素是相对于无机微量元素而言的。无机微量元素指的是铜、铁、锌、锰、硒、钴、碘等微量元素的硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、氯化物和氧化物等，它们都属于无机物的范畴。有机微量元素则是指微量元素的有机酸盐、氨基酸络合物和肽类络合物等，属于有机物的范畴。

有机酸盐是有机微量元素中使用较早、较为广泛的一个大类，是有机多元酸与微量元素通过酸碱中和反应形成的化合物。从分子结构来看，是有机酸的羧基氧与微量元素金属离子配位键的形式结合而成的。加上有机酸碳链的化学和空间效应，使得大多数的有机酸盐结构都比较稳定，因而它们的物化性能往往比较稳定。目前使用较多的有富马酸亚铁、柠檬酸锌和烟酸铬等。

微量元素的氨基酸络合物是以微量元素为中心离子，以蛋氨酸或赖氨酸等限制性氨基酸为配体形成的络合物。常用的有蛋氨酸锌、赖氨酸铜、甘氨酸亚铁、蛋氨酸硒、蛋氨酸锰等。

微量元素的二肽或多肽络合物是近年来发展起来的一种新型添加剂。一般以酵母和硫酸盐为主要原料制得。主要工艺流程为；酵母自溶→酶解→络合→吸附→干燥。小肽的平均分子量约300道尔顿。已经面市的有小肽铁、小肽铜等。

2．原子经济性的概念

原子经济性是合成化学领域的一个绿色指标，指的是一项工艺里，原料分子中的原子有多少比率最终转化为产品分子。与通常的“分子收率”不同，它是从原子的角度来考虑反应的投入与产出。原子经济性越高的反应产生的副产品就越少，工艺的经济性和环保性就越好。

举个简单的例子。富马酸亚铁的合成反应有两种工艺，一种是以富马酸钠与硫酸亚铁置换：

Na2C4H2O4 + FeSO4•7H2O → FeC4H2O4 + Na2SO4 + 7 H2O

此工艺的原子经济性理论上为：170/（160+278）=38.81%

反应产生大量的废水和无法简单加以利用的副产品硫酸钠。

另一种工艺是本公司开发的以富马酸和铁为原料，在催化剂的作用下直接成盐：

C4H4O4+ Fe → FeC4H2O4 + H2

此工艺的原子经济性为：170 /（116+56）=98.84%

除了产生极少量的氢气之外，无任何副产品产生，没有污染，同时节约了大量的资源。

可见，原子经济性的概念不仅具有重大的经济意义，还具有深远的环保意义。

3．有机微量元素的原子经济性

微量元素在动物体内的消化吸收和利用也可以借用上述原子经济性概念。

无机微量元素吸收低，同时其阴离子部分（不论是硫酸根还是其他无机酸根）不是营养成份，不能被动物机体利用，因此无机微量元素的原子经济性都很低。

美国犹他大学的生物营养学者研究了各种矿物质间的反应，证明了各种矿物质离子之间存在竞争作用。无机微量元素之间的拮抗作用明显，从而使吸收效果进一步降低。

以七水硫酸亚铁为例，在动物体内, 铁主要在十二指肠中以亚铁离子的形式被吸收，吸收率只有5~10%，磷酸盐、锌、锰、铜、铬、植酸、草酸、单宁和多酚类化合物等都能降低铁的吸收率。从统计学的角度出发，无机铁的吸收率在5%左右，那么，每利用1吨的铁，就有19吨的铁从粪便中排出，同时有34.29吨的硫酸根也从粪便中排出。即便是以无水硫酸亚铁计，其综合利用率也只有：1/（19+34.29）=1.88%，其原子经济性低得可怜。

相反，有机微量元素的原子利用率要高得多。例如，富马酸亚铁中的铁离子的吸收率能达到45~48%，同时，反丁烯二酸根是动物体内三羧酸循环的必需物质，有近50%能被动物体利用，因此，富马酸亚铁的综合利用率可达：45%×（56/170）+50%×（114/170）=48.35%

每利用1吨铁，排到环境中的铁只有1.22吨，排到环境中的反丁烯二酸根只有2.26吨。更为令人高兴的是，反丁烯二酸根在土壤中能被微生物利用，并不造成环境污染。由此可见，富马酸亚铁的原子经济性比无水硫酸亚铁高出26倍以上。

一些常用的无机和有机微量元素的原子经济性对照情况列表如下

常用的无机和有机微量元素的原子经济性对照表

品名	无水硫酸亚铁	富马酸亚铁	甘氨酸亚铁
原子利用率（%）	1.88	48.35	46.55
品名	无水硫酸铜	赖氨酸铜	蛋氨酸铜
原子利用率（%）	1.63	61.22	65.06
品名	无水硫酸锌	赖氨酸锌	蛋氨酸锌
原子利用率（%）	3.52	66.41	80.02
品名	无水硫酸锰	赖氨酸锰	蛋氨酸锰
原子利用率（%）	1.19	44.57	67.88

说明：表中数据为参照有关文献，计算最普遍情况下的估算值，无机盐均以无水物计。数据仅供参考。
4．微量元素有机化的趋势
有机微量元素具有抵抗干扰、缓解矿物质之间拮抗竞争的作用，有良好的生物化学稳定性，在机体环境条件下溶解性好，易被动物体消化吸收，生物学效价高，并可加强动物体酶的活性，促进蛋白质、脂肪和维生素的利用率。
有机微量元素还具有一定杀菌和改善免疫功能的作用，对某些肠炎、皮肤病、痢疾、贫血有显著的治疗作用，对动物的适口性较无机盐好。
有试验表明，有机微量元素与目前广泛使用的硫酸盐比，前者用于猪可提高增重7～29%，饲料消耗下降7～40%，用于蛋鸡可提高产蛋率6～20%，增重5%以上，饲料消耗下降7～40%，饲料转化率提高10%以上。
孙德成、王守清等人用有机微量元素对产蛋鸡生产性能的研究表明，在产蛋性能指标中，试验组的总产蛋重和产蛋率比对照组分别提高21.02%和12.8%。而且鸡蛋和鸡体各组织器官的微量元素含量显著提高。这对人体补充微量元素提供了安全可靠的食补来源。
顾华孝等发现，在母猪饲料中使用氨基酸铁后，能促进母猪的繁殖性能，减少仔猪的死亡率，改善母猪体况，降低母猪经产淘汰率，减少母猪育成仔猪所需的饲料量，防止仔猪贫血、腹泻等。刘桂琴、陈顺等人利用复合氨基酸盐对育肥猪进行试喂，比对照组提高增重17.8%，料肉比试验组比对照组改善14.43%，经济效益较对照组提高70.38%。有机微量元素对于促进鱼类生长，提高饲料转化率和鱼的成活率，具有显著效果。是适合鱼类营养需要的理想营养性饲料添加剂。赵元风对鲤鱼的试验表明，添加氨基酸微量元素络合物比对照组增重提高37.2～68%。饵料系数由对照组的2.4%下降为1.4～1.7%。李爱杰等人在饲料中添加有机微量元素，发现增重率提高2.58～17.84%。
有机微量元素的原子经济性大大高于无机盐，有效地缓解了滥用无机盐造成的土壤板结、金属元素含量超标等严重的环境污染问题。在西方发达国家，早在上世纪七十年代有机微量元素就得到了普遍应用。可以断言，随着科技的发展和人们环保意识的加强，微量元素的有机化趋势是不可阻挡的。