日粮中矿物质离子及其平衡极大的影响
家禽体内的酸碱平衡,进而影响家禽体内各种酶的活性与正常生理机能,从而影响家禽生产性能。在充分考虑日粮能量蛋白平衡、氨基酸平衡(理想蛋白模式)和钙磷平衡后,日粮电解质平衡(electrolyte balance)的重要性逐渐受到重视。电解质平衡有助于提高畜禽对营养物质的利用,充分发挥畜禽的生长和生产潜能,了解一些代谢性疾病的发生机制和解决途径。
1、日粮电解质平衡的概念
(1)在动物营养学上,电解质是指那些在代谢过程中稳定不变的阴阳离子。生理体液中电解质的重要作用之一是参与维持动物体液渗透压、调节酸碱平衡和控制水代谢,所以生理体液中的电解质平衡对动物正常生理活动十分重要。在生物体液中,正电荷的总量必须等于负电荷的总量,体液是电中性的。细胞外液中主要的阳离子是Na+,主要的阴离于是Cl-和HCO3-。如果Cl-上升,而阳离子并未相应增加,则HCO3一浓度下降,导致血液PH值下降。所以, Cl-、S2-等阴离子属酸,Na+、K+等阳离子属碱。正常情况下,尽管机体经常摄取一些酸性或碱性的食物,在代谢过程中不断生成酸性或碱性物质,但体液的酸碱度依靠体内缓冲体系和调节功能仍能维持稳定。pH的相对稳定是靠体内各种缓冲系统(存在于细胞内外),以及肺和肾的调节实现的。机体缓冲体系主要为碳酸-碳酸盐缓冲体系,其为主要的缓冲体系,可缓冲本系统以外的各种酸类和碱类。非碳酸盐缓冲系统包括血浆蛋白缓冲对、磷酸盐缓冲对、氧合血红蛋白缓冲对和血红蛋白缓冲对等。它们可以缓冲包括重碳酸盐和碳酸在内的各种酸类和碱类。
动物机体电解质平衡是指动物体摄入水及各种无机盐类,同时又不断地排出一定量的水和电解质,使动物体内各种体液之间保持一种动态的平衡,以维持正常生理功能。日粮电解质平衡(Dietary electryte balance,DEB)又被称为日粮阴阳离子平衡(Dietary cation-anion balance,DCAB),是指每公斤或每100克日粮干物质中所含主要阳离子(
等)毫摩尔与主要阴离子( 等)毫摩尔之差。其含义有两层,即日粮中各种离子的含量及这些离子之间的比例关系。日粮电解质平衡是维持机体电解质平衡的基础。
(2)由于生理体液中的电解质平衡直接受日粮电解质平衡的影响,适宜的饲粮电解质水平有利于维持体液渗透压、调节酸碱平衡、控制水代谢、保证养分的适宜代谢环境,所以动物体内电解质平衡是生物化学、生理学和营养学研究的重要课题,目前在猪、鸡、牛研究较多。日粮中各种阴阳离子的比例应适当。Cohen等(1974)对产蛋母鸡的研究证明日粮阴阳离子平衡对家禽生长及生产性能的影响可归因于日粮钠、钾、氯对血液酸碱平衡的影响有互作。Mongin等(1973)以DEB为- 20~40mmol/100g的 9种合成日粮进行研究,发现血浆碳酸氢根浓度与DEB呈线性关系。Halley等(1982)指出pH、碱储随日粮阴离子含量增加呈线性下降。一直到阳离子与阴离子之比为1.6:1。Keshavarz (1994)指出阴离子对生产性能和蛋壳品质上的不利影响能被碱性盐碳酸氢钾、碳酸氢钠所改善。这些结果表明,在研究日粮中离子对酸碱平衡的影响时,不应孤立的考虑它们。
(3)酸碱平衡影响到机体代谢的正常运行,进而影响到家禽正常生理机能和生产性能。如骨骼的钙化受体液酸碱平衡的影响。鸡缺钾时,骨骼钙化不全,这可能是低钾导致酸碱平衡失常和细胞体酸中毒引起的。蛋壳的形成过程对酸碱平衡很敏感,蛋壳形成是一个产酸过程。子宫粘膜细胞分泌碳酸氢根和钙离子到壳腺管腔形成蛋壳时,氢离子便转入血浆,使血液PH值降低,酸碱平衡发生变化。酸碱平衡的变化也可以影响腿疾的发生率,但酸碱平衡的变化不是影响腿疾发生率的主要原因。
(4)配合
饲料的电解质平衡值可影响日粮中营养物质的消化吸收。饲料氮的沉积率也受饲料电解质平衡值影响,鸡的氮沉积效率受饲料电解质平衡值的影响较大。配方师通过改变日粮电解质平衡就可改变畜禽体内的酸碱状态,从而影响动物机体内的营养代谢过程,乃至生产性能;动物最佳生理状况和最佳生产性能需要适宜的饲粮电解质平衡。
2、 DEB模式的建构
(1)平衡模式。如果记(An-Cat)in——摄入的阴离子与阳离子之差,即机体酸的净摄入量;H+endo——内源酸的产量,主要由蛋白质的代谢产生;(An-Cat)out——是尿中阴阳离子的差,即酸的净排出量,酸碱平衡还涉及到第4个因素,即碱储的改变量(base-xcess,BE),则显然应该有:
(An-Cat)in+H+endo-(An-Cat)out+BE=0
该式表示,当机体酸的净摄入量加上内源酸产量不等于酸的净排出量时,则机体调整体内碱储的量,以保持机体的酸碱平衡状态。
由上式可以得到:
BE=(An-Cat)out-(An-Cat)in一H+endo
动物体摄入的固定阴阳离子比例直接受日粮中所含阴阳离子浓度的影响。这样,我们可以通过控制日粮中固定阴阳离子的比例,使碱储的改变量尽可能等于零,以维持酸碱平衡,达到控制家禽生产性能的目的。这就把日粮电解质平衡值与体液酸碱平衡联系起来。
日粮电解质平衡值的调节可通过添加 CaCl2、 KHCO3来调节。在配制饲粮时,一方面要注意满足矿物质的营养需要,另一方面要考虑饲粮电解质平衡。
3、饲料电解质平衡值的计算方法
Mongin(1981)提出日粮电解质平衡这个概念来研究饲粮离子平衡(cation-anion balanc,)对家禽体液酸碱平衡的影响,此后日粮电解质平衡这一表示方法被越来越多的学者所接纳采用。常用饲料原料的电解质平衡值(dEB mEq /kg)可根据该原料中Na、K、Cl含量换算出来,换算公式如下:
DEB=Na++ K+-CI-mmol/kg
或:
饲料的电解质平衡值(mEq/kg)=435×该饲料原料的钠离子含量(%)+256×该饲料原料的钾离子含量(%)-282×该饲料原料的氯离子含量(%)
Mongin提出的日粮电解质平衡模式(DEB= Na++ K+-Cl—mmol/kg)的一个重要前提就是将日粮中的 Ca2++ Mg2+-SO42-H2PO4—一HPO42一作为内源性产量处理,实际上这并非在所有情况下都合适。
日粮电解质平衡的概念被提出以后,各国学者先后提出了各种不同的计算公式,其中较有影响的见下表。
表 日粮离子平衡的研究公式
研究者
日粮电解质平衡计算公式
Nelson等 EC=mEq[(Na+K+Ca+Mg)- (H2PO4+HPO4+Cl+SO4)]
Mongin DEB(mEq)=Na+K-Cl
Block DEB(mEq)=Na+K-Cl-S
Patioence dUA=(Na+K+Mg+Ca)-(Cl+P+S)
Summers DEB(mEq)=Ca+Na+K-Cl-S
单纯依靠日粮电解质平衡值来评定饲料电解质好坏存在一定不足。因为通过这些公式得出的结果只是某几种常量元素电荷之差,而没有分析日粮中每种离子的浓度是否满足动物的最低需要量或者其中任何一种的绝对含量是否超过中毒剂量。有时离子的不足或过量造成的对动物的有害影响比它们的比例失衡更严重。同时,这些公式仅考虑日粮中无机离子的浓度,而没有考虑其吸收率和利用率,不能反映无机离子被利用,即实际参与动物机体离子平衡的比例,所以保证这些公式有效的前提条件是:各种电解质含量适宜,提供形式一致。
因为日粮中主要的固定阳离子是Na+和K+,主要阴离子是Cl-,它们三者相互作用,对维持机体渗透压和PH值起主要作用,所以仅对日粮中的一价离子计算电解质平衡值,具有一定理论基础(即DEB(mEq)=Na++K+-Cl-),同时,该公式简单、实用,因此在实际中得到了广泛应用。
计算DEB是计算电荷的摩尔数,而不是原子的摩尔数,所以必须将日粮中每种元素的百分比换算成毫克当量数(mEq),换算方法如下:
以Na+ mEq的计算为例:
首先,将钠的百分含量乘以10000,换算成每千克日粮中钠的mg数;
第二,将计算结果乘以钠的化合价+1;
第三,将上述结果除以钠的原子量,即得每千克日粮钠的毫克当量数(mEq)。
为了计算方便,可先计算某元素的转化系数。转化系数=10000×该元素化合价÷原子量。日粮中常量元素的转化系数分别为(单位:mEq/kg):Na 435;K 256;Cl 282。计算mEq时只要将该种离子的百分含量乘以该种元素的转化系数即可。
日粮DEB值(mmol/kg)的计算实例。一个肉用仔鸡饲粮含Na+0.18%、K+0.65%、10.20%。计算该饲粮DEB(mmol/kg)的步骤如下。
日粮中Na+、K+、Cl-分别乘106以转化成每千克饲粮中的毫克数,然后分别除以各自原子量,再分别乘以各自化合价,得
Na+:0.18% ×106/23.0=78.3mmol/kg;
K+: 0.65%×106/39.1=166.4mmol/kg;
Cl—:0.20%×106/35.5=56.4mmol/kg;
DEB= Na++K+-Cl一=78.3+166.4-56.4=188.3mmol/kg。
4日粮电解质平衡对家禽营养代谢的作用机制
通过长期进化,动物机体形成复杂的电解质平衡调节机制,以维持体内的酸碱平衡、渗透压平衡。电解质平衡通过对体内酸碱平衡的影响而发挥作用,而酸碱平衡状态又是通过对体内微环境的pH值的影响改变机体的营养代谢,同时体内某些酶又以电解质离子钾、钠、钙和镁等作为辅因子,电解质是酶正常的催化活性必不可少的成分。所以,日粮离子水平及其平衡值的变化可改变体内的酸碱状态,影响动物体内消化酶活性,机体环境适宜时,各种酶处于高活性状态,对饲料中养分利用率提高,提高饲料消化利用率和采食量,反之,日粮电解质不平衡,在一定范围内,机体可以通过自身调节作用来维持内环境平衡,但如果超出调节范围,机体正常平衡状态就会被破坏,各种酶和激素的活性就会降低,养分利用率和采食量随之下降。
日粮电解质平衡还会影响氨基酸的平衡。研究表明,细胞内高浓度的钾离子是细胞内核糖体保持蛋白质合成过程所必需的。在日粮中添加高水平的钠和钾的可代谢盐或有机酸盐,能降低精氨酸和赖氨酸间的颉抗作用,这是因为在赖氨酸与精氨酸的拮抗作用中,高赖氨酸影响精氨酸酶活性,从而使精氨酸分解增加,而金属阳离子可以提高赖氨酸氧化分解过程中L—赖氨酸—a—酮戊二酸还原酶的活性,从而使过量的赖氨酸部分分解,使赖氨酸与精氨酸比例趋于平衡。
5、日粮电解质平衡对家禽的影响
有体外产品的动物(如鸡)对DCAB较为敏感。
5.1电解质平衡对家禽生长的影响
作为影响动物生长性能的主要因素之一,日粮离子平衡状况与动物生长性能密切相关。使用天然日粮或纯合日粮进行的试验证实,一般当日粮(Na++K+-Cl-)为250mEq/kg时,家禽生长性能最佳。DEB过低(<180 mEq/kg)或过高(>300 mEq/kg)都会导致42日龄肉仔鸡增重降低,但是也有些研究结果显示,肉用仔鸡0~3周龄的日粮DEB最佳值为204mEq/kg,3~6周龄为180mEq/kgm,6~7周龄为140mEq/kg。Pesti等(1999)研究发现,为得到最大的增重和最佳的饲料转化率,日粮中氯化钠的添加量为4g/kg。Rondon等(2000)报道,1~7日龄肉鸡的最大体增重所需的钠离子和氯离子分别为2.6g/kg和2.9g/kg,最佳饲料转化率所需的钠离子和氯离子分别为2.9 g/kg,和2.8 g/kg,最佳日粮离子平衡范围是DEB为250~252 mEq/kg。Murakami等(2001)对21~42日龄肉鸡的钠和氯离子需要量研究表明,钠离子的需要量为1.5 g/kg,而氯离子的需要量为2.3 g/kg,肉鸡最佳生长性能的日粮DEB值为249~261 mEq/kg。陈继军等(2002)研究表明,肉仔鸡DEB在155~300mmol/kg范围内,增重和饲料转化率无较大差异;肉仔鸡获得最大增重所需DEB还受饲粮钙水平的影响,当饲粮含钙0.95%时,最佳DEB为215mg/kg;而当饲粮含钙1.38%时,DEB为174mmol/kg增重最大。丁角立等(1994)研究了饲粮电解平衡对肉仔鸡生长的影响,0~21、22~42、43~49日龄基础饲粮DEB分别为229 mEq/kg、209 mEq/kg、186 mEq/kg,以NaHCO3和无水CaCl2将上述三阶段肉仔鸡饲粮DEB分别调整为150mEq/kg、176mEq/kg、137mEq/kg,结果49日龄鸡平均体重比基础饲粮组提高7%。吴跃明等(1997)将肉鸡日粮电解质平衡值119由改变为209 mEq/kg和-55 mEq/kg,日增重分别增加46.5%和-26.8%。综合考虑,一般认为肉鸡饲料的电解质平衡值适宜量为150 mEq/kg~250 mEq/kg,而且随着肉鸡日龄增加有下降趋势,氯和钠的含量相等或氯含量略高于钠。
5.2、电解质平衡对家禽生产的影响
(1)对产蛋性能的影响。大量研究表明,饲粮电解质平衡会影响血液中阴阳离子比例,从而影响蛋禽的产蛋性能。Hughes(1988)观察到,DEB过低(8和33mmol/kg)或过高(319和418mmol/kg)都会降低蛋鸡的采食量和产蛋水平;饲粮含氯过多(2.13%,Hamilton等,1980;0.75%~0.90%,Austic,1984)会严重降低鸡采食量和产蛋性能,不利于蛋壳钙化。也有试验证实,摄入高钠(0.52%)低氯(<0.12%)的饲粮时,鸡采食量减少,产蛋率下降。Stevenson(1983)发现,DEB在137~245mEq/kg范围内,蛋鸡产蛋性能差异不大。霍启光等(1992)报道,饲粮钠占0.15%时,氯含量在0.15%~0.60%范围内65~72周龄蛋鸡的产蛋率、蛋重和饲料报酬差异不明显。一般规律显示,蛋禽的适宜生产日粮电解质平衡值在100~300mEq/kg之间。而且由于产蛋家禽处于成年期,机体内环境自我调节能力较强,可以忍受较严重的电解质失衡状态而不影响生产。
(2)对蛋壳质量的影响。日粮电解质平衡是影响蛋壳质量的重要因素之一。在蛋壳形成过程中,受到日粮离子平衡及钙磷代谢等多种因素的影响。日粮中过量的氯使蛋壳的强度和厚度均显著降低。据报道,在饮水中加入矿物质氯化钠250毫克、氯化钾40毫克,破裂蛋、软壳蛋增加一倍,在饮水中加入食盐200、400、600克/升,破蛋率从6.5%增加到10.4%、14.2%和18.9%,据报道,产蛋鸡以蛋壳强度和厚度为指标,钠和氯的最佳比例为1:0.6。血液NaHCO3的浓度与蛋壳质量呈正相关。在蛋鸡日粮中添加NaHCO3改善蛋壳质量,主要原因是NaHCO3导致血液中碱储增高和磷酸根的浓度降低,血磷浓度的降低有利于改善蛋壳质量。试验证实,饲料中添加0.1~0.5% NaHCO3替代食盐,可减少蛋壳损失1%~2%。此外,日粮电解质平衡值也会明显影响蛋壳质量, Vogt等(1983)发现,DEB过低(68 mEq/kg)或过高(296 mEq /kg)时,蛋壳变薄。当DEB在150mEq /kg以上时,蛋壳厚度随DEB上升而增加。提高饲粮钾含量(由0.66%提高到0.88%),可改善蛋壳品质。一般蛋鸡在适宜生产的日粮电解质平衡值范围内,都可以保证蛋壳的正常品质。
5.3电解质平衡对家禽健康的影响
(1)对家禽腿病的影响。仔鸡的胫骨短粗症(TD)属于代谢性疾病,该病多发生于快速生长的肉仔公鸡,且病情发展迅速,对其病因研究发现年龄、性别、遗传和环境以及多种营养因素,均与胫骨短粗症发病率有关。就营养因素来说,多种矿物质都可单独或综合地影响发病率和严重率,离子平衡是重要的病因之一。当日粮氯离子过多,而又没有相应的钾、钠离子的平衡时,TD的发病率增高。硫酸根加剧TD病情;高氯和高磷的摄取也导致发病率和严重率提高;高镁日粮可以降低由高氯和高磷导致的的高发病率和严重率。Hulan等(1987)研究表明,饲粮钠、钾供给量影响肉鸡TD的发生率,而且与饲粮钙、氯水平相关;饲粮钙、钠或钾含量升高,TD发生率下降;在饲粮钠水平较低时,只有饲粮钾和氯含量均高时才有降低TD的作用。Lilburn等(1989)报道,当饲粮氯含量高(0.36%)时,高水平有效磷(0.65%)会导致肉仔鸡TD发生率显著增加。Edwards(1984)进一步证实,饲粮中以氨基酸盐酸盐和氯化钙形式存在的氯化物含量过高,会降低鸡胫骨中灰分含量。Austic和Patience(1988)报道,当DEB在-200~400mEq/kg范围内时,最高的TD发生率(>20%)在DEB=-200mEq/kg组;而最低的TD发生率(<3%)则在EB=400mEq/kg组; Ruzi-Lopez和Austic(1993)的试验以等摩尔的硫酸盐取代对照组日粮的碳酸盐,结果试验组TD发病率明显升高,比较分析得到的结论是,影响TD发病率的不是硫酸根浓度的升高,而是酸碱平衡因素。对于酸碱平衡影响TD发病率的机理观点不一,但多数观点是日粮中阴阳离子比例的变化改变体内酸碱平衡状况,从而影响TD发病率和严重率,随DEB的上升,TD的发生率呈下降趋势。
(2)对肉鸡腹水症的影响。腹水症(肺高血压综合症)是由于现代高产肉鸡的呼吸系统不能适应较高的需氧量,引起机体缺氧和呼吸性酸中毒,右心室衰竭继发高血压导致渗出物漏出,积聚在腹腔中。腹水症的病因极为复杂,日粮离子平衡是诱发肉鸡腹水症的重要因素之一,日粮中阴离子过高导致腹水症的发病率增高。日粮的酸化(阴离子增加)使腹水症发病率增高导致死亡率增高,而日粮碱化(阳离子增加)则显著地降低由于腹水症导致的死亡率。Owen等(1994)分别用1%的NaHCO3使饲粮碱性化,用1%的NH4Cl使饲粮酸性化,结果发现,碱化饲粮使肉仔鸡腹水症显著减少,而酸化饲粮使腹水症引起的死亡率明显增加。
(3)电解质摄入量对垫料湿度的影响。肉鸡散养过程中,垫料湿度直接影响肉鸡的生长性能和健康状态。在一定程度上,垫料湿度与肉鸡健康和生长成反比。鸡摄入食盐过量,饮水量随之增多,造成垫料湿度大。研究发现(程伶,1989),饲料中添加NaHCO3的肉鸡,与添加NaCl组相比,饮水量减少,垫料状况改善,当钠水平在0.13%~0.19%范围内时,以NaHCO3为钠源,肉鸡饮水量明显低于食盐组,垫料品质可改善20%。近来的研究发现,钾是造成湿粪的另一原因。日粮(Na+K)的摄入量有任何增加,都会使粪中含水量增加。Mongin(1981)指出,日粮中钾含量与鸡饮水量、排泄物重均呈正相关关系。生产实践中人们发现,当日粮中超量使用大豆时(20%),因钾摄入过多会发生湿粪和垫料潮湿等问题,这是由于大豆的钾含量高(1.8%,比玉米高6.5倍)造成的。霍启光等(1992)用产蛋鸡进行的试验表明,当日粮Na、K水平(分别为0.15%和0.56%)不变,Cl水平由0.16%升至0.64%时,对鸡的饮水量和粪尿含水量均无明显影响,所以控制粪便含水量应从控制饲料中钠和钾的含量入手,效果会更明显。
6、鸡配合饲料的最佳dEB值
动物体内过酸或过碱时,大多数代谢过程不再用于生产产品,而是用于调节酸碱平衡。所以除了调整酸化剂外,为使动物获得正常生长发育和最佳生产性能,必须保证日粮电解质平衡。据报道,当DEB值在150-300mmol/kg范围内,对1-2日龄肉鸡生长速度不产生明显影响;1-21日龄肉仔鸡最佳DEB为246-264mmol/kg,21-42日龄肉仔鸡最佳DEB为249-261mmol/kg。对于蛋鸡,饲粮DEB值在137-245mmol/kg范围内不影响产蛋性能,但当饲粮DEB值过低(68mmol/kg)或过高(296mmol/kg)时,蛋壳变薄。饲粮DEB值过低(8和33mmol/kg)或过高(319和418mmol/kg)均会降低蛋鸡的采食量和产蛋水平。
据报道,随饲粮DEB由一200mmol/kg增加到400mmol/kg,肉鸡腿病(TD)发病率从大于20%降至小于3%。日粮电解质平衡影响肉鸡腿病发生的机制至今不明。有人认为日粮电解质平衡可能通过影响钙的代谢而起作用;也有人认为代谢性酸中毒导致TD发病率升高,其原因可能是由于肝中VD3转化为25-(OH)VD3的量减少,进而影响钙的吸收和代谢,但该假设未得到证实。
目前电解质营养研究主要以钠、钾、氯三者为代表,虽简便实用,但不够精确。今后日粮电解质平衡研究必须同时考虑钠、钾、氯、钙、磷、硫、镁等元素或离子,并分析测定日粮电解质的含量和吸收率,研究电解质元素在动物体内的代谢规律,这样才能全面揭示日粮电解质平衡与动物营养之间的关系。
7日粮电解质平衡的应用
为了保证家禽机体电解质平衡,必须使饲料中的最重要的电解质钠、钾、氯的含量充足,比例平衡,可以使用重碳酸盐、碳酸盐、铵盐等氯化钠以外的电解质,这样既可以避免单纯使用氯化钠造成的钠少氯多,又可以保证电解质平衡值达到最佳,具体做法是:钠的添加可以首先将饲料中氯的含量用氯化钠补充充足,钠不足的部分由碳酸氢钠补充;钾可以由碳酸钾、氯化钾形式添加;氯可以用氯化铵或氯化钾形式补充。总之,为充分发挥家禽营养潜力,提高其生长生产能力和健康状态,对于一位现代营养师,在进行饲料配方设计时必须考虑饲料电解质平衡。
8、饲料的酸结合力
通常将饲料对胃酸的影响定义为饲料的酸结合力:即100克饲料水溶液中,用1 mmolh cl 滴定,当pH下降到4时所消耗的盐酸量,也称为该饲料的系酸力。几种原料的酸结合力为:脱脂奶粉3.07;小麦8.99;酵母30.1 0;豆粕50.6 8;鱼粉60.3 8;全脂奶粉66.37;矿物质预混料1260.5 0。
不同原料其系酸力水平不同,如乳清粉、脱脂奶粉等系酸力较低,日粮乳清粉含量高时,需添加酸化剂的量较小,甚至不添加也不影响饲料消化率;而豆粕、鱼粉等系酸力系数较大,食入后使胃内pH值迅速上升,只有在饲料中添加大量酸化剂才能维持胃内适宜酸度。