جنبه های علمی و عملی استفاده از منابع آلی مواد معدنی (کیلات ها و کمپلکس های آلی)
خلاصه
مواد معدنی مورد نیاز دام و طیور از دو منبع تأمین میشوند: «منابع آلی مواد معدنی» و «منابع غیرآلی مواد معدنی» . قابلیت جذب و فراهمی مواد معدنی از این دو منبع در دستگاه گوارش تفاوت زیادی با یکدیگر دارد و در اغلب موارد، برای منابع آلی بیشتر از منابع غیرآلی است. منابع غیرآلی به شکل سولفاتها، کربناتها، اکسیدها، هیدروکسیدها و کلریدهای عناصر معدنی هستند. در منابع آلی، مواد معدنی با یک بخش آلی (لیگاند) باند شده، که ممکن است یک آمینواسید، پپتید، پلی ساکارید و یا یک اسید آلی باشد. منابع غیرآلی از نظر اقتصادی ارزانتر هستند ولی به دلیل وجود عوامل مداخلهگر متعدد نظیر آنتاگونیسم بین مواد معدنی و حضور مواد ضدتغذیهای از قابلیت جذب و دسترسی پایینتری نسبت به منابع آلی برخوردارند. مسیرهای مختلفی برای جذب منابع آلی یا غیرآلی مواد معدنی وجود دارد. برای مواد معدنی که در روده به شکل یونیزه وجود دارند و اغلب حاصل از منابع غیر آلی مواد معدنی هستند، مکانیسمهای ویژهای وجود دارد. اغلب یونهای فلزی از طریق پروتیئنهای انتقال دهنده در سطح اپیتلیوم سلولهای روده، وارد انتروسیتهای میشوند. اما از آنجایی که این پروتئینها ممکن است به صورت مشترک برای جذب دو یا چند یون فلزی به کار روند، اثرات رقابت بین یون-های فلزی و احتمال وقوع مسمومیت یک یون فلزی یا کمبود یون فلزی دیگر وجود دارد. جذب مواد معدنی متصل به لیگاندهای آلی، از طریق مسیرهای جذب پپتیدها یا آمینواسیدها نسبت به مسیرهای عمومی جذب مواد معدنی بیشتر است و به این دلیل، توجه و علاقمندی نسبت به استفاده از منابع آلی مواد معدنی در تغذیه دام و طیور رو به گسترش است. استفاده از منابع آلی برای تأمین مواد معدنی خوراک دام و طیور موجب کاهش احتیاجات این دسته از مواد مغذی میشود.
مقدمه
از دیدگاه علم تغذیه، «عنصر معدنی کممصرف» به عنصری گفته میشود که در مقدار بسیار کم به جیره حیوانات مزرعهای و خانگی افزوده میشود (1). نوع منبع تأمین مواد معدنی از اهمیت بسیاری برخوردار است. دو منبع موجود برای تأمین مواد معدنی؛ یعنی «منابع آلی مواد معدنی» و «منابع غیرآلی مواد معدنی» از نظر میزان جذب در دستگاه گوارش با یکدیگر بسیار متفاوت هستند. به طور معمول در فرمولاسیون خوراک دام و طیور از منابع غیرآلی عناصر معدنی (سولفاتها، کربناتها، اکسیدها، هیدروکسیدها و کلریدها) استفاده میشود، اما اخیراً مشخص شده است که ساز و کار استفاده از این عناصر بسیار ناکارآمد است. به عنوان مثال، چنانچه pH قسمت فوقانی دستگاه گوارش کاهش یابد، قابلیت هضم منابع غیرآلی مواد معدنی به علت تفکیک شدن و آزاد شدن عنصر معدنی به صورت یون، کاهش مییابد. مکانیسم این اثر به این صورت است که، در نتیجۀ تفکیک شدن عناصر معدنی در دستگاه گوارش، این مواد در محل جذب دستخوش اثرات آنتاگونیسم با مواد مغذی دیگر (از جمله سایر مواد معدنی) شده و در نتیجه قابلیت جذب عناصر معدنی کاهش مییابد (2). از سوی دیگر، در صورت افزایش pH در قسمت ابتدایی روده کوچک، عناصر مس و روی به فرم هیدروکسید نامحلول تبدیل شده و بدین ترتیب قابلیت جذب این عناصر کاهش مییابد (3).
در سالهای اخیر با توسعۀ تحقیقات، منابع جدیدی از مواد معدنی جهت استفاده در خوراک دام و طیور و با هدف افزایش بهرهوری مصرف به بازار معرفی شدهاند. اغلب این منابع در دستۀ منابع آلی مواد معدنی قرار می-گیرند. ترجیح در استفاده از منابع آلی مواد معدنی به جای منابع غیرآلی در جیرههای دام و طیور به این دلیل است که اَشکال آلی به میزان بیشتری ساختار خود را در برابر فعل و انفعالات نامطلوب و ناخواستۀ دستگاه گوارش حفظ کرده و بنابراین، قابلیت زیست فراهمی عنصر معدنی در این منابع بالاتر از انواع معمول مواد معدنی است. اما با این حال، تمامی اَشکال منابع آلی مواد معدنی از لحاظ کارکرد و ویژگیهای عملکردی یکسان نیستند و نمیتوان به هرگونه منبع آلی مواد معدنی، واژۀ «کارآمدتر» و «سودمندتر» را اطلاق نمود. انتخاب نوع منبع ماده معدنی به شکل آلی و همچنین روش استفاده از آنها در فرمولاسیون جیرههای دام و طیور نیازمند بررسی دقیق نوع ترکیب و شناسایی و پیشبینی رفتار آن در دستگاه گوارش است. در ادامه به ذکر نکات و مباحث اصلی در این زمینه پرداخته میشود.
منابع غیر آلی مواد معدنی
به طور معمول و در حالت مرسوم در فرمولاسیون خوراکهای تجاری دام و طیور از اَشکال مختلف منابع غیر آلی مواد معدنی از قبیل اکسیدها، کربناتها، کلریدها و سولفاتها استفاده میشود. این منابع، ترکیبات شناخته شدهای هستند که اغلب جهت سهولت استفاده در جیرهنویسی، توسط شرکتهای سازنده از نظر درصد مادۀ معدنی موجود، استانداردسازی شدهاند و در بسیاری موارد، از نظر وجود عوامل مداخلهگر و ناخواستۀ دیگر از قبیل فلزات سنگین نیز خالصسازی شدهاند. اگر چه نمکهای غیرآلی از نظر اقتصادی نیز ارزانتر هستند، اما تحقیقات جدید استفاده از «منابع آلی مواد معدنی» را به جای «منابع غیر آلی مواد معدنی» توصیه میکنند. یکی از علتهای این موضوع، این است که قابلیت زیست فراهمی عناصر معدنی موجود در منابع غیر آلی مواد معدنی از نظر عددی دامنۀ پراکندگی زیادی دارد. به عنوان مثال، قابلیت دسترسی نمکهای سولفاته بالاتر از اکسیدها است (4). به طور کلی، قابلیت زیست فراهمی نمک غیر آلی مواد معدنی در بسیاری موارد محدود بوده و به همین دلیل فراهم کردن این عناصر معدنی مطابق با احتیاجات دام و طیور، نیازمند استفاده از مقادیر بالاتری است، که اغلب به ایجاد عدم تعادل مواد مغذی و ایجاد سمیّت مواد معدنی در بافتهای مختلف بدن میانجامد (5). هنگامیکه مقادیر بالایی از مواد معدنی از طریق خوراک وارد دستگاه گوارش میشود، پروتئینهای باند شونده با فلزات در سطح سلولی به حالت اشباع در آمده و همین مسئله منجر به افزایش غلظت یونهای آزاد عنصر معدنی میشود، که در نهایت آسیب بافتها را در پی دارد. درجۀ اثرات سمیت عناصر در این حالت به خواص عنصر مورد نظر، میزان آن در خوراک، سن و شرایط فیزیولوژیک دام و وجود یا عدم وجود برخی مواد مغذی دیگر در جیره بستگی دارد (6). کمبود ثانویه سایر مواد معدنی نیز ممکن است در نتیجۀ وقوع مسمومیت با یک عنصر معدنی مشاهده گردد. بنابراین، ملاحظات مربوط به وقوع مسمومیت در اثر مصرف مواد معدنی از طریق منابع غیرآلی نیز میتواند یکی از عوامل محدود کنندۀ مصرف آنها در جیرۀ طیور محسوب شود.
منابع آلی مواد معدنی
منابع آلی مواد معدنی با توجه به نوع عامل باند شونده (لیگاند) با عنصر معدنی قابل تقسیم بندی هستند. این عامل باند شونده میتواند آمینواسید، پپتید، پلی ساکارید یا اسید آلی باشد. ویژگیها و نحوه تولید این منابع مطابق با تعاریف اتحادیه اروپا و انجمن رسمی کنترل خوراکهای حیوانی آمریکا (AAFCO) در جدول 1 ارائه شده است. میزان کارایی و پایداری ساختار در برابر pH در انواع مختلف منابع آلی مواد معدنی متفاوت است، اما با این حال همگی تحت عنوان «منابع آلی مواد معدنی» شناخته میشوند.
در بین منابع آلی مواد معدنی، ترکیباتی از قبیل کمپلکس آمینواسید-ماده معدنی، کیلات آمینواسید- ماده معدنی، کمپلکس پلیساکارید-ماده معدنی و پروتئیناتها بسته به نوع فرآیند تولید، از نظر حفظ قابلیت اتصال لیگاند با عنصر معدنی تحت شرایط pH مختلف، رفتار متفاوتی نشان میدهند (7). با این حال از نقطه نظر تحقیقات، استفاده از مواد معدنی کمیاب آلی در خوراک طیور تاثیر مثبتی بر افزایش وزن بدن، بازدهی تبدیل خوراک، وضعیت ایمنی و کیفیت پوسته تخم مرغ داشته است (8). یک بررسی در سال 2014 نشان داد که منابع آلی مواد معدنی در مجموع منابع مؤثرتری برای تأمین عناصر کمیاب هستند و میتوانند جایگزین اشکال غیرآلی مواد معدنی در جیرههای طیور شوند. منابع آلی اغلب در سطوح پایینتر-در مقایسه با منابع غیرآلی- مورد استفاده قرار میگیرند و منجر به کاهش دفع مواد معدنی از طریق مدفوع شده و از این طریق مشکلات زیست محیطی کمتری ایجاد میکنند (9).
AAFCO | اتحادیه اروپا (EU) | ||
پروتئینات فلز (57.23) | محصول حاصل از تشکیل کیلات بین یک عنصر معدنی در حالت نمک با یک آمینواسیدها و/یا پروتئین نیمه هیدرولیز شده در حالت محلول میباشد.
باید به صورت پروتئینات فلزی خاص، به عنوان مثال، پروتئینات مس، پروتئینات روی و غیره اعلام شود. |
کیلات فلز-پروتئین هیدرولیز شده | پودری با حداقل محتوای X٪ فلز
X= 10% مس، آهن، منگنز و روی حداقل 50 درصد مس، آهن، منگنز و 85 درصد روی موجود در آن باید به صورت کیلاته باشد. فرمول شیمیایی کلی آنها به صورت M(x)1-3.nH2O M = فلز، x = آنیون حاصل از هیدرولیز پروتئین حاوی انواع آمینواسیدهای حاصل از هیدرولیز پروتئین سویا. |
کمپلکس فلز- پلیساکارید (57.29) | محصول حاصل از کمپلکس شدن یک نمک با محلول پلی ساکاریدی میباشد.
باید به صورت کمپلکس با یک فلز خاص، مانند کمپلکس پلی ساکارید مس، کمپلکس پلی ساکارید روی و غیره اعلام شود. |
||
کیلات فلز- آمینواسید (57.142) | محصول حاصل از واکنش یک یون فلزی از یک نمک فلزی در حالت محلول با آمینواسیدها با نسبت مولی 1 مول فلز به 1 به 3 (ترجیحاً 2) مول آمینواسید میباشد. وزن متوسط آمینواسیدهای هیدرولیز شده باید تقریباً 150 دالتون باشد و وزن مولکولی حاصل از کیلات نباید از 800 دالتون تجاوز کند. حداقل محتوای فلز باید اعلام شود. هنگامی که به عنوان یک ماده خوراکی تجاری استفاده میشود، باید به عنوان یک کیلات آمینواسید فلزی خاص، به عنوان مثال، کیلات آمینواسید مس، کیلات آمینواسید روی و غیره اعلام شود. | کیلات فلز- آمینواسید هیدراته | کمپلکس آمینواسید-فلز حاصل از ایجاد پیوند کووالانسی بین فلز و آمینواسیدهای مشتق شده از پروتئین سویا.
به صورت پودر کیلاته با حداقل محتوای 10 درصد مس و روی، 9 درصد آهن و 8 درصد منگنز. فرمول شیمیایی: M(x)1-3.nH2O M = فلز، X= آنیون هر آمینواسید از هیدرولیز پروتئین سویا. حداکثر 10٪ از مولکولها بیش از 1500 دالتون وزن داشته باشند. |
کمپلکس فلز- آمینواسید (57.150) | محصول حاصل از کمپلکس کردن یک نمک فلزی محلول با یک آمینواسید. محتوای فلزات معدنی باید اعلام شود.
هنگامی که به عنوان یک ماده خوراکی تجاری استفاده می شود، باید به صورت یک کمپلکس آمینواسید فلزی خاص، به عنوان مثال، کمپلکس آمینواسید مس، کمپلکس آمینواسید-روی و غیره اعلام شود. |
||
کمپلکس فلز- آمینواسید خاص (57.151) | محصول حاصل از کمپلکس کردن یک نمک فلزی محلول با یک آمینواسید خاص میباشد.
حداقل محتوای فلز باید اعلام شود. هنگامی که به عنوان یک ماده خوراکی تجاری استفاده میشود، باید به صورت یک فلز خاص، کمپلکس آمینواسید خاص، به عنوان مثال، مس-لیزین، متیونین-روی و غیره اعلام شود. |
کیلات فلزی گلیسین هیدرات (به صورت مایع) و کیلات فلزی گلیسین هیدراته (به صورت جامد). | مایعی با حداقل محتوای 6 درصد مس یا 7 درصد روی.
فرمول شیمیایی: M(x)1-3.nH2O M= مس یا روی، X= آنیون گلیسین پودری با حداقل 15 درصد مس، آهن، روی و منگنز و حداکثر 13 درصد رطوبت برای مس و 10 درصد رطوبت برای آهن، روی و منگنز. فرمول شیمیایی: M(x)1-3.nH2O M= فلز، X = آنیون گلیسین |
تفاوت منابع آلی و غیر آلی مواد معدنی از نظر محل جذب عناصر معدنی
قسمت عمده جذب مواد معدنی در قسمت ابتدایی روده کوچک (بیشتر در دوازدهه) اتفاق میافتد، اگرچه جذب میتواند در سرتاسر دستگاه گوارش نیز اتفاق بیفتد. در طیور پیش معده می تواند مکانی برای جذب برخی مواد معدنی باشد. به عنوان مثال مس میتواند در مقادیر قابل ملاحظه از طریق پیش معده و دوازدهه در جوجه گوشتی جذب شود، اما با این حال میزان جذب مس در دوازدهه، پنج برابر بیشتر از میزان جذب در پیشمعده است. در مورد روی نیز، جذب از طریق پیش معده در مقادیر بسیار کم مشاهده شده است (10). در نشخوارکنندگان نیز جذب مس و روی از دیوارۀ شکمبه نیز امکانپذیر است (11)
مسیرهای مختلفی برای جذب منابع آلی یا غیرآلی مواد معدنی وجود دارد. برای مواد معدنی که در روده به شکل یونیزه وجود دارند و اغلب حاصل از منابع غیر آلی مواد معدنی هستند، مکانیسمهای ویژهای وجود دارد. اغلب یونهای فلزی از طریق پروتیئنهای انتقال دهنده در سطح اپیتلیوم سلولهای روده، وارد انتروسیتهای میشوند. اما از آنجایی که این پروتئینها ممکن است به صورت مشترک برای جذب دو یا چند یون فلزی به کار روند، اثرات رقابت بین یونهای فلزی و احتمال وقوع مسمومیت یک یون فلزی یا کمبود یون فلزی دیگر وجود دارد. پروتئین انتقال دهندۀ فلزی دو ظرفیتی (DMT1) مثال خوبی در این زمینه است که میتواند آهن، مس، منگنز و روی را به داخل انتروسیتها انتقال دهد.
مرور منابع در رابطه با منابع آلی مواد معدنی نشان میدهد که جذب مواد معدنی متصل به لیگاندهای آلی، از طریق مسیرهای جذب پپتیدها یا آمینواسیدها نسبت به مسیرهای عمومی جذب مواد معدنی بیشتر است و به این دلیل، توجه و علاقمندی نسبت به استفاده از منابع آلی مواد معدنی در تغذیه دام و طیور رو به گسترش است (12). ناقلین آمینواسیدها حداقل به 17 دسته جداگانه طبقه بندی میشوند (13). انتقال آمینو اسیدهای خنثی عمدتاً توسط سه سیستم انجام میشود: A، ASC و L (14). آمینواسیدهای با زنجیره جانبی کوتاه، قطبی یا خطی مانند ال-آلانین و ال-سرین عمدتاً توسط سیستمهای A و ASC منتقل میشوند. آمینواسیدهای بزرگ، شاخهدار و دارای حلقۀ آروماتیک، مانند ال-تیروزین، عمدتاً از طریق سیستم L وارد سلول میشوند (15). در گونههای مختلف از نظر محل جذب آمینو اسیدها تفاوتهایی وجود دارد و همه آمینواسیدهای با کارایی یکسان جذب نمیشوند و همچنین رقابت برای انتقال در بین آمینواسیدهایی که میل ترکیبی بیشتری با ناقل دارند، بیشتر است (16).
اسیدهای چرب با زنجیرکوتاه مانند استات، پروپیونات و بوتیرات که ممکن است به عنوان لیگاند یون فلزی در کمپلکسها مورد استفاده قرار گیرند، از یک سیستم حمل و نقل با واسطه خاص برای اسیدهای مونوکربوکسیلیک مانند MCT1 و همچنین یک انتقال دهندۀ ناهمسوبر غیرالکتروژنیک به نام SCFA-/HCO3 استفاده میکنند (17-19).
مفهوم قابلیت زیست فراهمی مواد معدنی
در مورد عناصر معدنی کمیاب، زیست فراهمی به نسبتی از یک ماده معدنی مصرف شده اطلاق میشود که جذب شده، به محل اثر خود منتقل و به گونههای فعال فیزیولوژیکی خود تبدیل میشود (20). واژههای دیگری که در این زمینه استفاده شدهاند عبارتند از «قابلیت دسترسی زیستی» ، «فعالیت زیستی» ، «توان زیستی» و «کارایی زیستی» (21).
چندین روش برای ارزیابی فراهمی زیستی وجود دارد و به طور کلی، فراهمی زیستی یک عنصر معدنی به صورت در دسترس بودن عملکردی آن نسبت به یک منبع استاندارد تعیین میشود (22). روشهای تعیین زیست فراهمی مناسب برای یک عنصر ممکن است برای عنصر دیگر کاملاً نامناسب باشد (23). استفاده از یک منبع استاندارد امکان بیان زیست فراهمی به صورت در دسترس بودن بیولوژیکی نسبی را فراهم میکند (24). این روش عددی به دست میدهد که به آن «ارزش فراهمی زیستی نسبی» یا به اختصار RBV گفته می شود. زیست فراهمی، یک تخمین بدست آمده از طریق آزمایش است که منعکس کنندۀ جذب و استفاده از ماده معدنی در شرایط خاص آزمایش میباشد (25).
توجه به این نکته مهم است که همه منابع آلی مواد معدنی در مقادیر مختلف pH قسمتهای مختلف دستگاه گوارش به یک اندازه پایدار نیستند. ازاینرو، کیلات کردن مواد معدنی با لیگاندهای مختلف لزوماً زیست فراهمی آن ماده معدنی را به یک اندازه افزایش نمیدهد (26).
یک مطالعه متا-آنالیز از دادههای منتشرشده بین سالهای 1986 و 2010 بر روی فراهمی زیستی منابع غیر آلی و آلی مواد معدنی در خوک و جوجه گوشتی نشان داد که زیست فراهمی روی آلی نسبت به منابع معدنی روی تفاوت معنیداری نداشته و بسته به صفت مورد مطالعه، از 85٪ تا 117٪ متغیر بوده است و تفاوت معنیداری با کنترل مشاهده نشد (27). در این متا-آنالیز، منابع معدنی عنصر روی، به جز سه مطالعه در جوجههای گوشتی که از استات روی استفاده شده بود، در سایر موارد به صورت اکسید یا سولفات روی بوده است. منابع آلی روی عمدتا به صورت باند شده با گلایسین، لیزین، متیونین، پروتئین هیدرولیز شدۀ سویا، پروتئین هیدرولیز شده یا پروتئین مخمر بوده است. این احتمال وجود دارد که برخی از منابع آلی مواد معدنی قابلیت دسترسی زیستی بالاتری نسبت به منابع غیر آلی مواد معدنی نداشته باشند، اما بر اساس بسیاری از انتشارات ذکر شده در این بررسی، به یقین منابع آلی از زیست فراهمی بالاتری نسبت به منابع معدنی برخوردار هستند.
مقادیر زیست فراهمی ارایه شده در تحقیقات متعدد در مورد برخی منابع آلی مواد معدنی در مقایسه با اَشکال معمول غیر آلی در جدول 2 آورده شده است.
تئوریهای متفاوتی در مورد چگونگی افزایش قابلیت زیست فراهمی منابع آلی مواد معدنی وجود دارد.
1- تولید کمپلکس مواد معدنی با ترکیبات آلی میتواند قابلیت جذب این عناصر را در روده کوچک به واسطه کاهش اثرات متقابل بین مواد معدنی و سایر عوامل کیلاته کننده در روده کاهش دهد و بدین ترتیب از تشکیل کمپلکسهای نامحلول با ترکیباتی از قبیل هیدروکسیدها، کربناتها، فسفاتها، اگزالاتها و فیتاتها جلوگیری کنند. کیلاته شدن مواد معدنی با این عوامل موجب کاهش قابلیت دسترسی و جذب این عناصر در روده کوچک میشود (28).
2- تولید کمپلکس آلی مواد معدنی منجر به افزایش انحلالپذیری مواد معدنی شده و امکان انتقال از طریق فرآیند جذب غیر فعال آن را در دستگاه گوارش افزایش میدهد. همچنین، فرآیند کمپلکسشدن مواد معدنی با عوامل آلی، ضریب تقسیم در محیط آبی/روغنی را افزایش داده و جذب مواد معدنی در دامنۀ pH وسیعتری را امکانپذیر میسازد (29)
عوامل موثر بر جذب و زیست فراهمی منابع آلی مواد معدنی
همانطور که اشاره گردید، زیست فراهمی انواع مختلف مواد معدنی به شکل آلی، با همدیگر متفاوت است و همین مسئله کارکرد و بازده آنها را تحت تاثیر قرار میدهد. از جمله عواملی که بر زیست فراهمی این منابع تأثیر میگذارند میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
1- وزن مولکولی، شکل هندسی، چگالی و اندازه ذرات کمپلکس یا کیلات
این عوامل بر میل ترکیبی عنصر معدنی با جایگاههای فعال لیگاندها تاثیر میگذارند. کائتانو-سیلوا و همکاران بیان کردند کمپلکسهای مواد معدنی-پپتید با وزن مولکولی کم (کمتر از 5 کیلو دالتون) زیست فراهمی بالاتری را در شرایط آزمایشگاهی نشان میدهند، در حالیکه قابلیت دسترسی زیستی یکسان (که با اندازهگیری انحلال-پذیری مشخص میشود) داشتند (30).
2- نرخ تفکیک پذیری عنصر معدنی از گروه آلی که به آن متصل هستند، قدرت پیوند بین عنصر معدنی و لیگاند آلی در تشکیل کیلات یا کمپلکس آلی میتواند از تفکیک شدن کمپلکس حین عبور از دستگاه گوارش جلوگیری کرده و قابلیت زیست فراهمی ماده معدنی را افزایش میدهد (7).
2.1 pH و شرایط فیزیولوژیک دستگاه گوارش: شرایطی از جمله pH میتواند بر حلالیت کمپلکسهای ماده معدنی -پپتید تأثیرگذار باشد. تحقیقات قبلی در این زمینه نشان داده که نمکهای آهن در دامنهpH بین 6 تا 8 حلالیت پایین (حدود 9/5 درصد) دادشتند، در حالی که انحلالپذیری کمپلکسهای آهن-پپتید در شرایط مشابه بیش از 90 درصد بود.
2- انحلالپذیری کمپلکس یا کیلات آلی:
تفاوت در انحلالپذیری کیلات تولید شده نیز از جمله مواردی هستند که بر میزان قابلیت جذب منابع آلی مواد معدنی تاثیر میگذارند (31). با این حال، اگرچه انحلالپذیری کمپلکس ماده معدنی-پپتید از دیدگاه زیست فراهمی مهم است، اما با این حال تضمین کنندۀ جذب مواد معدنی در روده نیست. چرا که ممکن است خود مادۀ معدنی، انحلالپذیری کمی در روده داشته باشد. به عنوان مثال، انحلالپذیری پایین آهن آزاد در pHهای مختلف، عامل اصلی کاهش زیست فراهمی آن است (32).
3- ضریب تشکیل یا Qf:
ضریب تشکیل، معیاری کمی برای تعیین میزان استحکام پیوند بین لیگاند و عنصر فلزی در تشکیل کیلات یا کمپلکس است و با استفاده از پلاروگرافی با اندازهگیری تغییر پتانسیل نیمه موج ΔE1/2 تعیین میشود (33). چندین مطالعه در طیور علاوه بر تعیین قابلیت زیست فراهمی، مقادیر Qf را نیز برای طیف وسیعی از منابع آلی مواد معدنی برای محاسبه میزان همبستگی این دو پارامتر محاسبه کردهاند. به طور کلی، کیلاتهایی با مقدار Qf زیر 10 تحت عنوان کیلات ضعیف در نظر گرفته میشوند. مقادیر Qf در کیلاتهای نسبتاً قوی در محدوده 10 تا 100 است و برای کیلاتهای بسیار قوی، بالای 100 است. نتایج نشان میدهد که همبستگی بین مقادیر زیست فراهمی با استحکام پیوند موجود در کیلات (Qf)، نسبت به سایر ویژگیهای شیمیایی ارزیابی شده از قبیل حلالیت یا یکپارچگی ساختاری، بیشتر بوده است )34). منابع آلی مواد معدنی با Qf متوسط و بالا، بالاترین زیست فراهمی نسبی را نشان دادند، در حالی که قابلیت دسترسی زیستی منابع با Qf پایین، در بهترین حالت در حد اَشکال سولفاته مواد معدنی بوده است (35).
یک فرضیه در این زمینه این است که استحکام مطلوب پیوند فلز-لیگاند، از تفکیک ماده معدنی در دستگاه گوارش جلوگیری کرده و کمک میکند عنصر معدنی به طور موثرتری به غشای براش بوردر برسد و در نتیجه زیست فراهمی آن را افزایش میدهد.
کیلاتهای ضعیف احتمالاً به روشی مشابه با اَشکال غیرآلی مواد معدنی در دستگاه گوارش تجزیه میشوند و کیلاتهای دارای پیوند فلز-لیگاند بسیار قوی ممکن است به هیچ وجه ماده معدنی را در دستگاه گوارش آزاد نکنند و آن را عملاً غیرقابل دسترس کنند (36). به جز آهن، در مورد تمامی مواد معدنی، قابلیت زیست فراهمی کیلاتهای بسیار قوی، به طور قابل توجهی کمتر از منابع سولفاته مواد معدنی است (37). دلایل عدم تطابق ذکر شده در مطالعات آهن میتواند به این صورت ذکر شود که آهن دو ظرفیتی بسیار فعال بوده و به راحتی به حالت فریک آهن اکسید می شود، که قابلیت دسترسی کمتری برای حیوانات دارد، ولی کیلات آهن با استحکام پیوند لیگاند-فلز کیلات قویتر میتواند به میزان بیشتری از این واکنش اکسیداسیون جلوگیری کرده و بنابراین، قابلیت دسترسی زیستی آهن برای حیوان را افزایش میدهد (37). در مطالعه دیگر، نشان داده شد منابع آهن آلی با مقادیر Qf بالاتر به میزان بیشتری میتواند در برابر اثر عوامل کیلاته کننده داخلی (موجود در دستگاه گوارش) مانند کلسیم جیره مقاومت کند و جذب آهن را افزایش دهد (38).
نکات کاربردی در استفاده از منابع آلی مواد معدنی در تغذیه طیور
1- بهبود جذب و وضعیت سلامت پرنده:
مواد معدنی به شکل آلی را میتوان به منظور غلبه برا شرایط نامطلوب عملکردی روده مورد استفاده قرار داد. مثال قابل ملاحظه ر این زمینه، استفاده از منابع آلی مواد معدنی در پیشگیری و درمان انتریت نکروتیک است. ضرر اقتصادی ناشی از انتریت نکروتیک در صنعت طیور سالانه نزدیک به 6 میلیارد دلار برآورد شده و همچنین تلفات ناشی از آن به 1% در روز میرسد (39). مطالعات نشان داده است که استفاده از مواد معدنی به شکل آلی در تغذیه طیور اثرات مثبتی در افزایش بیان ژن های مرتبط با بهبود مقاومت به این بیماری دارد (40). مطالعهای در سال 2020 در جوجههای گوشتی تحت چالش با آیمریا (Eimeria) نشان داد استفاده از منبع پروتئینات مواد معدنی میتواند در شرایطی که جذب رودهای با مشکل مواجه است، جذب مواد معدنی کمیاب را افزایش دهد (41). مطالعات اخیر نشان داده است که کاهش قابل توجه مقدار مواد معدنی خوراک نسبت به سطح توصیه شده همزمان با استفاده از کمپلکس آلی، مواد هیچگونه تأثیر منفی بر عملکرد رشد (42، 43)، سیستمهای دفاعی آنتیاکسیدانی، پارامترهای خونی و بیوشیمیایی و پارامترهای کیفیت گوشت (44) در جوجههای گوشتی نداشته است. تغذیه منابع آلی مواد معدنی در سطح 75 درصد کمتر از سطح تجاری توصیه شده برای منابع غیرآلی مواد معدنی، تفاوتی معنیداری از نظر وزن پایان دوره (42 روزگی) در جوجههای گوشتی ایجاد نکرده است. حتی در شرایطی که سطح منابع آلی مواد معدنی به یکچهارم مواد معدنی از منشأ غیر آلی رسید، هیچگونه نشانه کمبود یا بیماری مشاهده نگردید (45).
2- افزایش بازده اقتصادی و کاهش دفع مواد معدنی با استفاده از مصرف ماده معدنی به میزان کمتر از سطح توصیه شده:
مطالعهای در جوجههای گوشتی نشان داد که استفاده از منابع آلی مواد معدنی در جیره بازده اقتصادی را افزایش میدهد. همچنین، جایگزینی منابع غیرآلی مواد معدنی با منابع آلی، منجر به بهبود عملکرد و پاسخ ایمنی جوجه-های گوشتی میشود (46). لیسون و همکاران نشان دادند که استفاده از منابع آلی مواد معدنی با زیست فراهمی بالا، به میزان 20 % سطح توصیه شده در هنگام استفاده از منابع غیر آلی، تاثیر معنیداری بر افزایش وزن جوجه-های گوشتی نداشته و ضریب تبدیل خوراک را تا حدی بهبود بخشیده و در همین حال، آلودگی محیطی را به دلیل دفع کمتر مواد معدنی کاهش داده است (47). مطالعه آئو و همکاران (2011) نشان داد جایگزینی مواد معدنی غیرآلی با منابع آلی مواد معدنی (کیلات پپتیدی به میزان 50٪ یا 100٪ سطح توصیه شده مواد معدنی از منشأ غیرآلی) باعث بهبود عملکرد و افزایش پاسخ ایمنی جوجههای گوشتی گردیده است (48).
بر اساس مطالعات فوق، واضح است که بسیاری از منابع آلی مواد معدنی را می توان در سطوح بسیار پایینتر از سطوح توصیه شده برای مواد معدنی از منشأ غیر آلی استفاده کرد، بدون آنکه اثرات منفی بر عملکرد جوجههای گوشتی داشته باشد. ضمن اینکه به دلیل کاهش دفع مواد معدنی جذب نشده اضافی، اثرات مثبتی از نظر زیست محیطی مشاهده گردید.
با این حال، دوباره تاکید میشود که همه انواع منابع آلی مواد معدنی از نظر زیست فراهمی و اثربخشی برابر نیستند. به عنوان مثال، یک مطالعه در سال 2011 اثرات مثبت جایگزینی دو نوع ماده معدنی از منشأ آلی (روی-HMTBa و منگنز-HMTBa) در سطح 100٪ یا 80٪ را به جای 100٪ سطح توصیه شده ماده معدنی از منشأ غیرآلی را گزارش کرد، اما سطوح بالاتر جایگزینی در دامنۀ 60٪ مادۀ معدنی از منشأ آلی، به طور قابل توجهی میانگین سودآوری روزانه، طول پنجه، فعالیت آنزیم ALP سرم و بیان mRNA پروتئینهای انتقالدهنده روی را کاهش داد و همچنین تلفات و میزان پرندههای حذفی را افزایش داد (49).
نتیجهگیری
به طور کلی میتوان گفت علیرغم نتایج تحقیقاتی متعدد در مورد اثرات مطلوب استفاده از منابع آلی مواد معدنی به جای منابع غیر آلی معمول در تغذیه دام و طیور، در سطح استفاده به صورت تجاری، لازم است متخصصین تغذیه دام و طیور و تولید کنندگان خوراک با آگاهی از نحوه متابولیسم و ویژگیهای هر یک از انواع مختلف منابع آلی مواد معدنی، نسبت به استفاده یا عدم استفاده از آنها تحت شرایط فیزیولوژیکی یا محیطی خاص اقدام کنند. دانستن این نکته که همه انواع منابع آلی مواد معدنی، متابولیسم یکسانی ندارند و حتی ممکن است از نظر مهمترین فاکتور ارزیابی؛ یعنی قابلیت زیست فراهمی، با برخی منابع غیر آلی قابل رقابت نباشند، کمک میکند تا درک بهتری نسبت به انتخاب نوع منبع ماده معدنی جهت استفاده در جیره به دست آوریم. نکته دیگر لزوم توجه به سطوح مورد استفاده منابع آلی مواد معدنی است. در کنار پارامترهای ذکر شده در مطالب فوق که می-توانند کیفیت و اثربخشی یک منبع آلی مواد معدنی را تعیین کنند، سطح استفاده مطلوب نیز اهمیت دارد. به عنوان یک قاعده کلی، هنگام استفاده از منابع آلی در تأمین مواد معدنی خوراک دام و طیور احتیاجات ماده معدنی بایستی کاهش یابد. میزان و درصد کاهش نسبت به سطح توصیه شده (سطح توصیه شده ماده معدنی از منبع غیر آلی که به عنوان مبنا در نظر گرفته میشود) بایستی با شناخت نوع منبع آلی و ویژگیهای آن و بر اساس منابع علمی انجام گیرد.
منبع | RBV | منبع | RBV | منبع | RBV | منبع | RBV |
مس | آهن | روی | منگنز | ||||
سولفات مس | 100 | سولفات آهن-7 آبه | 100 | کمپلکس/کیلات آمینواسید-روی | 76-164 | سولفات منگنز | 100 |
کمپلکس/کیلات مس-آمینواسید | 96-128 | فریک آمونیم سیترات | 98-115 | کلرید روی | 88-107 | کمپلکس/کیلات منگنز-آمینواسید | 84-148 |
کیلات مس- HMTBa | 111-112 | فریک کلراید | 26-78 | کلرید روی، بازی | 108-119 | منگنز کربنات | 32-101 |
مس-لیزین | 92-124 | فریک کولین سیترات | 102 | سولفات روی (بازی و تری بازیک) | 76-124 | کیلات منگنز-HMTBa | 116-154 |
مس-متیونین | 88-117 | فریک سیترات | 70-76 | کربنات روی | 78-123 | منگنز دی اکسید | 29-106 |
پروتئینات مس | 79-111 | فریک گلیسروفسفات | 86-100 | سیترات روی | 128 | منگنز-متیونین | 95-174 |
استات مس | 93-188 | فریک پیروفسفات | 45 | روی-EDTA | 110-118 | منگنز اکسید | 46-103 |
کربنات مس، بازی |
113 | فریک سولفات | 37-104 | روی (حالت عنصر) | 102 | منگنز پروپیونات | 139 |
کربنات مس | 54-68 | فروس آمونیوم سولفات | 99-100 | روی-لیزین | 106-111 | پروتئنیات منگنز | 86-163 |
کلرید مس | 106-110 | فروس کربنات- پایین | 0-10 | روی-متیونین | 77-292 | کلرید منگنز | 93-102 |
اکسید مس (II) | 0-69 | فروس کربنات- بالا | 55-88 | روی-متیونین هیدروکسی آنالوگ (روی-HMTBa) | 161-441 | ||
اکسید مس (I) | 92-98 | فروس کلراید | 98-106 | اکسید روی | 22-108 | ||
فروس-EDTA | 97-100 | روی-پیکولینات | 31-104 | ||||
فروس فومارات | 71-133 | کمپلکس روی-پلی ساکارید | 94 | ||||
فروس سولفات-بدون آب | 65-100 | روی-پروپیونات | 116-119 | ||||
آهن-متیونین | 86-129 | پروتئینات روی | 70-200 | ||||
پروتئینات آهن | 69-174 |
|
منابع
1. AAFCO. Feed terms and ingredient definitions. In: American Association of Feed Control Officials; Eyck, R.T., (Ed.) Official Publication; American Association of Feed Control Officials: Champaign, IL, USA, 2020.
2. Underwood, E. J., & Suttle, N. F. (1999). The mineral nutrition of livestock. CABI Publishing: Wallingford, UK.
3. Powell, J. J., Whitehead, M. W., Ainley, C. C., Kendall, M. D., Nicholson, J. K., & Thompson, R. P. (1999). Dietary minerals in the gastrointestinal tract: hydroxypolymerisation of aluminium is regulated by luminal mucins. Journal of Inorganic Biochemistry, 75(3), 167-180.
4. Pesti, G. M., & Bakalli, R. I. (1996). Studies on the feeding of cupric sulfate pentahydrate and cupric citrate to broiler chickens. Poultry Science, 75(9), 1086-1091.
5. Thompson, L. J., Hall, J. O., & Meerdink, G. L. (1991). Toxic effects of trace element excess. Veterinary Clinics of North America: Food Animal Practice, 7(1), 277-306.
6. López-Alonso, M., & Miranda, M. (2012). Implications of excessive livestock mineral supplementation on environmental pollution and human health. Trace Elements: Environmental Sources, Geochemistry and Human Health. Nova Science, 40-53. New York, NY, USA, pp. 40–53.
7. Byrne, L., Hynes, M. J., Connolly, C. D., & Murphy, R. A. (2021). Influence of the chelation process on the stability of organic trace mineral supplements used in animal nutrition. Animals, 11(6), 1730.
8. Vieira, R., Ferket, P., Malheiros, R., Hannas, M., Crivellari, R., Moraes, V., & Elliott, S. (2020). Feeding low dietary levels of organic trace minerals improves broiler performance and reduces excretion of minerals in litter. British Poultry Science, 61(5), 574-582.
9. Świątkiewicz, S., Arczewska-Włosek, A., & Jozefiak, D. (2014). The efficacy of organic minerals in poultry nutrition: review and implications of recent studies. World’s Poultry Science Journal, 70(3), 475-486.
10. McDowell, L.R. (2003) General Introduction. In: Minerals in Animal and Human Nutrition, 2nd ed.; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2003; pp. 1–32.
11. Goff, J. P. (2018). Invited review: Mineral absorption mechanisms, mineral interactions that affect acid–base and antioxidant status, and diet considerations to improve mineral status. Journal of Dairy Science, 101(4), 2763-2813.
12. Muszyński, S., Tomaszewska, E., Kwiecień, M., Dobrowolski, P., & Tomczyk, A. (2018). Effect of dietary phytase supplementation on bone and hyaline cartilage development of broilers fed with organically complexed copper in a Cu-deficient diet. Biological Trace Element Research, 182, 339-353.
13. Broer, S. (2008). Amino acid transport across mammalian intestinal and renal epithelia. Physiological Reviews, 88(1), 249-286.
14. Palacín, M., Estévez, R., Bertran, J., & Zorzano, A. (1998). Molecular biology of mammalian plasma membrane amino acid transporters. Physiological Reviews, 78(4), 969-1054.
15. Saier, M. H., Daniels, G. A., Boerner, P., & Lin, J. (1988). Neutral amino acid transport systems in animal cells: potential targets of oncogene action and regulators of cellular growth. The Journal of Membrane Biology, 104, 1-20.
16. Webb Jr, K. E. (1990). Intestinal absorption of protein hydrolysis products: a review. Journal of Animal Science, 68(9), 3011-3022.
17. Stein, J., Zores, M., & Schröder, O. (2000). Short-chain fatty acid (SCFA) uptake into Caco-2 cells by a pH-dependent and carrier mediated transport mechanism. European Journal of Nutrition, 39, 121-125.
18. Fafournoux, P., Rémésy, C., & Demigné, C. (1985). Propionate transport in rat liver cells. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes, 818(1), 73-80.
19. Stumpff, F. (2018). A look at the smelly side of physiology: transport of short chain fatty acids. Pflügers Archiv-European Journal of Physiology, 470(4), 571-598.
20. O’Dell Boyd, L. (1983). Bioavailability of essential and toxic trace elements. Federation Proceedings Fed of Am Societies for Experimental Biology, 42, 1714–1715.
21. Ammerman, C. B., Baker, D. P., & Lewis, A. J. (Eds.). (1995). Bioavailability of nutrients for animals: Amino acids, minerals, vitamins. Academic Press: San Diego, CA, USA, pp. xiii–xiv.
22. Baker, D. H., Odle, J., Funk, M. A., & Wieland, T. M. (1991). Research note: bioavailability of copper in cupric oxide, cuprous oxide, and in a copper-lysine complex. Poultry Science, 70(1), 177-179.
23. Miles, R.D., & Henry, P.R. (2006). Relative trace mineral bioavailability. Braz. Anim. Sci. 1, 73–93.
24. Miller, E.R. (1983). Techniques for determining bioavailability of trace elements. In Proceedings of the Sixth Annual International Minerals Conference, St. Petersburg Beach, FL, USA.
25. Fairweather-Tait, S. J. (1987). The concept of bioavailability as it relates to iron nutrition. Nutrition Research, 7(3), 319-325.
26. Udechukwu, M. C., Collins, S. A., & Udenigwe, C. C. (2016). Prospects of enhancing dietary zinc bioavailability with food-derived zinc-chelating peptides. Food and Function, 7(10), 4137-4144.
27. Schlegel, P., Sauvant, D., & Jondreville, C. (2013). Bioavailability of zinc sources and their interaction with phytates in broilers and piglets. Animal, 7(1), 47-59.
28. Rompala, R.E.; Halley, J.T. Explaining the absorption of chelated trace minerals: The Trojan horse of nutrition. In: Feed Management; WATT Publishing: Rockford, IL, USA, 1995; Volume 46, pp. 52–58.
29. Magee, D.F.; Dalley, A.F., II. Digestion and the Structure and Function of the Gut; Karge Continuing Education Series; Karger: Basel, Switzerland, 1986; Volume 8.
30. Caetano-Silva, M. E., Cilla, A., Bertoldo-Pacheco, M. T., Netto, F. M., & Alegría, A. (2018). Evaluation of in vitro iron bioavailability in free form and as whey peptide-iron complexes. Journal of Food Composition and Analysis, 68, 95-100.
31. Radcliffe, J.S.; Aldridge, B.E.; Saddoris, K.L. Understanding organic mineral uptake mechanisms: Experiments with Bioplex®Cu. Engormix. 2007. Available online: https://en.engormix.com/pig industry/articles/bioplex-cu-t33770.htm.
32. Scheers, N. M., & Sandberg, A. S. (2008). Ascorbic acid uptake affects ferritin, Dcytb and Nramp2 expression in Caco-2 cells. European Journal of Nutrition, 47, 401-408.
33. Holwerda, R.A.; Albin, R.C.; Madsen, F.C. (1995). Chelation effectiveness of zinc proteinates demonstrated. Feedstuffs, 67, 12–23.
34. Li, S., Luo, X., Liu, B., Crenshaw, T. D., Kuang, X., Shao, G., & Yu, S. (2004). Use of chemical characteristics to predict the relative bioavailability of supplemental organic manganese sources for broilers. Journal of Animal Science, 82(8), 2352-2363.
35. Liao, X. D., Wang, G., Lu, L., Zhang, L. Y., Lan, Y. X., Li, S. F., & Luo, X. G. (2019). Effect of manganese source on manganese absorption and expression of related transporters in the small intestine of broilers. Poultry Science, 98(10), 4994-5004.
36. Ma, X. Y., Liu, S. B., Lu, L., Li, S. F., Xie, J. J., Zhang, L. Y., … & Luo, X. G. (2014). Relative bioavailability of iron proteinate for broilers fed a casein-dextrose diet. Poultry Science, 93(3), 556-563.
37. Zhang, L.Y.; Lu, L.; Luo, X.G. The chemical characteristics of organic iron sources and their relative bioavailabilities for broilers fed a conventional corn-soybean meal diet. J. Anim. Sci. 2016, 94, 2378–2396.
38. Bai, S., Cao, S., Ma, X., Li, X., Liao, X., Zhang, L., … & Lu, L. (2021). Organic iron absorption and expression of related transporters in the small intestine of broilers. Poultry Science, 100(8), 101182.
39. Broom, L.J. (2017). Necrotic enteritis; current knowledge and diet-related mitigation. World’s Poult. Sci. J. 73, 281–292.
40. He, B., Bortoluzzi, C., King, W. D., Graugnard, D., Dawson, K. A., & Applegate, T. J. (2019). Zinc source influences the gene expression of zinc transporters in jejunum and cecal tonsils during broiler challenge with Eimeria maxima and Clostridium perfringens. Poultry Science, 98(3), 1146-1152.
41. Bortoluzzi, C., Vieira, B. S., & Applegate, T. J. (2020). Influence of dietary zinc, copper, and manganese on the intestinal health of broilers under Eimeria challenge. Frontiers in Veterinary Science, 7, 13.
42. Petrovič, V., Nollet, L., & Kováč, G. (2010). Effect of dietary supplementation of trace elements on the growth performance and their distribution in the breast and thigh muscles depending on the age of broiler chickens. Acta Veterinaria Brno, 79(2), 203-209.
43. Aksu, T., Ozsoy, B., Aksu, D., Yörük, M., & Gül, M. (2011). The effects of lower levels of organically complexed zinc, copper and manganese in broiler diets on performance, mineral concentration of tibia and mineral excretion. Kafkas Universitesi Veteriner Fakultesi Dergisi, 17, 141–146.
44. Aksu, T., Aksu, M. I., Yoruk, M. A., & Karaoglu, M. (2011). Effects of organically-complexed minerals on meat quality in chickens. British Poultry Science, 52(5), 558-563.
45. Ao, T., Pierce, J. L., Pescatore, A. J., Cantor, A. H., Dawson, K. A., & Ford, M. J. (2009). Effects of feeding reduced levels of organic minerals (Bioplex®) on the development of white layer pullets. Poult. Sci, 88, 197.
46. Abdallah, A. G., El-Husseiny, O. M., & Abdel-Latif, K. O. (2009). Influence of some dietary organic mineral supplementations. Int. J. Poult. Sci, 8(3), 291-298.
47. Leeson, S. (2003). A new look at trace mineral nutrition of poultry: Can we reduce environmental burden of poultry manure? In Proceedings of the Nutritional Biotechnology in the Feed and Food Industries, Proceedings of the 19th Annual Symposium, Lexington, KY, USA, 11–14 May pp. 125–131.
48. Ao, T., Pierce, J. L., Pescatore, A. J., Cantor, A. H., Dawson, K. A., Ford, M. J., & Paul, M. (2011). Effects of feeding different concentration and forms of zinc on the performance and tissue mineral status of broiler chicks. British Poultry Science, 52(4), 466-471.
49. Yuan, J., Xu, Z., Huang, C., Zhou, S., & Guo, Y. (2011). Effect of dietary Mintrex-Zn/Mn on performance, gene expression of Zn transfer proteins, activities of Zn/Mn related enzymes and fecal mineral excretion in broiler chickens. Animal Feed Science and Technology, 168(1-2), 72-79.
نویسنده:
دکتر اعظم یوسفی قمشلو، استادیار گروه علوم دامی دانشگاه لرستان