Владимир Фисинин, Первый вице-президент РАСХН, Директор ВНИТИП
Петр СУРАЙ, доктор биологических наук, профессор
Шотландский сельскохозяйственный колледж и Университет Глазго, Великобритания
Достижения последних лет в области генетики и селекции позволили существенно увеличить скорость роста сельскохозяйственных животных и птицы и улучшить конверсию корма. Однако появились новые проблемы, которые ставят много вопросов перед специалистами по кормлению и ветеринарии.
Новые подходы к минеральному питанию
Более продуктивные животные характеризуются повышенной чувствительностью к стрессам, а низкая иммунокомпетентность часто приводит к вспышкам заболеваний. При этом кормление играет решающую роль.
Производство синтетических аминокислот во многом позволило решить вопросы белкового и аминокислотного питания животных. То же самое справедливо и в отношении витаминов. Если 20-30 лет назад существовала проблема недостаточного потребления животными витаминов, то сегодня оно зачастую избыточное.
Вместе с тем, прогресс в области минерального питания не достиг того уровня, который бы отвечал современным требованиям. Применение неорганических солей переходных металлов (цинка, меди, железа и марганца) вошло в практику животноводства и птицеводства и в течение многих лет позволяло поддерживать баланс этих элементов в организме. Однако повышение продуктивности животных сделало их более требовательными к соотношению питательных и биологически активных веществ в кормах. То равновесие, которого без труда можно было достичь с помощью неорганических солей металлов, уже не удовлетворяет потребности современных кроссов и пород сельскохозяйственных животных и птицы.
Интенсивные исследования в области минерального питания продолжаются уже более 50 лет. Однако в последние годы появились новые факты, которые существенно изменили наши представления о том, как нормировать добавки микроэлементов в рационах.
Сегодня более глубоко изучены молекулярные механизмы действия различных минералов. Остановимся подробнее на некоторых из них.
Медь, цинк и марганец - важные элементы фермента супероксиддисмутазы. Они играют решающую роль в антиоксидантной защите организма.
Цинк входит в состав свыше 300 различных ферментов и участвует в регуляции основных метаболических путей.
Селен - составляющая более 25 селенопротеинов. Он осуществляет эффективную связь различных антиоксидантов.
Сейчас известно, что в организме микроэлементы обнаруживаются, главным образом, в связанной с белками форме. Это защищает их реакционные группы от участия в различных реакциях и предотвращает от нежелательных взаимодействий. Так, свободные медь и железо - катализаторы образования свободных радикалов и перекисного окисления липидов. Учеными предложена модель антиоксидант-прооксидантного баланса в кишечнике как основы поддержания целостности энтероцитов и высокой эффективности всасывания питательных веществ. В этой схеме свободные формы железа и меди - важные прооксиданты.
Также доказано, что многие минералы способны влиять на экспрессию генов и таким образом регулировать различные метаболические процессы
Внимательное изучение минерального состава кормовых средств и продуктов животноводства показало, что переходные металлы находятся в них в связанной с белками форме так же как, и селен, который обнаруживается главным образом в виде аминокислоты - селенометионина. Таким образом, включение в рацион животных неорганических микроэлементов восполняет дефицит этих минералов лишь на время. Более эффективное решение данного вопроса - создание их природных форм (протеинатов, хелатов) или новых препаратов, содержащих органический селен и селенометионин. Сегодня Россия так же как и большинство европейских стран недостаточно обеспечены этим микроэлементом. Разработка технологии обогащения продуктов птицеводства и животноводства селеном - один из самых действенных способов решения указанной проблемы.
Сегодня все чаще можно услышать голоса тех, кто считает, что введение минералов в корм животных нужно ограничить для того, чтобы снизить загрязнение почвы из-за внесения с пометом дополнительных микроэлементов. В странах Европейского сообщества в 2003 г. были приняты законодательные акты по максимально допустимым концентрациям меди, железа, цинка, кобальта и марганца в помете.
Таким образом, традиционные подходы к минеральному питанию сельскохозяйственных животных и птицы нуждаются в существенном пересмотре. При этом оптимизация форм и доз добавок цинка, меди, железа, марганца и селена требуют особого внимания. Среди различных путей решения перечисленных выше вопросов более детального анализа заслуживают вопросы, связанные с использованием хелатированных форм и протеинатов переходных металлов.
Физиология всасывания микроэлементов
Трудный путь металлов
Взаимодействия, в которые вступают ионы металлов в процессе всасывания, хорошо описаны в современной литературе. В частности, доказано, что фитиновая кислота образует комплексы с переходными металлами, включая цинк, медь, железо и марганец. Это приводит к существенному снижению всасывания этих элементов. Полифенолы, некоторые сахара и клетчатка также способны связывать ионы металлов в пищеварительном тракте животных и человека. Кроме того, антагонистические взаимодействия происходят между самими ионами металлов со схожей электронной структурой и валентностью. Например, железо, марганец и кобальт соперничают друг с другом в процессе их всасывания. При низком потреблении железа кишечный транспорт и всасывание марганца и кобальта усиливаются из-за снижения конкуренции в местах их связывания и адсорбции. Следует особо отметить, что наибольшие потери металлов в желудочно-кишечном тракте происходят в результате реакции гидрокси-полимеризации.
Основные металлы можно разделить на две группы. Первую группу составляют металлы, которые хорошо растворяются при различных величинах рН. Это натрий, кальций, магний и др. Вторая группа - металлы, вступающие в реакции гидрокси-полимеризации, их также называют гидролитическими металлами. К ним относят алюминий, марганец, цинк, медь и железо. Эти металлы легко растворимы в кислотной среде (например, в желудке моногастричных животных). Однако при подщелачивании среды в тонком кишечнике молекулы воды, с которыми они связаны, быстро теряют протоны с образованием гидрокси-соединений для поддержания своеобразного равновесия. Это часто приводит к полимеризации металлов, после чего они выпадают в осадок и их всасывание становится невозможным.
Как видно из приведенных выше данных, химические особенности металлов влияют на эффективность их всасывания. Следует подчеркнуть, что существуют механизмы, еще более усложняющие этот процесс. Так, в ходе пищеварения питательные вещества содержимого кишечника, включая гидролитические металлы, направляются к ворсинкам тонкого кишечника. На своем пути они должны преодолеть так называемый несмешивающийся водный слой толщиной примерно 600 микрометров, проникнуть через мукозный слой кишечника толщиной 50-100 микрон, перед тем, как достигнут места всасывания - липофильной мембраны энтероцитов, которая в тысячу раз тоньше.
Таким образом, для того, чтобы произошло всасывание гидролитических металлов, они должны быть защищены от гидрокси-полимеризации и пройти через два функциональных барьерных слоя, которые на порядок толще, чем мембрана энтероцитов. Тем не менее, до последнего времени эти факты не учитывали во многих публикациях, в основном внимание уделяли механизмам транспорта металлов через мембрану энтероцитов.
Мукозный слой кишечника
Мукус образуется и секретируется гоблетными клетками в кишечной мукозе, где он действует как защитный барьер и транспортная среда. Мукус состоит из больших значительно гликолизированных белков (муцинов) с молекулярной массой до 20 тыс. дальтон. Муцины представляют собой белковые ядра с олигосахаридными боковыми цепями, связанными кислородными мостиками N-aцетил-глюкозаминов с серином или треонином. Муцины также содержат много сульфатных групп (сульфо-муцины) и карбоксилатных групп (сиаломуцины), что создает отрицательный заряд мукозного слоя. Это объясняет его высокую аффинность и способность связывать катионы металлов. Благодаря таким его свойствам, трехвалентные катионы связываются прочнее, чем двухвалентные, а они в свою очередь связываются сильнее, чем одновалентные. Таким образом, способность ионов металлов проникать через мукозный слой кишечника во многом определяет, произойдет их всасывание или нет. Она обратно пропорциональна их возможности связываться с гелем мукуса и прямо пропорциональна способности к обмену лигандами. При этом чем выше валентность металла, тем ниже скорость его проникновения через мукозный слой. Это позволяет понять, почему высокозаряженные ионы токсичного алюминия очень прочно связываются с этим слоем, практически не проникают через него и плохо всасываются. Прочное связывание с мукусом трехвалентных ионов также объясняет, почему двухвалентное железо всасывается значительно лучше, чем трехвалентное.
Микроклимат
Несмешивающийся водный слой кишечника расположен в непосредственной близости от мукозного. Вместе они создают своеобразный рН, который поддерживается на постоянном уровне. Молекулярные механизмы этого процесса пока не полностью расшифрованы, но есть предположения об их связи с секрецией бикарбоната из мукозного слоя и связыванием в нем ионов водорода. Принято считать, что среда здесь слегка кислая или нейтральная, с рН на уровне семи. Поскольку водородный показатель (кислотность) влияет на заряд и растворимость металлов и метал-лиганд комплексов, кишечный микроклимат играет важную роль в регуляции всасывания металлов в тонком кишечнике.
Микроэлементы нуждаются в защите
Сегодня ученые и практики проявляют высокий интерес к поиску путей улучшения всасывания цинка, меди, железа и марганца. Большинство исследований сконцентрировано на обеспечении защиты микроэлементов от отрицательного влияния окружающей среды в кишечнике. Работы в этом направлении начинались с попыток хелатирования с применением ЭДТА. Образованные комплексы использовали два атома азота и четыре атома кислорода. Однако первые такие опыты не увенчались успехом и не потому, что не удалось защитить металлы, а наоборот, потому что защита была слишком сильной, связанные ионы не освобождались перед всасыванием, которое становилось невозможным.
Попытки хелатирования внесли некоторую путаницу в кормовую индустрию. Сегодня можно прочитать об аминокислотных комплексах металлов, о хелатах металлов с аминокислотами, метал-полисахаридных комплексах и протеинатах металлов. При этом официальное определение хелатов остается не точным. Так, слово «комплекс» обозначает продукты, образованные в результате реакции металла с различными лигандами. Лигандом может стать молекула или ион, содержащие атом с парой электронов, которые могут быть использованы для связи с металлом. Ион металла в комплексе соединен с лигандом донорной связью, включая атом кислорода, азота или серы. Структура, где лиганд связан с металлом посредством двух или более атомов-доноров, называется гетероциклическим кольцом, а сформировавшиеся продукты - хелатами (слово происходит от греческого «сhele» - «клешня краба»). При этом следует иметь в виду, что хелаты образуются лишь между переходными металлами и соответствующими лигандами. Здесь уместно отметить, что встречающиеся на рынке «хелаты селена» - не что иное, как физическая смесь селенита натрия и аминокислот. Поскольку селен - не является переходным металлом, образование его хелатов невозможно.
Неудачные попытки использования ЭДТА для повышения доступности переходных металлов определили выбор лигандов для хелатирования. Идеальный лиганд должен быть способен предотвращать гидрокси-полимеризацию и, вероятно, конкурировать с муцином при связывании ионов. Вместе с тем, соединение не должно быть слишком прочным, чтобы позволить металлу освободиться перед всасыванием через мембрану энтероцитов. В литературе представлено достаточно доказательств того, что аминокислоты и короткие пептиды - наиболее приемлемые лиганды для хелатирования переходных металлов и защиты их в кишечнике от нежелательных взаимодействий. Когда в роли лигандов выступают отдельные аминокислоты, образуются так называемые «аминокислотные хелаты металлов». Если лигандами становятся аминокислоты и короткие пептиды, говорят о формировании «протеинатов металлов».
Итак, наиболее важный момент хелатирования - маскировка заряда иона, нейтральные хелаты позволяют избежать нежелательных реакций в кишечнике, которые зависят от заряда. Это приводит к следующим последствиям:
* предотвращается гидрокси-полимеризация и металлы эффективно доставляются к мембране энтероцитов,
* не происходит нежелательных взаимодействий с другими элементами корма, включая фитат и полифенолы,
* нейтральные комплексы успешнее проходят через заряженный мукозный слой,
* одинаково заряженные ионы (например, медь и цинк) не конкурируют за места связывания в муцине кишечника.
Следует иметь в виду, что одни преимущества хелатов будут играть большую роль, чем другие. Однако главный вывод заключается в том, что сама технология производства органических минералов направлена, прежде всего, на их защиту от нежелательных взаимодействий в кишечнике на протяжении всего пути к мембране энтероцитов.
Преимущества органических микроэлементов
Итак, в кормлении сельскохозяйственных животных и птицы эффективнее использовать органические минералы, так как с их помощью можно улучшить усвоение цинка, меди, железа и марганца, более точно нормировать эти микроэлементы и поддерживать здоровье животных, их продуктивные и воспроизводительные качества. Кроме того, органические минералы позволяют существенно снизить загрязнение окружающей среды за счет снижения их концентрации в помете. Доказано, что при применении одинакового количества неорганических солей и органических минералов меньше микроэлементов выводится в помет при использовании последних. Не менее важно, что высокая эффективность микроэлементов органических форм предоставляет возможность сократить их дозы в 3-4 раза при том же биологическом эффекте, в результате их концентрация в помете значительно снижается. Использование органических минералов особенно необходимо в условиях стресса. Как упоминалось выше, ионы меди и железа - катализаторы перексиного оксиления липидов, которое может происходить в кишечнике и в комбинации с другими элементами, вызывающими окислительный стресс (микотоксины, тяжелые металлы и др.) это нарушает энтероциты и препятствует всасыванию питательных и биологически активных веществ.
В яичном птицеводстве с помощью органических минералов можно улучшить качество скорлупы. Интересно, что в течение многих лет специалисты по яичной скорлупе в основном уделяли внимание кальцию и витамину D. Однако даже при оптимальном балансе этих компонентов в рационе во второй половине продуктивного периода у птицы часто наблюдается снижение качества скорлупы, увеличение боя и насечки яиц. Известно, что яичная скорлупа состоит на 95% из минералов и на 5% из органического матрикса. До недавнего времени органический матрикс оставался без внимания. Но в последние годы стало известно, что скорлупа - это, в сущности, биокерамика, и ее прочность и упругая деформация зависят не только от наличия и количества кальция, но и от положения кристаллов в структуре скорлупы. При этом органический матрикс рассматривается, с одной стороны, в качестве подложки, на которой растут кристаллы, их положение во многом зависит от состояния органического матрикса. С другой стороны, он выступает в роли своеобразного «клея», связывающего кристаллы в структуре скорлупы. Вместе с тем, в состав органического матрикса входят различные мукополисахариды и другие вещества, в синтезе которых задействован ряд ферментов. Их активность определяется наличием и количеством меди, марганца и цинка. К концу продуктивного периода запасы этих элементов в организме курицы истощаются, в результате синтез органического матрикса яичной скорлупы происходит менее эффективно. Добавление в рацион кур-несушек органических минералов в виде Биоплексов на промышленных птицефабриках позволяет улучшить качество скорлупы. Следует иметь в виду, что в процессе формирования яиц на образование скорлупы затрачивается более 80% всего времени, за которое образуется яйцо. Замедление синтеза органического матрикса ухудшает яйценоскость. Природные минералы способны замедлить ее падение. Еще одно их преимущество - поддержание качества костяка и целостности ног у кур в конце продуктивного периода благодаря эффективному использованию микроэлементов из рациона.
При производстве бройлеров органические минералы позволяют улучшить конверсию корма и повысить качество костяка и тушки в целом. В данном случае органический цинк играет определяющую роль в синтезе коллагена и ряда других важных белков кожи цыплят. В результате, при переработке тушек происходит меньше нарушений кожи, что повышает производство бройлеров первой категории. Еще одно достоинство органических минералов - поддержание высокой иммунокомпетентности у быстрорастущих цыплят. Для кур родительского стада природные микроэлементы важны тем, что не только улучшают качество скорлупы, но и поддерживают вывод молодняка во второй половине репродуктивного периода.
Органический селен
Рассматривая преимущества органических минералов, нужно отдельно остановиться на селене, ведь его роль в кормлении сельскохозяйственных животных и птиц трудно переоценить. Органический селен - прежде всего, природная форма этого элемента в виде различных органических компонентов, главным образом, аминокислоты селенометионина. Таким образом, его преимущества в основном определяются более эффективным использованием в рационе моногастричных животных. Однако у жвачных селенит натрия подвергается восстановлению с образованием элементарного селена, который не усваивается. Следовательно, широко применяемая практика инъекций селена для крупного рогатого скота - не что иное, как коррекция селенового статуса ветеринарами, поскольку специалисты по кормлению использовали неподходящую форму этого элемента.
Известно, что в процессе эволюции животных их пищеварительная система адаптировалась к природному селену, который поступал из корма в виде различных селено-аминокислот, главным образом, селенометионина. Например, в зерновых кормах (кукурузе, пшенице, сое) селенометионин представляет более 70% всего содержащегося в них селена. Технология производства селеновых дрожжей опирается на такую особенность растений как синтез селенометионина из неорганических форм селена, например из селенита натрия. Следует особо подчеркнуть, что сельскохозяйственные животные и птица (впрочем, как и человек) не способны синтезировать селенометионин, он должен поступать с пищей. При выращивании дрожжей серу в питательной среде замещают селеном (атомы этих двух элементов очень похожи). Таким образом, дрожжи синтезируют селенометионин, который является частью дрожжевого белка. После этого их отмывают от остатков селенита и высушивают. В сущности, полученные таким образом сухие дрожжи - источник органического селена, главным образом, в форме селенометионина.
Селенометионин как часть дрожжевого белка хорошо защищен от окисления, технологическая обработка кормов (гранулирование, экструзия и др.) не оказывает ощутимого влияния на содержание этого элемента или на его доступность, чего нельзя сказать о чистом селенометионине. При этом в желудочно-кишечном тракте нет существенных ограничений для использования селенометионина дрожжей. Кроме того, селенометионин способен создавать запасы селена накапливаться в организме, например в мышцах. Такие запасы повышают адаптационную способность животных. В условиях стресса, когда потребность в антиоксидантах, включая селен, возрастает, потребление корма и поступление селена снижается. Это критические периоды с точки зрения потери иммунокомпетентности, продуктивных и воспроизводительных качеств животных. Таким образом, использование органического селена в виде обогащенных селеном дрожжей позволяет предотвратить или уменьшить негативные последствия стрессов в условиях промышленного животноводства или птицеводства.
В последнее время появились убедительные доказательства того, что традиционно применяемая в рационах сельскохозяйственных животных и птицы форма селена (селенит натрия) имеет ряд существенных недостатков:
* обладает прооксидантными свойствами и при взаимодействии с другими прооксидантами может стать причиной различных проблем в желудочно-кишечном тракте, включая снижение всасывания питательных веществ и разрушение витамина Е,
* очень гигроскопична и способна адсорбировать воду из атмосферы, превращаясь в селеновую кислоту, которая легко испаряется и, естественно, пропадает из корма,
* вступает в реакции с различными восстановителями, например с аскорбиновой кислотой, и превращается в неусваивающийся элементарный селен,
* не образует запасов в организме, которые могли бы использоваться в стрессовых условиях, тем самым снижает адаптационную способность животных,
* очень электростатичен и способен «налипать» на лопасти смесителей, из-за чего распределяется в корме неравномерно, а при дозах порядка 0,1-0,3 частей на 1 млн - это существенная потеря,
* представляет собой пылеподобное вещество, которое легко проникает через кожу и может вызвать различные дерматиты (по этой причине в Японии ввели запрет на использование селенита натрия в комбикормовой промышленности).
Таким образом, применение природной формы селена - эффективный способ поддержания оптимального селенового статуса сельскохозяйственных животных и птицы, а, следовательно, их здоровья, продуктивных и репродуктивных характеристик. В научной литературе России и зарубежья за последние 10 лет накоплено достаточно научных доказательств того, что замена традиционного селенита натрия на органический селен в виде селеновых дрожжей (Сел-Плекс) в рационе маточного поголовья кур повышает оплодотворяемость, выводимость и жизнеспособность цыплят. У промышленного стада кур - улучшает качество скорлупы и яйценоскость, дольше поддерживает свежесть яиц. У бройлеров - повышает конверсию корма и качество мяса. Природный селен в рационе свиноматок полезен для иммунитета и жизнеспособности молодняка. В рационе растущих поросят - для повышения конверсии корма и качества мяса. Введение природного селена в рацион молочных и мясных коров взамен селенита натрия уменьшает количество соматических клеток в молоке, укрепляет иммунитет и, тем самым, снижает риск развития маститов, метритов и задержки последа, а также улучшает репродуктивные способности животных.
Учиться у природы
Интенсивное развитие современного животноводства и птицеводства с использованием высокопродуктивных пород и кроссов диктует новые требования к балансу питательных и биологически активных веществ. Традиционное использование неорганических минералов в составе премиксов сегодня пересматривается. При этом ведущие компании мира по производству птицы, свинины, говядины и молока все больше внимания уделяют применению защищенных форм микроэлементов и природного селена. Главное препятствие для широкого внедрения таких разработок - повышение цены премиксов. Однако сегодня качество кормов, премиксов и продуктов животноводства выходит на передний план. В связи с этим в ведущих странах мира крупнейшие компании по племенному птицеводству уже перешли на использование органического селена, а наиболее успешные производители свинины в Испании активно применяют Биоплексы вместо неорганических солей.
Следует признать, что среди ученых и практиков все еще нет единой точки зрения о будущем кормовой и пищевой индустрии. Иногда появляются публикации, ставящие под сомнение саму концепцию органических минералов. Это происходит из-за неосведомленности о результатах последних исследований. Безусловно, прогресс остановить невозможно и идея о том, что нужно учиться у природы завоевывает все больше поклонников. Действительно, животные в дикой природе получают микроэлементы главным образом в виде селенометионина (селен) или в виде различных комплексов меди, цинка, железа и марганца с аминокислотами, пептидами и другими органическими молекулами. Введение в премиксы неорганических минералов несколько десятилетий назад стало серьезным прорывом в науке о кормлении. Однако новая информация о механизмах всасывания и метаболизма микроэлементов в организме человека и животных так же, как и достижения в области биотехнологии производства природных минералов, позволяют предсказать, что в будущем применение их неорганических форм будет сведено к минимуму. Органические микроэлементы - природное решение проблемы минерального питания сельскохозяйственных животных и птицы и сегодня ему нет альтернативы.
Результаты последних исследований в области минерального питания доказывают, что природные микроэлементы в отличие от неорганических способны решить многие проблемы и принести большую пользу здоровью и продуктивности животных.