铁在动物体内的含量约为30~70 mg· kg^-1, 不同组织器官铁含量不同, 含量较丰富的组织器官包括血液、肝脏、脾脏和骨髓等。血红蛋白是动物机体中铁的最主要存在形式, 60%~70%的铁元素分布在血红蛋白中, 2%~20%的铁元素分布在肌红蛋白中, 剩余的铁以铁蛋白(转铁蛋白、乳铁蛋白等)、血铁黄素和各种酶、细胞色素等形式存在, 极少数铁以二价或三价铁离子的形态存在。细胞内部的色素铁含量约占1%, 动物体内各种酶及运载体的铁含量约为1%。

肠道对铁的吸收十分低效, 常介于5%~15%之间。消化道对铁吸收的能力排序依次为:十二指肠> 回肠> 小肠中段> 胃^[2]。除肠道吸收外, 机体保证铁供应的另一途径是巨噬细胞对铁的回收利用。进入肠道细胞内的铁离子结合铁伴侣蛋白被运送到需铁部位, 或肠道细胞基底膜内侧表面, 以便再次跨膜运输。血液中铁膜铁转运蛋白(Ferroportin 1)或血浆铜蓝蛋白氧化成三价形态, 并形成转铁蛋白结合铁(Transferrin binding iron)^[3]进行运输。近年, 铁代谢中一种包含Mobilferrin蛋白的mf2整合素铁转运途径被发现。

动物的种类、年龄、健康状况、肠道pH、肠道生理状况等会直接影响铁的吸收, 例如二价铁与氢离子偶联转运, 因而酸性环境有利于铁的吸收。动物体内铁稳态机制的存在, 使动物自身的铁含量也成为影响铁吸收的因素, 铁的存在形态及饲料因素也会影响动物对铁的吸收, 血红素铁吸收效率高于非血红素铁, 植物源的铁容易与植物抗营养因子结合沉淀, 吸收率偏低, 例如植酸、草酸、单宁等能通过减少铁的溶解性抑制吸收^[4], 饲料中高含量的铜、锌、锰、碘、氟等会通过竞争载体, 抑制铁的吸收^[5], 柠檬酸、乳酸、氨基酸等物质则会促进铁元素的吸收^[6], 这主要是因为他们能与铁发生螯合, 以氨基酸或有机酸的吸收方式被肠道吸收, 从而避免与别的金属离子竞争载体。

铁是血红素中与氧气结合的部位。血红蛋白含有4个血红素分子, 参与机体氧气和二氧化碳的运输; 肌红蛋白仅有1个结合血红素的珠蛋白, 起储存和分配氧气的作用。因此, 为动物补铁可以提高血红蛋白含量, 在哺乳母猪的日粮中添加适量的硫酸盐亚铁和硫酸铜, 可以防治哺乳仔猪的贫血症。

铁参与生物体内多种酶的组成, 对生物新陈代谢起不可替代的作用。铁是神经递质合成酶的重要辅酶^[7], 也可以保障磷元素在DNA合成中的供应, 从而保障蛋白质的合成^[8]。此外, 多种氧化还原酶、细胞色素、乌头酸酶、DNA修复酶等蛋白都含有铁元素, 在线粒体呼吸和DNA的合成与修复中都有铁元素的参与。三羧酸循环中, 有近一半的酶和蛋白因子依赖其铁元素发挥功能, 胶原蛋白、脂肪酸、碘的代谢也都与铁相关^[9]。

铁不但对免疫细胞的增殖及特异性免疫应答的产生十分重要^[10], 还可以通过增强白细胞的吞噬能力, 从而加强动物的抵抗力^{[11, 12]}。转铁蛋白等不少含铁蛋白具有免疫方面的额外功能。乳铁蛋白可在肠道中将铁离子结合成复合物, 减少病菌对其利用, 还可以与溶菌酶协同作用, 或直接结合细菌的细胞壁, 改变细胞壁性状, 从而抑制细菌。

研究显示, 铁蛋白具有抗氧化的生理功能^[13]。虽然铁是生物体内过氧化物酶、超氧化物歧化酶等多种抗氧化酶的催化中心, 但同时过量的铁会通过芬顿或哈勃-威斯反应催化有毒氧中间体的产生。因此, 铁在抗氧化上具有双重的作用。

新生动物的缺铁现象十分普遍, 缺铁是发生贫血的主要原因^[14]。当体内循环的血红蛋白和红细胞数量减少, 血红蛋白含量低于0.07 g· mL^-1时, 仔猪便处于缺铁状态。缺铁性贫血被认为是家畜严重的铁异常病。铁的缺乏会对免疫功能产生影响, 导致T淋巴细胞数量下降, 细胞免疫功能减弱, 同时影响体液免疫、非特异性免疫。早期缺铁, 还会使脑海马背侧的脑源性营养因子的分布及比例发生改变^[15], 影响仔猪大脑发育。生产上, 动物缺铁会导致嗜睡、呼吸加快、皮肤苍白、毛发粗乱、精神萎靡、食欲减退、生长减慢等各种不良症状, 并导致死亡率增加^[16]。成年猪缺铁, 还会导致烦躁不安、疲乏、心跳加速等症状。

铁能通过非酶促反应, 产生有毒的芬顿反应中间体, 破坏维生素、脂肪等营养物质, 还能导致质膜和核酸的氧化损害, 致使肝细胞坏死, 导致幼龄动物中毒^[17]。高浓度铁会导致血色素沉着症等疾病; 刺激并导致肠道黏膜损伤^[18], 引起胃脘痛、腹泻和便秘等症状^[19]; 抑制动物对锌、镁等元素的吸收^[20], 致使动物铜代谢的紊乱。研究显示, 高铁处理下, 小鼠肝脏铁代谢相关基因增加, 铜代谢紊乱, 出现缺铜症状^[21]。高铁还会导致个别动物心肌肥大、血清和组织铜消耗、血清铜蓝蛋白下降等^[22]。铁是细菌合成DNA所必须的营养成分。过多补铁会加快细菌的繁殖, 威胁动物健康。在早期缺铁婴儿的研究中显示, 注射右旋葡萄糖酸酐或900 mg每天食物补铁, 会导致革兰氏阴性菌脓毒症提高4倍^[16]。铁的过量添加, 会导致粪便中铁元素过高, 对环境造成重金属污染, 影响畜牧业的可持续发展。

目前铁补剂的发展大致经历了3个阶段, 第1代铁补剂是指铁的无机盐, 包括硫酸亚铁、氯化亚铁等。第2代铁补剂是柠檬酸铁、富马酸铁等有机铁, 相较于第1代铁补剂, 具有更好的生物学效价, 有机铁的使用, 提升了动物对铁的吸收率^[23]。第3代铁补剂即所谓的氨基酸螯合铁。铁通过2个以上的键与配位体形成的内络合铁即为螯合铁^[24]。氨基酸螯合铁相较于前2种铁补剂具有多种优势。按照配位氨基酸的不同, 一般可将氨基酸螯合铁分为单一氨基酸螯合铁和复合氨基酸螯合铁, 目前以赖氨酸铁、甘氨酸铁、蛋氨酸铁等单一氨基酸铁的研究最为常见, 在畜牧应用上取得了良好效果, 复合氨基酸螯合铁通常由蛋白水解物与铁元素螯合而来, 生产相对简单, 畜牧上运用更加广泛^[25]。

4.2.1 生物利用率高

氨基酸螯合铁可以减少抗营养因子和其他金属离子对铁吸收的抑制作用。铁元素在动物体内多以螯合态发挥功能, 氨基酸螯合铁吸收后, 可以直接运往特定部位发挥功能, 减少了中间步骤, 因而氨基酸螯合铁相对于无机铁具有更高的生物利用率。Henry等^[26]研究表明, 氨基酸螯合铁或蛋白类的铁, 相较于硫酸亚铁具有125%~185%的生物学效价。邵建华等^[27]研究显示, 氨基酸螯合铁的吸收速率可以达到硫酸亚铁的3~5倍。Kegley等^[28]分别给仔猪补饲甲硫氨酸螯合铁和硫酸亚铁, 发现甲硫氨酸螯合铁相对于硫酸亚铁的生物学效价为180%。而甘氨酸螯合铁生物利用率可以达到一水硫酸亚铁的2倍^[29]。

4.2.2 亲子传递性

氨基酸螯合铁相比于无机铁补剂, 不但具有更高的利用率, 还具有良好的传递性。研究显示, 氨基酸螯合铁相比于无机铁更容易穿过胎盘屏障, 进入胚胎。饲喂氨基酸螯合铁, 可以增加通过胎盘进入胚胎的铁的量, 因此可以更好的将铁传递给后代。

4.2.3 副作用少

过多补铁不利于动物健康, 粪便高浓度铁残留还会污染环境。氨基酸螯合铁的适口性、生物效价要强于无机铁。与此同时, 动物对氨基酸螯合铁具有更高的耐受性, 减少了铁对动物的副作用。氨基酸螯合铁的吸收, 会根据动物饮食需要而调节, 使动物可以高效的吸收铁元素但不至于铁过量^[11]。此外, 由于氨基酸螯合铁较高的生物效价, 其饲料铁添加量较无机铁更低, 粪铁残余量也更低。因此可以减少铁元素的排放, 减轻环境重金属污染的压力。

由于铁在胎盘的转移效率低下, 母乳铁含量不足, 仔猪出生时体内铁含量低, 缺铁性贫血在仔猪阶段十分常见^[30]。氨基酸螯合铁运用于仔猪补铁效果显著, 单独添加或和硫酸亚铁合用氨基酸螯合铁, 可以显著提升仔猪的生长性能, 降低料重比, 且效果优于硫酸亚铁^{[31, 32]}。

母猪体内的铁含量较低, 会对母乳及仔猪中的铁含量造成影响, 导致仔猪的铁营养状况较差。采用营养策略, 提高母猪的铁含量, 不但会增强母猪体质, 还会使铁通过胎血屏障、乳汁、粪便等传递给仔猪^[33], 有利于改善仔猪的铁营养状态。黄国清等^[34]研究显示, 与硫酸亚铁相比, 甲硫氨酸铁能使母猪的初次配种成功率提高7.2%, 死胎率降低2.1%。Wang等^[35]、Li等^[36]等研究中, 氨基酸螯合铁分别提升了母猪和仔猪的铁营养状况及生产性能。

占海昱、詹康等^{[37, 38]}发现, 甲硫氨酸或复合氨基酸螯合铁提升了生长猪的日增重并降低了料重比; 冯国强、杜秀平等^{[39, 40]}研究发现, 氨基酸螯合铁提升了家禽的免疫性能; 唐圣国、曹盛丰等^{[41, 42]}研究中, 氨基酸螯合铁提升了鸡蛋的含铁量; 祈艳霞等^[43]发现, 氨基酸螯合铁可以提高鹌鹑的产蛋率和蛋料比。

氨基酸螯合铁是3代铁补剂中最新的1代, 但铁补剂的发展也有别的思路。采用包被的方式处理铁源物质, 可以提高动物对铁的吸收效率, 减少铁补剂的异味^[44], 防止动物的食欲下降。常用于铁源物质包被的材料包括海藻酸钠凝胶^[45]、植物油、脂肪酸、乳液聚合甘油^[46]、纤维素衍生聚合物及混合在乳胶中的碳水化合物等。利用生物铁蛋白也是提高铁补剂生物效价的方法。以硫酸亚铁为仔猪日粮唯一铁源添加剂, 并补饲以5、10、15 mg· kg^-1的来源于围沙蚕并表达于大肠杆菌和芽孢杆菌的重组铁蛋白。结果显示, 在试验15~42 d, 日采食量随着重组蛋白浓度线性增长; 在29~42 d, 10 mg· kg^-1的添加量使日增重和饲料转化率显著提高, 表观干物质消化率显著增加, 血清铁、血红蛋白和铁蛋白等线性增加^[47]。

氨基酸螯合铁本身也在不断创新。混合配位体螯合物, 是指不同配位体与螯合中心螯合, 形成的络合物。理论上, 2种及以上的氨基酸络合物比单一氨基酸络合物具有更高的溶解性与生物效价^[48]。合理设计的混合配位体的氨基酸螯合铁或络合铁可能成为铁补剂发展的新方向。此外, 多肽螯合铁、多糖铁等大分子螯合物铁等多种铁补剂的研究也取得了进展。