曹 杰，刘亮，李宁，任丽娜
（建明（中国）科技有限公司，广东 珠海 519040）
铬（Cr）作为一种金属元素，其原子量为51.996，密度为7.20 g·cm-3，熔点为（1 857±20）℃，沸点为672℃。在动物体内存在的主要形式为Cr、Cr2+、Cr3+、Cr6+。价态越高，其氧化性能就越高，在空气中Cr2+很不稳定，会迅速发生氧化转化为Cr3+；
Cr6+能够与氧结合形成具有很强氧化性的铬酸盐或者重铬酸盐；
在酸性溶液中很容易发生还原反应，转化为Cr3+；
Cr3+是所有铬元素中最稳定的一种氧化态，也是生物体中最常见的一种铬元素存在形式。1954年发现，大鼠补铬能够增强其肝脏合成脂肪酸以及胆固醇的能力，研究者随后提出铬可能是动物体必需的一种微量元素。随后开展试验分离出葡萄糖耐受因子（GTF），表明其中含有铬，从而证明铬是影响胰岛素发挥功能所必需的元素之一。GTF能够促进受体和胰岛素之间的结合，从而促进胰岛素对动物体内糖（碳水化合物）的代谢能力，同时还证明铬是胰岛素能够促进脂肪代谢所必需的物质[1]。
添加在饲料中的铬有两种形式：无机铬和有机铬，铬的吸收与其价态及化学形式有很大关系，无机铬在动物体内的吸收率非常有限，为0.4%～3%；
有机铬的吸收效率更高，可达到25%～30%，并且有机铬的生物学效应更高。研究表明丙酸铬的吸收效率比其他的有机铬更高[2]，这是由于有机微量元素吸收率的高低取决于其配体的种类和螯合程度，如图1，美国食品药品监督管理局（FDA）认定的丙酸铬分子式为[Cr3(O)(CH3CH2CO2)6(H2O)3]CH3CH2CO2，分子量为737.534，这种由3个铬跟7个丙酸螯合形成复杂螯合结构的丙酸铬，其分子量大、螯合率高，可避免复杂环境和微生物的影响，并且减少了与其他微量元素之间的拮抗和干扰，在小肠中释放出来后到血液中发挥作用，不会在机体中富集。
图1 丙酸铬独特的分子式结构
丙酸铬的生物学功能是能够通过Cr3+构成GTF来增强胰岛素的功能，从而对动物体的糖脂代谢、蛋白质及核酸代谢产生影响[3]。
1.1 丙酸铬对糖代谢的影响
丙酸铬是组成GTF的重要成分，能够促进受体和胰岛素之间的结合，而且作为低分子量铬结合物（LMWCr）中的Cr3+可扩增胰岛素的信号，增强胰岛素的功能，进而促进葡萄糖向细胞膜的输送、转运效率，降低动物的血糖浓度[4]。J.Heimbach等[5]研究指出，铬对于胰岛素功能的改善可能有两种途径：（1）激活受体细胞膜与胰岛素间的二硫键，进而增强特异变体与胰岛素之间的结合力；
（2）铬的存在使细胞膜表面的胰岛素受体数量增多，因此组织对胰岛素的敏感度增强，提高组织细胞摄取葡萄糖的效率，脂肪组织吸收的葡萄糖效率增加，减少体内脂肪分解[6]。
体外分子试验结果表明，细胞内存在的Cr3+能提升胰岛素受体上酪氨酸残基磷酸化水平，增强胰岛素信号传递到下游的效果[7]；
蛋白免疫印迹技术研究发现Cr3+也能够加速葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）的转膜速率，增加机体对葡萄糖的摄入[8]；
荧光定量技术研究发现铬能够增强细胞胰岛素受体IR、葡萄糖转运基因GLUT等的表达水平，能够加快血糖在体内的转移效率[9]。也有报道发现丙酸铬通过增强糖原合成酶的活性来提高糖原合成。将丙酸铬外源加入到胰岛素含量低的犊牛日粮中，能够使犊牛的血糖代谢速率维持稳定，这也证明了丙酸铬在犊牛上能提高其血糖代谢速率[10]。
1.2 丙酸铬对脂肪代谢的影响
在脂肪的体内代谢过程中，丙酸铬起的主要功能是调节胆固醇平衡，从而影响动物肝脏中胆固醇和脂肪的清除和合成[11]。促进脂肪的重新分配，降低体内总胆固醇以及血清三酰甘油的含量，提高动物体内血清中高密度脂蛋白胆固醇的含量，从而降低脂肪在体内的沉积[12]。丙酸铬能够消除在主动脉上已经沉积的胆固醇，同时还有助于减少沉积的胆固醇数量，因此有助于预防动脉粥样硬化的发生，增强动物体脂肪组织的脂肪分解代谢并显著抑制脂肪合成代谢[13]。
研究表明，丙酸铬影响动物脂肪代谢的因素主要包括：（1）增强胰岛素功能和活性，调节和影响脂类代谢，从而使高血脂状况得到缓解；
（2）增强肝脏内皮细胞酶（HEL）以及血浆卵磷脂胆固醇-酰基转移酶（LCAT）的活性，增强骨骼肌和心脏脂肪等组织上脂蛋白酶（LPL）的功能，促进动物体生成更多高密度脂蛋白（HDL）；
（3）通过对体内胆固醇代谢的影响以及调节各种脂蛋白的比例和含量，进而对脂肪蓄积进行调节和改善[14]。Wang M.Q.等[15]向猪日粮中加入200 μg·kg-1的丙酸铬复合制剂，发现猪血清脂肪酶活性和HDL的浓度显著提高，并且血清中的胆固醇含量和三酰甘油含量显著降低。
1.3 丙酸铬对蛋白质及核酸代谢的影响
胰岛素功能被丙酸铬增强以后，氨基酸进入胞内的效率同时被促进，进而增强蛋白质转录和合成。此外，丙酸铬有助于血液中的胰岛素运转到周围组织，肌肉细胞增强其对胰岛素的内化作用，加快葡萄糖吸收，促进组织贮存更多的氨基酸（如蛋氨酸、丝氨酸以及甘氨酸），加强肝脏细胞利用上述氨基酸合成蛋白质的能力[16]。研究发现，鸡补充丙酸铬能提高其日粮中蛋白质利用率，同时降低氮的排泄率[17]。
研究证明，丙酸铬影响蛋白质代谢的可能机制有：（1）启动并激活受体细胞膜和胰岛素间的二硫键连接，促进葡萄糖和氨基酸等营养物质进入胞内，在生长激素和类胰岛素样生长因子等多因子的作用下促进动物体内的蛋白质合成代谢；
（2）丙酸铬进入体内后与细胞染色体核仁的DNA相结合，增加DNA启动点数量，促进蛋白质的合成[18]。
核酸中铬含量较高时，有助于核酸结构的完整性和稳定性维持。在铬的保护下，RNA能免受热变性，同时铬主要在核仁中积累，能促进RNA合成后的后加工过程，再加工为rRNA[19]。
1.4 丙酸铬对免疫功能的影响
通过改善和调节机体pH，丙酸铬能维持血液中渗透压的稳定，平衡血液中胆固醇水平，从而保证动物体的生理功能得以正常发挥。皮质醇是应激反应中肾上腺产生的一种激素，对体内抗体产生抑制作用，同时对淋巴细胞功能也有抑制，进而对免疫过程的多环节产生抑制。研究证实，补充丙酸铬能提高动物应激时血清中免疫球蛋白水平，降低血清皮质醇浓度，提高抗体效价[20]。在山羊日粮中补充丙酸铬0.5 mg·d-1，其淋巴细胞数和白细胞数等百分比增多，同时增快了外周血淋巴细胞的增殖速度[21]。运输应激状况下，丙酸铬的添加可使公牛血液中中性粒细胞百分率和白细胞总数增加[22]。在虹鳟日粮中添加丙酸铬使头肾巨噬细胞的溶菌酶含量、吞噬能力和呼吸爆发活力得以提高[23]。
作为营养素，丙酸铬最早在畜禽方面进行研究，而作为饲料添加剂，丙酸铬当前的适用范围包括猪、奶牛、家禽。研究表明在畜禽上使用丙酸铬可促进其生长，尤其是促进糖类等营养物质的利用，同时能改善动物的体成分组成，并且提高动物的抗应激能力和增强免疫能力[14,24-27]。近年丙酸铬在水产养殖上的研究也取得了一些成果，特别是在鱼类上的研究。研究表明，丙酸铬能改变糖类等营养物质的沉积和利用方向，对水产动物的免疫、繁殖、生长以及胴体品质产生影响，可降低应激反应，强化动物体的免疫功能，提高生长和生产性能。目前已证实丙酸铬等有机铬可以促进鲤鱼[28]、草鱼[29]、鲫鱼[30]、罗非鱼[31]、大黄鱼[32]、武昌鱼[33]、牙鲆[34]、团头鲂[35]、虹鳟[23]、三文鱼[36]、河蟹[37]和凡纳滨对虾[38]等水产动物的生长和饲料利用率。
2.1 提升水产动物糖利用率
糖(碳水化合物)是饲料原料中最廉价的能量物质，如能使用糖代替部分饲料中的蛋白质，则有节约蛋白质的效果，从而可以降低饲料中蛋白质的含量，不仅节约配方成本，而且能对蛋白质和渔业资源形成有效保护，因为该举措能降低养殖过程中氨氮、亚硝酸盐的排放，减少对水体环境的污染。
但水产动物对糖的利用能力低，被认为是“葡萄糖不耐受”体质。当配方中糖含量过高时，有可能引发机体持续的高血糖，从而使其代谢、生理功能发生紊乱[39]。研究发现，Cr3+可促进水产动物对不同种类糖的利用效率，增强水产动物对葡萄糖的耐受性[40]，能抑制糖异生并提高鲤鱼对葡萄糖的利用效率[41]。在草鱼饲料中添加不同浓度梯度的丙酸铬，随着丙酸铬剂量的增加，草鱼的蛋白质效率（PER）、特定生产率（SGR）也随之升高，0.4 mg·kg-1剂量时PER和SGR达到最高值，此时的饲料系数却是最小值；
血清总胆固醇（TC）的含量随丙酸铬剂量的增加而降低（0.8 mg·kg-1添加水平时达到最低值）；
此外，0.8 mg·kg-1剂量时草鱼的肥满度显著增高，内脏指数降低[42]。在三种不同种类的糖（葡萄糖、糊精和淀粉）作为糖源的鲫鱼饲料中添加Cr3+，发现葡萄糖组的血糖浓度显著降低，淀粉组的血糖浓度也受到一些影响[30]。
在用淀粉和葡萄糖作为糖源的罗非鱼饲料中添加不同来源的铬，发现Cr3+会抑制糖异生过程中葡萄糖-6-磷酸酶的活性，而糖酵解途径中磷酸果糖激酶的活性在葡萄糖组中显著增加。同时肝脏糖原的含量显著增高，这表明Cr3+能促进动物更好地合成糖原，并延缓葡萄糖吸收高峰的来临[43]。在含淀粉和葡萄糖的日粮中添加有机铬，并连续8周投喂奥尼罗非鱼鱼种，结果表明，有机铬组的特定生长率（SGR）、饲料效率（FCR）都显著优于对照组，说明在罗非鱼上使用有机铬能显著改善其对葡萄糖的利用[31]。在奥尼罗非鱼日粮中添加不同浓度的烟酸铬，然后灌服葡萄糖并检测其血糖含量，结果烟酸铬组血糖浓度的升高被显著抑制了[44]。使用分子生物学技术手段研究添加酵母铬（Cr-Y）、吡啶羧酸铬（Cr-Pic）在尼罗罗非鱼饲料中的作用，发现两者均能降低血糖，影响体组织中营养物质构成，并有提高鱼体生长的趋势。此外，有机铬能显著增强尼罗罗非鱼葡萄糖转运基因GLUT的表达[45]。
2.2 促进水产动物生长
饲料中添加丙酸铬可提高鱼的生长速度，降低饵料系数。用含铬的饲料喂养1龄鲤鱼65 d发现铬饲喂组的鱼粪粗蛋白为12.79%，粗脂肪为2.01%，均低于对照组（对照组鱼粪的粗蛋白和粗脂肪含量分别为15.60%和2.48%）。3月龄鲤鱼饲喂30 d的研究结果与之类似，说明有机铬可改善鲤鱼对蛋白质、脂肪等营养物质的消化吸收，进而促进鲤鱼的生长[28]。对饲喂高葡萄糖（35%）饲料的鲤鱼，Cr3+在促进生长、提高饲料利用以及糖利用能力方面具有明显的效果。添加吡啶羧酸铬（CrPic）和蛋氨酸铬（CrMet）能显著提高鲤的增重率（WGR）、特定生长率（SGR）、饲料效率（FCR）以及蛋白质效率（PER）；
显著增加全鱼脂肪含量；
显著提高肌糖原含量；
CrPic、CrMet显著降低肝胰脏糖异生途径磷酸烯醇式丙酮酸激酶(PEPCK）活性。同时CrMet组的肝糖原显著提高；
CrMet还显著降低血清三酰甘油和总胆固醇含量；
添加CrMet还显著提高鱼体胰岛素、胰岛素受体、生长激素含量；
显著降低血清葡萄糖和皮质醇含量；
显著提高肝胰脏糖酵解途径丙酮酸激酶（PK）、己糖激酶（HK）活性[46]。在1龄鲤饲料中添加0.5 mg·kg-1铬饲喂鲤鱼65 d后，其相对生长率（RGR）比对照组高13.79%，饲料转化率（FCR）改善21.83%[47]。
饲料中添加吡啶羧酸铬可提高奥尼罗非鱼的生长和饲料利用率[31]。在团头鲂的饲料中添加不同水平吡啶甲酸铬表明：随着添加量的增加，团头鲂的尾增重率（TWGR）、瞬间生长率（IGR）、绝对生长率（AGR）和相对生长率（RGR）等指标均增长，饵料系数（FCR）则显著下降[35]。烟酸铬、蛋氨酸铬和甘氨酸铬添加量为1.7 mg·kg-1均能提高奥尼罗非鱼的长速并且改善饲料系数FCR[48]。凡纳滨对虾饲料中添加1.6 mg·kg-1的吡啶甲酸铬能显著提升其成活率SR、特定生长率SGR以及增重率WGR，而饵料系数FCR显著降低[49]。
2.3 提高水产动物抗应激能力和免疫功能
罗非鱼饲料中添加Cr3+后能减少血浆中皮质醇的浓度，缓解应激[50]。丙酸铬能明显提高罗非鱼的抗应激能力，通过模拟罗非鱼运输过程中应激指标的变化，发现对照组血清肌酸激酶（CK）活性明显提高，血糖浓度也明显提高；
但随着外源添加丙酸铬，各罗非鱼试验组的血糖浓度增幅均显著低于对照组；
模拟研究结束后，各组的肌酸激酶（CK）和血糖浓度的增量均呈下降趋势，罗非鱼对照组血清中肌酸激酶（CK）的活性比模拟运输前增加了20.31 U·L-1，而添加200 μg·kg-1丙酸铬的试验组只增加了8.47 U·L-1，说明在应激条件下使用丙酸铬能够显著改善机体的抗应激力[51]。在鲤鱼饲料中添加酵母铬，显著提高了鲤鱼运输后的成活率[52]。李洪霞等[53]发现添加有机铬可以显著提升罗非鱼的生长，改善饲料利用率（FCR）和抗冷应激能力。在受热应激刺激下的建鲤饲料中添加有机铬，增强了建鲤的抗热应激能力，并且热应激状况下建鲤的PER、WGR以及肌肉粗蛋白含量均有提高[54]。在虹鳟饲料中按照1 540、2 340和4 110 μg·kg-1的浓度添加酵母铬，发现虹鳟幼鱼血清中溶菌酶含量以及呼吸爆发水平显著提高，并且吞噬细胞的吞噬作用得到增强[23]。适量添加铬可显著提高凡纳滨对虾血清中酚氧化物酶、超氧化物歧化酶、碱性磷酸酶、谷丙转氨酶和谷草转氨酶的活性[49]。
吉富罗非鱼饲粮中添加有机铬0～0.8 mg·kg-1时，随着添加浓度的提升，肝脏的碱性磷酸酶活性显著增加；
而当有机铬的添加量提升到1.2～10.0 mg·kg-1时，肝脏的碱性磷酸酶活性却显著下降；
并且外源添加铬的量为0.8 mg·kg-1时肝脏溶菌酶活性显著上升；
外源铬添加浓度为1.2 mg·kg-1时碱性磷酸酶活性显著上升[55]。SRBC作为抗原接种奥尼罗非鱼，并在其日粮中添加Cr3+发现，添加铬试验组的罗非鱼的抗SRBC抗体效价在初次和二次免疫后都显著上升，而且能维持较长时间[56]。
鱼体中的铬主要以Cr3+和Cr6+形式存在，Cr3+能加强糖代谢，促进动物生长，提高免疫力和抗应激能力。Cr3+对水体环境不会造成影响，但过量添加Cr3+对水生动物生长却有负作用。
据报道，Cr3+的促生长剂量在鲤鱼饲料中的应用浓度应低于2 mg·kg-1。当使用量为2 mg·kg-1时，30 d时鲤鱼的生长速度减缓，40 d时甚至会发生负生长；
当使用量为5 mg·kg-1时，生长速度减缓和负生长的情况分别缩减至20 d和30 d时发生[47]。水中总铬浓度为24 μg·L-1和54 μg·L-1时，大鳞大马哈幼鱼（Oncorhynchus tshawytscha）暴露105 d，其成活率、生长速度都未受影响，继续将水中总铬浓度提高到120 μg·L-1以上，大鳞大马哈幼鱼的成活率和生长速度都明显下降。肾脏是铬作用的靶器官，鱼的肾脏暴露在高浓度的铬环境中，肉眼和显微镜下能够观察到病变的发生（如肾小管内壁细胞坏死），脂质过氧化产物上升。血液中DNA的变异也与脾肾的病理变化有关。这些研究表明铬积累并最终影响脂质过氧化途径，导致DNA损伤（表现为染色体变化），最终使组织损伤和细胞死亡[57]。无机铬作为普遍存在于水体中的一种污染物，是导致我国地下水和土壤受污染的重要原因。其中Cr6+具有潜在的致癌性，会对水体环境造成污染。水体中Cr6+排放量最多的是生产含铬（Ⅵ）废物的企业，通过管道将含铬（Ⅵ）废水排放到水环境中是导致铬残留和重金属超标的主要原因。在我国，由含铬（Ⅵ）废物排放造成的地下水和土壤受污染的比例高达20%。排放物中含有Cr6+废物的企业数量众多，这些含铬（Ⅵ）排放物会影响海洋、河口、江河以及湖泊中重金属铬残留，而且在水生生物中也存在铬残留现象。
细胞内大分子与渗入细胞后的Cr6+相互结合，使遗传密码改变，从而使细胞发生突变和癌变，具有潜在的致癌性[58]。研究表明，Cr6+危害金鱼的主要原因是对肝细胞产生毒性，损害肝细胞，该毒性的强弱依赖铬浓度刺激下产生活性氧的多少[59]。Cr6+对虹鳟的油脂过氧化反应、细胞形态、超氧化物歧化酶（SOD）活性、金属硫蛋白（MT）水平和生长速度等都有影响。机体中肝脏组织对适应Cr6+毒性的方面起重要的作用，鳃却对Cr6+的毒性比较敏感[60]。Cr6+剂量较低时对草鱼有诱导效应，能够短暂的、不同程度地影响肝脏谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化物质的活性；
随着Cr6+剂量的增大，GSHPx和SOD的活性变低，动物体抗氧化系统功能受到损伤[61]。研究表明，动物体内Cr6+转化为Cr3+发挥毒理作用是通过在机体内形成活性氧，并引发油脂发生过氧化反应，同时增加抗氧化酶系的活性，进而激活氧化胁迫应答的适应性反应[62]。
对象山港重点养殖区内重金属含量的调查表明，水体中总铬的含量很少，达到一类海水水质标准，但是主港区和邻近分区水体的铬含量较高。同时发现东海10个重点河口港湾中象山港的重金属数值是偏高的[63]。东海隘顽湾海域的4个养殖区中，水体表层沉积物的总铬含量平均为82.97 μg·L-1，区间值为64.46～105.88 μg·g-1，各区的含铬量差异显著[64]。武汉墨水湖中铬浓度为1.71 μg·L-1，湖中鲢鱼的铬含量为0.353 μg·g-1，但湖底沉积物的重金属污染严重，总铬浓度为213 mg·kg-1，是42 mg·kg-1的环境背景和生态效应临界值（TEL值）的5倍，是160 mg·kg-1生态效应必然浓度值（PEL值）的1.3倍[65]。
铬作为人和动物必需微量元素，也能促进水产动物的生长，改善免疫功能和提升抗应激能力。但肉食性鱼类（鳜鲈等）对淀粉等糖类耐受性差，淀粉等糖类使用量过高时会影响TOR通路，从而引起厌食、肝脏脂肪蓄积和生长的减缓等。而丙酸铬能提高糖利用率，增强组织对葡萄糖的吸收和转运效率；
同时能够增强脂肪分解并显著地抑制脂肪合成，从而降低脂肪在机体中的沉积。这些研究对提高糖类在水产动物特别是肉食性鱼类饲料配方中的占比、降低鱼粉用量具有重要的启发和价值。但需挖掘其作用机制，关注其在不同品种和不同水体中的使用方式和安全浓度。