吡啶甲酸铬的应用

背景及概述^[1][2]

吡啶甲酸铬（Chromium Picolinate），别名吡啶羧酸铬、甲基吡啶铬。分子式：Cr（C6H4NO2）3，相对分子质量418.33，紫红色结晶性细小粉末，常温下稳定，微溶于水，不溶于乙醇。吡啶甲酸铬作为有机三价铬，对葡萄糖耐量因子（Glucose Tolerance Factor，GTF）的生物活性有重要意义，并被作为营养性添加剂广泛应用于食品和畜禽生产上。研究发现，吡啶甲酸铬可以降低血糖和血脂水平，缓解糖代谢和脂代谢紊乱的有关症状。在人的营养保健品上，吡啶甲酸铬已成为仅次于钙补充剂的第二大营养补充物质。在畜禽生产上，补充吡啶甲酸铬可以促进猪的生长和提高猪的瘦肉率，提高畜禽免疫力，增强机体抗应激能力，提高母畜繁殖力等。但自1995 年Stearns 等首次报道吡啶甲酸铬能够导致中国仓鼠的卵巢细胞畸变后，吡啶甲酸铬的安全性研究备受关注。

生物学功能^[2]

三价铬的生理功能主要是作为葡萄糖的耐量因子，胰岛素的活化剂，DNA 和RNA(核酸类)的稳定剂，影响机体内糖、脂、蛋白质和核酸的代谢，从而作用于机体的生殖生长和免疫。

1.铬与糖的代谢

机体内葡萄糖的耐量因子和胰岛素是维持血糖浓度平衡系统的两种重要活性物质，三价铬作为葡萄糖的耐量因子的组成成份，可通过激活胰岛素和细胞膜的二硫键活性，提高动物对葡萄糖的耐受量和胰岛素与其特异性受体相结合，刺激组织对葡萄糖的摄取，增加对葡萄糖的吸收。

2.与脂肪的代谢

铬对脂类代谢的主要作用是维持血液的正常胆固醇水平，影响脂肪和胆固醇在动物肝中的合成与清除，提高血液中高密度脂蛋白(HDL)的含量。

3.铬与应激、免疫

铬具有抗应激，提高机体免疫力的能力，应激可增加血清中皮质醇的含量，而糖皮质激素是抑制生长和免疫系统功能的类固醇，此外，应激使体内Zn 、Cu 、Fe 、M n 、Cr 等微量元素的额外损失加大，铬可通过降低机体血清皮质醇浓度，避免Zn 、Gu 、Fe 、M n 、Cr 等微量元素的额外损失，提高免疫球蛋白的含量和抗体滴度来增强动物的免疫力。

4.铬与繁殖

铬对猪的繁殖有显著影响，可明显提高初产母猪的产仔数。

5.吡啶甲酸铬在养殖业上应用

1）抗应激：集约化养殖的动物面临大量的应激，如营养应激，环境应激，免疫应激，代谢应激，应激会导致动物糖代谢、矿物质代谢发生改变，便糖元降

解和蛋白异生作用加强，葡萄糖利用的加强会导致组织铬增加，并最终排出体外，补铬可以降低因应激而导致的死亡率，改善内分泌，提高生产性能，减少其他矿物质元素的排泄。

2）可明显改善胴体品质：90 年代以来，在动物营养上，尤其是在猪营养上研究较多的铬来源主要是吡啶甲酸铬。在生长肥育猪饲料中，添加200 ×10^-9 无机铬(以CrCl3 .6H2O 形式供给)，未能改善猪生长和胴体组成，在生长育肥猪饲粮中添加200 ×10^{- 9} 有机铬明显提高了胴体品质，降低背膘厚，提高瘦肉率。

毒性研究^[1]

1.急性毒性

随机选取健康Wistar 大鼠30 只（体重180~200 g，雌雄各半）。用0.05%羧甲基纤维素钠配制染毒剂量为500 mg/mL的吡啶甲酸铬悬浊液灌胃，数小时后部分大鼠呈现精神抑郁，动作迟缓，24 h 内逐渐恢复正常，未出现死亡状况。吡啶甲酸铬对Wistar 大鼠的口服LD50 大于5 000 mg/kg BW，表明该物质毒性很低，使用安全。

2.亚慢性毒性

动物研究资料表明，吡啶甲酸铬口服毒性极低。给大鼠饲喂含有饲粮吡啶甲酸铬5，25，50 和100 !g·g- 1 20 周，观察吡啶甲酸铬的毒性。结果显示，在试验的7，14 和20 周，各组动物在体重、器官重量和临床生化指标方面差异性不显著。与对照组相比，饲粮中添加吡啶甲酸铬可使肝、肾中三价铬浓度升高，但对肝、肾组织形态学没有影响。据此，饲粮中吡啶甲酸铬达到100g/g时对大鼠无毒。

3.生殖毒性

研究发现，果蝇的培养基中梯度添加吡啶甲酸铬，能够明显降低果蝇后代的数量、成活率并延迟其羽化时间，甚至导致不育。在Wistar 大鼠日粮中添加吡啶甲酸铬200、20和2 mg·kg- 1，90 d 后，进行交配，受孕鼠继续饲喂含吡啶甲酸铬日粮，妊娠20 d 后处死，结果发现，死胎率，活胎率，吸收胎率和胎鼠均未受到显著影响，表明吡啶甲酸铬对Wistar 大鼠的生殖机能无明显影响，且各剂量组之间不存在明显的剂量- 反应关系。

4.致突变性

目前，有研究者报道吡啶甲酸铬在一定实验条件下能产生致突变作用。由此，吡啶甲酸铬的安全性受到质疑。在巨噬细胞（J774A.1）培养中，添加吡啶甲酸铬，发现了DNA碎片。向CHO细胞培养基中添加1mmol/L的吡啶甲酸铬，发现CHO 细胞的hprt 基因突变率是对照组的40 倍，是氯化铬致突变性的7 倍，由此推断，吡啶甲酸与铬的结合可能使铬的金属毒性强于其他形式的三价铬。更多的毒理学体内相关条件实验研究结果表明吡啶甲酸铬并不具有致突变性。NTP（NationalToxicology Program）对吡啶甲酸铬作了2 个Ames 细菌突变试验，结果显示，不管有无添加小鼠肝脏S9 代谢激活物，吡啶甲酸铬对TA1535、TA97、TA98、TA100、TA102、TA104 菌株均未产生突变作用。1996 年，我国军事医学科学院用Ames 法对吡啶甲酸铬胶囊进行测试，结果也是阴性。

5.生物蓄积性

吡啶甲酸铬慢性暴露引起的肝、肾蓄积可能超过某些毒性阈值，因而其潜在生物蓄积性问题备受关注。研究表明，补充吡啶甲酸铬5 年，人肝脏中的铬浓度能够达到13 mol·kg- 1。生物蓄积性尤其是肝、肾蓄积性的证据来源于动物实验研究和人体药代动力学模型。在吡啶甲酸铬慢性毒理学资料缺乏情况下，只能依赖于以前的长期动物毒性研究。

应用^[3]

吡啶甲酸是人和哺乳动物肝脏、肾脏内产生的氨基酸代谢产物，并大量存在于牛奶等食物中，其与Cr3＋紧密结合成稳定的化合物吡啶甲酸铬，可以被人体很好地吸收。因此吡啶甲酸铬是一种被卫生部所允许的、能添加到保健食品中的功效成分，是公认的理想的铬源补充剂，主要应用于医药、保健食品和饲料添加剂。

1.在医药保健食品上的应用

作为医药和保健食品添加剂，吡啶甲酸铬的主要功效：降糖减肥、强肌健体、增强免疫力。吡啶甲酸铬在国内现有文献中应用研究的报道很少。但是早在2003 年卫生部已经确定了保健食品中吡啶甲酸铬含量的测定方法。标准中明确吡啶甲酸铬可以功效成分添加于片剂或胶囊等保健食品中，对糖尿病患者有重要的辅助治疗作用。作为营养补充剂，在《营养素补充剂申报与评审规定》中三价铬每人每天最低摄入量15μg，最高摄入量150μg。吡啶甲酸铬作为铬源的矿物质化合物列在名单中。在发达国家如美国对吡啶甲酸铬的应用研究，主要着眼于糖尿病患者研究。引用Scrip 2004（2965）22 介绍表明，美国Nutrition 21 公司已经对吡啶甲酸铬进行了应用研究，发现作为胰岛素辅助因子补充剂，吡啶甲酸铬可用于治疗与胰岛素抵抗相关的疾病。该公司公布的数据还显示该补充剂可显著减轻非典型抑郁症患者的嗜糖癖好，这种癖好是非典型抑郁症的一种典型症状。在为期8 周的双盲研究中113 例患者随机接受吡啶甲酸铬（400μg/d，2周，随后600μg/d，6 周）或安慰剂。结果显示尽管与基线相比两组均有显著改善，但在改善嗜糖癖好、体重改变、强迫性思想和拒绝敏感等方面治疗组明显好于安慰剂组。

2.作为饲料添加剂的应用

吡啶甲酸铬的应用研究最多还是作为饲料添加剂在畜禽业上的研究。目前，畜禽对铬的需要量还没有具体的标准，一般应用的添加剂量为10^－6 级。现有的试验研究表明添加吡啶甲酸铬对畜禽可表现出较好的应用效果：促进动物的生长，改善畜产品品质，特别是酮体品质，提高母畜的繁殖性能，增加产仔数，使内分泌系统功能完善，增强机体的免疫力及抗应激能力。在猪的肥育饲粮中补加200μg/kg吡啶甲酸铬，可明显改善胴体品质和提高瘦肉率，降低背膘厚度，结果与β-兴奋剂相似但不如注射生长激素的效果。补铬可以提高猪内源生长激素的浓度。将吡啶甲酸铬、烟酸铬、酵母铬分别以0.2mg/kg的浓度添加到生长育肥猪饲料中，结果显示，这3 种有机铬对生长肥育猪的日增重、料重比的差异显著。现在一般认为：为了提高猪胴体品质时，在肥育期最后的6～9 周添加铬，而添加的剂量以200μg/kg为佳。研究发现在3 周龄肉鸡日粮中添加0.2mg/kg吡啶羧酸铬可增加酮体蛋白质含量和减少脂肪含量。研究表明，日粮中添加800μg/kg有机铬（吡啶甲酸铬），可使56d 龄肉鸡体重、日增重、饲料转化率分别提高7.5％、11.9％、6.5％，表明给饲养于高温条件（30～35℃）下的肉鸡补铬可提高增重和饲料转化率。在对照组基础上添加0.25mg/kg吡啶羧酸铬、0.50mg/kg吡啶羧酸铬、0.25mg/kg柠檬酸铬、0.50mg·kg－1 柠檬酸铬。试验分为2 个阶段：生长前期（1～28d 龄），生长期（29～42d 龄）。生长期，与对照组相比，仅0.50 mg/kg吡啶羧酸铬显著提高了日增重，降低了料重比，从全期来看具有相同的结果。与对照组相比，0.50 mg/kg柠檬酸铬和0.50mg/kg吡啶羧酸铬都显著提高了肉鸡生长前期的腿肌率，对生长期无显著效果。吡啶甲酸铬的研究主要集中在常见的饲养动物，在反刍动物上用有机铬的研究以牛居多，并且主要研究其抗应激及提高免疫力的作用。至于在其他数量较少的动物上的研究陆续也有报道，但远没有在猪鸡上的研究深入，许多实践问题还有待以后的探讨。

制备 ^[3]

吡啶甲酸铬的研究概述及其应用进展

吡啶甲酸铬一般是由甲基吡啶氧化成吡啶甲酸，再与三价铬化合物络合而成。目前甲基吡啶氧化的方法很多，主要有：

1.化学氧化法

化学氧化法包括高锰酸钾、臭氧和硝酸作氧化剂氧化。不少厂家是将2-甲基吡啶溶于水，激烈搅拌下分批加入高锰酸钾等氧化剂，之后加盐酸调pH 值，再用苯提取，产品收率65％。通过添加相转移催化剂和冰醋酸提取剂等改进方法，使得反应产率提高15％以上，2-吡啶甲酸的收率达82.37％。使用化学氧化法生产吡啶甲酸，成本高，生产中会产生大量废液，污染环境；氧化剂在酸、碱条件下对设备腐蚀，发达国家已经逐渐淘汰。臭氧氧化法对设备无腐蚀，三废少，收率较高，缺点是需要特殊的臭氧发生器，难以大规模生产。

2.微生物发酵氧化法

利用微生物细菌发酵作用，可以将杂环上的甲基氧化成羧基。在玫红球菌sP·

NS156 的存在下，于30℃发酵230h，甲基吡啶在相同条件下发酵，吡啶甲酸的产率能达到90％以上。微生物发酵制备吡啶甲酸，条件温和，成本低，转化率高，不污染环境。但是，其生产周期过长，规模化生产具有一定困难。

3.气相氧化法

气相氧化法是将甲基吡啶在300～450℃ 变成蒸气，再与氨气、水蒸汽、空气或者氧气混合经过催化剂层，氧化生成吡啶甲腈，吡啶甲腈控制水解生成吡啶甲酰胺和吡啶甲酸。气相氧化法温度高，能源消耗大，反应难于控制，容易产生焦油和有害气体，催化剂对原料要求纯度高。

4.电解氧化法

电解氧化制备吡啶甲酸是在有隔膜的电解槽的阳极进行。电解质、隔膜很重要，而电极导电性与耐腐蚀性影响电解效率和电极寿命，这两方面的影响直到20 世纪80 年代才得到解决。以平板网状PbO2 /Ti（1cm×2.5cm）为阳极，Ni 板（1cm×3cm）为阴极，阳极室和阴极室用国产CM-001 质子交换膜隔开，饱和KCl 甘汞电极为参比电极，通过鲁金毛细管与阳极相连，阳极液为2-甲基吡啶和H2SO4的水溶液，阴极液为10％NaOH 水溶液，电解氧化2-甲基吡啶，选择性达96.88％。对于选择性来说，电解反应的条件应该是：40℃，1.0mol/LH2SO4，0.5mol/L 2-甲基吡啶和阳极电位1.95V。电解氧化法具有条件温和，生产成本低，三废少的优点，是今后化工发展的方向之一。

主要参考资料

[1]  郭亮, 张敏红. 吡啶甲酸铬的毒理学安全性研究进展[J]. 饲料博览: 技术版, 2008 (5): 22-24.

[2] 李敏, 郭书明, 袁宝清, 等. 吡啶甲酸铬的生物学作用及其应用[J]. 河南畜牧兽医, 1999, 20099(9): 20.

[3] 李致宝, 韦少平, 夏中生, 等. 吡啶甲酸铬的研究概述及其应用进展[J]. 化工技术与开发, 2011, 40(7): 11-14.