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      飼料嘔吐毒素脫毒方法研究進展

      2014-01-27 00:18:00徐子偉
      浙江農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年9期
      關(guān)鍵詞:霉菌吸附劑毒素

      萬 晶,鄧 波,吳 杰,徐子偉*

      (1.浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江金華 321004;2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所,浙江杭州 310021)

      飼料嘔吐毒素脫毒方法研究進展

      萬 晶1,2,鄧 波2,吳 杰1,2,徐子偉2*

      (1.浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江金華 321004;2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所,浙江杭州 310021)

      嘔吐毒素(deoxynivalenol,DON)是谷物中常見的一種真菌毒素,動物攝入含DON的飼糧會產(chǎn)生一系列毒性反應(yīng),因此常用吸附劑吸附、生物降解、營養(yǎng)調(diào)控等方法進行DON脫毒和改善DON對動物體的不利影響。本文從吸附劑吸附、毒素生物降解和動物體營養(yǎng)調(diào)控3方面綜述飼料DON脫毒方法的研究進展,并對DON脫毒方法的應(yīng)用前景進行探討。

      嘔吐毒素;吸附劑;生物降解;營養(yǎng)調(diào)控

      嘔吐毒素(脫氧雪腐鐮刀菌烯醇,deoxynivalenol,DON)是一種B型單端孢霉烯族毒素,主要由鐮刀菌在田間產(chǎn)生。DON污染飼糧的情況十分普遍,歐洲4 000例的送檢樣品中,57%的樣品檢出DON,且含量91~5000μg·kg-1[1]。中國飼料及原料中DON污染情況同樣嚴(yán)重,百奧明公司2012年上半年中國飼料及原料霉菌毒素污染情況的調(diào)查報告顯示,送檢玉米及副產(chǎn)品的DON陽性檢出率高達93%,小麥中DON陽性檢出率為90%,豬料和禽料中DON陽性率分別為96 %和95%[2]。特別值得注意的是,由于飼料加工工藝無法破壞DON,且在玉米加工過程中存在毒素濃縮效應(yīng),隨著玉米酒糟蛋白飼料、玉米蛋白粉等玉米加工副產(chǎn)品在飼料中的添加量越來越大,造成其中DON超標(biāo)更加嚴(yán)重[3]。

      動物食用DON污染飼糧會造成胃腸道功能紊亂,如嘔吐、腹瀉、拒食,造成動物生產(chǎn)性能下降,高劑量的DON會導(dǎo)致動物免疫抑制從而發(fā)生循環(huán)性休克甚至死亡。對1968-2010年報道的試驗數(shù)據(jù)進行整合分析發(fā)現(xiàn),嘔吐毒素污染組較對照組,豬食量下降了26%,增重下降了26%[4]。不同物種對DON的耐受性不同,豬腸道能夠吸收多達55%的DON,而家禽腸道對DON的吸收量極為有限,僅為5%~20%。由于家禽的消化道較豬的短,食物在消化道中停留的時間較短,且其對DON的口服生物利用率較低,這些都導(dǎo)致豬對DON的敏感程度遠遠高于家禽[5]。

      飼料及原料中DON污染廣泛、陽性率高,且其對畜禽生產(chǎn)會產(chǎn)生一定的負面影響,DON的脫毒處理也日益受到人們的重視。DON具有較強的熱抵抗力和耐酸性,可溶于水和極性溶劑,常規(guī)的飼料加工工藝無法去除飼料中的DON。目前,飼料中霉菌毒素的解決方案有毒素的脫毒處理(包括吸附劑吸附和生物降解)和從營養(yǎng)調(diào)控角度減少毒素的毒害作用2個途徑。本文將從吸附劑吸附、毒素生物降解和動物體營養(yǎng)調(diào)控來綜述DON的脫毒方法。

      1 吸附劑吸附

      在飼料中添加毒素吸附劑是目前畜禽生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的毒素脫毒方法[6]。吸附劑在動物體內(nèi)與毒素結(jié)合形成復(fù)合體,使毒素經(jīng)過消化道時不被動物體吸收并隨吸附劑排出體外,從而降低毒素的生物學(xué)效應(yīng),減少腸道對毒素的吸收和血液中毒素濃度,并且減少靶器官中毒素含量。

      霉菌毒素吸附劑種類繁多,根據(jù)其組分的不同可分為硅鋁酸鹽類、活性炭類和其他生物材料(包括酵母細胞壁類、植物纖維類、乳酸菌類,以及高分子化合物等)[7]。

      吸附劑對毒素的吸附性與其材料的物理結(jié)構(gòu)(孔徑大小、表面積、總?cè)萘俊㈦姾煞植迹┖退蕉舅氐奶匦裕O性、溶解性、化學(xué)結(jié)構(gòu)、電荷分布)有關(guān)。

      硅鋁酸鹽礦物質(zhì)是最常被用作制作霉菌毒素吸附劑的一類物質(zhì)。其主要包括頁狀硅鋁酸鹽,如膨潤土、蒙脫土、高嶺土、伊利石和層狀硅鋁酸鹽沸石。其吸附原理是基于較大的比表面積和親水性的負電荷表面,同時由于其結(jié)構(gòu)中存在大量的天然納米微孔,存在同質(zhì)取代現(xiàn)象,層間帶有大量可交換陽離子,適于吸附具有極性基團的霉菌毒素如黃曲霉毒素。由于DON所帶基團極性較弱,且親電性差,硅鋁酸鹽類吸附劑較難通過電荷吸附的方式與之結(jié)合[8]。天然硅鋁酸鹽吸附劑對DON的吸附受pH影響,僅在pH值3.0時可少量吸附DON,且吸附率根據(jù)礦物質(zhì)的不同最高僅為50%[9]。研究者嘗試運用包括有機改性法、酸活化法和負載絡(luò)合物法等方法對硅鋁酸鹽進行改性,期待提高其對低極性霉菌毒素的吸附能力[10],但效果并不明顯。吳延兵[11]研究發(fā)現(xiàn),改性非金屬礦物吸附劑對嘔吐毒素的平衡吸附量和吸附率分別比改性前有顯著降低,對硅鋁酸鹽進行有機陰離子改性和將不同種類的硅鋁酸鹽進行配比也無法改變其對DON的低吸附性[12]。

      活性碳是最早被使用的毒素吸附劑材料[7]?;钚蕴渴且环N具有高比表面積的多孔不溶性粉末狀物質(zhì),可與多種有害藥物和化學(xué)物質(zhì)進行吸附。活性炭的比表面積一般可達500~2000 m2·kg-1,較高的比表面積提高了其對有害物質(zhì)的吸附能力。活性炭對DON的吸附不受pH影響,且不同結(jié)構(gòu)可影響其對DON的吸附性能?;钚蕴繉ON的吸附具有飽和性,隨著毒素濃度增加,活性炭對其結(jié)合力下降。對IPEC-J2細胞的研究發(fā)現(xiàn),活性碳在DON濃度為0.5和1 mg·kg-1的情況下均能有效吸附DON,且能完全消除DON對IPEC-J2細胞的細胞毒性[13]。但由于活性炭的選擇吸附能力較差,在吸附毒素的同時也會對飼料中的維生素等營養(yǎng)物質(zhì)進行吸附,被飼料中的某些營養(yǎng)成分所飽和而失去了對真菌毒素的吸附能力。在運用活性炭作為吸附劑材料時應(yīng)充分考慮其利弊,合理利用。

      生物類吸附劑,包括酵母細胞壁物質(zhì)和植物纖維(如蘋果纖維、微縮植物纖維等),是近期研究的熱點。酵母細胞壁上存在多糖、蛋白質(zhì)和脂類,這些物質(zhì)可通過氫鍵、離子鍵和疏水作用力等對霉菌毒素產(chǎn)生吸附作用。大量研究發(fā)現(xiàn),酵母細胞壁物質(zhì)-改性葡甘露聚糖對嘔吐毒素的吸附效果很差。聚合葡甘露聚糖(GMA)是從酵母細胞壁中提取出的一種富含β-葡聚糖的混合物,可增強動物體免疫功能。D?nicke等[13]研究發(fā)現(xiàn),GMA對于緩解DON對仔豬的負面影響無效果。植物纖維類產(chǎn)品主要由谷物(包括大麥、小麥、燕麥等)纖維、蘋果纖維、竹纖維等構(gòu)成,其中含有豐富的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,其具有微孔結(jié)構(gòu),可將毒素吸附在其微孔結(jié)構(gòu)中。研究發(fā)現(xiàn)小麥纖維可減少赭曲霉毒素對動物體的不利影響[14],但通過體外研究發(fā)現(xiàn)谷物纖維和蘋果纖維對DON的吸附率不到2%。

      另外,包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、消膽胺在內(nèi)的高分子材料也被用于毒素吸附劑的制作上。PVP是一種不溶性高分子極性多孔性良性化合物,具有極強的脫霉菌毒素效果。消膽胺是一種季銨鹽陰離子交換樹脂,其吸附性與其離子交換功能有關(guān)。但是研究發(fā)現(xiàn)這2種高分子材料對DON的吸附率極低[15]。腐殖酸類物質(zhì)是動植物體腐解后形成的一種天然有機高分子化合物,其具有較大的內(nèi)表面積,較強的吸附、交換、絡(luò)合和螯合能力。近期有研究發(fā)現(xiàn)腐殖質(zhì)可有效吸附DON[12],但是進行動物試驗結(jié)果顯示,飼料中添加腐殖質(zhì),并不能降低動物血液中DON的含量,提示腐殖質(zhì)并不是一種有效的DON吸附劑[16]。

      目前,市面上成熟的吸附劑產(chǎn)品種類繁多,對其進行體外吸附試驗發(fā)現(xiàn),對DON的吸附效果均不理想[7]。雖然體外吸附效果并不能代表體內(nèi)的作用效果,但Beaulieu等在斷奶仔豬上檢測了8種市售吸附劑對斷奶仔豬的保護作用發(fā)現(xiàn),其均未能改善飼糧中DON對斷奶仔豬生產(chǎn)的負面影響。國內(nèi)外對吸附劑材料和種類進行大量研究發(fā)現(xiàn),對DON具有較好吸附效果的吸附劑較少。如何利用特定吸附材料對DON的高效吸附性,使其與其他材料通過物、化結(jié)合或是進行配比制備出一種吸附劑,既能高效吸附DON,又能減少對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,同時不影響食物的口感。目前歐盟還不允許使用吸附劑來解決飼料中毒素污染的問題,但針對中國畜禽生產(chǎn)的現(xiàn)狀,吸附劑的研究仍是十分必要的。

      2 生物降解

      DON的主要毒性基團是C-12,13環(huán)氧環(huán)和C3-OH基團,其可以與核糖體結(jié)合,造成核糖體毒性壓力效應(yīng),激活多種蛋白激酶,調(diào)節(jié)基因表達,抑制蛋白合成并產(chǎn)生細胞毒性[17],這3個基團是DON生物降解的主要研究位點。DON的生物降解包括毒素分子的去環(huán)氧化、脫乙酰、羥化、水解和糖苷化[18],微生物通過釋放胞外酶,作用于DON并將其轉(zhuǎn)化為低毒的化合物。目前發(fā)現(xiàn)的微生物對DON生物降解主要包括2大類:好氧菌將DON氧化成3-酮-DON,同時生成3-epi DON;瘤胃或腸道厭氧菌將DON轉(zhuǎn)化為去環(huán)氧化合物DOM-1[19]。

      對DON具有降解作用的好氧菌主要存在于感染赤霉病的土壤及作物中。微生物通過加氫甲?;饔脤ON C3-OH基團氧化為酮基,生成毒性較弱的3-酮基-DON[20]。研究發(fā)現(xiàn),在有氧環(huán)境下,土壤中的類諾昔氏菌屬(Nocardioides)和德沃斯氏菌屬(Devosia)可將DON轉(zhuǎn)化為3-keto-DON和3-epi DON,從而降低DON的毒性[21]。He等[22]從土壤中分離到可將DON轉(zhuǎn)化為3-keto-DON的細菌混合物。徐建宏等[23]用富集馴化培養(yǎng)的方法從感染赤霉病的土壤和小麥中分離出單一德沃斯氏菌DDS-1,將其添加到DON含量為25 mg· L-1的飼料中,DDS-1對DON的降解率可達75.47%。進一步研究發(fā)現(xiàn),DSS-1首先把DON氧化成3-AC-DON,再通過產(chǎn)生3-AC-DON氧化酶將3-AC-DON氧化為3-keto-DON。該酶可降解小麥中58.11%的DON和68.39%的3-AC-DON[24]。

      厭氧微生物對DON的降解多發(fā)生在動物胃腸道內(nèi),可將DON轉(zhuǎn)化為去環(huán)氧環(huán)化合物DOM-1。通過BrdU(5-溴脫氧尿嘧啶)合成摻入法研究發(fā)現(xiàn),DOM-1對DNA的毒性僅為DON的1/55,是目前DON生物降解得到的毒性最低的產(chǎn)物[20]。相關(guān)研究已在鯰魚、雞腸道和牛瘤胃胃液中分離出可將DON降解為DOM-1的厭氧菌。關(guān)舒等從鯰魚腸道內(nèi)容物中分離并純化了4株厭氧菌,其混合物C133可有效的將DON降解為DOM-1[25]。值得注意的是,某些厭氧菌可在有氧環(huán)境下存活,并在動物體內(nèi)無氧環(huán)境中將DON降解為DOM-1,有效改善DON污染飼料對動物生產(chǎn)的不利影響。Li等[26]的研究證明了這點,在DON污染飼糧(DON含量為5μg·g-1)中添加芽孢桿菌LS100(Bacillus sp.LS100),添加LS100的飼糧組斷奶仔豬生產(chǎn)性能與DON未污染飼料組生產(chǎn)性能無差異,說明LS100可改善DON對斷奶仔豬生產(chǎn)的不利影響。可從瘤胃內(nèi)容物中分離并提純出對DON進行轉(zhuǎn)化脫毒的菌株BBSH797。Biom in GmbH公司將其開發(fā)為可降低禽料和豬飼料中DON的產(chǎn)品Mycofix,其宣稱可降低DON對母豬、奶牛的不利影響,作用機制可能是提高了奶牛瘤胃微生物的活性[20]。但對該產(chǎn)品的評價表明,其在豬或家禽體內(nèi)的解毒作用不理想,原因可能是該微生物來源于瘤胃,不適合在豬和家禽體內(nèi)生長[27]。這也提示我們,在尋求生物降解法來解決DON的道路上,不僅要分離并純化出能高效降解DON的微生物或微生物釋放的酶,還應(yīng)該尋找調(diào)控解毒酶產(chǎn)生的基因,并將其克隆到生物反應(yīng)器中進行高效表達,同時應(yīng)注意在動物體中可否適應(yīng)體內(nèi)環(huán)境,發(fā)揮解毒活性。

      3 營養(yǎng)調(diào)控

      鑒于上述2種脫毒方法存在的問題,近年來對于毒素對動物體毒性作用的控制,逐漸轉(zhuǎn)向通過營養(yǎng)調(diào)控這一方式來進行。通過營養(yǎng)調(diào)控的手段,可增加動物體的免疫力,保護靶器官,從而降低動物對毒素的易感性。氨基酸調(diào)控被大量使用在DON毒性的控制中。蛋氨酸是一種可保護肝臟功能的氨基酸,具有抗氧化性與抗毒性,在飼料中添加蛋氨酸可最大程度的減少毒素對于動物生產(chǎn)的不利影響。同時,當(dāng)DON污染飼料中每增加1個可消化單位(蛋氨酸添加量/動物代謝體重,g·kg-1)的蛋氨酸,動物日增重可增加1.2 g[28]。在動物僅通過飼料攝入DON時,其吸收的蛋氨酸量與其日增重具有極強的相關(guān)性[4,29]。谷氨酸是一種重要的功能性氨基酸,谷氨酸的代謝為腸道功能和結(jié)構(gòu)的完整性提供大量的能量,谷氨酸也可形成谷胱甘肽參與動物體內(nèi)解毒過程,谷氨酸也是谷氨酰胺的必須前體,其可通過合成谷氨酰胺來產(chǎn)生免疫和營養(yǎng)雙重調(diào)節(jié)的作用。研究發(fā)現(xiàn)在嘔吐毒素污染飼料中添加2%的谷氨酸,可緩解提高斷奶仔豬的生長性能并緩解DON對斷奶仔豬所產(chǎn)生的腸道應(yīng)激作用[29]。在飼料中添加其他功能性氨基酸如天冬氨酸、精氨酸、賴氨酸對于緩解嘔吐毒素對生長肥育豬產(chǎn)生的不利影響有一定的緩解作用[30]。

      近年來,抗菌肽在動物生產(chǎn)中的研究越發(fā)深入,抗菌肽主要成分為可參與動物體非特異性免疫的小分子氨基酸,可增強動物體的免疫力。Xiao等[31-32]將主要成分的乳鐵蛋白肽、植物防御素和活性酵母的復(fù)合抗菌肽作用于受DON影響的斷奶仔豬上發(fā)現(xiàn),該復(fù)合抗菌肽可以有效改善DON對斷奶仔豬生產(chǎn)性能、自身免疫力和腸道功能的不利影響,說明抗菌肽在解決DON對動物不利影響的問題上有一定的作用。

      4 DON脫毒方法應(yīng)用前景

      由于飼料中DON污染情況十分普遍,飼料DON脫毒方法的研究仍是今后研究的重點。在飼料中添加霉菌毒素吸附劑是最為廣泛使用的毒素脫毒方法,但由于其僅對毒素進行簡單螯合,并未使毒素降解成其他低毒產(chǎn)物,經(jīng)動物體排出后會在土壤中重新分解出來造成二次污染,因此并非是毒素脫毒的最佳策略。隨著DON毒性機制的逐漸認(rèn)識,進一步研究DON的降解及毒性的減輕和弱化,通過篩選出具有高效降解DON的降解菌并將其產(chǎn)生的酶進行大量表達,以期將生物降解的方法應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。同時應(yīng)考量生物降解法對飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的影響,尋求既能降解毒素又對飼料營養(yǎng)物質(zhì)造成最小損失的方法。營養(yǎng)調(diào)控的方法則是從動物體自身的角度來解決霉菌毒素問題,通過提高動物體自身的機能從而增加其對毒素的耐受力。如何將營養(yǎng)調(diào)控和生物降解的方法有機結(jié)合,逐步替代吸附劑應(yīng)用于生產(chǎn)中,是未來研究必須解決的問題。

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      (責(zé)任編輯:吳益?zhèn)ィ?/p>

      S 816

      A

      0528-9017(2014)09-1450-04

      2014-07-15

      國家生豬產(chǎn)業(yè)體系項目(CARS-36-09B);國家科技支撐計劃課題(2012BAD39B03-04)

      萬 晶(1989-),女,湖北黃岡人,碩士研究生,研究方向為動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)。E-mail:connie99@live.com。

      徐子偉,研究員,博士生導(dǎo)師。E-mail:xzwfyz@sina.com。

      文獻著錄格式:萬晶,鄧波,吳杰,等.飼料嘔吐毒素脫毒方法研究進展[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(9):1450-1454.

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