氧化鋅替代品研究進(jìn)展

陳婷婷，王 曼，敖 翔，付洋洋，周建川

（四川鐵騎力士集團(tuán)馮光德實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610200）

近年來(lái)，規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)廣泛采用仔豬早期斷奶技術(shù)以提高母豬的繁殖效益。但是早期斷奶帶來(lái)了各種應(yīng)激，加上仔豬未發(fā)育完善的免疫及消化系統(tǒng)，導(dǎo)致仔豬斷奶后腹瀉現(xiàn)象普遍，生長(zhǎng)停滯，發(fā)病率及死亡率上升。在禁抗之前，養(yǎng)殖場(chǎng)大量使用抗生素來(lái)解決仔豬腹瀉等問(wèn)題，但是由此帶來(lái)的耐藥性及抗生素殘留給人類帶來(lái)了潛在的危險(xiǎn)。當(dāng)前，我國(guó)飼料行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入無(wú)抗時(shí)代，抗生素在飼料中被取締。隨之而來(lái)亟需解決的就是仔豬腹瀉增加、死亡率上升等問(wèn)題。氧化鋅由于其降低腹瀉率、提高免疫力、促生長(zhǎng)等作用在生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用，但是隨著用量的增加，仔豬被毛凌亂、皮膚蒼白以及環(huán)境污染等弊端開始出現(xiàn)。因此氧化鋅替代品的研究也逐漸被提上日程。

1 氧化鋅的作用

氧化鋅在仔豬斷奶后早期應(yīng)用比較普遍[1-3]。藥理劑量的氧化鋅能夠有效控制仔豬斷奶腹瀉，促進(jìn)生長(zhǎng)。除此之外，氧化鋅還能增強(qiáng)腸道屏障功能[4]、調(diào)控腸道微生物[5]、提升機(jī)體免疫功能[6]。

有研究報(bào)道，氧化鋅是防治仔豬腹瀉最有效的手段之一。早在1995年就有研究發(fā)現(xiàn)，給斷奶仔豬用高劑量的氧化鋅（2～4 kg/t）可以防治腹瀉[7]。氧化鋅表面的活性氧具有多種形式，包括羥基自由基、超氧陰離子、單態(tài)氧、過(guò)氧化氫等，這讓氧化鋅具有較強(qiáng)的抗菌活性[8]，可抑制病原菌生長(zhǎng)，防治病理性腹瀉[9]。研究表明，氧化鋅對(duì)大腸桿菌及金黃色葡萄球菌具有較好的抑制作用[9-10]。王飛等（2007）在21 d斷奶仔豬飼糧中添加不同水平的氧化鋅，發(fā)現(xiàn)氧化鋅添加量在1 800～3 400 mg/kg時(shí)，能顯著降低仔豬腹瀉率，提高仔豬增重和采食。進(jìn)一步檢測(cè)血清免疫球蛋白，發(fā)現(xiàn)氧化鋅能顯著提高仔豬血清IgG、IgM、IgA含量，提高仔豬免疫功能[11]。梁彥英（2011）給斷奶仔豬飼喂高銅高鋅飼糧，發(fā)現(xiàn)能在一定程度上提高斷奶仔豬日增重和日采食量，降低料重比[12]。劉軍（2011）研究發(fā)現(xiàn)，高蛋白質(zhì)飼糧容易造成仔豬嚴(yán)重腹瀉，而在高蛋白質(zhì)飼糧的基礎(chǔ)上添加高劑量氧化鋅能夠大幅度降低腹瀉程度，探究機(jī)理發(fā)現(xiàn)這與炎癥細(xì)胞因子水平有關(guān)。鋅通過(guò)抑制Th2細(xì)胞因子的分泌，抑制炎癥反應(yīng)；同時(shí)提高血清和免疫器官中Th1因子水平，以此來(lái)提高仔豬免疫功能，減少仔豬腹瀉，提高生長(zhǎng)性能[13]。除此之外，氧化鋅還能調(diào)控腸道微生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)腸道屏障功能。斷奶仔豬飼糧中添加2 kg/t的氧化鋅能提高腸道絨毛高度，提高絨毛高度/隱窩深度比例，增強(qiáng)黏膜屏障完整性和形態(tài)；同時(shí)降低腸道梭菌和大腸桿菌等有害微生物含量，改善腸道菌群環(huán)境[14]。采用體外發(fā)酵及微生物代謝試驗(yàn)研究氧化鋅對(duì)斷奶仔豬糞便中腸道微生物的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧化鋅對(duì)腸道菌群環(huán)境的改善，尤其是對(duì)大腸桿菌的影響在斷奶后前兩周就開始發(fā)揮作用[15]。Shen等（2014）發(fā)現(xiàn)，氧化鋅能上調(diào)胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGF-1）、閉合蛋白（occludin）等mRNA表達(dá)，促進(jìn)腸道黏膜免疫球蛋白IgA分泌，增強(qiáng)腸道機(jī)械屏障和免疫功能[16]。

2 氧化鋅的危害

盡管氧化鋅對(duì)仔豬腹瀉具有明顯的防治效果，對(duì)仔豬生長(zhǎng)性能有促進(jìn)作用，但是高劑量的氧化鋅并不能被仔豬吸收，反而通過(guò)糞便、尿液甚至被毛等途徑排放到環(huán)境中，對(duì)環(huán)境造成了很大威脅[17]。當(dāng)土壤中的鋅含量超過(guò)120 mg/kg后，土地將不再有耕地價(jià)值；甚至當(dāng)過(guò)量鋅從動(dòng)物體內(nèi)排出后，進(jìn)入地下水體，會(huì)對(duì)人類健康產(chǎn)生潛在危害[18]。另一方面，長(zhǎng)時(shí)間高劑量的飼喂氧化鋅不僅對(duì)仔豬生長(zhǎng)無(wú)益，反而會(huì)降低仔豬對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，降低養(yǎng)分消化率。Meyer等（2002）評(píng)價(jià)斷奶仔豬飼糧中添加氧化鋅對(duì)糞便中鋅及其他礦物質(zhì)排泄的影響，發(fā)現(xiàn)高劑量的氧化鋅（2 000～3 000 mg/kg）顯著提高了鋅、鐵、銅和錳的排泄量，同時(shí)降低了氮、磷、鐵、銅的吸收率，降低干物質(zhì)消化率[19]。長(zhǎng)期使用高劑量鋅會(huì)抑制動(dòng)物免疫器官脾臟和胸腺的發(fā)育[20]，或造成器官增生腫大[12]，降低動(dòng)物免疫力。隨著對(duì)氧化鋅在環(huán)境及畜牧業(yè)中負(fù)面作用的深入認(rèn)識(shí)，歐洲、美國(guó)、加拿大、日本等紛紛對(duì)飼糧中鋅的限量作出了規(guī)定。2017年，我國(guó)農(nóng)業(yè)部第2625號(hào)公告對(duì)《飼料添加劑安全使用規(guī)范》進(jìn)行了修訂，明確指出僅限仔豬斷奶后前兩周的特定階段，允許使用的氧化鋅或堿式氧化鋅限量1 600 mg/kg（以鋅元素計(jì)）；仔豬（≤25 kg）全價(jià)料中鋅的最高限量為110 mg/kg。因此，尋找優(yōu)質(zhì)高效的氧化鋅替代品成為當(dāng)前備受關(guān)注的研究方向。

3 氧化鋅替代途徑

在養(yǎng)殖生產(chǎn)中，使用高劑量氧化鋅的原因是氧化鋅在酸性環(huán)境下大部分溶解在胃中，只有少量的不溶性鋅能夠到達(dá)腸道發(fā)揮作用[21]。因此，科研工作者對(duì)提高氧化鋅利用率及尋找相近功效的替代品等進(jìn)行了不同方向的研究：1）提高動(dòng)物機(jī)體鋅元素的生物利用度，比如使用有機(jī)鋅、螯合鋅等；2）對(duì)氧化鋅進(jìn)行包被處理，避免氧化鋅在過(guò)胃時(shí)被胃酸中和；3）增加氧化鋅顆粒的表面積，提高氧化鋅發(fā)揮作用的效率，如納米氧化鋅、多孔氧化鋅及改性修飾氧化鋅；4）使用具有氧化鋅相似效果的替代品，如單寧酸、五倍子等。

3.1 有機(jī)鋅在仔豬上的應(yīng)用效果

有機(jī)鋅包括蛋白鋅、氨基酸螯合鋅及多糖鋅等。常見的氨基酸螯合鋅包括蛋氨酸螯合鋅、甘氨酸螯合鋅、賴氨酸螯合鋅、丙氨酸螯合鋅等。常見的多糖鋅包括葡萄糖鋅、殼聚糖鋅等。與無(wú)機(jī)鋅相比，有機(jī)鋅具有適口性好、穩(wěn)定性高、生物利用率高等優(yōu)勢(shì)。Wang等（2010）[22]研究發(fā)現(xiàn)，飼喂100 mg/kg甘氨酸螯合鋅的斷奶仔豬與飼喂3 000 mg/kg氧化鋅的仔豬具有相近的生長(zhǎng)性能，且甘氨酸螯合鋅顯著降低糞便中鋅的排放。有研究報(bào)道，飼喂2 000 mg/kg的蛋氨酸鋅與等量氧化鋅的仔豬相比，肝臟和血漿中鋅的濃度均提高，這說(shuō)明有機(jī)鋅生物利用度高的原因可能是鋅在血漿和軟組織中沉積率較高[23]。有機(jī)鋅不僅能為動(dòng)物補(bǔ)充需要的鋅，同時(shí)發(fā)揮與其螯合的有機(jī)物的生理功能，比如氨基酸、多糖、寡糖等。因此，除了發(fā)揮防腹瀉、促生長(zhǎng)的作用外，螯合鋅還能提高動(dòng)物免疫功能[24]、抗氧化功能[25]、改善腸道健康[26]及增強(qiáng)繁殖性能[27]。賈玉川等（2019）[28]在斷奶仔豬飼糧中復(fù)合添加蛋氨酸鋅和維生素A，發(fā)現(xiàn)仔豬小腸前端形態(tài)明顯改善，二糖酶活性顯著提高。飼喂肉仔雞甘氨酸螯合鋅，發(fā)現(xiàn)與硫酸鋅相比，30 mg/kg的甘氨酸鋅能顯著提高腸道黏蛋白MUC2和IgA含量，更有利于維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)[29]。多糖螯合鋅能激活機(jī)體Nrf2/ARE抗氧化通路，啟動(dòng)抗氧化酶表達(dá)[30]，提高斷奶仔豬肝臟中總抗（T-AOC）、超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GSH-Px）活性[31]。除此之外，有機(jī)鋅還能改善動(dòng)物繁殖性能。唐曉琳對(duì)老鼠的研究發(fā)現(xiàn)，殼寡糖螯合鋅能顯著提高雄鼠睪丸指數(shù)和精子活率，改善雌鼠卵巢、子宮等繁殖器官形態(tài)結(jié)構(gòu)[27]。然而有機(jī)鋅并不是添加劑量越高，促生長(zhǎng)效果越好。氨基酸螯合鋅通過(guò)對(duì)機(jī)體氨基酸及鋅元素的雙重營(yíng)養(yǎng)供給促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)，但是由于兩者都受到相應(yīng)轉(zhuǎn)運(yùn)載體的限制，所以當(dāng)有機(jī)鋅的劑量滿足動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)需求后，再提高添加量并沒有明顯的劑量效應(yīng)。另外有機(jī)鋅的成本較無(wú)機(jī)鋅高，所以有機(jī)鋅和無(wú)機(jī)鋅搭配使用的飼喂效果可能優(yōu)于單一使用[32]。

3.2 包被氧化鋅在仔豬上的應(yīng)用效果

將氧化鋅進(jìn)行包被處理能有效降低氧化鋅在胃中的解離速度，防止氧化鋅在胃中被酸解離成鋅離子，使到達(dá)腸道的有效成分增加，從而高效發(fā)揮作用。研究表明，氧化鋅在仔豬胃內(nèi)4 h就能解離50%以上，而包被氧化鋅4 h解離比例僅為5%左右，直到腸道中，包被氧化鋅才逐漸釋放，在腸道發(fā)揮抗腹瀉效果[33]。Xin等（2018）[34]對(duì)斷奶仔豬的研究發(fā)現(xiàn)，添加低劑量包膜氧化鋅（500～1 000 mg/kg）與添加藥理學(xué)水平的常規(guī)氧化鋅（2 500 mg/kg）在促進(jìn)斷奶仔豬生長(zhǎng)、緩解斷奶后腹瀉、改善小腸形態(tài)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率方面效果相同。此外，與2 500 mg/kg的常規(guī)氧化鋅相比，低劑量的包膜氧化鋅減少了排泄到糞便中的鋅量。朱宇旌等（2015）[35]報(bào)道，2 400 mg/kg的包被氧化鋅替代同等劑量的普通氧化鋅，能有效提高仔豬日增重、日采食量，降低料重比和腹瀉率，有效抑制大腸桿菌的繁殖，提高有益菌數(shù)量。另一個(gè)在斷奶仔豬上的研究也發(fā)現(xiàn)，用1 000 mg/kg的包被氧化鋅替代普通氧化鋅，能有效增加日采食量（32 g）和日增重（69 g），降低料重比，一定程度上降低糞便評(píng)分[36]。同時(shí)，也有研究發(fā)現(xiàn)，包被氧化鋅在超過(guò)一定添加范圍后，添加劑量越高，促生長(zhǎng)效果并不明顯。申俊華等（2013）[37]報(bào)道，添加380～570 mg/kg包被氧化鋅與高鋅組具有相似的腹瀉率，且通過(guò)線性分析發(fā)現(xiàn)添加510 mg/kg包被氧化鋅的斷奶仔豬具有最低的腹瀉指數(shù)。Upadhaya等（2018）[21]也發(fā)現(xiàn)，在250～1 000 mg/kg的添加劑量中，500 mg/kg的包被氧化鋅具有與2 500 mg/kg氧化鋅相似的生長(zhǎng)性能，劑量過(guò)高對(duì)生長(zhǎng)性能沒有明顯的促進(jìn)效果。但是從前人研究中可以看到，不同研究報(bào)道對(duì)包被氧化鋅促生長(zhǎng)的添加量結(jié)論并不一致，可能是與有效成分濃度和包被材料相關(guān)，具體包被氧化鋅的適宜添加劑量還需要綜合考量。

3.3 納米氧化鋅在仔豬上的應(yīng)用效果

納米氧化鋅是一種新型無(wú)機(jī)鋅材料，具有高效的生物學(xué)活性、吸收率高、抗氧化能力強(qiáng)等特性，是替代氧化鋅的一種理想鋅源。在動(dòng)物飼糧中用納米氧化鋅替代高劑量氧化鋅，可以起到抗菌抑菌的作用，改善動(dòng)物生長(zhǎng)性能，同時(shí)減少重金屬對(duì)環(huán)境的污染。涂層納米氧化鋅在腸道中能提高有益菌Lachnospiraceae UCG-004的豐度，降低了瘤胃黃球菌的豐度，改善腸道微生態(tài)環(huán)境[38]。比較硫酸鋅、氧化鋅和納米氧化鋅在斷奶仔豬上的飼喂效果，發(fā)現(xiàn)低劑量的納米氧化鋅促生長(zhǎng)效果優(yōu)于氧化鋅和硫酸鋅，且防腹瀉效果也與氧化鋅接近[39]。韓萌（2017）[40]飼喂斷奶仔豬高劑量氧化鋅以及低劑量的包被氧化鋅和納米氧化鋅，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與高劑量氧化鋅相比，包被氧化鋅和納米氧化鋅均提高了仔豬平均日增重，降低料重比，腹瀉率略有降低，其中以納米氧化鋅效果最好。為探究納米氧化鋅促生長(zhǎng)的作用機(jī)制，韓萌進(jìn)一步檢測(cè)腸道屏障功能，發(fā)現(xiàn)包被氧化鋅和納米氧化鋅顯著上調(diào)腸道緊密連接蛋白Occludin和Claudin的表達(dá)。這與胡彩虹等（2012）的研究結(jié)果一致，即低劑量納米氧化鋅能夠改善腸道結(jié)構(gòu)形態(tài)，降低腸道黏膜通透性[41]。由于納米氧化鋅的粒子直徑小于100 nm，容易與機(jī)體細(xì)胞受體蛋白等相互作用并影響其吸收，因此更容易在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行蓄積，對(duì)機(jī)體造成毒性影響[42-43]。當(dāng)超劑量的納米氧化鋅添加到飼糧中，容易破壞黏膜免疫功能，損傷腸道組織[44]，引發(fā)炎癥反應(yīng)[45]。因此要格外注意納米氧化鋅的添加劑量，前人多數(shù)的研究表明，納米氧化鋅在斷奶仔豬飼糧中的適宜添加劑量為300～500 mg/kg[46-49]。除此之外納米氧化鋅成本高，納米顆粒間的靜電作用較強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品流動(dòng)性差，容易結(jié)塊，不易混勻，操作存在安全隱患，這會(huì)使納米氧化鋅的使用受到限制。

3.4 其他氧化鋅替代品在仔豬上的應(yīng)用效果

研究表明，氧化鋅表面積與其抑菌效果呈線性關(guān)系，表面積越大，抑菌效果越顯著。因此除了有機(jī)鋅、包被氧化鋅和納米氧化鋅外，也有研究者對(duì)氧化鋅進(jìn)行改性，比如多孔氧化鋅、改性修飾氧化鋅等，通過(guò)提高氧化鋅顆粒的表面積，可以提高氧化鋅的作用，以此來(lái)降低氧化鋅的添加量。此外，還有一些研究者根據(jù)氧化鋅抑菌殺菌、吸附收斂、提高腸道健康等特點(diǎn)，尋找具有相似作用的替代品，如單寧酸。單寧酸具有收斂作用，能延長(zhǎng)食糜在腸道的停留時(shí)間，提高水分等養(yǎng)分的吸收率，降低糞便中水分含量，減少仔豬腹瀉[50]。同時(shí)能夠提高腸道中有益微生物的數(shù)量，提高機(jī)體抗氧化能力，具有替代氧化鋅潛力[51]。表1則是部分氧化鋅替代品在仔豬上的應(yīng)用研究總結(jié)。

表1 部分氧化鋅替代品在仔豬上的應(yīng)用研究

4 小結(jié)

關(guān)于氧化鋅替代的研究有很多，結(jié)果眾說(shuō)紛紜。目前研究較多的鋅源包括有機(jī)鋅、納米氧化鋅、包被氧化鋅、多孔氧化鋅、改性修飾氧化鋅、五倍子單寧酸。但是還沒有定論哪種產(chǎn)品最具替代氧化鋅的潛力。有機(jī)鋅的生物利用度比氧化鋅高，但也有研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)日增重?zé)o顯著影響。納米氧化鋅活性高、殺菌強(qiáng)，但是也被指出易造成DNA損傷，威脅人的安全。多孔氧化鋅和改性修飾氧化鋅在動(dòng)物上的試驗(yàn)研究較少，具體應(yīng)用效果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。其他品類的替代物需要考慮到生產(chǎn)成本和效果穩(wěn)定性?？偠灾趸\替代需要科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，尋找效果好、成本低、安全低污染的氧化鋅替代品，助力養(yǎng)殖業(yè)早日實(shí)現(xiàn)無(wú)抗低鋅生產(chǎn)。