飼糧高劑量氧化鋅及其替代物在斷奶仔豬中的研究進展

張彥利 蔣顯仁 李習龍

(中國農業(yè)科學院飼料研究所，農業(yè)農村部飼料生物技術重點實驗室，北京100081)

斷奶應激會導致仔豬發(fā)生腹瀉和生長受阻。抗生素的使用有效地緩解了仔豬斷奶應激，但是其帶來的抗藥性及安全性問題迫使人們轉向其替代品的研究。自從1989年Poulsen[1]提出藥理劑量(飼糧添加2 500～4 000 mg/kg)的氧化鋅對仔豬腹瀉和生長具有重要作用以來，許多國內外學者通過試驗研究表明飼糧添加高劑量氧化鋅能夠改善腸道健康，有效緩解斷奶仔豬腹瀉，提高飼料轉化率，促進仔豬生長，這使高劑量氧化鋅成為有效的抗生素替代品。但是飼糧高劑量氧化鋅的攝入也帶來了一系列的副作用，斷奶仔豬長期對高鋅飼糧的采食造成了環(huán)境污染、細菌耐藥性強、影響其他礦物質元素吸收及仔豬中毒等問題。為了應對這一系列問題，針對高鋅替代物的研究成為當前熱點。本文就飼糧高劑量氧化鋅在仔豬中的實際應用效果和作用機制以及氧化鋅的替代物做一綜述，旨在為研發(fā)飼糧高劑量氧化鋅替代物提供理論基礎。

1 飼糧添加高劑量氧化鋅對斷奶仔豬的影響

1.1 緩解斷奶仔豬腹瀉

在飼糧中添加高劑量的氧化鋅對斷奶仔豬腹瀉具有良好的預防和治療效果。早期研究發(fā)現，飼糧添加3 000 mg/kg氧化鋅來源的鋅使腹瀉率降低了96.8%，對預防仔豬腹瀉效果最佳[2-3]。雖然高鋅飼糧能有效降低斷奶仔豬腹瀉，但是不能長時間添加，僅限于3周左右[4]。這些報道表明飼糧添加高劑量氧化鋅是斷奶仔豬防治腹瀉的一種常用方法和有效手段。

1.2 促進斷奶仔豬生長

眾多研究證實，飼糧添加高劑量氧化鋅對仔豬具有良好的促生長效果，飼糧添加高劑量氧化鋅(2 000～3 000 mg/kg)與不添加氧化鋅對照組(無腹瀉斷奶仔豬)相比能夠提高仔豬的平均日增重，改善仔豬生長性能[5-7]。Li等[8]研究發(fā)現，飼糧添加3 000 mg/kg氧化鋅能夠提高斷奶仔豬平均日增重和平均日采食量，但不影響飼料效率；同時進一步研究發(fā)現對照組和3 000 mg/kg氧化鋅組仔豬在平均日采食量一致的情況下，添加氧化鋅能顯著提高仔豬平均日增重以及飼料效率。由此看來，氧化鋅并不是通過提高采食量來改善仔豬的生長性能，筆者猜測飼糧添加高劑量氧化鋅對斷奶仔豬的生長促進作用可能與其在保育前期緩解仔豬腹瀉有關。然而，飼糧添加高劑量氧化鋅時間并非越長越好。Martin等[9]報道，在仔豬飼糧中添加2 500 mg/kg氧化鋅能顯著改善斷奶后前2周的生長性能，但是添加第3周對仔豬的效果不佳。

1.3 增強斷奶仔豬機體免疫力

近些年來，研究人員陸續(xù)對飼糧添加高劑量氧化鋅對斷奶仔豬的免疫作用作了報道。唐萍[10]報道，高鋅飼糧顯著提高斷奶應激仔豬T淋巴細胞轉化率、白細胞吞噬率和免疫球蛋白水平，還顯著提高了腸黏膜免疫功能。在免疫器官指數方面，飼糧添加3 000 mg/kg氧化鋅可提高斷奶仔豬胰臟和淋巴結指數[11]。Bergeron等[12]研究表明，飼糧添加2 500 mg/kg氧化鋅能提高仔豬回腸黏膜中金屬硫蛋白-1的表達和總抗氧化能力，并降低黏膜中腫瘤壞死因子-α的含量。此外，斷奶后立即在飼糧中添加高劑量氧化鋅對感染鼠傷寒沙門氏菌仔豬的免疫應答有積極影響，但作用時間不超過2周[13]。Kloubert等[14]在不同條件下對斷奶仔豬飼糧添加不同劑量的氧化鋅，發(fā)現高劑量氧化鋅組豬的巨噬細胞吞噬能力增加，高劑量氧化鋅可輕微降低自然殺傷細胞的殺傷活性，遺憾的是文中并沒有對氧化鋅的最佳劑量展開深入研究。這些研究表明，仔豬飼糧添加高劑量氧化鋅提高了腸道和免疫器官的免疫功能，并且可以增強機體對外源致病微生物的免疫反應，進而提高機體的免疫力。

2 飼糧高劑量氧化鋅的作用機制

飼糧高劑量氧化鋅預防斷奶仔豬腹瀉和促生長的作用機制，通過閱讀文獻歸納總結發(fā)現，飼糧高劑量氧化鋅的作用機制并不是單一的，而是通過多個方面發(fā)揮其作用的。首先，飼糧添加高劑量氧化鋅能夠促進斷奶仔豬胃生長激素的相關基因表達，促進激素釋放，增加采食量，并且高劑量氧化鋅的攝入能夠提高消化酶的活性，有效地提高營養(yǎng)物質的消化和吸收[15-17]。其次，氧化鋅具有收斂腸道的作用，攝入高劑量氧化鋅可顯著提高類胰島素生長因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)和IGF-Ⅰ受體的mRNA和蛋白在小腸黏膜中的表達，刺激腸道上皮細胞生殖分化從而修復損傷的腸道[8]。此外，高劑量氧化鋅能夠提高仔豬腸道緊密連接蛋白表達，降低腸道的通透性，阻止細菌穿透腸黏膜，增強腸道屏障功能[18-19]。氧化鋅的抗腹瀉效果可能還與其對腸道微生物的影響具有緊密關系。飼糧添加高劑量氧化鋅能夠增加腸道有益菌乳酸桿菌的數量，減少大腸桿菌的數量，但也有研究認為飼糧高鋅預防腹瀉與其提高大腸桿菌在回腸中的定植有關[20]。這可能是由于大腸桿菌豐度增加，提高了大腸桿菌之間的競爭力，導致致病菌減少，從而起到抗腹瀉的作用。飼糧氧化鋅含量的增加對仔豬腸道菌群組成和多樣性產生了影響，這種現象可能有助于穩(wěn)定斷奶后敏感時期的腸道微生物群。鋅作為機體免疫功能正常轉運的重要因子，飼糧高劑量氧化鋅的作用機理與其改善仔豬免疫功能密不可分。研究發(fā)現，飼糧中添加高鋅降低炎性細胞因子mRNA的表達，提高抗炎因子mRNA表達；并且能夠促進腸道杯狀細胞的生長和黏蛋白的表達，這有利于加強腸道保護膜的作用，提高腸道防止病原微生物侵入的能力[21-23]。此外，Ou等[24]研究發(fā)現，仔豬飼糧添加高劑量氧化鋅會抑制小腸中干細胞因子的表達，從而導致肥大細胞數量的減少和組胺的釋放。從現有的研究發(fā)現，高劑量氧化鋅可能主要是在仔豬腸道起作用，通過調控腸黏膜細胞生長因子表達，改善腸道組織形態(tài)，增強腸道屏障保護，穩(wěn)定腸道菌群以及提高腸道免疫能力等改善仔豬腸道健康，進而降低仔豬腹瀉，提高營養(yǎng)物質消化吸收。

3 飼糧高劑量氧化鋅應用的局限性

3.1 高劑量鋅的排出對環(huán)境造成污染

雖然飼糧添加高劑量氧化鋅能夠有效緩解斷奶仔豬腹瀉，但是氧化鋅的生物學效價比較低，攝入的鋅絕大多數都不能被仔豬吸收利用。當飼糧添加高劑量鋅時，大部分鋅沒有被動物消化吸收，而是隨著糞便排出體外。Case等[25]研究發(fā)現，飼糧中99%的鋅通過糞便排到環(huán)境中，在保育豬的飼糧中添加3 000 mg/kg以上的氧化鋅會導致糞便中鋅的過量排泄，糞便中高含量的鋅會造成土壤污染，導致土地失去可耕性。Jondreville等[26]報道，在育肥豬飼糧中，如果鋅的含量由250 mg/kg降到100 mg/kg，表層土壤中的鋅的年積累量可減少35%，降低鋅的添加量是減少鋅排泄和鋅污染的有效途徑。鑒于鋅對環(huán)境的不可逆污染，目前許多國家對氧化鋅在飼糧中的添加量都進行了嚴格的控制。加拿大和美國飼料協(xié)會已表明飼糧中鋅最大限量為500 mg/kg，日本則規(guī)定仔豬(30 kg以下)飼糧中鋅最大限量為120 mg/kg，歐盟已經出臺逐步取消在仔豬飼糧中使用高劑量氧化鋅的行動方案，我國也已經規(guī)定在仔豬斷奶后前2周飼糧中添加鋅(以鋅元素計)的最高劑量由2 250 mg/kg降為1 600 mg/kg。

3.2 飼糧高鋅影響其他礦物質的吸收

飼糧高劑量氧化鋅會降低仔豬對鋅和其他礦物質的吸收，增加糞便礦物質的排泄[27]。鋅攝入過量會阻礙銅元素和鐵元素的吸收，導致仔豬體內銅和鐵的缺乏[28]。辜玉紅等[29]報道，當飼糧中添加3 000 mg/kg氧化鋅時，仔豬血紅蛋白含量顯著降低，這表明機體內鐵元素的吸收和利用降低，從而影響了血紅蛋白的合成。因此，為了保證在拮抗作用下滿足斷奶仔豬銅元素和鐵元素的正常吸收，在高劑量氧化鋅飼糧中通常需要添加過量的銅和鐵。這就會導致惡性循環(huán)，造成飼糧中重金屬的濫用和對環(huán)境的進一步破壞。此外，隨著藥理劑量鋅補充量的增加，鋅與其他礦物質元素相互作用，導致鈣、磷、鈉、鉀和銅的消化率降低[30]。綜上所述，高劑量氧化鋅的攝入在不同程度上影響了其他礦物質元素的吸收，進而造成受其拮抗的礦物元素的缺乏，最終可能造成仔豬機體功能損傷。

3.3 飼糧高鋅導致細菌耐藥性增加

越來越多研究發(fā)現長時間使用高鋅飼糧能誘發(fā)耐藥性細菌的產生。Bednorz等[31]報道，飼糧添加鋅可提高仔豬大腸桿菌克隆的多樣性，而且多重耐藥大腸桿菌比例顯著增加，尤其是四環(huán)素和抗磺胺類大腸桿菌菌株。研究得到了類似結論，飼糧高劑量氧化鋅會增加斷奶仔豬抑制革蘭氏陰性菌的四環(huán)素和磺胺類抗性基因的表達，這將直接促進多重耐藥性大腸桿菌菌株的形成[32-33]。此外，飼糧高劑量氧化鋅也會影響仔豬甲氧西林金黃色葡萄球菌的患病率和持續(xù)性[34]。仔豬斷奶早期攝入高劑量氧化鋅可能具有抗菌效果，但是長時間攝入高劑量氧化鋅會增加細菌耐藥性，促進抗生素耐藥性傳播。因此，飼糧高劑量氧化鋅的使用效果值得重新思考。

3.4 長期飼糧高鋅引起鋅中毒及損害腸道健康

仔豬斷奶早期飼糧添加高劑量氧化鋅會提高平均日增重，改善生長性能。但是也有研究表明，長時間攝入高劑量氧化鋅會造成機體損傷，甚至引起鋅中毒。研究發(fā)現，飼糧添加高劑量氧化鋅組仔豬平均日增重并沒有得到提高，反而低于常規(guī)組[35]；而且飼糧添加高鋅會導致仔豬腸道結構不完整，各部位腸道都出現損傷，腸黏膜上皮細胞有萎縮并伴隨腸黏膜脫落；還會導致免疫水平顯著下降，甚至后期會出現嚴重的中毒反應[36]。所以，斷奶仔豬長時間飼喂高鋅飼糧會破壞小腸黏膜結構，從而損害營養(yǎng)物質正常消化吸收，不利于生長。此外，研究顯示，飼糧長時間添加高鋅會降低腸道有益菌乳酸菌的數量，影響腸道微生物的組成和生物活性；同時也會使仔豬盲腸短鏈脂肪酸(尤其是丁酸和戊酸)含量顯著下降，仔豬腸道微生態(tài)環(huán)境遭到破壞，菌群關系不穩(wěn)定[37-38]。高鋅的長期攝入也會使仔豬機體免疫應答受損，飼喂高劑量氧化鋅飼糧6周以上會導致仔豬腸系膜淋巴結中細胞因子信號轉導抑制因子基因的上調[39]。斷奶仔豬飼糧長期添加高劑量氧化鋅會導致機體后期生長受阻，嚴重時造成鋅中毒，引起仔豬消化道損傷，破壞機體正常免疫反應。雖然飼糧添加高劑量氧化鋅具有一定的促生長效果，但是僅限于短期內(斷奶2周內)添加飼糧氧化鋅。保育前期飼糧中添加高劑量氧化鋅的主要作用是預防腹瀉，從而間接提高這個階段的生長性能。而保育后期腹瀉不是影響仔豬生長的主要因素，小腸的消化吸收能力起到至關重要的作用。高劑量氧化鋅的長期使用會損傷仔豬腸道健康，嚴重時還會出現中毒情況，從而降低仔豬后期生長性能。所以在使用高鋅時要控制使用劑量和持續(xù)時間。

4 飼糧高劑量氧化鋅替代物

長時間使用高鋅飼糧導致細菌耐藥性增加、動物機體中毒、環(huán)境污染等不利的影響。尋找一種理想型氧化鋅替代物，以保證生豬產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展勢在必行。目前已經有了不少的氧化鋅的替代品研究，例如不同形式的氧化鋅。

4.1 納米氧化鋅

納米氧化鋅具有利用率高、抗菌性強的特點，是近年來一種呼聲較高的氧化鋅替代物。納米氧化鋅在腸道停留的時間更長，與腸道壁接觸更加充分，從而增加了養(yǎng)分的消化吸收速度和利用率。仔豬飼糧添加納米氧化鋅具有較好的抗腹瀉作用，飼糧添加450和600 mg/kg納米氧化鋅均顯著降低了仔豬腹瀉率[40-41]；而且，飼糧添加納米氧化鋅會使血清中的生長因子含量和生長激素水平得到提高[17,40]，有利于仔豬的消化和生長。同時，研究發(fā)現，飼糧添加納米氧化鋅能夠提高仔豬免疫能力，提高免疫球蛋白A含量，增強仔豬免疫應答[17]。此外，飼糧添加納米氧化鋅降低了血漿中D-乳酸含量和二胺氧化酶活性，有效地降低仔豬腸黏膜損傷程度，保證腸上皮細胞緊密連接完整性；且腸道抗氧化酶和緊密連接蛋白的mRNA表達顯著增加[41]，由此增強腸道屏障保護功能。但是納米氧化鋅會對機體造成毒性損害，在哺乳動物細胞中，氧化鋅納米粒子的毒性效應，如膜損傷、炎癥反應、DNA損傷和凋亡已經得到證實[42-43]。研究表明，小鼠亞急性口服納米氧化鋅(300 mg/kg)會導致肝內納米粒子的積累，從而導致氧化應激介導的DNA損傷和凋亡；而且，飼糧高劑量納米氧化鋅能夠造成小鼠各器官出現不同程度的損傷，其中主要是小腸黏膜結構被破壞和腸絨毛萎縮[44-45]。目前關于不同劑量的納米氧化鋅的毒性強度方面的研究較少，但是關于不同粒徑的納米氧化鋅的毒性研究已有結果。3種不同粒徑的納米氧化鋅對大鼠產生亞慢性毒性并高于常規(guī)氧化鋅的毒性，導致大鼠睪丸內生精細胞數目顯著減少，細胞凋亡顯著增加，且粒徑越小毒性越重[46]。這與Wang等[47]研究結果一致，飼糧中顆粒較小的納米氧化鋅在低劑量時就可以引起血黏度增加，而較大顆粒納米氧化鋅在高劑量下才能引起血黏度異常。納米氧化鋅的顆粒大小顯著影響其毒害作用，顆粒越小毒性越強。Huang等[48]研究發(fā)現小鼠在接觸納米氧化鋅后可引起嗜酸性氣道炎癥。Hackenberg等[49]通過人鼻黏膜上皮細胞的培養(yǎng)試驗中發(fā)現，納米氧化鋅濃度從10 μg/mL開始對DNA損傷明顯增強，在納米氧化鋅濃度為50 μg/mL時顯示出細胞毒性。目前大多數研究都是體現納米氧化鋅對仔豬的積極作用，關于納米氧化鋅對斷奶仔豬的毒性作用還不清楚。納米氧化鋅的使用效果可能與顆粒大小、濃度和時間相關，其在斷奶仔豬的使用過程中的安全性值得進一步深究。此外納米氧化鋅生產成本高，產品容易結塊，不利于長期保存。在納米氧化鋅廣泛替代傳統(tǒng)氧化鋅的同時，我們應該結合納米氧化鋅的安全性及經濟性做出判斷。

4.2 包被氧化鋅

包被氧化鋅可通過包被使氧化鋅避免被胃酸中和成鋅離子，從而在腸道內以氧化鋅形式釋放并發(fā)揮作用。有研究表明飼糧添加包被氧化鋅具有一定的作用效果。研究報道，劉連龍等[50]研究發(fā)現，飼糧添加300、450 mg/kg包被氧化鋅對仔豬生長性能有顯著提高作用，同時對料重比有降低作用，且與高劑量(3 000 mg/kg)的傳統(tǒng)氧化鋅相比，低劑量(300、450 mg/kg)的包被氧化鋅與其作用相當。這可能與其顯著改善了仔豬腸道形態(tài)結構，增加了十二指腸和回腸絨毛高度，而且能夠改善腸道微生物群落以減輕腹瀉有關[51]。此外，相比于普通高劑量氧化鋅，添加包被氧化鋅可降低糞便中鋅的含量，經過包被的氧化鋅能夠在腸道內進行定點釋放，從而減少了氧化鋅的損失，降低對環(huán)境的污染[52]。但是也有研究表明，包被氧化鋅對緩解仔豬腹瀉、促進生長、改善腸道健康等方面的有益作用不如高劑量普通氧化鋅效果明顯；相比于普通氧化鋅，包被氧化鋅降低了十二指腸和空腸的絨毛高度以及絨毛高度與隱窩深度的比值，并且脂質包被的氧化鋅對誘導結構蛋白和細胞因子表達方面不如高劑量普通氧化鋅[53-54]。這可能與仔豬斷奶后胰脂肪酶活性較低，不太容易溶解脂質，導致氧化鋅的釋放比較困難，胃腸道中的有效氧化鋅分子比較少有關。所以，用包被氧化鋅替代高劑量普通氧化鋅的作用效果及機理需要更多研究來證明。

4.3 多孔氧化鋅

多孔氧化鋅是一種新型氧化鋅，通過工藝改造的創(chuàng)新，它的比表面可以達到飼料級普通氧化鋅的10～15倍。每個氧化鋅顆粒是有眾多的氧化鋅分子組成的，更大的比表面意味著更多的氧化鋅分子暴露在氧化鋅顆粒的表面，這樣就增加了氧化鋅分子與腸壁和腸道食糜中微生物接觸的幾率。氧化鋅的抑菌活性與產品的比表面積是呈正相關的，多孔氧化鋅具有較大的比表面積。因此，相比于普通氧化鋅，多孔氧化鋅具有更好的抑菌效果[55]。眾多研究表明，飼糧添加低劑量多孔氧化鋅能夠降低仔豬腹瀉率，提高平均日增重、平均日采食量以及飼料效率[56-58]。此外，飼糧添加多孔氧化鋅有利于提高十二指腸、空腸和回腸的絨毛高度與隱窩深度的比值，改善腸道形態(tài)結構；增加空腸黏膜的跨上皮電阻，降低腸黏膜通透性，增加堿性磷酸酶、閉合蛋白1和緊密連接蛋白-1相關基因的表達，增強腸道結構完整性；多孔氧化鋅還可以調整腸道微生物多樣性，增加仔豬腸道中乳酸桿菌數量，盲腸中短鏈脂肪酸含量，甚至能夠治療由高劑量鐵引起的胃腸道紊亂[59-60]。盡管如此，目前關于多孔氧化鋅在斷奶仔豬上的實際應用研究得并不多。雖然多孔氧化鋅替代高劑量氧化鋅有初步的效果，但是這些研究都是在添加抗生素基礎上進行的，單獨使用多孔氧化鋅的效果還需要進一步研究。多孔氧化鋅對仔豬的作用機理尚未完全弄清楚，用其替代高劑量氧化鋅還需要更多的試驗證明。

5 小結與展望

在肯定高劑量氧化鋅對斷奶仔豬有積極作用的同時，也要正視高鋅氧化物帶來的負面效應，再結合當前的國家政策以及國際上對綠色環(huán)保的提倡，替代高劑量氧化鋅勢在必行。綜合幾種氧化鋅替代物，多孔氧化鋅在養(yǎng)豬行業(yè)上具有廣闊的應用前景。但是，就目前研究現狀來看在飼糧中單一的添加某一種替代物是不合理、不科學的。有機酸及其鹽的混合物可能更有利于改善斷奶仔豬胃腸道環(huán)境，平衡菌群關系。將氧化鋅及其替代物的作用機理研究清楚是目前有待深入研究的方向。合理的搭配使用具有相互促進作用的添加劑，也是一種替代氧化鋅的發(fā)展思路。尋找一種理想型氧化鋅替代物，我們要從實際出發(fā)，結合其應用效果、添加劑量、生產成本以及安全性做出判斷。