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综述 | 氧化锌及改性氧化锌对仔猪生长性能和肠道健康的影响

中国畜牧杂志2021-03-25 18:51:33

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药理水平的氧化锌(高于2 000 mg/kg)广泛用于断奶仔猪的腹泻控制和生长促进。药理水平氧化锌能预防仔猪肠上皮中病原菌黏附,改善肠上皮组织结构、免疫系统,提高仔猪生长性能。

药理水平的氧化锌(高于2 000 mg/kg)广泛用于断奶仔猪的腹泻控制和生长促进。药理水平氧化锌能预防仔猪肠上皮中病原菌黏附,改善肠上皮组织结构、免疫系统,提高仔猪生长性能。但药理水平氧化锌会引起环境污染并引起细菌对抗生素的抗性。目前,很多国家拟禁止在仔猪上使用药理水平氧化锌。美国、加拿大国家饲料协会己将日粮中锌最大限量规定为500 mg/kg。我国农业农村部第2625 号公告规定,氧化锌在仔猪断奶后前两周不能添加超过1 600 mg/kg(以锌元素计)。因此,亟待寻找氧化锌的替代品,以减少锌的排泄和维持猪的正常生产。

 

目前,氧化锌的主要替代产品包括有机锌(多糖锌、蛋白锌、氨基酸螯合锌)、无机锌(硫酸锌、碱式氯化锌)以及改性氧化锌(矿物质- 氧化锌复合物、多孔氧化锌、包被氧化锌、纳米氧化锌)等。其中,改性氧化锌是指在氧化锌的基础上,通过物理或化学的方法对氧化锌进行修饰,改变氧化锌形态或性质,赋予新性能或提高原有性质的氧化锌制品。改性氧化锌既具有氧化锌的优点,又具有其他功能特性,能满足养殖生产的需求。本文简述了改性氧化锌的类型及其对仔猪生长性能和肠道健康的影响,为改性氧化锌在仔猪生产中的应用提供参考。

 

氧化锌及改性氧化锌对仔猪生长性能和肠道健康的影响

 

1 改性氧化锌

 

纳米技术、多孔技术或者其他技术可以增加氧化锌表面积,增加其与肠道的接触面,使得改性氧化锌具有更好的效果。微孔氧化锌(HiZox®)具有高孔隙率产生的高比表面积以及独特的颗粒尺寸和形状等特征,具有海绵内部结构,呈现出大的团聚体和小的聚集体。另外,微孔氧化锌(HiZox®)具有抑制细菌生长的能力,可以降低饲料中的细菌浓度。多孔氧化锌具有较好的流动性、较大的比表面积、较低的系酸力,可以有效降低断奶仔猪腹泻并促进仔猪生长。纳米氧化锌粒径小(1~100 nm),更容易穿过肠道屏障并具有更高的吸收率和渗透率。纳米氧化锌由于其高的表面积与体积之比以及独特的化学和物理特性,在低浓度下具有很强的生物活性,可显著促进动物的生长并增强免疫力。这些改性氧化锌比传统的氧化锌具有更强的功效,由于其颗粒小,进一步增加了氧化锌、动物和胃肠道中微生物之间可能相互作用的部位。

 

包被技术、微囊化技术能够保护有效成分不被胃液降解并缓慢释放到肠道中,使到达肠道的氧化锌增加。脂质微囊化氧化锌在肠道缓慢 释放 ,可有效降低仔猪日粮中氧化锌的添加水平,减少锌的排泄 ,对生长性能无负面影响。氧化锌颗粒被脂质包裹,可最大程度地将矿物质以其天然化学形式输送到肠道,而不会在胃中被电离。

 

不同的载体负载氧化锌,能丰富氧化锌的功能。硅藻土- 氧化锌复合物中的氧化锌插入在硅藻土的层间空隙,可以保护氧化锌不会在胃中分解,从而增加到达胃肠道的氧化锌的比例,并增强肠内氧化锌的功效。凹凸棒土具有表面多孔、比表面积大特性,具有良好的吸附效果,能够控制生物活性物质的释放。研究发现,在断奶仔猪日粮中添加凹凸棒土负载纳米氧化锌能显著提高仔猪的生长性能。壳聚糖/藻酸盐-纳米氧化锌复合物的微晶尺寸为17nm,可有效保护模拟胃液中的氧化锌,其中Zn2+ 浓度比普通氧化锌所获得的浓度高6倍,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有有效的抗菌活性。

 

但实际生产中,生产工艺不同使得改性氧化锌的比表面积、粒度或者包被/ 负载效果不一致,这会对应用效果造成影响。如纳米氧化锌粒度小,静电吸附作用大,容易结块。断奶仔猪肠道脂肪酶活性不高,脂质包被氧化锌的应用受到限制。再者,不同的矿物质载体品质不一,负载氧化锌的效率不同,研究也较少。总之,不同的改性氧化锌各具优缺点,将来需要更多的材料学研究对改性氧化锌进行品质提升,使其更好地发挥作用。

 

2 氧化锌及改性氧化锌对仔猪生长性能的影响

 

以往研究表明,以药理学水平饲喂常规氧化锌能够改善仔猪腹泻,促进生长。氧化锌可以增加平均日增重(ADG)和日采食量(ADFI)。Zhu 等研究表明,与抗生素组相比,3 000 mg/kg 氧化锌可以显著提高仔猪的体重和ADG。大多数研究认为,低剂量改性氧化锌的促生长效果与药理水平氧化锌相似。如Cho等试验发现,添加氧化锌或微孔氧化锌(HiZox®)组的ADG 显著高于基础日粮组。Pei等研究发现, 补充450 mg/kg 纳米氧化锌可以改善仔猪的ADG、ADFI 和耗料增重比,其效果高于3 000 mg/kg 氧化锌。改性氧化锌颗粒的形状、大小、稳定性的改善导致其在肠道内接触面积增大,促生长效果更优。

 

添加剂生产中常使用脂肪进行包被,包被氧化锌同样具有一定的促生长作用。Grilli等研究发现,3 000 mg/kg 氧化锌和800 mg/kg 脂质微囊化氧化锌组的ADG 显著高于对照组,脂质微囊化氧化锌组较对照组具有更低的耗料增重比和更高的末重,但二者无显著差异。Bai 等研究发现,与2 250 mg/kg 氧化锌组相比,5% 和10% 的包被纳米氧化锌均改善了最终的体重、ADG 和饲料转化率。此外有研究认为包被氧化锌对生长性能无促进效果。如包被氧化锌组与100、2 500 mg /kg氧化锌组的ADG 和耗料增重比无差异;450 mg/kg包被氧化锌对断奶仔猪无促生长作用,而750 mg/kg 包被氧化锌具有一定促生长作用,但显著低于与药理水平氧化锌;Byun 等报道,与2 500 mg/kg 氧化锌组相比,200 mg/kg 脂质包被氧化锌组的ADG 和耗料增重比均更低。这可能因为在饲料添加剂中应用不同的包被技术,可能会导致氧化锌的稳定性、吸收率和抗菌活性发生变化。

 

关于载体负载氧化锌的研究较少,其对仔猪生长性能的效果尚不确定。Song 等评估了硅藻土- 氧化锌复合物对改善乙酸攻击后仔猪肠道屏障恢复的作用,与直肠内注射乙酸仔猪相比,硅藻土- 氧化锌显著改善ADG、ADFI 和经上皮电阻。毛俊周等研究表明,与基础日粮组相比,日粮添加凹土纳米氧化锌可显著提高断奶仔猪的ADG、ADFI。

 

3 氧化锌及改性氧化锌对仔猪肠道健康的影响

 

3.1 氧化锌及改性氧化锌对仔猪腹泻的影响

 

断奶会导致肠屏障功能障碍以及电解质的吸收和分泌失衡,并增加腹泻。药理水平氧化锌能够减少仔猪腹泻。Zhu等报道,饲喂添加3 000 mg/kg 氧化锌的仔猪腹泻率在1、14 d 以及14~28 、1~28 d 均明显降低。氧化锌可以降低断奶后的粪便评分。改性氧化锌具有药理水平氧化锌相似的降腹泻效果,同时还能减少使用剂量。Hongfu 研究表明,400 mg/kg 纳米氧化锌可使腹泻率降低49.1%,显著优于3 000 mg/kg 氧化锌;Cho 等研究表明,添加氧化锌或微孔氧化锌(HiZox®)组在21、28 d 的粪便评分均显著低于基础日粮组;200 mg/kg包被氧化锌和2 500 mg/kg 氧化锌组的腹泻评分低于100 mg/kg 包被氧化锌组;Bai 等报道,与对照组相比,包被纳米氧化锌显著降低了腹泻率;硅藻土-氧化锌能显著降低粪便评分;毛俊舟等研究发现,700 mg/kg 凹土纳米氧化锌组腹泻率、腹泻指数较基础日粮组和抗生素组显著降低。由以上研究可知,低剂量改性氧化锌能够达到药理水平氧化锌降低腹泻的效果,这可能与改性氧化锌在肠道中解离的锌离子浓度增加有关。

 

3.2 氧化锌及改性氧化锌对仔猪肠道形态的影响

 

肠道形态在吸收养分和腹泻的发生中起着重要作用。绒毛高度、隐窝深度及其比值通常作为评价肠黏膜结构完整性的指标。补充药理水平氧化锌的仔猪肠道形态得到改善。Song等研究表明,2 200 mg/kg 氧化锌改善了仔猪绒毛高度和绒毛高度与隐窝深度之比,增加跨上皮电阻。Zhu等报道,补充3 000 mg/kg 氧化锌可显著增加仔猪十二指肠和回肠的绒毛高度,并降低十二指肠的隐窝深度,显著上调空肠黏膜中Zona ccludens-1(ZO-1)和 Occludin 的mRNA 表达。同时改性氧化锌与药理水平氧化锌改善肠道形态的效果相似。如饲喂微孔氧化锌(HiZox®)的猪小肠黏膜上皮电阻比饲喂110 mg/kg 氧化锌组更高,与claudin-1和ZO-1的基因表达较高的趋势一致。Pei等提出日粮中补充纳米氧化锌和氧化锌可以提高绒毛高度与隐窝深度之比,并减少腹泻发生率。同样,Wang等报道,1 200 mg/kg 纳米氧化锌和3 000 mg/kg 氧化锌改善了仔猪的肠道形态。硅藻土- 氧化锌降低乙酸诱导结肠炎仔猪的粪便评分和隐窝深度,增加occludin、claudin-1 和ZO-1的表达,降低caspase-9 和caspase-3活性以及凋亡前体蛋白Bax 表达。这些结果表明,低剂量改性氧化锌和药理水平氧化锌通过恢复黏膜屏障,改善肠上皮细胞增殖,改善了肠道形态的损伤,继而减少仔猪腹泻的发生。

 

但是,目前包被氧化锌对仔猪肠道形态的改善效果并不明显,与药理水平氧化锌存在差距。Grilli 等报道,800 mg/kg 微囊化氧化锌组的回肠绒毛高度、绒毛高度与隐窝比值显著高于对照和氧化锌组。Byun 等认为包被氧化锌在减轻腹泻、促进生长以及不影响肠道黏膜结构完整性的作用均不及药理水平氧化锌有益。相似地,Song等研究发现,包被氧化锌组的绒毛高度、绒毛高度与隐窝深度比显著低于空白组(空肠和十二指肠),包被氧化锌对绒毛完整性有负面影响。Bai等也发现,2 250 mg/kg 氧化锌组的十二指肠绒毛高度、绒毛高度与隐窝深度比显著高于10%包被纳米氧化锌组,5%包被纳米氧化锌组的空肠绒毛高度显著高于10%包被纳米氧化锌组。这是因为绒毛高度、绒毛高与隐窝深度比有时会因包被氧化锌或氧化锌的不同浓度而降低,以及与添加剂量、包被脂质种类、改进技术等有关。因此,需要更多的研究证实包被氧化锌的结果。

 

3.3 氧化锌及改性氧化锌对仔猪肠道免疫、抗氧化能力的影响

 

断奶应激可导致仔猪肠道形态学损伤和严重炎症。过度表达的促炎细胞因子会损害肠道的完整性和上皮细胞 的功能。肿瘤坏死因子-α(TNF- α )和干扰素-γ(IFN- γ)可以增加肠道细胞上皮渗透性和干扰上皮紧密连接。断奶后肠道疾病可通过控制肠道促炎细胞因子得到缓解。Zhu 等报道,与对照组相比,3 000 mg/kg 氧化锌降低了血浆丙二醛浓度,增加了总超氧化物歧化酶活性,下调空肠黏膜中白介素-1β(IL -1β)、IFN -γ mRNA 表达,增加转化生长因子-β(TGF-β )mRNA 表达。Hu 等研究发现,日粮中添加500 mg/kg硅藻土- 氧化锌或2 250 mg/kg 氧化锌可下调仔猪空肠黏膜TNF-α 和IFN-γ 的mRNA 表达。Grilli 等也报道,800 mg/kg 脂质微囊化氧化锌组IFN-γ mRNA 最低,3 000 mg/kg 氧化锌和800 mg/kg 脂质微囊化氧化锌均可降低TNF-α水平。包被氧化锌可能通过调节胰岛素样生长因子-1(IGF-1 )、IL-6 和IL-10 基因的表达,在肠黏膜生长和免疫功能中发挥作用。Wang 等报道,800 mg/kg 纳米氧化锌较3 000mg/kg 氧化锌组增强回肠Occludin、IL-1β、IL-10 和TNF-α 的mRNA表达。总体上,改性氧化锌与药理水平氧化锌均在肠道黏膜生长和免疫功能中发挥作用,能改善仔猪肠道炎症反应,提高免疫或抗氧化能力。

 

3.4 氧化锌及改性氧化锌对仔猪肠道微生物的影响

 

药理水平氧化锌会增加细菌的抗生素耐药性。Bednorz等发现,2 500 mg/kg 氧化锌增加了仔猪回肠和结肠消化物中多重耐药大肠杆菌的比例。在饲喂高锌日粮的仔猪中对抗性大肠杆菌大量增加。Vahjen等给断奶猪饲喂4 周不同水平氧化锌的日粮,发现2 425 mg/kg 氧化锌组的四环素和磺酰胺抗性基因的拷贝数较57 mg/kg氧化锌组显著增加。因此,饲喂药理水平氧化锌日粮尚存在疑问。

 

改性氧化锌与药理水平氧化锌对肠道微生物的影响不同。Wang等研究报道,与110 mg/kg 氧化锌相比,2 400 mg/kg 氧化锌可以减少远端小肠的大肠菌群和大肠杆菌数量,而微孔氧化锌(HiZox®)仅可以减少大肠菌群。低剂量纳米氧化锌组盲肠、结肠、直肠中大肠杆菌数量较3 000 mg/kg 氧化锌组低。而800 mg/kg 纳米氧化锌显著降低回肠好氧菌数量。日粮添加包被氧化锌极显著减少粪便大肠杆菌数量,增加双歧杆菌数量。Cho等报道,补充氧化锌或改性氧化锌的仔猪粪便乳酸杆菌计数均高于基础日粮组。可见改性氧化锌和药理水平氧化锌能减少肠道有害菌数量,增加益生菌数量,对仔猪降低腹泻具有重要作用。彭鹏等研究发现,与基础日粮组相比,3 000 mg/kg 氧化锌组与多孔氧化锌组盲肠内容物乙酸含量显著增加,多孔氧化锌组盲肠内容物丙酸含量显著增加,随着多孔氧化锌添加量的增加,厚壁菌门相对丰度增加,变形杆菌门、放线菌门相对丰度降低。日粮中添加改性氧化锌能够提高仔猪肠道内容物短链脂肪酸水平,改善菌群多样性及改善微生态系统。

 

3.5 氧化锌及改性氧化锌对仔猪血浆、组织和粪便锌、铜的影响

 

血清锌是指示体内锌水平的指标,补充锌后血浆锌浓度会增加。药理水平氧化锌可增加机体肝脏、胰腺、肾脏、空肠的锌含量。Burrough 等报道,6 000 mg/kg 氧化锌可提高猪血清、肝、胰腺锌浓度,降低血清铜、血清硒和肝硒浓度。2 100 mg/kg 氧化锌组空肠、肝脏、胰腺组织和掌骨中的锌浓度与肾脏金属硫蛋白(MT)-1a、MT-2b 和MT-3 的表达显著高于100 mg/kg 组。Janczyk 等研究发现,3 000 mg/kg氧化锌组可提高仔猪肝脏、肾脏和肋骨的锌浓度以及肾脏铜浓度。Pieper等也发现,饲喂2 425 mg/kg 氧化锌的仔猪胰腺锌浓度和金属硫蛋白丰度均高于57、164 mg/kg 氧化锌组。改性氧化锌和药理水平氧化锌可提高仔猪血液、肝脏的锌浓度,对肾脏锌含量的影响不一致。Wang等研究发现,相同浓度下,微孔氧化锌(HiZox®)较氧化锌会提高黏膜锌含量。300 mg/kg 改性氧化锌组血浆锌浓度高于基础日粮组和3 000 mg/kg氧化锌组。Pei等研究结果表明,纳米氧化锌和氧化锌显著增加了血清和组织的锌含量。而补充800 mg/kg纳米氧化锌可增加仔猪血浆、肝脏、胰腺和胫骨的锌浓度,但不影响肾脏、脾脏或肌肉中的锌含量。改性氧化锌性质的不同影响了动物机体对改性氧化锌的吸收利用率,导致了血液和组织的锌含量不同。

 

仔猪日粮添加药理水平氧化锌带来了许多问题。如约80% 氧化锌会从粪便中排出;高锌会导致土壤锌的积累,造成锌资源浪费并污染环境。研究报道3 000、2 000、1 000 mg/kg 氧化锌组仔猪粪便锌含量是100 mg/kg 氧化锌组的13.6、9.9、4.6 倍。通过改性技术对氧化锌进行修饰以及使用低剂量的氧化锌可以减少粪便锌的排泄。李强等报道,与3 000 mg/kg 氧化锌相比,450、750 mg/kg 包被氧化锌均能显著降低粪便锌含量。Bai等研究表明, 与2 250 mg/ kg氧化锌组相比,5%包被氧化锌可降低仔猪血浆、肝脏和粪便的锌含量。饲喂低浓度锌对维持断奶仔猪的生长性能非常重要,实施减少矿物质排泄的饲喂计划有益于环境和养猪业可持续发展。但是目前对改性氧化锌的转运吸收研究较少,后续需要更深入研究。

 

4 小 结

 

改性氧化锌和药理水平氧化锌均可通过提高肠道抗氧化、免疫能力,改善微生态系统,恢复肠道屏障,继而减少腹泻,达到促进仔猪生长的效果。低剂量改性氧化锌替代药理水平氧化锌,符合减少动物饮食锌和重金属使用量的趋势。然而,改性氧化锌的安全性仍然存在一些问题,如硅酸盐矿物重金属含量高、品质不稳定。另外,过量锌干扰铜和铁的吸收代谢、营养物质表观消化率等尚不清楚,改性氧化锌对仔猪消化吸收的研究缺乏。因此,改性氧化锌对于锌的肠道运输和吸收机制应进一步研究。


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