饲用抗生素替代品研究进展
2013-04-08李爱科赵永欣
■李爱科 林 燕 赵永欣
(国家粮食局科学研究院,北京 100037)
饲用抗生素能促进动物生长,防治动物腹泻,但同时也引起药物残留、细菌耐药性等负面问题,对动物、人和生态环境造成严重危害。然而,饲料中禁用抗生素后,动物生产性能显著下降,病死率显著升高,严重影响畜牧业的健康发展。据报道,欧盟等国禁用饲用抗生素后,饲用药物使用量大增,使每头猪的饲养成本增加6美元以上。我国是饲用抗生素使用大国,有调查表明,我国畜产品药物残留发生率达40%~60%。因此,研发安全、高效、绿色的新型饲用抗生素替代产品已迫在眉睫。
近年来,一些具有抗病促生长作用的替代抗生素饲料添加剂已开始应用于畜禽养殖业中,并且取得良好的应用效果。这些饲用抗生素替代品主要有微生态制剂、寡糖、抗菌肽、酶制剂、植物提取物(包括中草药)、酸化剂等。
1 微生态制剂
微生态制剂,是指在微生态学理论指导下,将从动物体内分离得到的有益微生物通过特殊工艺制成的含活菌或包含菌体及其代谢产物的制剂。微生态制剂能改善肠道菌群平衡、促进消化吸收、增强畜禽的免疫功能、促进畜禽的健康生长。美国食品药品管理局和美国饲料管理协会1989年公布了42种可以直接饲喂,且通常认为是安全的微生物,我国农业部也于2000年公布了干酪乳杆菌、植物乳杆菌等16种安全微生物可以应用于饲料工业中。
我国微生态制剂的研究起步较晚,但发展速度很快,已有多种微生态制剂在畜禽和水产养殖业中得以应用,它们在促进动物生长、预防常见疾病以及改善养殖环境等方面显示出传统抗生素无法比拟的优越性。魏衎等[1]在健康AA肉仔鸡小肠中,经过病原菌抑制能力、生长性能、产酸能力和逆性环境耐受力获得乳酸乳球菌GJ0007;对其进行微囊化包被后可改善肉仔鸡的平均日增重、料重比和免疫器官指数。郭蕴劼[2]通过对初生婴儿粪便和仔猪肠道内容物等样品中肠球菌的筛选,获得1株屎肠球菌和1株粪肠球菌,通过对其生长、代谢及抑菌能力的研究发现,筛选的菌株具有较高的生长和代谢活性,并对常见病原菌具有一定的抑制作用;考虑到微生物制剂的活性受很多因素的影响,通过微胶囊包被来提高菌种活性,研究结果证明,包被后的屎肠球菌在胆盐、模拟胃肠环境中活菌数量高于未包被组。王婷婷等[3]采用发酵前包被工艺对屎肠球菌进行微胶囊化处理,试验结果表明,微胶囊化的屎肠球菌对致病菌有很强的抑制作用,且形态、粒径合适,在高铜和模拟胃液环境下生长良好。闫东方[4]在AA肉鸡中添加不同剂量的唾液乳杆菌菌液和微囊化唾液乳杆菌,试验结果表明,与对照组相比,菌液组都能改善肉鸡的成活率、日增重和饲料转化效率,降低腹泻率,且21~42日龄的后期效果更明显;在免疫性能方面,添加菌液组肉鸡血清抗氧化能力、血清GSH-Px活性和血清IgG含量显著提高;同时,血清丙二醛含量降低;添加108cfu/kg微囊化唾液乳杆菌组效果最好。
纳豆枯草芽孢杆菌能够提高瘤胃中丙酸和氨态氮的浓度,促进微生物对饲料的分解[5]。赵献芝等[6]研究表明,和添加抗生素组相比,在肉鸡前期添加地衣芽孢杆菌内生芽孢可显著提高日增重和成活率。李春丽等[7]将0.1%的微生态制剂(含乳酸杆菌、酵母菌等有益菌株,活菌数>109个/ml)添加于试验组哺乳母猪及其仔猪饮水中,结果表明,微生态制剂能显著提高试验组仔猪的平均日增重和抗病力,腹泻率有所下降,且试验组哺乳母猪的母乳IgA抗体浓度比对照组高。许国焕等[8]在奥尼罗非鱼的基础饲料中分别添加3.0×1011cfu/kg的枯草芽孢杆菌、汉逊德巴利酵母和凝结芽孢杆菌,结果表明,凝结芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌能显著提高奥尼罗非鱼的增重率和饵料系数,显著改善粗蛋白和干物质的表观消化率。
2 寡糖
寡糖又称低聚糖,是指含有2~10个糖苷键聚合而成的化合物,糖苷键是一个单糖的苷羟基和另一单糖的某一羟基缩水形成的;常常与蛋白质或脂类共价结合,以糖蛋白或糖脂的形式存在。寡糖广泛运用于食品、保健品、饮料、医药、饲料添加剂等领域,用作饲料添加剂的主要有低聚果糖、半乳聚糖、甘露寡糖、半乳蔗糖、大豆寡糖和低聚麦芽糖。
张宏福等[9]研究表明,在28日龄断奶仔猪饲料中添加0.5%异麦芽低聚糖,可提高仔猪盲肠和结肠的乳酸杆菌和双歧杆菌浓度,降低大肠杆菌浓度。在AA肉鸡日粮中添加0.4%异麦芽低聚糖,能促进肠道有益菌的增殖,增加蛋白质合成[10]。马秋刚等[11]研究表明,在35 d杜×长×大断奶仔猪日粮中添加果寡糖,显著提高平均日增重,降低料肉比和腹泻率,0.4%果寡糖添加组与抗生素效果相似。在大鼠日粮中添加50 mg/kg果寡糖,以三氧化二铬纤维素为标准物质,证明果寡糖能促进大鼠结肠、直肠的钙磷元素吸收[12]。添加甘露寡糖、果寡糖,可改善肠道黏膜细胞密度与细胞增殖,改善结肠黏膜上皮细胞的排列和绒毛高度[13],降低猪血清胆固醇、甘油三酯水平,提高IgG、IgA水平[14]。
Rozeboom等[15]研究表明,在保育仔猪日粮中添加甘露寡糖,在改善仔猪平均日增重、平均日采食量和料重比上具有与泰乐菌素和磺胺嘧啶抗生素组相似的效果。Yang等[16]研究表明,在肉鸡日粮中添加甘露寡糖可提高饲料表观代谢能和净能,降低可溶性非淀粉多糖中树胶醛糖的浓度和肠道黏膜上大肠杆菌的定植。王继成等[17]研究表明,低聚木糖能促进双歧杆菌和乳酸杆菌在肠道的定植和增殖,同时降低大肠杆菌在肠道的浓度,达到间接促生长的效果。郭雪峰等[18]研究表明,低聚木糖能改善仔猪平均日增重、平均日采食量和料重比,降低腹泻率;低聚木糖和酸化剂配伍使用效果更佳。
3 抗菌肽
抗菌肽是由宿主产生的一类能够抵抗外界病原体感染的小分子多肽,广泛存在于各种生物体内,具有抑制或杀死细菌生长和繁殖的功能,还具有抗病毒、抗真菌[19]、杀灭寄生虫[20]和原虫[21]、抑制或杀伤肿瘤细胞[22]等功能。抗菌肽的抗菌活性[23-24]与传统抗生素的抑菌机制不同,故不易产生细菌耐药性。目前世界上已知的抗菌肽共有1 700余种,并且新研发的抗菌肽种类日益增多[25],研究比较深入的是天蚕素、蛙皮素、蜂毒素和防御素等。
刘莉如等[26]在海兰褐蛋用仔公鸡日粮中添加350 mg/kg天蚕素抗菌肽可降低料肉比,提高胸腺、法氏囊和脾脏指数,降低前炎性细胞因子IL-6、IFN-γ、TNF-α的mRNA相对表达水平;改善小肠黏膜上皮细胞形态,增加免疫活性细胞数量[27]。郭丽君等[28]将毕赤酵母分泌表达的鲎素tachyplesinⅠ添加到芦花鸡日粮中,结果表明,与对照组相比,抗菌肽添加组能降低胸肌滴水损失和肌纤维直径,提高肌纤维密度和胸肌硒含量;抗菌肽和酵母菌合用的效果更好。
在断奶仔猪日粮中添加抗菌肽和抗生素,结果表明,两者有互作效应,能改善仔猪的生长性能,降低腹泻率和死亡率[29]。侯振平等[30]用5.5×109cfu/ml肠产毒性大肠埃希菌对28日龄德国大白杂交二代断奶仔猪攻毒后,投喂乳铁蛋白素B和天蚕素P1,结果表明,与攻毒组比较,乳铁蛋白素B和天蚕素P1组有效提高平均日增重,降低腹泻率,且添加天蚕素P1的改善效果更好。郭志强等[31]研究表明,在肉兔日粮中添加200 mg/kg天蚕素抗菌肽提高空肠和回肠绒毛高度,十二指肠、空肠和回肠绒毛高度与隐窝深度的比值,刺激有益菌的增殖,抑制有害菌的增殖,增加血清免疫球蛋白M和补体3的含量。
姜珊等[32]研究表明,用5 mg/kg中国明对虾抗菌肽饲喂吉富罗非鱼幼鱼,能提高白细胞、红细胞和血红蛋白的数量,提高过氧化物酶的活性;用嗜水气单胞菌攻毒后,5 mg/kg抗菌肽组能显著降低死亡率。宋丽华等[33]研究表明,在奶牛饲粮中添加抗菌肽制剂50 g/(d·头),产奶量显著提高,隐性乳房炎痊愈率77.5%,体细胞数降低69.53%。
4 酶制剂
酶制剂是一类从动物、植物和微生物中提取的具有生物催化能力的蛋白质。饲用酶制剂是一种以酶为主要功能因子并通过特定生产工艺加工而成的饲料添加剂。在饲料中添加酶制剂可以强化分解功能,提高消化率,促进营养物质的吸收。已发现酶的品种多达1 700多种,可用于生产应用的饲用酶也有20余种[34-37]。饲用酶制剂的应用在提高动物生产性能、改善饲料的利用效率、减少环境污染方面发挥着巨大作用。酶制剂并不能直接发挥抗菌促生长和免疫的效果,其是通过提高营养物质消化率,减少后肠有害微生物的底物,消除抗营养因子而实现类似抗生素作用的。目前,工业化生产和应用推广较多的是淀粉酶、纤维素酶、β-葡聚糖酶、葡萄糖氧化酶、脂肪酶、麦芽糖酶、甘露聚糖酶、果胶酶、植酸酶、蛋白酶、直链淀粉酶、木聚糖酶。
任建波等[38]在长×大断奶仔猪日粮中分别添加复合酶A、B、C(由α-淀粉酶、β-木聚糖酶、β-葡聚糖酶、蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶和β-甘露聚糖酶按不同组合和添加量组成),研究结果表明,与基础日粮组相比,复合酶添加组的平均日增重显著提高,料肉比显著下降,且有机物、粗蛋白和磷消化率显著改善;复合酶B组效果最好。在断奶仔猪玉米-豆粕型日粮中添加0.1%含酸性蛋白酶、中性蛋白酶、α-淀粉酶、糖化酶、β-葡聚糖酶、β-甘露聚糖酶及木聚糖酶的复合酶制剂可使ADG(平均日增重)提高15.06%,料重比降低10.53%,蛋白质、纤维以及磷的消化率显著提高[39]。Guggenbuhl等[40]研究表明,在28日龄断奶仔猪日粮中添加酸性蛋白酶,用0.4%三氧化二铬作为标记物,与对照组相比,酸性蛋白酶组能显著提高粗蛋白、必需氨基酸、蛋+胱氨酸和支链氨基酸的表观回肠消化率。
添加非淀粉多糖酶,能提高肉鸡干物质、粗脂肪和能量的利用率,提高前期肠道绒毛高度,降低隐窝深度和肌层厚度[41],能改善蛋鸡的产蛋率、料蛋比指标和蛋壳厚度,同时提高氮和磷的表观消化率[42]。林谦等[43]研究证明,在黄羽肉鸡日粮中添加25 g/t益生菌和150 g/t复合酶制剂,与基础日粮组相比,屠宰率提高0.75%,全净膛率提高5.8%。在樱桃谷鸭的杂粕型日粮中添加2种复合酶制剂,与对照组相比,添加酶制剂组肉鸭的消化酶活性和血清生化指标有改善效果,但不同的复合酶制剂效果不一样[44]。
在水产饲料中添加酶制剂,不仅可以消除饲料中抗营养因子的抗营养作用,而且还能够促进蛋白质、淀粉等营养物质的消化吸收,从而达到提高生产性能的效果。钟国防等[45]在尼罗罗非鱼日粮中添加不同比例的木聚糖酶和复合酶制剂PS,与对照组相比,处理组都能提高增重系数和蛋白质利用效率,降低饵料系数,其中0.1%木聚糖酶和0.15%复合酶制剂PS组效果最好。在草鱼日粮中添加由木聚糖酶、β-葡聚糖酶、淀粉酶和蛋白酶组成的复合酶制剂,与对照组相比,显著提高草鱼的增重率和饵料转化效率。同时,干物质、粗蛋白、粗纤维和粗脂肪的消化率也显著提高;白细胞的吞噬活性和血清杀菌能力也相应增强[46]。
Zobell等[47]在生长期和育成期的肉牛混合日粮中添加内源葡聚糖酶和木聚糖酶,与对照组相比,酶制剂添加在平均日增重、干物质采食量和饲料转化率上均无显著差异,对胴体品质也没有影响,但对生长早期的饲料转化效率有提高的趋势,这说明内源葡聚糖酶和木聚糖酶可能在肉牛早期生长中有效果。在荷斯坦奶牛精料中添加500 g/t酶制剂(含木聚糖酶、葡聚糖酶和纤维素酶),与对照组相比,酶制剂组产奶量提高1.14 kg/d,乳脂率和乳蛋白含量分别提高0.19%和0.08%,乳酮含量下降0.65 mg/dl[48]。
5 植物提取物
所谓的植物提取物,通常是指以物理、化学和生物学手段,从植物的种子、根、茎、叶等部位分离、纯化的某一种或多种有效成分为主体的产品。天然植物提取物含有与动物的免疫功能密切相关的生物碱、茶多酚、皂甙、低聚糖、黄酮类物质、挥发油类等,能提高机体的特异、非特异免疫力与抗氧化能力,维持肠道菌群平衡,同时植物提取物本身含有多糖、蛋白质、氨基酸、维生素及微量元素等,能促进动物的生长。
Traesel等[49]研究表明,在肉鸡日粮中添加牛至、迷迭香和辣椒的提取物,与对照组相比,可显著降低总球蛋白和β-球蛋白的含量,提高免疫力。肉仔鸡日粮中添加600 mg/kg冬虫夏草的热水提取物,与对照组相比,能显著提高肉仔鸡日增重和成活率、小肠有益微生物数量和新城疫抗体的滴度,效果与添加20 mg/kg卑霉素的效果相似,且有益微生物数量比抗生素组多[50]。史东辉等[51]研究表明,饲粮中添加止痢草提取物可以改善肉仔鸡的饲料报酬,提高血清IgG水平,降低肉仔鸡球虫病的发生。侯晓礁等[52]研究了添加黄芪多糖粉对母猪的影响,结果表明,黄芪多糖粉能有效提高妊娠后期母猪的生产性能,改善初生仔猪的健康水平,能够有效预防妊娠母猪的各种繁殖障碍和疾病,窝均产仔数和窝均活仔重均高于对照组;弱仔率、死胎率、木乃伊率和畸形率分别比对照组降低3.53%、1.03%、0.35%和0.32%;孙明梅等[53]指出,在哺乳母猪基础日粮中添加植物提取物能明显改善哺乳母猪的泌乳性能,提高哺乳仔猪的生长性能,降低哺乳仔猪的腹泻率及死亡率。刘波等[54]研究表明,添加200~300 mg/kg植物提取物能提高机体免疫机能与抗氧化能力,抵抗病原菌感染,促进鱼体生长。丁贤等[55]研究表明,植物提取物可以改善凡纳滨对虾饲料系数,提高饲料利用率和消化酶活性及超氧化物歧化酶、溶菌酶和酚氧化酶的活性,增强机体免疫力,促进生长。
6 酸化剂
酸化是人为地将有机酸或无机酸,单独或以混合物的形式添加到畜禽饲粮或饮水中,以降低其pH值的过程。研究表明,在饲料中添加酸化剂不仅可以维持机体健康,还可以提高动物生产性能和饲料利用率等。目前,大量的研究表明,酸化剂主要是由柠檬酸、延胡索酸、乳酸、异位酸、乙酸、丙酸、甲酸及其盐类,山梨酸、琥珀酸、苹果酸和无机酸化剂以单独或混合形式组成的。
贾刚等[56]研究表明,在肉鸡日粮中添加缓释复合酸化剂,可以通过降低肉鸡消化道pH值、改善肠道微生态环境,提高肉鸡的免疫力而促进肉鸡生长,并降低鸡舍氨浓度。董乐津等[57]研究表明,在肉用仔鸭日粮中添加0.25%的延胡索酸可以降低饲料消耗3.2%~6.2%,提高增重1.58%~5.35%,提高成活率6.6%~12.2%。李鹏等[58]研究表明,添加磷酸型酸化剂和乳酸型酸化剂均可显著增加仔猪日采食量、提高日增重、改善饲料转化率、降低腹泻率,其中以添加0.3%乳酸型酸化剂效果最佳;添加磷酸型酸化剂和乳酸型酸化剂都可显著降低仔猪胃和十二指肠食糜pH值,显著提高仔猪胃蛋白酶和胰蛋白酶活性。张爱忠等[59]报道,泌乳早期奶牛日粮中添加140 g/d延胡索酸,可显著提高奶牛的产奶量。李春华等[60]研究发现,在泌乳中后期奶牛日粮中添加延胡索酸120 g/d,可显著提高奶牛的产奶量。
虽然这些抗生素替代品在不同程度上可以替代抗生素,并对动物的生长和健康产生了积极的影响,然而一些饲用抗生素替代产品在抗病促生长效果和全面替代抗生素方面还存在较大局限性,例如微生物制剂和酶制剂在生产、运输、使用和保存过程中易失活,在消化道环境中抵抗力差;现有抗菌肽产品生产成本过高,还存在转基因安全性等问题。更为重要的是,在养殖业中单独使用一类产品往往效果不佳,难以完全控制动物拉稀、腹泻,尤其在幼龄动物上很难推广应用;而几类产品复合使用时,饲养效果虽有改善,但每吨全价饲料中的使用成本增加,远高于添加抗生素的成本,经济效益竞争性很差。因而随着人们对食品安全意识的增强,各国对抗生素使用监管力度的加强,安全、高效的抗生素替代物必将日益广泛地应用到动物营养与饲料业中。