营养活性物质组学产品研发和应用的理论和实践

■卢德勋

（内蒙古农牧业科学院，内蒙古呼和浩特010030）

饲料是动物赖以生存的基本物质，动物必须利用饲料获得营养才能生存并繁衍后代。一般来说，饲料中营养成分除传统的营养素外，还有数百种营养活性物质。早在上千年，人们已经开始认识一些活性物质的特殊功能，但是真正应用到食品和饲料中时间并不长。古希腊著名内科医生Hippocrates就描述过柳树叶和柳树皮可缓解疼痛。Galen首次记录了柳树皮的退热和抗炎作用。1827年，柳树皮中的活性成分水杨苷（salicin）被分离、纯化出来，并逐步成为现在世界各国普遍应用的阿司匹林。我国古代医学一直大量利用植物药材中活性成分与疾病作斗争，形成了完整的中医药体系。20世纪50年代以后，发达国家营养缺乏症的消灭和慢性疾病的发展，促进了营养学界对食物中非营养成分的认识。随着科学技术的发展和进步，特别是微量和痕量分析设备和技术的发展，越来越多的科学发现证实，食物中不仅存在大量的营养活性成分，而且这些成分具有多种可以提供人体基本营养之外的健康功效。这些发现进而彻底揭开了“药食同源”的奥秘。众所周知，动物营养学发展与人类营养学发展两者相辅相成，相互促进，共同发展，特别是在发展的早期。一部畜牧发展史告诉我们，在全球家畜养殖业发展进程中同样经历过饲料短缺，营养不良或缺乏的发展阶段，目前在一些发展中国家依然经历着这一阶段。现在发达国家虽然已经跨越了这一阶段，但是在“唯生产效益决策观”指导下，长期以来动物营养学的研究内容一直集中在动物对传统的营养素需要量和饲料传统营养价值评定两个方面。最近几十年对养殖业中滥用抗菌素造成的对动物和人类健康危害越来越引起广大社会公众的高度关注。寻找可以代替抗菌素的绿色饲料添加剂产品在动物营养学和饲料科学界已经达成了广泛共识。植物提取物研发的热潮大大推进了对饲料行业已存在的大量营养活性物质的研究和应用。近年来随着发展养殖业“多元决策观”的广泛传播，在我国健康养殖的理念日益深入人心，特别是利用营养活性物质制定健康养殖的营养策略的各种方案的提出大大促进了对饲料中存在的营养活性物质研究，利用营养活性物质研发和生产的种种饲料添加剂产品不断涌现，目前市场上出现了诸如精油一类产品热。遗憾的是，我国动物营养学和饲料科学界对饲料中营养活性物质的认识，特别是对其理论的研究处于初级水平，产品研发和应用存在这样或那样的问题，大大影响了此类产品的研发和应用。本文针对这一问题，根据作者团队多年来研究成果，拟就营养活性物质组学产品研发和应用涉及的一些理论和实践问题发表一些看法，供各位同行参考。

1 营养活性物质定义和营养活性物质组学产品定位

长期以来业界对营养活性物质的定义缺乏明确、统一的看法。作者认为，饲料营养活性物质准确定义应该是：饲料原料天然存在的或饲料营养物质在饲料加工过程中及在动物体内消化代谢过程中产生的，具有诸如促进肠道健康、维持理想的免疫平衡和氧化平衡及调节基因表达等特殊营养调控或保健功能的微量成分（卢德勋，2005，2017）。对于饲料原料或产品中存在的营养活性物质在英文文献中不同学者曾使用过不同术语，诸如：Nutricines（Adams，1999）；Pronutrients（Rosen，1996）；Growth promotants（Thomked lwinger，1998）和 Non-nutritive consituents（Wettasinghe，2002）等。我个人认为Adams博士提出的术语Nutricines最能准确地表达营养活性物质的确切含义。

在饲料原料和产品中存在的主要营养活性物质主要有8大类，即类胡萝卜素（Carotenoids）、酶类（Enzymes）、脂肪酸类（Fatty acids）、调味剂（Flavours）、低聚糖（Oligosaccharides）、有机酸（Organic acids）、磷脂（Phospholipids）和多酚（Polyphenols）。饲料中营养活性物质的主要功能有：保持饲料或食物原料的品质和卫生；促进营养物质的消化和吸收；调节消化道内微生物区系；与基因组互作，影响基因表达以及影响免疫系统的功能，调节氧化状况平衡。

Adams博士多年来从事饲料营养研究、技术研发和推广工作，是国际动物营养领域全方位营养（Total Nutrition）倡导者，他积极提倡现代畜禽健康养殖和清洁养殖科学理念，长期与美国著名企业Kemin公司合作，为近45个国家和地区的畜禽养殖技术的创新和发展做出了重要贡献。Adams博士特别在营养活性物质（Nutricines）方面的研究做出了突出贡献：一是在国际上正式提出使用Nutricines一词，为营养活性物质正名，被越来越多学术刊物和机构所采用；二是把营养活性物质研究放在前所未有的突出位置，作为健康营养（Nutrition-based Health）的重要组成部分,并把利用营养活性物质进行调控作为重要的营养策略。

卢德勋（2012）对营养活性物质（Nutricines）研究成果进行了创新和发展，首次提出营养活性物质组学理论，为营养活性物质组学产品研发提供了理论基础，并在此基础上提出了一个对饲料营养组成的崭新见解，把营养活性物质正式列入饲料正常营养组成，并把反营养物质与那些具有反营养作用的营养活性物质加以严格区分，对传统饲料科学整体现代化发展具有开创性贡献。作者对饲料营养组成的新见解为传统饲料营养价值评定技术和日粮配合技术现代化发展提供了新思路，开辟了新途径。

所谓营养活性物质组学产品一般是指那些在营养活性物质组学理论的指导下，经过某种特定的加工技术生产出的含有众多营养活性物质，用于营养调控和动物保健的饲用添加剂产品。从严格意义上讲，营养活性物质组学产品必须符合以下三个条件：

①按照营养活性物质组学理论研发和生产的产品；

②经过配套的现代产品品质评价技术检验过的产品；

③ 具备行之有效的配套的饲用技术体系的产品。

营养活性物质组学产品是一个由众多营养活性物质分子组成的复合体，由此导致其在动物体内作用方式和途径的多样性，形成一种多靶点、多指向综合（包括协同）作用机制。只有应用代谢组学技术才能有助于从系统水平阐明其作用机制的整体性和动态变化。营养活性物质组学产品的作用位点覆盖机体不同层次，但是重点在分子层次。只有通过对不同层次作用机制的整合才能最终阐明其科学内涵。营养活性物质组学产品在机体内部与日粮来源和代谢产生的各种营养物质和代谢产物存在复杂的相互作用。

当前现行组学型产品研发和应用存在的主要局限性是：产品研发缺乏正确的理论指导；产品研发和应用技术脱节；产品应用技术单打一，缺乏整体观念；产品应用未能融入动物营养工程技术体系，进行“体系”作战。

2 营养活性物质组学：组学产品研发的理论基础

饲料成分复杂，单个饲料就是一个复杂的化学分子库；而由单个饲料原料按一定配方原则配合起来的日粮更是一个多个化学分子库的更为复杂的集成体。虽然很多化学成分不一定全是有效营养成分，但由于在营养过程中各种化学成分之间存在相互作用，其成分的多样性必然导致作用方式和途径的多样化。作为日粮的组成部分的饲料原料是一个多种成分的复合体系，作用靶点多，在动物体内涉及多个基因和多个生化通路。如果用传统动物营养学的分析思维方法和技术研究饲料原料和日粮的理论和技术问题，只关注一点而不及其余，显然无法评价这种多靶点综合（包括协同）的作用机制。基因、蛋白质、代谢水平的各种组学技术发展和在动物营养学领域的应用为从系统的角度诠释饲料和日粮多成分、多靶点、多层次的系统整体调控理论和技术原理以及其微观机制开辟了广阔的前景。各种组学技术的综合应用可以使我们有可能从系统水平上阐明营养代谢规律的整体性和动态性变化并最终诠释其科学内涵。对营养活性物质组学产品的研发必须同样坚持组学原则，综合应用各种组学技术。

卢德勋（2005）首次提出“营养活性物质组学（Nutricinemics）”的新概念，为营养调控剂产品研发提供了科学的理论指导。所谓营养活性物质组学，其定义是研究天然存在的各种营养活性物质之间的相互作用与人工配合的各种营养活性物质间的优化组合以及它们的整体功能，而不是仅仅单单研究某一种活性物质的功能和技术的一个动物营养学和饲料科学的研究方向。这一理论的提出，正是生命科学中组学理论在动物营养学和饲料科学中间的应用和发展，它不仅对营养活性物质组学产品的研发有重要的指导意义，而且也为新一代饲料产品的研发和相关技术的发展提供了全新的研究思路和方法，已经并正在产生着极其深远的影响。单一营养活性物质学与营养活性物质组学比较如表1所示。

表1 单一营养活性物质学与营养活性物质组学比较

营养活性物质组学理论和技术的研究课题包括有：

①饲料原料或日粮内营养物质与营养活性物质之间的相互作用，及其代谢规律的研究；

②饲料原料内营养活性物质在动物体内安全性的研究；

③由多种营养活性物质组成的功能性的营养活性物质组学产品系列研发；

④组学型产品品质评价和饲用技术研发。

在营养活性物质组学理论指导下，当前组学型产品研发和应用技术研究应做的三件事：

①对现有的成熟的组学型产品的机制和应用技术进行深入研究；

②研究与组学型产品相配套的实用技术，比如研究与使用组学产品时，其中活性成分与其他日粮成分的组合效应和发展系统集成型技术以及研究对组学型产品饲用效果的评定技术；建立快速、准确的生物活性物质分析技术等等；

③加强对新一代组学型产品的研发和利用，其中包括植物提取物产品、微生物发酵产品和其他生物资源活性物质的研发和利用。

3 营养活性物质组学产品的应用技术体系

营养活性物质组学产品的应用技术体系包括营养活性物质组学产品品质评价指标体系和营养活性物质组学产品饲用技术体系。积极推进营养活性物质组学产品的饲用技术体系研发是当前急待解决的一个技术问题。

3.1 组学产品品质评价指标体系

使用营养活性物质组学产品的根本目的在于营养调控和动物保健，加之含有众多复杂的营养活性物质，所以现有的添加剂品质评价技术已远远无法满足对该类产品品质评价的需求。根据营养活性物质组学理论建立符合营养活性物质组学产品特定需求的现代品质评价指标体系势在必行。这一评价体系既要包括一些传统的添加剂品质评价方法，还要特别包含一些与营养活性物质功能相关的产品各组分组学图谱指标以及特定的生理功能性指标，比如肠道健康指标、免疫平衡指标和氧化平衡指标等等。下面重点介绍一下作者最近提出的免疫平衡指标。

免疫平衡是指通过在免疫应答过程中对包括巨噬细胞、嗜中性粒细胞、天然杀伤细胞等各种免疫细胞、补体因子和特定的T淋巴细胞群各自及相互作用的正负效应的调节，使免疫激活和抑制保持理想平衡状态。免疫平衡是健康的免疫系统的根本保障。免疫激活和抑制一旦失衡就会产生免疫应激，导致动物健康问题发生和饲料利用率降低。在畜牧生产和技术推广中往往过多强调增强动物免疫功能，很少讲免疫激活和抑制平衡，而后者恰恰与动物健康密切有关。当前国内外对动物免疫平衡评定的研究相当薄弱，根据人医方面的研究，作者特别提出以下评定免疫平衡的候选指标，希望更多同行展开研究。

①CD4/CD8比值：它是动物和人体内的T淋巴细胞的亚型的数目比值。也就是CD4 T淋巴细胞和CD8 T淋巴细胞的比值。CD4分子分布在T细胞的辅助细胞和抑制细胞诱导亚群（helperinducer/suppressorinducer）表面，而CD8分子分布在抑制性T淋巴细胞（suppressorTlymphocyte Ts）和杀伤性T淋巴细胞（cytotoxicTlymphocyte CTL或Tc）表面，它们在鉴别T细胞亚群中有重要作用。这些细胞表面标志也和细胞的不同功能相关，所以该数目的比值就有相应的功能体现和临床意义。

②Th1/Th2的比值：CD4阳性细胞群是一个不均一的亚群，可分为Th1和Th2两个亚群，分别针对外来物质和病原微生物启动免疫应答。这些细胞可以分泌免疫信息蛋白等细胞因子，担负着免疫调节的生理功能。在一般情况下，Th1/Th2应该处于平衡状态，但是由于多种因素影响，两者往往会导致不平衡。Th1/Th2平衡指标在人类以外的其它动物方面应用的研究尚有很大潜力，今后急需开展将这一指标作为评定动物免疫平衡状况的一个辅助性指标，而不是唯一指标的研究。

3.2 组学产品饲用技术体系

如上所述，产品研发与应用技术脱节、产品应用技术单打一，缺乏整体观念和产品应用未能融入动物营养工程技术体系，进行“体系”作战是当前组学型产品在应用技术方面存在的主要“软肋”。发展具有时代特征的组学型产品在应用技术体系是该系列产品和技术研发的当务之急。具有时代特征的组学型产品在饲用技术体系应当具有这样两个根本性技术特征：一是系统集成和动态优化技术模式；二是能全面体现科学的饲用原则。

系统集成和动态优化技术模式要求组学型产品必须融入动物营养工程技术体系，进行“体系”作战。作者提出的动物营养工程技术体系的理论框架属于系统集成型的技术体系。它体现了现代动物营养理论的时代特征、可持续发展特征，具有广阔的兼容性和很强的可操作性，为组学型产品发挥“体系”作战优势提供了一个可持续发展的系统集成型技术模式。所谓动物营养工程技术体系是指针对动物的营养生理特点和相应的饲养模式，围绕一定的饲养决策目标，将多种营养调控技术之间和内部加以系统集成，以充分发挥各种技术的整体优势，组织实施动物的营养调控的系统工程，以实现理想的饲养决策目标的成套的营养技术。它具有传统营养技术无法比拟的技术特征，动物营养工程技术体系的技术特征：营养调控优先、灰箱性质、综合技术、系统集成、动态优化、检测-决策-预测三位一体、技术决策和运行的精准性。如何在融入动物营养工程技术体系，进行“体系”作战呢？一是在组学产品研制过程中要根据动物不同生理阶段、不同饲养决策目标和环境因素设计针对性产品，使其系列化；二是在日粮优化设计过程中要针对不同饲料原料的特点和日粮类型，尽可能做到日粮中其它成分与组学型产品成分之间呈正组合效应；三是在融入动物营养工程技术体系，进行“体系”作战时，利用营养工程技术的“导弹智能化”动态优化功能达到精准营养效果。在应用营养活性物质组学产品时要充分考虑影响组学型产品饲用效果的主要因素，比如日粮类型、产品的添加量、动物种类和生理阶段、动物日粮营养水平和营养平衡状况以及组学型产品对高温和高压等工艺处理的耐受性等等。

随着科学技术水平的提高以及饲养决策目标理念的现代化，对饲料饲用的科学原则也在悄悄发生变化。在实施这一技术体系时，必须全面体现现代科学的饲用原则。这些原则包括有人性化原则、精细化原则（个体化原则）、优化原则、科学的经济原则、安全原则和环境友好原则。

4 小结

营养活性物质组学产品的研发和应用具有极其巨大的发展潜力和令人鼓舞的前景。目前营养活性物质组学产品的研发和应用尚存在一些认识误区，严重影响着这一领域的进一步发展和提高。营养活性物质组学理论的提出为组学型产品的研发和应用指明了正确的方向。在营养活性物质组学理论指导下，发展具有时代特征的组学型产品的品质评价体系和饲用技术体系是当务之急，势在必行。实现这一战略目标尚需进一步转变观念，解放思想，做大量创新性研究才能取得突破性进展。