饲粮高剂量氧化锌及其替代物在断奶仔猪中的研究进展

张彦利 蒋显仁 李习龙

(中国农业科学院饲料研究所，农业农村部饲料生物技术重点实验室，北京100081)

断奶应激会导致仔猪发生腹泻和生长受阻。抗生素的使用有效地缓解了仔猪断奶应激，但是其带来的抗药性及安全性问题迫使人们转向其替代品的研究。自从1989年Poulsen[1]提出药理剂量(饲粮添加2 500～4 000 mg/kg)的氧化锌对仔猪腹泻和生长具有重要作用以来，许多国内外学者通过试验研究表明饲粮添加高剂量氧化锌能够改善肠道健康，有效缓解断奶仔猪腹泻，提高饲料转化率，促进仔猪生长，这使高剂量氧化锌成为有效的抗生素替代品。但是饲粮高剂量氧化锌的摄入也带来了一系列的副作用，断奶仔猪长期对高锌饲粮的采食造成了环境污染、细菌耐药性强、影响其他矿物质元素吸收及仔猪中毒等问题。为了应对这一系列问题，针对高锌替代物的研究成为当前热点。本文就饲粮高剂量氧化锌在仔猪中的实际应用效果和作用机制以及氧化锌的替代物做一综述，旨在为研发饲粮高剂量氧化锌替代物提供理论基础。

1 饲粮添加高剂量氧化锌对断奶仔猪的影响

1.1 缓解断奶仔猪腹泻

在饲粮中添加高剂量的氧化锌对断奶仔猪腹泻具有良好的预防和治疗效果。早期研究发现，饲粮添加3 000 mg/kg氧化锌来源的锌使腹泻率降低了96.8%，对预防仔猪腹泻效果最佳[2-3]。虽然高锌饲粮能有效降低断奶仔猪腹泻，但是不能长时间添加，仅限于3周左右[4]。这些报道表明饲粮添加高剂量氧化锌是断奶仔猪防治腹泻的一种常用方法和有效手段。

1.2 促进断奶仔猪生长

众多研究证实，饲粮添加高剂量氧化锌对仔猪具有良好的促生长效果，饲粮添加高剂量氧化锌(2 000～3 000 mg/kg)与不添加氧化锌对照组(无腹泻断奶仔猪)相比能够提高仔猪的平均日增重，改善仔猪生长性能[5-7]。Li等[8]研究发现，饲粮添加3 000 mg/kg氧化锌能够提高断奶仔猪平均日增重和平均日采食量，但不影响饲料效率；同时进一步研究发现对照组和3 000 mg/kg氧化锌组仔猪在平均日采食量一致的情况下，添加氧化锌能显著提高仔猪平均日增重以及饲料效率。由此看来，氧化锌并不是通过提高采食量来改善仔猪的生长性能，笔者猜测饲粮添加高剂量氧化锌对断奶仔猪的生长促进作用可能与其在保育前期缓解仔猪腹泻有关。然而，饲粮添加高剂量氧化锌时间并非越长越好。Martin等[9]报道，在仔猪饲粮中添加2 500 mg/kg氧化锌能显著改善断奶后前2周的生长性能，但是添加第3周对仔猪的效果不佳。

1.3 增强断奶仔猪机体免疫力

近些年来，研究人员陆续对饲粮添加高剂量氧化锌对断奶仔猪的免疫作用作了报道。唐萍[10]报道，高锌饲粮显著提高断奶应激仔猪T淋巴细胞转化率、白细胞吞噬率和免疫球蛋白水平，还显著提高了肠黏膜免疫功能。在免疫器官指数方面，饲粮添加3 000 mg/kg氧化锌可提高断奶仔猪胰脏和淋巴结指数[11]。Bergeron等[12]研究表明，饲粮添加2 500 mg/kg氧化锌能提高仔猪回肠黏膜中金属硫蛋白-1的表达和总抗氧化能力，并降低黏膜中肿瘤坏死因子-α的含量。此外，断奶后立即在饲粮中添加高剂量氧化锌对感染鼠伤寒沙门氏菌仔猪的免疫应答有积极影响，但作用时间不超过2周[13]。Kloubert等[14]在不同条件下对断奶仔猪饲粮添加不同剂量的氧化锌，发现高剂量氧化锌组猪的巨噬细胞吞噬能力增加，高剂量氧化锌可轻微降低自然杀伤细胞的杀伤活性，遗憾的是文中并没有对氧化锌的最佳剂量展开深入研究。这些研究表明，仔猪饲粮添加高剂量氧化锌提高了肠道和免疫器官的免疫功能，并且可以增强机体对外源致病微生物的免疫反应，进而提高机体的免疫力。

2 饲粮高剂量氧化锌的作用机制

饲粮高剂量氧化锌预防断奶仔猪腹泻和促生长的作用机制，通过阅读文献归纳总结发现，饲粮高剂量氧化锌的作用机制并不是单一的，而是通过多个方面发挥其作用的。首先，饲粮添加高剂量氧化锌能够促进断奶仔猪胃生长激素的相关基因表达，促进激素释放，增加采食量，并且高剂量氧化锌的摄入能够提高消化酶的活性，有效地提高营养物质的消化和吸收[15-17]。其次，氧化锌具有收敛肠道的作用，摄入高剂量氧化锌可显著提高类胰岛素生长因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)和IGF-Ⅰ受体的mRNA和蛋白在小肠黏膜中的表达，刺激肠道上皮细胞生殖分化从而修复损伤的肠道[8]。此外，高剂量氧化锌能够提高仔猪肠道紧密连接蛋白表达，降低肠道的通透性，阻止细菌穿透肠黏膜，增强肠道屏障功能[18-19]。氧化锌的抗腹泻效果可能还与其对肠道微生物的影响具有紧密关系。饲粮添加高剂量氧化锌能够增加肠道有益菌乳酸杆菌的数量，减少大肠杆菌的数量，但也有研究认为饲粮高锌预防腹泻与其提高大肠杆菌在回肠中的定植有关[20]。这可能是由于大肠杆菌丰度增加，提高了大肠杆菌之间的竞争力，导致致病菌减少，从而起到抗腹泻的作用。饲粮氧化锌含量的增加对仔猪肠道菌群组成和多样性产生了影响，这种现象可能有助于稳定断奶后敏感时期的肠道微生物群。锌作为机体免疫功能正常转运的重要因子，饲粮高剂量氧化锌的作用机理与其改善仔猪免疫功能密不可分。研究发现，饲粮中添加高锌降低炎性细胞因子mRNA的表达，提高抗炎因子mRNA表达；并且能够促进肠道杯状细胞的生长和黏蛋白的表达，这有利于加强肠道保护膜的作用，提高肠道防止病原微生物侵入的能力[21-23]。此外，Ou等[24]研究发现，仔猪饲粮添加高剂量氧化锌会抑制小肠中干细胞因子的表达，从而导致肥大细胞数量的减少和组胺的释放。从现有的研究发现，高剂量氧化锌可能主要是在仔猪肠道起作用，通过调控肠黏膜细胞生长因子表达，改善肠道组织形态，增强肠道屏障保护，稳定肠道菌群以及提高肠道免疫能力等改善仔猪肠道健康，进而降低仔猪腹泻，提高营养物质消化吸收。

3 饲粮高剂量氧化锌应用的局限性

3.1 高剂量锌的排出对环境造成污染

虽然饲粮添加高剂量氧化锌能够有效缓解断奶仔猪腹泻，但是氧化锌的生物学效价比较低，摄入的锌绝大多数都不能被仔猪吸收利用。当饲粮添加高剂量锌时，大部分锌没有被动物消化吸收，而是随着粪便排出体外。Case等[25]研究发现，饲粮中99%的锌通过粪便排到环境中，在保育猪的饲粮中添加3 000 mg/kg以上的氧化锌会导致粪便中锌的过量排泄，粪便中高含量的锌会造成土壤污染，导致土地失去可耕性。Jondreville等[26]报道，在育肥猪饲粮中，如果锌的含量由250 mg/kg降到100 mg/kg，表层土壤中的锌的年积累量可减少35%，降低锌的添加量是减少锌排泄和锌污染的有效途径。鉴于锌对环境的不可逆污染，目前许多国家对氧化锌在饲粮中的添加量都进行了严格的控制。加拿大和美国饲料协会已表明饲粮中锌最大限量为500 mg/kg，日本则规定仔猪(30 kg以下)饲粮中锌最大限量为120 mg/kg，欧盟已经出台逐步取消在仔猪饲粮中使用高剂量氧化锌的行动方案，我国也已经规定在仔猪断奶后前2周饲粮中添加锌(以锌元素计)的最高剂量由2 250 mg/kg降为1 600 mg/kg。

3.2 饲粮高锌影响其他矿物质的吸收

饲粮高剂量氧化锌会降低仔猪对锌和其他矿物质的吸收，增加粪便矿物质的排泄[27]。锌摄入过量会阻碍铜元素和铁元素的吸收，导致仔猪体内铜和铁的缺乏[28]。辜玉红等[29]报道，当饲粮中添加3 000 mg/kg氧化锌时，仔猪血红蛋白含量显著降低，这表明机体内铁元素的吸收和利用降低，从而影响了血红蛋白的合成。因此，为了保证在拮抗作用下满足断奶仔猪铜元素和铁元素的正常吸收，在高剂量氧化锌饲粮中通常需要添加过量的铜和铁。这就会导致恶性循环，造成饲粮中重金属的滥用和对环境的进一步破坏。此外，随着药理剂量锌补充量的增加，锌与其他矿物质元素相互作用，导致钙、磷、钠、钾和铜的消化率降低[30]。综上所述，高剂量氧化锌的摄入在不同程度上影响了其他矿物质元素的吸收，进而造成受其拮抗的矿物元素的缺乏，最终可能造成仔猪机体功能损伤。

3.3 饲粮高锌导致细菌耐药性增加

越来越多研究发现长时间使用高锌饲粮能诱发耐药性细菌的产生。Bednorz等[31]报道，饲粮添加锌可提高仔猪大肠杆菌克隆的多样性，而且多重耐药大肠杆菌比例显著增加，尤其是四环素和抗磺胺类大肠杆菌菌株。研究得到了类似结论，饲粮高剂量氧化锌会增加断奶仔猪抑制革兰氏阴性菌的四环素和磺胺类抗性基因的表达，这将直接促进多重耐药性大肠杆菌菌株的形成[32-33]。此外，饲粮高剂量氧化锌也会影响仔猪甲氧西林金黄色葡萄球菌的患病率和持续性[34]。仔猪断奶早期摄入高剂量氧化锌可能具有抗菌效果，但是长时间摄入高剂量氧化锌会增加细菌耐药性，促进抗生素耐药性传播。因此，饲粮高剂量氧化锌的使用效果值得重新思考。

3.4 长期饲粮高锌引起锌中毒及损害肠道健康

仔猪断奶早期饲粮添加高剂量氧化锌会提高平均日增重，改善生长性能。但是也有研究表明，长时间摄入高剂量氧化锌会造成机体损伤，甚至引起锌中毒。研究发现，饲粮添加高剂量氧化锌组仔猪平均日增重并没有得到提高，反而低于常规组[35]；而且饲粮添加高锌会导致仔猪肠道结构不完整，各部位肠道都出现损伤，肠黏膜上皮细胞有萎缩并伴随肠黏膜脱落；还会导致免疫水平显著下降，甚至后期会出现严重的中毒反应[36]。所以，断奶仔猪长时间饲喂高锌饲粮会破坏小肠黏膜结构，从而损害营养物质正常消化吸收，不利于生长。此外，研究显示，饲粮长时间添加高锌会降低肠道有益菌乳酸菌的数量，影响肠道微生物的组成和生物活性；同时也会使仔猪盲肠短链脂肪酸(尤其是丁酸和戊酸)含量显著下降，仔猪肠道微生态环境遭到破坏，菌群关系不稳定[37-38]。高锌的长期摄入也会使仔猪机体免疫应答受损，饲喂高剂量氧化锌饲粮6周以上会导致仔猪肠系膜淋巴结中细胞因子信号转导抑制因子基因的上调[39]。断奶仔猪饲粮长期添加高剂量氧化锌会导致机体后期生长受阻，严重时造成锌中毒，引起仔猪消化道损伤，破坏机体正常免疫反应。虽然饲粮添加高剂量氧化锌具有一定的促生长效果，但是仅限于短期内(断奶2周内)添加饲粮氧化锌。保育前期饲粮中添加高剂量氧化锌的主要作用是预防腹泻，从而间接提高这个阶段的生长性能。而保育后期腹泻不是影响仔猪生长的主要因素，小肠的消化吸收能力起到至关重要的作用。高剂量氧化锌的长期使用会损伤仔猪肠道健康，严重时还会出现中毒情况，从而降低仔猪后期生长性能。所以在使用高锌时要控制使用剂量和持续时间。

4 饲粮高剂量氧化锌替代物

长时间使用高锌饲粮导致细菌耐药性增加、动物机体中毒、环境污染等不利的影响。寻找一种理想型氧化锌替代物，以保证生猪产业的可持续发展势在必行。目前已经有了不少的氧化锌的替代品研究，例如不同形式的氧化锌。

4.1 纳米氧化锌

纳米氧化锌具有利用率高、抗菌性强的特点，是近年来一种呼声较高的氧化锌替代物。纳米氧化锌在肠道停留的时间更长，与肠道壁接触更加充分，从而增加了养分的消化吸收速度和利用率。仔猪饲粮添加纳米氧化锌具有较好的抗腹泻作用，饲粮添加450和600 mg/kg纳米氧化锌均显著降低了仔猪腹泻率[40-41]；而且，饲粮添加纳米氧化锌会使血清中的生长因子含量和生长激素水平得到提高[17,40]，有利于仔猪的消化和生长。同时，研究发现，饲粮添加纳米氧化锌能够提高仔猪免疫能力，提高免疫球蛋白A含量，增强仔猪免疫应答[17]。此外，饲粮添加纳米氧化锌降低了血浆中D-乳酸含量和二胺氧化酶活性，有效地降低仔猪肠黏膜损伤程度，保证肠上皮细胞紧密连接完整性；且肠道抗氧化酶和紧密连接蛋白的mRNA表达显著增加[41]，由此增强肠道屏障保护功能。但是纳米氧化锌会对机体造成毒性损害，在哺乳动物细胞中，氧化锌纳米粒子的毒性效应，如膜损伤、炎症反应、DNA损伤和凋亡已经得到证实[42-43]。研究表明，小鼠亚急性口服纳米氧化锌(300 mg/kg)会导致肝内纳米粒子的积累，从而导致氧化应激介导的DNA损伤和凋亡；而且，饲粮高剂量纳米氧化锌能够造成小鼠各器官出现不同程度的损伤，其中主要是小肠黏膜结构被破坏和肠绒毛萎缩[44-45]。目前关于不同剂量的纳米氧化锌的毒性强度方面的研究较少，但是关于不同粒径的纳米氧化锌的毒性研究已有结果。3种不同粒径的纳米氧化锌对大鼠产生亚慢性毒性并高于常规氧化锌的毒性，导致大鼠睾丸内生精细胞数目显著减少，细胞凋亡显著增加，且粒径越小毒性越重[46]。这与Wang等[47]研究结果一致，饲粮中颗粒较小的纳米氧化锌在低剂量时就可以引起血黏度增加，而较大颗粒纳米氧化锌在高剂量下才能引起血黏度异常。纳米氧化锌的颗粒大小显著影响其毒害作用，颗粒越小毒性越强。Huang等[48]研究发现小鼠在接触纳米氧化锌后可引起嗜酸性气道炎症。Hackenberg等[49]通过人鼻黏膜上皮细胞的培养试验中发现，纳米氧化锌浓度从10 μg/mL开始对DNA损伤明显增强，在纳米氧化锌浓度为50 μg/mL时显示出细胞毒性。目前大多数研究都是体现纳米氧化锌对仔猪的积极作用，关于纳米氧化锌对断奶仔猪的毒性作用还不清楚。纳米氧化锌的使用效果可能与颗粒大小、浓度和时间相关，其在断奶仔猪的使用过程中的安全性值得进一步深究。此外纳米氧化锌生产成本高，产品容易结块，不利于长期保存。在纳米氧化锌广泛替代传统氧化锌的同时，我们应该结合纳米氧化锌的安全性及经济性做出判断。

4.2 包被氧化锌

包被氧化锌可通过包被使氧化锌避免被胃酸中和成锌离子，从而在肠道内以氧化锌形式释放并发挥作用。有研究表明饲粮添加包被氧化锌具有一定的作用效果。研究报道，刘连龙等[50]研究发现，饲粮添加300、450 mg/kg包被氧化锌对仔猪生长性能有显著提高作用，同时对料重比有降低作用，且与高剂量(3 000 mg/kg)的传统氧化锌相比，低剂量(300、450 mg/kg)的包被氧化锌与其作用相当。这可能与其显著改善了仔猪肠道形态结构，增加了十二指肠和回肠绒毛高度，而且能够改善肠道微生物群落以减轻腹泻有关[51]。此外，相比于普通高剂量氧化锌，添加包被氧化锌可降低粪便中锌的含量，经过包被的氧化锌能够在肠道内进行定点释放，从而减少了氧化锌的损失，降低对环境的污染[52]。但是也有研究表明，包被氧化锌对缓解仔猪腹泻、促进生长、改善肠道健康等方面的有益作用不如高剂量普通氧化锌效果明显；相比于普通氧化锌，包被氧化锌降低了十二指肠和空肠的绒毛高度以及绒毛高度与隐窝深度的比值，并且脂质包被的氧化锌对诱导结构蛋白和细胞因子表达方面不如高剂量普通氧化锌[53-54]。这可能与仔猪断奶后胰脂肪酶活性较低，不太容易溶解脂质，导致氧化锌的释放比较困难，胃肠道中的有效氧化锌分子比较少有关。所以，用包被氧化锌替代高剂量普通氧化锌的作用效果及机理需要更多研究来证明。

4.3 多孔氧化锌

多孔氧化锌是一种新型氧化锌，通过工艺改造的创新，它的比表面可以达到饲料级普通氧化锌的10～15倍。每个氧化锌颗粒是有众多的氧化锌分子组成的，更大的比表面意味着更多的氧化锌分子暴露在氧化锌颗粒的表面，这样就增加了氧化锌分子与肠壁和肠道食糜中微生物接触的几率。氧化锌的抑菌活性与产品的比表面积是呈正相关的，多孔氧化锌具有较大的比表面积。因此，相比于普通氧化锌，多孔氧化锌具有更好的抑菌效果[55]。众多研究表明，饲粮添加低剂量多孔氧化锌能够降低仔猪腹泻率，提高平均日增重、平均日采食量以及饲料效率[56-58]。此外，饲粮添加多孔氧化锌有利于提高十二指肠、空肠和回肠的绒毛高度与隐窝深度的比值，改善肠道形态结构；增加空肠黏膜的跨上皮电阻，降低肠黏膜通透性，增加碱性磷酸酶、闭合蛋白1和紧密连接蛋白-1相关基因的表达，增强肠道结构完整性；多孔氧化锌还可以调整肠道微生物多样性，增加仔猪肠道中乳酸杆菌数量，盲肠中短链脂肪酸含量，甚至能够治疗由高剂量铁引起的胃肠道紊乱[59-60]。尽管如此，目前关于多孔氧化锌在断奶仔猪上的实际应用研究得并不多。虽然多孔氧化锌替代高剂量氧化锌有初步的效果，但是这些研究都是在添加抗生素基础上进行的，单独使用多孔氧化锌的效果还需要进一步研究。多孔氧化锌对仔猪的作用机理尚未完全弄清楚，用其替代高剂量氧化锌还需要更多的试验证明。

5 小结与展望

在肯定高剂量氧化锌对断奶仔猪有积极作用的同时，也要正视高锌氧化物带来的负面效应，再结合当前的国家政策以及国际上对绿色环保的提倡，替代高剂量氧化锌势在必行。综合几种氧化锌替代物，多孔氧化锌在养猪行业上具有广阔的应用前景。但是，就目前研究现状来看在饲粮中单一的添加某一种替代物是不合理、不科学的。有机酸及其盐的混合物可能更有利于改善断奶仔猪胃肠道环境，平衡菌群关系。将氧化锌及其替代物的作用机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进作用的添加剂，也是一种替代氧化锌的发展思路。寻找一种理想型氧化锌替代物，我们要从实际出发，结合其应用效果、添加剂量、生产成本以及安全性做出判断。