氧化锌替代品研究进展

陈婷婷，王 曼，敖 翔，付洋洋，周建川

（四川铁骑力士集团冯光德实验室，四川 成都 610200）

近年来，规模化养猪场广泛采用仔猪早期断奶技术以提高母猪的繁殖效益。但是早期断奶带来了各种应激，加上仔猪未发育完善的免疫及消化系统，导致仔猪断奶后腹泻现象普遍，生长停滞，发病率及死亡率上升。在禁抗之前，养殖场大量使用抗生素来解决仔猪腹泻等问题，但是由此带来的耐药性及抗生素残留给人类带来了潜在的危险。当前，我国饲料行业已经进入无抗时代，抗生素在饲料中被取缔。随之而来亟需解决的就是仔猪腹泻增加、死亡率上升等问题。氧化锌由于其降低腹泻率、提高免疫力、促生长等作用在生产上得到了广泛应用，但是随着用量的增加，仔猪被毛凌乱、皮肤苍白以及环境污染等弊端开始出现。因此氧化锌替代品的研究也逐渐被提上日程。

1 氧化锌的作用

氧化锌在仔猪断奶后早期应用比较普遍[1-3]。药理剂量的氧化锌能够有效控制仔猪断奶腹泻，促进生长。除此之外，氧化锌还能增强肠道屏障功能[4]、调控肠道微生物[5]、提升机体免疫功能[6]。

有研究报道，氧化锌是防治仔猪腹泻最有效的手段之一。早在1995年就有研究发现，给断奶仔猪用高剂量的氧化锌（2～4 kg/t）可以防治腹泻[7]。氧化锌表面的活性氧具有多种形式，包括羟基自由基、超氧阴离子、单态氧、过氧化氢等，这让氧化锌具有较强的抗菌活性[8]，可抑制病原菌生长，防治病理性腹泻[9]。研究表明，氧化锌对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌具有较好的抑制作用[9-10]。王飞等（2007）在21 d断奶仔猪饲粮中添加不同水平的氧化锌，发现氧化锌添加量在1 800～3 400 mg/kg时，能显著降低仔猪腹泻率，提高仔猪增重和采食。进一步检测血清免疫球蛋白，发现氧化锌能显著提高仔猪血清IgG、IgM、IgA含量，提高仔猪免疫功能[11]。梁彦英（2011）给断奶仔猪饲喂高铜高锌饲粮，发现能在一定程度上提高断奶仔猪日增重和日采食量，降低料重比[12]。刘军（2011）研究发现，高蛋白质饲粮容易造成仔猪严重腹泻，而在高蛋白质饲粮的基础上添加高剂量氧化锌能够大幅度降低腹泻程度，探究机理发现这与炎症细胞因子水平有关。锌通过抑制Th2细胞因子的分泌，抑制炎症反应；同时提高血清和免疫器官中Th1因子水平，以此来提高仔猪免疫功能，减少仔猪腹泻，提高生长性能[13]。除此之外，氧化锌还能调控肠道微生态环境，增强肠道屏障功能。断奶仔猪饲粮中添加2 kg/t的氧化锌能提高肠道绒毛高度，提高绒毛高度/隐窝深度比例，增强黏膜屏障完整性和形态；同时降低肠道梭菌和大肠杆菌等有害微生物含量，改善肠道菌群环境[14]。采用体外发酵及微生物代谢试验研究氧化锌对断奶仔猪粪便中肠道微生物的影响，结果发现氧化锌对肠道菌群环境的改善，尤其是对大肠杆菌的影响在断奶后前两周就开始发挥作用[15]。Shen等（2014）发现，氧化锌能上调胰岛素样生长因子（IGF-1）、闭合蛋白（occludin）等mRNA表达，促进肠道黏膜免疫球蛋白IgA分泌，增强肠道机械屏障和免疫功能[16]。

2 氧化锌的危害

尽管氧化锌对仔猪腹泻具有明显的防治效果，对仔猪生长性能有促进作用，但是高剂量的氧化锌并不能被仔猪吸收，反而通过粪便、尿液甚至被毛等途径排放到环境中，对环境造成了很大威胁[17]。当土壤中的锌含量超过120 mg/kg后，土地将不再有耕地价值；甚至当过量锌从动物体内排出后，进入地下水体，会对人类健康产生潜在危害[18]。另一方面，长时间高剂量的饲喂氧化锌不仅对仔猪生长无益，反而会降低仔猪对其他营养元素的吸收，降低养分消化率。Meyer等（2002）评价断奶仔猪饲粮中添加氧化锌对粪便中锌及其他矿物质排泄的影响，发现高剂量的氧化锌（2 000～3 000 mg/kg）显著提高了锌、铁、铜和锰的排泄量，同时降低了氮、磷、铁、铜的吸收率，降低干物质消化率[19]。长期使用高剂量锌会抑制动物免疫器官脾脏和胸腺的发育[20]，或造成器官增生肿大[12]，降低动物免疫力。随着对氧化锌在环境及畜牧业中负面作用的深入认识，欧洲、美国、加拿大、日本等纷纷对饲粮中锌的限量作出了规定。2017年，我国农业部第2625号公告对《饲料添加剂安全使用规范》进行了修订，明确指出仅限仔猪断奶后前两周的特定阶段，允许使用的氧化锌或碱式氧化锌限量1 600 mg/kg（以锌元素计）；仔猪（≤25 kg）全价料中锌的最高限量为110 mg/kg。因此，寻找优质高效的氧化锌替代品成为当前备受关注的研究方向。

3 氧化锌替代途径

在养殖生产中，使用高剂量氧化锌的原因是氧化锌在酸性环境下大部分溶解在胃中，只有少量的不溶性锌能够到达肠道发挥作用[21]。因此，科研工作者对提高氧化锌利用率及寻找相近功效的替代品等进行了不同方向的研究：1）提高动物机体锌元素的生物利用度，比如使用有机锌、螯合锌等；2）对氧化锌进行包被处理，避免氧化锌在过胃时被胃酸中和；3）增加氧化锌颗粒的表面积，提高氧化锌发挥作用的效率，如纳米氧化锌、多孔氧化锌及改性修饰氧化锌；4）使用具有氧化锌相似效果的替代品，如单宁酸、五倍子等。

3.1 有机锌在仔猪上的应用效果

有机锌包括蛋白锌、氨基酸螯合锌及多糖锌等。常见的氨基酸螯合锌包括蛋氨酸螯合锌、甘氨酸螯合锌、赖氨酸螯合锌、丙氨酸螯合锌等。常见的多糖锌包括葡萄糖锌、壳聚糖锌等。与无机锌相比，有机锌具有适口性好、稳定性高、生物利用率高等优势。Wang等（2010）[22]研究发现，饲喂100 mg/kg甘氨酸螯合锌的断奶仔猪与饲喂3 000 mg/kg氧化锌的仔猪具有相近的生长性能，且甘氨酸螯合锌显著降低粪便中锌的排放。有研究报道，饲喂2 000 mg/kg的蛋氨酸锌与等量氧化锌的仔猪相比，肝脏和血浆中锌的浓度均提高，这说明有机锌生物利用度高的原因可能是锌在血浆和软组织中沉积率较高[23]。有机锌不仅能为动物补充需要的锌，同时发挥与其螯合的有机物的生理功能，比如氨基酸、多糖、寡糖等。因此，除了发挥防腹泻、促生长的作用外，螯合锌还能提高动物免疫功能[24]、抗氧化功能[25]、改善肠道健康[26]及增强繁殖性能[27]。贾玉川等（2019）[28]在断奶仔猪饲粮中复合添加蛋氨酸锌和维生素A，发现仔猪小肠前端形态明显改善，二糖酶活性显著提高。饲喂肉仔鸡甘氨酸螯合锌，发现与硫酸锌相比，30 mg/kg的甘氨酸锌能显著提高肠道黏蛋白MUC2和IgA含量，更有利于维持肠道免疫稳态[29]。多糖螯合锌能激活机体Nrf2/ARE抗氧化通路，启动抗氧化酶表达[30]，提高断奶仔猪肝脏中总抗（T-AOC）、超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性[31]。除此之外，有机锌还能改善动物繁殖性能。唐晓琳对老鼠的研究发现，壳寡糖螯合锌能显著提高雄鼠睾丸指数和精子活率，改善雌鼠卵巢、子宫等繁殖器官形态结构[27]。然而有机锌并不是添加剂量越高，促生长效果越好。氨基酸螯合锌通过对机体氨基酸及锌元素的双重营养供给促进动物生长，但是由于两者都受到相应转运载体的限制，所以当有机锌的剂量满足动物营养需求后，再提高添加量并没有明显的剂量效应。另外有机锌的成本较无机锌高，所以有机锌和无机锌搭配使用的饲喂效果可能优于单一使用[32]。

3.2 包被氧化锌在仔猪上的应用效果

将氧化锌进行包被处理能有效降低氧化锌在胃中的解离速度，防止氧化锌在胃中被酸解离成锌离子，使到达肠道的有效成分增加，从而高效发挥作用。研究表明，氧化锌在仔猪胃内4 h就能解离50%以上，而包被氧化锌4 h解离比例仅为5%左右，直到肠道中，包被氧化锌才逐渐释放，在肠道发挥抗腹泻效果[33]。Xin等（2018）[34]对断奶仔猪的研究发现，添加低剂量包膜氧化锌（500～1 000 mg/kg）与添加药理学水平的常规氧化锌（2 500 mg/kg）在促进断奶仔猪生长、缓解断奶后腹泻、改善小肠形态和营养物质消化率方面效果相同。此外，与2 500 mg/kg的常规氧化锌相比，低剂量的包膜氧化锌减少了排泄到粪便中的锌量。朱宇旌等（2015）[35]报道，2 400 mg/kg的包被氧化锌替代同等剂量的普通氧化锌，能有效提高仔猪日增重、日采食量，降低料重比和腹泻率，有效抑制大肠杆菌的繁殖，提高有益菌数量。另一个在断奶仔猪上的研究也发现，用1 000 mg/kg的包被氧化锌替代普通氧化锌，能有效增加日采食量（32 g）和日增重（69 g），降低料重比，一定程度上降低粪便评分[36]。同时，也有研究发现，包被氧化锌在超过一定添加范围后，添加剂量越高，促生长效果并不明显。申俊华等（2013）[37]报道，添加380～570 mg/kg包被氧化锌与高锌组具有相似的腹泻率，且通过线性分析发现添加510 mg/kg包被氧化锌的断奶仔猪具有最低的腹泻指数。Upadhaya等（2018）[21]也发现，在250～1 000 mg/kg的添加剂量中，500 mg/kg的包被氧化锌具有与2 500 mg/kg氧化锌相似的生长性能，剂量过高对生长性能没有明显的促进效果。但是从前人研究中可以看到，不同研究报道对包被氧化锌促生长的添加量结论并不一致，可能是与有效成分浓度和包被材料相关，具体包被氧化锌的适宜添加剂量还需要综合考量。

3.3 纳米氧化锌在仔猪上的应用效果

纳米氧化锌是一种新型无机锌材料，具有高效的生物学活性、吸收率高、抗氧化能力强等特性，是替代氧化锌的一种理想锌源。在动物饲粮中用纳米氧化锌替代高剂量氧化锌，可以起到抗菌抑菌的作用，改善动物生长性能，同时减少重金属对环境的污染。涂层纳米氧化锌在肠道中能提高有益菌Lachnospiraceae UCG-004的丰度，降低了瘤胃黄球菌的丰度，改善肠道微生态环境[38]。比较硫酸锌、氧化锌和纳米氧化锌在断奶仔猪上的饲喂效果，发现低剂量的纳米氧化锌促生长效果优于氧化锌和硫酸锌，且防腹泻效果也与氧化锌接近[39]。韩萌（2017）[40]饲喂断奶仔猪高剂量氧化锌以及低剂量的包被氧化锌和纳米氧化锌，结果发现，与高剂量氧化锌相比，包被氧化锌和纳米氧化锌均提高了仔猪平均日增重，降低料重比，腹泻率略有降低，其中以纳米氧化锌效果最好。为探究纳米氧化锌促生长的作用机制，韩萌进一步检测肠道屏障功能，发现包被氧化锌和纳米氧化锌显著上调肠道紧密连接蛋白Occludin和Claudin的表达。这与胡彩虹等（2012）的研究结果一致，即低剂量纳米氧化锌能够改善肠道结构形态，降低肠道黏膜通透性[41]。由于纳米氧化锌的粒子直径小于100 nm，容易与机体细胞受体蛋白等相互作用并影响其吸收，因此更容易在动物体内进行蓄积，对机体造成毒性影响[42-43]。当超剂量的纳米氧化锌添加到饲粮中，容易破坏黏膜免疫功能，损伤肠道组织[44]，引发炎症反应[45]。因此要格外注意纳米氧化锌的添加剂量，前人多数的研究表明，纳米氧化锌在断奶仔猪饲粮中的适宜添加剂量为300～500 mg/kg[46-49]。除此之外纳米氧化锌成本高，纳米颗粒间的静电作用较强，会导致产品流动性差，容易结块，不易混匀，操作存在安全隐患，这会使纳米氧化锌的使用受到限制。

3.4 其他氧化锌替代品在仔猪上的应用效果

研究表明，氧化锌表面积与其抑菌效果呈线性关系，表面积越大，抑菌效果越显著。因此除了有机锌、包被氧化锌和纳米氧化锌外，也有研究者对氧化锌进行改性，比如多孔氧化锌、改性修饰氧化锌等，通过提高氧化锌颗粒的表面积，可以提高氧化锌的作用，以此来降低氧化锌的添加量。此外，还有一些研究者根据氧化锌抑菌杀菌、吸附收敛、提高肠道健康等特点，寻找具有相似作用的替代品，如单宁酸。单宁酸具有收敛作用，能延长食糜在肠道的停留时间，提高水分等养分的吸收率，降低粪便中水分含量，减少仔猪腹泻[50]。同时能够提高肠道中有益微生物的数量，提高机体抗氧化能力，具有替代氧化锌潜力[51]。表1则是部分氧化锌替代品在仔猪上的应用研究总结。

表1 部分氧化锌替代品在仔猪上的应用研究

4 小结

关于氧化锌替代的研究有很多，结果众说纷纭。目前研究较多的锌源包括有机锌、纳米氧化锌、包被氧化锌、多孔氧化锌、改性修饰氧化锌、五倍子单宁酸。但是还没有定论哪种产品最具替代氧化锌的潜力。有机锌的生物利用度比氧化锌高，但也有研究发现其对日增重无显著影响。纳米氧化锌活性高、杀菌强，但是也被指出易造成DNA损伤，威胁人的安全。多孔氧化锌和改性修饰氧化锌在动物上的试验研究较少，具体应用效果还需进一步验证。其他品类的替代物需要考虑到生产成本和效果稳定性。总而言之，氧化锌替代需要科学研究和生产实践相结合，寻找效果好、成本低、安全低污染的氧化锌替代品，助力养殖业早日实现无抗低锌生产。