新型多孔增效氧化鋅在斷奶仔豬消化道內(nèi)的抗菌作用

◆作者：Valérie Kromm,Agathe Roméo

◆譯校：張永剛 譯，張津校 李升生 校

眾所周知，斷奶仔豬日糧中添加氧化鋅可以提高生長性能并能有效地降低仔豬斷奶后的腹瀉，但是為什么其他形態(tài)的鋅源在控制斷奶仔豬腹瀉上沒有氧化鋅效果顯著呢？下面讓我們看一下氧化鋅的抗菌作用。

1 斷奶仔豬日糧中的氧化鋅

仔豬在斷奶的時候腸道微生物區(qū)系會發(fā)生改變，且仔豬的免疫系統(tǒng)也沒有發(fā)育成熟，此時一些病原菌，如產(chǎn)腸毒素大腸桿菌會趁機入侵、定殖并繁殖，這也是我們常見的斷奶后腹瀉的原因，與之相伴的是生長受限。針對此類問題，在所有可以利用的飼料添加劑中，氧化鋅是一種非常不錯的選擇。目前研究非常清楚的是氧化鋅具有抗菌的作用，結(jié)合基因測序和PCR 擴增技術(shù)研究證明了藥理劑量氧化鋅（3000mg/kg）對斷奶仔豬腸道微生物作用的新結(jié)果。體外試驗表明：從氧化鋅針對豬腸道中75個菌株的最低抑菌濃度來看，很難從菌株分類起源上找出不同菌株對不同濃度的氧化鋅具有敏感度差異。但是與腸桿菌和乳酸菌相比，嚴(yán)格厭氧菌對氧化鋅的最低抑菌濃度表現(xiàn)出了多樣性。與將細(xì)菌簡單的分為革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌相比，氧化鋅的作用更具有菌種的特異性。在模擬體內(nèi)的條件下發(fā)現(xiàn)高劑量的氧化鋅會抑制斷奶仔豬胃和空腸食糜中微生物的生長，且乳酸菌更容易受到高劑量氧化鋅的影響。在仔豬進(jìn)食含有3000 mg/kg 氧化鋅的日糧時，仔豬腸道菌群的多樣性增加，但是腸桿菌科、埃希氏桿菌屬和乳酸菌的數(shù)量會下降(圖1)。

雖然我們已經(jīng)了解了氧化鋅對斷奶仔豬腸道微生物的作用，但是我們?nèi)匀贿€有很多疑問：（1）氧化鋅是如何影響微生物的代謝和健康的?（2）氧化鋅對仔豬腸道健康的積極作用僅僅局限于它的抑菌活性嗎?（3）不同來源的氧化鋅具有相同的效果嗎?

圖1 藥理劑量氧化鋅對斷奶仔豬腸道微生物分布的影響

圖2 微生物數(shù)量隨著氧化鋅懸浮液（紅色）和氧化鋅上清液（藍(lán)色）濃度增加而下降的曲線圖

2 氧化鋅的作用機理

氧化鋅是非水溶性化合物，但是在低pH 值條件下氧化鋅會發(fā)生解離。仔豬胃中的酸性環(huán)境非常弱再加上仔豬不成熟的消化系統(tǒng)和胃中食糜構(gòu)成的緩沖體系，氧化鋅在仔豬胃中的解離是非常有限的。氧化鋅一旦解離，解離的Zn2+會進(jìn)入胃腸道。人們一般認(rèn)為氧化鋅的抗菌活性來自這些解離的鋅離子，解離的鋅離子會與微生物的氨基酸基團(tuán)互作，對鋅離子的主動轉(zhuǎn)運構(gòu)成抑制。如果氧化鋅的抑菌活性依賴于解離的有限的鋅離子的話，那么水溶性較高的硫酸鋅會因為解離出更多的鋅離子而發(fā)揮更好的抗菌效果，但事實并非如此。最近的研究證實氧化鋅的作用來自于氧化鋅分子，從氧化鋅中解離的鋅離子對抑菌作用的貢獻(xiàn)很低且因微生物種類而異。對大腸桿菌來說，解離的鋅離子貢獻(xiàn)的抑菌作用只有15%(圖2)。

圖2 也很好地解釋了仔豬飼料中為什么要用藥理劑量的氧化鋅而不使用其它形式的鋅化合物。是否氧化鋅對仔豬腸道健康的積極作用僅僅來源于氧化鋅的抑菌作用還是有爭議的。在關(guān)于氧化鋅作用機理的眾多假說中一種理論被廣泛認(rèn)可，在黑暗環(huán)境中暴露在紫外光照射下的氧化鋅可以產(chǎn)生活性氧自由基（其他情況下也可以發(fā)生），進(jìn)而對細(xì)胞造成嚴(yán)重破壞?；钚匝踝杂苫梢允刮⑸锂a(chǎn)生氧化應(yīng)激且活性氧自由基可以引起微生物類脂膜的氧化，進(jìn)而引起細(xì)胞膜組成的改變，這也可以在一定程度上來解釋氧化鋅可以減少病原菌（如大腸桿菌）對宿主細(xì)胞的附著。病原菌在上皮細(xì)胞上附著的減少可以有效減少腸毒素的分泌，同樣也可以觀察到日糧添加氧化鋅后對腸道形態(tài)的影響(圖3)。

目前，關(guān)于氧化鋅的抑菌機理還不是十分清楚，并且會因靶細(xì)胞的不同作用機理會有所差異，但是普遍認(rèn)為氧化鋅肯定通過某種特定的機理來發(fā)揮作用，氧化鋅改善腸道健康的作用也與不同氧化鋅產(chǎn)品顆粒的理化特性關(guān)系很大。

圖3 在有氧化鋅（右）和沒有氧化鋅（左）的環(huán)境中大腸桿菌對回腸上皮的附著

圖4 不同來源的飼料級氧化鋅(左)和新型多孔增效氧化鋅(右)

圖5 不同氧化鋅產(chǎn)品的電鏡掃描圖

3 并不是所有的氧化鋅都是一樣的

氧化鋅的來源可謂千差萬別，不能僅用分析微量元素的含量來推測微量元素產(chǎn)品的差異，飼料級氧化鋅的品質(zhì)變異非常大，主要由于生產(chǎn)氧化鋅的原料和工藝差異所致（圖4、5），這些產(chǎn)品間物理化學(xué)特性的差異會導(dǎo)致其生物利用率和抗菌活性的各不相同。

納米氧化鋅會與常規(guī)氧化鋅有所區(qū)別，飼料行業(yè)在使用納米氧化鋅之前需要首先認(rèn)識到以下幾點：要用正確的分析方法來鑒別、實驗室所得到的樣品是否具有代表性、在動物上的ADME (吸收、分散、代謝、排泄)和毒性研究、對操作工人人身安全和環(huán)境安全的影響評估以及了解當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)是否允許使用。

4 新型多孔增效氧化鋅

利用專利工藝生產(chǎn)的新型多孔增效氧化鋅（匯鋅，HiZoX），已經(jīng)用于動物飼料行業(yè)10 余年。通過專利的工藝對氧化鋅的物理化學(xué)特性進(jìn)行了改變，顆粒大小、形狀，比表面積和胃腸道釋放動力學(xué)等方面都得到了升級。新型多孔增效氧化鋅的比表面積比常規(guī)氧化鋅增加了10～15 倍。微孔結(jié)構(gòu)使得氧化鋅的比表面積大大增加，加強了氧化鋅與腸道微生物的接觸，從而顯著提高增加了其抗菌活性。一系列的研究也證實了新型多孔增效氧化鋅在胃腸道的食糜中能更高效地抑制有害微生物的生長。

4.1 體外抑菌

德國柏林大學(xué)的體外試驗比較了常規(guī)氧化鋅與新型多孔增效氧化鋅對病原菌（有鞭毛大腸桿菌PS79/K88/F4 和PS7/K81/F18）生長的抑制作用。在模擬斷奶仔豬胃（pH 4.6）和腸道（pH 6.5）環(huán)境的條件下，新型多孔增效氧化鋅始終表現(xiàn)出比常規(guī)氧化鋅更高的對大腸桿菌生長的抑制作用（圖6、7）。

4.2 在模擬體內(nèi)環(huán)境中的抑菌作用

優(yōu)化腸道微生物不僅可以減少有害菌，還可以減少其他一些微生物在腸道上的附著。Vahjen 等（2012）比較了常規(guī)氧化鋅和新型多孔增效氧化鋅對斷奶仔豬胃和空腸食糜中微生物的抑制作用，與常規(guī)氧化鋅相比，新型多孔增效氧化鋅對微生物生長的抑制表現(xiàn)出明顯的差異（圖8 和9）。

圖6 在中性環(huán)境條件下常規(guī)氧化鋅和新型多孔增效氧化鋅（HiZoX）對大腸桿菌生長抑制的三維圖

圖7 在酸性環(huán)境條件下常規(guī)氧化鋅和新型多孔增效氧化鋅（HiZoX）對大腸桿菌生長抑制的曲線圖

圖8 常規(guī)氧化鋅和新型多孔增效氧化鋅（HiZoX）對胃食糜中微生物生長抑制的三維圖

4.3 對小腸微生物菌群的抑制

比利時根特大學(xué)的科研團(tuán)隊（Michiels 等, 2016）在給斷奶仔豬飼喂分別含有110 mg/kg Zn（氧化鋅，負(fù)對照);3000 mg/kg 氧化鋅（正對照）;110 mg/kg Zn（新型多孔增效氧化鋅） 和220 mg/kg Zn（新型多孔增效氧化鋅）的四種日糧后測定小腸和大腸內(nèi)大腸桿菌的數(shù)量。試驗結(jié)果表明低劑量的新型多孔增效氧化鋅能夠顯著減少小腸和大腸內(nèi)大腸桿菌的數(shù)量（圖10）。

4.4 糞便中的大腸桿菌致病因子

在德國柏林大學(xué)開展的試驗中（Vahjen 等，2012）分別給斷奶仔豬飼喂4 種日糧，分別是負(fù)對照（110 mg/kg 鋅，氧化鋅）；正對照（3 000mg/kg ZnO）；多孔增效氧化鋅組1（110 mg/kgZn）和多孔增效氧化鋅組2（220 mg/kg Zn），然后通過PCR 技術(shù)來測定斷奶仔豬糞便中總的腸桿菌，埃希氏腸桿菌以及大腸桿菌致病因子，結(jié)果表明負(fù)對照組中有一半以上的樣品檢測出大腸桿菌致病因子為陽性，而其他三個處理組樣品中大腸桿菌致病因子陽性檢出的比例要低得多（圖11）。

4.5 糞便微生物菌群

在韓國檀香大學(xué)（Cho 等,2015）開展的試驗中，給斷奶仔豬飼喂不同劑量和不同來源氧化鋅的日糧（負(fù)對照，預(yù)混料中含有110 mg/kg Zn；正對照，3 000mg/kg ZnO；多孔增效氧化鋅組，保育前期料和保育后期料中分別添加300 mg/kg 和 200 mg/kg 多孔增效氧化鋅)，然后測定斷奶仔豬的生長性能、養(yǎng)分消化率、血液生化指標(biāo)、糞便微生物以及糞便形態(tài)評分等指標(biāo)。結(jié)果表明新型多孔增效氧化鋅改變了糞便中乳酸菌和大腸桿菌的比例（圖12），提高了仔豬生長性能，改善了糞便的形態(tài)評分。

圖9 常規(guī)氧化鋅和新型多孔增效氧化鋅（HiZox對空腸食糜中微生物生長抑制的三維圖

圖10 小腸和大腸（右）內(nèi)大腸桿菌的數(shù)量

圖11 糞便中大腸桿菌致病因子檢出為陽性的比例

圖12 斷奶后14 天糞便中乳酸菌/大腸桿菌的比例

5 結(jié)論

降低或去除仔豬日糧中的抗生素和藥理劑量氧化鋅的使用已經(jīng)變得刻不容緩，過量添加以及長時間地使用高劑量的氧化鋅會帶來諸多的負(fù)面作用：重金屬污染、營養(yǎng)拮抗、環(huán)境污染，加速微生物產(chǎn)生耐藥性等。目前配方師們正在尋找能減少仔豬斷奶后消化紊亂的原料和添加劑，在此情況下可以選擇使用新型多孔增效氧化鋅并考慮與一些抗生素的替代物結(jié)合使用以增強功效，改善動物的腸道健康使得畜產(chǎn)品變得更加綠色、環(huán)保和安全。