單寧的生物學(xué)功能及其在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究進(jìn)展

唐青松，徐 娥，蔣宗勇，易宏波*

（1.貴州大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽 550025；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動物科學(xué)研究所，畜禽育種國家重點實驗室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南動物營養(yǎng)與飼料重點實驗室，廣東省畜禽育種與營養(yǎng)研究重點實驗室，廣東廣州 510640）

抗生素等藥物添加劑造成的負(fù)面影響引起了社會的廣泛重視。在禁抗、氧化鋅限量使用的行業(yè)背景下，開發(fā)綠色安全有效的飼料添加劑成為熱點。單寧（Tannin）是除木質(zhì)素外含量最豐富的一類植物酚類化合物[1]，廣泛存在于五倍子、栗木、茶、葡萄、檸條、堅木、百脈根、高粱和咖啡等植物。植物體內(nèi)的單寧儲存于一種源自葉綠體的細(xì)胞器中，被包裹在胞液內(nèi)，不與蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)相互作用，因而不干擾植物自身代謝[2]。以往的研究認(rèn)為單寧是飼料中的“抗?fàn)I養(yǎng)因子”，近年來發(fā)現(xiàn)單寧對動物腸道具有特殊的腸道收斂、抗腹瀉作用，能夠抑制病原微生物，增強動物機體抗氧化、抗病毒和抗癌能力[3]。飼糧添加適量單寧能夠有效提高畜禽的生產(chǎn)性能，改善畜禽營養(yǎng)狀況并促進(jìn)畜禽健康。目前，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）已將單寧作為食品添加劑，可以添加到飲料和肉產(chǎn)品。2011 年底，意大利施華（Silvateam）動物營養(yǎng)領(lǐng)域產(chǎn)品優(yōu)可寶（Nutri.P，主要成分為栗木單寧）獲得中國農(nóng)業(yè)部（現(xiàn)“農(nóng)業(yè)農(nóng)村部”）批準(zhǔn)并進(jìn)入中國市場銷售。歐盟于2016 年批準(zhǔn)單寧作為一種新型的飼料添加劑應(yīng)用于部分畜禽。本文介紹了單寧的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)及其多種生物學(xué)功能，并總結(jié)單寧近年在單胃動物和反芻動物上的應(yīng)用研究進(jìn)展，以期為單寧的飼料化利用及替抗產(chǎn)品的開發(fā)提供依據(jù)。

1 單寧的化學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)

單寧的化學(xué)式為C76H52O46，又稱為單寧酸、鞣酸、鞣質(zhì)，是一種重要的植物次級代謝產(chǎn)物[1,4]。單寧的多個酚羥基能夠結(jié)合多糖、生物堿、蛋白質(zhì)和金屬離子等發(fā)生絡(luò)合或靜電反應(yīng)，進(jìn)而改變其理化特性[5]。單寧根據(jù)化學(xué)性質(zhì)可分為縮合單寧（Condensed Tannin，CT）、水解單寧（Hydrolysable Tannin，HT）和復(fù)雜單寧?？s合單寧是由多羥基黃烷-3-醇單體組成，經(jīng)兒茶素、表兒茶素、表沒食子兒茶素和沒食子兒茶素以一定比例聚合形成的低聚物（2～10 個單體）和高聚物（大于10 個單體），其分子質(zhì)量在1 000～20 000 u[6]，可分為兒茶素單寧和原花青素[7]?？s合單寧在酸堿或者酶的作用下不易水解，具有較強的抗?fàn)I養(yǎng)吸收作用。水解單寧是以D-葡萄糖為核心的酚酸聚酯類化合物，分子質(zhì)量在500～3 000 u，大部分水解單寧可細(xì)分為棓單寧和鞣花單寧[8]。水解單寧容易發(fā)生化學(xué)水解或酶解，水解生成葡萄糖和沒食子酸[9]。復(fù)雜單寧是具備縮合單寧和水解單寧2 種結(jié)構(gòu)單元的復(fù)合物[4]。單寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1。

2 單寧的抗?fàn)I養(yǎng)與多種生物學(xué)功能及其機理

2.1 抗?fàn)I養(yǎng)作用 單寧味道苦澀，能夠結(jié)合飼料中淀粉、蛋白質(zhì)和消化酶形成不溶性復(fù)合物，降低飼料適口性和養(yǎng)分消化率[10]。單寧進(jìn)入動物消化道后，與胃腸黏膜表面的蛋白質(zhì)或部分消化酶結(jié)合，以減少動物腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，因此單寧具有抗?fàn)I養(yǎng)活性[11]。也有研究認(rèn)為，單寧的抗?fàn)I養(yǎng)作用是因為單寧能抑制腸道刷狀緣氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白活性，降低蛋白質(zhì)的催化效應(yīng)[4]。研究表明，飼糧添加較高水平單寧會影響飼料的適口性，降低動物采食量、生長速度和蛋白質(zhì)消化率[4]。此外，單寧的相鄰酚羥基能與金屬離子形成五元環(huán)螯合物，與維生素B12等維生素形成絡(luò)合物，從而降低微量元素和維生素的利用效率[5]。

圖1 單寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)[3,6]

2.2 腸道收斂作用 單寧通過凝固蛋白使腸道黏膜表面形成保護(hù)膜，進(jìn)而促進(jìn)腸道局部達(dá)到消炎止血鎮(zhèn)痛及減少滲出的作用[12]。單寧通過與腸道黏膜蛋白質(zhì)以疏水鍵和氫鍵等方式發(fā)生聚合反應(yīng)，產(chǎn)生腸道收斂作用[13]，并且減弱刺激腸蠕動，減緩食糜在腸道中的推移，促使腸道內(nèi)水分被充分地吸收利用，進(jìn)而達(dá)到緩解腹瀉的作用[14]。低濃度單寧可改善單胃動物空腸形態(tài)，激活核因子E2 相關(guān)因子2（Nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2）-Kelch 樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1（Kelch-like epichlorohydrin-associated protein，keap1）通路，促進(jìn)閉鎖小帶蛋白-1（Zonula occluden-1，ZO-1）基因的表達(dá)，改善空腸損傷，并促進(jìn)腸道屏障，維持腸道健康[10]。

2.3 抗菌、抗寄生蟲、抗病毒和抗癌作用 單寧通過結(jié)合病原體細(xì)胞膜蛋白、多糖和磷脂等聚合形成沉淀，并干擾細(xì)菌吸收營養(yǎng)物質(zhì)和代謝，以及單寧自氧化產(chǎn)生過氧化氫，降低細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，進(jìn)而對大部分細(xì)菌、寄生蟲和真菌表現(xiàn)為抑制作用[9]。栗木單寧是從栗樹葉中提取的水解單寧，目前在飼料中應(yīng)用較多，主要生產(chǎn)于歐洲南部。栗木單寧對彎曲桿菌、腸炎沙門氏菌、大腸桿菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、傷寒沙門氏菌、出血敗血性巴斯德菌和金黃色葡萄球菌等細(xì)菌具有較好的抑制作用。栗木單寧對沙門氏菌的最小抑菌濃度值（MIC）較低，其對產(chǎn)氣莢膜梭菌的MIC 僅為0.064 mg/mL，且不易產(chǎn)生抗藥性[15]。江凱[16]研究發(fā)現(xiàn)，五倍子單寧對金黃色葡萄球菌、腸炎沙門氏菌、白色念珠球菌、綠膿假單胞菌、鼠傷寒桿菌和李斯特桿菌等細(xì)菌具有較好的抑菌活性。董文成等[7]表明，單寧與乳酸菌具有協(xié)同作用，通過調(diào)節(jié)胃腸微生物菌群促進(jìn)生物發(fā)酵，發(fā)揮益生作用。單寧也可通過影響寄生蟲生理代謝、結(jié)合蟲體蛋白和調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)，對動物胃腸道寄生蟲產(chǎn)生抑制作用[17]。Zhong 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，單寧能夠抑制羊捻轉(zhuǎn)血矛線蟲幼蟲的存活率。單寧抑制病毒吸附于宿主細(xì)胞膜，對病毒糖蛋白的合成產(chǎn)生阻礙作用，并且單寧的多酚羥基結(jié)構(gòu)會促進(jìn)單寧的抗病毒作用。目前發(fā)現(xiàn)，單寧對禽流感病毒、A 型流感病毒、人乳頭瘤病毒、豬流行性腹瀉病毒、牛腺相關(guān)病毒、人類免疫缺陷病毒等病毒具有抑制作用。Darvin 等[9]表示，單寧通過調(diào)節(jié)EGF-R/Jak2/STAT1/3 和P38/STAT1/p21Waf1/cip1 通路，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和控制癌細(xì)胞增殖而具有抗癌作用。李志超[19]研究發(fā)現(xiàn)，單寧能夠與M2 型丙酮酸激酶（Pyruvate Kinase，PKM2）上的K433 位點特異性結(jié)合，抑制PKM2 的丙酮酸激酶活性，進(jìn)而抑制腸癌細(xì)胞增殖。單寧對基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP-2、MMP-9）活性表現(xiàn)出抑制作用，以此降低磷脂酰肌醇3-激酶（P13K）/蛋白激酶（AKT）和核轉(zhuǎn)錄因子-κB（Nuclear Factor-κB，NF-κB）表達(dá)，緩解肝癌癥狀[9]。

2.4 提高機體抗氧化能力 單寧具有豐富的鄰位羥基，該羥基釋放出的氫通過還原Fe3+、清除自由基（ROS、DPPH、OH、HO2、NO）并阻斷其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和抑制脂質(zhì)過氧化，從而表現(xiàn)出較強的抗氧化能力[1,20]。單寧的抗氧化作用機理如圖2 所示。體外抗氧化試驗表明，單寧對DPPH 自由基清除效果優(yōu)于抗壞血酸，并能夠提高抗氧化酶活性，降低體內(nèi)氧化應(yīng)激水平[21]。動物機體的氧化應(yīng)激與Nrf2 和Keap1 密切相關(guān)。在機體非應(yīng)激下，Nrf2 通過Keap1 隔離在胞漿中被快速降解，在應(yīng)激和過量活性氧刺激下Nrf2 與Keap1 結(jié)合能力受損，導(dǎo)致Nrf2 降解減少并積累在細(xì)胞質(zhì)中，進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中啟動抗氧化基因的轉(zhuǎn)錄[22]。單寧的抗氧化性還與單寧的聚合程度相關(guān)，相對高分子量的縮合單寧和水解單寧比簡單酚類物質(zhì)表現(xiàn)出更強的抗氧化活性。

圖2 單寧抗氧化作用機理

2.5 改善腸道微環(huán)境 單寧具有緩解腸道炎癥、改善腸黏膜形態(tài)以及調(diào)節(jié)腸道微生物菌群等功能。單寧與蛋白質(zhì)復(fù)合形成單寧蛋白，單寧蛋白在小腸堿性環(huán)境下分解釋放單寧，使腸黏膜炎癥表面的蛋白質(zhì)凝固、炎性滲出物減少，從而起到緩解腸道炎癥的作用。栗木單寧能夠降低肉仔雞產(chǎn)氣莢膜梭菌引起的腸道損傷，并對壞死性腸炎具有緩解作用[20]。水解單寧通過提高育肥豬十二指腸絨毛直徑、黏膜厚度和絨毛高度，減少腸道糞臭素的產(chǎn)生量，進(jìn)而減少對腸道的損傷[23]。水解單寧還能增加小腸的吸收面積和消化酶活性，增強動物對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收[14]。此外，水解單寧因其天然多酚類活性元素而表現(xiàn)出選擇性抑菌作用，能夠有效促進(jìn)腸道有益菌群增殖和抑制有害菌群增殖。李茜等[24]研究發(fā)現(xiàn)，單寧可顯著促進(jìn)腸道雙歧桿菌和乳酸菌增殖，抑制大腸桿菌生長，降低糞便中氨含量。也有研究報道，單寧能夠上調(diào)乳酸菌中參與氧化應(yīng)激防御及細(xì)胞壁生物轉(zhuǎn)化蛋白質(zhì)的合成，增殖有益菌（乳酸菌和雙歧桿菌等）及適應(yīng)動物腸道[7,13]。這提示可應(yīng)用單寧調(diào)控畜禽腸道菌群來發(fā)揮促進(jìn)腸道免疫調(diào)節(jié)和腸道健康。

3 單寧在動物生產(chǎn)上的應(yīng)用研究進(jìn)展

3.1 單寧在單胃動物上的應(yīng)用 單寧在單胃動物上的應(yīng)用是一把“雙刃劍”。單寧對單胃動物的促生長作用依賴于其作為“抗?fàn)I養(yǎng)因子”產(chǎn)生的負(fù)面影響和促進(jìn)動物健康（調(diào)節(jié)腸道菌群、抗炎、抗應(yīng)激、抗氧化）的平衡。大量研究表明，單寧在單胃動物上的應(yīng)用效果最終取決于動物的種類、生理狀態(tài)、飼糧組成、單寧類型及其在飼糧中的濃度[6]。近年研究表明，小于3%的水解單寧能夠促進(jìn)仔豬和育肥豬生長，有效緩解腹瀉，改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，增強抗氧化和抗免疫應(yīng)激能力[25-27]。水解單寧在仔豬飼糧中小于2%和育肥豬飼糧中小于3%對器官參數(shù)、腸道健康和機體安全性無負(fù)面影響[28-31]。添加量略高于3%的水解單寧對豬的生長性能和肉品質(zhì)影響不明顯[32]。研究顯示，縮合單寧的應(yīng)用劑量比水解單寧低，400～1 000 mg/kg 縮合單寧可改善豬生長性能，提高機體抗氧化能力，增強群體免疫力[33-35]。此外，單寧與其他添加劑（ZnO、牛至油）混合應(yīng)用，可降低肌肉氧化程度和減少ZnO 的使用量[27,36]。家禽對單寧的耐受力可能要比豬低，低劑量（小于0.5%）水解單寧可以改善雞生產(chǎn)性能，提高抗氧化和抗應(yīng)激能力[37-38]。0.125%～0.25% 為葡萄縮合單寧的適宜添加量，進(jìn)一步增加會對雞的生長性能、蛋白質(zhì)和氨基酸消化產(chǎn)生負(fù)面影響[39]?？s合單寧添加量高于0.5%會降低雞的采食量，對生長性能產(chǎn)生負(fù)面影響[40]。目前研究表明，高劑量（5%、10%）的縮合單寧主要應(yīng)用于改善雞的抗氧化能力和免疫應(yīng)激[41]。特種經(jīng)濟(jì)動物上的研究表明，低劑量水解單寧可提高家兔、獺兔和蘇里貉的生長性能，預(yù)防腹瀉，且對毛皮品質(zhì)無不良影響[42-46]。單寧在單胃動物上的相關(guān)研究見表1。

綜上，高劑量單寧對單胃動物生長性能存在負(fù)面影響，但適量濃度的單寧和適當(dāng)方式應(yīng)用能夠緩解單胃動物腹瀉，提高抗氧化和免疫力，提高生產(chǎn)性能，有效減少抗生素和ZnO 的用量。高劑量水解單寧和縮合單寧都不利于單胃動物的養(yǎng)殖生產(chǎn)，但可應(yīng)用于改善抗氧化和免疫抗應(yīng)激能力。

表1 單寧在單胃動物上的相關(guān)研究

表2 單寧在反芻動物上的相關(guān)研究

3.2 單寧在反芻動物上的應(yīng)用 在反芻動物中應(yīng)用研究主要以縮合單寧為主。在反芻動物營養(yǎng)中，縮合單寧在瘤胃中的水解產(chǎn)物兒茶素通過降低植物性飼料中蛋白質(zhì)溶解度和表面活性，并降低瘤胃微生物對蛋白質(zhì)的降解速度，增加過瘤胃蛋白數(shù)量和小腸消化的蛋白質(zhì)含量，這個過程被稱為瘤胃逃逸蛋白[1]。研究發(fā)現(xiàn)，低至中等濃度的濃縮單寧有利于提高反芻動物的生產(chǎn)效率，通過瘤胃逃逸蛋白過程增加了到達(dá)小腸吸收的飼糧蛋白量；而高濃度時，縮合單寧因其收斂性而阻礙了采食量，通過過度保護(hù)蛋白質(zhì)而減少蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的消化，降低瘤胃微生物活性，抑制內(nèi)源性消化酶活性，從而對動物性能產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。瘤胃逃逸蛋白提高了氮利用率、減少溫室氣體甲烷排放和防止瘤胃脹氣，并提高了反芻動物的生產(chǎn)性能[51]。Wang 等[52-53]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧添加3 400 mg/kg 百脈根縮合單寧能夠提高母羊羊毛產(chǎn)量、增重率和胴體重，增加泌乳中后期的產(chǎn)奶量和奶中乳蛋白和乳糖含量。低劑量縮合單寧不僅不影響飼料適口性和動物生產(chǎn)性能，還能對牛、綿羊、山羊和鹿等反芻動物的消化道有顯著抗寄生蟲作用，并且增強機體抗氧化能力和免疫力，提高動物健康水平[3]，也對羊毛生產(chǎn)、產(chǎn)奶量和繁殖率起到促進(jìn)作用。栗木單寧酸可降低犢牛腹瀉率，并縮減腹瀉時間[54]。單寧在反芻動物上的相關(guān)研究見表2。

4 總結(jié)與展望

單寧具有腸道收斂、抗菌、抗寄生蟲、抗病毒、抗癌、抗氧化和改善腸道微環(huán)境的作用。大量試驗表明，低濃度單寧對畜禽生長性能無不良影響，不同水平單寧增加畜禽腸道消化酶活性和對營養(yǎng)物的吸收面積。適量添加單寧可以提高畜禽生產(chǎn)性能、抗氧化和抗應(yīng)激能力，改善畜禽營養(yǎng)狀況和促進(jìn)畜禽健康。單寧與微生態(tài)制劑、植物精油等聯(lián)合使用，能夠增強畜禽抗病促生長作用，可替代部分抗生素和氧化鋅。單寧作為天然植物提取物，具有多種生物學(xué)功能，在動物生產(chǎn)上具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，縮合單寧在反芻動物上的應(yīng)用研究較多，而水解單寧酸在仔豬、肉仔雞、蛋雞中的應(yīng)用較多。鑒于單寧在畜禽養(yǎng)殖中的重要作用，后續(xù)研究應(yīng)重點關(guān)注以下3 個方面：①探索單寧的構(gòu)-效關(guān)系，明確不同類型單寧的作用機理；②研究單寧在畜禽體內(nèi)的代謝循環(huán)路徑及其調(diào)控畜禽腸道健康的機制；③開發(fā)單寧與其他飼料添加劑的聯(lián)合應(yīng)用方案。通過有針對性地深入研究，以期為單寧在國內(nèi)的科學(xué)推廣和抗生素替代品的開發(fā)提供依據(jù)。