富氫水在斷奶仔豬生產(chǎn)中的研究與應用

楊靖宇 ，郭金彪 ，朱曉萍 ，趙云翔 ，2

（1.佛山科學技術學院生命科學與工程學院，廣東 佛山 528000；2.廣西揚翔股份有限公司， 廣西 貴港 537100）

仔豬早期斷奶技術是現(xiàn)在生豬養(yǎng)殖場在普遍使用的斷奶技術。仔豬早期斷奶對于生豬養(yǎng)殖的意義重大，可以提高母豬的繁殖力、縮短生產(chǎn)周期提高生產(chǎn)效率，還可以加快仔豬的生長發(fā)育速度、提高成活率，大大提高生豬養(yǎng)殖經(jīng)濟效益。仔豬的早期斷奶優(yōu)勢固然很多，但同時又對仔豬的早期的生長發(fā)育有很大的影響。由于早期斷奶仔豬還處于生長發(fā)育階段，消化器官發(fā)育還未完全，免疫功能不成熟。仔豬的營養(yǎng)來源發(fā)生改變，會使仔豬發(fā)生強烈應激導致仔豬的采食量、營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收能力的下降，免疫力降低，導致一系列的腸道黏膜損傷，腸道屏障的破壞，活性氧含量的增加，誘發(fā)炎癥等，形成仔豬的斷奶應激綜合征，從而影響早期斷奶仔豬的生長發(fā)育遲緩，造成飼料的浪費和經(jīng)濟效益的降低。

1 氫的特性

氫是自然界最小、最輕、分布最廣泛的元素，分子形式為H2，是水的重要組成成分。氫氣是一種無色、無味、無臭、無毒害并且具有還原性的小分子氣體，同時也是生物體中含量最為豐富的元素之一。氫具有高穿透性、高選擇性的還原作用，氫可以快速擴散到機體的任何部位，能夠穿與細胞內(nèi)的活性氧（ROS）發(fā)生還原反應，這是富氫水能夠發(fā)揮廣泛生物學效應的基礎。用通氣法制作的飽和富氫水pH無明顯變化。在2007 年日本科學家Ohsawa 發(fā)現(xiàn)氫可以通過選擇性抗氧化作用治療腦缺血再灌注損傷以來，氫在多種動物疾病模型中證明具有良好的治療效果。

現(xiàn)如今已經(jīng)有相當多氫氣治療的報道，其作用機制得到廣泛研究。一是氫氣能選擇性地抑制羥基自由基（·OH ）和過氧亞硝酸陰離子自由基（ONOO—），能夠緩解由缺血再灌注造成的肝臟、心臟、腸道等器官的氧化應激損傷，從而達到保護細胞的作用。

二是氫具有溫和還原性，不影響機體內(nèi)正常的氧化還原反應。而且對活性氧相關的細胞信號傳導沒有影響，進而不會像一些強還原性抗氧化劑那樣使機體內(nèi)部正常生理過程受影響，不會對正常機體生理功能產(chǎn)生副作用。

三是氫還能通過抑制Caspase-3活性起到抗凋亡作用，以及向下調(diào)節(jié)促炎細胞因子抑制組織損傷。目前認為氫氣與NO、CO 和H2S 類似，是一種在機體內(nèi)的氣體信號分子。

2 機體內(nèi)氫的來源

研宄表明，人體和其他的高等動物機體自身并不含有催化產(chǎn)生氫氣的酶類，因此機體新陳代謝過程中一般并不會產(chǎn)生氫氣。但人和其他的高等動物體內(nèi)的腸道菌群，主要為大腸微生物，可通過發(fā)酵未被腸道吸收的多糖，而產(chǎn)生副產(chǎn)物氫氣；在氫化酶作用下，細菌可氧化丙酮酸、甲酸或還原性的二核苷酸而產(chǎn)生氫氣，即機體內(nèi)源性氫氣。正常生理條件下，人體內(nèi)的微生物可產(chǎn)生最高15 L 氫氣，而產(chǎn)氫量最高的菌屬包括梭菌屬、厭氧球菌屬和腸桿菌科的部分菌屬。研究認為腸道內(nèi)產(chǎn)生的氫氣，或經(jīng)細菌的作用轉(zhuǎn)化為硫化氫（H2S）、甲烷（CH4）和乙酸（CH3COO—）或通過腸道排出體外，或被結(jié)腸黏膜吸收進入機體循環(huán) 然后通過呼吸或者皮膚排出。

3 氫的應用途徑

目前，氫氣應用的方法也在逐漸豐富，包括吸入氫氣、飲用富氫水、靜脈注射含氫溶液、食用易使腸道產(chǎn)氫菌發(fā)酵的物質(zhì)以及含氫透析液透析等。曾有報道中指出與吸入氫氣的方式相比，飲用富氫水能夠更便捷、安全地將分子氫運輸?shù)絼游矬w內(nèi)，但是氫氣分子在水中的溶解量極低氣不易溶解在水中，室溫下100%飽和氫水中僅含有1.6 PPM 的氫氣，從而極大限制了富氫水中的氫含量和富氫水使用。通過食用易使腸道產(chǎn)氫菌發(fā)酵的物質(zhì)（乳果糖、低聚果糖等）在目前來看是一種較為安全并便捷的方法，但產(chǎn)氫的效率，產(chǎn)氫量是否能夠起到與富氫水相等作用等問題還未探明，同時也是富氫水研究的重要方向之一。

4 富氫水在早期斷奶仔豬生產(chǎn)中研究應用

4.1 富氫水對斷奶仔豬的生長性能影響

仔豬斷奶后，飼糧從液體過渡到固體會導致仔豬飼料攝入量和日增重的減少，腹瀉發(fā)病率增加。因此，斷奶后的仔豬總是出現(xiàn)腹瀉或糞便疏松的情況。在腹瀉率異常情況下，微生物生態(tài)系統(tǒng)的破壞被認為是各種疾病的主要產(chǎn)生因素，如腹瀉和炎癥性腸病。鄭衛(wèi)江等在給斷奶仔豬飼喂富氫水發(fā)現(xiàn)，0 ～14 d 可以使斷奶仔豬的平均日增重（ADG）和平均日采食量（ADFI）顯著提高。并且在對斷奶仔豬進行糞便評分時也發(fā)現(xiàn)飼喂富氫水的仔豬中被鐮刀菌毒素所污染概率明顯降低。這說明富氫水作為應對仔豬斷奶初期生長性能遲緩的一種非藥物療法能夠起到積極的作用。

4.2 富氫水對斷奶仔豬的腸道微生物的影響

研究發(fā)現(xiàn)隨著仔豬的早期斷奶，飼糧成分的改變能夠顯著影響腸道菌群的結(jié)構。這種腸道菌群的變化常常會引發(fā)腹瀉，繼而引起仔豬生長遲緩，嚴重時會導致仔豬死亡。計徐等研究表明，富氫水對斷奶仔豬腸道微生物菌群的失衡、腸道微生物數(shù)目減少、短鏈脂肪酸（SCFAs）水平下降具有保護作用。機體的腸道菌群非常重要的代謝物之一就是氫氣，大部分的腸道微生物都可以產(chǎn)生氫氣。這可能就是氫氣能夠影響腸道菌群穩(wěn)定性的重要原因，腸道內(nèi)的產(chǎn)氫菌主要包括厚壁菌門和少量的擬桿菌門。Zheng等研究發(fā)現(xiàn)，仔豬飼喂被鐮刀菌污染的飼糧會導致大腸桿菌、雙歧桿菌、產(chǎn)甲烷古菌和硫酸鹽還原菌的豐度顯著降低，用富氫水對仔豬進行灌胃處理，使得產(chǎn)甲烷古菌（Methane bacteria）和硫酸鹽還原菌（Sulfate-Reducing Bacteria）的豐度得到了明顯的提升 。張小曉等將健康小鼠置于高氧環(huán)境下，引起小鼠的腸道菌群失調(diào)，每天用0.8 mmol/L的富氫水灌胃（0.1 mL/10g）2次， 使其腸道中雙歧桿菌屬（Bifi dobacterium）、小鼠嗜膽菌屬（Bilophila）、分節(jié)絲狀菌（Segmented fi lamentous bacteria）、嗜黏蛋白阿克曼菌屬（Akkermansia muciniphila）等有益菌群的豐度增加，說明在富氫水的治療下可以促進腸道內(nèi)有益菌的增長，對維持腸道菌群的穩(wěn)定，促進腸道健康有重要意義。張國文等將大鼠吊尾處理，富氫水處理后總腸道菌群和乳桿菌（lactobacillus）基本保持不變，而條件致病菌腸球菌（Enterococcus）則受到明顯的抑制作用，說明長期飲用富氫水可以維持腸道菌群的穩(wěn)定，對外界環(huán)境導致的微生物環(huán)境紊亂有一定的恢復作用。還有研究發(fā)現(xiàn)富氫水治療的小鼠與正常飲水的小鼠相比其腸道中棍狀厭氧菌屬（Anaerrouncus）、腸單胞菌（Intestinimonas）、顫螺菌屬（Oscillibacter）、Akkermansia muciniphila和梭菌屬（Clostridium sp.ID5）、瘤胃球菌（Ruminococcus）等有益菌的豐度增加，說明富氫水可能對小鼠腸道菌群有顯著影響。Song 等研究發(fā)現(xiàn)，使用富氫水處理可緩解由右旋糖酐硫酸鈉（DSS）誘導的慢性潰瘍性結(jié)腸炎小鼠的腸道菌群失調(diào)，抑制糞腸球菌（Enterococcus faecalis）、產(chǎn)氣莢膜梭菌（Clostridium erfringens）、 脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）的過度生長。但目前將富氫水應用到斷奶仔豬的研究報道較少。從上述的研究發(fā)現(xiàn)富氫水在維持腸道微生物平衡穩(wěn)定起到的積極作用，其對腸道菌種的影響見表1。

表1 富氫水對腸道菌種的影響

4.3 富氫水對斷奶仔豬腸道損傷的影響

早期斷奶的仔豬引起的腸道問題，首先就是仔豬腸道損傷。表現(xiàn)為腸道組織形態(tài)學改變、腸道黏膜上皮屏障、免疫屏障、生物屏障的損傷。早期斷奶仔豬腸道屏障功能受損，表現(xiàn)為黏膜萎縮、形態(tài)結(jié)構改變、腸上皮屏障通透性增加、消化吸收功能降低、免疫抑制及腸道微生物菌群失衡等，受損的腸道屏障無法阻擋有害細菌，毒素和病原微生物等導致腸道功能的進一步損傷，造成腹瀉、疾病以及生長性能的下降。計徐等用飼喂被鐮刀菌素污染的飼糧的斷奶仔豬為試驗對象，使用富氫水進行治療，發(fā)現(xiàn)治療組可顯著減緩由鐮刀菌污染飼糧造成的不利影響，如十二指腸、回腸和空腸絨毛高度顯著升高；空腸的Bcl-2 和Caspase-3 基因mRNA表達水平顯著降低；減少血清D-乳酸水平、二胺氧化酶（DAO）活力和血清內(nèi)毒素（LPS）含量，維持腸道屏障功能。Sheng 等人在壞死性小腸結(jié)腸炎的大鼠模型中使用富氫鹽水進行治療，發(fā)現(xiàn)富氫鹽水可以通過降低氧化應激，抑制促炎介質(zhì)的基因表達和保護腸黏膜的完整性，可以緩解或加快恢復腸道損傷的作用。還有研究表明H2能夠表現(xiàn)出對潰瘍性結(jié)腸炎造成的腸道損傷，腸上皮細胞和隱窩結(jié)構的保護作用。綜上所述氫水可以對腸道損傷有明顯的保護作用。

4.4 富氫水對斷奶仔豬抗氧化能力的影響

仔豬早期斷奶出現(xiàn)的諸多問題中，氧化應激會造成仔豬斷奶后前兩周生長緩慢和腹瀉問題的出現(xiàn)，是影響仔豬斷奶后生長發(fā)育的重要原因之一。Cao 等研究證實，早期仔豬斷奶會抑制仔豬血清中的抗氧化酶活性，丙二醇和氧自由基含量增加，降低消化酶活性等等可能會導致腸功能的喪失。而富氫水是公認的活性氧（ROS）中和劑，莊苗等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過富氫水處理會上調(diào)SIRT1、Nrf2、HO-1 的表達，提高超氧化物歧化酶（SOD）活性，降低丙二醛（MDA）含量，由此減輕小鼠高氧腸損傷。鄭蒙娜等用2 型糖尿病（T2DM）大鼠模型用富氫水治療發(fā)現(xiàn)富氫水干預可以抑制小鼠的氧化應激，對成纖維細胞的保護作用，從而加快T2DM 創(chuàng)面的痊愈。Ji 等報道，富氫水可減輕因禾谷鐮刀菌屬霉變玉米所引起斷奶仔豬氧化應激，提高卵巢組織抗氧化酶活性，緩和卵巢機能障礙。Lee等研究氫分子對小鼠缺血再灌注損傷影響時發(fā)現(xiàn)，給小鼠飼喂富氫水可以緩解小鼠的缺血再灌注損傷并且誘導了抗氧化作用。Sim 等發(fā)現(xiàn)富氫水可以減少健康成人的炎癥反應，NF-κB 信號轉(zhuǎn)導的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡顯著下調(diào)。Kajiya 等使用小鼠刀豆蛋白A 誘導的急性肝炎模型證實腸道微生物產(chǎn)生的氫氣可以緩解由刀豆蛋白A引起的肝臟炎癥反應。Qian等發(fā)現(xiàn)氫氣降低了慢性移植抗宿主?。╟GVHD）小鼠中血紅素氧合酶1（HO-1）和醌含量，富受體氧化還原酶1（NQO1）的表達水平，中和了氧自由基，說明了氫在清除自由基提高抗氧化能力的積極作用。有研究發(fā)現(xiàn)，富氫水對采食鐮刀菌污染玉米的仔豬血清氧化標記物總羰基（Tocal carbonyl） 和8- 羥基脫氧鳥苷（8-OH-dG）的水平能夠顯著降低。并且抗氧化基因CAT，Bcl-2 和Mn-SOD mRNA 表達水平明顯上調(diào)，同時明顯下調(diào)凋亡基因Caspase-3 和Bax 表達水平。由此可見，富氫水能夠提高機體的抗氧化能力，在多種疾病模型中都能夠表現(xiàn)出顯著的抗氧化能效，作為一種新型健康無毒無害的抗氧化劑通過消除氧自由基，提高抗氧化基因的表達水平，降低血清氧化標記物水平和凋亡基因的表達，以達到緩解斷奶仔豬斷奶初期的氧化應激和氧化損傷，保證仔豬的健康生長。

5 展望

綜上所述，氫作為世界上分布最廣泛的分子隨著大量研究證實其在各種疾病模型中有重要作用，近年來不斷引起世人的關注。其中氫能夠選擇性清除機體內(nèi)生理活性高的活性氧，而不影響對具有信號作用的活性氧，不會對原有的正常功能造成損傷。同時氫分子的穿透性極強，動物攝入后可以在細胞內(nèi)快速擴散，比其他的抗氧劑更有效的發(fā)揮作用。潛水醫(yī)學的長期研究表明氫并沒有毒害作用，這使得氫的應用場景會更加廣泛。富氫水在維持腸道菌群穩(wěn)定方面及緩解修復腸道損傷方面的研究，結(jié)果顯示其適用于早期斷奶仔豬出現(xiàn)的腹瀉，氧化應激和生長性能下降的特征。雖然有研究證實了富氫水在斷奶仔豬生長中的作用，但現(xiàn)在關于仔豬斷奶的實驗研究較少，富氫水是否能夠在規(guī)?；i養(yǎng)殖場早期仔豬斷奶生長中起到緩解斷奶應激提高經(jīng)濟效益的作用，還需要進一步的實驗研究。同時氫作為一種抗氧化劑，其應用應該是廣泛的，除了富氫水仔豬的斷奶應激的研究外，在養(yǎng)豬業(yè)中還有很多需要去探究的領域。比如，夏季高溫導致公豬熱應激，使睪丸細胞發(fā)生氧化損傷，生成較多的活性氧，可能損害睪丸細胞功能，導致其生產(chǎn)能力下降或喪失。富氫水的抗氧化功能是否能在公豬生產(chǎn)中起到緩解熱應激改善精液品質(zhì)的作用；產(chǎn)后母豬出現(xiàn)的產(chǎn)道炎癥和子宮炎癥，富氫水抗炎癥功能是否可以有助于母豬的產(chǎn)后恢復，都還有待進一步研究。隨著更多的學者不斷深入富氫水的研究，筆者認為富氫水在生豬養(yǎng)殖業(yè)應用中能夠取得進一步的進展。