新型多孔增效氧化锌在断奶仔猪消化道内的抗菌作用

◆作者：Valérie Kromm,Agathe Roméo

◆译校：张永刚 译，张津校 李升生 校

众所周知，断奶仔猪日粮中添加氧化锌可以提高生长性能并能有效地降低仔猪断奶后的腹泻，但是为什么其他形态的锌源在控制断奶仔猪腹泻上没有氧化锌效果显著呢？下面让我们看一下氧化锌的抗菌作用。

1 断奶仔猪日粮中的氧化锌

仔猪在断奶的时候肠道微生物区系会发生改变，且仔猪的免疫系统也没有发育成熟，此时一些病原菌，如产肠毒素大肠杆菌会趁机入侵、定殖并繁殖，这也是我们常见的断奶后腹泻的原因，与之相伴的是生长受限。针对此类问题，在所有可以利用的饲料添加剂中，氧化锌是一种非常不错的选择。目前研究非常清楚的是氧化锌具有抗菌的作用，结合基因测序和PCR 扩增技术研究证明了药理剂量氧化锌（3000mg/kg）对断奶仔猪肠道微生物作用的新结果。体外试验表明：从氧化锌针对猪肠道中75个菌株的最低抑菌浓度来看，很难从菌株分类起源上找出不同菌株对不同浓度的氧化锌具有敏感度差异。但是与肠杆菌和乳酸菌相比，严格厌氧菌对氧化锌的最低抑菌浓度表现出了多样性。与将细菌简单的分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌相比，氧化锌的作用更具有菌种的特异性。在模拟体内的条件下发现高剂量的氧化锌会抑制断奶仔猪胃和空肠食糜中微生物的生长，且乳酸菌更容易受到高剂量氧化锌的影响。在仔猪进食含有3000 mg/kg 氧化锌的日粮时，仔猪肠道菌群的多样性增加，但是肠杆菌科、埃希氏杆菌属和乳酸菌的数量会下降(图1)。

虽然我们已经了解了氧化锌对断奶仔猪肠道微生物的作用，但是我们仍然还有很多疑问：（1）氧化锌是如何影响微生物的代谢和健康的?（2）氧化锌对仔猪肠道健康的积极作用仅仅局限于它的抑菌活性吗?（3）不同来源的氧化锌具有相同的效果吗?

图1 药理剂量氧化锌对断奶仔猪肠道微生物分布的影响

图2 微生物数量随着氧化锌悬浮液（红色）和氧化锌上清液（蓝色）浓度增加而下降的曲线图

2 氧化锌的作用机理

氧化锌是非水溶性化合物，但是在低pH 值条件下氧化锌会发生解离。仔猪胃中的酸性环境非常弱再加上仔猪不成熟的消化系统和胃中食糜构成的缓冲体系，氧化锌在仔猪胃中的解离是非常有限的。氧化锌一旦解离，解离的Zn2+会进入胃肠道。人们一般认为氧化锌的抗菌活性来自这些解离的锌离子，解离的锌离子会与微生物的氨基酸基团互作，对锌离子的主动转运构成抑制。如果氧化锌的抑菌活性依赖于解离的有限的锌离子的话，那么水溶性较高的硫酸锌会因为解离出更多的锌离子而发挥更好的抗菌效果，但事实并非如此。最近的研究证实氧化锌的作用来自于氧化锌分子，从氧化锌中解离的锌离子对抑菌作用的贡献很低且因微生物种类而异。对大肠杆菌来说，解离的锌离子贡献的抑菌作用只有15%(图2)。

图2 也很好地解释了仔猪饲料中为什么要用药理剂量的氧化锌而不使用其它形式的锌化合物。是否氧化锌对仔猪肠道健康的积极作用仅仅来源于氧化锌的抑菌作用还是有争议的。在关于氧化锌作用机理的众多假说中一种理论被广泛认可，在黑暗环境中暴露在紫外光照射下的氧化锌可以产生活性氧自由基（其他情况下也可以发生），进而对细胞造成严重破坏。活性氧自由基可以使微生物产生氧化应激且活性氧自由基可以引起微生物类脂膜的氧化，进而引起细胞膜组成的改变，这也可以在一定程度上来解释氧化锌可以减少病原菌（如大肠杆菌）对宿主细胞的附着。病原菌在上皮细胞上附着的减少可以有效减少肠毒素的分泌，同样也可以观察到日粮添加氧化锌后对肠道形态的影响(图3)。

目前，关于氧化锌的抑菌机理还不是十分清楚，并且会因靶细胞的不同作用机理会有所差异，但是普遍认为氧化锌肯定通过某种特定的机理来发挥作用，氧化锌改善肠道健康的作用也与不同氧化锌产品颗粒的理化特性关系很大。

图3 在有氧化锌（右）和没有氧化锌（左）的环境中大肠杆菌对回肠上皮的附着

图4 不同来源的饲料级氧化锌(左)和新型多孔增效氧化锌(右)

图5 不同氧化锌产品的电镜扫描图

3 并不是所有的氧化锌都是一样的

氧化锌的来源可谓千差万别，不能仅用分析微量元素的含量来推测微量元素产品的差异，饲料级氧化锌的品质变异非常大，主要由于生产氧化锌的原料和工艺差异所致（图4、5），这些产品间物理化学特性的差异会导致其生物利用率和抗菌活性的各不相同。

纳米氧化锌会与常规氧化锌有所区别，饲料行业在使用纳米氧化锌之前需要首先认识到以下几点：要用正确的分析方法来鉴别、实验室所得到的样品是否具有代表性、在动物上的ADME (吸收、分散、代谢、排泄)和毒性研究、对操作工人人身安全和环境安全的影响评估以及了解当地法规是否允许使用。

4 新型多孔增效氧化锌

利用专利工艺生产的新型多孔增效氧化锌（汇锌，HiZoX），已经用于动物饲料行业10 余年。通过专利的工艺对氧化锌的物理化学特性进行了改变，颗粒大小、形状，比表面积和胃肠道释放动力学等方面都得到了升级。新型多孔增效氧化锌的比表面积比常规氧化锌增加了10～15 倍。微孔结构使得氧化锌的比表面积大大增加，加强了氧化锌与肠道微生物的接触，从而显著提高增加了其抗菌活性。一系列的研究也证实了新型多孔增效氧化锌在胃肠道的食糜中能更高效地抑制有害微生物的生长。

4.1 体外抑菌

德国柏林大学的体外试验比较了常规氧化锌与新型多孔增效氧化锌对病原菌（有鞭毛大肠杆菌PS79/K88/F4 和PS7/K81/F18）生长的抑制作用。在模拟断奶仔猪胃（pH 4.6）和肠道（pH 6.5）环境的条件下，新型多孔增效氧化锌始终表现出比常规氧化锌更高的对大肠杆菌生长的抑制作用（图6、7）。

4.2 在模拟体内环境中的抑菌作用

优化肠道微生物不仅可以减少有害菌，还可以减少其他一些微生物在肠道上的附着。Vahjen 等（2012）比较了常规氧化锌和新型多孔增效氧化锌对断奶仔猪胃和空肠食糜中微生物的抑制作用，与常规氧化锌相比，新型多孔增效氧化锌对微生物生长的抑制表现出明显的差异（图8 和9）。

图6 在中性环境条件下常规氧化锌和新型多孔增效氧化锌（HiZoX）对大肠杆菌生长抑制的三维图

图7 在酸性环境条件下常规氧化锌和新型多孔增效氧化锌（HiZoX）对大肠杆菌生长抑制的曲线图

图8 常规氧化锌和新型多孔增效氧化锌（HiZoX）对胃食糜中微生物生长抑制的三维图

4.3 对小肠微生物菌群的抑制

比利时根特大学的科研团队（Michiels 等, 2016）在给断奶仔猪饲喂分别含有110 mg/kg Zn（氧化锌，负对照);3000 mg/kg 氧化锌（正对照）;110 mg/kg Zn（新型多孔增效氧化锌） 和220 mg/kg Zn（新型多孔增效氧化锌）的四种日粮后测定小肠和大肠内大肠杆菌的数量。试验结果表明低剂量的新型多孔增效氧化锌能够显著减少小肠和大肠内大肠杆菌的数量（图10）。

4.4 粪便中的大肠杆菌致病因子

在德国柏林大学开展的试验中（Vahjen 等，2012）分别给断奶仔猪饲喂4 种日粮，分别是负对照（110 mg/kg 锌，氧化锌）；正对照（3 000mg/kg ZnO）；多孔增效氧化锌组1（110 mg/kgZn）和多孔增效氧化锌组2（220 mg/kg Zn），然后通过PCR 技术来测定断奶仔猪粪便中总的肠杆菌，埃希氏肠杆菌以及大肠杆菌致病因子，结果表明负对照组中有一半以上的样品检测出大肠杆菌致病因子为阳性，而其他三个处理组样品中大肠杆菌致病因子阳性检出的比例要低得多（图11）。

4.5 粪便微生物菌群

在韩国檀香大学（Cho 等,2015）开展的试验中，给断奶仔猪饲喂不同剂量和不同来源氧化锌的日粮（负对照，预混料中含有110 mg/kg Zn；正对照，3 000mg/kg ZnO；多孔增效氧化锌组，保育前期料和保育后期料中分别添加300 mg/kg 和 200 mg/kg 多孔增效氧化锌)，然后测定断奶仔猪的生长性能、养分消化率、血液生化指标、粪便微生物以及粪便形态评分等指标。结果表明新型多孔增效氧化锌改变了粪便中乳酸菌和大肠杆菌的比例（图12），提高了仔猪生长性能，改善了粪便的形态评分。

图9 常规氧化锌和新型多孔增效氧化锌（HiZox对空肠食糜中微生物生长抑制的三维图

图10 小肠和大肠（右）内大肠杆菌的数量

图11 粪便中大肠杆菌致病因子检出为阳性的比例

图12 断奶后14 天粪便中乳酸菌/大肠杆菌的比例

5 结论

降低或去除仔猪日粮中的抗生素和药理剂量氧化锌的使用已经变得刻不容缓，过量添加以及长时间地使用高剂量的氧化锌会带来诸多的负面作用：重金属污染、营养拮抗、环境污染，加速微生物产生耐药性等。目前配方师们正在寻找能减少仔猪断奶后消化紊乱的原料和添加剂，在此情况下可以选择使用新型多孔增效氧化锌并考虑与一些抗生素的替代物结合使用以增强功效，改善动物的肠道健康使得畜产品变得更加绿色、环保和安全。