氧化锌的作用
断奶仔猪日粮中氧化锌的抗菌作用
唐彩琰 译自International Pig Topics，Vol.32(2017)，№1：11、13、15
“众所周知，日粮中的氧化锌可加快仔猪的生长，减少仔猪断奶后的腹泻。但其他形式的锌为什么不能产生像氧化锌那样的作用呢？让我们来了解氧化锌的抗菌活性。
”断奶时，仔猪肠道微生物菌群发生了改变，同时免疫系统尚未发育完善，病原菌如肠毒素性大肠杆菌(Enterotoxigenic E. coli，ETEC)很容易在仔猪肠道内找到适宜其增殖并定植的环境。这就会导致我们经常在仔猪断奶后见到其发生腹泻，同时伴有生长减慢(图1)。
在饲料行业的所有添加剂中，以氧化锌形式出现的锌是一种极为常用的解决仔猪断奶后腹泻的办法。人们广泛认可的是，氧化锌具有抗菌活性，同时最近借助深度测序和聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)扩增进行的研究得到了氧化锌对断奶仔猪肠道微生物药理学剂量(3 kg/t)效应的新观点。
氧化锌对75种猪肠道细菌最小抑菌浓度(Minimal Inhibitory Concentration，MIC)的体外研究表明，根据细菌的分类起源无法对氧化锌的细菌敏感性进行分类。
但是，氧化锌对严格厌氧菌的MIC通常比对乳酸菌或肠毒素性细菌表现出更多的多样性。氧化锌的抗菌活性不能简单地按革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌加以区分，它似乎是针对特定的细菌菌种。
研究表明，在离体条件下，高水平氧化锌可抑制断奶仔猪胃和空肠中细菌的生长，而乳酸菌比其他细菌对高剂量氧化锌的抗菌活性更加敏感。
当给仔猪饲喂3 000 mg/kg的氧化锌时，其肠道菌的多样性提高，肠道杆菌、大肠杆菌群和乳杆菌属细菌的数量减少(图2)。
虽然我们对于氧化锌对断奶仔猪肠道微生物的作用有了更多的认识，但仍有一些问题尚未明白：
● 氧化锌如何影响细菌的代谢和健康？
● 氧化锌对仔猪肠道健康的积极作用是否仅源自于其抗菌活性？
● 所有来源的氧化锌是否表现出相同的作用？
1 氧化锌的作用机制
氧化锌是一种非水溶性的化合物，在pH很低时可分离。由于消化系统发育尚未完善以及饲料的缓冲能力太高，幼龄仔猪肠道环境的酸度不足以完全分解氧化锌。
氧化锌一旦分解，溶解的锌离子就会被释放到胃肠道中。人们通常将氧化锌的抗菌活性归功于这些离子，即锌离子与细菌体内氨基酸的相互作用，在抑制细菌的活性转移上发挥一定的作用。
然而，如果氧化锌的抗菌活性只局限于锌离子，那么水溶性锌(如磷酸锌)的抗菌活性可能会更有效。
最近的研究证实了氧化锌分子的一项特殊作用。在不同种类的细菌中，可溶性锌离子对氧化锌抗微生物活性的贡献有所差异，且贡献非常小：例如，在大肠杆菌的抵制作用中仅有15％的贡献率(图3)。
这就解释了为什么在仔猪日粮中只添加药理学剂量的氧化锌而不使用其他形式的锌化合物。目前有关氧化锌对仔猪肠道健康的积极作用是否只来自它的抗菌活性还存在争议。在大部分关于氧化锌特殊作用的假说中，这种锌源不仅在紫外光下而且在黑暗环境下均可产生活性氧簇(Reactive Oxygen Species，ROS)，从而对细胞造成损伤。
ROS能够诱导机体出现氧化应激，同时可造成细菌细胞脂膜的氧化；这种氧化作用可改变细菌膜的组成，因而部分解释了病原菌(如大肠杆菌)对宿主细胞黏附作用减弱的原因。
细菌对上皮黏附作用的下降能够阻止其分泌可引发腹泻的肠毒素。
目前已经观察到了氧化锌添加剂对肠道形态的多种作用。
目前，氧化锌抗菌活性的机制还未完全清楚，并且对不同靶细胞的作用机制也不同，但已经证实有特殊机制的存在。氧化锌产品可提高仔猪肠道健康的机制也取决于氧化锌粉末颗粒的化学特性。
2 并非所有氧化锌都有相同的作用
目前有多种不同来源的氧化锌(图4)。使用标准化分析级微量元素获得的结果不能完全归因于饲用氧化锌源，因为它们之间存在很大的差异。氧化锌可用多种不同的原材料和生产工艺制成。
动物营养中所用氧化锌产品的理化性质差异很大，这就解释了为什么不同产品的生物利用率和抗菌效应各不相同。
纳米级氧化锌与体积较大的同一产品在抗菌活性上有显著的差异，且可能在畜禽饲养上有更大的应用前景。
然而，在测试动物日粮中设计的纳米级氧化锌颗粒前，需要解决以下问题：产品特性和合适的分析方法，实验室样本的行业标度，动物的吸收、分布、代谢、排出和动物毒性研究，工作人员和环境安全性以及可依照的地方法规。
3 强化型氧化锌
专利技术生产的强化型氧化锌——HiZox就是专为动物营养开发出来的。
产品对氧化锌的理化性质进行了改良：特定的颗粒大小和形状以及较大的接触表面积(比常规来源的大10～15倍)，显著增加了与细菌的接触面。强化型氧化锌粉末的多孔性增加了它的抗菌活性。科学研究证实，强化型氧化锌具有调控仔猪肠道中和粪便内微生物菌群数量的作用。
● 体外细菌生长
由柏林大学指导的研究对比了HiZox和常规氧化锌在抑制致病性大肠杆菌(有毛缘大肠杆菌PS79/K88/F4和PS7/K81/F18)生长上的作用。在中性(pH 6.5)和酸性(pH 4.6，肠道最低pH)条件下，HiZox对大肠杆菌具有较强的抑菌作用(图5、图6)。
● 肠道微生物群
在根特大学完成的一项研究中，Michiels(2006)测定了断奶仔猪小肠中大肠杆菌和大肠杆菌群的数量。试验仔猪分别饲喂4种试验日粮中的1种：阴性对照(由标准ZnO提供的日粮锌含量为110 mg/kg)、阳性对照(日粮ZnO含量为3 kg/t)、欧盟法定剂量HiZox(由HiZox提供的日粮Zn含量为110 mg/kg)和高剂量HiZox(由HiZox提供的日粮Zn含量为 220 mg/kg)。结果表明，用HiZox替代传统的氧化锌可减少小肠中的微生物数量(图7)。
● 体内细菌生长
合理地控制仔猪肠道中的微生物不仅可减少病原菌的数量，而且可减少小肠中的细菌数量。Vahjen等(2012)在一项试验中比较了HiZox和常规氧化锌在抑制断奶仔猪胃和空肠中细菌上的作用。结果发现造成小肠中细菌数量不同(图8)的原因可能源自胃(图9)。
● 粪便中大肠杆菌致病因子
在柏林大学进行的一项试验中，Vahjen(2016)利用PCR方法分析了断奶仔猪粪便中总肠球菌、肠道菌和大肠杆菌的数量。试验仔猪分别饲喂4种试验日粮中的1种：阴性对照(由标准ZnO提供的日粮Zn含量为110 mg/kg)、阳性对照(日粮ZnO含量为3 kg/t)、欧盟法定剂量HiZox(由HiZox提供的日粮Zn含量为110 mg/kg)和高剂量HiZox(由HiZox提供的日粮Zn含量为220 mg/kg)。在阴性对照组中，超过一半的样本为阳性，至少有其中一种大肠杆菌致病因子，而其他处理组中阳性样本的百分比要低得多(图10)。
● 粪便中的微生物群
Cho等(2005)在Dankook大学进行的一项研究中检测了不同的氧化锌剂量和来源对断奶仔猪生长性能、营养消化率、各项血液指标、粪便微生物排泄量和粪便评分的影响。试验仔猪分别饲喂4种试验日粮中的1种：阴性对照(由预混料提供的日粮Zn水平为110 mg/kg)、阳性对照(日粮ZnO水平为3 kg/t)、2种剂量的HiZox(由HiZox提供的日粮Zn含量分别为200 mg/kg和300 mg/kg )。
结果显示，HiZox改变了粪便中乳杆菌/大肠杆菌的比值(图11)，从而可改善粪便评分和仔猪的生长性能。
4 结论
当前，有关减少仔猪日粮中抗生素和药理学剂量氧化锌的使用量的压力越来越大。已知过量和延长使用氧化锌带来的负面影响有：肉质严重污染、营养拮抗、环境累积和细菌耐药性等风险。
饲料配方师正寻找能够减少仔猪生长的关键时期(如断奶后)消化系统紊乱风险的饲料成分和饲料添加剂。在以预防的方式提高仔猪肠道健康和减小对非维持性应用的需求方面，HiZox与抗生素生长促进剂的替代品可以结合使用。□□
原题名：The antibacterial effects of dietary zinc oxide in weaned piglets(英文)
原作者：Valérie Kromm和Agathe Roméo(法国Animine公司)
凯利菌素P200
