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仔猪饲料配方中氧化锌的替代
发布时间:2020-07-13 09:36来源:animine

氧化锌产品作为仔猪腹泻的传统治疗手段,在成为业内的共识之前事实上已经在实践中应用很久了。1989年H. D. Poulsen博士在迪拜举行的第40届欧洲动物生产协会年度会议上公开宣布饲料中添加药理剂量的氧化锌可以明显地阻止断奶仔猪的腹泻。紧随其后,许多高校的学者开始对氧化锌阻止腹泻的效果进行验证,其中绝大多数试验的结果都是正向的。在Poulsen博士以及其他学者的研究之后,许多同行的试验结果也均表明:虽然氧化锌是一种有效的饲料添加剂,与其他的添加剂类似(包括抗生素),氧化锌也不是100%有效,但是氧化锌很快就成为一种控制断奶后仔猪腹泻的通用饲料添加剂,具有功效显著,成本相对便宜并且实践操作简便等特点。 

需要指出的是在那段时间里,这些研究发现均是在抗生素广泛地应用于仔猪日粮的基础上得出的结论,所以这可以解释为氧化锌在抗生素应用的基础上仍然发挥功效,或者说氧化锌的作用机理并不仅仅是杀菌作用。尽管欧盟近年来已经成功地禁用了饲料中添加的抗生素,但仍然依赖于应用氧化锌来控制仔猪断奶后腹泻以及改善生长性能,所以欧盟国家饲料禁抗的成功应该部分地归功于氧化锌的应用。

 

高剂量氧化锌应用带来的问题

虽然普遍认为日粮中添加营养水平(不高于150 ppm锌元素)的氧化锌是安全的,但是药理剂量应用的氧化锌(接近3000 ppm锌元素)不总是一直受欢迎,主要由于以下原因:

尽管氧化锌能够促进仔猪的健康并提高生长性能,但是锌元素毕竟属于重金属,对多数活体生物,甚至包括仔猪本身,都是有毒性的。根据美国国家研究委员会(NRC,1998)的建议,长时间应用含有过高浓度锌的饲料(取决于锌的来源)会引起动物产生中毒症状。由于仔猪饲料一般都是强化添加3000 ppm锌浓度的氧化锌来控制腹泻以及改善生长,显然会产生一些负面作用(正常仔猪日粮锌的营养需要大约是100 ppm)。这些结论是基于一些未发表的数据以及重复性的观测得出的,断奶后饲喂3000 ppm 锌浓度的氧化锌4周末结束时就会看到仔猪的采食出现明显的抑制作用,尤其是对前期采食量较高的猪只影响则更加明显。因此,锌的中毒并不仅仅是与饲料中的锌浓度有关,还受到仔猪在单位时间内锌元素实际摄入量的影响。 

然而氧化锌在欧盟被限制使用的真正原因是由于锌是一种重金属元素,当猪场中富含锌元素的粪便通过施肥进入到土壤中会被富集,所以土壤中高浓度的锌(也可能由于养殖场储水池废水的溢出导致)被认定是环境污染物和健康危害物,因此欧盟才对饲料中药理剂量氧化锌的使用进行了严格的限制,但同时这也产生了一个“不小的问题”,那就是当仔猪从一个国家转移到另一个国家的时候,比如当仔猪从丹麦(允许使用药理剂量的氧化锌)运输到德国(禁止使用药理剂量的氧化锌)去育肥,经常会产生消化不良,甚至导致水肿等症状,这也是德国兽医师们所面对的第一件要解决的程序性的工作。

近年来很多研究已经证明长期暴露在高剂量氧化锌环境下的微生物抵抗性会增强,例如抗甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的产生等等。尽管这些信息还不是作为预警的性质,但确实使我们更加关注革兰氏阴性菌(大肠杆菌)金属抗性基因的变化问题。

 

作用机理

如果要成功地替代常规氧化锌,我们必须要全面地了解氧化锌的作用机理。李习龙博士2010年提出了一个比较全面的总结,大概有6个方面潜在的作用途径。下面将列出氧化锌在肠道初始以及通过肠道时的作用方式,既有局部的也有系统的作用。

-断奶仔猪体内锌的状态

-对肠道微生物菌群的调节

-对肠道结构和功能的影响

-对肠上皮细胞离子分泌的影响

-对肠道免疫的影响

-对脑肠肽分泌的影响

大概机理总结如下:

氧化锌调节肠道微生物区系,降低组胺的释放进而预防腹泻。同时氧化锌也提高肠道类胰岛素生长因子1(IGF-1)及其受体的表达来减轻断奶仔猪相关的肠道损伤,通过调节脑肠肽的分泌来刺激采食,促进生长。

近年来的一些研究表明药理剂量的氧化锌能够调控胃和小肠近端主要微生物菌群的数量,最终乳酸菌和大肠杆菌受影响最大,这种菌群再平衡的调节有利于动物的肠道健康。目前尚不清楚氧化锌是如何对肠道菌群进行调节的,特别是有时能够观察到乳酸菌受到抑制而大肠杆菌的数量升高的情况。

 

氧化锌替代品

目前尚不完全清楚氧化锌的作用机理,但是寻找有效的替代方案却是迫在眉睫,本文列出一些当前氧化锌替代品的使用现状:

       有机锌

一些研究报道低剂量有机形式的锌(通常是螯合形式)有时与高剂量氧化锌来源锌的效果相当,但有的研究也并不与该结论一致,事实上采用低生物学利用率的氧化锌和高的生物学利用率的氧化锌饲喂小猪后的生长性能表现并没有出现差异(表1)。正如李习龙(2010)综述中所描述的那样,氧化锌的功效远远不只是满足锌元素的生理需求那么简单。 

表1  不同生物学利用率的氧化锌来源对仔猪生长的影响

项目

负对照

低生物学

利用率氧化锌

高生物学

利用率氧化锌

日增重,g/

218a

276b

271b

日采食量,g/

306

340

321

行内平均数上标不同字母表明差异显著(P<0.05)

Mavromichalis et al. (2000), Journal of Animal Science, 78: 2896

碱式氯化锌(TBZC)

根据研究结果仔猪至少需要1500 ppm碱式氯化锌来源的锌才能与3000 ppm 常规氧化锌来源锌的效果相比较(表2)。由于本研究是在添加抗生素的饲喂条件下得出的,是否无抗条件下二者的生长性能仍然如此有待于进一步观测。然而即便是药理剂量氧化锌一半剂量的锌,其毒性以及在环境的累积问题仍然无法解决。 

表2  碱式氯化锌(TBZC)与常规氧化锌对仔猪生长的影响

项目

日增重,g/

日采食量,g/

对照

229

329

3000 ppm氧化锌来源的锌

280

374

750 ppm碱式氯化锌来源的锌

235

316

1500 ppm碱式氯化锌来源的锌

279

361

2259 ppm碱式氯化锌来源的锌

294

384

3000 ppm碱式氯化锌来源的锌

285

370

增重:对照与氧化锌组对比(P<0.05),对照与碱式氯化锌对比(P<0.05),碱式氯化锌的线性作用(P<0.05

Mavromichalis et al. (2001), Canadian Journal of Animal Science, 81:387

       包被氧化锌

市面上有一些用脂肪包被工艺处理的氧化锌的生产商宣称其低剂量应用可以替代高剂量的氧化锌,由于这里锌的吸收不作为主要的问题考虑,如前所述,包被技术只是延迟了最终的吸收结果,很难将这一点与太多的生物学功效联系在一起。也许包被技术预防了氧化锌在胃内酸性环境下的溶解,然而事实上正是氧化锌的这种不易溶解的特性(在肠道中性pH值条件下不溶)才赋予了它独特的生理作用,并且断奶仔猪胃内的pH值并不能与成年猪相比,所以我们并不认同所谓的大部分氧化锌在断奶仔猪胃内溶解的说法,但是所有这些假设仍然值得深入地研究和探讨。

       多孔氧化锌

利用矿物质有效的表面积与微生物接触进而发挥其抑菌和杀菌的作用,这种方式不同于常规的通过研磨的手段来提高矿物质的表面积。例如,可以通过黏土矿物质的吸附(方法不成熟)或者创造一种多孔式的结构来达到,相比而言这种多孔式的结构更具有商业价值,不仅提供了标准化的可能,更重要的是可生产出比常规氧化锌高出10倍以上的比表面积。Cho et al. (2015)表明这种多孔氧化锌替代常规药理剂量氧化锌具有良好的效果,尤其是在断奶后的前2周。

表3  多孔氧化锌能够替代常规氧化锌

项目

负对照

(无氧化锌)

3000 ppm

浓度的氧化锌

300 ppm

浓度的多孔氧化锌

日增重,g/

283a

310b

318b

日采食量,g/

371

373

380

行内平均数上标不同字母表明差异显著(P<0.05)

Cho et al. (2015), Animal Science Journal, 86 : 617

纳米氧化锌

理论上讲,超细研磨生产的氧化锌可暴露更多的分子与胃肠道的微生物菌群发生作用。例如,常规氧化锌每克约有4平方米的表面积,而纳米氧化锌的比表面积可以增加得更多,尽管数值变异非常大。同时纳米氧化锌的负面作用也很多,例如这些产品多来源于工业副产品,重金属含量高,质量不稳定,变异很大,缺乏作为动物饲料添加剂的科学性较强的信息。此外,纳米氧化锌在欧盟从未被批准在动物饲料添加剂中允许使用,由于其与常规氧化锌的粒径相比纳米颗粒的粒径非常的小,其表面特性也与常规产品改变很大,其对生产工人呼吸系统的毒性,对动物呼吸道和消化道的影响,以及纳米颗粒排泄到环境中对土壤微生物的影响都远远超过我们的想向,需要严格评估后才能决定是否可以应用。


欧盟法规下猪饲料锌元素的未来趋势

2003年,欧盟将猪饲料中锌元素允许使用的浓度上限从250 ppm mg/kg 全价饲料为基础)下调至150 ppm,由于大多数饲料含有30-40 ppm天然形式的锌元素,因此允许额外添加锌源的浓度不高于110 ppm。对于多数猪饲料品种来说,这个添加水平已经高于生理需要100 ppm的标准了。然而在仔猪断奶的特殊阶段,这个添加标准并不能达不到其生理需求。根据欧盟条例1334/2003 药理剂量的氧化锌(从2000 ppm4000 ppm)不允许在饲料中广泛使用,同时欧盟又全面禁用了抗生素促生长剂在饲料中的应用,因此在面对仔猪出现肠道健康问题时显得力不从心,最终从2005年又重新允许使用药理剂量的氧化锌,但是必须在有兽医处方许可的前提下才可以使用。

值得说明的是欧盟允许仔猪饲料添加不超过150ppm浓度的锌元素,由于欧洲多数饲料企业都使用常规饲料级别的氧化锌(72%锌含量)作为锌元素的来源,这一点与我国不同(我国多使用硫酸锌和其他无机形式锌作为锌源),但兽医开处方允许使用的药理剂量的氧化锌是药理级别的氧化锌(80%锌含量),具有更高的纯度和安全性(有害重金属残留量低),这点对环境至关重要,一方面具有动物生产的迫切需求与环境保护压力的矛盾,所以规定了既然要用氧化锌就要提高产品纯度级别的要求,这一点与我国饲料法规中规定仅仅使用饲料纯度级别(76%含量,有害重金属残留量很难得到保证)氧化锌的做法有些不同。既然药理剂量是氧化锌应用的主要部分,那一些情况下如果必须要使用的话就应该保证这部分所应用氧化锌产品的纯度及有害金属残留以使得对环境影响尽可能的小,这一点值得我们政策制定者借鉴参考。

 

为什么要控制锌的应用?

如前所述,高浓度的锌对活的生物体(动物,细菌和植物)都有毒性。对于生猪而言,如果饲料中锌的浓度高于1000 ppm饲喂仔猪的时间多于4周就会对其机体就会造成影响,土壤中的锌浓度如果高于100 ppm也对植物的生长会显现出毒性,此外土壤中锌的浓度高于150 ppm时其中微生物的抗性便会展现出来。尽管动物锌中毒的案例发生的不多,这也不是欧盟政策制定机构主要关心的问题,但是由于土壤的高锌导致的“萎黄病”却是欧盟政策制定机构所主要关心的问题,因为这可能是制约欧盟国家农业产量的关键因素,毕竟在欧盟,猪场的粪便是被要求必须施放在可耕种的农田里的。

 

什么是“萎黄病”?

铁是植物叶绿素光合作用系统的重要组成部分,植物从土壤中吸收铁元素,通常很少出现铁缺乏症,但是如果土壤中微量元素的过度沉积,比如铜(欧盟委员会限制应用的另一种矿物元素)和锌都能与土壤中的铁元素结合,最终导致植物很难吸收利用土壤中的铁。不止于此,同时植物体内的锌和铁互相竞争吸收位点会进一步加重铁元素的缺乏,最终植物不能合成足够的叶绿素,外表变得灰白(学名萎黄病)。进而,叶绿素的缺乏削弱了植物的光合作用,降低了作物的产量,换句话说,在土壤受污染严重的地区,植物和谷物作物的产量会显著降低。

据估计从1973年至1983十年间,欧洲西部地区土壤中锌元素的累积以每年0.41 ppm的速度递增,考虑到欧洲当前最适合耕种土地重金属元素沉积的严峻状况,有人估计从现在起几代人以后这些土地中的重金属浓度将达到植物生长的中毒水平并不是不可能,甚至有人悲观地预测,从当前比较适合耕作的土地到最终不能利用只需要80年左右时间,这就是为什么欧盟重新审视锌(和铜)应用政策的主要原因。

 

断奶猪和成年猪

目前在欧洲国家一般采用如下两种高锌日粮替代方案:一种是在比利时的应用方案,通过降低生长育肥猪日粮锌的浓度来平衡仔猪断奶阶段日粮高剂量氧化锌的使用,换句话说不是只关注于饲料中锌的使用,而是关注养殖场中总锌的排放,这种方式比较适合于从分娩到育肥出栏一条龙式的养殖场。另一种方式是利用一些氧化锌的替代产品,这类产品可以用较低的剂量来替代药理剂量的常规氧化锌。显而易见对于欧盟而言,锌的确是一个问题领域,可以想象全球其他的生猪生产地区也面临着同样的问题,同时我们也可以预料到未来对氧化锌应用的控制会越来越严格。我们建议动物锌的需要量应该以“可消化形式”为基础进行精确地评估,我们也应该持续探索更加“友好形式”的锌源,例如使用生物学利用率较高的锌源来满足动物营养生理需求,以及使用保护工艺处理的或者多孔工艺处理的氧化锌产品来改善断奶仔猪的肠道健康。

 

氧化锌中和仔猪饲料中的有机酸

一般认为当饲料中应用常规氧化锌时,其系酸力显著升高,因此必然要添加有机酸来平衡高系酸力导致的负面作用,或者考虑寻找常规氧化锌的替代品来加以规避。当饲料中有机酸的添加量比较低时,比如每吨添加有机酸1到3公斤,实际上由于有机酸已经被中和掉了而使得添加变得毫无意义(除非氧化锌和有机酸只是为了单一目的使用),这无疑增加了氧化锌应用的隐形成本。

实践中可以登录网址http://animine.eu/ABC4-calculator )计算日粮的系酸力,部分结果如下:

-添加0.1%柠檬酸可降低饲料酸结合力值56 mEq/kg。

-添加0.03%的氧化锌提高饲料酸结合力值48 mEq/kg。

-作为参考,建议饲料pH值为4时断奶仔猪日粮的酸结合力值可调整为 350 mEq/kg较为合理。

 

反之,当用低剂量的常规氧化锌替代品取代正常添加量的氧化锌时会减少有机酸的消耗,可以节约不小的饲料成本空间,或者说节约下来额外的胃酸有助于动物消化其他需要酸解的饲料原料,例如高水平的豆粕等。如果日粮选用低剂量的常规氧化锌的替代产品,由于其系酸力低,将会使得节约下来的有机酸提供非常强的抑菌和杀菌作用。截止目前,已经有越来越多的证据表明提高有机酸的添加量会改善仔猪的生长性能。在欧洲一些国家,由于饲料抗生素促生长剂的禁用,实践证明添加低水平的有机酸已经变得毫无意义,造成这种结果的原因是否由于当前的法规下依旧允许药理剂量的氧化锌的应用所导致的结果呢?如果真是如此,是否我们应该考虑在不增加有机酸添加量的前提下换成一些常规氧化锌的替代品来充分发挥二者的协同效果呢?




《仔猪饲料配方中氧化锌的替代》

Ioannis Mavromichalis

(张津校1 李升生2翻译,法国Animine公司)


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