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无抗时代的营养策略 | 抗生素替代品存在吗?

简介
无抗时代来了。今天我们就来聊聊饲料添加剂中的「抗生素替代品」。
肠清优广告图.jpg

  无抗时代来了。

  于是今天的动物营养学家们面临着前所未有的挑战 —— 抗生素不能用在饲料里了,那我们的工具箱里,还有什么东西能够达到抗生素的功效,既能让动物健康高效地发挥遗传潜能,又免却了耐药性的担忧呢?

  今天我们就来聊聊饲料添加剂中的「抗生素替代品」。

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  插句题外话,饲料添加剂这个在普通消费者中常常谈之色变的东西到底是什么?在学术上,它的定义是:添加到饲料中的、能保护营养物质、促进营养物质消化吸收、调节机体代谢、增进动物健康,从而提高动物生产水平和产品质量,减少环境污染的物质的总称。所以,添加剂必须是好东西。同时,它必须是安全的东西。一个饲料添加剂的研发、审批和使用,需要经过层层严格试验,以保证其对动物和人的安全。可以说,无论从生产成本、动物健康、产品质量、环境保护、亦或是可持续发展的层面,现代畜牧业都早已离不开添加剂。

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现代畜牧业已离不开饲料添加剂

  回到正题,要寻找抗生素替代品的第一步是明白它的作用机理。这件事情我们已经弄明白了。在上一篇文章「为什么无抗养殖是必然趋势」中我们聊到,抗生素作促生长剂(AGP)的主要作用包括:1. 杀菌、预防疾病;2.调整肠道微生物结构;3. 促进养分消化吸收。 这些作用互相关联,而它们都与肠道健康直接相关,通过提高肠道免疫和营养吸收来达到目的。

  所以不论是以什么作用方式,抗生素替代品的终极目标非常清晰,那就是保障动物的肠道健康。

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动物肠道健康的重要性 (图片引自Feedstuffs)

  那么如若肠道健康受损,会发生什么呢?

  首先会出现的,是动物对饲料的消化不良。肠道是营养物质消化吸收的主要场所。没有强大的肠道功能支撑,饲料的消化率必然不能达到最佳,尤其是在原料选择有限、或含有抗营养因子的情况下。这就会造成两个后果:第一,供机体利用的营养物质减少,动物的生长和生产将无法发挥出最佳遗传潜能,白白可惜了遗传育种学家的心血成果;第二,小肠内未被消化吸收的营养物质转移到后肠,给嗷嗷待哺的数亿微生物提供生长的基质。 这样一来,微生物的种类和数量增加,微生物菌群结构很有可能就会失调。在消化不良间接导致微生物失调的同时,肠道健康受损常常伴随着肠道屏障功能 (gut barrier)的异常,进而肠道免疫作用不能完美发挥,增加了致病菌入侵体内的概率;同时,上皮细胞的受损又会反过来影响消化吸收功能。而肠道的逆蠕动,可能又将后肠道的有害细菌带到整个消化道,从而加重肠道疾病。接下来,氧化应激、肠道炎症、乃至系统性疾病等后果就会接踵而至。

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肠道的消化功能和屏障功能对动物健康及其重要
(引自Dilger, 2016)

  这么看来,一个抗生素替代品产品要达到保障肠道健康的目的,有三个主要途径:1. 提高营养物质消化吸收;2.调节肠道微生物菌群结构;3. 提高肠道免疫功能 。

  目前在市场上活跃着几类大家称之为抗生素替代品的添加剂。如果按照上述三个直接功能来分类,它们大约可以分为:

  1.    提高营养物质消化吸收:
  酶制剂 (enzymes) | 酸化剂 (acidifier)

  2.  调节肠道微生物菌群结构:
  益生菌 (probiotics)| 益生素 (prebiotics)| 酸化剂

  3.   提高肠道免疫功能:
  植物提取物 (phytobiotics) |
  酵母衍生物 (yeast products)

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  首先来看第一类 --- 酶制剂 | 有机酸

  高中生物课上我们就学过,营养物质的消化需要酶的参与。通常来说,动物消化道所分泌的各种酶能够满足日常需求。但当动物受生理因素(幼龄|老龄|高产)或病理因素(应激|疾病)的影响时,自身产生的酶(内源酶)的种类或数量则可能不足。这个时候,在饲料中添加额外的酶(外源酶)就可以提高动物对饲料的消化,提高饲料利用率。

  这样一来,不被消化的营养物质减少,还会间接调节后肠道微生物。举个例子,动物自身不能分泌一种酶,叫做「非淀粉多糖酶」(non-starchpolysaccharidase, 简称NSPase),但常用饲料原料中往往又含有相当部分的NSP,这些能量不能被释放出来,就只能被白白浪费掉。而饲料中加入非淀粉多糖酶时,本来不能被动物消化而被转移到后肠道的非淀粉多糖,就可以在小肠阶段被部分消化,消化道内食糜粘度就会降低,食糜通过速度就会加快。于是在后肠的微生物可利用的营养基质就会减少,病原菌的繁殖就可能随之减少。

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非淀粉多糖酶和植酸酶提高家禽生长性能的作用机制
(图片引自ABVista)

  生产中常用的非淀粉多糖酶又可分为纤维素酶、木聚糖酶、葡聚糖酶、果胶酶等等。除此之外,常用酶还包括植酸酶、蛋白酶,脂肪酶,淀粉酶。通常植酸酶是单一酶制剂产品,其他酶制剂大多是包含多种酶的复合制剂。复合酶制剂有一个好处,那就是不同的酶能够相互帮忙,进一步提高底物消化率。

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阿拉伯糖苷酶和木聚糖酶互相协作,释放底物
(图片引自WATTAgNet)

  酶制剂在畜牧生产中的使用相对已经比较成熟,并不是无抗转型下催生的产物。但在无抗养殖的大环境中,它的作用更显突出。可是,我们知道,酶是有底物特异性的化学物质。所以,使用哪种酶制剂、使用多少、复合酶应该如何组成,都受饲料配方影响。换句话说,就是酶制剂的使用是有日粮特异性的。同时,酶制剂的活性程度、在饲料加工过程中的稳定性,都在一定程度上还有待提高。所以,不同的酶制剂产品在不同的动物、不同的饲料类型中的用法和效果,还需要很多评估工作。

  与酶一样,酸化剂(acidifier) 也可以提高饲料养分消化率; 但与酶不同,酸化剂是通过降低消化道pH来刺激消化酶的活性,从而达到同样的目的。现在的酸化剂多以有机酸和无机酸配合使用为主。有一些常用有机酸,比如柠檬酸(Citric acid)和延胡索酸(Fumaric acid),还能够直接参与机体代谢,从而直接供能。#三羧酸循环还能背不?#背了真的有用哦!

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营养学必考内容: 三羧酸循环
(图片来自网络)

  2.    调节肠道微生物结构 --- 益生菌|益生素|酸化剂

  双歧杆菌、乳酸菌...这些伴随着酸奶广告被广大消费者所熟知的“菌”,在营养学中被称为益生菌(probiotics)。这个词语是从希腊语’for life’的意思里衍生出来的,最早用以表示由一种微生物所分泌的、对其它微生物具有促进生长作用的物质(Lilly and Stilwell, 1965);与抗生素(antibiotics)的定义恰恰相反。后来益生菌的定义经过多番修正,直至2009年,联合国粮食与农业组织FAO将probiotics正式定义为「Live microorganisms which when administered in adequate amounts confer a health benefit on the host」(足量摄取后对宿主有益的活菌)。 在行业内,它们又被称为Direct-fed Microbial (DFM).

  和职场一样,肠道内的各类菌群必需通过「竞争上岗」。它们需要抢位置(粘附位点),还需要抢资源(营养底物),才能得以生存。而当从饲料中摄入益生菌后,这些有益菌种可以和病原菌相竞争,在人多力量大的原则下就能一定程度地抢走营养物质,赶走病原菌(competitive exclusion),抑制其在消化道的增殖,从而预防疾病。同时,益生菌自己也可以产生抑制病原菌生长的物质, 如细菌素(bacterin)、溶菌酶(lysozyme)等, 从而进一步抑制病原菌的生长。

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益生菌在肠道的作用机制
(引自Zorriehzahra et al., 2016)

  但作为live organisms, 益生菌产品要发挥其作用, 首先必须得耐受住饲料加工和储存得过程中。被动物摄取后,它还必须能够不被胃酸所消灭,得经过万里长征到达小肠,并在此繁殖; 而且还要有足够数量的活菌以及很高的生长率,才能够建立优势、维持肠道微生物平衡。因此,如何筛选高效稳定的益生菌菌株,如何通过生产工艺使其能够发挥最佳作用,都还是有待进一步研究的内容。

  同益生菌不同,益生素(prebiotics)不是live organisms,但却是可被益生菌所利用的营养物质,因此可以选择性地促进有益菌的增殖。目前的益生素类产品主要是功能性纤维(functional fibers)或低聚糖 (oligosaccharides)。它们不能被单胃动物自身的消化酶所分解,因而可以进入消化道后端被微生物所利用。同时,益生素还可以直接吸附肠道内病原菌,直接参与肠道微生态的调节。

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低聚糖直接参与肠道微生物的调节
(图片来自网络)

  人类的母乳中就含有大量的低聚糖,这也是为什么母乳可以提高婴儿免疫力的部分原因。2016年,美国奶粉生产商Abbott首次在其旗下Similac (雅培)婴儿奶粉中加入低聚糖,  成为宣传的热点。殊不知,饲料用益生素的研究和使用已经早已开展了多年了。 #猪比人吃得好系列

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雅培奶粉对低聚糖的宣传
(图片来自Similac)

  与益生菌相比,益生素因为不是活物,自然更佳稳定,对饲料加工、储存等环境的耐受性更高,并且不会被胃酸所灭。但是目前它的生产效率还较低,在实际生产中的使用仍然算不上普及。

  至于酸化剂 --- 没错它又出现了 --- 除了提高消化功能外,酸化剂在调节微生物结构上的作用,表现在直接抑制饲料储存过程中的微生物生长,并且抑制消化道中的有害菌生长,从而促进菌群健康。近年来热门的短链脂肪酸类产品,比如丁酸 (butyric acid),就具有杀菌抗菌,同时维护肠道屏障健康的功能。

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酸化剂对猪肠道的作用机制
(图片引自Addcon.com)

  3.     提高肠道免疫功能---植物提取物 | 酵母衍生物

  植物提取物 (phytobiotics) 是这几年大热的产品。2015年,欧盟首次批准的家禽饲用植物提取物产品,来自瑞士Pancosma公司 --- 一个由香芹酚(carvacrol)、肉桂醛(cinnamaldehyde)、和辣椒油树脂(capsicumoleoresin)结合制成的产品。其宣传的产品功能包括保护肠道屏障、增加消化酶分泌,还能提高营养物质消化吸收。随后这些年,一大批植物提取物产品涌进市场,大量的动物实验都显现出它们对肠道免疫、动物生长性能的有益效果。有的研究结果看起来,你甚至会觉得它就是万能选手 -- 消化吸收、抗菌消炎、肠道屏障、调节微生物结构,啥都能干好厉害。

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Biomin公司对其植物提取物产品「Digestarom」的宣传
(图片来自Biomin)

  同样的,酵母及其衍生物类产品(yeast products)在众多动物实验中也初显提升免疫功能和生长性能的优势。这类产品的生产虽然也需利用活菌(酵母菌),但与益生菌不同,它并不能直接提供有益菌群, 而是由发酵产生的众多活性物质的共同体,来发挥其作用。根据发酵工艺的不同,这类产品有的可能含有live organisms, 有的却不含。前不久刚被嘉吉收购的Diamond V公司的主打产品XPC, 就是不含活菌的酵母发酵产品 --- 据称XPC中含有300多种活性物质。可以想象,这么复杂的成分和作用,如何给产品定位是一个难题;而Diamond V最终将它定位为「Immune modulator」, 即免疫调控产品。

  可以看出,植物提取物和酵母衍生物这一类产品的来源、成分之广,活性物质含量不一,使大家很难进行科学比较。同时,因为这众多的活性物质,我们对它们的作用机制还并不完全了解。目前只能依靠生长实验的数据来指导实际生产,这就要求对每一种产品、每一种用法进行实地评估,因而难以避免地耗费大量时间与成本。而且,这些天然产品的成分是否稳定、它与饲料中其他营养成分或添加剂是否存在协同或抵抗效应、怎么用才是最经济有效的,都是营养师们在实际使用时心中的一丝疑虑。

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眼花缭乱吗?这是不同植物提取物对家禽的可能作用机制
(引自Dhama et al., 2015)

  除了上述几种市场上最常见的抗生素替代品产品,还有许多正在研发推广阶段的新型产品,如卵黄抗体(IgY)、免疫球蛋白、噬菌体及其裂解酶、细菌致病力抑制剂等。这些产品在理论上都颇具潜力,比如有特异性免疫功能的卵黄抗体、具有抗菌作用的噬菌体等。但这些产品至少在目前实际生产中应用还极少,今天就暂且按下不表。

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其它具有潜力的抗生素替代品:卵黄抗体、噬菌体等
(图片引自Sharma et al., 2018)

  你可能注意到了,这篇文章里,我没有引用一点具体的研究数据。这是因为今天所讨论的每一类产品都积攒了大量的科研进展,每一个细方向都是无数硕士博士专家的论文课题,值得花上更多功夫展开深入探讨。所以今天的讨论,仅从它们的定义和直接功能出发,但越来越多的研究发现,这些产品往往可以给动物带来诸多间接益处。越往后,了解得越清楚,我们也许就越无法对之分类啦。可以肯定,这些产品都具备着提高动物健康的潜力,它们必然会在无抗时代占有自己的一席之地。

  只是至今为止,还没有一个产品可以完完全全地替代抗生素。如果回到开头所讲的抗生素的三大作用,我们就能发现,这些替代品产品都存在着局限性、不稳定性与未知性。

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不同抗生素替代品产品在不同动物中的使用效果不一
(图片引自pewtrusts.org)

  如果抗生素替代品真的存在,那我们也无需谈论营养策略了。策略之所以为策略,是因为我们不得不利用有限、非全能的资源来制定行动方针和斗争方法,从而找到可以实现目标的方案集合。

  如若从抗生素的作用机理出发,无抗思路其实很简单,无非是做到以下三点:

  1.    改善环境、加强管理;防疫、抗应激
  2.    微生态平衡,肠道健康
  3.    日粮结构,提高消化率

  可是这三点看似简单,要真正做到实属不易。而这几点恰恰属于抗病营养理念范畴,提醒我们必须着眼于宿主和微生物的整体需求,从营养素、营养源、营养水平、添加剂这四大营养要素着手,以构建系统的抗病营养技术。

  可以看出,这个过程需要动物营养学、环境学、微生物学、免疫学、细胞生物学、作物学等多学科以及实际生产的交叉融合。所以,科学家和生产者们必需打破信息茧房,共面挑战,共享进展,共同推动养殖业在无抗时代朝可持续的方向健康发展。

-End-

  来源:曦曦博士

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