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单宁酸的营养生理功能及其在单胃动物生产中的应用研究

返回列表 来源: 发布日期: 2019.12.27
摘 要: 单宁酸是一种植物源水溶性多酚化合物,由于能够与蛋白质、消化酶、生物碱、多糖和金属离子等结合或络合形成沉淀,降低动物机体对养分的消化和吸收,通常被认为是一种抗营养因子。 但近年来有研究发现,单宁酸的多元酚羟基使其本身具有收敛抗腹泻、抗氧化、抑菌和抗病毒等特性。 适量的单宁酸可以为动物的生长性能和肠道健康带来良性的促进作用。 本文综述了单宁酸的营养生理功能并总结了其在单胃动物生产中的应用效果,为单宁酸的进一步研究提供方向。
作者:宋妍妍

单宁酸,又被称为鞣酸、鞣质等,属于植物的次级代谢产物,主要存在于豆类植物、五倍子、高粱、石榴和金缕梅树等植物中 [1-2] 。 单宁酸可溶于水和乙醇,易溶于甘油,其化学结构较为复杂,根据化学结构和性质一般将其分为水解单宁酸、缩合单宁酸和复杂单宁酸。 水解单宁酸是由酚酸和多元醇通过甙键或酯键形成的聚合物,在酸、碱和酶的作用下可水解生成多元醇和酚酸;缩合单宁酸是多羟基黄烷-3-醇低聚物和碳-碳结合类黄酮的聚合物,在酸、碱和酶的作用下不易水解;复杂单宁酸含有水解单宁酸和缩合单宁酸的结构单元,具有 2 种类型单宁酸的特征和性质 [3] 。 单宁酸的结构如图 1 所示。 缩合单宁酸通常被认为是一种抗营养因子,近年来研究表明水解单宁酸可作为饲料添加剂 [4-5] 。 单宁酸的多元酚羟基结构,使其具有良好的收敛抗腹泻、抑菌、抗氧化和抗病毒等生理功能 [6] 。 欧盟已经批准单宁酸作为一种安全的新型饲料添加剂,现阶段在猪、奶牛和肉鸡等动物生产中已有部分应用 [7] 。
单宁酸的营养生理功能及其在单胃动物生产中的应用研究图1
单宁酸的抗营养作用及机理
单宁酸味苦涩,导致适口性较差,饲粮中单宁酸含量较高会影响动物的食欲,降低采食量,并且具有一定的毒性作用 [8] 。 单宁酸易与蛋白质和部分消化酶结合形成不溶性复合物,降低动物的养分消化率,尤其是蛋白质的消化率 [9-10] 。 研究发现,单宁酸的添加能够显著降低蛋白质的表观消化率,且蛋白质的表观消化率与单宁酸的添加剂量呈线性负相关,但蛋白质表观消化率受饲粮中蛋白质水平影响,在一定范围内,饲粮中蛋白质水平越高,蛋白质表观消化率会相对更高 [11] 。 King等 [12] 研究表明,高单宁酸高粱组北京鸭的养分利用率、真代谢能水平和真氮保持率较低单宁酸高粱组均显著降低,研究还发现,单宁酸在食品中的抗营养作用是因为其对肠道刷状缘氨基酸转运蛋白存在抑制作用。 单宁酸是足以沉淀蛋白质或交联蛋白质的变性剂,它能够使蛋白质的催化剂作用失效 [13] 。 Oke 等 [14] 研 究 发 现, 蛋 白 质 效 率(PER)和净蛋白质比率(NPR)与饲粮中单宁酸含量呈负相关关系。 单宁酸与消化酶的结合导致饲粮中的纤维素和半纤维素等聚合物的生物降解量显著减少 [9] 。 单宁酸可与铁、钙和锌等金属离子利用多元酚羟基络合成螯合物,降低饲粮中这些金属离子的利用率。 单宁酸可显著降低果蝙蝠体内铁的吸收,且不受剂量的影响 [15] 。 Lee 等 [16] 研究发现,在缺铁饲粮中添加单宁酸对血浆铁储备产生了不利影响。 在不缺铁的基础饲粮中添加单宁酸对猪血浆铁含量仍有不利影响,猪粪便中铁的排泄率线性提高 [17] 。 众多研究表明,单宁酸与金属离子的络合程度与 pH 和饲粮蛋白质水平有关。 不同 pH 条件下,单宁酸与金属离子形成不同的螯合物;在一定范围内,饲粮中蛋白质水平增加,单宁酸对金属离子的螯合作用减弱。

单宁酸的生理作用
单宁酸的多元酚羟基结构决定了它具有良好的收敛抗腹泻、抑菌、抗氧化、抗病毒和抗寄生虫等作用。
2.1 收敛抗腹泻作用
单宁酸进入动物机体胃肠道后,首先与胃黏膜蛋白结合形成鞣酸蛋白,保护胃黏膜不被外来粗糙食物刺激,并且能够在局部达到抗炎、止血和镇痛的作用 [18] ;然后,鞣酸蛋白抵达小肠,小肠液呈碱性,促进鞣酸蛋白解离,释放出单宁酸,单宁酸凝固炎症表面的蛋白质,减少炎症渗出物,降低食糜在肠道中的流速,减慢肠道蠕动,呈现出止泻作用。 此外,大肠杆菌和轮状病毒是引起动物腹泻的重要病原体,单宁酸对大肠杆菌的增殖以及轮状病毒吸附细胞期间的复制均有很强的抑制作用 [19-20] 。 安文亭等 [21] 、隋慧等 [22] 和孙展英等 [23]在动物饲粮中添加单宁酸,均发现单宁酸组腹泻率较对照组显著降低。 Rezar 等 [24] 发现 0.07%和0.20%的栗木单宁酸能够显著增加粪中干物质含量,减少粪便水分含量,说明单宁酸具有干粪效果。 Yang 等 [25] 研究发现,用五倍子单宁提取物(GTE)制备的五倍子口服液(GOS)在蓖麻油引起的小鼠腹泻模型中具有明显的止泻作用,且呈剂量依赖性。 Girard 等 [26] 建立了产肠毒素大肠杆菌F4(ETEC F4)断奶后腹泻动物模型,检验 1%板栗可水解单宁酸预防腹泻的效果,结果发现 1%板栗可水解单宁酸显著降低了仔猪的腹泻率和腹泻持续时间。

2.2 选择性抑菌作用
单宁酸在人和动物消化道内可以与细菌相互作用,单宁酸对微生物生长的影响,特别是它的抑菌作用,已经得到了较多的研究 [27] 。 众多研究表明,单宁酸对不同种类的微生物具有不同的抑制或促进作用。 Elizondo 等 [28] 对单宁酸进行体外试验,发现不同来源的单宁酸(白坚木、栗木或二者的组合)均抑制了健康动物和患病动物肠道中 A、B、C、D 和 E 型产气荚膜梭菌的生长,且与单宁酸的含量呈现剂量效应,此外,对比分析发现,栗木单宁酸的抑菌活性优于白坚木单宁酸,由此得出动物饲粮中添加单宁酸能有效预防梭菌菌属引起的疾病。 Tosi 等 [29] 与 Elizondo 等 [28] 的研究结果相似,栗木单宁酸对抑制产气荚膜梭菌的增殖非常有效,与感染未添加栗木单宁组相比,减轻了肠道损伤。 Van Parys 等 [30] 探究了栗木水解单宁酸在体内和体外对鼠伤寒沙门氏菌的存活是否具有抑制作用,第 1 个体外试验发现,栗木水解单宁酸对 57 株鼠伤寒沙门氏菌分离菌株的最小抑菌浓度(MIC)均在 160~320 μg/ mL 范围内;第 2 个体外试验发现,25~ 50 μg/ mL 栗木水解单宁酸显著抑制鼠伤寒沙门氏菌的生长,100 μg/ mL 栗木水解单宁酸能够完全抑制此细菌生长,但将鼠伤寒沙门氏菌接种到猪体内之后对此细菌的抑制没有显著效果。 Jamroz 等 [31] 研究发现较高含量的单宁酸能够显著降低 28 日龄肉鸡小肠中大肠杆菌的数量。 单宁酸能够通过抑制外排泵 NorA 进而抑制金黄色葡萄球菌的生长 [32] 。 研究表明,单宁酸可能通过 2 条途径发挥抑菌作用:一是单宁酸与细菌细胞膜和细胞质功能蛋白之间的直接相互作用;二是单宁酸对细菌细胞代谢(如代谢酶、脂质和脂肪酸等)存在二次作用,引起细菌细胞代谢功能改变 [27,33] 。

2.3 抗氧化作用
已知动物体内自由基过多会导致机体氧化应激。 氧化应激通常被认为是活性氧(ROS)含量的增加与抗氧化机制的低活性之间的不平衡,氧化应激会引起细胞结构的损伤,并有可能破坏组织 [34] 。 单宁酸的多元酚羟基可以提供氢离子,有效地清除自由基,是一种天然的抗氧化剂 [35-36] 。单宁酸能够显著提高布氏田鼠肝脏中过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、谷胱甘肽还原酶(GR) 和超氧化物歧化酶(SOD) 等酶的活性 [37] 。 Liu 等 [38] 研究发现,在高温条件下,栗木提取单宁酸对家兔的抗氧化能力有积极影响,显著降低了家兔血浆和肝脏中丙二醛(MDA)和皮质醇的含量,显著提高了 SOD 和 GPx 的活性以及总抗氧化能力(T⁃AOC)。 单宁酸可提高糖尿病大鼠抗氧化能力,即降低糖尿病大鼠血清和肾组织中 MDA 的 含 量, 提 高 GPx、 SOD 和 CAT 的 活性 [39] 。 Ye 等 [35] 研究表明,在饲粮中添加单宁酸能够显著提高 Brandt 田鼠肝脏中 GPx 的活性,对
CAT 活性有提高趋势。 SOD、GPx 和 CAT 是机体内 3 个重要的抗氧化酶,属于主要的抗氧化防御机制,能够保护细胞免受 ROS 含量过高所造成的损害,并减少氧化应激 [40] 。 由此得出,在饲粮中添加单宁酸对动物机体的抗氧化能力具有明显的提高作用。

2.4 抗病毒作用
单宁酸是一种较好的抗病毒药物 [41] 。 很多富含单宁酸的植物提取物均已被证明具有抗病毒活性 [42] 。 番樱桃单宁酸能够通过抑制 B 淋巴细胞性疱疹病毒(EBV)DNA 聚合酶的活性来显著抑制 EBV 的增殖,从而有效降低鼻咽癌的发生几率 [43] 。 Theisen 等 [42] 首次证明富含单宁酸的金缕梅树皮提取物能抑制乳头瘤病毒感染,而且发现含有 高 分 子 质 量 的 单 宁 酸 提 取 物 或 单 宁 酸(1 702 g/ mol)能够抑制甲型流感病毒受体结合和神经氨酸酶的活性。 诃黎勒酸(chebulagicacid)是一种水解单宁酸,其在体内和体外均有抗肠道病毒 71 型的活性,可能是一种控制肠道病毒 71 型感染的潜在治疗剂 [44] 。 单宁酸可有效抑制丙型肝炎病毒(HCV)进入 Huh7.5 细胞(一种肝癌细胞),而且能够阻止传染性 HCV 细胞的胞间传播 [45] 。魏昆鹏等 [46] 研究发现 0.15 mg/ mL 的水解单宁酸能够显著降低无特定病原体(SPF)蛋中超强鸡传染性法氏囊病毒、鸡传染性支气管炎病毒、鸡新城疫病毒和鸡传染性喉炎病毒的滴度。

2.5 抗寄生虫作用
动物体内寄生虫的存在,不仅危害动物机体本身,严重时导致营养不良、发育迟缓、免疫力降低,而且危害到人类食品安全。 单宁酸具备抗寄生虫作用 [47] 。 Williams 等 [48] 发现缩合单宁酸在体外对猪蛔虫具有直接有效的抑制作用,表现为新孵化的三阶段幼虫的迁移能力降低,从猪身上恢复的四阶段幼虫的活动能力和生存能力也有所降低,透射电子显微镜显示缩合单宁酸对幼虫表皮和消化组织造成了严重的损害。 Hoste 等 [49] 在电子显微镜下观察到缩合单宁酸可以损伤寄生虫的表皮蛋白。 天然植物单宁酸能够抑制反刍动物肠道 寄 生 虫 感 染,尤 其 是 线 虫 感 染 [50] 。 Tonda等 [51] 研究发现,单宁酸提取物能够作为球虫病疫苗的辅助药物治疗肉鸡球虫病。 目前认为单宁酸的抗寄生虫作用可能有 2 种机制:第一为代谢阻断假说,即单宁酸通过负面影响寄生虫本身的生理代谢过程抑制寄生虫生长;第二为营养免疫假说,即单宁酸通过提高宿主本身的抵抗力和免疫力抑制寄生虫生长和增殖 [52] 。

单宁酸在单胃动物生产中的应用研究
腹泻问题一直是制约我国畜牧业发展的重要因素,现已发现传统的兽药保健措施会带来许多负面效应,寻找天然的植物来源添加剂越来越受到人们的重视,而单宁酸的收敛抗腹泻作用引起了广泛关注。 众所周知,当富含单宁酸的饲粮被供应给非反刍动物时,对它们的生长性能有不利影响 [53] 。 但近年来研究发现,在动物饲粮中添加适宜剂量的单宁酸,不仅对预防和治疗动物腹泻有良好的效果,而且对动物的生长性能无负面影响甚至会出现良性促进作用。Cˇandek⁃Potokar 等 [54] 研究发现,在饲粮中添加 1%和 2%的单宁酸对猪的平均日采食量(AD⁃FI)、平均日增重(ADG)和料重比(F/ G)均无不良影响,3%的添加量虽然显著降低了 ADFI,但对ADG 和 F/ G 无不良影响。 Biagi 等 [53] 在基础饲粮中分别添加 1.13、2.25 和 4.50 g/ kg 栗木单宁酸,结果发现 1.13 和 2.25 g/ kg 单宁酸组对断奶仔猪的生长性能均无显著影响,4.5 g/ kg 单宁酸组显著降低了 F/ G,且对 ADFI 和 ADG 无不良影响。 安文亭等 [21] 发现,在饲粮中添加不同剂量的单宁酸对仔猪生长性能的影响未见规律性,与对照组相比,1 000 g/ t 单宁酸组 ADFI 下降,1 500 g/ t单宁酸组 ADG 显著提高,F/ G 显著降低,而 2 000 g/ t单宁酸组的 ADG 下降,F/ G 升高,但 1 000、1 500和 2 000 g/ t 单宁酸组均显著降低了仔猪腹泻率,且在饲粮中添加单宁酸促进了仔猪对粗纤维、钙和磷的消化;之后,此课题组又发现单宁酸对育肥猪的生长性能亦有改善作用 [55] 。 宋之波等 [56] 研究表明坚木单宁能够显著提高育肥猪的 ADG 和ADFI。 综上所述,适宜剂量的单宁酸对猪的生长性能呈现出积极的作用。

已有大量研究表明了单宁对家禽的抗营养作用,且单宁酸在肉鸡上的应用安全水平至今没有统一清晰的标准,但单宁酸在家禽上的应用被认为是一种潜在的生长促进剂 [57] ,单宁酸在家禽饲粮中已经被成功地用作控制疾病和提高生长性能的 添 加 剂 [58] 。 Schiavone 等 [59] 在 饲 粮 中 添 加0.15%、0.20%和 0.25%栗木提取物,有机物、蛋白质等大分子物质的表观消化率未被影响,对照组肉鸡粪便中的干物质含量较低,说明单宁酸具有干粪效果,有利于水分重吸收;肉鸡的生长性能与栗木提取物的添加剂量呈二次或三次相关,0.20%栗木提取物组显著改善了 14 ~ 35 日龄肉鸡的ADG。 侯海锋等 [60] 证明了 0.1%的单宁酸能够显著提高蛋鸡试验期第 3 周和第 4 周的产蛋率,料蛋比较对 照 组 下 降 了 8. 77%, 差 异 显 著。 Samuel等 [61] 研究发现 75~100 mg/ kg 的没食子酸可以显著提高肉仔鸡 1~42 日龄的饲料转化率。 Starcˇ evic ′等 [62] 研究表明,在肉鸡饲粮中添加单宁酸和没食子酸均能显著提高饲料利用率。

综上所述,适量的单宁酸应用于单胃动物实际生产中在一定程度上能够提高生长性能。 但是,现阶段单宁酸在动物体内的功效仍然充满争论,从营养学角度讲,单宁酸同时具有负面营养作用和正面营养作用,当饲粮中单宁酸含量较高时,可作为抗营养因子,而动物饲粮中单宁酸的摄入又对胃肠道有积极的影响 [63] 。

小结与展望
单宁酸作为一种植物来源的多酚化合物,不仅具有良好的收敛抗腹泻作用,而且在抗氧化、抑菌、抗病毒和抗寄生虫等方面表现出积极的影响。因此,单宁酸在畜禽生产中广泛应用前景可期。

众所周知,腹泻问题在当前养殖生产,特别是生猪养殖中非常普遍,造成的畜禽生产性能下降和死亡率上升给养殖业带来了巨大的经济损失。过去长期依靠饲用抗生素和高剂量氧化锌来防治腹泻,但抗生素的长期使用会诱导动物机体产生耐药菌株,对食品安全也有不利影响,而高剂量氧化锌通过畜禽粪便排泄造成土壤锌积累而污染环境。 目前,“禁抗”和“限锌”也是畜牧业发展的方向。 因此,单宁酸作为预防腹泻和改善肠道健康的天然饲料添加剂,安全性高,在部分或全部代替氧化锌和饲用抗生素等方面有很大的应用前景,对畜禽的高效安全生产具有重要的意义。 然而,现阶段单宁酸在反刍动物上的应用较多,而在单胃动物上应用的研究并不广泛,所以把单宁酸应用于单胃动物仍然有较大的挑战。 一方面,不同植物来源、不同剂量的单宁酸,由于动物种类和动物生长阶段不同其应用效果不一,所以需要对单宁酸的植物来源、化学结构、添加剂量及补充时间进一步筛选,筛选出最佳添加剂量及最适宜补充时间;另一方面,单宁酸在动物生产中的作用机制研究尚处于初级阶段,具体的作用途径尚不明确,需要进一步研究。

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