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单宁酸作为家禽抗生素生长促进因子替代品的应用前景

返回列表 来源: 发布日期: 2019.12.04
40多年来,抗生素一直作为一项提高饲料转化率和降低成本的战略用于牲畜生产饲料的配方中。长期使用抗生素促生长因子(AGP)作为辅助治疗,这对抗生素耐药性微生物的选择特别有利。近年来,全球对抗生素耐药性的发展和耐药性基因从动物向人类的转移越来越关注。从动物日粮中去除AGP会给畜禽和养殖户带来巨大的压力,其主要后果之一是传染性疾病的发病率增加,治疗中抗生素的使用也随之增加,经济成本也相应增加。因此,迫切需要AGP的替代品。面临的挑战是在不影响牲畜生产性能和避免抗生素耐药性微生物增加的情况下实施新的替代方法。植物提取物和纯化的衍生物在动物营养方面显示出良好的效果,无论是从其功效还是从经济角度来看。单宁酸是一种源自植物的化合物,被成功地用作家禽饲料添加剂,以控制疾病和提高动物性能。任何一种提取物作为饲料添加剂的成功使用都必须确保产品质量一致,且数量足够满足家禽生产的实际需求。栗子(水解的)和白坚木(浓缩的)单宁酸可能是最容易获得的满足这些需求的商品。本报告将分析支持其使用的可用数据。
关键词:单宁酸,抗生素,生长促进因子,坏死性肠炎,植物提取物,动物健康

引言
抗生素类化合物最初以治疗和预防传染病的预防剂量添加到饲料中,但很快就观察到抗生素具有促生长作用。因此从20世纪50年代开始,抗生素就被添加到饲料中用以提高饲料利用率和农场动物的生长,降低生产成本(Moore and Evenson, 1946;Jukes et al., 1950)。抗生素作为促生长因子的使用,应该与治疗性和预防性使用抗生素区别开来,后者使用较高剂量并在短时间内使用。
单宁酸作为家禽抗生素生长促进因子替代品的应用前景
AGPs的作用方式仍然未被完全理解。人们提出了不同的潜在机制来解释AGP介导的生长增加(Gaskins et al., 2002; Dibner and Richards, 2005; Page, 2006)。最普遍接受的机制是通过调节肠道菌群,这在维持宿主健康方面起着关键作用(Tuohy et al., 2005)。菌群的组成影响肠道环境和宿主免疫系统抵御致病性和非致病性抗原的发展和应答(Cebra, 1999;Kelly and Conway, 2005)。
家禽生产中已经大量使用AGPs,但相对而言很少有研究系统地评估抗生素可能对鸡整体肠道菌群动态的潜在影响。因此,研究对细菌群落的影响是不可缺少的,包括用AGP喂养的鸡的共生细菌中抗生素抗性基因的选择和分布(Diarra etal.,2007; da Costa etal., 2013)。

AGP在家畜中的应用及其在筛选抗生素耐药菌中的作用已有大量综述(Butaye et al.,2003;Wegener, 2003; Kazimierczak et al., 2006; Landers et al.,2012)。值得注意的是AGP长期使用辅助治疗剂量,这种情况对于选择抗生素耐药性微生物特别有利。在过去的几年中,全球对抗生素耐药性的发展和耐药基因从动物到人类的转移越来越关注(Salyers et al., 2004; Mathur and Singh, 2005; Devirgilis et al, 2013)。耐药性产生和传播的潜在风险导致欧盟自2006年以来禁止使用抗生素作为生长促进剂。尽管食源性传播对人类抗菌素耐药性的相对贡献尚不清楚,但它确实存在,而且可能比目前认识到的更大(Collignon and Angulo, 2006)。一些研究表明,人类携带的大多数耐抗生素大肠杆菌菌株可能来自食用动物,尤其是家禽(Johnson et al.,2006)。

在这种情况下,为了保护人类药物的有效性(Casewell et al, 2003),在美国FDA禁止在鸡和火鸡上使用氟喹诺酮类药物,基于证据表明在家禽上使用这些抗生素导致弯曲杆菌产生耐药性。这些耐药菌株可传播给人类,并对公共卫生造成影响(Nelson et al., 2007)。在非致病菌中耐药性的选择是另一个潜在的风险。一些耐药基因可能存在于非致病性细菌中,然后转移到致病性微生物中。Fairchild等(2005)研究发现口服四环素并不会引起鸡盲肠肠道菌群的显著变化,但他们发现肠球菌药敏试验显示四环素类浓度增加。这些细菌的抗性基因均为阳性,如四环素(M)、四环素(L)、四环素(K)和四环素(O),它们可被转移到空肠弯曲杆菌中,产生四环素抗性。作者认为复杂的生态和遗传因素可能导致在鸡的生产环境中抗生素耐药基因的流行和转移。

尽管在饲料中添加AGP会带来麻烦,但人们普遍认为现代家禽生产的集约化和相关应激源增加,如饲料变化或饮食不平衡,对动物的健康可能有不同的负面影响,如免疫功能降低,高度暴露易感群体(Pinchasov and Noy, 1993)。这可能使肉鸡更容易被致病菌侵占胃肠道,对禽类的健康和食品安全造成威胁。从动物日粮中去除AGP会给畜禽和养殖户带来巨大的压力,其主要后果之一是传染性疾病的发病率增加,治疗中抗生素的使用也随之增加(Inborr, 2001; Casewell et al., 2003; Grave et al, 2006)。沙门氏菌、空肠弯曲杆菌和产气荚膜梭菌被认为是最重要的病菌,并对家禽和人类健康的威胁日益严重 (Van Immerseel et al.,2004;Humphrey et al.,2007)。面临的挑战是在不影响畜禽生产性能的情况下实施新的替代方案,且避免增加抗生素耐药性。

AGPs替代品源于公共卫生项目,在这些项目中益生菌和益生元等营养介质被用于改善炎症性肠病 (Guarner et al., 2002; Damaskos and Kolios, 2008)和肠易激综合症(Fooks and Gibson, 2002)等人类慢性疾病。在单胃动物生产中,以关注肠道健康的具体效果为重点的日粮配方正成为现实,因为当不允许在饲料中使用抗生素时,维持或增强肠道健康对动物的福利和生产力至关重要。在这种情况下,植物提取物和衍生的单宁酸在食用动物生产中表现出良好的效果(Huyghebaert et al, 2011)。

植物提取物和单宁酸
植物合成许多芳香物质,其中大部分是次生代谢物。在多数情况下,这些物质是植物抵御捕食的防御机制。有些物质,如萜类物质赋予植物气味;其他的(醌类和单宁类)负责植物色素,还有一些负责植物香味(如,来自红辣椒的萜类辣椒素)。

单宁酸在自然界中被大量发现,是具有沉淀蛋白质能力的可变分子量的水溶性多酚类化合物(Spencer et al., 1988; Cowan, 1999)。单宁酸可分为浓缩单宁酸和水解单宁酸(Scalbert, 1991;Haslam, 1996)。可水解的单宁酸以没食子酸为基础,通常与D -葡萄糖形成多重酯,而数量较多的浓缩单宁酸(通常称为原花青素)则来自类黄酮单体。目前的科学证据表明,单宁酸在改善营养和动物健康方面具有巨大的潜力,尤其是对牛等反刍动物(Frutos et al., 2004)。在过去几年里已经有许多对酚类化合物的研究(白藜芦醇、槲皮素、芦丁、儿茶素、原花青素),这些研究大多是针对改善人类健康,而且这些研究证明单宁酸具有多种生物活性,包括心脏保护、抗炎、抗癌、抗病毒和抗菌性能,主要归因于它们的抗氧化和抗自由基的活性(Frankel et al., 1993; Teissedre et al., 1996; Santos-Buelga and Scalbert, 2000)。最近的兽医学研究提到这些作用反映在不同种类的食物生产者动物具有更好的生长性能。单宁酸以可持续和保护环境的友好方式降低畜禽患病的风险和人畜共患病传播的风险。最近关于在家禽中使用单宁酸的报道也表现出有前途的结果(VanParysetal. 2010;Andersonetal. 2012;Redondoetal. 2013b; Tosi etal. 2013)。


单宁酸作为抗营养因子的基本概念
传统的家禽营养概念认为单宁酸是抗营养因子。单宁酸用于反刍动物日粮中可能具有相当大的营养价值,与此相反,单宁酸在单胃动物饲料中通常是不受欢迎的。在单胃动物中,通常认为含有单宁酸的日粮会降低消化率(尤其是粗蛋白),从而降低生长性能(Treviño et al., 1992; Smulikowska et al., 2001)。在家禽方面,大量的文章表明单宁酸在鸡饲料中的抗营养作用;由于自动采食量和有机物消化率的降低(尤其是蛋白质成分),这些物质会导致生产性能的恶化(Barroga et al., 985; Longstaff and McNab, 1991; Garcia et al., 2004; Longstaff and McNab, 2007)。

单宁酸抗营养作用的报道大多是基于饲料中单宁酸浓度相对较高的测定,主要使用纯化的浓缩单宁酸或含量大量单宁酸的植物,如高粱谷物中的单宁酸。这些试验显示出了不良反应,营养利用率降低,动物生产力下降,某些动物死亡。这种有限的试验信息,以及在植物中的单宁酸对食草动物起防御作用的事实,是单宁酸对动物不利这一概念的起源。然而人们现在知道,单宁酸有益或有害的特性取决于它们的化学结构(通常与植物来源有关)和剂量,以及其他因素,如动物种类、动物的生理状态和日粮组成。最近证据表明适量的单宁酸可以改善单胃动物的营养和健康状况。


对家禽生产性能的影响
尽管单宁酸传统上被认为是抗营养因子,但现在知道这些物质对家禽是有益的。然而,正如之前提到的,有些因素必须考虑和评估,如在饲料中的最终浓度、化合物的结构、饲料制备过程中的应用,以及植物因素,这些因素可能会影响单宁酸对禽类消化功能和全球健康的影响(Hagerman and Butler, 1980)。对不同纯化单宁酸的研究证实单宁酸提取物之间存在涩味、蛋白结合等化学性质的差异(Hofmann et al.,2006)。Schiavone等(2008)研究表明在家禽饲养中使用板栗提取物对饲料消化率、胴体质量或氮平衡都没有影响。实际上如果在日粮的干物质中含量达0.2%,它对生长性能是有积极影响的。同样,Marzoni等(2005)研究了白坚木单宁酸对生长野鸡的影响,试验表明饲料中单宁酸含量2%对野鸡生长性能无影响。此外有些作者提到,板栗单宁酸的使用可改变粪便的浓度,使处理组的粪便更坚实,对幼雏状况产生积极影响,从而改善集约化生产系统中鸡的整体健康状况和福利。而且栗子果实中所含的酚类物质(五倍子和没食子酸)对人体健康有多种积极作用,如抗氧化活性、降低心血管疾病的风险、抗癌机制和抗炎特性(de Vasconcelos et al,2010)。单宁酸也可与其他AGPs的替代品结合使用,如益生菌,在促进肠道健康方面显示出协同作用。最近的一项研究报道板栗提取物在改善乳酸杆菌对胃运输的耐受力方面表现出惊人的效果,而板栗纤维主要提高对胆汁的耐受性(Blaiotta et al,2013)。

虽然日粮中的单宁酸对动物消化道及动物生产性能具有有益的影响,但它们的主要作用方式通常不足以解释其在体内的作用。有些作者认为低浓度的单宁酸可以通过刺激采食来改善饲料的适口性和提高单胃动物的性能(Windisch and Kroismayr, 2006)。还有人认为刺激消化分泌物是一种核心的作用方式(e.g. Lee et al., 2003)。然而抗菌特性似乎是最相关的作用模式,尤其是对幼龄动物。一般来说,同AGPs一样,植物源性的化合物会参与调节微生物群和胃肠道之间高度复杂的相互作用。动物宿主从微生物活性及其副产物中减少可能是降低免疫防御成本的原因(Windisch and Kroismayr, 2006; Kroismayr et al.,2008)。然而肠道微生物菌群的相互作用和动态的复杂性使得很难用定量的术语来定义这种影响。


对家禽健康的影响
在过去几年里,人们对日粮中单宁酸的作用越来越感兴趣,因为它可能会减少哺乳动物 (Athanasiadou et al., 2000; Butter et al., 2002; Min et al., 2005)和鸟类(Marzoni et al., 2005)胃肠道寄生虫的数量。单宁酸,如来自绿茶或白坚木的浓缩单宁酸已被证明具有抗菌活性(Sakanaka et al., 2000;Elizondo et al.,2010),而且会影响鸡和猪的胃肠道细菌定植(Hara et al.,1995;Hara, 1997)。多项研究表明单宁酸或植物提取物可控制人畜共患病病原体如弯曲杆菌和沙门氏菌。

弯曲杆菌是世界范围内导致人类细菌性腹泻的主要来源之一,空肠弯曲杆菌和大肠弯曲杆菌是最常见的感染种类(Adak et al., 1995; Kapperud et al., 2003)。感染的主要来源之一被认为是家禽来源的食物,单独的家禽肠道带菌率通常超过80% (Anderson et al.,2012)。在确定的国家禁用AGP之前,在食源性病原体中观察到抗生素耐药性发病率增加(Desmonts et al.,2004)。各种水解和浓缩的富含单宁的提取物对空肠弯曲杆菌的抗菌活性表明,这两种单宁酸都能抑制空肠弯曲杆菌的生长(Nohynek et al, 2006; Gutierrez-Banuelos et al., 2011; Anderson et al., 2012)。当存在高浓度的氨基酸和可溶性蛋白质时,在控制空肠弯曲杆菌方面浓缩单宁可能不如水解单宁有效(Anderson et al.,2012)。在家禽饲料中添加选定的单宁酸以减少弯曲杆菌在体内的发病率的有效性需要进行评估。

肠炎沙门氏菌是食源性致病菌之一,常与食用家禽制品有关。人类疾病的控制策略是基于减少禽类屠宰时与沙门氏菌污染。通过使用AGP,使AGP在肉类和蛋类中产生残留物,有助于选择沙门氏菌和其他病原体的多重耐药菌株。Van Parys等(2010)发现从板栗(欧洲板栗)中提取的单宁酸能够抑制鼠伤寒沙门氏菌的体外生长,但是对受感染的猪的细菌排泄无影响。白坚木(Schinopsis lorentzi)原提取物在体外对肠炎沙门氏菌有抑菌作用,在肉鸡试验感染模型中使用时能够减少细菌的排泄(Redondo et al.,2013a)。同样,Prosdócimo等(2010)研究发现白坚木对肠炎沙门氏菌和鸡沙门氏菌有抗菌活性。产气荚膜梭菌是一种重要的家禽致病菌,是坏死性肠炎和亚临床疾病的病原体(Ficken and Wages, 1997)。这两种疾病对家禽生产都有重要的经济影响。这种细菌是禁止使用抗生素结果的一个重要例子。AGPs长期有效的预防家禽坏死性肠炎,但是停用AGPs后坏死性肠炎的发生率显著增加(Van Immerseel etal.,2004)。不同来源的单宁酸具有的抑制作用已经被证明。之前的报道表明来源于板栗和白坚木的单宁酸在体外对产气荚膜梭菌及其毒素有抗菌和抗毒素活性,并且这两种单宁酸的混合物保持各自的活性(Elizondo et al.,2010)。本研究结果证实了板栗和白坚木单宁酸在肉鸡坏死性肠炎模型中的体内作用,降低了损伤的发生率和严重程度,改善了肉鸡的生产性能(Redondo et al.,2013b)。这个研究结果得到了其他作者研究结果的支持,在艾美耳球虫/产气荚膜梭菌共感染模型(Tosi et al.,2013)中,他们将板栗单宁酸添加到日粮中。虽然板栗单宁酸对产气荚膜梭菌有很强的杀菌活性,但多数被摄入的单宁酸并不在粪便中,因为它在肠道中被水解和降解。与此相反,白坚木单宁酸主要浓缩的,其抗菌能力较低,但大多数摄入的单宁酸仍留在粪便中。因此,这些不同的能力可以被使用,通过板栗单宁酸减少肠道中产气荚膜梭菌的负荷,通过白坚木单宁酸控制环境污染物(粪便和铺垫)避免二次污染。

不同的研究报道有些单宁酸对动物病毒的抗病毒活性。Ueda等(2013)对不同来源的浓缩和水解单宁酸对选定的致病性动物病毒家族进行了测试,结果表明这些化合物对包膜病毒具有非特异性中和作用。同一组报道了通过单宁酸与蛋白质的结合诱导纯化的病毒粒子或BSA聚合。
另一种可能的机制是利用人类病毒,如疱疹病毒(Lin et al.,2011)和人类免疫缺陷病毒(HIV-1),在相同的研究中作者认为减少病毒活性可能是由于单宁酸分别与糖蛋白或CD4结合到细胞受体。虽然但对鸟类病毒的研究很少,但是研究表明含有特定单宁酸的天然提取物可能有助于控制病毒感染。Lupini等(2009)研究表明,板栗和白坚木提取物在病毒被细胞吸收之前,对鸟类的呼肠孤病毒(逆转录病毒)和变性肺病毒(副粘病毒)均有抑制作用。在这项研究中,作者报道板栗和白坚木提取物降低细胞外病毒活性,提出细胞外效应可能是由于单宁酸与病毒蛋白之间的相互作用,导致病毒附着和细胞膜渗透的抑制,正如前面提到的其他病毒。在相同的研究中,他们报道了仅有白坚木提取物降低细胞内病毒活性,并提出其主要机制可能是抑制病毒酶。Moreira等(2005)表明白坚木提取物的细胞内活性较高,可能由于来源于这种植物的单宁酸提取物较小可以穿透细胞。
虽然单宁酸或植物提取物显示出抗病毒 (Lupini et al.,2009)、细菌(Tosi et al.,2013),和原生动物疾病(Cejas et al.,2011) 的活性,但对这些化合物的抗菌作用和促进生长的机制知之甚少。

有些对抗菌作用模式的解释可能有助于解释单宁酸的主要机制。代谢抑制是一种可能的机制;Bae等(1993)研究表明来源于鸟足三叶草(Lotus corniculatus L.)的浓缩单宁酸对瘤胃中纤维素消化琥珀酸纤维杆菌S85的内葡聚糖酶活性有抑制作用。这可能适用于致病因子,正如Elizondo建议的产气荚膜梭菌毒素 (2010)。另一方面,一些作者提出缺铁的观点(Scalbert, 1991; Haslam, 1996;Mila et al., 1996)。单宁酸的作用就像一个铁载体,从培养基中螯合铁,使微生物无法利用铁。铁是大多数致病菌所必需的,单宁酸对铁的亲和力是大肠杆菌铁载体的三倍(Chung etal., 1998)。
动物日粮中某些植物组织的作用机制之一是肠道菌群组成的改变。根据不同组的报道,革兰氏阳性菌似乎对富含单宁酸的植物提取物更敏感(Nohynek et al., 2006; Engels et al., 2011)。值得注意的是,微生物群的变化对幼龄动物的影响更大,因为它们的微生物群在不断进化。一般认为要到六周龄时才能形成成熟的微生物群(Barnes et al.,1972)。无论什么作用方式,单宁酸的化学特性变化很大,在一种植物提取物中可能存在不同类型的单宁酸。因此,添加到饲料中的植物提取物的来源将决定其最终对微生物群和动物性能的影响。


经济因素

在不使用抗菌素或任何AGP的可用替代品的情况下,肉鸡生产性能和福利的提高取决于肉鸡的总体健康状况。必须考虑对整群健康状况和性能进行全面和持续的观察。需要定期进行尸检、取样和病原体鉴定,并定期监测生产参数,如采食量和体重增加、整群的均匀度和其他条件。这应该提供生产成本的概述,并可衡量一种疾病的经济影响,选择具有成本效益的治疗或预防策略。AGP替代品的投资回报率将取决于生物学影响和市场价格动态。整群动物都不使用AGP可能导致生长速度下降,发病率和死亡率升高;但是持续使用可能会导致更多的处罚,因为肉类和衍生产品中的残留物。在仍然允许使用AGP的国家,必须考虑用对公共健康不构成威胁,且在肉类和衍生产品中不留残留物的替代产品替代AGP的经济影响。它将取决于几个因素,包括影响生产性能水平的影响,任何采用的替代潜在技术的成本弥补终止使用AGP,可能与利益抵消,如对市场要求更加严格或特别的市场,如有机食品。在AGP被禁止用于家禽生产的国家,使用离子载体抗球虫药物可能暂时弥补其负面影响,由于这些物质与其他抗生素之间关系的报告缺乏,这些药物被排除在规定之外。考虑到最近的实地调查显示畜牧业使用的抗菌药增加了家畜细菌对批准用于人类的药物产生耐药性或交叉耐药性的可能性(Diarra et al., 2007; da Costa et al., 2013),其他抗菌组试验表明这些化学物质应立即从动物饲料中去除,基于AGP同样的原因,开发足够的替代品,单独使用或与其他控制措施相结合,以改善肠道健康是非常重要的。根据产品类型、供应商的识别、家禽应对标准、食品法规管理和兽医定义,需要进一步的工作来确定在家禽中抗生素化合物替换的标准(Rosen, 2003)。

结论
使用植物提取物作为引入注目的替代品替代使用抗生素生长促进因子。这些天然产品在家禽产品中不会残留。而且植物提取物是复杂物质,具有许多生物活性原理,即在微生物中诱导抗性的机会较少。

任何一种提取物作为饲料添加剂的成功应用,必须确保产品具有稳定的质量和足够的数量,以提高在AGPs水平的家禽生产,并满足家禽衍生产品消费者的实际需求。如果产品是有效的,并且能够获得足够的数量来满足家禽业的需求,那么成功应用的决定性因素将是成本,而且至少应该与AGP的成本类似。尽管市场上有很多产品已被证明在该领域是有效的(Graziani et al., 2006; Lupini et al., 2009; Elizondo et al., 2010;Redondo et al., 2013b),有些产品的潜力不那么明显。板栗(可水解的)和白坚木(浓缩的)单宁酸可能是最容易获得的商品,它们正被使用,而且涵盖这些需求,以及有大量的数据支持它们的使用。

不同文献结果的多样性表明,植物提取物对在不同动物宿主中确定的微生物或疾病的作用是复杂的。为了描述植物提取物对病原微生物、共生菌群及其在动物生产应用的影响,还需要进行进一步的研究。这方面的知识将有助于开发适合用于动物饲料的创新产品,在不损害公众健康的情况下提高动物生产。

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