腐植酸的生物學功能及其在動物生產中的應用

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腐植酸 (Humic Acid) 是動植物殘骸在微生物及物理、化學作用下, 經一系列分解和轉化, 先形成較簡單的有機化合物, 再經縮合作用形成的一種無定型高分子有機弱酸混合物[1]。腐植酸占土壤和水圈生態系統總有機質的50%~80%, 廣泛分布于褐煤、泥炭、土壤、風化煤、湖泊、河流和海洋中[2]。腐植酸上的許多酚羥基、羧基和醌基等主要作為電子或氫的提供體, 屬于酚類化合物, 具有抗氧化作用, 其中酚和還原態醌基團是其抗氧化的關鍵基團。同時, 這些活性基團也決定了其可以吸附飼料原料中常見的霉菌毒素, 如嘔吐毒素和玉米赤霉烯酮。以上性質使得腐植酸在畜禽生產上的研究應用越來越廣[3]。早在20世紀90年代, 腐植酸便作為飼料添加劑應用于畜禽生產中, 并取得了良好的經濟效益, 但目前關于腐植酸在動物生產中應用效果的報道并不一致。本文從腐植酸的分類和提取方法、結構和性質、對動物的生理功能及其在動物生產中的應用進行綜述, 為深入闡明腐植酸的作用機制及其合理應用提供理論基礎。

1 腐植酸的分類、提取方法及其安全性評價

1.1 腐植酸的分類

根據腐植酸在溶劑中的溶解度和顏色, 可分為黃腐酸、棕腐酸和黑腐酸。黃腐酸又稱富里酸或富啡酸, 可溶于酸、堿、水, 呈黃色溶液的部分;棕腐酸又名草木樨酸, 可溶于堿和乙醇, 不溶于酸和水, 呈棕色溶液的部分;黑腐酸, 既不溶于酸, 又不溶于乙醇或丙酮, 僅溶于堿, 呈黑色溶液的部分[1,3]。這3種組分都是不同程度的混合物, 其在酸度、元素組成、結構及分子量上都有較大差異, 其中黃腐酸分子量最小[4]。國外一般將腐植酸分為2個部分:胡敏酸, 即堿溶物酸化后的不溶部分或棕腐植酸和黑腐植酸的混合物;黃腐酸, 即堿溶物酸化后溶解的部分, 胡敏酸和黃腐酸也是土壤和泥炭中最活躍的有機質[5]。

根據來源不同, 腐植酸可分為天然和人工合成腐植酸。天然腐植酸主要包括土壤、水體和煤炭腐植酸;人工合成腐植酸即通過化學合成、生物發酵和氧化再生的腐植酸。目前人工合成腐植酸技術有限, 市場上主要以天然腐植酸為主。

根據生成方式不同, 腐植酸可分為原生腐植酸和再生腐植酸。再生腐植酸包括天然風化煤和人工氧化煤中的腐植酸。

1.2 腐植酸的提取來源和方法

腐植酸廣泛分布于泥炭、褐煤、風化煤、土壤、湖泊、河流和海洋中, 但其含量各不相同。據統計, 泥炭中總腐植酸含量高達39%, 褐煤中總腐植酸含量高達60%, 風化煤中總腐植酸含量占34%~70%[6]。淡水系統中腐植酸含量占50%以上[7-8]。土壤和咸淡水中腐植酸含量豐富, 但相對密度較小, 一般不作為資源開發用。

腐植酸的提取一般以泥炭、褐煤、風化煤為主要提取原料[9]。泥炭中腐植酸的提取率最高、褐煤次之、風化煤最低;風化煤中胡敏酸的回收率最高, 其次為褐煤和草炭[10]。腐植酸的可利用率較高。孫在金等[11]測定腐植酸中有效腐植酸的含量較高, 為72.85%。腐植酸的提取方法有酸抽提法、微生物溶解法、堿溶酸析法, 其中堿溶酸析法即采用堿抽提劑法生產腐植酸, 方法簡單方便, 已被廣泛應用[9-10]。

1.3 腐植酸的質量標準及其安全性評價

MT/T745-1997《飼料添加劑用腐植酸鈉技術條件》規定了腐植酸產品的質量標準。

周榮耀[12]用堿抽提法對以褐煤為原料提取的腐植酸進行了質量安全檢測, 結果顯示提取的腐植酸中砷含量、重金屬含量等指標基本符合飼料添加劑用腐植酸產品的質量標準 (MT/T 745-1997) 且符合衛生學檢查要求。王錦高[13]對用作飼料添加劑的腐植酸鈉 (堿抽提法提取的腐植酸+純堿) 產品進行了安全性評價試驗, 結果顯示腐植酸鈉組豬肉質量和重金屬含量符合標準, 證明腐植酸鈉 (堿抽提法提取的腐植酸+純堿) 產品用作飼料添加劑安全可靠、無毒性。

2 腐植酸的結構和性質

腐植酸中含有的主要元素有C、H、O、N、P、S, 包括黃腐酸小分子、棕腐酸大分子和黑腐酸大分子3種物質, 是由聚合程度不同的芳香稠環聚合而成的雜環化合物, 由幾個結構相似、分子大小不一的結構單元 (如稠環、苯環和一些呋喃、吲哚等雜環) 組成;各芳環之間由橋鍵相連, 芳環上也有各種活性基團, C、H、O、N、S等是其主要組成元素, 其中O是構成腐植酸官能團的主要元素, 如酚羥基、羥基、醌基、羧基、羰基、醇羥基、甲氧基等, 質量范圍從幾百到幾萬, 是一種結構復雜的不飽和有機化合物[7,14]。

腐植酸分子上含有許多羧基和酚羥基, 屬于酚類化合物, 其分子量較大, 可在一定介質中締合更大的粒子, 具有膠體吸附能力;更重要的是腐植酸具有陽離子和陰離子交換位點, 可與微量營養元素離子、氧化物、礦物質形成水溶或不溶復合物, 也可與脂肪酸、烯烴類物質、毛細活性物質等有機化合物相互作用[14-16]。綜上, 腐植酸具有抗氧化性、酸性、絡合能力、離子交換能力、較高的吸附能力和氧化還原特性等。

3 腐植酸的生物學功能

3.1 調節礦物質轉運

腐植酸是一種可轉運礦物質的螯合劑, 且能增加細胞膜的通透性, 增強礦物質在血液和骨骼或細胞之間的轉移能力[8], 如改變細胞內的鈣離子水平[17], 進而維持細胞內離子的平衡。黃腐酸能夠螯合體內有毒金屬, 將其排出體外[8]。Sekaly等[18]報道, 黃腐酸可以結合鉛、銅、鋁、鎳等重金屬, 保障動物機體健康。

3.2 提高動物免疫, 增強動物抗病力

對腐植酸最早的研究是Griban等[19]和Lenk等[20]用腐植酸改善小牛的免疫系統。Kühnert等[21-22]用腐植酸治療貓狗消化系統紊亂和腹瀉。腐植酸可誘導機體產生干擾素, 激活網狀內皮系統, 進而增強非特異性免疫力;且能激活單核巨噬細胞系統, 增加白細胞數量和吞噬細胞活性[23]。此外, 腐植酸分子結構中含有大量含氧活性基團如酚羥基、羧基、醌基等, 這些含氧活性基團在動物機體中可激活多酚氧化酶、過氧化物酶和抗壞血酸氧化酶等, 提高機體的免疫功能和抗病力[4,23]。

3.3 保護動物胃腸道功能

腐植酸為有機弱酸, 具有良好的緩沖能力并能穩定消化系統內的p H[24]。腐植酸添加到飼料中能調節飼料酸堿度, 進入消化道后刺激胃壁黏膜, 增加胃液分泌進而增加食欲;同時腐植酸鈉能使副交感神經興奮, 增加腺體分泌, 促進腸管蠕動和消化吸收[4,25], 提高畜禽生長性能。常見的動物腹瀉的根本原因是致病性大腸桿菌產生的內毒素和腸毒素直接侵入并破壞腸黏膜導致的。腐植酸可影響微生物蛋白質和碳水化合物的代謝, 改變致病性大腸桿菌細胞膜脂肪酸的組成和通透性, 使細胞內容物外流、菌體內物質代謝紊亂, 破壞病原菌和病毒結構, 進而抑制大腸桿菌等有害菌的生長繁殖[24-26]。

3.4 吸附霉菌毒素

腐植酸分子結構中有很多活性基團如酚羥基、醌基等, 這決定其具有吸附功能, 最高吸附量可達約1 000μg/g[27]。黃曲霉毒素、鐮刀霉菌毒素、嘔吐毒素和玉米赤霉烯酮等是動物飼料原料中常見的霉菌毒素, 動物食用后會對機體造成嚴重的不良影響。有研究表明, 腐植酸能夠有效吸附嘔吐毒素和玉米赤霉烯酮, 其吸附玉米赤霉烯酮的能力高達70%[28]。

3.5 促進瘤胃氮循環, 提高尿素利用率

反芻動物飼料中常用尿素代替部分蛋白質來降低飼料成本、提高生產率。雖然反芻動物能夠利用尿素合成其生長所需的必需氨基酸, 但過多的尿素會在瘤胃微生物的作用下產生大量NH3引起致命性氨中毒。腐植酸鈉在緩沖尿素對牛的毒副作用、提高尿素的利用率方面有顯著作用[29]。按活性炭和腐植酸的質量比為14%, 將腐植酸植入活性炭中, 其對氨的吸附作用比活性炭單獨使用的效果增加約3~8倍[30]。此外, 腐植酸與尿素形成的絡合物腐植酸脲作為非蛋白氮素添加到泌乳牛飼料中是安全無毒的, 且腐植酸脲氮素的吸收利用率與植物蛋白氮素利用率相接近[31], 是一種良好的反芻動物飼糧氮素添加劑。

3.6 減輕動物糞便臭味

有研究報道, 在糞便處理過程中添加腐植酸可降低發酵后的p H, 從而減少NH3的揮發和有害菌的滋生[32], 降低臭氣對環境的污染和對人類健康的危害。飼糧中添加腐植酸也可減少糞便中的NH3、H2S等氣體[33], 這可能與腐植酸分子結構多孔隙和酚羥基、羧基等活性基團的吸附有關。在瘤胃消化過程中, 未被吸收的腐植酸鈉隨糞便排出時可吸附糞便中的NH3, 減少糞便中的臭味, 提高畜肥的肥效[29], 降低對環境的污染。

4 腐植酸在動物生產中的應用

4.1 在禽類生產中的應用

肉雞飼糧中添加0.1%~0.25%的腐植酸可提高肉雞飼料轉化率, 降低死亡率, 改善肉品質[34-35]。Edmonds等[34]和Kocaba?li等[35]研究發現, 在肉雞飼糧中添加腐植酸可顯著提高肉雞生長性能, 降低耗料增重比, 且對肉雞生長后期 (22~42日齡) 效果明顯。羅斯308肉雞飼糧中添加0.15%的腐植酸能降低血清總膽固醇, 提高肉雞的胴體重和肌肉色澤[36]。腐植酸結構中含有酚羥基、羥基、醌基等活性基團, 其中在電子傳遞中起重要作用的醌基團是其抗氧化的主要來源, 且酚-醌結構可加強動物體內多酚氧化酶、抗壞血酸酶等多種酶活性[37], 這可能與腐植酸改善肉品質有關。

蛋雞飼糧中添加0.003%~0.3%的腐植酸可調節蛋雞鈣磷代謝, 提高產蛋量, 改善蛋黃脂肪構成[25,38-40]。Hayirli等[40]研究發現, 在飼糧中添加0.3%的腐植酸鹽可顯著提高蛋雞飼料轉化率, 改善高密度飼養條件下蛋雞的鈣磷水平, 降低血清甘油三酯和極低密度脂蛋白等, 這可能與腐植酸增加細胞膜的通透性及促進礦物質的轉運吸收有關。蛋雞飼糧中添加腐植酸還可提高蛋雞產蛋量和蛋重, 且對蛋殼厚度、蛋殼強度、蛋黃指數和哈氏單位無影響[25]。此外, 腐植酸還可以改善蛋黃的脂肪酸分布, 增加蛋黃中多不飽和脂肪酸的比例[41]。

4.2 在豬生產中的應用

在豬生產上, 腐植酸最早用于防止豬口蹄疫傳播及口蹄疫的治療[42]。近年來有報道稱, 在豬飼糧中添加腐植酸或腐植酸鈉能降低仔豬腹瀉, 通過提高T淋巴細胞和B淋巴細胞的活性, 增加仔豬血清Ig G含量進而提高其免疫力[43-44]。

在豬飼料中添加0.02%~1%的腐植酸可提高飼料轉化率, 改善生產性能, 提高經濟效益[43,45]。趙華等[46]發現, 在育肥豬飼料中添加腐植酸鈉也可提高豬生長速度、節約飼料、縮短飼養周期。其原因可能是腐植酸特有的活性基團能夠激活機體己糖激酶, 促進葡萄糖的消化吸收[4]。此外, 在仔豬飼糧中添加黃腐酸能顯著提高仔豬總磷和灰分消化率[43], 這可能與腐植酸可增強礦物質在血液和骨骼或細胞之間的轉移作用有關。

4.3 在反芻動物上的應用

飼糧中添加0.1%~6%的腐植酸或腐植酸鈉可改善牛羊飼料的適口性, 提高飼料利用率, 提高生產性能, 有效改善被毛光澤和彈性[26,47]。張棉庫等[47]在育肥牛飼料中添加5%的腐植酸鈉, 飼料利用率和體增重顯著提高 (27.8%) 。蔣安文等[29]報道, 在飼料中以每日每頭添加30 g腐植酸鈉可使每日每頭奶牛產奶量增加1.15 kg。進入瘤胃的腐植酸鈉可吸附瘤胃中過多的NH3, 且被吸附的NH3還能再被瘤胃中的微生物分解利用, 提高了尿素利用率。但也有研究報道, 腐植酸的抗菌作用可能會通過減少瘤胃微生物的種類和數量, 進而導致蛋白質合成受到抑制[16], 因此, 腐植酸對反芻動物的作用還有待進一步研究。

5 小結

腐植酸資源豐富、富含多酚類物質, 生物學活性高、安全且無毒副作用。將腐植酸應用于畜牧生產, 對提高畜禽生產、保障畜產品安全、改善畜產品品質和減少環境污染等具有重要意義。但不同種類、不同來源的腐植酸組成有一定差異, 其作用效果也難以比較, 因此, 對于不同地區腐植酸的種類及其對動物的作用效果還需進一步明確, 特別是對反芻動物瘤胃微生物的影響還需深入研究。

【文】何俊娜,魯鑫濤,邱家凌,馬蓮香,侯川川,郭陽,余東游.中國畜牧雜志

2018年1月8日 14:29
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