腐植酸的生物学功能及其在动物生产中的应用

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腐植酸 (Humic Acid) 是动植物残骸在微生物及物理、化学作用下, 经一系列分解和转化, 先形成较简单的有机化合物, 再经缩合作用形成的一种无定型高分子有机弱酸混合物[1]。腐植酸占土壤和水圈生态系统总有机质的50%~80%, 广泛分布于褐煤、泥炭、土壤、风化煤、湖泊、河流和海洋中[2]。腐植酸上的许多酚羟基、羧基和醌基等主要作为电子或氢的提供体, 属于酚类化合物, 具有抗氧化作用, 其中酚和还原态醌基团是其抗氧化的关键基团。同时, 这些活性基团也决定了其可以吸附饲料原料中常见的霉菌毒素, 如呕吐毒素和玉米赤霉烯酮。以上性质使得腐植酸在畜禽生产上的研究应用越来越广[3]。早在20世纪90年代, 腐植酸便作为饲料添加剂应用于畜禽生产中, 并取得了良好的经济效益, 但目前关于腐植酸在动物生产中应用效果的报道并不一致。本文从腐植酸的分类和提取方法、结构和性质、对动物的生理功能及其在动物生产中的应用进行综述, 为深入阐明腐植酸的作用机制及其合理应用提供理论基础。

1 腐植酸的分类、提取方法及其安全性评价

1.1 腐植酸的分类

根据腐植酸在溶剂中的溶解度和颜色, 可分为黄腐酸、棕腐酸和黑腐酸。黄腐酸又称富里酸或富啡酸, 可溶于酸、碱、水, 呈黄色溶液的部分;棕腐酸又名草木樨酸, 可溶于碱和乙醇, 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, 仅溶于碱, 呈黑色溶液的部分[1,3]。这3种组分都是不同程度的混合物, 其在酸度、元素组成、结构及分子量上都有较大差异, 其中黄腐酸分子量最小[4]。国外一般将腐植酸分为2个部分:胡敏酸, 即碱溶物酸化后的不溶部分或棕腐植酸和黑腐植酸的混合物;黄腐酸, 即碱溶物酸化后溶解的部分, 胡敏酸和黄腐酸也是土壤和泥炭中最活跃的有机质[5]。

根据来源不同, 腐植酸可分为天然和人工合成腐植酸。天然腐植酸主要包括土壤、水体和煤炭腐植酸;人工合成腐植酸即通过化学合成、生物发酵和氧化再生的腐植酸。目前人工合成腐植酸技术有限, 市场上主要以天然腐植酸为主。

根据生成方式不同, 腐植酸可分为原生腐植酸和再生腐植酸。再生腐植酸包括天然风化煤和人工氧化煤中的腐植酸。

1.2 腐植酸的提取来源和方法

腐植酸广泛分布于泥炭、褐煤、风化煤、土壤、湖泊、河流和海洋中, 但其含量各不相同。据统计, 泥炭中总腐植酸含量高达39%, 褐煤中总腐植酸含量高达60%, 风化煤中总腐植酸含量占34%~70%[6]。淡水系统中腐植酸含量占50%以上[7-8]。土壤和咸淡水中腐植酸含量丰富, 但相对密度较小, 一般不作为资源开发用。

腐植酸的提取一般以泥炭、褐煤、风化煤为主要提取原料[9]。泥炭中腐植酸的提取率最高、褐煤次之、风化煤最低;风化煤中胡敏酸的回收率最高, 其次为褐煤和草炭[10]。腐植酸的可利用率较高。孙在金等[11]测定腐植酸中有效腐植酸的含量较高, 为72.85%。腐植酸的提取方法有酸抽提法、微生物溶解法、碱溶酸析法, 其中碱溶酸析法即采用碱抽提剂法生产腐植酸, 方法简单方便, 已被广泛应用[9-10]。

1.3 腐植酸的质量标准及其安全性评价

MT/T745-1997《饲料添加剂用腐植酸钠技术条件》规定了腐植酸产品的质量标准。

周荣耀[12]用碱抽提法对以褐煤为原料提取的腐植酸进行了质量安全检测, 结果显示提取的腐植酸中砷含量、重金属含量等指标基本符合饲料添加剂用腐植酸产品的质量标准 (MT/T 745-1997) 且符合卫生学检查要求。王锦高[13]对用作饲料添加剂的腐植酸钠 (碱抽提法提取的腐植酸+纯碱) 产品进行了安全性评价试验, 结果显示腐植酸钠组猪肉质量和重金属含量符合标准, 证明腐植酸钠 (碱抽提法提取的腐植酸+纯碱) 产品用作饲料添加剂安全可靠、无毒性。

2 腐植酸的结构和性质

腐植酸中含有的主要元素有C、H、O、N、P、S, 包括黄腐酸小分子、棕腐酸大分子和黑腐酸大分子3种物质, 是由聚合程度不同的芳香稠环聚合而成的杂环化合物, 由几个结构相似、分子大小不一的结构单元 (如稠环、苯环和一些呋喃、吲哚等杂环) 组成;各芳环之间由桥键相连, 芳环上也有各种活性基团, C、H、O、N、S等是其主要组成元素, 其中O是构成腐植酸官能团的主要元素, 如酚羟基、羟基、醌基、羧基、羰基、醇羟基、甲氧基等, 质量范围从几百到几万, 是一种结构复杂的不饱和有机化合物[7,14]。

腐植酸分子上含有许多羧基和酚羟基, 属于酚类化合物, 其分子量较大, 可在一定介质中缔合更大的粒子, 具有胶体吸附能力;更重要的是腐植酸具有阳离子和阴离子交换位点, 可与微量营养元素离子、氧化物、矿物质形成水溶或不溶复合物, 也可与脂肪酸、烯烃类物质、毛细活性物质等有机化合物相互作用[14-16]。综上, 腐植酸具有抗氧化性、酸性、络合能力、离子交换能力、较高的吸附能力和氧化还原特性等。

3 腐植酸的生物学功能

3.1 调节矿物质转运

腐植酸是一种可转运矿物质的螯合剂, 且能增加细胞膜的通透性, 增强矿物质在血液和骨骼或细胞之间的转移能力[8], 如改变细胞内的钙离子水平[17], 进而维持细胞内离子的平衡。黄腐酸能够螯合体内有毒金属, 将其排出体外[8]。Sekaly等[18]报道, 黄腐酸可以结合铅、铜、铝、镍等重金属, 保障动物机体健康。

3.2 提高动物免疫, 增强动物抗病力

对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统。KÜhnert等[21-22]用腐植酸治疗猫狗消化系统紊乱和腹泻。腐植酸可诱导机体产生干扰素, 激活网状内皮系统, 进而增强非特异性免疫力;且能激活单核巨噬细胞系统, 增加白细胞数量和吞噬细胞活性[23]。此外, 腐植酸分子结构中含有大量含氧活性基团如酚羟基、羧基、醌基等, 这些含氧活性基团在动物机体中可激活多酚氧化酶、过氧化物酶和抗坏血酸氧化酶等, 提高机体的免疫功能和抗病力[4,23]。

3.3 保护动物胃肠道功能

腐植酸为有机弱酸, 具有良好的缓冲能力并能稳定消化系统内的p H[24]。腐植酸添加到饲料中能调节饲料酸碱度, 进入消化道后刺激胃壁黏膜, 增加胃液分泌进而增加食欲;同时腐植酸钠能使副交感神经兴奋, 增加腺体分泌, 促进肠管蠕动和消化吸收[4,25], 提高畜禽生长性能。常见的动物腹泻的根本原因是致病性大肠杆菌产生的内毒素和肠毒素直接侵入并破坏肠黏膜导致的。腐植酸可影响微生物蛋白质和碳水化合物的代谢, 改变致病性大肠杆菌细胞膜脂肪酸的组成和通透性, 使细胞内容物外流、菌体内物质代谢紊乱, 破坏病原菌和病毒结构, 进而抑制大肠杆菌等有害菌的生长繁殖[24-26]。

3.4 吸附霉菌毒素

腐植酸分子结构中有很多活性基团如酚羟基、醌基等, 这决定其具有吸附功能, 最高吸附量可达约1 000μg/g[27]。黄曲霉毒素、镰刀霉菌毒素、呕吐毒素和玉米赤霉烯酮等是动物饲料原料中常见的霉菌毒素, 动物食用后会对机体造成严重的不良影响。有研究表明, 腐植酸能够有效吸附呕吐毒素和玉米赤霉烯酮, 其吸附玉米赤霉烯酮的能力高达70%[28]。

3.5 促进瘤胃氮循环, 提高尿素利用率

反刍动物饲料中常用尿素代替部分蛋白质来降低饲料成本、提高生产率。虽然反刍动物能够利用尿素合成其生长所需的必需氨基酸, 但过多的尿素会在瘤胃微生物的作用下产生大量NH3引起致命性氨中毒。腐植酸钠在缓冲尿素对牛的毒副作用、提高尿素的利用率方面有显著作用[29]。按活性炭和腐植酸的质量比为14%, 将腐植酸植入活性炭中, 其对氨的吸附作用比活性炭单独使用的效果增加约3~8倍[30]。此外, 腐植酸与尿素形成的络合物腐植酸脲作为非蛋白氮素添加到泌乳牛饲料中是安全无毒的, 且腐植酸脲氮素的吸收利用率与植物蛋白氮素利用率相接近[31], 是一种良好的反刍动物饲粮氮素添加剂。

3.6 减轻动物粪便臭味

有研究报道, 在粪便处理过程中添加腐植酸可降低发酵后的p H, 从而减少NH3的挥发和有害菌的滋生[32], 降低臭气对环境的污染和对人类健康的危害。饲粮中添加腐植酸也可减少粪便中的NH3、H2S等气体[33], 这可能与腐植酸分子结构多孔隙和酚羟基、羧基等活性基团的吸附有关。在瘤胃消化过程中, 未被吸收的腐植酸钠随粪便排出时可吸附粪便中的NH3, 减少粪便中的臭味, 提高畜肥的肥效[29], 降低对环境的污染。

4 腐植酸在动物生产中的应用

4.1 在禽类生产中的应用

肉鸡饲粮中添加0.1%~0.25%的腐植酸可提高肉鸡饲料转化率, 降低死亡率, 改善肉品质[34-35]。Edmonds等[34]和Kocabağli等[35]研究发现, 在肉鸡饲粮中添加腐植酸可显著提高肉鸡生长性能, 降低耗料增重比, 且对肉鸡生长后期 (22~42日龄) 效果明显。罗斯308肉鸡饲粮中添加0.15%的腐植酸能降低血清总胆固醇, 提高肉鸡的胴体重和肌肉色泽[36]。腐植酸结构中含有酚羟基、羟基、醌基等活性基团, 其中在电子传递中起重要作用的醌基团是其抗氧化的主要来源, 且酚-醌结构可加强动物体内多酚氧化酶、抗坏血酸酶等多种酶活性[37], 这可能与腐植酸改善肉品质有关。

蛋鸡饲粮中添加0.003%~0.3%的腐植酸可调节蛋鸡钙磷代谢, 提高产蛋量, 改善蛋黄脂肪构成[25,38-40]。Hayirli等[40]研究发现, 在饲粮中添加0.3%的腐植酸盐可显著提高蛋鸡饲料转化率, 改善高密度饲养条件下蛋鸡的钙磷水平, 降低血清甘油三酯和极低密度脂蛋白等, 这可能与腐植酸增加细胞膜的通透性及促进矿物质的转运吸收有关。蛋鸡饲粮中添加腐植酸还可提高蛋鸡产蛋量和蛋重, 且对蛋壳厚度、蛋壳强度、蛋黄指数和哈氏单位无影响[25]。此外, 腐植酸还可以改善蛋黄的脂肪酸分布, 增加蛋黄中多不饱和脂肪酸的比例[41]。

4.2 在猪生产中的应用

在猪生产上, 腐植酸最早用于防止猪口蹄疫传播及口蹄疫的治疗[42]。近年来有报道称, 在猪饲粮中添加腐植酸或腐植酸钠能降低仔猪腹泻, 通过提高T淋巴细胞和B淋巴细胞的活性, 增加仔猪血清Ig G含量进而提高其免疫力[43-44]。

在猪饲料中添加0.02%~1%的腐植酸可提高饲料转化率, 改善生产性能, 提高经济效益[43,45]。赵华等[46]发现, 在育肥猪饲料中添加腐植酸钠也可提高猪生长速度、节约饲料、缩短饲养周期。其原因可能是腐植酸特有的活性基团能够激活机体己糖激酶, 促进葡萄糖的消化吸收[4]。此外, 在仔猪饲粮中添加黄腐酸能显著提高仔猪总磷和灰分消化率[43], 这可能与腐植酸可增强矿物质在血液和骨骼或细胞之间的转移作用有关。

4.3 在反刍动物上的应用

饲粮中添加0.1%~6%的腐植酸或腐植酸钠可改善牛羊饲料的适口性, 提高饲料利用率, 提高生产性能, 有效改善被毛光泽和弹性[26,47]。张棉库等[47]在育肥牛饲料中添加5%的腐植酸钠, 饲料利用率和体增重显著提高 (27.8%) 。蒋安文等[29]报道, 在饲料中以每日每头添加30 g腐植酸钠可使每日每头奶牛产奶量增加1.15 kg。进入瘤胃的腐植酸钠可吸附瘤胃中过多的NH3, 且被吸附的NH3还能再被瘤胃中的微生物分解利用, 提高了尿素利用率。但也有研究报道, 腐植酸的抗菌作用可能会通过减少瘤胃微生物的种类和数量, 进而导致蛋白质合成受到抑制[16], 因此, 腐植酸对反刍动物的作用还有待进一步研究。

5 小结

腐植酸资源丰富、富含多酚类物质, 生物学活性高、安全且无毒副作用。将腐植酸应用于畜牧生产, 对提高畜禽生产、保障畜产品安全、改善畜产品品质和减少环境污染等具有重要意义。但不同种类、不同来源的腐植酸组成有一定差异, 其作用效果也难以比较, 因此, 对于不同地区腐植酸的种类及其对动物的作用效果还需进一步明确, 特别是对反刍动物瘤胃微生物的影响还需深入研究。

【文】何俊娜,鲁鑫涛,邱家凌,马莲香,侯川川,郭阳,余东游.中国畜牧杂志

2018年1月8日 14:29
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