尹靖東 賴州文
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室,北京 100193;2.徐州新奧生物科技有限公司,徐州 221400)
2013年以來,我國油料消耗量維持在1.24億~1.39億t,占全球總消耗的25%以上,其中油料進口占比超過55%。2021年,全球油脂產(chǎn)量達到21 497萬t,比消費量多311萬t,但國內(nèi)油脂的價格仍然大幅度上漲。關(guān)于我國食用油產(chǎn)量和消費量,不同渠道報道的數(shù)據(jù)出入較大,國家糧油信息中心預(yù)測我國2021—2022年食用油食用消費3 561萬t,工業(yè)及其他消費410萬t。但我國沒有飼料用油脂的數(shù)據(jù),估計占到油脂總消耗量的5%。我國飼料用油脂的價格受國際油料作物產(chǎn)量,特別是大豆油、菜籽油、棕櫚油的生產(chǎn)和進出口政策以及美國生物柴油政策的影響而變化,預(yù)計在一定時期內(nèi)仍將給飼料行業(yè)帶來巨大的成本壓力。如何高效地利用油脂補充飼糧能量水平、滿足高性能動物營養(yǎng)需要以及促進養(yǎng)殖行業(yè)的健康發(fā)展,是飼料行業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)長期考慮的問題之一。
飼料中添加的油脂通常來源于植物種子、動物脂肪組織和單細胞生物如真菌和藻類。常用的植物油脂有豆油、玉米油、花生油、菜籽油、亞麻籽油、椰子油和棕櫚油等。植物油脂中的脂肪酸一般為C18和更短鏈的脂肪酸,僅含亞油酸(C18∶2 n-6)和亞麻酸(C18∶3 n-3或n-6)的多不飽和脂肪酸(PUFA)。雖然有些植物可合成C20或更長鏈的不飽和脂肪酸,但大多為單不飽和脂肪酸,如芥酸(C22∶1 n-9)或神經(jīng)酸(C24∶1 n-9)。植物油脂還包括一些其他植物油脂產(chǎn)品,如磷脂(大豆磷脂、菜油磷脂)等。大豆油脫膠過程中的復(fù)合磷脂產(chǎn)品為大豆磷脂,含有卵磷脂、腦磷脂、肌醇磷脂、甘油三酯和少量的生育醇、糖苷、色素等。菜油磷脂是菜油精煉時的副產(chǎn)品,也稱油腳。在飼料中添加磷脂類可提供必需脂肪酸、豐富的脂溶性維生素及促進脂肪的消化吸收。
動物油脂常見的有牛油、豬油、禽油和魚油等。不同于畜禽油脂中含有高比例飽和脂肪酸,魚油富含四烯酸、五烯酸和六烯酸,多為液態(tài)或半融化狀態(tài)。動物油脂的脂肪酸組成因動物種類、采食的飼糧、年齡和性別而存在小幅的差異。出于動物倫理以及疫病防控的原因,配制畜禽飼糧應(yīng)避免使用同種動物來源的油脂,至于跨物種程度還有待于從疫病傳染的角度界定。一些油脂企業(yè)針對動物油脂以及植物來源的磷脂類黏稠度高、流動性差以及添加不方便的特點,開發(fā)了以動物油脂、植物磷脂輔以植物油為囊心,以酪蛋白、乳糖和淀粉等為囊皮,經(jīng)過噴霧干燥制得的類似粉末狀的微囊油脂,也稱粉末油脂。其因質(zhì)量較穩(wěn)定,且能提高油脂的消化吸收率,受到了飼料行業(yè)的認可。
傳統(tǒng)上認為食物中的油脂在口腔中不消化。Tecles等[3]報道了在豬唾液中存在1種與脂肪酶類似的總酯酶,可特異性水解長鏈甘油三酯。新生仔豬的舌脂肪酶活性與胃脂肪酶相似或者更高。Voigt等[4]在味覺感受的乳頭的小唾液腺分泌物中檢測到了脂肪酶活性,發(fā)現(xiàn)其活性與個體對甘油三酯的敏感性相關(guān),而且口腔對甘油三酯的感知可被脂肪酶抑制劑削弱;但該研究者在人的舌組織中沒有發(fā)現(xiàn)口腔/胃脂肪酶編碼基因的表達,盡管有其他脂肪酶的基因表達。Lai等[5]從人口腔不同部位的唾液中檢測到的脂肪酶,但認為這并不能排除口腔中的脂肪酶來源于微生物或胃液返流的可能性。因此,舌脂肪酶的存在仍有待于進一步確認。
小腸是脂質(zhì)消化和吸收的主要部位。脂類物質(zhì)進入小腸后在膽汁酸鹽的乳化下變成脂肪微滴或細小顆粒,在胰脂肪酶的作用下水解為2-甘油單酯和脂肪酸。2-甘油單酯則被另一種甘油單酯脂肪酶水解,得到甘油和脂肪酸。磷脂在磷脂酶A2的催化下水解為溶血磷酸甘油酯和游離脂肪酸。水解后的甘油單酯和長鏈脂肪酸(LCFA)及其他脂類水解產(chǎn)物與膽汁酸結(jié)合,然后穿過腸上皮細胞頂膜與上皮細胞中的脂肪酸結(jié)合蛋白結(jié)合轉(zhuǎn)運至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)重新酯化為甘油三酯,并與磷脂、膽固醇和載脂蛋白等形成乳糜微粒,經(jīng)淋巴系統(tǒng)進入血液循環(huán)。LCFA通過一個活躍的、蛋白質(zhì)介導(dǎo)的過程被吸收。中鏈脂肪酸(MCFA)主要通過擴散的方式從小腸直接進入門靜脈。短鏈脂肪酸(SCFA)則既可以通過簡單擴散被腸細胞吸收而直接進入血液,也有主動運輸?shù)臋C制。例如SCFA通過盲腸和結(jié)腸上皮細胞的鈉離子(Na+)依賴的單羧酸轉(zhuǎn)運載體1(SMCT1)和非Na+依賴單羧酸轉(zhuǎn)運載體1(MCT1),主動轉(zhuǎn)運跨過頂端膜。迄今為止,脂質(zhì)吸收過程的細節(jié)尚未完全了解。
發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA被大腸上皮細胞吸收后,其中丁酸為大腸的上皮細胞提供約70%的能量,占機體總的能量代謝的1/3。丁酸調(diào)節(jié)結(jié)腸上皮細胞的轉(zhuǎn)運,促進結(jié)腸細胞的代謝、生長、分化,對結(jié)腸炎和結(jié)腸癌有預(yù)防作用;丙酸主要在肝進行物質(zhì)代謝,參與糖異生作用,具有調(diào)節(jié)機體糖脂代謝的功能;乙酸可參與體內(nèi)脂類特別是酮體的合成,在肌肉、肝臟、心臟和腦等組織器官代謝。大腸內(nèi)適當?shù)腟CFA可以很好地改善大腸功能,可通過調(diào)整膳食結(jié)構(gòu)使SCFA向著有益結(jié)腸健康的方向發(fā)展。
MCFA碳鏈由8~12個碳原子構(gòu)成,它在胰脂肪酶的作用下快速水解,不需要形成乳糜微粒,可直接通過門靜脈進入肝臟進行代謝,具有吸收快、供能迅速的優(yōu)點。MCFA在體內(nèi)主要是用于供能,在肝組織和脂肪組織中不易蓄積。因此,中鏈甘油三酯在臨床上常用于LCFA的β-氧化障礙病人或者腸道吸收不良患者的能量供應(yīng)。Knottnerus等[6]利用同位素標記的辛酸甘油三酯,發(fā)現(xiàn)血液中僅有不到1%的辛酸摻入了LCFA,但指出中鏈甘油三酯在體內(nèi)組織中的貯存仍需要進一步的研究。另外,MCFA的抗菌作用,也引起濃厚的興趣。有報道稱,MCFA對細菌、病毒和寄生蟲具有抑制作用。但是,Romo等[7]在人的早產(chǎn)兒上的研究表明,中鏈甘油三酯不改變胃腸道微生物菌群的多樣性和組成,不影響大腸桿菌數(shù)量,但可以抑制真菌定植。
油脂的營養(yǎng)價值主要體現(xiàn)在有效能值水平、脂肪酸組成、必需脂肪酸和脂溶性維生素的含量等方面。油脂的消化率決定著其營養(yǎng)價值,油脂不飽和度越高,其消化率也越高。飽和脂肪酸含量高會降低油脂的消化率,如棕櫚酸的消化率低于其他植物性油脂6%左右。PUFA會促進油脂的消化率,這也是多數(shù)植物性油脂的消化率高達96%以上的原因。草食動物體脂來源的脂類,因其長鏈飽和脂肪酸含量高而消化率較低、有效能值偏低。
油脂中的農(nóng)藥、重金屬以及毒素殘留都會影響油脂的安全食用,但更普遍的是油脂穩(wěn)定性帶來的問題。油脂在長期保藏過程中,受微生物、酶和熱的作用緩慢水解,產(chǎn)生游離脂肪酸,在自由基的作用下發(fā)生過氧化反應(yīng)生成醛類,如丙二醛(MDA)和4-羥基壬烯醛(HNE),進入體內(nèi)可誘發(fā)自由基鏈式反應(yīng),破壞機體的氧化-還原平衡,給動物健康造成顯著的全身性損害。油脂常溫儲存中,特別是在有銅、鐵、鋅、錳和鈷等金屬及其氧化物和鹽類存在的情況下易發(fā)生氧化。為了防止油脂氧化,通常在油脂中添加0.02%抗氧化劑(二丁基羥基甲苯、丁基羥基茴香醚等),并貯存在密閉、低溫和避光的合適容器中。
魚粉、蠶蛹、米糠、陳化玉米、陳化稻谷和干酒糟及其可溶物(DDGS)等飼料原料因不飽和脂肪酸含量高,保存不當極易氧化酸敗。若長時間、大比例飼喂含這些原料的飼糧,在飼料中維生素E或抗氧化劑含量不足,或者飼料中使用高硫酸銅、劣質(zhì)膽堿或霉變原料,都易導(dǎo)致豬肉脂肪變黃形成黃脂肉。油脂氧化酸敗過程中,油脂中的維生素A、維生素E和必需脂肪酸等遭到破壞。食用酸敗油脂不只會誘發(fā)必需脂肪酸和脂溶性維生素缺乏的現(xiàn)象,還會破壞B族維生素,造成如核黃素缺乏等現(xiàn)象。在生產(chǎn)中,一些不規(guī)范的飼料廠家為了降低成本,使用一些加工、貯藏不規(guī)范的油脂,這些油脂通常是水分和脂質(zhì)過氧化物含量和酸價超標、油脂不純等的劣質(zhì)油,給飼料品質(zhì)和畜禽健康造成了嚴重損害,這種現(xiàn)象應(yīng)堅決杜絕。
油脂對機體免疫機能的調(diào)節(jié)受到高度重視。高油脂飼糧能抑制自然殺傷(NK)細胞活性和免疫應(yīng)答反應(yīng),具體效應(yīng)與油脂含量和結(jié)構(gòu)有關(guān)。必需脂肪酸缺乏或過量都會對動物先天免疫造成損害,與其他必需營養(yǎng)物質(zhì)缺乏或過量的后果類似。攝入過量的亞油酸或α-亞麻酸(來源于亞麻籽油)會抑制NK細胞活性。魚油對動物炎癥反應(yīng)和先天免疫反應(yīng)具有調(diào)節(jié)作用,攝入適量的魚油能抑制多種的免疫機能過度活躍。豬油是西方國家的傳統(tǒng)抗炎劑,Capó等[8]報道,豬脂肪的水醇提取物(主要成分為5-十二烷醇)抑制了酵母聚糖刺激引起的大鼠免疫反應(yīng),并抑制了脂多糖(LPS)刺激的大鼠中性粒細胞和外周血單個核細胞產(chǎn)生腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的能力以及抗氧化酶和促炎酶的活性。
近些年來,脂肪酸對畜禽免疫機能調(diào)節(jié)的研究主要集中在腸道方面。Liu[9]很好地綜述了脂肪酸和脂肪酸甘油酯調(diào)節(jié)豬腸道免疫和炎癥反應(yīng)以及改善腸道健康的作用。Tian等[10]報道了丁酸甘油酯具有通過抑制核因子-κB(NF-κB)/絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號途徑,緩減腸毒性大腸桿菌(ETEC)攻毒引起的仔豬腸道免疫-炎癥反應(yīng),改善仔豬腸道健康的作用。Li等[11]報道,飼糧中添加1 000 mg/kg月桂酸單甘油酯雖然沒有改善斷奶仔豬生長性能,但顯著降低了腹瀉率,提高了養(yǎng)分消化率。
Miles等[12]研究表明,長鏈PUFA(包括ARA和DHA)在免疫系統(tǒng)的發(fā)育中都發(fā)揮作用,特別是對包括喘息和哮喘的過敏反應(yīng)的敏感性和過敏表現(xiàn)的調(diào)節(jié)具有臨床意義。Manaig等[13]研究證實,飼糧中高比值的n-6/n-3 PUFA可能會提高豬的炎癥反應(yīng)和代謝疾病的風(fēng)險。用高比值的n-6/n-3 PUFA飼糧飼喂母豬,哺乳仔豬肌肉和脂肪組織中檢測到一種高表達的急性期蛋白觸珠蛋白,以及與先天免疫反應(yīng)和急性炎癥反應(yīng)相關(guān)的蛋白的高表達,這可能與n-6 PUFA的促炎癥作用有關(guān)。而低比值的n-6/n-3 PUFA飼糧能改善母豬和仔豬的生產(chǎn)性能和免疫狀態(tài)。
最近,n-3 PUFA的代謝產(chǎn)物受到了高度關(guān)注。Yakah等[14]報道,相對于豆油升高了早產(chǎn)豬對LPS刺激的反應(yīng),魚油提高了組織中EPA、DHA和它們的代謝產(chǎn)物脂氧素和鞘磷脂水平,抑制了LPS誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。肝臟是一個暴露于病毒、毒素和藥物的最多的器官,而n-3 PUFA具有抗炎和細胞保護作用。Vielma等[15]報道,n-3 PUFA治療肝病的研究結(jié)果令人鼓舞,在肝病患者中,n-3 PUFA轉(zhuǎn)化的一類新型的脂類中間代謝物——特異性促炎癥消退因子(SPM)被下調(diào),其臨床及預(yù)防意義有待于進一步深入研究。Shaikh等[16]報道,EPA通過其代謝產(chǎn)物羥基二十碳五烯酸(HEPE)經(jīng)過氧化物酶增殖物激活受體(PPAR)介導(dǎo)的機制,防止肝臟組織中的脂肪沉積。此外,無論是在飲食中補充EPA還是通過腹腔注射消退素E1來激活消退素E1,都可以通過多種機制改善高血糖、高胰島素血癥和肝脂肪變性征狀。
共軛亞油酸(CLA)具有獨特的免疫調(diào)節(jié)作用。Lai等[17]報道,CLA能增強機體的非特異免疫功能,仔豬飼糧中添加CLA,其血清免疫球蛋白G(IgG)含量顯著升高,腹膜巨噬細胞的吞噬能力增強,且能促進仔豬外周淋巴細胞特別是CD8+亞群的轉(zhuǎn)化。在肉雞、大鼠、小鼠和豬上的研究都表明,CLA具有緩解免疫應(yīng)激引起的生長阻滯的作用。目前較公認的CLA調(diào)節(jié)免疫的機制包括:1)CLA通過競爭類二十烷酸的生物合成前體物ARA抑制了類二十烷酸的合成。類二十烷酸是由ARA在環(huán)氧化酶和脂氧化酶作用下生成的一系列激素類物質(zhì)。其中,ARA通過環(huán)氧化酶催化生成前列環(huán)素(前列腺素E2和凝血噁烷),而在脂氧化酶的催化下,則生成白三烯、氫過氧化二十碳四烯酸和脂毒素。這些類二十烷酸在體內(nèi)都起著重要的作用,與免疫反應(yīng)、炎癥反應(yīng)和過敏反應(yīng)的發(fā)生關(guān)系密切。CLA作為亞油酸的異構(gòu)體,干擾了ARA和類二十烷酸的合成,從而發(fā)揮著免疫調(diào)節(jié)作用。Cunningham等[18]通過類二十烷酸合成抑制劑進一步證明了CLA對類二十烷酸生物合成的調(diào)控作用。2)核受體途徑,CLA可直接或間接作為核受體PPAR的配體調(diào)節(jié)PPAR的表達。PPAR則是眾多調(diào)節(jié)免疫的基因的轉(zhuǎn)錄因子,如PPARγ通過抑制NF-κB和MAPK信號通路抑制白細胞介素-1β(IL-1β)和TNF-α的產(chǎn)生。除了CLA,卵磷脂也是PPARγ的一種天然配體。
Metzler-Zebeli等[19]研究表明,胎兒空腸能感受SCFA,并啟動如肌肉收縮和相關(guān)的基因表達等電生理的反應(yīng),據(jù)此推測,SCFA可能在胎兒腸道營養(yǎng)和印記中發(fā)揮作用。Luo等[20]分析1978—2022年發(fā)表的關(guān)于SCFA生成、代謝和通過胃-腸軸或直接的中樞信號途徑,調(diào)節(jié)機體能量穩(wěn)態(tài)、葡萄糖平衡和精神疾病的研究報道,梳理了SCFA通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)代謝的機制;有30個研究指出,過量的SCFA或其不適當?shù)拇x對機體有害;但大多數(shù)的研究表明,SCFA作為三羧酸循環(huán)分子的前體物或者通過有關(guān)激素調(diào)節(jié)飽腹感和胰島素分泌以及通過調(diào)節(jié)免疫細胞和小神經(jīng)膠質(zhì)細胞,發(fā)揮有益的代謝作用。AMPK信號通路、G蛋白偶聯(lián)受體依賴信號通路和組蛋白去乙?;穮⑴c了這些功能,但這方面仍有待進一步的研究。
有研究表明,在畜禽飼糧中常添加SCFA(丁酸鹽或其酯)有助于改善腸道的健康,但SCFA經(jīng)口服對機體免疫機能的調(diào)節(jié)還有待于進一步確認。McLoughlin等[21]對68份研究報告的薈萃(Meta)分析表明,雖然試驗結(jié)果可能因試驗設(shè)計、補充劑的配方、劑量、處理時間和受試者人群的不同而差異較大,但現(xiàn)有證據(jù)支持補充益生元和合生劑具有全身性抗炎作用,但并未看到補充SCFA對全身性炎癥的改善作用。Williams等[22]分別調(diào)查分析了截至2021年5月的58篇發(fā)表在MEDLINE、EMBASE、CINAHL和Cochrane Library的關(guān)于益生元、合生劑和SCFA對嬰幼兒呼吸道感染的發(fā)生率、嚴重程度或持續(xù)時間和/或免疫功能標志物的影響,指出口服益生元,特別是低聚糖效果最好,對嬰兒和兒童的呼吸道感染起預(yù)防作用最佳,其作用機制是可能經(jīng)過提高NK細胞的活性來調(diào)節(jié)免疫機能,但也未看到SCFA預(yù)防呼吸道感染的作用。
油脂價格不斷攀升限制了油脂在飼料中的應(yīng)用,但也提出了如何高效地利用油脂的問題,這不僅關(guān)系到飼料成本的控制,也有助于改善動物健康和生產(chǎn)性能。在飼料生產(chǎn)和動物飼養(yǎng)中油脂的高效利用仍存在不少問題,特別是必需脂肪酸需要量、油脂的消化率和有效能值的準確估測等還存在分歧。
生產(chǎn)中只有在特殊的情況下才能觀察到必需脂肪酸缺乏癥,畜禽飼糧中通常以亞油酸及其含量來保證動物對必需脂肪酸的需要量。第11版NRC(2012)《豬的營養(yǎng)需要》與第10版NRC(1998)的亞油酸需要量沒有變化,仔豬、各階段生長育肥、妊娠和泌乳母豬以及配種公豬的亞油酸需要量均為0.10%。我國《豬營養(yǎng)需要量》(2016)中仔豬斷奶前、后亞油酸的需要量分別是0.15%和0.12%,后備母豬的亞油酸需要量是0.20%,其他各階段豬的需要量均為0.10%,之所以有此區(qū)別文中并未說明??紤]到飼料原料的消化率和脂肪含量,畜禽飼糧中的天然谷物通??梢蕴峁┳懔康膩営退?。當飼糧能滿足動物對必需脂肪酸的需要時,添加油脂主要是滿足動物對能量的需求。
準確估計油脂的消化率和有效能值是油脂高效利用的條件。油脂在飼糧中添加水平低時,其表觀消化率會因內(nèi)源脂肪損失(ELF)(占糞便總脂肪的比例高)而被嚴重低估。眾多研究表明,隨著飼糧中油脂添加水平提高,飼糧脂肪和脂肪酸的表觀消化率呈線性或二次曲線增加,當其添加水平達到10%,飼糧油脂的表觀消化率趨于穩(wěn)定。養(yǎng)豬生產(chǎn)中油脂添加量一般不超過5%,如果測定實際飼喂水平下的油脂消化率,測定ELF以校正表觀消化率,即用油脂的真消化率來衡量油脂的消化率是必要的。目前最常用的測定ELF方法是回歸法,即通過在豬飼糧中添加不同水平的油脂,然后將豬的可消化脂肪(或脂肪酸)與飼糧脂肪(或脂肪酸)的攝入量進行回歸,回歸方程的截距即為ELF。無脂法是最簡便快捷的測定方法,其通過給豬飼喂無脂飼糧,測定食糜或糞便中的脂肪或脂肪酸含量即為ELF,類似氨基酸消化率的定義方法。利用回歸法測得的內(nèi)源損失進行矯正的油脂消化率為真消化率,利用無脂飼糧測得的內(nèi)源損失校正的,則稱為油脂的標準消化率。
NRC(2012)中,因各種油脂的脂肪酸組成數(shù)據(jù)的變化,大部分油脂的消化能做了小幅修正,但椰子油、棕櫚油的消化能值、代謝能值和凈能值均大幅下調(diào);油脂消化能折算代謝能的系數(shù)由0.96上調(diào)為0.98,凈能折算代謝能的系數(shù)不變,仍為0.88,因此大部分油脂的代謝能值、凈能值均有較大的上浮。2個版本的NRC中油脂的消化能都是根據(jù)油脂的脂肪酸組成按照回歸公式計算得到的,進而折算成代謝能、凈能;而在我國《豬營養(yǎng)需要量》(2016)中,除了牛油、橄欖油、棕櫚仁油和芝麻油參考了NRC(2012)的數(shù)據(jù),大部分油脂的消化能、代謝能是由豬消化試驗獲得的,其中以玉米-豆粕型飼糧為基礎(chǔ)飼糧,油脂替代基礎(chǔ)飼糧10%。值得注意的是,我國的數(shù)據(jù)中大豆油的消化能、代謝能和凈能值分別較NRC(2012)分別高了514、566和502 kJ/kg,但玉米油的消化能、代謝能和凈能值二者差異較小,比NRC(2012)分別高了43.3和100.0和85.0 kJ/kg。因此,未來比較2種方法獲得的油脂消化能、代謝能仍是重要的研究工作,這方面的進展將有助于梳理清油脂有效能值估測方法的準確性,促進油脂在飼料中的高效使用。
我國植物油脂供應(yīng)緊張,應(yīng)加大我國畜禽油脂和餐廚廢油的回收利用。2017年,國務(wù)院辦公廳發(fā)文《關(guān)于進一步加強“地溝油”治理工作的意見》中提出要建立綜合整治的長效機制,進一步完善配套政策措施、落實監(jiān)督管理責任,同時也要發(fā)展、培育一些油脂企業(yè),對“餐廚廢棄物、畜禽肉類加工廢棄物和檢驗檢疫不合格畜禽產(chǎn)品等非食品原料”做無害化處理和資源化利用以生產(chǎn)回收油脂。美國有比較成熟的油脂和蛋白質(zhì)提煉行業(yè),每年處理超過2 000萬t的動物副產(chǎn)品和餐館廢油,油脂年產(chǎn)量達450萬t,其中回收混合油脂(即黃脂油)100萬t,大多用于動物飼料,也用于生物柴油制造,一部分還出口,這對我國的環(huán)境治理、能源循環(huán)利用以及油脂行業(yè)發(fā)展提供了很好的借鑒。