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[飼料] 盧德勛研究員:飼料營養活性物質(nutricines):一個亟待重新審視的研究領域

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導讀:
20世紀以來,已先后發現近50種營養素,形成了現代飼料營養組成理論。飼料營養活性物質是飼料原料天然存在的或飼料營養物質在飼料加工過程中及在動物體內消化代謝過程中產生的,其重要意義可與維生素的發現相媲美。隨著健康無抗養殖的提出,利用營養活性物質來制定營養策略備受關注,相關添加劑產品不斷涌現,但我國對飼料營養活性物質的研究還處于初級水平,亟待重新審視并整合這一領域的研究。本期特邀專家系統動物營養學創立者盧德勛研究員,將研究團隊過去10多年在飼料營養活性物質理論和應用方面的成果進行綜述,同時對這一領域的研究任務和課題方向進行介紹,相信一定會對行業的發展產生重要的指導意義。
全文已在《飼料工業》2020年第3期刊出。

飼料和食品中的活性物質并不是一件新鮮事。早在上千年,人們已經開始認識一些活性物質的特殊功能,但是真正應用到食品和飼料中時間并不長。多少年來,飼料營養活性物質這個超微量成分像一個“幽靈”一直在飼料科學和動物營養學學科中間游蕩,有時似曾相識,有時似曾陌生,實在難以捉摸。所以如此,有其特殊的歷史淵源。傳統營養學的歷史功績在于讓蛋白質、脂肪和碳水化合物等基本營養素的研究得到較全面的揭示,由于這些營養素的結構清晰明顯,利于分析、解構,因此研究成果明顯;但是,營養活性物質的結構復雜,難以分析結構,甚至目前科技條件有些成分仍然無法觀察到。在人醫方面有些流行病的臨床觀察發現,僅僅用基本營養素的功能解釋不能得到清晰答案,如蔬菜水果對于癌癥的保護作用,難以用維生素和礦物質的功能解釋。20世紀50年代以后,發達國家營養缺乏癥的消滅和慢性疾病的發展,促進了營養學界對食物中非營養成分的認識。隨著科學技術的發展和進步,特別是微量和痕量分析設備和技術的發展,越來越多的科學發現證實,食物中不僅存在大量的營養活性成分,而且這些成分具有多種可以提供人體基本營養之外的健康功效。這些發現進而徹底揭開了“藥食同源”的奧秘。隨著近40年來化學分析手段和分析儀器的發展和改進,對營養活性物質產品及其活性成分準確分析成為現實。飼料營養活性物質是飼料中含有多種具有生物活性及保健作用的超微量成分,被譽為“大自然賦予人類的禮物”。它是近年來營養界的一大重要發現,其重要意義可與維生素的發現相媲美。國內外有關營養活性物質的研究,特別是對其健康效應的研究,可以稱之為現代動物營養學的一個里程碑式的進展。這類研究把營養學關注的內容擴展到傳統營養素之外的更廣闊領域。

近20年來,眾多營養活性物質產品,特別是植物提取物飼料添加劑在動物飼料生產和豬禽養殖上的應用越來越引起重視。尤其是2000年以來,歐洲及美國、日本等發達國家在科技雜志上發表的有關植物提取物飼料添加劑的論文數量顯著增多。其主要原因是, 在抗生素還可以使用的國家由于抗藥性和殘留等問題導致抗生素的使用效果越來越差,從而導致抗生素的大量使用以及多種抗生素同時使用,從而走入越來越大劑量和越來越多種抗生素同時使用的惡性循環;同時也導致了動物自身免疫力的下降和采食量減少。在“唯生產效益決策觀”指導下,長期以來動物營養學的研究內容一直集中在動物對傳統的營養素需要量和飼料傳統營養價值評定兩個方面。最近幾十年對養殖業中濫用抗菌素造成的對動物和人類健康危害越來越引起廣大社會公眾的高度關注。尋找可以代替抗菌素的綠色飼料添加劑產品在動物營養學和飼料科學界已經達成了廣泛共識。植物提取物研發的熱潮大大推進了對飼料工業已存在的大量營養活性物質的研究和應用。近年來隨著發展養殖業“多元決策觀”的廣泛傳播,在我國健康養殖的理念日益深入人心,特別是利用營養活性物質制定健康養殖的營養策略的各種方案的提出大大促進了對飼料中存在的營養活性物質研究,利用營養活性物質研發和生產的種種飼料添加劑產品不斷涌現,目前市場上出現了諸如精油一類產品熱。遺憾的是,我國動物營養學和飼料科學界對飼料中營養活性物質的認識,特別是對其理論的研究尚處于初級水平,產品研發和應用存在這樣或那樣的問題,大大影響了此類產品的研發和應用。

到目前為止,在動物營養學和飼料學領域對營養活性物質的研究屬于一塊尚未充分開發的領域。人們對飼料中這些營養活性物質雖然已有所了解,但是對其研究甚少,尤其是對其作用機制尚不十分清楚。大力開展這一領域的研究是一項迫在眉睫的重大課題。開展這一課題研究將有助于解開許多長期困擾人們的營養學謎團,有力地推動動物營養學實現跨越性發展。科學利用飼料營養活性物質是健康營養技術策略的核心環節。開展這一課題研究將有助于構建具有時代特征的健康營養技術策略體系。當前飼料行業亟待重新審視并整合飼用營養活性物質有關領域的研究。開展這一課題研究有助于為建立并規范營養活性物質產品研發、生產和應用技術提供技術支撐。

以我為首席專家的內蒙古神州動物營養發展戰略所2019年5月與長江三角洲協同創新中心合作建立“飼料營養活性物質組學創新中心(the Centre for innovation of feed nutricinemicsresearch,CIFNR)”是一件在動物營養學和飼料科學發展歷程中具有重大歷史意義和戰略意義的大事。長江三角洲綠色制藥協同創新中心是首批入選國家“2011計劃”的14個協同創新中心之一,由浙江工業大學牽頭,聯合浙江大學、上海醫藥工業研究院、醫藥制劑國家工程研究中心、浙江省醫學科學院、浙江省食品藥品檢驗研究院等單位作為核心共同組成。長江三角洲綠色制藥協同創新中心產業技術研究園是由長江三角洲綠色制藥協同創新中心與德清縣政府共建,以生物醫藥產業化技術研發為特色的研究平臺,致力于推動德清縣、長三角區域乃至全國綠色制藥行業的轉型升級。該產業技術研究園齊全的儀器和設施,開放、共享的管理模式為我們成立飼料營養活性物質組學創新中心的建設和運行提供了完備的軟硬件條件。首批參加飼料營養活性物質組學創新中心計有內蒙古農牧業科學院、內蒙古農業大學、浙江大學動物科技學院、湖北輕工業學院、北京農學院和中國農科院北京畜牧獸醫所奶牛創新團隊等單位和個人。今后我們將秉承“開放、創新、合作、共贏”的理念,肩負推動飼料營養活性物質研究和成果產業化的重要歷史使命,努力工作,本著“搶占制高點,扎實推進,協同創新,突破性發展”的方針,將中心全力打造成國際一流飼料營養活性物質研發產業化中心,出成果、出人才,為我國養殖業和飼料工業發展做出更大貢獻。

我們團隊經過過去10多年的潛心研究,在飼料營養活性物質理論和應用方面取得了一系列成果。這些研究成果為該創新中心制定正確的研究方向奠定了基礎,同時也為后續的研究提供了理論和技術支撐。本文將在綜述這些研究成果的基礎上,對這一領域的研究任務和課題進行扼要的介紹。


1、營養活性物質屬于飼料的正常組成成分
早在19世紀初,英國Prout首先指出食物可以分成三類物質,后來分別被稱為糖類、脂肪和蛋白質。德國Liebig和法國Magendie分別確定蛋白質是動物必需營養素。1860年德國Hanneberg和Stohmann提出了飼料概略養分分析方案。20世紀30年代,美國Rose集中研究了氨基酸營養提出了必需氨基酸概念和理論。飼料能量評定從1810年干草等價起,經歷了由單一物質指標體系、以物質指標代替能量指標體系到單純能量指標體系的不同發展時期。進入20世紀,維生素、一些常量礦物質元素和微量元素的營養作用先后相繼發現,最終逐步形成包括有近50種營養素的現代飼料營養組成理論。隨著營養活性物質研究的逐步深入發展,對飼料科學和傳統動物營養學內的飼料營養正常組成這一傳統理論不斷提出質疑和挑戰。

現在將飼料營養活性物質列在飼料營養正常組成之內的大趨勢應運而生。所謂飼料營養活性物質是指“飼料原料天然存在的或飼料營養物質在飼料加工過程中及在動物體內消化代謝過程之中產生的,具有諸如促進腸道健康、維持理想的免疫平衡和氧化平衡和調節基因表達等特殊營養調控或保健功能的超微量成分(盧德勛,2004、2018)”。對于飼料原料或產品中存在的營養活性物質在英文文獻中不同學者曾使用過不同術語,我一直推薦使用Adams(1999)提倡使用的nutricines一詞。根據Adams(2007)的定義這些營養活性物質包括類胡蘿卜素、酶類、脂肪酸類、調味劑、低聚糖、有機酸、磷脂和多酚等。

Adams博士特別在營養活性物質(nutricines)方面的研究做出的突出貢獻之一就是在國際上正式提出使用nutricines一詞,為營養活性物質正名,把營養活性物質研究放在健康養殖策略前所未有的突出位置。盧德勛繼承并發展了他的這一學術見解,對飼料營養正常組成提出了一個的嶄新學術觀點,把營養活性物質正式列入飼料正常營養組成(見圖1),并把反營養物質與那些具有反營養作用的營養活性物質加以嚴格區分。這一飼料營養組成的新觀點為傳統飼料營養價值評定技術和日糧配合技術現代化發展提供了新思路,開辟了新途徑,對傳統飼料科學整體現代化發展具有開創性貢獻。

Adams博士把利用營養活性物質進行調控作為重要的營養策略,并把它作為健康營養(Nutrition-based Health)的重要組成部分。盧德勛對Adams博士這一重要營養策略進行了重大創新和發展,首次提出了一整套健康養殖的營養技術策略,要將積極發揮內外源營養活性物質調節功能列入日糧優化設計技術,特別是提出要對動物健康狀況進行實時檢測,科學地按照氧化應激—炎癥—免疫功能失調鏈聯動反應規律進行健康管理,并提出要將這一策略納入動物營養工程技術體系,進行“體系”作戰,利用營養工程技術的“導彈智能化”動態優化功能達到精準營養效果。這一全新學術見解,進一步豐富和發展了作者創立的動物營養工程理論和技術體系,具有重大的理論和實踐價值。




2、組學理論為這一課題的創新和發展領航
鑒于飼料營養活性物質超微量存在、種類的復雜性以及生理功能整體性和作用位點多在微觀層次以及作用方式和途徑的多樣性等特點,這一課題的研究遠遠超出傳統營養學理論和方法論所能及的范疇之外。時代呼喚能提出一種具有時代特征的新理論為這一課題的創新和發展領航。

盧德勛(2005)首次提出“營養活性物質組學”的定義及其相關理論,該理論立足于系統生物學中間發展起來的“組學”的概念,采用高通量的組學技術研究飼料或日糧內營養活性物質功效因子和主效因子組對動物健康和生產性能影響,是一種屬于前沿科學的理論。該理論著眼于研究天然存在的各種營養活性物質之間的相互作用與人工配合的各種營養活性物質間的優化組合以及它們的整體功能,而不是僅僅單單研究某一種活性物質的功能。

該理論提出一個關于飼料營養活性物質生理作用的四大組學原則,它們是:
① 生理功能的整體性:營養活性物質組的生理功能強調的是所有主效因子的整體功能;主效因子中又有關鍵因子和輔助因子之分。
② 作用方式和途徑的多樣性:營養活性物質組在動物體內作用方式和途徑的多樣性,形成一種多靶點、多指向綜合(包括協同)作用機制。
③ 作用位點的多層次性:營養活性物質組的作用位點覆蓋機體不同層次,但是重點在分子層次。只有通過對不同層次作用機制的整合才能最終闡明其科學內涵。
④ 核心理念的相互作用觀:營養活性物質組在機體內部與日糧來源和代謝產生的各種代謝產物,以及與內源活性物質之間存在復雜的相互作用。

應用營養活性物質組學理論和技術研究飼料或日糧營養活性物質組對機體代謝的影響,可有助于解決如下問題:
① 明確或發現飼料營養活性物質組的生物學作用及其在體內的代謝途徑和產物。
② 明確飼料營養活性物質組自身代謝產物與其生物學作用的關系,從而找到發揮作用的生物標志物。
③ 明確飼料營養活性物質組對機體代謝的影響,并探索內源性活性物質與生物學作用的關系,從而找到功能性指示標志物。
④ 區分飼料營養活性物質組主效因子的主次順序。
“營養活性物質組學”的提出為開展營養物質組學理論的研究和研發組學型飼料產品和應用技術提供了可貴的研究思路和研究方法。在應用營養活性物質組學理論研發產品時要堅持三個基本點即產品評價堅持功能因子生理功能的組學原則;產品加工堅決杜絕過度提純工藝和產品應用堅持體系作戰思路。


3、對飼料營養活性物質奠基性課題研究內容建議
對飼料營養活性物質課題的研究涉及面廣,需要進行較長期多學科協同攻關的戰略研究項目。根據我國的國情,作者建議首先從以下三個方面入手開始研究,為今后研究奠定工作基礎。這些研究內容屬于奠基性研究,完成以后再進一步開展深層次機制和包括動物半數有效劑量、最低有效劑量和每日最大允許攝入量等營養活性物質需要量等課題的研究。

3.1 飼料營養活性物質指紋圖譜數據庫構建
研究內容包括有:
① 飼料營養活性物質樣本的采集:著重強調采集樣本的種類、區域分布、范圍、生長階段及年份等信息。
② HPLC-MS 構建指紋圖譜數據庫:包括建立常用飼料原料營養活性物質有效成分和標志成分快速檢測技術;建立多酚類、類黃酮類、萜類等功能因子有效成分和標志成分的指紋圖譜庫。
③ 飼料營養活性物質中的主效因子的判定:飼料營養活性物質的主效QTL分析;主效QTL的精細定位與候選基因的單倍型分析。
④ 數據庫測定實驗室聯盟建立和測定方法標準化。

3.2 飼料營養活性物質主效因子檢驗與評價技術
研究內容包括有:① 飼料營養活性物質的主效因子的驗證技術研究;體外生物評價主效因子技術的研究:利用細胞培養和離體實驗等方法,建立主效功能因子體外快速評價技術體系;日糧營養活性物質功效關系動物模型的研究:通過使用日糧實驗動物模型,采用一些營養生理方法對日糧營養活性物質主效因子的整體功能進行評價。② 日糧營養活性物質主效因子評價指標體系的研究:主要包括腸道健康指標、免疫平衡指標、氧化平衡指標和其它指標[炎癥水平、下丘腦-垂體-睪丸軸(甲狀腺軸)功能、單核苷酸多態性(SNP)測定等]。③ 日糧營養活性物質主效因子半數有效劑量(ED50)、最低有效劑量(MED)和每日最大允許攝入量(ADL)測定。

3.3 飼料營養活性物質組學產品技術的研發及應用研究內容包括有:① 飼料營養活性物質組學產品功能因子生物活性穩態化技術研究:產品加工中功能因子的動態穩定監控技術;產品互配增穩、增效技術;包埋保護技術和穩定化儲存技術。② 飼料營養活性物質組學型產品研發技術:復合型微生物培養物產品研發和升級;具有抗氧化功能和提高動物免疫功能主打產品和既具有抗氧化應激,又具有抗炎和免疫調節飼料添加劑復合產品研發。

4、結語
① 飼料和食物營養活性物質的研究,特別是對其健康效應的研究,可以稱之為現代動物營養學的一個里程碑式的進展。到目前為止,在動物營養學和飼料學領域對營養活性物質的研究屬于一塊尚未充分開發的處女地。到目前為止,人們對飼料中這些營養活性物質雖然已有所了解,但是對其研究甚少,尤其是對其作用機制尚不十分清楚。大力開展這一領域的研究是一項迫在眉睫的重大課題。
② 營養活性物質組學理論的提出為這一戰略課題開展指明了正確的方向。在營養活性物質組學理論指導下,發展具有時代特征的飼用組學型產品的完整技術體系是當務之急,勢在必行。實現這一戰略目標尚需進一步轉變觀念,解放思想,做大量創新性研究才能取得突破性進展。
③ 盧德勛提出的把飼料營養活性物質列入飼料營養正常組成的嶄新學術觀點為傳統飼料營養價值評定技術和日糧配合技術現代化發展提供了新思路,開辟了新途徑,對傳統飼料科學整體現代化發展具有開創性貢獻。
④ 由多家院校、科研單位和企業新組建的“飼料營養活性物質組學創新中心”的任務就是要充分發揮這一“中心”強——強聯合的產學研體制和機制的優勢,加強基礎研究,提升原始創新能力,努力在這一新興領域走在理論最前沿,占據創新制高點,提升國際話語權和規則制定權,加速新產品研發,以盡快取得產業發展優勢的戰略目標。

參考文獻及更多內容詳見:
飼料工業,2020,41(3):1-5
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