甲酸及其衍生物在歐洲畜牧業(yè)后甲醛時(shí)代應(yīng)用的新思路

◆作者：翟亞峰 徐銀龍 李彬 鐘玉宜

◆單位：1.歐密伽畜牧有限公司；2.阿肯色大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院

抗生素的促生長和抑菌、殺菌效果在畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖，乃至特種經(jīng)濟(jì)動(dòng)物養(yǎng)殖十分顯著，因而被廣泛應(yīng)用。隨著細(xì)菌耐藥性問題不斷突出，無抗日糧是全球畜牧業(yè)發(fā)展的必然趨勢。畜牧業(yè)要實(shí)現(xiàn)無抗化需要飼料品質(zhì)管控、合理營養(yǎng)供給、科學(xué)飼養(yǎng)管理以及遺傳育種等方面相互銜接和配合。甲醛在歐洲實(shí)現(xiàn)無抗的進(jìn)程中，發(fā)揮了重要的作用。尤其是在保障飼料衛(wèi)生安全和避免飼料生產(chǎn)過程中的交叉污染方面發(fā)揮了不可替代的作用。歐盟食品安全局的報(bào)告顯示，每噸全價(jià)飼料添加0.2～1kg 甲醛，即可有效殺滅大部分有害微生物。Moustafa 等（2002）研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中接種鼠傷寒沙門氏菌后，添加0.5%～1%的甲醛溶液能迅速殺滅飼料中的沙門氏菌。另有研究報(bào)告表明（WALES 等，2010；CARRIQUE MAS 等，2007；BERGE等，2012），使用甲醛可以有效控制飼料和飲水中的沙門氏菌及其他病原菌，很大程度地減少環(huán)境中的病源微生物。

甲醛雖然具有極強(qiáng)的抑菌效果，但使用不當(dāng)會(huì)對人的健康造成嚴(yán)重危害。甲醛對皮膚粘膜有刺激作用，高濃度吸入會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的呼吸道刺激并伴隨頭痛。其次，甲醛接觸到皮膚會(huì)產(chǎn)生色斑、過敏性皮炎等癥狀。另外，人體吸入甲醛后會(huì)誘導(dǎo)DNA 損傷，引發(fā)致畸、致癌作用（KIM等，2011）?？紤]到甲醛對人身健康的危害，歐盟食品安全局于2018 年8 月通過了禁止將甲醛用作飼料添加劑的決議。后甲醛時(shí)代的最適合替代品是什么？已經(jīng)成為了歐洲畜牧業(yè)專家學(xué)者探討的熱點(diǎn)話題。歐盟食品安全局經(jīng)過試驗(yàn)對比，通過（EU）2017/940 文件，批準(zhǔn)甲酸作為“飼料衛(wèi)生增強(qiáng)劑”，適用于所有動(dòng)物種類（見表1，EC,2017）。

1 甲酸替代甲醛作為飼料衛(wèi)生增強(qiáng)劑是科學(xué)有效的選擇

1.1甲酸具有極強(qiáng)的抑菌效果

甲酸是最小的有機(jī)酸，分子式為H2CO2,分子量為46.03。甲酸以酸分子形式高效地直接進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)（pH≈7.0）（如圖1），導(dǎo)致菌體內(nèi)pH 值下降，細(xì)菌不得不通過H+-ATP 泵，消耗大量能量排出氫質(zhì)子，導(dǎo)致細(xì)菌最終耗能凋亡。同時(shí)，羧酸根負(fù)離子能抑制DNA 和蛋白質(zhì)的合成，使細(xì)菌無法繁殖，達(dá)到殺菌效果（Dibner 等，2002；Partanen 等，1999）。比較不同有機(jī)酸的抑菌效果的結(jié)果顯示（Strauss 等，2001），甲酸對大腸桿菌、沙門氏菌等病原菌具有很強(qiáng)的抑制效應(yīng)（見表2）。

1.2甲酸具有酸化和營養(yǎng)功能

甲酸溶液的pH 值約為1.25，系酸力（ABC4）為-13550 meq/kg。甲酸屬于短鏈脂肪酸，能值為11.34 MJ/kg。這些特征使得甲酸在飼料和胃內(nèi)具有很好的酸化作用，而在動(dòng)物腸道又具有很好的營養(yǎng)功能（Suryanarayana 等，2012）。

Eidelsburger 等（1992）研究表明，斷奶仔豬飼喂含1.25%的甲酸日糧，采食后的3 小時(shí)檢測到胃內(nèi)容物中pH 值和氨的含量顯著下降，檢測到十二指腸內(nèi)的大腸桿菌和腸球菌數(shù)量也顯著下降。Eckel 等（1992）在斷奶仔豬日糧中分別添加0.6%和1.2%的甲酸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)飼料中蛋白和能量的表觀消化利用率明顯上升，分別提高了3.8%和1.9%。通過在線系酸力分析軟件分析得出，斷奶仔豬日糧中添加0.5%的甲酸，系酸力ABC4 可以降低68 meq/kg（如圖2）。

Maribo 等（2000）通過對豬的腸道內(nèi)容物分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，日糧中添加0.7%甲酸，腸道內(nèi)容物中含有4.4%以上的甲酸。這與Kirsch（2011）有關(guān)甲酸的研究結(jié)果相似，日糧中添加0.5%甲酸，腸道內(nèi)容物中含有5.5%以上的甲酸。這也就說明，甲酸可以通過胃，一部分達(dá)到腸道，在腸道中抑菌或被腸上皮細(xì)胞吸收利用（Gabel 等，2004）。

表1 （EU）2017/940 文件中關(guān)于甲酸的使用具體說明

圖1 甲酸分子殺菌作用機(jī)制圖

表2 不同有機(jī)酸對常見病菌的最低抑菌濃度(MIC)

1.3 甲酸可以保障“三線一體”的安全和避免交叉污染

圖2 甲酸對段奶仔豬日糧配方系酸力(ABC4)影響圖

“三線”指飼料的生產(chǎn)線、運(yùn)輸線、飼喂線。Strauss 和Hayler（2001）的研究發(fā)現(xiàn)，甲酸對沙門氏菌的最低抑菌濃度（MIC）僅為0.1%。甲酸的沸點(diǎn)100.8 ℃，具有一定的揮發(fā)性，在飼料原料中或者生產(chǎn)過程中添加甲酸，可以確保整個(gè)飼料生產(chǎn)系統(tǒng)的清潔同時(shí)避免交叉污染。甲酸以有機(jī)酸分子形式存在飼料中，也可以確保飼料在運(yùn)輸過程中的衛(wèi)生安全，使用甲酸來預(yù)防和解決飼料中沙門氏菌的問題具有很高的科學(xué)性和 有 效 性（Axmann 等，2017；Gómez-garcía 等，2019）。

“一體”指動(dòng)物機(jī)體。甲酸屬于短鏈脂肪酸，到達(dá)動(dòng)物腸道后可以被吸收利用，不會(huì)對動(dòng)物機(jī)體構(gòu)成危害。

2 甲酸及其衍生物在全球畜牧業(yè)中使用情況

目前，歐洲、泰國以及北美等國家的大型飼料和養(yǎng)殖企業(yè)，都普遍使用甲酸預(yù)防和控制飼料以及肉蛋中的沙門氏菌問題。歐盟食品安全局表示，每年甲酸總產(chǎn)量的1/3 用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，主要用來控制飼料中微生物的生長、確保安全衛(wèi)生。

但是，甲酸具有強(qiáng)烈的刺激性氣味和腐蝕性，對眼睛、呼吸道和皮膚具有強(qiáng)烈的刺激和破壞，對運(yùn)輸設(shè)備和儲(chǔ)存設(shè)備有嚴(yán)格的要求。歐盟食品安全局也在（EU）2017/940 文件中，明確規(guī)定了甲酸在全價(jià)料中使用的最大添加劑量為1%。因此大大限制了甲酸在畜牧業(yè)中大規(guī)模的使用，隨著科技的發(fā)展，無刺激、安全的甲酸衍生物相繼被開發(fā)出來，目前可分為甲酸鹽類，苯甲酸及其鹽類和二甲酸及其鹽類三種。

甲酸鹽類中甲酸鈣應(yīng)用最為廣泛，甲酸鈣pH 值為中性，易溶于水，甲酸根含量69%，無刺激，無腐蝕（Lawlor 等，2006）。但是甲酸鈣不具有直接殺菌和酸化的作用，甲酸鈣必須在胃內(nèi)或酸性條件下先轉(zhuǎn)化為甲酸分子，才能發(fā)揮殺菌和降低pH 值的作用（Kim 等，2005）。Partanen 等（2002）的研究發(fā)現(xiàn)仔豬日糧中添加0.8%甲酸，可顯著降低斷奶后仔豬的腹瀉率，而同等劑量的甲酸鈣對腹瀉無改善作用。Eidelsburger 等（1992）研究表明，斷奶仔豬日糧中添加1.8%的甲酸鈣，對胃內(nèi)容物中pH 值和氨的濃度沒有影響，但對十二指腸中大腸桿菌和腸球菌的數(shù)量有抑制效應(yīng)。該試驗(yàn)結(jié)果也間接證明了甲酸鈣必須在酸性條件下，置換出甲酸才能發(fā)揮抑菌效果。因此甲酸鈣在動(dòng)物消化系統(tǒng)內(nèi)具有一定的殺菌抑菌作用，在飼料中是以甲酸根離子形式存在，殺菌抑菌作用較弱。

苯甲酸也稱安息香酸，常溫下具有甲醛氣味的針狀結(jié)晶，難溶于水，1%溶液的pH 值為3.45左右。苯甲酸具有抑制真菌、細(xì)菌、霉菌生長的功能，在飼料生產(chǎn)中用添加用作防霉劑。歐盟食品安全局發(fā)布法規(guī)（EU）2018/1550，批準(zhǔn)苯甲酸作為飼料添加劑用于斷奶仔豬和育肥豬，規(guī)定斷奶仔豬日糧的最大添加量為5 000mg/kg 全價(jià)飼料，育肥豬日糧的最大添加量為10000 mg/kg 全價(jià)飼料。有研究報(bào)告表明（Torrallardona 等，2007），斷奶仔豬飼料中添加0.5%的苯甲酸可改善生長性能，這可能與苯甲酸改善動(dòng)物腸道菌群多樣性有關(guān)。但是苯甲酸在家禽上的研究結(jié)果并不是很理想，Józefiak 等（2007）在肉雞上的研究發(fā)現(xiàn)，苯甲酸添加劑量超過0.25%時(shí)，對肉雞的采食量和飼料轉(zhuǎn)化效率均有負(fù)效應(yīng)。一方面可能是苯甲酸特殊的甲醛氣味，影響采食。另一方面是苯甲酸在動(dòng)物機(jī)體內(nèi)的代謝需要結(jié)合甘氨酸，在肝和腎臟中形成馬尿酸，隨尿液排出（Torrallardona 等，2007；Corzo等，2004）。這樣會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物體內(nèi)甘氨酸水平降低，一定程度影響動(dòng)物生長性能。這也可能是歐盟食品安全局沒有批準(zhǔn)苯甲酸應(yīng)用在家禽上的一個(gè)因素。在使用高劑量苯甲酸時(shí)，飼料配方應(yīng)注意補(bǔ)充甘氨酸。

二甲酸鹽類主要是二甲酸鉀，是由甲酸和甲酸鉀通過氫鍵締合而成的二聚體，為白色或微黃色結(jié)晶粉末，具有較弱的甲酸氣味，流散性較好，但是吸濕性強(qiáng)。二甲酸鉀易溶于水，1%溶液的pH 值為3.5 左右，甲酸含量35%以上，甲酸根含量40%以上。二甲酸鉀在酸性條件下較穩(wěn)定。日糧中添加高劑量的二甲酸鉀，對動(dòng)物生長性能和腸道健康均有改善。Canibe 等（2001）的研究表明，在斷奶仔豬日糧中添加1.8%的二甲酸鉀可以減少糞便和消化道中總厭氧菌、大腸菌和酵母菌的數(shù)量，但不影響胃和腸道內(nèi)容物的pH 值。Ragaa 等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加0.5%二甲酸鉀，能顯著提高肉雞的生長性能、降低飼料轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)改善機(jī)體免疫指標(biāo)、腸道健康。

二甲酸是由兩個(gè)甲酸分子通過分子間作用力聚合而成的甲酸二聚體，具有甲酸氣味的棕色液體，同時(shí)兼具無腐蝕、無刺激性的特點(diǎn)。1%濃度二甲酸溶液的pH 值2.5 左右，甲酸含量65%以上。二甲酸是通過釋放甲酸分子發(fā)揮殺菌抑菌作用，理論上具有和甲酸一樣的殺菌抑菌效果。本實(shí)驗(yàn)的初步研究結(jié)果表明，豬PAM細(xì)胞和非洲豬瘟病毒（ASFV）混合培養(yǎng)15 分鐘后，豬PAM細(xì)胞被病毒感染，細(xì)胞表面出現(xiàn)紅色斑點(diǎn)（如圖3B，數(shù)據(jù)未發(fā)表）。添加4.5mL/L 濃度的二甲酸30 分鐘后，豬PAM 細(xì)胞表面紅色斑點(diǎn)消失，推測病毒失活。同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn)，添加3 mL/L 濃度的甲醛，也能達(dá)到同樣的效果（如圖4，數(shù)據(jù)未發(fā)表）。

圖3 豬PAM 細(xì)胞和ASFV 感染的豬PAM 細(xì)胞電鏡圖

圖4 豬PAM 細(xì)胞感染ASFV 后分別添加二甲酸和甲醛培養(yǎng)不同時(shí)間點(diǎn)電鏡圖

3 小結(jié)

甲酸具有極強(qiáng)的殺菌抑菌效果，兼有酸化和營養(yǎng)雙重功用，成為甲醛科學(xué)有效的替代品。在全球畜牧業(yè)無抗發(fā)展的趨勢下，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。但是甲酸的刺激和腐蝕性等缺點(diǎn)限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中大規(guī)模推廣使用。甲酸鹽和苯甲酸等作為甲酸的衍生物，弱化了甲酸刺激、腐蝕等缺點(diǎn)，也弱化了其酸化功能。二甲酸不僅弱化了甲酸的缺陷，同時(shí)也完全保留甲酸的優(yōu)勢，降低了對工人和設(shè)備潛在的危害因素，具備大規(guī)模使用的條件。但是二甲酸對病原菌尤其是對病毒的抑制效應(yīng)和機(jī)理還需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究，為飼料和養(yǎng)殖業(yè)的使用提供更完善的數(shù)據(jù)和理論支撐。