飼料酸化劑替代抗生素的作用機(jī)制及應(yīng)用研究進(jìn)展

徐 淼，劉明宇，黃 竹，姜 丹，解桂香，劉忠剛，王麗娟，唐日益，丁 毅，曹巖峰

（沈陽(yáng)豐美生物技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179）

隨著飼料產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展， 酸化劑在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中的用途發(fā)生變化， 由最開(kāi)始的預(yù)防仔豬腹瀉、促進(jìn)蛋白質(zhì)消化，到養(yǎng)殖線(xiàn)的飲水消毒，再到飼料防霉劑，酸化劑都發(fā)揮了重要作用。 目前，畜牧業(yè)中“減抗”和“禁抗”已成為共識(shí)。 多個(gè)國(guó)家都已制定了減少畜牧業(yè)中抗生素使用的法規(guī)或政策［1］，包括禁止使用促生長(zhǎng)類(lèi)抗生素（antibiotics for growth promotion，AGP）。 根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公告第194 號(hào)，自2020 年7 月1 日起，飼料企業(yè)要停止使用含有促生長(zhǎng)類(lèi)藥物飼料添加劑（中藥類(lèi)除外）的商品飼料。 酸化劑作為功能性飼料添加劑在眾多替抗產(chǎn)品中有較大的優(yōu)勢(shì)。 筆者綜述了飼料酸化劑的分類(lèi)、作用機(jī)理，以及在動(dòng)物生產(chǎn)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)以及常見(jiàn)問(wèn)題， 以期為豐富飼料替抗方案提供理論參考。

1 飼料酸化劑的分類(lèi)

酸化劑可分為無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸、復(fù)合酸化劑以及小分子酸或短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFA）。 無(wú)機(jī)酸包括鹽酸、硫酸和磷酸等，以磷酸為主。 有機(jī)酸包括檸檬酸、延胡索酸、乳酸、丙酸、蘋(píng)果酸、富馬酸、山梨酸、戊酮酸、苯甲酸、酒石酸等［2］。 復(fù)合酸化劑是將幾種單酸按一定的比例配制而成，可以是酸加鹽、無(wú)機(jī)酸加有機(jī)酸（以無(wú)機(jī)酸為主）、有機(jī)酸加無(wú)機(jī)酸（以有機(jī)酸為主）。 與高成本的有機(jī)酸相比，無(wú)機(jī)酸成本低、酸性強(qiáng)、解離速度快，使胃內(nèi)pH 值迅速下降，抑制胃液和消化酶的正常分泌［3-4］。 大部分無(wú)機(jī)酸會(huì)破壞飼糧的電解平衡，不利于動(dòng)物的健康生長(zhǎng)。 相比無(wú)機(jī)酸，有機(jī)酸的適口性較好， 抑菌效果突出， 應(yīng)用較為廣泛。復(fù)合酸化劑可綜合不同單酸的優(yōu)點(diǎn)，各成分具有協(xié)同增效作用，既可以降低動(dòng)物胃腸道的酸度，又能有效殺滅胃腸道內(nèi)的有害微生物。因此，復(fù)合酸化劑具有良好的應(yīng)用前景［5-6］。

2 飼料酸化劑的作用及機(jī)理

2.1 調(diào)節(jié)機(jī)體代謝

酸化劑調(diào)節(jié)機(jī)體代謝的作用機(jī)理可以分為兩個(gè)方面。 一是能夠有效降低胃內(nèi)pH 值，促使胃蛋白酶發(fā)揮作用，加快蛋白質(zhì)代謝，進(jìn)而促進(jìn)胰蛋白酶分泌，提高機(jī)體內(nèi)消化酶的活性，達(dá)到提升蛋白質(zhì)消化能力的目的［7-9］。 冷向軍等［10］開(kāi)展的體外試驗(yàn)表明，隨著pH 值的下降，胃蛋白酶原激活率呈三次曲線(xiàn)上升（見(jiàn)表1）。 正常成年豬的胃內(nèi)容物pH 值為2.0～3.5。 斷奶仔豬的消化系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)功能較弱， 由于日常攝取營(yíng)養(yǎng)源的改變導(dǎo)致胃內(nèi)容物pH 值過(guò)高（達(dá)3.5 以上），從而抑制胃蛋白酶的活化，導(dǎo)致消化不良甚至腹瀉［11］。 研究表明，仔豬在斷奶后過(guò)多采食的飼料會(huì)隨著食糜進(jìn)入消化道后段， 由于不能被發(fā)酵而導(dǎo)致酸敗并吸收大量水分， 同時(shí)加速了致病性大腸桿菌等有害菌大量繁殖并產(chǎn)生腸毒素，從而導(dǎo)致仔豬腹瀉［12-14］。 飼料中加入酸化劑可以調(diào)節(jié)胃內(nèi)酸水平， 激活胃蛋白酶原，刺激消化酶的分泌，進(jìn)而發(fā)揮促進(jìn)消化功能的作用［15-16］。 二是為機(jī)體代謝提供能量。 SCFA可通過(guò)參與機(jī)體內(nèi)的檸檬酸循環(huán)產(chǎn)生ATP， 富馬酸、檸檬酸在能效上與葡萄糖可能等效［17］。有機(jī)酸如富馬酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸等可以參與動(dòng)物機(jī)體內(nèi)三羧酸循環(huán)，為機(jī)體糖、蛋白質(zhì)、脂肪的代謝提供能量［18-19］。

2.2 改善動(dòng)物腸道微生態(tài)環(huán)境

斷奶應(yīng)激可能會(huì)造成仔豬尚未成熟的胃腸道微生物區(qū)系發(fā)生改變， 使胃腸道的pH 值達(dá)到5.5以上， 符合某些種類(lèi)的有害微生物在胃腸道中生存的最適pH 值（見(jiàn)表2）［20］，從而導(dǎo)致消化道內(nèi)各種有害菌大量繁殖。由此可知，有害菌在堿性環(huán)境下易存活。通過(guò)在飼料中添加酸化劑，可降低胃內(nèi)pH 值，改善腸道菌群平衡，使有益菌增殖、有害菌失活［16，21］。 姚繼明等［22］研究發(fā)現(xiàn)，在斷奶仔豬日糧中加入復(fù)合酸化劑， 十二指腸和空腸的乳酸菌數(shù)量增加，大腸桿菌數(shù)量減少。 研究表明，乳酸菌在pH 值較低時(shí)仍可以生存，與大多數(shù)革蘭陰性菌相比，其對(duì)有機(jī)酸的耐受性較強(qiáng)，同時(shí)可以代謝產(chǎn)生乳酸、H2O2等，進(jìn)而促進(jìn)有益菌的生長(zhǎng)［20，23-24］。

2.3 抑制和殺滅動(dòng)物腸道中的致病菌

不同種類(lèi)酸的抑菌和殺菌作用機(jī)理不同 （見(jiàn)表3）［11，25-26］。 揮發(fā)性有機(jī)酸鹽的抗菌效果受溶解性的影響，如鈉鹽溶于水，體外抑菌效果優(yōu)于鈣鹽［25］。有機(jī)酸的抑菌作用具有廣譜性，可抑制多種霉菌、細(xì)菌和酵母， 如甲酸和丙酸對(duì)沙門(mén)菌和芽孢桿菌有較強(qiáng)抑制作用， 富馬酸和乳酸可殺滅大部分革蘭陰性菌［22，25］。 有機(jī)酸的化學(xué)性質(zhì)不同，抑菌和殺菌的效果有所差異。 由于病原菌細(xì)胞內(nèi)的pH 值趨近中性，均高于有機(jī)酸的解離度（pKa）（見(jiàn)表4）［27-28］，有機(jī)酸的pKa 值越低，提供H+的能力越強(qiáng)，使細(xì)胞內(nèi)pH 值下降，改變細(xì)胞內(nèi)外滲透壓，病原菌會(huì)過(guò)多地依賴(lài)ATP 酶將H+泵出細(xì)胞，導(dǎo)致病原菌耗能過(guò)多而衰竭死亡［26-29］。

表1 不同pH 值條件下胃蛋白酶原的激活率［10］ 單位：%

表2 常見(jiàn)微生物生長(zhǎng)的pH 值范圍［20］

表3 不同酸化劑對(duì)致病菌的抑制和殺滅作用機(jī)理［11,25-26］

表4 部分有機(jī)酸的化學(xué)性質(zhì)［27-28］

3 酸化劑在替抗過(guò)程中發(fā)揮的作用

酸化劑在飼料中的主要作用是降低飼料pH值和酸結(jié)合力。飼料中加入酸化劑，使飼料成分的系酸力下降，進(jìn)而使動(dòng)物胃內(nèi)酸水平降低，胃蛋白酶活性提高，同時(shí)影響腸道內(nèi)容物的酸度，進(jìn)而影響淀粉酶、脂肪酶、胰蛋白酶等的分泌和活性，達(dá)到提高飼料消化率的效果［30］。 樊俊榮等［31］研究發(fā)現(xiàn)， 在斷奶仔豬日糧中加入酸化劑可降低飼料酸度，提高酸效應(yīng)，增加飼料在胃腸道的利用率。 刑啟銀等［32］研究表明，日糧的系酸力較低時(shí)，可控制飼料中霉菌的繁殖，防止飼料霉變，保持飼料新鮮度，減少仔豬腹瀉發(fā)病率。

酸化劑在動(dòng)物體內(nèi)發(fā)揮的作用如圖1［25，33-35］所示，主要包括以下幾個(gè)方面。①可以降低動(dòng)物胃內(nèi)pH 值，進(jìn)而激活一些重要的消化酶。 有機(jī)酸的物理和化學(xué)性質(zhì)均會(huì)影響其發(fā)揮降低胃腸道內(nèi)容物pH 值作用的效果。 蘋(píng)果酸、檸檬酸、富馬酸的pKa 值在3.0～3.5，屬于中強(qiáng)酸，能夠在胃內(nèi)快速解離出H+，降低胃內(nèi)酸水平，促進(jìn)胃蛋白酶的分泌，改善消化功能，進(jìn)而達(dá)到酸化效果［33］。不同解離度的酸產(chǎn)生的作用不同， 在實(shí)際應(yīng)用中可選擇解離度大的酸降低胃腸道pH 值，選擇解離度小的酸殺菌［34-35］。 ②酸化劑可調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道微生態(tài)平衡，破壞細(xì)菌細(xì)胞膜，干擾細(xì)菌酶的合成，達(dá)到抑菌或殺菌效果， 從而預(yù)防病原微生物引起的動(dòng)物腸道疾病。 如表5［36］和表6［11］所示，常見(jiàn)揮發(fā)性有機(jī)酸和非揮發(fā)性有機(jī)酸的抑菌效果不同， 酸化劑的種類(lèi)和用量不同， 對(duì)動(dòng)物胃腸道內(nèi)病原菌的抑制和殺滅效果不同。李成良等［25］研究表明，酸化劑在飼料中的最大添加量為10～30 kg/t，過(guò)量使用可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物發(fā)生酸中毒。 崔細(xì)鵬等［37］研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中添加不同比例的二甲酸鉀有明顯的抑菌效果，綜合考慮，推薦添加量為0.1%。 ③減緩食物在胃中的排空速度， 促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在胃腸中的消化。Manzanilla 等［38］研究發(fā)現(xiàn)，在斷奶仔豬日糧中添加0.5%甲酸，可降低胃內(nèi)干物質(zhì)的排空率。④改善適口性。 ⑤抗應(yīng)激，改善生長(zhǎng)性能。 ⑥提高日糧中微量元素的利用率。Baruah 等［39］研究表明，在褐唇型幼魚(yú)日糧中添加3%檸檬酸，可顯著提高骨骼中的磷含量。

表5 部分有機(jī)酸對(duì)飼料中真菌和細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用的最低有效濃度［36］ 單位：g/kg

圖1 飼料酸化劑的作用機(jī)理及作用［25，33-35］

表6 不同酸化劑產(chǎn)品對(duì)沙門(mén)菌和大腸桿菌的抑菌圈直徑［11］ 單位：mm

4 對(duì)飼料酸化劑的認(rèn)識(shí)誤區(qū)

合理認(rèn)識(shí)和使用飼料酸化劑可提高其有效利用率，使其替抗效果更顯著。飼料行業(yè)對(duì)酸化劑認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)主要包括以下兩方面。 一是對(duì)酸化劑成品工藝認(rèn)識(shí)的誤區(qū)，認(rèn)為酸化劑工藝單一，且作用無(wú)差異。實(shí)際上，在生產(chǎn)中酸化劑的成品工藝不同，其作用不同，可分為普通酸和包被酸。 未被包被的酸化劑對(duì)設(shè)備腐蝕性強(qiáng)， 進(jìn)入胃后釋放速度太快，會(huì)反射性地抑制胃酸的分泌，同時(shí)會(huì)破壞胃黏膜，引起胃潰瘍［2］。 二是對(duì)酸化劑產(chǎn)生的酸結(jié)合力認(rèn)識(shí)的誤區(qū)，認(rèn)為酸結(jié)合力越高越好。 在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)， 酸結(jié)合力高會(huì)造成胃內(nèi)pH 值升高，使胃內(nèi)消化酶的活性降低，進(jìn)而造成有害菌的增殖［32］。

5 飼料酸化劑常用類(lèi)型和使用中存在的問(wèn)題

動(dòng)物養(yǎng)殖中使用的飼料酸化劑以復(fù)合酸化劑為主，克服了無(wú)機(jī)酸的功能單一、添加量大、對(duì)動(dòng)物胃灼燒性強(qiáng)， 以及有機(jī)酸的分子量大和降低胃腸道pH 值效果一般等缺點(diǎn)［40］。飼料酸化劑的加工工藝以包被型顆粒狀成品為主［41］。 趙旭等［42］研究表明， 使用微囊化磷酸可改善肉雞腸道消化酶的活性并抑制有害菌的增殖。 Jia 等［43］研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加微囊化復(fù)合酸化劑與非微囊化酸化劑相比，顯著降低了仔豬空腸和回腸中的pH 值。 但是隨著飼料酸化劑在動(dòng)物生產(chǎn)上的大規(guī)模應(yīng)用，其作為替抗產(chǎn)品存在的缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)，如生產(chǎn)成本高，添加量大，成品易結(jié)塊，對(duì)生產(chǎn)和儲(chǔ)存的要求高［44］；與飼料中成分相互影響，被飼料中的堿性物質(zhì)中和失去酸化作用，或破壞飼料中維生素和礦物質(zhì)元素的吸收［45］；添加量較少時(shí)，作用無(wú)法到達(dá)小腸，過(guò)量使用嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成酸中毒。

6 小結(jié)

飼料酸化劑參與動(dòng)物機(jī)體內(nèi)糖、蛋白質(zhì)、脂肪的代謝，能夠發(fā)揮調(diào)節(jié)機(jī)體代謝、改善腸道微生態(tài)環(huán)境、抑制和殺滅腸道致病微生物的作用，具有綠色、無(wú)污染、無(wú)殘留、無(wú)毒副作用等優(yōu)點(diǎn)，在替代抗生素的應(yīng)用方面有較大優(yōu)勢(shì)。 包膜型復(fù)合有機(jī)酸將成為飼料酸化劑的主流產(chǎn)品， 其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是添加劑量低，可達(dá)到抗生素的作用。但并非所有的酸化劑產(chǎn)品都能代替抗生素， 作用能到達(dá)腸道是復(fù)合有機(jī)酸替抗的前提條件。