有機(jī)酸的作用機(jī)制及應(yīng)用

徐運(yùn)杰 蘇雙良 劉曰青 鄧 敦 孫丙勇3,

（1. 山東和美集團(tuán)有限公司，山東 惠民 251700；2. 唐人神集團(tuán)股份有限公司，湖南 株洲 412000；3. 濱州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣局，山東 濱州 256600）

腸道微生物因其多種生理功能而影響宿主健康。當(dāng)畜禽腸道健康受到損害時(shí)，消化和營養(yǎng)吸收受到影響，導(dǎo)致宿主易感疾病進(jìn)而帶來經(jīng)濟(jì)損失。天然腸道菌群粘附在腸黏膜上，通過競爭營養(yǎng)素和結(jié)合位點(diǎn)、發(fā)酵（如乳酸桿菌）產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFA） 和細(xì)菌素，從而抑制病原體的定植。2006 年之前，抗生素被廣泛用作健康策略，以抑制腸道感染和病原體粘附在腸黏膜上，在提高生長速度、飼料效率和降低死亡率等方面的有效性毋庸置疑。然而，由于擔(dān)心病原體對抗生素的耐藥性和藥物殘留問題，促生長的抗生素藥物飼料添加劑在商品飼料中已被廣泛禁用。后抗生素時(shí)代，科研院所和企業(yè)的研發(fā)技術(shù)人員認(rèn)為，在商品飼料中綜合利用有機(jī)酸（如甲酸、苯甲酸、乳酸和檸檬酸等）、有機(jī)礦物質(zhì)（如甲酸鈣和氨基酸螯合物）、噬菌體、抗菌肽、精油、益生元、益生菌和酶制劑等可以作為潛在的抗生素替代品。其中，有機(jī)酸因其抗菌活性而在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，其可降低胃腸道pH 值和對抗病原菌，最終提高養(yǎng)分利用率、改善動(dòng)物的生長性能。

1 有機(jī)酸的種類和特性

有機(jī)酸是指一些具有酸性的有機(jī)化合物。最常見的有機(jī)酸是羧酸（R-COOH），其酸性源于羧基（-COOH）。早在1999 年，Partanen 等[1]報(bào)告稱，在日糧中加入有機(jī)酸可以提高豬的生長性能并調(diào)節(jié)腸道微生物群。Tsiloyiannis 等[2]報(bào)道，乳酸可以降低胃的pH 值，延緩產(chǎn)腸毒素大腸桿菌的增殖，在控制斷奶仔豬腹瀉綜合征和改善生長性能方面比其他有機(jī)酸更有效。其他研究表明，在正常生理?xiàng)l件下，在日糧中添加有機(jī)酸對豬健康有益，減少了受大腸桿菌K88 攻擊的斷奶仔豬腹瀉，降低了糞便pH 值，增加了血清淋巴細(xì)胞濃度，改善了生長性能[3-4]。

最常用的有機(jī)酸是短鏈脂肪酸，例如甲酸、苯甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、檸檬酸、乳酸和蘋果酸，其中蘋果酸是一種二羧酸。這些都是弱有機(jī)酸，當(dāng)溶解在水中時(shí)，產(chǎn)生H+和OH-。有機(jī)酸的工作機(jī)理和作用方式取決于它們的pH 和pKa 值。表1 列出了當(dāng)前在動(dòng)物營養(yǎng)中最常用的一些有機(jī)酸[5,6]。通常情況下，酸的混合物顯示出不同的pKa 值，通過保持腸道最佳pH 值具有更廣譜的抗菌活性。此外，有機(jī)酸還有一些遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出抗生素的額外作用，如降低消化道pH 值和增加胰腺分泌水平[3]。

表1 常用有機(jī)酸的種類和特性

2 有機(jī)酸的作用方式

與抗生素一樣，有機(jī)酸也具有抗菌活性，對腸道健康和發(fā)育有顯著的益處，并最終對動(dòng)物健康和生產(chǎn)力產(chǎn)生積極影響。有機(jī)酸的積極作用歸因于多種因素：（1）非解離有機(jī)酸的抗菌活性；（2）降低消化道（尤其是胃）的pH 值，增強(qiáng)酶活，有助于蛋白質(zhì)消化；（3）降低胃的排空速率；（4）刺激內(nèi)源酶的分泌；（5）為腸道組織提供營養(yǎng)，改善腸黏膜完整性和功能。

Theobald 研究發(fā)現(xiàn)[7]，酸抑制微生物的效果取決于其pKa 值，pKa 值是50%的酸分別以解離和非解離形式存在時(shí)的pH 值。非解離的有機(jī)酸能自由穿透微生物的半透膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，改變其代謝。這意味著有機(jī)酸的抗菌效果在酸性條件下更大，如在胃中，而在中性pH 條件下較小，如在腸道中。為了實(shí)現(xiàn)最佳生長，大多數(shù)細(xì)菌都需要特定的pH 值，它們無法在極端酸性條件下生長（pH＜4.5）。有機(jī)酸通過釋放氫離子直接降低環(huán)境pH 值，從而防止或抑制酸敏感細(xì)菌的增殖。眾所周知，可以通過使用乳酸、山梨酸、苯甲酸、檸檬酸和乙酸等弱有機(jī)酸降低食品或飲料的pH 值來阻止微生物生長，起到防腐作用，延長保質(zhì)期。

有機(jī)酸的pKa 值和胃腸道的pH 條件將影響日糧和食糜的pH 降低程度。有機(jī)酸的pKa 值越高，非解離形式的弱酸比例越高，對飼料的防腐效果越好，并能保護(hù)飼料免受真菌和微生物的感染。相反，有機(jī)酸的pKa 值越低，說明解離形式的弱酸比例越高，其降低胃部pH 的作用越大，在通過胃腸道的過程中，對消化道遠(yuǎn)端的抗菌作用越低。因此，很明顯，每種酸都有一個(gè)微生物活性譜，涉及特定的pH 范圍，混合型酸化劑代表一個(gè)pKa 值范圍，由于活性譜更寬而被大量使用?？傊?，有機(jī)酸對細(xì)菌作用模式的基本原理是，非解離的有機(jī)酸可以穿透細(xì)菌細(xì)胞壁，破壞我們稱之為“pH 敏感”的某些類型細(xì)菌的正常生理，從而達(dá)到殺菌效果。

當(dāng)消化道上部的pH 值降低時(shí)，營養(yǎng)物質(zhì)的消化率會(huì)增加。有機(jī)酸通常用作畜禽飼料中的酸化劑，通過降低食糜pH 值來提高蛋白質(zhì)的消化率，是提高飼料養(yǎng)分消化利用率最有前途的替抗產(chǎn)品。據(jù)報(bào)道，服用有機(jī)酸可提高胃蛋白酶活性和微生物植酸酶活性，并且由于pH 值較低，可誘導(dǎo)胰腺分泌，增加胰蛋白酶原、糜蛋白酶原A、糜蛋白酶原B、原羧基肽酶A 和原羧基肽酶B 的濃度，所有這些都會(huì)提高蛋白質(zhì)的消化利用率[8]。鄭建婷等[9]研究了檸檬酸對生長肉兔養(yǎng)分表觀消化率的影響，結(jié)果表明，添加檸檬酸后，各試驗(yàn)組粗蛋白質(zhì)、粗灰分的表觀消化率極顯著高于對照組，生長肉兔飼糧中適宜的檸檬酸添加水平為1.5%。另外，補(bǔ)充有機(jī)酸還可以減緩飼料在胃腸道中的運(yùn)輸，有助于必需營養(yǎng)素更好的吸收，從而對消化產(chǎn)生積極影響[10]。

此外，通過降低日糧的pH 值，有機(jī)酸可以提高礦物質(zhì)的利用率。研究表明，檸檬酸有助于釋放與植酸分子結(jié)合的礦物質(zhì)，從而提高Ca、P和Zn 的利用率[11]。Partanen 等[12]研究報(bào)道，甲酸能夠減少豬小腸不同部位的細(xì)菌氮，從而改善蛋白質(zhì)、部分必需氨基酸、脂質(zhì)、Ca 和P 的回腸表觀消化率。此外，由抗菌活性引起的胃腸道內(nèi)微生物增殖降低也起到了關(guān)鍵作用，減少了微生物區(qū)系與宿主之間的營養(yǎng)競爭。

一般來說，胃腸道中的細(xì)菌會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌種群和宿主動(dòng)物之間的營養(yǎng)競爭。細(xì)菌還會(huì)分泌有毒化合物（即有毒氨基酸分解代謝產(chǎn)物），降低消化脂肪的能力，誘導(dǎo)吸收性腸上皮細(xì)胞快速周轉(zhuǎn)，杯狀細(xì)胞分泌更多黏液，并誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)和免疫系統(tǒng)發(fā)育。所有這些影響都會(huì)影響生長速度。在豬日糧中，微生物群消耗的凈能高達(dá)6%[6]。因此，處理有害細(xì)菌很重要。Davidson 等[13]指出，細(xì)菌細(xì)胞壁易被有機(jī)酸滲透，破壞正常的細(xì)胞功能，包括細(xì)菌的復(fù)制和蛋白質(zhì)合成。有機(jī)酸對致病菌殺菌作用的順序機(jī)制如下：（1） 有機(jī)酸（質(zhì)子化形式） 穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁； （2）穿透的有機(jī)酸分解為共軛堿形式（非質(zhì)子化形式），細(xì)胞內(nèi)pH 值降低，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙，從而阻止細(xì)菌生長，尤其是pH 敏感的細(xì)菌種類[14]。據(jù)報(bào)道，日糧中添加二甲酸鉀[15]、檸檬酸[16]、混合有機(jī)酸（包括檸檬酸、甲酸、富馬酸和乳酸）[17]對胃腸道中的微生物種群有積極影響。

Van Dam 等[18]提出，甲酸、苯甲酸、乳酸和丙酸等有機(jī)酸已被用于在儲(chǔ)存期間保護(hù)飼料成分不受真菌和微生物的影響。一些有機(jī)酸已被證明具有強(qiáng)大的抗菌作用，可預(yù)防重要的食源性病原體，如大腸桿菌和沙門氏菌。此外，混合有機(jī)酸在減少大腸桿菌和沙門氏菌數(shù)量方面比抗生素恩拉霉素更有效[19]。

3 保護(hù)性有機(jī)酸

據(jù)報(bào)道，沒有保護(hù)的有機(jī)酸的有效性會(huì)受到限制，因?yàn)槭改c的快速代謝和吸收使到達(dá)下腸道的有機(jī)酸數(shù)量減少，從而影響有機(jī)酸調(diào)節(jié)腸道菌群的能力[20]。提高營養(yǎng)素和活性化合物在食品和藥品中的保留時(shí)間的微膠囊技術(shù)作為一種保護(hù)方法，于1954 年首次商業(yè)化應(yīng)用，至今已在食品和制藥行業(yè)應(yīng)用了幾十年[21]。該技術(shù)的價(jià)值主要： （1） 降低核心成分與外部環(huán)境（如光、氧氣和水）的反應(yīng)；（2）防止結(jié)塊，更容易混合；（3）調(diào)控核心成分的釋放部位，以實(shí)現(xiàn)正確刺激； （4） 隱藏不良味道和氣味。Fernández-Rubio 等[22]注意到，通過脂質(zhì)殼微囊化，短鏈脂肪酸進(jìn)一步沿著胃腸道向下運(yùn)輸，緩慢釋放，使有機(jī)酸在整個(gè)胃腸道發(fā)揮作用。Gheisari 等[23]研究報(bào)道，日糧中添加0.2%的保護(hù)性有機(jī)酸可增加有益菌群（乳酸桿菌屬） 的數(shù)量，并減少動(dòng)物腸道內(nèi)容物中的有害細(xì)菌（產(chǎn)氣莢膜梭菌、大腸桿菌和沙門氏菌屬）的計(jì)數(shù)，從而使有機(jī)酸在整個(gè)胃腸道中發(fā)揮作用。Smulikowska 等[24]指出，與對照組相比，在動(dòng)物飼料中添加保護(hù)性有機(jī)酸改善了氮的存留。關(guān)于在豬日糧中添加保護(hù)性有機(jī)酸對生長性能、養(yǎng)分消化率和微生物菌群結(jié)構(gòu)的影響也有大量研究報(bào)道[3,20]。周學(xué)光等[25]研究了包被型酸化劑對斷奶仔豬生產(chǎn)性能的影響，結(jié)果表明，包被型酸化劑比未包被型酸化劑能更好地提高斷奶仔豬生產(chǎn)性能，日采食量可提高10%，日增重可提高6%-10%，料重比降低3.0%-5.3%?？傊?，日糧中添加包被有機(jī)酸可以更有效地提高動(dòng)物的生長性能、營養(yǎng)物質(zhì)消化率及腸道中有益菌群的數(shù)量。

4 飼料中添加有機(jī)酸的原因

一些有機(jī)酸（如檸檬酸） 是腸道的能量來源，因?yàn)樗鼈兪侨人嵫h(huán)的中間產(chǎn)物。Kirchgessner[26]指出，豬可以使用富馬酸作為能源，其效率與葡萄糖相當(dāng)。Blank 等[27]進(jìn)一步研究表明，富馬酸是一種有效的能源，對小腸黏膜產(chǎn)生積極影響，使斷奶后仔豬的胃腸道上皮細(xì)胞恢復(fù)更快，從而改善了小腸的吸收表面和吸收能力?？梢姡苤凳怯袡C(jī)酸具有促生長作用的原因之一。

大量的研究表明，在日糧中添加有機(jī)酸對豬的生長性能有積極影響。與未添加有機(jī)酸的日糧相比，無抗日糧中添加0.4%有機(jī)酸混合物（苯甲酸、檸檬酸、富馬酸、乳酸和丙酸），仔豬在生長性能、采食量和料肉比方面更好[28]。Upadhaya 等[29]報(bào)道，有機(jī)酸混合物（包括10%蘋果酸、13%檸檬酸和17%富馬酸）對仔豬（添加0.4%）、生長豬（添加0.2%） 和肥育豬（添加0.1%）的生長性能有積極影響。與添加氧化鋅的斷奶仔豬相比，日糧中添加有機(jī)酸混合物（含有檸檬酸、甲酸鈣和乳酸鈣） 和中鏈脂肪酸（癸酸、月桂酸和肉豆蔻酸），提高了斷奶仔豬的平均日增重、平均日采食量和飼料效率[30]。另外，日糧中添加檸檬酸還能夠提高妊娠母豬的抗氧化能力和血鈣濃度，縮短平均產(chǎn)仔間隔和產(chǎn)程[31]，增加母豬血清中免疫球蛋白含量，顯著改善初乳乳蛋白、乳脂成分和抗體含量，進(jìn)而顯著提高仔豬斷奶均體重，有效改善哺乳母豬生產(chǎn)性能[32]。

關(guān)于在豬日糧中添加有機(jī)酸對養(yǎng)分消化率的影響已有大量研究。據(jù)報(bào)道，補(bǔ)充混合有機(jī)酸（丁酸、甲酸和富馬酸）可提高粗蛋白質(zhì)和必需氨基酸的回腸表觀消化率，最高可達(dá)5%。Franco 等[33]指出，在斷奶仔豬的日糧中添加乳酸、甲酸和富馬酸的混合物可以提高干物質(zhì)的消化率。崔海燕[34]研究了包被復(fù)合有機(jī)酸對肉雞的影響，結(jié)果表明，日糧添加3-4.5 g/kg 包被有機(jī)酸可改善1-42 d 肉雞的飼料效率，并降低肌肉脂質(zhì)氧化。

盡管經(jīng)過多年的研究，胃腸道微生物種群在宿主動(dòng)物營養(yǎng)和生長中的復(fù)雜作用仍不完全清楚。有機(jī)酸可以通過調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道菌群控制營養(yǎng)競爭。例如，在生長肥育豬的日糧中添加0.1%的有機(jī)酸混合物（10%蘋果酸、13%檸檬酸和17%富馬酸）可降低大腸桿菌數(shù)量，增加乳酸桿菌數(shù)量[29,35]。同樣，Ahmed 等[36]發(fā)現(xiàn)，在斷奶仔豬日糧中添加0.4%的酸化劑（包括4.1%丙酸、9.5%磷酸、10.2%乳酸和17.2%甲酸） 會(huì)增加芽孢桿菌和乳酸桿菌的濃度，并減少沙門氏菌和大腸桿菌的數(shù)量。王同振等[37]報(bào)道，在低蛋白水平日糧添加復(fù)合酸化劑提高了仔豬后腸微生物菌群的豐富度和有益菌的相對豐度，降低了致病菌的相對豐度，改變了后腸中代謝物的組成和結(jié)構(gòu)，引起后腸核黃素等代謝的改變，促進(jìn)了仔豬腸道健康。在母豬的日糧中添加保護(hù)性有機(jī)酸可減少產(chǎn)奶期和斷奶期的大腸桿菌數(shù)量，并增加乳酸桿菌數(shù)量[38]。

還有許多研究指出，補(bǔ)充有機(jī)酸可以減少有毒氣體的排放，從而減少環(huán)境問題。據(jù)報(bào)道，母豬飼喂添加了保護(hù)性有機(jī)酸（10%蘋果酸、13%檸檬酸和17%富馬酸） 的日糧，有毒氣體（如H2S） 排放顯著減少[38]。同樣，Upadhaya 等[35]指出，在生長豬的飼料中添加0.2%保護(hù)性有機(jī)酸（10%蘋果酸、13%檸檬酸和17%富馬酸） 可以減少有毒氣體的排放。Hossain 等[4]還指出，生長豬飼喂添加保護(hù)型有機(jī)酸（10%蘋果酸、13%檸檬酸和17%富馬酸） 的日糧，豬舍NH3濃度降低。類似地，Eriksen 等[39]證明，豬喂食含有2%苯甲酸的飼料，NH3排放量減少60-70%，但是，含硫氣體排放受到蛋氨酸和苯甲酸處理之間強(qiáng)烈相互作用的影響。王小建等[4]用720 頭28 天的斷奶仔豬研究表明，日糧添加包被有機(jī)酸對斷奶仔豬糞中NH3、H2S 及硫醇化物的含量均無顯著影響，且日糧營養(yǎng)水平和包被有機(jī)酸對糞中有害氣體含量的影響均無顯著交互效應(yīng)。在肉雞日糧中添加絲蘭提取物和酸化劑，可顯著地降低雞舍內(nèi)NH3和H2S 的質(zhì)量濃度，改善雞舍內(nèi)的空氣狀況[41]。綜合上述研究結(jié)果，有機(jī)酸減少有害氣體排放的原因可能是胃腸道中致病細(xì)菌數(shù)量的減少及有益微生物活性和營養(yǎng)物質(zhì)消化率的提高。

5 總結(jié)

總之，在過去的幾十年里，科研院所和企業(yè)研發(fā)人員對有機(jī)酸的特性及其應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。根據(jù)文獻(xiàn)，有機(jī)酸在降低胃腸道pH 值、防止病原體生長、調(diào)控腸道菌群結(jié)構(gòu)、充當(dāng)中間代謝能源、提高養(yǎng)分表觀消化率、減少有害氣體排放和改善生長性能方面具有積極作用。有機(jī)酸的功效可能受到類型、劑量、配方組成、飼養(yǎng)方式、環(huán)境條件、飼料營養(yǎng)成分以及動(dòng)物年齡和健康狀況的影響。后抗生素時(shí)代，有機(jī)酸配合精油等其他抗菌收斂性飼料添加劑使用，是商品飼料中較理想的抗生素替代方案。