中鏈脂肪酸抗微生物機(jī)制及在豬生產(chǎn)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

郭 亮，劉則學(xué)

（武漢中糧肉食品有限公司，湖北 武漢 430200）

長(zhǎng)期以來，抗生素在養(yǎng)豬業(yè)中被用于治療或者預(yù)防目的。從機(jī)制上講，抗生素可以影響細(xì)菌細(xì)胞的完整性和繁殖，通過調(diào)節(jié)豬胃腸道內(nèi)細(xì)菌種群的組成來發(fā)揮促進(jìn)生長(zhǎng)的作用，同時(shí)降低全身的細(xì)菌病原體水平，從而預(yù)防疾病。盡管有這些重要的能力，但越來越多的人擔(dān)心，食用動(dòng)物的抗生素使用正在導(dǎo)致人類和動(dòng)物群體中存在抗生素耐藥細(xì)菌的全球問題。這些擔(dān)憂導(dǎo)致人們呼吁大幅減少或停止在動(dòng)物身上使用抗生素，特別是在它們被用于促進(jìn)生長(zhǎng)的低劑量水平的情況下。目前世界各地基本上都通過相關(guān)立法減少了抗生素的使用。

人們對(duì)食用動(dòng)物使用抗生素的擔(dān)憂和立法行動(dòng)，正導(dǎo)致越來越多的科研工作者尋求對(duì)抗病原體的工具。含有6～12個(gè)碳鏈長(zhǎng)的飽和脂肪酸，作為飼料添加劑已被證明具有改善動(dòng)物健康、生產(chǎn)和飼料消化率的積極好處[1]。這些結(jié)果建立在將中鏈甘油三酯（MCTs）作為飼料添加劑與脂肪酶結(jié)合的開創(chuàng)性研究基礎(chǔ)上，脂肪酶催化體內(nèi)MCTs水解，隨后釋放具有抗病毒和抗菌活性的中鏈脂肪酸（medium chain fatty acids, MCFAs）和單甘油酯衍生物，以支持豬的生長(zhǎng)和發(fā)育。鑒于豬流行性腹瀉病毒（PEDV）、豬繁殖與呼吸綜合征病毒（PRRSV）、非洲豬瘟病毒（ASFV）等病毒的流行不斷擴(kuò)大，MCFAs和單甘油酯的促進(jìn)健康和減輕病原體的綜合功能尤其重要。在過去的幾年里，在評(píng)估游離MCFAs和單甘油酯作為豬飼料添加劑的作用以及理解這些化合物如何發(fā)揮作用的機(jī)理方面已經(jīng)取得了進(jìn)展。

本文綜述了MCFAs和單甘油酯在抗微生物、免疫調(diào)節(jié)和豬生產(chǎn)應(yīng)用方面的最新研究進(jìn)展，以期為從業(yè)者合理使用它們做一些參考。

1 中鏈脂肪酸的概念、種類及理化特性

中鏈脂肪酸是含有6～12碳原子數(shù)的脂肪酸，具有兩親特性，因?yàn)樵谏锵到y(tǒng)中碳原子數(shù)通常為偶數(shù)，因此主要包括己酸（C6：0）、辛酸（C8：0）、癸酸（C10：0）和月桂酸（C12：0），分子結(jié)構(gòu)和重要的理化特性見表1[2-3]。單甘油酯是另一類單鏈脂類兩親體，由一個(gè)脂肪酸分子和一個(gè)甘油分子的酯化形成。MCFAs和單甘油酯自然存在于一些動(dòng)物的乳汁中，或者植物來源的油脂中，如椰子油。MCTs是由它們合成，在體內(nèi)可以被脂肪酶水解生成MCFAs和單甘油酯。

2 中鏈脂肪酸抗微生物的作用機(jī)制

MCFAs和單甘油酯的抗微生物作用機(jī)制已經(jīng)通過多種試驗(yàn)方法進(jìn)行了探索，確定它們主要作用于細(xì)菌細(xì)胞膜，阻斷細(xì)胞關(guān)鍵的生化反應(yīng)過程。這種與膜作用的能力源于它們的兩親性，可以導(dǎo)致包括膜失穩(wěn)和孔隙形成在內(nèi)的一系列生物物理現(xiàn)象。電子傳遞鏈和氧化磷酸化是發(fā)生在細(xì)胞膜上的兩個(gè)對(duì)細(xì)菌細(xì)胞至關(guān)重要的生化反應(yīng)，這兩個(gè)過程是相互關(guān)聯(lián)的，MCFAs和單甘油酯通過與電子載體結(jié)合或改變膜完整性來破壞電子傳遞鏈過程，并通過降低膜電位和質(zhì)子梯度來干擾氧化磷酸化。此外，研究還發(fā)現(xiàn)脂肪酸可以直接抑制與膜相關(guān)的酶活性，如葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶[4]。相關(guān)作用機(jī)制過程的細(xì)節(jié)可以總結(jié)分類如下：1）膜通透性和細(xì)胞裂解增加；2）電子傳遞鏈的破壞和氧化磷酸化的解偶聯(lián)；3）膜酶活性和養(yǎng)分?jǐn)z取的抑制[5]。

總的來說，因?yàn)楦锾m氏陽性細(xì)菌具有更簡(jiǎn)單的單脂質(zhì)雙層細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，而革蘭氏陰性細(xì)菌通常具有更復(fù)雜的內(nèi)外膜結(jié)構(gòu)，因此MCFAs和單甘油酯對(duì)革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌表現(xiàn)出更強(qiáng)的抑制活性。另一方面，MCFAs和單甘油酯由于主要是通過與膜結(jié)合而發(fā)生作用，所以它們只對(duì)被膜包裹的病毒顆粒顯示抗病毒活性，對(duì)無包膜病毒無活性。MCFAs和單甘油酯靶向細(xì)胞膜的另一個(gè)重要結(jié)果是，易感病原體更難對(duì)這些化合物產(chǎn)生耐藥性。人們普遍認(rèn)為，病原體對(duì)脂肪酸和單甘油酯產(chǎn)生抗性的屏障非常高。

3 中鏈脂肪酸的抗菌抗病毒的研究進(jìn)展

MCFAs和單甘油酯對(duì)多種病原菌均有較強(qiáng)的抑制活性，包括革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細(xì)菌、包膜病毒、藻類、真菌和原生動(dòng)物。Kabara小組在20世紀(jì)70年代完成了這項(xiàng)開創(chuàng)性工作，他們進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系研究，調(diào)查分析碳?xì)浠衔镦滈L(zhǎng)如何影響抗菌活性[6]。一般而言，癸酸（C10）和月桂酸（C12）在脂肪酸中表現(xiàn)出最高的效能，而相應(yīng)鏈長(zhǎng)的單甘油酯通常效能更強(qiáng)[5]。MCFAs和單甘油酯主要是在膠束狀態(tài)下發(fā)揮破壞磷脂膜的作用，單甘油酯形成膠束的濃度比MCFAs低，這也解釋了為什么單甘油酯通常比脂肪酸更具有生物活性，碳鏈長(zhǎng)的化合物也往往表現(xiàn)出更強(qiáng)的抑制作用[7-9]。然而，需要注意的是，不同的MCFAs和單甘油酯對(duì)不同的病原體有不同的抑制作用，因此需要根據(jù)目標(biāo)病原體進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。近年來，研究MCFAs和單甘油酯對(duì)養(yǎng)豬業(yè)相關(guān)病原體的抑制作用已成為研究的熱點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，GML（月桂酸的單甘油酯）、月桂酸（C12）以及辛酸（C8）和癸酸（C10）的混合物對(duì)大量的細(xì)菌病原體表現(xiàn)出強(qiáng)大的抗菌活性，如大腸桿菌，豬鏈球菌、浦那沙門氏菌和產(chǎn)氣莢膜梭狀芽孢桿菌。MCFAs和單甘油酯往往比經(jīng)常研究的有機(jī)酸（如乳酸和檸檬酸）表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗菌效力[10]。也已確定，這類化合物，如GML，可以幾乎完全殺死需氧炭疽芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌[11]。另一項(xiàng)研究報(bào)道指出GML和月桂酸還能抑制單核增生李斯特菌，這是一種可污染養(yǎng)豬場(chǎng)的食源性病原體[12]。

此外，MCFAs和單甘油酯可抑制被膜包裹的病毒，目前對(duì)養(yǎng)豬業(yè)影響較大且具有囊膜的病毒包括豬流行性腹瀉病毒（PEDV）、豬繁殖與呼吸綜合征病毒（PRRSV）、豬傳染性胃腸炎病毒（TGEV）、偽狂犬病病毒（PRV）、經(jīng)典豬瘟病毒（CSFV）、乙型腦炎病毒（JEV）、非洲豬瘟病毒（ASFV）。相關(guān)研究已經(jīng)系統(tǒng)報(bào)道了MCFAs和單甘油酯可以有效阻斷飼料中PEDV的傳播，對(duì)PEDV有很強(qiáng)的抑制活性[13-14]。

4 中鏈脂肪酸參與機(jī)體免疫調(diào)節(jié)的研究進(jìn)展

除抗菌特性外，某些MCFAs和單甘油酯還具有免疫調(diào)節(jié)特性。研究發(fā)現(xiàn)MCFAs可以作為G蛋白偶聯(lián)受體-GPR84的配體，而GPR84是免疫細(xì)胞中高表達(dá)的信號(hào)蛋白，因此其參與免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)[15]。已知GML可以與免疫細(xì)胞細(xì)胞膜上相關(guān)信號(hào)通路相互作用，特別是T淋巴細(xì)胞，體外研究表明GML減少細(xì)胞因子的產(chǎn)生，表現(xiàn)出免疫抑制作用，同時(shí)體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)口服GML可有效減輕腸道炎癥，可應(yīng)用于抗炎[16-17]。MCFAs在體外也被證明可以改善豬腸道細(xì)胞系IPEC-J2細(xì)胞的免疫反應(yīng)[18]。研究表明，飼糧中添加MCFAs可有效緩解脂多糖（LPS）引起的仔豬腸黏膜結(jié)構(gòu)損傷，維持和保護(hù)腸黏膜免疫屏障功能[19]。

綜上所述，MCFAs和單甘油酯具有免疫調(diào)節(jié)作用，加上耐藥發(fā)展的高障礙和抑制細(xì)菌和包膜病毒的潛力，使它們成為潛在的替代抗生素和促進(jìn)豬生產(chǎn)性能的候選添加劑。

5 豬飼糧添加中鏈脂肪酸對(duì)生產(chǎn)性能的影響

Marounek等發(fā)現(xiàn)，將0.5%辛酸飼喂感染小隱孢子蟲的斷奶仔豬，可以提高仔豬的生長(zhǎng)性能[20]。與對(duì)照組相比，0.5%辛酸處理組體重增加（4.97±0.36） kg，未處理組和1% MCT處理組分別為（3.64±0.43） kg和（3.95±0.35） kg。這個(gè)發(fā)現(xiàn)很重要，因?yàn)樗@示了0.5%辛酸的表現(xiàn)優(yōu)于1% MCT，因此支持了游離MCFAs作為飼料添加劑的用途。在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，Hanczakowska等研究了添加MCFAs對(duì)仔豬生長(zhǎng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在飼糧中添加0.5%的己酸、辛酸、癸酸和月桂酸混合物可以改善生長(zhǎng)性能，同時(shí)降低小腸食糜中梭狀芽胞桿菌數(shù)量[21]。隨后進(jìn)一步研究0.2%辛酸和/或癸酸對(duì)斷奶仔豬生長(zhǎng)性能、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率、腸道微生物區(qū)系和回腸結(jié)構(gòu)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)[22]，與未添加MCFAs或抗生素的對(duì)照組相比，添加辛酸、癸酸或其組合的仔豬日增重更大；飼喂MCFAs的豬死亡率降低，粗蛋白質(zhì)和粗纖維消化率提高；添加MCFAs的各組均能降低回腸產(chǎn)氣莢膜梭狀芽胞桿菌的數(shù)量，癸酸組另外還能顯著改善回腸黏膜的形態(tài)。

Gebhardt等也評(píng)估了飼糧中添加MCFAs對(duì)仔豬生長(zhǎng)的促進(jìn)作用[23]。他們?cè)囼?yàn)了飼糧MCFAs混合物（己酸、辛酸、癸酸比例為1∶1∶1）添加量為0、0.25%、0.5%、1.0%、1.5%，以及己酸、辛酸、癸酸分別添加0.5%對(duì)生長(zhǎng)性能的影響。結(jié)果表明，MCFAs混合物線性改善了日增重和采食量、料重比；0.5%辛酸組日增重顯著高于對(duì)照組；0.5%己酸組、0.5%辛酸組、0.5%癸酸組，料重比顯著優(yōu)于對(duì)照組。雖然MCFAs飼料有強(qiáng)烈的氣味，但它們沒有減少飼料的攝入量。Cochrane等進(jìn)一步研究了MCFAs是否可以在仔豬細(xì)菌病原體挑戰(zhàn)模型中作為抗生素氯四環(huán)素（CTC）的替代品[24]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)給感染大腸桿菌的豬飼喂含有MCFAs的飼料，其飼料轉(zhuǎn)化效率與飼喂含有抗生素飼料的豬相似。

此外，Snoeck等研究發(fā)現(xiàn)在斷奶仔豬飼糧中添加0.1%月桂酸/GML的養(yǎng)殖場(chǎng)，與仔豬飼喂常規(guī)飼料的養(yǎng)殖場(chǎng)相比，其養(yǎng)殖場(chǎng)每個(gè)動(dòng)物平均年少使用8個(gè)日劑量的抗生素[25]。雖然對(duì)MCFAs和單甘油酯的研究大多數(shù)集中在如何支持豬生長(zhǎng)發(fā)育的早期階段，但Zhang等也研究了添加0.15%或0.3% MCFAs替代0.1%抗生素（氯四環(huán)素、磺胺二甲嗪和普魯卡因青霉素，1∶1∶1）對(duì)生長(zhǎng)肥育豬的影響[14]，研究發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)豬的飼糧中添加0.3% MCFAs對(duì)日增重和IgG濃度的影響與添加抗生素的飼糧組類似，表現(xiàn)出可以替代抗生素的效果。還有在母豬上的研究發(fā)現(xiàn)，在妊娠后期和哺乳期母豬飼糧中添加7.75 g/kg含量的MCFAs可以提高初乳中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量和縮短發(fā)情間隔[26]。

6 中鏈脂肪酸在飼糧中的使用策略

MCFAs和單甘油酯雖然已被證明是有用的飼料添加劑，但研究人員也在探索不同的添加策略。例如將它們包裹起來，以減緩吸收，引導(dǎo)給藥到胃腸道的靶向區(qū)域，從而潛在地提高功能效價(jià)。另外一種有效的策略是使用MCTs作為飼料添加劑，因?yàn)樗鼈儽Ｗo(hù)MCFAs和單甘油酯不被快速吸收，而活性化合物可以在體內(nèi)被脂肪酶作用下逐漸釋放，同時(shí)它們沒有不良?xì)馕叮挥绊懖墒沉?。根?jù)具體情況，如果飼料來源中含有內(nèi)源性脂肪酶，或者豬體內(nèi)的脂肪酶分泌功能發(fā)育完全，MCTs可以單獨(dú)作為飼料添加劑使用，否則可以與外源性脂肪酶一起使用[27]。

除此之外，也可以直接使用所需的高純度MCFAs和/或單甘油酯作為添加劑，并直接將其加入飼料或水中。在飼料中直接使用游離MCFAs和/或單甘油酯的一個(gè)重要好處是，它們具有抗菌特性，因此可以潛在地抑制飼料中的病毒和細(xì)菌病原體，從而降低疾病傳播的風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，由于MCFAs和單甘油酯都有一定的氣味，在飼糧中的添加劑量需要有所控制。

7 總結(jié)

MCFAs和單甘油酯因?yàn)槠浞肿觾捎H特性從而具有抗微生物的作用，可以作為替代抗生素的一種選擇。同時(shí)，它們還可以阻斷飼料中病原體的傳播，調(diào)節(jié)機(jī)體免疫反應(yīng)，具有抗炎作用。在實(shí)際的豬生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)具體情況合理搭配使用中鏈脂肪酸及其單甘油酯和三甘油酯。