替抗產(chǎn)品在畜牧生產(chǎn)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

劉薇，丁雪，楊運(yùn)玲*，張廣寧，苗曉微，劉文峰，梁代華

（1.谷實(shí)生物集團(tuán)股份有限公司，哈爾濱 150078；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150030）

1929年，具有殺死細(xì)菌功能的青霉素被英國(guó)科學(xué)家弗萊明首次發(fā)現(xiàn)[1]，標(biāo)志著對(duì)抗微生物時(shí)代的到來(lái)，自此越來(lái)越多的抗生素被發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)40年代后，隨著人們對(duì)肉蛋奶等畜禽產(chǎn)品需求的增加，規(guī)模化、集約化生產(chǎn)越來(lái)越普遍，并產(chǎn)生一系列的動(dòng)物健康問(wèn)題[2]。此時(shí)抗生素在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)和飼料科學(xué)領(lǐng)域被廣泛地研究和應(yīng)用，使用抗生素作為生長(zhǎng)促進(jìn)劑和飼料增強(qiáng)劑給畜牧生產(chǎn)者帶來(lái)巨大效益。然而，抗生素在畜牧生產(chǎn)中有利也有弊，濫用抗生素導(dǎo)致抗性病原體的發(fā)展[3]、畜體免疫力下降、藥物富集等問(wèn)題[4-5]，嚴(yán)重的可造成動(dòng)物中毒甚至是死亡。畜禽日糧中添加的抗生素大部分可以隨糞尿等排泄物排出體外，但仍有部分殘留在體內(nèi)或動(dòng)物產(chǎn)品中，而隨糞便排出體外的部分未經(jīng)去抗處理會(huì)對(duì)空氣、土壤、水等造成有害影響，從而危及人畜健康。

我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部已頒布公告：自2020年7月1日起飼料中添加抗生素被全面禁止，因此尋找有效替抗產(chǎn)品已經(jīng)成為行業(yè)的研究熱點(diǎn)。替抗產(chǎn)品主要包括：中草藥制劑、微生態(tài)制劑、酶制劑、抗菌肽和有機(jī)微量元素等幾類(lèi)。相較于抗生素，抗生素替代品是無(wú)毒副作用、無(wú)藥物殘留、無(wú)環(huán)境污染的綠色飼料添加劑。

1 替抗產(chǎn)品種類(lèi)及其抗炎抗病毒機(jī)理

1.1 酶制劑

畜牧生產(chǎn)中所用酶制劑種類(lèi)較多，蛋白酶、溶菌酶、葡萄糖氧化酶、淬滅酶等都具有殺死細(xì)菌的功能，其他一些酶能提高動(dòng)物機(jī)體免疫力，如木聚糖酶、甘露聚糖酶、果糖基轉(zhuǎn)移酶、葡萄糖苷酶等。

1.1.1 溶菌酶

溶菌酶能夠直接殺菌和抑菌，通過(guò)水解細(xì)菌的β-1,4糖苷鍵、肽鍵和酰胺鍵來(lái)破壞其細(xì)胞壁，導(dǎo)致內(nèi)容物流出和細(xì)菌溶解[6]。溶菌酶往往通過(guò)酶與非酶物質(zhì)間的協(xié)同起殺菌作用，其含有的殼多糖和一些陽(yáng)離子能夠分解真菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，大量研究表明溶菌酶對(duì)于白色念珠菌、新生隱球菌、青霉菌和曲霉菌等真菌具有良好的滅菌活性[7-8]。溶菌酶還能夠通過(guò)抑制多種引起炎癥的酸性物質(zhì)的釋放來(lái)發(fā)揮抗炎作用，增強(qiáng)巨噬細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞的活性來(lái)提高動(dòng)物機(jī)體的免疫力[9-10]。

1.1.2 葡萄糖氧化酶

葡萄糖氧化酶（Glucose oxidase，GOD）呈弱酸性，在一定程度上可以起到酸化劑的抑菌作用。GOD能夠氧化β-D-葡萄糖，產(chǎn)生葡萄糖酸和H2O2，而H2O2能使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)上的巰基失去活性，從而起到殺菌作用[11]。GOD在腸道內(nèi)發(fā)揮氧化作用并產(chǎn)生厭氧環(huán)境，抑制了需氧細(xì)菌的生長(zhǎng)，同時(shí)還能清除腸道中的氧自由基，發(fā)揮抗氧化作用。

1.2 抗菌肽

抗菌肽（Antimicrobial peptides，AMPs）一般由10~60個(gè)氨基酸組成，屬于一種小分子多肽，具有顯著的抗菌活性。AMPs廣泛存在于各種動(dòng)植物、細(xì)菌、病毒和人體內(nèi)，是機(jī)體抵御病原微生物入侵的一道防線。目前已被發(fā)現(xiàn)的AMPs多達(dá)3 000多種[11]，按照來(lái)源不同可分為動(dòng)物源性AMPs、植物源性AMPs、微生物源AMPs及其人工合成AMPs。

AMPs的抗菌活性與抗生素不同，因其結(jié)構(gòu)差異和來(lái)源不同，抗菌肽作用機(jī)制也表現(xiàn)出差異，已有研究將AMPs作用機(jī)制分為兩種：第1種以細(xì)胞膜作為靶點(diǎn)，由于AMPs帶有正電荷，能夠與帶有負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞膜通過(guò)靜電作用結(jié)合，使膜的通透性增大，導(dǎo)致胞內(nèi)大分子物質(zhì)外流，從而引起病原微生物死亡；第2種將DNA和RNA作為靶點(diǎn)，通過(guò)抑制核酸和蛋白質(zhì)的合成釋放來(lái)使病原微生物死亡[12-13]。由于AMPs具有特殊的二、三級(jí)結(jié)構(gòu)及其多靶點(diǎn)作用特性，使其對(duì)酸堿和胃腸道中蛋白水解酶具有一定抵抗作用，多作用機(jī)制和多靶點(diǎn)作用也使得病原微生物產(chǎn)生耐藥性的概率降低。未來(lái)抗菌肽的量產(chǎn)和生產(chǎn)中的普遍應(yīng)用將會(huì)受到更多的關(guān)注。

1.3 微生態(tài)制劑

微生態(tài)制劑即活菌制劑，是指應(yīng)用于飼料和動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)中能提供有益菌和建立動(dòng)物腸道微生物區(qū)系平衡的一類(lèi)綠色飼料添加劑總稱(chēng)。益生菌、益生元、合生元是微生態(tài)制劑的三種基本類(lèi)型，益生菌既有細(xì)菌也有真菌，包括酵母菌、霉菌、乳酸菌、枯草芽孢桿菌、糞腸球菌、屎腸球菌等。益生元包括殼聚糖、單糖、寡糖等，它們的主要作用是給益生菌提供營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)有益菌繁殖生長(zhǎng)。益生菌和益生元混合在一起被稱(chēng)為合生元。

微生態(tài)制劑的主要作用在于提供有益菌后調(diào)節(jié)維護(hù)腸道微生物區(qū)系平衡，也有一些附加作用，如提高機(jī)體免疫力、促進(jìn)胃腸道的消化吸收。動(dòng)物體內(nèi)存在一個(gè)復(fù)雜的微生物系統(tǒng)，細(xì)菌、真菌和原蟲(chóng)等構(gòu)成了這個(gè)系統(tǒng)，它們之中既包括有害菌也包括有益菌。微生態(tài)制劑一方面補(bǔ)充有益菌數(shù)量，另一方面又能抑制有害菌生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)還能有效調(diào)節(jié)腸道pH，建立腸道微生物平衡，促進(jìn)動(dòng)物消化吸收和健康生長(zhǎng)[14]。微生態(tài)制劑提高免疫力是通過(guò)有益菌釋放的活性物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，來(lái)自酵母菌釋放的葡聚糖能與巨噬細(xì)胞表面的特異性受體結(jié)合[15]，激活巨噬細(xì)胞活性，同時(shí)釋放活性因子和抗體，從而提高機(jī)體的非特異性免疫。

1.4 中草藥制劑

中草藥飼料添加劑可分為植物源性、動(dòng)物源性和礦物質(zhì)。常見(jiàn)的植物源性中草藥添加劑包括黃芪、青蒿、穿心蓮、連翹、菊花等植物及其提取物。中草藥添加劑的抗菌活性主要通過(guò)其含有的多糖、黃酮類(lèi)、鞣質(zhì)、生物堿、萜類(lèi)和甾醇類(lèi)化合物等多種活性成分來(lái)實(shí)現(xiàn)。多糖能夠清除氧自由基發(fā)揮抗氧化活性，黃酮類(lèi)和甾醇類(lèi)化合物能直接作用于病原微生物抑制其生長(zhǎng)繁殖[16]。大部分中草藥添加劑由于所含成分復(fù)雜，不能像抗生素那樣直接作用于病原微生物，其抗菌抗炎作用往往通過(guò)提高機(jī)體免疫能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.5 有機(jī)微量元素

微量元素是動(dòng)物機(jī)體正常生長(zhǎng)繁殖所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，有機(jī)微量元素包括富馬酸鹽、琥珀酸鹽、乳酸鹽等。最新的有機(jī)微量元素添加形式為螯合物形式，如氨基酸螯合的鋅、鐵、銅等，還包括一些特殊的單體氨基酸螯合物，如蛋白酶螯合鋅、賴氨酸螯合鋅等[17]。有機(jī)微量元素在體內(nèi)能發(fā)揮抗氧化作用和免疫調(diào)劑作用，如Se發(fā)揮抗氧化功能主要是由于Se能與谷胱甘肽過(guò)氧化酶特異性結(jié)合，而谷胱甘肽過(guò)氧化酶能夠降解體內(nèi)的過(guò)氧化物，從而保護(hù)膜磷脂免受氧化。Cu、Zn和Mn能與超氧化物歧化酶結(jié)合在一起，形成Zn-SOD和Mn-SOD，它們可催化O2-發(fā)揮抗氧化功能。硒、鋅等對(duì)吞噬細(xì)胞和T細(xì)胞具有活化作用，能增強(qiáng)免疫細(xì)胞對(duì)病原微生物的吞噬和溶解[18-19]，增強(qiáng)機(jī)體免疫力。

2 替抗產(chǎn)品在單胃動(dòng)物中的應(yīng)用

2.1 在豬上的應(yīng)用

抗菌肽是近年來(lái)研究熱度比較高的抗生素替代品。J.H.Wang等[20]在斷奶仔豬日糧中添加10 mg·kg-1抗菌肽，發(fā)現(xiàn)改善了仔豬的生產(chǎn)性能；S.D.Wu等[21]使用抗菌肽cecropin飼喂，用大腸桿菌K88建模的斷奶仔豬，結(jié)果cecropin添加組與抗生素添加組仔豬生長(zhǎng)性能相似，并發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)性能的改善與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率和腸道形態(tài)的改善有關(guān)；與空白組相比，cecropin治療降低了腸道總需氧菌的豐度，同時(shí)提高了回腸中的總厭氧菌的豐度；cecropin還增加了盲腸中有益乳酸桿菌的數(shù)量；cecropin還增加了血清IgA和IgG以及炎性細(xì)胞因子白細(xì)胞介素1β和白細(xì)胞介素6，結(jié)果表明抗菌肽cecropin激活了全身和局部免疫系統(tǒng)以響應(yīng)大腸桿菌攻擊，對(duì)于改善仔豬細(xì)菌性腹瀉具有顯著影響。

研究發(fā)現(xiàn)給產(chǎn)前母豬飼喂益生菌（腸系膜芽孢桿菌、酪酸梭菌和糞腸球菌），母豬分娩時(shí)窩重和發(fā)情比率得到改善，在泌乳后飼喂使母豬采食量增加[22]。S.K.Kirtas等[23]也得出同樣結(jié)論，添加枯草芽孢桿菌后母豬的繁殖性能和健康狀態(tài)得到顯著提高，仔豬日增重和腸道菌群結(jié)構(gòu)得到改善，顯著降低了仔豬腹瀉率。糞腸球菌DMS 7134可作為抗生素生長(zhǎng)促進(jìn)劑的替代品應(yīng)用于育肥豬[24]，能顯著提高生長(zhǎng)性能。

2.2 在雞上的應(yīng)用

益生菌的作用機(jī)制包括刺激內(nèi)源性酶、減少產(chǎn)生有毒物質(zhì)代謝反應(yīng)以及提供一定的抗菌物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)在雞飼料中使用糞腸球菌對(duì)小腸中細(xì)菌菌群具有抵抗作用[25]。添加鏈霉菌屬也得到了類(lèi)似結(jié)果。在一項(xiàng)研究中，將枯草芽孢桿菌與廣泛用作雞飼料添加劑以預(yù)防壞死性腸炎的恩拉霉素進(jìn)行比較，結(jié)果顯示在肉雞飼料中添加105 cfu·kg-1枯草芽孢桿菌UBT-MO2可增加肉雞體重，降低了NH3和H2S在雞排泄物中的濃度，從而降低雞舍中有害氣體排放[26]。

微生態(tài)制劑在禽類(lèi)生產(chǎn)中也被廣泛應(yīng)用，雞飼料中添加富含甘露糖和甘露糖蛋白的產(chǎn)品顯著增加了腸絨毛細(xì)胞數(shù)量。此外，研究還表明在雞飼料中以0.2%的比例添加甘露寡糖比抗生素更有益于腸道健康，具體表現(xiàn)為病原微生物減少、腸道形態(tài)發(fā)育（絨毛高度和杯狀細(xì)胞數(shù)量）良好和有益細(xì)菌定植數(shù)量增加[27]。

植物性飼料添加劑的抗菌性能是由于單寧酸和皂苷等生物活性成分。一項(xiàng)研究在肉雞的小麥豆粕日糧中添加50、100 mg·kg-1的牛至精油，與對(duì)照組相比，日增重和飼料轉(zhuǎn)化率均顯著提高[28]。另一項(xiàng)研究在肉雞日糧中補(bǔ)充印度丁香和肉桂醛，對(duì)采食量、日增重均產(chǎn)生有益影響[29]。

3 替抗產(chǎn)品在反芻動(dòng)物中的應(yīng)用

反芻動(dòng)物瘤胃和后腸道存在大量細(xì)菌、真菌和原蟲(chóng)等微生物，其瘤胃類(lèi)似于一個(gè)“厭氧生物發(fā)酵罐”。在瘤胃微生物作用下大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被分解消化，在纖維分解菌的作用下，能利用單胃動(dòng)物不能利用的粗纖維，在反芻動(dòng)物日糧中添加抗菌肽、益生菌、酶制劑、植物提取物等替抗產(chǎn)品能有效改善瘤胃環(huán)境，促進(jìn)瘤胃發(fā)酵，同時(shí)益生菌的添加使微生物區(qū)系保持平衡，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在皺胃和小腸中的消化吸收。

細(xì)菌素又叫細(xì)菌抗菌肽，一項(xiàng)體外研究表明由瘤胃內(nèi)鏈球菌產(chǎn)生的細(xì)菌素Bovicin HC5能影響瘤胃發(fā)酵，使CH4產(chǎn)量顯著降低[30]，動(dòng)物試驗(yàn)表明在日糧中添加乳鏈菌肽也能顯著降低瘤胃CH4產(chǎn)量。一種由乳鏈菌肽和硝酸鹽組合形成的電子受體可顯著降低牛瘤胃產(chǎn)甲烷菌的生物活性，降低產(chǎn)甲烷菌的豐度，最終降低瘤胃中CH4排放[31]。奶牛飼料中常添加的益生菌包括反芻獸新月單胞菌、丙酸桿菌、埃氏巨型球菌、鏈球桿菌和雙歧桿菌等，飼料生產(chǎn)中使用單一菌種的情況較少，添加的益生菌一般多以復(fù)合型菌種為主，要求其活菌總數(shù)大于1×1010cfu·g-1。在飼料生產(chǎn)中，益生菌先與膨潤(rùn)土、玉米芯粉、麩皮等載體混合制成預(yù)混料后再添加到飼料中，大部分研究表明復(fù)合型益生菌的添加量為日糧干物質(zhì)的0.05%~0.30%時(shí)有利于促進(jìn)牛瘤胃發(fā)酵和維持腸道環(huán)境穩(wěn)態(tài)。H.Goto等[32]給患亞急性瘤胃酸中毒的荷斯坦奶牛補(bǔ)充20~100 g·d-1的益生菌（包括植物乳桿菌、屎腸球菌和丁酸菌），結(jié)果顯著提高了奶牛瘤胃pH，降低乳酸濃度，改善奶牛瘤胃酸中毒癥狀。研究顯示給泌乳牛補(bǔ)充S.cerevisiae47酵母菌后顯著提高了產(chǎn)奶量，在對(duì)瘤胃微生物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌（Fibrobacter）、反芻球菌（Ruminococcus）等纖維素利用菌及反芻獸新月單胞菌（Selenomonas）、埃氏巨球型菌（Megasphaera）等乳酸利用菌的豐度顯著提高[33]，改善了泌乳牛瘤胃發(fā)酵情況，提高了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收率，最終使產(chǎn)奶量上升。

反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化不同于單胃動(dòng)物，特別是在進(jìn)入腸道之前，單胃動(dòng)物依靠胃蛋白酶或淀粉酶對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行消化，而反芻動(dòng)物則依靠大量的瘤胃微生物來(lái)進(jìn)行，這些微生物也產(chǎn)生相應(yīng)的酶，外源性酶制劑的添加能加強(qiáng)瘤胃對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化，纖維素酶通常用于提高瘤胃對(duì)粗纖維的消化，研究顯示在泌乳奶牛日糧中添加10 g·d-1的纖維素酶可極顯著提高產(chǎn)奶量，添加復(fù)合酶也能有效提高產(chǎn)奶量及乳脂率[34]。甲烷產(chǎn)量高不僅意味著大量能量損失還會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。甲烷是溫室氣體的重要來(lái)源，研究發(fā)現(xiàn)在育成羊日糧中添加外源酶可顯著改善羊的瘤胃發(fā)酵，降低瘤胃甲烷產(chǎn)量。中草藥添加劑中皂苷、單寧和精油等活性成分能起到抑菌抗菌作用，多項(xiàng)研究表明金銀花提取物作為抗生素替代物可以有效降低圍產(chǎn)期奶牛氧化應(yīng)激，減少乳房炎發(fā)生[35]。

4 結(jié) 論

尋找和普及有效綠色的替抗產(chǎn)品是應(yīng)對(duì)全球肉類(lèi)消費(fèi)需求增長(zhǎng)、糧食緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題的有效措施，酶制劑、益生菌、抗菌肽、植物提取物等綠色飼料添加劑已被廣泛研究和用于畜牧生產(chǎn)中，在抑菌抗菌、提高動(dòng)物腸道健康和免疫力的同時(shí)，還不會(huì)造成藥物殘留、耐藥細(xì)菌進(jìn)化。雖然替抗產(chǎn)品具有較多優(yōu)點(diǎn)，但抗菌肽量產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜；許多中草藥添加劑成分復(fù)雜，抗菌活性成分未知；與抗生素相比，大多替抗產(chǎn)品抗菌效率較低等問(wèn)題仍然是未來(lái)替抗產(chǎn)品研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題。