苯甲酸的生物學功能及其在畜禽生產(chǎn)中的應用研究進展

■易 鑫 陳 勇 舒 剛*

(1.四川農業(yè)大學動物醫(yī)學院，四川成都 611130；2.貴州鳳和祥農業(yè)發(fā)展有限公司，貴州柳州 557400)

苯甲酸作為一種單羧酸，有廣譜的抗菌效果且抗菌力強，在化妝品、藥品、食品和飼料行業(yè)被廣泛應用為有機酸化劑和防腐劑（Rychen等，2018），2018 年歐盟委員會正式允許將苯甲酸作為飼料添加劑，其作為斷奶仔豬飼料添加劑的最大用量為5 000 mg/kg，育肥豬的最大用量為10 000 mg/kg；2020 年歐盟委員會發(fā)布條例批準苯甲酸作為育肥豬的飼料添加劑，全價飼料中最低含量為3 000 mg/kg，最大含量為10 000 mg/kg；2021 歐盟委員會發(fā)布法規(guī)，根據(jù)歐洲議會和理事會法規(guī)批準苯甲酸作為育肥火雞和飼養(yǎng)繁殖火雞的飼料添加劑；我國《飼料添加劑品種目錄（2013）》將其作為酸度調節(jié)劑和防腐劑，允許使用在畜禽飼糧中，但無添加限量規(guī)定，而在食品中允許添加量為0.2～1.0 g/kg，過量則會對機體造成傷害（Diao等，2013）。許多研究證明，苯甲酸具有一定的生物學功能，將適量苯甲酸添加到動物飼料中對機體抗氧化功能、腸道菌群、生長代謝等生理反應有調節(jié)作用，對動物繁殖與生長具有重要意義，而過量的苯甲酸則會對機體器官造成氧化應激及其損害（Ahmad 等，1994）。然而，目前已有的文獻仍主要集中于以苯甲酸為原料的衍生物上，鮮見有關苯甲酸生物學功能及其在畜禽生產(chǎn)中的應用研究。為此，文章整理了苯甲酸相關的最新文獻報道，系統(tǒng)地綜述了苯甲酸的來源、結構、性質、吸收代謝、生物學功能及其在畜禽生產(chǎn)中的應用，并初步探討了苯甲酸在畜牧養(yǎng)殖中的應用前景，以期為苯甲酸飼料添加劑的開發(fā)及其在畜禽生產(chǎn)中的合理應用提供科學參考依據(jù)。

1 苯甲酸的特性

1.1 苯甲酸的來源、結構和性質

苯甲酸又名安息香酸、苯羧酸、苯酸、苯蟻酸，以游離酸、酯或其衍生物的形式廣泛分布于蔬菜、漿果、香辛料、乳制品、動物體中（Del 等，2017；Organization等，2000；Sieber等，1990；Yun等，2019）。天然形成的苯甲酸可以通過植物和微生物獲得，植物既可以通過莽草酸/異分支酸代謝途徑直接轉化而成，也可以通過苯丙氨酸的次級代謝形成，還可以由肉桂酸通過β氧化和非氧化途徑得到；微生物可以將馬尿酸水解為苯甲酸，還可以由苯丙氨酸降解形成，還可以通過產(chǎn)生苯甲醛，再由苯甲醛自動氧化而成（Wildermuth等，2006；Widhalm 等，2015；Sieber 等，1995）。目前，苯甲酸合成的傳統(tǒng)方法主要以石油甲苯為原料，合成方法有氧化劑氧化法、鄰苯二甲酸酐加熱脫羧法、甲苯直接液相氧化法、三氯甲苯水解法及催化氧化法等（Sun等，2015；Karuehanon 等，2012；Ye 等，2013）。苯甲酸是一種單羧酸，屬于有機酸，是一種帶有一個羧基（COOH）的苯環(huán)核心的化合物，其羧基與苯環(huán)碳原子直接相連，該分子屬于簡單的芳香族羧酸，外觀為白色晶體或結晶粉末，具有輕微苯甲醛氣味，易溶于乙醚乙醇，微溶于水，微溶于丙酮等有機溶劑（Sim 等，1955；Mao等，2019）。苯甲酸化學結構式為C7H6O2，相對分子質量為122.12 u，相對密度1.265 9 g/cm3，沸點249 ℃，熔點122.13 ℃，在100 ℃開始升華，其酸性較弱，pH 在8 左右，比中、長鏈脂肪酸酸性強，電離常數(shù)為4.20，其羧基上的H+易被金屬離子取代，形成苯甲酸鹽（見圖1）（Yang 等，2018；牟悅，2012；高增兵等，2014；Ikumi等，2010）。

圖1 苯甲酸的化學結構

1.2 苯甲酸的吸收與代謝

苯甲酸在酸性條件下由腸道上皮細胞的單羧酸轉運蛋白-1(monocarboxyli cacid transporter 1，MCT1)介導，利用質子梯度作為其驅動力（Ikumi 等，2010），經(jīng)過腸腔進入血液再進入細胞（Cong 等，2001；Cong等，2002；Kido等，2000）。MCT1在胃腸道上皮細胞的基底外側及頂膜有高水平的表達，用以主動吸收腸道菌群產(chǎn)生的發(fā)酵代謝物和外源性酸（如丙酮酸、乳酸、苯甲酸等單羧酸）（Widhalm 等，2015；Poole 等，1993；Kirat 等，2010）。MCT1 為離子共轉運載體，可介導單羧酸雙向運動，但MCT1 轉運苯甲酸并不是特異性的，MCT1可轉運多種單羧酸，因此其他單羧酸會影響苯甲酸的吸收及轉運（Estudante等，2013）。

苯甲酸通過動物腸道被吸收后進入血液，然后轉運到肝臟進行代謝（黃桂君等，2011）。在動物體內，苯甲酸和甘氨酸在酶的催化下形成馬尿酸，然后通過尿液排出體外（Organization 等，2000；Kristensen 等，2009）；苯甲酸也可以與葡萄糖醛酸結合生成苯甲酰葡糖醛酸，然后以苯甲酰葡糖醛酸的形式通過腎臟排出體外；有些動物還可以通過排泄游離苯甲酸來代謝苯甲酸，而排泄的苯甲酸可能來自于苯甲酰葡糖醛酸的分解產(chǎn)物，還有少數(shù)動物可以將苯甲酸轉化為鳥尿酸并排出體外（Bridges等，1970；Mao等，2019）。苯甲酸也可以通過腸道微生物代謝分解（Yadav等，2021）。

2 苯甲酸的生物學功能

2.1 調節(jié)腸道pH，促進營養(yǎng)物質吸收

胃腸道內存在多種消化酶，其中分解蛋白質的消化酶需要在酸性環(huán)境下才能被激活。苯甲酸作為一種解離常數(shù)很高的弱酸，可降低胃腸道pH，有助于激活胃腸道中消化酶，發(fā)揮消化酶功能，例如胃蛋白酶原激活為胃蛋白酶（Diao等，2015）。苯甲酸還可以提高消化酶活性，促進營養(yǎng)物質的消化吸收（Chen 等，2015）。同時苯甲酸可通過提高絨毛高度、降低隱窩深度，增加腸道絨毛高度和隱窩深度比值。因為pH會影響細胞的生長，細胞分裂隨著酸度的增加而提高，隱窩深度越低，成熟上皮細胞越多，分泌功能越強，絨毛高度越高，絨毛高度與隱窩深度比值越高，黏膜結構越好，總管腔絨毛的吸收面積越大，因而可提高營養(yǎng)物質吸收率（Diao等，2014）。苯甲酸還有利于乳酸桿菌等有益菌的生長和繁殖，通過有益菌分泌乳酸等酸性代謝物間接調節(jié)胃腸道pH，且其還具有抑制病原微生物增殖的作用，減少病原微生物對營養(yǎng)物質的競爭性吸收，增加腸道對營養(yǎng)物質的吸收（Pearlin等，2020）。

2.2 均衡腸道微生物，改善腸道環(huán)境

中性偏堿的環(huán)境有利于病原微生物的生長，而酸性環(huán)境更利于益生菌的生長（Salmond 等，1984；周曉容等，2019）。苯甲酸作為一種有機酸能改變胃腸道的酸度，達到抑制病原微生物增殖的效果，從而減少病原微生物消耗機體營養(yǎng)物質并產(chǎn)生毒素（Stein 等，2006），同時益生菌在酸性環(huán)境下大量定植和繁殖后，產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物（如乳酸）具有降低胃腸道pH和抑制有害菌增殖的作用，同時益生菌的大量存在會與大腸桿菌等有害菌競爭營養(yǎng)物質，而進一步抑制有害菌的生長繁殖，起到平衡胃腸道微生物、均衡微生物區(qū)系、改善腸道內環(huán)境的作用（Caillard 等，2017；Lee 等，2010）。苯甲酸抑制病原微生物增殖的機理主要是：①具有較強的親脂性，可與細菌膜上的磷脂結合，破壞膜完整性，影響細菌對營養(yǎng)物質的吸收；②苯甲酸滲透入細菌細胞內，在細胞內解離，使細胞內部酸化，打破胞內酸堿平衡，擾亂底物運輸和氧化磷酸化，并使陰離子積累，使細胞內必需酶的活性降低甚至變性，影響細胞新陳代謝，從而遏制細菌的生長繁殖（Krebs 等，1983；Warnecke 等，2005）。在酸性條件下可提高苯甲酸的抑菌效果，在pH低于4.5的范圍內使用效果最佳，因為pH越低，未解離形式的酸所占比例越大，而抑制細菌生長的形式主要是未解離形式，因此抑菌效果就越強，其中抑制革蘭氏陽性菌的效果優(yōu)于革蘭氏陰性菌，原因之一是細胞外層的結構和化學成分不同（Sieber 等，1990；Beales 等，2010；Lu 等，2011；Russell等，2010；Nikaido等，1985）。

2.3 調節(jié)機體抗氧化，促進機體健康

機體內有酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)兩種方式來抵御自由基對機體的侵害，酶系統(tǒng)是指機體通過抗氧化酶來清除體內自由基，非酶系統(tǒng)是指機體通過攝取的外源化合物來中和自由基（Bas等，2014）。苯甲酸一方面可以通過提高機體抗氧化酶活性來清除自由基，另一方面可以通過其含有的羧基與自由基結合，從而達到清除自由基的目的（Yan 等，2016；Gui-Qing 等，2004）。黃靈杰等（2021）發(fā)現(xiàn)在21 日齡肉雞飼糧中添加苯甲酸可顯著提高血清谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）活性，顯著降低血清丙二醛（MDA）含量；且在42 日齡時，苯甲酸可提高球蟲攻毒的肉雞血清GSH-Px 活性及降低MDA 含量。孫文豪（2020）研究發(fā)現(xiàn)，苯甲酸更易在超氧化物歧化酶（SOD）表面碰撞和結合，從而導致SOD 構象改變，增大其活性位點附近入口，提高與底物的接觸面積，從而達到提高SOD酶活性的目的。而對于苯甲酸抗氧化機制的深入研究目前較少。

3 苯甲酸在畜禽生產(chǎn)中的應用現(xiàn)狀

目前，苯甲酸主要應用在家禽、豬、反芻動物等畜禽上。相關研究表明，畜禽飼料中添加苯甲酸可促進營養(yǎng)物質的吸收、提高生長性能、均衡腸道菌群、改善腸道形態(tài)、增強機體抗氧化、提高腸道及機體健康水平，可作為替抗產(chǎn)品用于畜禽生產(chǎn)，但是過量添加苯甲酸會對機體造成損害。

3.1 苯甲酸在家禽養(yǎng)殖中的應用

苯甲酸對家禽影響的研究主要集中于肉雞，對蛋雞的研究較少，且主要研究了苯甲酸對家禽生長性能、免疫功能、腸道健康及腸道菌群的影響。Gong等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，在蛋雞飼糧中添加苯甲酸對生產(chǎn)性能沒有顯著影響，但能顯著提高雞蛋品質，其中1 000 mg/kg苯甲酸通過改善腸道形態(tài)和豐富微生物組成，對腸道健康有積極的調節(jié)作用，但沒有必要使用高劑量的苯甲酸，因為對蛋雞的胃腸道健康有負面影響。Yan 等（2018）在研究發(fā)現(xiàn)，在艾美耳球蟲的攻擊下，肉雞的生長性能顯著降低，而在飼糧中添加500 g/t的苯甲酸則可保護肉雞免受球蟲攻擊，還可顯著提高其生長性能。Aod等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，苯甲酸對肉雞第28天脛骨灰分，脛骨鈣、磷含量沒有顯著影響，可使趾骨灰分含量顯著增加，可顯著提高肉雞飼料轉化率，但對回腸營養(yǎng)物質消化率無顯著影響。Yousaf 等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，在肉雞飼糧中添加包被后的苯甲酸對其生長性能和pH 無顯著影響，在近端腸內苯甲酸濃度迅速下降，而空腸、回腸和盲腸中苯甲酸含量較高，同時苯甲酸可以顯著提高嗉囊總乳酸和空腸D-乳酸含量，顯著減少盲腸總脂肪酸和支鏈脂肪酸含量，而且苯甲酸對腸道菌群有一定的影響，該研究發(fā)現(xiàn)苯甲酸在腸道的主要有益作用方式是增強乳酸菌的活性，從而使乳酸菌成為對抗病原體的先鋒。Hassan 等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，飼喂苯甲酸對肉雞的體重、增重、平均日采食量、料重比、胴體性狀無顯著影響，但苯甲酸可使法氏囊重顯著增加，肉雞血清總蛋白和球蛋白顯著升高，由此可見苯甲酸可通過提高法氏囊重量和血液球蛋白水平，改善肉雞的免疫應答，但對肉雞生長性能無顯著影響。Tzora 等（2017）在飼糧中添加苯甲酸，發(fā)現(xiàn)苯甲酸改善了肉雞部分生長性能和回腸腸壁的形態(tài)，并且苯甲酸和凹凸棒土以及牛至精油聯(lián)合使用可顯著增加了空腸內腸桿菌的數(shù)量，以及十二指腸和空腸內的細胞增殖。以上研究均表明，適量的苯甲酸對家禽腸道健康有積極作用，可改善腸道菌群、提高機體免疫力，從而使家禽生長性能得到提高。

3.2 苯甲酸在豬養(yǎng)殖中的應用

苯甲酸在豬養(yǎng)殖業(yè)中的研究主要集中于腸道消化酶、腸道健康、腸道菌群、生長性能等方面。Diao等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，在仔豬飼糧中添加5 000 mg/kg苯甲酸顯著提高了仔豬平均日增重，空腸胰蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、谷胱甘肽過氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性以及絨毛高度/隱窩深度值，證明苯甲酸可通過促進營養(yǎng)物質消化、提高空腸抗氧化能力、維持空腸形態(tài)等途徑改善仔豬生長性能。Hui等（2016）發(fā)現(xiàn)在仔豬飼糧中添加5 000 mg/kg苯甲酸可顯著提高其平均日采食量、平均日增重、全消化道表觀消化率、相關腸道酶活性、降低消化液pH，促進機體對營養(yǎng)物質的吸收，同時苯甲酸還可以顯著提高仔豬空腸抗氧化功能，通過上調空腸中胰高血糖素樣肽-2（GLP-2）的濃度來改善空腸形態(tài)，從而維護腸道健康；飼糧中添加5 000 mg/kg苯甲酸，至少部分是通過改善仔豬的營養(yǎng)物質消化和空腸形態(tài)來提高仔豬的生長性能；此外，補充苯甲酸可能通過顯著提高仔豬腸道GLP-2 的產(chǎn)量和抗氧化能力來改善腸道功能。Silva等（2021）研究發(fā)現(xiàn)，在仔豬飼糧中將苯甲酸和益生菌混合使用可顯著提高飼糧轉化率和體重，顯著降低腹瀉率，而對盲腸菌群的影響較小。Wang 等（2021）研究發(fā)現(xiàn)，苯甲酸和博落回提取物聯(lián)合應用，可顯著提高仔豬體重，顯著降低飼料轉化率和腹瀉率，顯著提高血清超氧化物歧化酶（SOD）活性，顯著降低了丙二醛（MDA）含量，顯著升高血清白細胞介素-10（IL-10）、免疫球蛋白A（IgA）和免疫球蛋白M（IgM）含量，顯著增加回腸和盲腸乙酸、丙酸、丁酸和總短鏈脂肪酸濃度，顯著增加乳酸菌的數(shù)量，顯著降低大腸桿菌-志賀氏菌的數(shù)量，維護機體健康，但顯著降低十二指腸絨毛高度和絨毛高度/隱窩深度值、回腸絨毛高度和空腸隱窩深度，減弱腸道吸收功能。Correa 等（2021）研究發(fā)現(xiàn)，在仔豬飼糧中添加苯甲酸可以顯著提高平均日增重，顯著降低飼料轉化率，可使糞便微生物群具有更高的Alpha 多樣性，促進已知有益菌的增殖，促進多糖代謝和短鏈脂肪酸的產(chǎn)生，從而對仔豬機體產(chǎn)生積極影響。Rodrigues 等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，添加5 g/kg苯甲酸可以顯著提高仔豬平均日增重和最終體重，但對腹瀉、微生物數(shù)量、揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量、pH、器官重量、細胞增殖和膽囊收縮素數(shù)量均無顯著影響。Meara 等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，在液體飼糧中添加苯甲酸會使料槽中的乳酸菌數(shù)量顯著降低，穩(wěn)定飼糧pH，但是苯甲酸并未對育肥豬的生長性能和胴體品質有顯著影響。Kiarie 等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，添加0.5%的苯甲酸可使仔豬飼料轉化率顯著提高，糞便評分降低，粗蛋白的表觀全腸道消化率顯著提高，且苯甲酸對仔豬生長性能的支持程度與抗菌生長促進劑相同，有作為抗菌生長促進劑替代物的潛力。研究表明，苯甲酸對仔豬和育肥豬的腸道有較好的改善作用，通過提高腸道內酶活性，從而促進營養(yǎng)物質的吸收，通過提高腸道和機體抗氧化能力，來抵御氧化應激，同時通過改變腸道菌群來產(chǎn)生有利影響。

3.3 苯甲酸在其他動物養(yǎng)殖中的應用

近幾年，苯甲酸的研究大多集中于家禽和豬方面，對其他動物的研究較少，對于其他動物而言，合適劑量的苯甲酸將有利于提高胃腸道pH，高劑量的苯甲酸則會對機體造成損害。Williams等（2021）在肉牛飼糧中添加0.5%的苯甲酸發(fā)現(xiàn)，苯甲酸對肉牛生長性能無顯著影響，但是苯甲酸可以顯著提高總干物質采食量、瘤胃pH等。Abdelgadir等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，給小鼠口服苯甲酸和檸檬酸混合物（100、500、1 250 mg/kg BW）雖然會使小鼠體重增加，但是會使血清γ-谷氨酰轉移酶（GGT）和堿性磷酸酶（ALP）隨劑量的增加而顯著增加，而肝組織病理變化表現(xiàn)為平板充血、出血、血黃素增多、彌漫性凝固性壞死、胞漿空泡化，細胞核變性。綜上所述，口服苯甲酸和檸檬酸的混合物會導致肝臟功能失常，應謹慎食用含苯甲酸和檸檬酸混合物的食物和飲料。

4 小結

目前，飼糧所用苯甲酸是以石油甲苯為原料，經(jīng)催化氧化、精制提純而制得，但食品級苯甲酸仍需進口（中華人民共和國農業(yè)部，2007）。苯甲酸在動物生產(chǎn)中發(fā)揮作用主要是以其未解離形式，其在未解離形式下更易穿過細胞膜。苯甲酸雖然作為酸化劑和防腐劑廣泛應用于各個行業(yè)，但是其在動物生產(chǎn)和維護動物健康方面的應用研究尚在起步階段。禁抗令頒布后，如何維護動物健康和生產(chǎn)成為養(yǎng)殖業(yè)一大難題，而苯甲酸的促生長作用、殺菌作用、調節(jié)腸道菌群作用、抗氧化作用等生物功能使其在禁抗時代具有很廣闊的應用前景。關于苯甲酸的抗氧化功能、免疫功能機制以及在不同動物中的適宜使用量等還處于探索階段，還需更深入地探究，以期為苯甲酸在動物生產(chǎn)中的合理應用提供理論基礎和科學依據(jù)。