食品安全時(shí)代飼料中抗生素強(qiáng)有力的替代品，為何是它脫穎而出？

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食品安全時(shí)代飼料中抗生素強(qiáng)有力的替代品，為何是它脫穎而出？

抗生素因?yàn)槭称钒踩凹?xì)菌耐藥性問題，其在飼料中的使用越來越受到限制。短中鏈脂肪酸（C1-C14）及其衍生物（脂肪酸鹽及脂肪酸甘油酯）具有廣泛的抑菌效果及其他營養(yǎng)作用，是抗生素強(qiáng)有力的替代品。脂肪酸及其衍生物在抑菌機(jī)理和抑菌效果受到碳原子數(shù)量和衍生產(chǎn)物類型的影響，并且其在飼料中的應(yīng)用受到其它因素（飼料加工、胃腸道消化吸收、腸道內(nèi)pH等）的影響。短鏈脂肪酸（以丁酸為代表）的抑菌作用、營養(yǎng)作用及其他功能性作用（如免疫、腸道屏障等）研究非常充分，但是其在飼料中的應(yīng)用卻受到了氣味、加工、動物吸收等等方面的限制。隨即出現(xiàn)了脂肪酸鹽、包被脂肪酸及脂肪酸甘油酯。中鏈脂肪酸碳鏈長度在8到14之間，其抑菌機(jī)理與短鏈脂肪酸完全不同。中鏈脂肪酸甘油酯是一種非離子表面活性劑，可以直接穿過細(xì)菌細(xì)胞膜，并成為細(xì)胞膜的一部分，從而改變細(xì)胞膜的穿透性；同時(shí)抑制細(xì)菌中脂肪酶（在細(xì)菌定植黏膜細(xì)胞表面過程中所必須的）的活性。中鏈脂肪酸及其衍生物抑菌效果高于短鏈和長鏈鏈脂肪酸，其最小抑菌濃度比短鏈脂肪酸可低10倍。此外更有研究表明中鏈脂肪酸甘油酯對病毒有很強(qiáng)的抑制作用。本文綜述了短中鏈脂肪酸及其衍生物的抑菌機(jī)理和抑菌效果，以期為養(yǎng)殖業(yè)應(yīng)用此類產(chǎn)品提供使用依據(jù)。

文/圖 上海亙泰實(shí)業(yè)集團(tuán) 朱滔 黃小燕 王根虎
廣東美瑞科海洋生物科技有限公司 虞予

近年來，脂肪酸及其衍生物的抑菌活性也一直受到人們的關(guān)注．已有研究表明，脂肪酸及其衍生物可抑制絲狀真菌以及酵母菌的生長，同時(shí)也可抑制細(xì)菌的生長繁殖。研究表明脂肪酸及其衍生物對常見致病細(xì)菌（鼠傷寒沙門菌、單核增生李斯特菌、副溶血性弧菌）存在抑制作用。脂肪酸根據(jù)碳原子的多少分為短鏈脂肪酸、中鏈脂肪酸和長鏈脂肪酸。碳原子數(shù)為1-6的脂肪酸成為短鏈脂肪酸，也稱揮發(fā)性脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸。碳原子數(shù)為8-14的脂肪酸成為中鏈脂肪酸，中鏈脂肪酸包括辛酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸。短鏈脂肪酸可以被腸道上皮細(xì)胞吸收，在腸道中既能作為能量被利用，也能調(diào)節(jié)腸道菌群平衡。并且短鏈脂肪酸對于維持大腸的正常功能和結(jié)腸上皮細(xì)胞的形態(tài)和功能具有重要作用。中鏈脂肪酸主要存在于椰子油和棕櫚油等植物油中，己酸至癸酸含量在椰子油約為15％。棕櫚油中的辛酸和月桂酸約占55-60％。另外反芻動物乳中含量也高，牛油中含量低于6％。大量研究表明，中鏈脂肪酸可以降低動物消化道和內(nèi)臟微生物數(shù)量以及動物產(chǎn)品受微生物污染的機(jī)會。它不僅能夠滅活病菌，還能改變病原體的致病毒性。實(shí)驗(yàn)表明，中鏈脂肪酸有減少梭狀芽胞桿菌和沙門氏菌的毒力，抵抗疾病，減少腸道以及全身病毒的效果。因此本文綜述了短鏈和中鏈脂肪酸及其衍生物的抑菌機(jī)理、抑菌活性，為其在動物日糧中的使用提供理論基礎(chǔ)。

1、短鏈脂肪酸

1.1、抑菌機(jī)理

游離脂肪酸的一般抗菌活性機(jī)理。其中一種廣為認(rèn)可的假設(shè)是短中鏈脂肪酸以它們未解離的形式擴(kuò)散到細(xì)菌細(xì)胞原生質(zhì)內(nèi)，然后解離，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)酸化(Sun等1998)。較低的細(xì)胞內(nèi)pH可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的酶失活(Viegas和Sa-Correia1991)，和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)抑制(Freese等，1973)。

圖1-1非電離有機(jī)酸抑菌殺菌機(jī)理

在偏酸（pH為3-4）的環(huán)境，非電離的有機(jī)酸可穿入大部分細(xì)菌胞膜，有機(jī)酸在胞內(nèi)電離產(chǎn)生氫離子，而導(dǎo)致胞內(nèi)pH偏低（Russell和Diez-Gonzalez，1998），影響到細(xì)菌內(nèi)生物大分子的功能。為了維持胞內(nèi)pH呈中性，細(xì)菌必需動用能源ATP來運(yùn)送氫離子到胞外。但此耗能工作終將導(dǎo)致細(xì)菌用盡能源而死亡（Guilloteau等，2010）。而酸根離子則有可能影響到胞核內(nèi)的基因表達(dá)，下調(diào)其毒性，如侵入腸膜細(xì)胞能力。比利時(shí)科學(xué)家VanImmerseel等(2006)已證明丁酸對沙門氏菌就具有下調(diào)其毒性基因表達(dá)的效果，而導(dǎo)致沙門氏菌在腸道內(nèi)的危害大為減弱。由于有機(jī)酸滅菌功能主要來自于非解離分子狀態(tài)，而解離程度與環(huán)境pH值和其本身的解離常數(shù)（pKa），所以有機(jī)酸抑菌殺菌的效果受到環(huán)境酸堿度及其本身的電離特性（pKa）（表1）的影響。丁酸及丙酸的效率應(yīng)高于甲酸、乳酸和苯甲酸。有機(jī)酸的殺菌作用在偏酸（pH=4）環(huán)境較偏堿（pH=7）環(huán)境強(qiáng)，在pH=4有機(jī)酸多以非電離結(jié)構(gòu)存在，因而易于殺滅有害細(xì)菌。

表1，有機(jī)酸在家禽消化道的結(jié)構(gòu)式與部位的酸堿度有直接關(guān)系


1.2、短鏈脂肪酸抑菌效果

表2列出丙酸及山梨酸在電離或非電離分子時(shí)對抑制幾種有害細(xì)菌生長所需的最低濃度的比較。電離分子滅菌所需的濃度為非電離分子的11到350倍，因而失去了在飼料加工的實(shí)用性。由于有機(jī)酸必須在偏酸的環(huán)境才有較好的滅菌功能，那么在豬的消化道只有胃的pH接近有機(jī)酸最佳的滅菌功能。對飼料到達(dá)胃之前的滅菌功能不大。據(jù)有機(jī)酸的消化試驗(yàn)報(bào)告（Bolton和Dewar,1965），大部分（95-99%）乙酸、丙酸及丁酸都在到達(dá)小腸之前被吸收入體內(nèi)（表6），因而不能對小大腸提供顯著功能。有機(jī)酸在胃中作為酸化劑的功能也會因?yàn)轱暳吓浞街衅渌系闹泻湍芰Χ档停ū?）。即便是有機(jī)酸能過胃而到達(dá)小腸，其酸化或滅菌功能也會因腸道分泌大量的中和物（碳酸氫鈣或碳酸氫鈉）被大量削減。試驗(yàn)指出高劑量添加有機(jī)酸（1%）也不能顯著降低盲腸的pH值（表5）。這也說明丁酸、丁酸鈉/鈣鹽或包被丁酸即便是能過胃達(dá)到小腸，其功能效率也不顯著。有機(jī)酸（如丁酸）應(yīng)與另一分子結(jié)合因而其滅菌功能不受環(huán)境pH的限制（即在酸堿環(huán)境下，均能有效滅菌）。

表2，非電離或電離有機(jī)酸對抑制有害細(xì)菌生長的最低濃度


表3，不同有機(jī)酸在pH5.2抑制芽孢、大腸桿菌及乳酸菌的最低濃度比較


表4，常用飼料原料在酸性環(huán)境（如胃）的中和作用


表5，添加不同劑量的甲酸、丙酸或檸檬酸對41日齡肉雞盲腸pH的影響

GauthierR.,2006.AustralianVeterinaryPoultryAssociationConference

Defoirdt等(2006)報(bào)道不同濃度的短鏈脂肪酸例如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸(1,10和100mM)在pH6時(shí)對坎氏弧菌的生長抑制的影響。他們進(jìn)一步指出，在濃度為100mM時(shí)，所有的短鏈脂肪酸都顯示出對坎氏弧菌生長100%抑制，然而在其他兩個濃度時(shí)無效果。根據(jù)上述調(diào)查結(jié)果，Wolin(1969)報(bào)道在pH6,10mM的短鏈揮發(fā)性脂肪酸部分抑制大腸桿菌的生長。相似地，VanImmerseel等(2003)也報(bào)道，在同樣的pH條件下，100mM的短鏈脂肪酸完全抑制腸炎沙門氏菌。

Defoirdt等(2006)報(bào)道短鏈脂肪酸(甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸)對坎氏弧菌的生長抑制作用具有pH依賴性。他們指出pH5，生長被完全抑制，然而在pH6時(shí)，生長抑制被推遲，在pH7無抑制效果。本研究結(jié)果與Wolin(1969)，McHan和Shotts(1993)和VanImmerseel等(2003)研究在不同pH條件下短鏈脂肪酸對大腸桿菌和腸炎沙門氏菌生長抑制效果的結(jié)果存在相關(guān)性。生長抑制效果依賴pH的原因?qū)嶋H上是因?yàn)樵诘蚿H時(shí)，占主導(dǎo)地位的未解離的脂肪酸能通過細(xì)胞膜(Sun等1998)。

1.3、短鏈脂肪酸在飼料中應(yīng)用缺陷

a、短鏈脂肪酸發(fā)揮作用需要已未解離形式存在，需要在胃腸道中維持偏酸性環(huán)境，但腸道中ph偏中性（見表6）。

b、短鏈脂肪酸在胃腸道前段就已經(jīng)作為能量物質(zhì)被吸收，吸收率很高，很難達(dá)到腸道后段發(fā)揮作用。因此短鏈脂肪酸在胃腸道前段發(fā)揮作用，而包被脂肪酸可以控制其釋放位點(diǎn)，從而在腸道后段發(fā)揮作用，而這也是有害微生物聚集的位置。

c、短鏈脂肪酸具有異味，添加至飼料中影響適口性

d、短鏈脂肪酸具有腐蝕性，添加至飼料過程中容易腐蝕加工設(shè)備

2、短鏈脂肪酸鹽

短鏈脂肪酸具有很多的優(yōu)點(diǎn)，因其具有游離性和揮發(fā)性的缺陷限制了其在飼料中的使用,飼料生產(chǎn)中將其制成相對穩(wěn)定的鈉鹽,因此脂肪酸鹽進(jìn)入了畜牧業(yè)人員的眼中。

脂肪酸鹽是一種常見的脂肪酸產(chǎn)品形式，但其惡臭氣味給加工者帶來麻煩，更重要的是此類產(chǎn)品把脂肪酸送達(dá)到腸道的能力十分有限，有學(xué)者報(bào)道脂肪酸鹽形式的脂肪酸過胃后，超過99%的脂肪酸在小腸前端被快速吸收(Bolton和Dewar,1965)（如表6）。

1)、大約40%的脂肪酸鹽在禽嗉囊被吸收；

2)、進(jìn)入胃中，在鹽酸的水解作用下，將脂肪酸鹽分解為游離脂肪酸和氯化物；

3)、游離脂肪酸在小腸前段被吸收，無法到達(dá)腸道

表6，有機(jī)酸鹽在家禽消化道濃度改變的測定


3、包被脂肪酸及脂肪酸鹽

3.1、使用包被脂肪酸的原因

A、脂肪酸在小腸中很容易被吸收，通過包被可以使脂肪酸到達(dá)后腸道，發(fā)揮殺菌功能；

B、脂肪酸鹽有特殊的脂臭味，是豬喜歡，人不喜歡，當(dāng)使用者對脂肪酸鹽氣味不適應(yīng)時(shí)采用包被產(chǎn)品；

C、防止產(chǎn)品受潮。

3.2、包被脂肪酸的材料

A、水溶性壁材包被：如糖漿、乳清粉、殼聚糖

B、脂溶性壁材包被：如棕櫚油硬脂、羥化油脂等

3.3、抑菌效果


注：VanImmerseel等（2004）采用的是包被短鏈脂肪酸（甲酸0.22%、乙酸0.24%、丙酸0.27%用的film-coatedmicrobeads包膜微球，丁酸0.15%用的是spray-cooledmicrocapsules噴霧冷卻微膠囊.），無菌小雞仔5、6日齡攻毒腸炎沙門氏菌5×103cfu，第8日齡盲腸采樣測定沙門氏菌含量。

3.4、缺陷

一些包被基質(zhì)遇水被分解掉，即在進(jìn)入動物體內(nèi)或者剛到達(dá)消化道就已經(jīng)被變?yōu)橹舅?脂肪酸鹽；脂肪酸鹽在胃中被水解，無法達(dá)到腸道，起不到抑菌的作用。

由硬脂酸和棕櫚酸制成的膠囊，其消化率低（SminkW等，2008），仔豬沒有足夠的脂肪酶分解膠囊。脂肪酶僅在十二指腸發(fā)揮作用（小腸第一段）

氫化脂質(zhì)制成的膠囊的消化率（如棕櫚酸、硬脂酸和棕櫚酸/硬脂酸甘油酯制成的膠囊）；熔點(diǎn)，50-60°C。

4、短鏈脂肪酸甘油酯

為了克服脂肪酸、脂肪酸鹽及包被脂肪酸以上的難點(diǎn)，更好地應(yīng)用脂肪酸，有專家將短鏈脂肪酸與甘油混合制備成短鏈脂肪酸甘油酯，生產(chǎn)應(yīng)用較多的是丁酸甘油酯。其特點(diǎn)如下：

A、短鏈脂肪酸經(jīng)過與甘油的共價(jià)結(jié)合，性質(zhì)更穩(wěn)定，不受高溫和pH影響，而且沒有原來的惡臭味道。

B、在腸道中被緩慢釋放，發(fā)揮對腸黏膜的功能性作用；

C、具有更強(qiáng)大的殺菌作用

D、全程維護(hù)消化道

4.1、抑菌機(jī)理
A、通過水脂兩親特性破壞有害菌細(xì)胞膜

B、通過水通道蛋白進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞

4.2、抑菌效果

短鏈脂肪酸及其甘油酯對一系列病原微生物都有抑制作用，包括包膜病毒、衣原體和細(xì)菌（Isaacs等，1995；Petschow等，1996；Bergsson等，1998；Bergsson等，1999）。

據(jù)報(bào)道，在腸道pH6-7時(shí)需要2.8%的純丁酸(28kg/t)殺死54沙門氏菌菌株，如果我們考慮到微膠囊丁酸鈉含24%的丁酸，則需要11.6%的包被丁酸鈉在腸道中起到抗沙門氏菌的作用(116kg/t)，在pH7丁酸甘油酯的最小抑制沙門氏菌的濃度（同樣抑制大腸桿菌O157)為0.06-0.12%。

據(jù)報(bào)道，脂肪酸甘油一酯的抑菌效果極強(qiáng)如：幽門螺桿菌、淋病奈瑟菌、鏈球菌和復(fù)雜皰疹病毒等，是游離脂肪酸的10倍以上。其抑菌活性不像游離脂肪酸一樣依賴于pH,且極容易被微生物細(xì)胞吸收。

在體外培養(yǎng)基及不同pH（4.5/7）環(huán)境下，丁酸與丁酸甘油一酯對沙恩數(shù)據(jù)及梭狀腸炎菌的殺滅功能比較。

5、中鏈脂肪酸及其衍生物

5.1、抑菌機(jī)理

盡管脂肪酸甘油酯的抑菌機(jī)理還不是非常清楚，但是其中一種比較合理的假設(shè)就是，脂肪酸甘油酯，作為一種非離子表面活性劑（Mroz等，2006），穿過細(xì)菌細(xì)胞膜，并成為細(xì)胞膜的一部分，從而改變細(xì)胞膜的穿透性（Kollanoor等，2007），同時(shí)抑制其中脂肪酶的活性，而脂肪酶對于其在黏膜細(xì)胞表面定植是必須的（Isaacs等，1995；Bergsson等，1998,2002）。電鏡研究表明，脂肪酸甘油酯處理細(xì)菌時(shí)，細(xì)菌膜的漿膜溶解，而對細(xì)胞壁的肽聚糖無影響。（Bergsson等，1998）。脂肪酸及其甘油酯（如月桂酸甘油酯）在低劑量時(shí)會影響細(xì)菌信號傳導(dǎo)、抑制毒性因子及耐藥性基因的表達(dá)（Projan等，1994；Ruzin和Novick，1998）。除了這些作用外，中鏈脂肪酸甘油酯的還可以激活溶菌酶，也在一定程度上抑制細(xì)菌的生長（Tsuchido等，1985）。

5.2、抑菌活性

中鏈脂肪酸甘油酯抑菌活性較其他脂肪酸和衍生物具有更強(qiáng)的抑菌活性。Wang和Johnson（1992）報(bào)道，脂肪酸的抗菌作用隨著鏈長度的增加而降低，中鏈脂肪酸的抗菌作用比長鏈脂肪酸更強(qiáng)。Isaacs等（1995）也指出含有8-12個碳的脂肪酸比長鏈脂肪酸的抗病毒和抗菌效果更好。中鏈脂肪酸與長鏈脂肪酸相比，疏水性較低且更易溶，其殺菌效果更好。中鏈脂肪酸對空腸彎曲菌的最小抑菌濃度（Hermans等，2010）比短鏈脂肪酸的最小抑菌濃度（VanDeum等，2008）低10倍以上。Boyen等（2008）年的研究結(jié)果類似，他發(fā)現(xiàn)中鏈脂肪酸（辛酸和癸酸）比短鏈脂肪酸（甲酸、乙酸、丙酸、丁酸）對54種鼠傷寒沙門氏菌的最小抑菌濃度低8倍，另外一些革蘭氏陰性菌和陽性菌也有同樣的情況（Nakai和Siebert，2003）。VanImmerseel等（2006）更是指出，在對沙門氏菌的抑制效果上，所有脂肪酸中，中鏈脂肪酸可能是最有效果的。此外，許多研究表明辛酸、癸酸和月桂酸的脂肪酸酯比其脂肪酸形式更能抑制細(xì)菌（Kabara等，1972；Bergsson等，1998,1999,2002；Petschow等，1998，Sprong等，1999）。

脂肪酸單甘酯，甘油二酯，甘油三酯的最小抑菌圈濃度（Kabara等，1972）


己酸、辛酸、葵酸對空腸彎曲菌的最低抑菌活性在ph6時(shí)分別為0.25、0.5、0.5mM，在ph7時(shí)分別為4、4、4mM（Hermans等，2010）。研究證明辛酸、辛酸甘油酯和辛酸鹽對一系列細(xì)菌都有殺菌作用，包括大腸桿菌（Annamalai等，2004；Amalaradjou等，2006）、阪崎腸桿菌（Nair等，2004）和李斯特菌（Nair等，2005）。

Immanuel等（2011）研究了不同濃度辛酸和不同時(shí)間對副溶血性弧菌生長的影響。此研究表明在辛酸在100mM濃度時(shí)，5h就100%完全抑制病菌的生長。研究證明辛酸、辛酸甘油酯和辛酸鹽對叉尾鮰愛德華菌、遲緩愛德華氏菌、鏈球菌和魯氏耶爾森菌的最小殺菌量分別為10、5和100mm，10、5和100mm，15、5和75mm（Kollanoor等，2007）。

6、短中鏈脂肪酸甘油酯復(fù)合物

7、抑菌功能總結(jié)和比較

1.短鏈脂肪酸（乙，丙，丁）：丁酸具有多功能生理，及抑制細(xì)菌生長優(yōu)勢，但抑制范圍及有效度，及環(huán)境應(yīng)用限制因子（腐蝕性，惡臭，僅在酸性環(huán)境有效，水溶性太強(qiáng)極易在動物消化道內(nèi)被吸收劑代謝）

2.丁酸鈉，包被丁酸鈉：有助消化道發(fā)育，但抑制細(xì)菌力弱，物化穩(wěn)定性弱（電子鍵）

3.丁酸甘油酯（一酯）：抑制一般有害細(xì)菌力強(qiáng)，也有助消化道發(fā)育，其物化穩(wěn)定性極強(qiáng)（共價(jià)鍵）

4.中鏈脂肪酸（C6，C8，C10，C12）：有抑制細(xì)菌生長功能

5.包被中鏈脂肪酸及甘油酯（一酯）：強(qiáng)化其抑制細(xì)菌功能，但是目前包被的工藝尚不成熟（包被過渡或包被不夠）

6.短中鏈脂肪酸甘油酯（三酯，二酯，一酯）：擴(kuò)大抑制有害病菌及病毒范圍及有效度

脂肪酸功能總結(jié)比較如表所示


結(jié)論

　　抗生素問題是飼料和養(yǎng)殖行業(yè)現(xiàn)如今面臨的最大挑戰(zhàn)之一。雖然通過飼養(yǎng)管理措施的改進(jìn)和添加一些飼料添加劑（氧化鋅、益生菌）可以降低抗生素的使用，但是我們需要更加科學(xué)、準(zhǔn)確、有效的措施來替代抗生素。短中鏈脂肪酸及其衍生物特制產(chǎn)品是動物機(jī)體正常代謝產(chǎn)物，殘留和耐藥風(fēng)險(xiǎn)很小。并且其在抑制革蘭氏陽性菌和陰性菌時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢，脂肪酸單甘油酯在抑菌效果、抑菌機(jī)理、實(shí)際使用效果上都具有明顯的獨(dú)特優(yōu)勢。