徐運杰 蘇雙良 劉曰青 鄧 敦 孫丙勇3,

（1. 山東和美集團有限公司，山東 惠民 251700；2. 唐人神集團股份有限公司，湖南 株洲 412000；3. 濱州市農業(yè)技術推廣局，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。當畜禽腸道健康受到損害時，消化和營養(yǎng)吸收受到影響，導致宿主易感疾病進而帶來經濟損失。天然腸道菌群粘附在腸黏膜上，通過競爭營養(yǎng)素和結合位點、發(fā)酵（如乳酸桿菌）產生短鏈脂肪酸（SCFA） 和細菌素，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。后抗生素時代，科研院所和企業(yè)的研發(fā)技術人員認為，在商品飼料中綜合利用有機酸（如甲酸、苯甲酸、乳酸和檸檬酸等）、有機礦物質（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，有機酸因其抗菌活性而在世界范圍內得到廣泛應用，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、改善動物的生長性能。

1 有機酸的種類和特性

有機酸是指一些具有酸性的有機化合物。最常見的有機酸是羧酸（R-COOH），其酸性源于羧基（-COOH）。早在1999 年，Partanen 等[1]報告稱，在日糧中加入有機酸可以提高豬的生長性能并調節(jié)腸道微生物群。Tsiloyiannis 等[2]報道，乳酸可以降低胃的pH 值，延緩產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酸更有效。其他研究表明，在正常生理條件下，在日糧中添加有機酸對豬健康有益，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，增加了血清淋巴細胞濃度，改善了生長性能[3-4]。

最常用的有機酸是短鏈脂肪酸，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。這些都是弱有機酸，當溶解在水中時，產生H+和OH-。有機酸的工作機理和作用方式取決于它們的pH 和pKa 值。表1 列出了當前在動物營養(yǎng)中最常用的一些有機酸[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，有機酸還有一些遠遠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 常用有機酸的種類和特性

2 有機酸的作用方式

與抗生素一樣，有機酸也具有抗菌活性，對腸道健康和發(fā)育有顯著的益處，并最終對動物健康和生產力產生積極影響。有機酸的積極作用歸因于多種因素：（1）非解離有機酸的抗菌活性；（2）降低消化道（尤其是胃）的pH 值，增強酶活，有助于蛋白質消化；（3）降低胃的排空速率；（4）刺激內源酶的分泌；（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的pH 值。非解離的有機酸能自由穿透微生物的半透膜進入細胞質，改變其代謝。這意味著有機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。為了實現(xiàn)最佳生長，大多數(shù)細菌都需要特定的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，延長保質期。

有機酸的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，并能保護飼料免受真菌和微生物的感染。相反，有機酸的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，對消化道遠端的抗菌作用越低。因此，很明顯，每種酸都有一個微生物活性譜，涉及特定的pH 范圍，混合型酸化劑代表一個pKa 值范圍，由于活性譜更寬而被大量使用?？傊?，有機酸對細菌作用模式的基本原理是，非解離的有機酸可以穿透細菌細胞壁，破壞我們稱之為“pH 敏感”的某些類型細菌的正常生理，從而達到殺菌效果。

當消化道上部的pH 值降低時，營養(yǎng)物質的消化率會增加。有機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品。據報道，服用有機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，所有這些都會提高蛋白質的消化利用率[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，結果表明，添加檸檬酸后，各試驗組粗蛋白質、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，補充有機酸還可以減緩飼料在胃腸道中的運輸，有助于必需營養(yǎng)素更好的吸收，從而對消化產生積極影響[10]。

此外，通過降低日糧的pH 值，有機酸可以提高礦物質的利用率。研究表明，檸檬酸有助于釋放與植酸分子結合的礦物質，從而提高Ca、P和Zn 的利用率[11]。Partanen 等[12]研究報道，甲酸能夠減少豬小腸不同部位的細菌氮，從而改善蛋白質、部分必需氨基酸、脂質、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微生物增殖降低也起到了關鍵作用，減少了微生物區(qū)系與宿主之間的營養(yǎng)競爭。

一般來說，胃腸道中的細菌會導致細菌種群和宿主動物之間的營養(yǎng)競爭。細菌還會分泌有毒化合物（即有毒氨基酸分解代謝產物），降低消化脂肪的能力，誘導吸收性腸上皮細胞快速周轉，杯狀細胞分泌更多黏液，并誘導炎癥反應和免疫系統(tǒng)發(fā)育。所有這些影響都會影響生長速度。在豬日糧中，微生物群消耗的凈能高達6%[6]。因此，處理有害細菌很重要。Davidson 等[13]指出，細菌細胞壁易被有機酸滲透，破壞正常的細胞功能，包括細菌的復制和蛋白質合成。有機酸對致病菌殺菌作用的順序機制如下：（1） 有機酸（質子化形式） 穿透細菌的細胞壁； （2）穿透的有機酸分解為共軛堿形式（非質子化形式），細胞內pH 值降低，導致細胞功能障礙，從而阻止細菌生長，尤其是pH 敏感的細菌種類[14]。據報道，日糧中添加二甲酸鉀[15]、檸檬酸[16]、混合有機酸（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、乳酸和丙酸等有機酸已被用于在儲存期間保護飼料成分不受真菌和微生物的影響。一些有機酸已被證明具有強大的抗菌作用，可預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 保護性有機酸

據報道，沒有保護的有機酸的有效性會受到限制，因為十二指腸的快速代謝和吸收使到達下腸道的有機酸數(shù)量減少，從而影響有機酸調節(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間的微膠囊技術作為一種保護方法，于1954 年首次商業(yè)化應用，至今已在食品和制藥行業(yè)應用了幾十年[21]。該技術的價值主要： （1） 降低核心成分與外部環(huán)境（如光、氧氣和水）的反應；（2）防止結塊，更容易混合；（3）調控核心成分的釋放部位，以實現(xiàn)正確刺激； （4） 隱藏不良味道和氣味。Fernández-Rubio 等[22]注意到，通過脂質殼微囊化，短鏈脂肪酸進一步沿著胃腸道向下運輸，緩慢釋放，使有機酸在整個胃腸道發(fā)揮作用。Gheisari 等[23]研究報道，日糧中添加0.2%的保護性有機酸可增加有益菌群（乳酸桿菌屬） 的數(shù)量，并減少動物腸道內容物中的有害細菌（產氣莢膜梭菌、大腸桿菌和沙門氏菌屬）的計數(shù)，從而使有機酸在整個胃腸道中發(fā)揮作用。Smulikowska 等[24]指出，與對照組相比，在動物飼料中添加保護性有機酸改善了氮的存留。關于在豬日糧中添加保護性有機酸對生長性能、養(yǎng)分消化率和微生物菌群結構的影響也有大量研究報道[3,20]。周學光等[25]研究了包被型酸化劑對斷奶仔豬生產性能的影響，結果表明，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占Z中添加包被有機酸可以更有效地提高動物的生長性能、營養(yǎng)物質消化率及腸道中有益菌群的數(shù)量。

4 飼料中添加有機酸的原因

一些有機酸（如檸檬酸） 是腸道的能量來源，因為它們是三羧酸循環(huán)的中間產物。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。Blank 等[27]進一步研究表明，富馬酸是一種有效的能源，對小腸黏膜產生積極影響，使斷奶后仔豬的胃腸道上皮細胞恢復更快，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，在日糧中添加有機酸對豬的生長性能有積極影響。與未添加有機酸的日糧相比，無抗日糧中添加0.4%有機酸混合物（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]報道，有機酸混合物（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，縮短平均產仔間隔和產程[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，進而顯著提高仔豬斷奶均體重，有效改善哺乳母豬生產性能[32]。

關于在豬日糧中添加有機酸對養(yǎng)分消化率的影響已有大量研究。據報道，補充混合有機酸（丁酸、甲酸和富馬酸）可提高粗蛋白質和必需氨基酸的回腸表觀消化率，最高可達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的消化率。崔海燕[34]研究了包被復合有機酸對肉雞的影響，結果表明，日糧添加3-4.5 g/kg 包被有機酸可改善1-42 d 肉雞的飼料效率，并降低肌肉脂質氧化。

盡管經過多年的研究，胃腸道微生物種群在宿主動物營養(yǎng)和生長中的復雜作用仍不完全清楚。有機酸可以通過調節(jié)動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]報道，在低蛋白水平日糧添加復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構，引起后腸核黃素等代謝的改變，促進了仔豬腸道健康。在母豬的日糧中添加保護性有機酸可減少產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，補充有機酸可以減少有毒氣體的排放，從而減少環(huán)境問題。據報道，母豬飼喂添加了保護性有機酸（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%保護性有機酸（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型有機酸（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)水平和包被有機酸對糞中有害氣體含量的影響均無顯著交互效應。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NH3和H2S 的質量濃度，改善雞舍內的空氣狀況[41]。綜合上述研究結果，有機酸減少有害氣體排放的原因可能是胃腸道中致病細菌數(shù)量的減少及有益微生物活性和營養(yǎng)物質消化率的提高。

5 總結

總之，在過去的幾十年里，科研院所和企業(yè)研發(fā)人員對有機酸的特性及其應用進行了大量研究。根據文獻，有機酸在降低胃腸道pH 值、防止病原體生長、調控腸道菌群結構、充當中間代謝能源、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)成分以及動物年齡和健康狀況的影響。后抗生素時代，有機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。