有机酸具有超过抗生素的多种作用

有机酸具有超过抗生素的多种作用，其中包括降低PH值和增强胰腺分泌。

一些国家已经撤消了对非治疗性抗生素用于动物饲料的许可，饲喂低剂量促生长抗生素的做法正在全世界迅速消失。意图在无药残市场上出售其产品的生产商正在搜寻抗生素的非药物性替代品。

为理解什么才是适用的替代品，就需要了解抗生素的作用模式。大多数数据都表明，抗生素的促生长作用完全可归因与其抗菌活性以及机体对此的生理反应。因此，对替代品的搜寻就集中在具有已知抗菌活性的天然分子。

有机酸就在最有效的替代品之列，无论是单个的有机酸还是多种有机酸的合剂。长久以来有机酸就因其对健康和生长的有益作用而已应用在了断奶仔猪的日粮之中，并且还因其抗细菌和抗真菌作用而常常被用作食品防腐剂。本文将对抗生素和有机酸的有益作用进行相互比较，并将介绍一种新型有机酸2一羟一4一甲流基丁酸（HMB）的活性。HMB是常用于猪、禽和反刍畜日粮之中的蛋氨酸源。HMB是一种天然的L一蛋氨酸前体，当饲喂给动物后在化学上起到一种单按酸（即一种有机酸）作用，直到其在酶作用下在动物组织中被转化为L一蛋氨酸为止。

和其它具有抗菌作用的有机酸一样，HMB在低pH值条件下具有亲脂性可通过扩散作用而被脊椎动物以及细菌或真菌细胞所吸收。一旦进入细胞，不同的pH环境会使这种弱酸分解。有机酸的多重作用是由于这一细胞内的分解以及细胞对此的反应。抗菌活性是游离质子或许还有游离阴离子对细菌细胞和真菌细胞产生不利作用的结果。据认为，在肠细胞中，这一分解会导致肠促胰液肽的分泌，而肠促胰液肽则是一种能促使胰腺分泌的激素。因此，有机酸的有益作用不只是抗菌活性。

本文将描述有机酸的这一作用，重点将放在猪；还将描述HMB作为抗菌性饲料添加剂的特殊作用。

抗生素的主要作用是抗菌；其对于饲料消化和生产性能的所有作用都可认为是其对肠道菌群的影响以及由此致使免疫刺激减弱的结果。有机酸具有抗菌活性，但其作用看来还不止于抗菌。有些细菌数量的减少与铜喂有机酸有关，有机酸对于抗击大肠杆菌、沙门氏菌和弯曲杆菌等非耐酸细菌特别有效。

抗生素和有机酸都可减弱背景免疫刺激，并通过减少氨和其它可抑制生长的微生物代谢产物的产量也许还减少微生物的总量而减少免疫介导因子的合成和分泌，从而可改善蛋白质和能量的消化率。和抗生素不同的是，有机酸的抗菌活性取决于pH值。有机酸对于断奶仔猪具有明显而显著的有益作用，并且也有益于家禽的生产性能。有机酸还有几种超过抗生素的作用，包括降低食糜的pH值和加强胰腺的分泌。

有机酸由于对仔猪的健康和生长能产生有益作用，尤其是对断奶后的仔猪，所以其在仔猪饲养中的应用已有很多年了。猪对于断奶应激（与母猪分离，环境变化，固体饲料的物理刺激）以及多种病原体非常敏感。这些病原体在成年动物体内的数量比较少，因为成年动物胃中的pH值比较低，而幼猪胃中的盐酸分泌量比较低因而pH值比较高。此外，胃内容物未能酸化，加上胰酶分泌量低，可导致养分消化不充分，并使断奶仔猪易于患肠道疾病。从当前关于有机酸的资料来看，有机酸对仔猪的促生长作用是毫无疑问的。

有机酸作为一类化学物质，包含了任何有机核酸，包括脂肪酸和氨基酸，它们都有共同的结构R－COOH。并非所有这些有机酸都对肠道菌群有作用。事实上，具有特别抗菌活性的有机酸都是短链酸（C1～C7），并且是单核酸，比如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸；或者是带羟基（通常位于α碳）的羧酸，比如乳酸、苹果酸、酒石酸和柠檬酸。有些有机酸的盐也能对动物的生产性能产生有益作用。其它酸，比如山梨酸和延胡索酸，具有一定的抗真菌活性，并且是含双键的短链接酸。

有机酸是弱酸，在生理pH范围内仅能部分离解。大多数具有抗菌活性的有机酸其pKa（达到半离解的pH值）在3～5之间。

表1显示了常用作猪、禽饲料酸化剂的有机酸，列出了其常用名、化学名、分子式、分子量和第一pKa。本文使用“有机酸”一词来指这类具有性能促进作用和抗菌活性的酸或其盐。要注意的是，表1包含了HMB，并说明了它与其它用作抗菌性饲料添加剂的有机酸之间的相似性。除了提供蛋氨酸活性以外的其它好处，表明了其作为有机酸在被机体吸收并转化为蛋氨酸之前对仔猪饲料和肠道的有益作用（Buttin，1999）。

表1  有机酸

许多可对动物生产性能产生有益作用的有机酸也是有效的食品防腐剂和饲料防腐剂，它们抗菌作用的大小取决于其浓度的高低和pH的高低（ Chaveerach等，2002）。

有人研究了HMB、乳酸和甲酸受pH的影响，并将其抗菌活性同非有机酸（矿物酸）盐酸进行了比较。试验用菌株为大肠杆菌，取自美国标准培养物＃25922。大肠杆菌培养于含盐酸、HMB、甲酸或乳酸（均为1％浓度）的胰酶解酪蛋白大豆肉汤中。用盐酸或氢氧化钠将肉汤的PH值调节为4或7．3。先用大肠杆菌原始培养物在上述肉汤中培养，然后将培养物进行离心，再是浮于0．1％蛋白陈液中至107菌落形成单位／毫升。取 100微开菌液接种于试验培养基上千37℃温度中振动培养。接种后5小时后和24小时后从每一处理中取样，将样品进行系列稀释并培养于胰酶解酪蛋白大豆琼脂平板上进行增菌培养。所有的平板都在35℃的温度中培养24／小时。大肠杆菌数量报告为“菌落形成单位／毫升”。

在pH7．3时没有什么抗菌活性，但在pH4时所有的酸都对大肠杆菌表现了一定的抗菌活性。以盐酸的最弱，乳酸的强一些。本试验中甲酸和HMB的抗菌活性最强，培养5小时结果表现完全抑菌。

此外，每一种酸都有其各自的抗菌谱，例如，山梨酸以抗霉菌活性著称，乳酸则有比较有效的抗细菌活性。有些酸，例如甲酸、丙酸和HMB，其抗菌谱比较广，能有效地抗细菌和真菌，包括酵母（Para-nen和Mroz，1999；Doerr等，1995； Enthoven等，2002）。这样的抗菌谱导致人们在动物饲料中使用有机酸合剂（Mroz，2000）。据报告，有些酸的合剂在体外表现协同抗菌活性（Huyghebaert，1999）。

对猪性能的影响

许多研究都已证实了有机酸对于幼猪生产性能的有益作用，尤其是对断奶仔猪。Partanen（2001）最近发表了这一领域的文献综述，提出了对现有数据的分析结果（图1）。只对使用单个酸并且没有抗生素和铜的研究进行了分析。

图1  有机酸在猪的效力和作用模式：断奶仔猪的性能(略)

在对46个断奶仔猪试验和23个肥育猪试验进行的分析中，发现甲酸、延胡索酸、柠檬酸和二甲酸钾（potassium diformate）显著改善了饲料利用率。体增重和采食量的显著改善见于甲酸和二甲酸钾。Partanen（2001）的结论是，日粮酸能产生有益作用，尤其是对断奶仔猪，这主要与胃肠道菌群的改变有关。

作用模式

与抗菌活性有关的作用

有机酸在畜牧业中的第一作用与饲料防腐有关。山梨酸和丙酸等有机酸很久以来就像用于控制饲料中的真菌抱子。各种有机酸对肠道菌群的活性是相似的。

在饲料防腐和对肠道菌群的作用中，有机酸都按其各自的抗菌活性谱改变了微生物群体。对于饲料来说，抑制真菌生长的活性最为突出；在肠道中，受其影响的菌群主要是对酸性条件敏感的细菌。然而，需要强调的是，不同有机酸的作用机理相当不同于盐酸等无机酸，并且其作用范围超过了无机酸（Eidelsburger等，1992a）。图2显示了HMB对蛋白质粉样品中沙门氏菌生长的影响。由图可见，0．2％HMB可防止沙门氏菌的生长，而0．7％的HMB则事实上杀灭了沙门氏菌。

从低pH值对有机酸高解的作用中可看出低pH值对于有机酸抗菌活性的重要性。在低pH条件下，有较多的有机酸处于非离解状态。非离解有机酸具有余脂性，因而可通过扩散奏乐穿过细胞膜，包括穿过细菌和霉菌的细胞膜（Huyghebaert，1000；Eidelsburger等，  1992a）。有机酸一旦进人了细菌细胞，细胞内的高pH值就会使有机酸发生离解而导致细胞内容物的pH值降低，从而破坏细胞内的酶作用和养分输送系统（Cherrington等，1991）。

此外，将游离质子输送出细胞外的过程也要消耗能量，这也就会减少用于细菌增殖的能量，从而导致一定程度的抑菌作用，如图2所示。

这一直接抗菌活性就保证了饲料和食品的卫生状况，突显了有机酸作为防腐剂的应用。这还可解释为什么盐酸等矿物酸和有机酸之间存在协同作用。盐酸的存在降低了食磨的pH值，使较多的有机酸处于非离解状态。直接的抗霉菌作用是导致减少潮湿垫料中霉菌数量的作用机理（BASF,1990）。

图2 HMB对沙门氏菌的抑制作用（略）

口服抗生素产生的抗菌作用可以抗肠道菌群。肠道菌数量的减少及其产生的效应可能就是抗生素产生有益作用的机理（Bedford，2000）。作用机理必然集中在肠道，因为这些抗生素中有些是不可吸收的。Anderson等（1999）对于综述了关于抗生素的促生长作用主要是因其改变了肠道菌群，因为给无菌动物饲喂抗生素并无促生长作用。此外，给无菌动物饲喂胃肠道微生物导致了生长抑制。

在家禽，抗生素的促生长作用在卫生条件较差的情况下比较明显，而将脂多糖等细菌代谢物或者白细胞间素-1等免疫介导因子注射给无菌动物，会引发生长抑制（Roura等，1992）。与抗生素抗菌活性直接后果有关的另一个效应是肠壁变薄（Coates等，1955）。在无菌动物，包括无菌鸡中，也观察到了这一现象（Franti等，1972）。这也许是肠道给缔组织中免疫细胞数量减少了的缘故。

有机酸在被动物吃下后，其直接抗菌活性在消化道前段中最大，其改变食糜pH值的能力很有限。消化道前段包括了鸡的味囊和肌胃以及猪的胃。有机酸的抗菌活性对大肠杆菌和其它不耐酸的细菌尤其有效。许多这类细菌都是条件性病原菌，比如弯曲杆菌和沙门氏菌。由此导致的亚临床感染水平减弱，可能也就减少了肠道免疫组织的养分需要量。

降低免疫活性的效应，在很大程度上就是抗菌药之所以能改善动物性能的原因（Bedford，2000）。有报告表明有机酸可减弱猪胃（Bolduan等，1988；Scipioni等，1978）和小肠（Gedek等，1992；Cole，1968）的细菌活动。类似的微生物活动减弱也见于鸡的小肠、泄殖腔和冷却后嗣体（ Roura等，1992；Hadorn等，2001）。

消化道前段较低的pH通常不仅有利于有机酸的抗菌活性，而且还有利于有机酸通过扩散作用进入肠道上皮细胞（Huyghebaert，1999）。HMB和许多有机酸一样，其吸收主要也是通过扩散作用（Knight和Dibner，1984）；但是，除此之外，其传输是通过也能传输另一种有机酸乳酸的质子依赖性载体系统，这一过程发生在后段小肠之中（Brachet和Puigserver，1987）。

在后段肠道内较高的pH环境看来有利于有机酸的离解，这就会减弱有机酸通过扩散作用的吸收，但是在肠道上皮表面存在着一种酸性的微环境，这就可允许非离解状态的有机酸扩散进入细菌以及肠细胞（Engelhardt等，1989）。

有机酸抗菌活性持续至空肠和回肠，对于其另一作用机制也很重要。空肠中微生物增殖活动较弱，减弱了菌群对宿主养分的竞争。这一竞争作用的减弱也许就是养分消化率得到改善的机理之一。在猪和肉鸡都报道了养分的消化率得到了改善（Huyghebaert，1999）。

有机酸的抗菌活性还有其它好处。Eckel等（1992）和Eidelsburger等（1992b）报告了断奶仔猪饲喂了1．25％的甲酸后，胃、小肠和盲肠中的氛显著减少，这可能是细菌对氨基酸的脱氨基作用减弱的缘故，而未被细菌脱氨基的氨基酸就可被机体吸收，这就导致了在们喂有机酸的猪观察到氮的消化率提高而氨排泄量减少。

氨的毒性已经得到充分证实，减少氨的微生物合成据认为是饲喂抗生素后生长率得到改善的原因之一（Visek，1978）。Eckel等（1992）也报告说，饲喂有机酸导致小肠中生物肢的浓度降低。这些以及其它的微生物代谢产物可能具有抑制生长的作用（Bonem等，1976）。

抗菌活性以外的作用

有机酸是否仅仅通过其抗菌活性发挥作用？它有没有其它方面的好处呢？抗生素的有益作用肯定包括了上述有机酸的有益作用，比如改善蛋白质和氨基酸的消化率、降低氮和生物肢的生成量（Dierick等，1986b）。

然而，据报告，有机酸不只有改变肠道微生物菌群的作用。这些作用包括了与其酸化作用有关的其它好处，比如改善消化酶的活性、改善微生物植酸酶的活性、增强胰酶的分泌，等等。最后，还有证据表明，有机酸，尤其是丁酸等脂肪酸，可增强胃肠道粘膜的生长。

在猪，有机酸可降低肠道食糜的pH值，尤其在前段肠道中（Eckel等，1992；Thomlinson和Lawrence，1981）。此处所举的例子来自甲酸（1．25％）和乳酸（l％）。胃中pH值降低的幅度最大，约为0．5～1．OpH单位。有趣的是，采用低水平HMB时观察到肉鸡小肠中的pH值降低。在这个例子中，小肠混合食糜的pH降低幅度达到比第三天基础pH值还低大约0．25～0．35pH单位的程度（5．64对5.99）。在胃中，pH值的降低可激活胃蛋白酶原和其它酶原，并可使胃中的pH。值接近于胃蛋白酶最佳活性所需的水平（Huyghebaert，1999）。

低pH值的另一个好处是可提高微生物植酸酶的活性。微生物植酸酶有两个最佳pH点：2.5和4．5～5．7，而植酸在较低pH环境中溶解度较大（Mroz，2000）。这些效应总合起来，就导致了磷的消化率和储留率的改善。

在断奶仔猪（Cranwell，1995；Botermans等，1991）和新生雏鸡（Nitsan，1991），饲料中养分的消化率受到消化酶分泌不足的限制。新生雏鸡有能力增加胰酶的分泌（Nitsan等，1974），经过体重选择的鸡，具有较高水平的胰酶和肠酶（Dunnington和Siegel，1995）。在断奶仔猪（Karada等，1986）和2周龄犊牛（Kato等，1989），有机酸可影响胰液分泌（图3；Thaela等，1998）和胆汁分泌（Harada等，1988），这是由于有机酸在未离解状态下能扩散人细胞内而后在胞浆的高pH环境中发生离解（Huyghe-baert，1999）。这一能力只是有机酸才具有，抗生司则没有此种能力。

增强分泌的机理，是由于肠细胞内具有能对离解的质子发生反应的受体导致促胰液素释放增加（Harada等，1988）。绵羊的肠道上皮细胞也具有促胰液素释放反应（Harada等，1983）。遗憾的是，目前还没有数据表明家禽是否也能对有机酸发生反应而增加胆汁和膝液的分泌。

图3  有机酸刺激胰液分泌（略）

有机酸无效的原因

在将有机酸的好处同抗生素进行比较时，常常发现有机酸的好处变化很大。在检测有机酸的好处时结果不一，与对各个变量的控制不良有关（比如对于日粮原料缓冲力、是否存在抗菌药物、生产环境清洁与否以及肠道微生物的异源性等变量的控制不良）。

进行进一步的研究，可以澄清这些因子的作用，并且找到减小其影响的方法。有机酸的抗菌活性有益于动物生产性能的许多试验都非常成功，但也有报告表明没有发现任何好处。

此外，在有些情况下，对动物生产性能的效果并未伴随着菌群或消化率的改变（Gabert和sauer，1995）。尽管尚未进行系统的文献查询，但看来有机酸的效果并不象抗生素的效果那样有那么高的可重复性。

现已辨明，有若干因素可影响有机酸的好处。也许，最常提到的因素就是日粮原料的缓冲力（Cherrington等，1991；Tomlinson和Kawrence，1981）。缓冲力的度量是：使周克饲料原料样品浆液达到一定pH值（通常是3～5）所需的酸量（0．1摩尔盐酸）（Makkink，2001）。最能增强缓冲力的饲料原料是蛋白质和矿物质。谷物和谷物副产品的缓冲力较低。有机酸能够降低日粮的缓冲力，使消化道前段的食糜得以更充分的酸化，这对于食糜中的酶活性以及控制微生物增殖都是十分重要的。

Blank等（1999）观察到，将缓冲力从23．5提高到56．7，使回肠氨基酸消化率降低了10％之多。对于鸡的开食料来说，推荐的缓冲力是0～10（Makkink，2001）。在大多数有机酸研究中，日粮的缓冲力是个未加控制的变量，而这完全可造成试验结果的不一致。影响对有机酸反应程度的其它因素是日粮的配合，原料的性质，及其对肠道菌群的影响。

现已证明，在日粮中具有高含量难以消化的蛋白质时，停止使用抗生素性生长促进剂产生的负面影响比较大（Smulders等，1999）。和抗生素一样，含低水平高度可消化蛋白质的日粮较少表现酸效应。肠道中的过量难消化蛋白质有利于溶蛋白质菌群的生长，从而导致产生高水平的细菌毒素（Corthier等，1989）或生物胶等毒性代谢产物（Eckel等，1992）。日粮抵消有机酸作用的另一个途径是通过对乳清所含的乳糖在肠道中进行发酵。乳酸产生得这样早具有重要意义，因为乳酸可掩盖加入日粮中的有机酸的任何作用，尤其在断奶仔猪。

日粮的其它成分都可对菌群产生比较全面的有利或不利影响，而我们对于这些影响并不总是完全了解。小麦即为一例，小麦比玉米更有利于肠道紊乱的发生，尤其是刚收割的新鲜小麦。相反，大麦被认为有利于食糜在肠道中的通过，所以常常被建议加人仔猪的日粮之中。这里，添加抗菌性饲料添加剂会对情况有所改善。Patapen（2001）认为，有机酸对小麦田粮的作用大于对玉米日粮或大麦日粮的作用。这些因素可使试验中有机酸的好处表现不出来。必须对测试有机酸时所用日粮的基质加以注意。

一个有关的因素是试验日粮中存在抗菌剂。很少见到有机酸试验用的日粮中加入了抗生素，但有时候有其它抗菌剂，比如高水平的铜或抗球虫药。这些药物会对肠道菌群施加影响而使有机酸显得多余。

文献报告中结果不一的另一个原因是所用酸的种类、酸合剂的类型以及酸的浓度有所不同。也许，最可重复的效应就是用0．5～1．5％的甲酸产生的效应。然而，如上所述，表中所有的酸都至少有一次表现对动物的生产性能有好处。

还有一个因素也造成了这些研究结果的复杂化，即试验所处的环境。尽管在笼养试验中见到了效果，但抗菌效果在卫生条件比较差的情况下才比较明显。和抗生素一样，有机酸与其说是有促进生长作用还不如说是有允许生长的作用，因为他们只是允许动物在饲喂这些日粮时，其生长能够达到其遗传潜力。动物的生长越是接近于其遗传潜力，就越难以检测到有机酸所起的作用。这就表明，有机酸试验中，环境的管理必须是一种加以控制的变量。

也许，所有变量中最无法加以控制的就是菌群本身。尽管占优势的肠道菌种类相当恒定，但常规动物中不可避免地存在着大量不明菌群，这些菌群也会影响动物对有机酸反应的大小。也许，将微生物的作用同胰液对肠道粘膜的刺激和营养作用区别开来的唯一方法就是使用无菌实验模型。当然，若要预测商业汗境中的效果时，这些方法也有其自身的局限性。

结 语

非治疗性抗生素在动物饲料中的应用许可，正在全世界范围内被迅速撤。抗生素的主要作用是其抗菌活性；其对养分消化率和动物生产性能的所有作用都可通过其对胃肠道菌群均影响来加以解释。短链有机酸也有一种pH依赖性的抗菌活性。有机酸对断奶仔猪具有明显而显著的好处，并据观察对家禽生产性能也可产生有益作用。细菌数量的减少与饲喂有机酸有关，这对于大肠杆菌、沙门氏菌和弯曲杆菌等不耐酸的细菌，尤其有效。

抗生素和有机酸都可通过降低亚临床感染的发生率、通过减少免疫介导因子的分泌以及通过减少氮和其它抑生长细菌代谢产物的生成，而改善蛋白质和能量的消化率。

有机酸具有一些抗生素没有的作用，包括可以降低食糜的pH值和增强胰液的分泌。

HMB是一种蛋氨酸源，它能在被动物吸收后在动物组织中转化成L一蛋氨酸，它能在饲料中和动物的胸腔中发挥重要作用；然而，它在被转变为一种氨基酸之前是一种有机酸。HMB的抗菌活性能够有效抑制细菌和霉菌，是对日粮中可能存在的任何有机酸的一种补充。HMB的有机酸活性是其作为  蛋氨酸源活性之外的一种额外产生的好处。