有机酸具有抗生素外的其它作用

朱习春

　　有机酸除了具有抗生素作用外，还具有其它几种作用，包括降低消化物pH和增加胰腺分泌。
　　有几个国家已撤消了在动物饲料中使用非治疗性抗生素的主张，饲喂低剂量促生长剂的行为在世界范围内也在迅速消失。那些想在无药市场进行销售活动的生产者正在寻求饲料抗生素的非药物性替代物。
　　为了弄清什么是合适的替代物，有必要了解抗生素的作用方式。多数数据表明，抗生素的促生长作用可以完全归于它们的抗菌活性和由此带来的生理反应。因此，寻找替代物着重注意具有抗菌活性的天然分子物质。
　　最有效的候选替代物是有机酸，可以是单项酸，也可以是多项酸的混合物。这些有机酸长期用于断奶仔猪日粮中，对仔猪的健康和生长都有积极作用。本报告将比较抗生素和有机酸的作用，并描述一种新的
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　　有机酸，即2-羟基-4-(甲硫基)丁酸(HMB)的活性。HMB是一种蛋氨酸补充源，一般用于猪、禽及反刍动物饲料中。HMB实际是一种天然的L-蛋氨酸前体，饲喂时，从化学上是一种一元羧酸，即有机酸，直至到动物组织后被酶转化为L-蛋氨酸。
　　与其它具抗菌活性的有机酸一样，HMP在低pH环境下是亲脂的，且可以以扩散的方式被吸收到脊椎动物和细菌或真菌细胞中。一旦进入细胞，pH的变化就会引起这些弱酸的溶解。有机酸的多重作用就是由于这种细胞内的溶解和由此引起的细胞反应。抗菌活性是在肠道肠上皮细胞中，自由质子或许还有阴离子对细菌或真菌细胞的损害作用的结果，溶解被认为是肠促胰液素分泌的结果，该激素可刺激胰腺的分泌。因此，有机酸具有抗菌活性以外的效果。本综述将着重描述有机酸对猪的作用以及HMB作为一种抗菌型饲料添加剂的特定作用。
　　抗生素的主要作用是抗菌;所有对于消化率和生产性能的作用，可以解释为对胃肠道微生物区系的影响及随之免疫刺激的减少。有机酸具有抗菌活性，但同时还显示出抗菌活性以外的效果。某些细菌品种的减少与饲喂有机酸有关，对于一些耐酸品种如大肠杆菌、沙门氏菌和弯曲杆菌尤为有效。
　　抗生素和有机酸二者都能提高蛋白质和能量的消化率，其作用方式是降低基础免疫刺激的发生，结果是以降低氟及其它生长抑制性细菌代谢物或许还有总微生物的产量的方式，促进免疫介质的合成与分泌。与抗生素不同，有机酸的抗菌活性依赖于pH值。有机酸对断奶仔猪的效果明确且显著，而且已观察到对家禽性能也有效果。有机酸具有抗生素以外的几种附加作用，包括使消化物pH降低和胰腺分泌增加。
　　有机酸应用于仔猪已有多年历史，是因为其对促进健康和生长有积极作用，主要用于断奶后仔猪。仔猪对断奶应激(与母猪分隔开、环境变化和固体饲料的影响)和一些病原微生物如大肠杆菌和轮状病毒敏感。这些病原微生物随着成年动物胃中pH值的降低而减少，但青年猪胃中盐酸的分泌较少。此外，胃内容物的酸化异常连同低水平的胰酶分泌，会导致营养素消化不良，同时断奶仔猪对肠道疾病的敏感性增加。根据目前可获得的有机酸的资料来看，它们作为仔猪促生长剂的作用是肯定的。
　　作为一组化学物质，有机酸被看作是由一般结构R-COOH组成的有机羧酸，包括脂肪酸和氨基酸。并非所有这些有机酸都对肠道微生物区系有作用。事实上，与特定抗菌活性有关的有机酸都是短链酸(C1-C7)，它们或者是简单的一元羧酸如甲酸，乙酸、丙酸和丁酸，或者是带有一个羟基(通常在幔?荚?由)的羧酸如乳酸、苹果酸、酒石酸和柠檬酸。部分这些酸的盐类也显示有促进性能的作用。其它酸如山梨酸和延胡索酸，具有一些抗真菌活性，它们是含有双键的短链羧酸。
　　有机酸属弱酸，在生理pH范围内只能部分离解。多数具有抗菌活性的有机酸都具有一个pKa值-即某种酸一半发生离解时的pH值，它们在3-5之间。
　　表1显示常用作猪和家禽日粮酸化剂的有机酸的常用名称、化学名称、分子式、分子量和一级pKa值。在这篇综述里，有机酸这个术语将代表那些已被证实有益于动物性能和具有抗菌活性的一组酸及其盐类。值得注意的是，表1中包括HMB，并例证了其与其它用作抗微生物饲料添加剂的有机酸的相似性。蛋氨酸添加作用以外的性能作用证实HMB作为一种有机酸在饲料和仔猪肠道中的活性，这种活性存在于HMB被吸收和转化为蛋氨酸之前(Buttin，1990)。
　　同时已知很多对动物生产性能具有有益作用的有机酸对食品和饲料的保存也是有效的。不同的酸，抗菌效果有所不同，取决于酸的浓度和pH值(Chaveerach等，2002)。
　　图1显示HMB、乳酸和甲酸在不同pH值下，与非有机酸(无机酸)即盐酸的抗菌活性的比较结果(大肠杆菌获自AmericanType Culture集团，编号#25922。让大肠杆菌在含1%的盐酸、HMB、乳酸或甲酸的无菌胰胨-豆胨培养液(TSB)中生长。TSB的酸度用盐酸或氢氧化钠调整到4-7.3。用已在TSB中生长好的大肠杆菌贮备液，在0.1%蛋白胨水中培养、离心和再中止培养，至大肠杆菌浓度达到107CFU/毫升。将细菌(100微升)接种到试验培养基中，并在35℃带搅拌的条件下进行培养。培养5小时和24小时后从每个处理取样。将样品逐级稀释，并点样于盛有胰胨豆胨琼脂培养基的培养皿中以便计数。所有培养皿在35℃培养24小时。大肠杆菌数量报告为CFU/毫升)。
　　在pH为7.3时，几乎没有抗菌活性，但当pH为4时，所有酸对大肠杆菌都有一定活性，盐酸活性最弱，乳酸次之。本试验中甲酸和HMB的活性最强，5小时就有完全的抑菌作用。
　　此外，每种酸都有各自的抗菌谱，例如正如所知，山梨酸具有抗霉菌活性，而乳酸对细菌更有效。某些酸如甲酸、丙酸和HMB具有较广的抗菌活性，可以有效抵抗细菌和真菌，包括酵母(Patanen和Mroz，1999;Doerr等，1995;Enthoven等，2002)。这种抗菌活性谱已指导动物饲料中有机酸混合物的评估和使用(Mroz，2000)。据报道，某些酸的混合物在体外具有协同抗菌活性(Huyghebaert，1999)。
　　1　猪的生产性能
　　一系列研究证实了有机酸对青年猪生产性能的影响，尤其是早期断奶仔猪。最近Partanen(2001)发表的文章综述了该领域的文献，并提供了现有数据的后分析结果(见图2)。只考虑了不存在抗生素和铜的情况下单个酸的研究结果。
　　在对46头断奶仔猪和23头育肥猪试验的分析中，发现甲酸、延胡索酸、柠檬酸和二甲酸钾使饲料报酬显著改善。Partanen概括说日粮中加酸具有有益效果，尤其对于断奶仔猪，这主要与胃肠道微生物区系有关。
　　2　有机酸的作用机制
　　2.1　与抗菌活性有关的作用　有机酸在畜牧业中的首项作用是有关饲料的保存。有机酸如山梨酸和丙酸长期以来被用于控制饲料的酸败。有机酸对肠道微生物的活性很相似。
　　两种情形下，酸改变与抗菌谱相符的微生物种群数。对于饲料，控制真菌生长的活性占主要，而在肠道里，受影响的主要是细菌，细菌的生长受酸性条件严重影响。然而应该强调的是，有机酸的作用机制大不相同，另外还有无机酸如盐酸的作用机制也有别于有机酸(Eidelsburger等，1992a)。图3显示HMB对蛋白粉样品中沙门氏菌生长的影响。结果显示，0.2%HMB阻止了细菌的生长，0.7%HMB实际显示出杀菌作用。低pH对有机酸抗菌活性的重要性，可以解释为其对酸的离解的影响。在低pH条件下，大多数有机酸以非离解形式存在。非离解有机酸是亲脂的，并能扩散到细胞膜中，包括细菌和霉菌的细胞膜(Huyghebaert，1999;Eidelsburger等，1992a)。一旦在细菌胞质中pH较高，就会引起酸的离解，造成细胞内容物pH降低，从而对酶学反应和营养素转运体系产生破坏性作用(Cherrington等，1991)。
　　另外，将自由质子转移到细胞外需要能量，这将降低用于扩散的能量的有效性，结果是只达到一定程度的杀菌作用，见图3。
　　这种直接抗菌活性对饲料和食品卫生的效果是可靠的，因而促成了有机酸作为防腐剂的使用。这同时也解释了为何无机酸如盐酸与有机酸之间存在一种协同作用。盐酸的存在降低消化物的pH值，使更多的有机酸处于非离解状态。直接抗霉菌作用是有机酸减少潮湿垫草中霉菌数的作用机制(BASF，1990)。
　　口服抗生素具有抗菌作用包括抗肠道微生物。微生物群落的减少及其后续影响可能是抗生素有益效果的主要机制(Bedford，2000)。探讨作用机制必定要关注肠道，因为一些抗生素是不能被吸收的。Anderson等(1999)最近综述了促生长抗生素主要通过改变肠道微生物区系起作用的证据，也就是说，未发现饲喂抗生素对无菌动物有促生长作用。进一步而言，给无菌动物胃肠道微生物区系给药，会造成生长抑制。
　　对于家禽，在卫生条件较差的情况下，抗生素的促生长作用更为明显，并且无菌肉仔鸡的生长抑制可以通过注射细菌代谢物如脂多糖或免疫介质如白细胞介素-1诱导产生(Roura等1992)。另一个与抗生素有关的作用似乎是抗菌活性的一种直接作用结果，那就是通常报道的使肠壁变薄(Coates等，1955)。这种现象同样发现于无菌动物，包括鸡(Franti等，1972)。这可能由肠道结蹄组织中免疫细胞总数的降低所引起。
　　服用后，直接抗微生物活性在前肠是最重要的，这里改变消化道pH的能力很有限。前肠包括家禽的嗦囊、肌胃和猪胃。有机酸活性特别对大肠杆菌和其它耐酸微生物有效。它们中间很多是机会病原体，如弯曲杆菌和沙门氏菌。随后亚临床感染的减少归结于与免疫组织有关的肠道的营养需要减少。
　　这种降低免疫活性的作用是抗菌提高生产性能的主要原因(Bedford，2000)。猪胃(Bolduan等，1988;Scipioni等，1978)和前段小肠(Gedek等，1992;Cole等，1968)微生物活性的降低已有过报道。相似的结果也发现于家禽的小肠、泄殖腔和冷却胴体(Roura等，1992;Hadorn等。2001)。
　　前肠较低的pH不仅有利于有机酸的抗菌活性，而且能促进其向肠道上皮的扩散吸收(Huyghebaert，1999)。正如很多有机酸一样，HMB主要以扩散的方式吸收(Knight和Dibner，1984)，但在小肠后段是由一种离子依赖型载体系统转运，这种系统同时也转运其它有机酸(Branchet和Puigserv-er，1987)。
　　后肠较高的肠腔pH似乎更有利于酸的离解形式，势必造成扩散吸收的减少，但肠道上皮表面酸性微环境的存在，使非离解形式的有机酸得以扩散到细菌和肠上皮细胞本身(Engelhardt等，1989)。
　　有机酸进入空肠和回肠后的抗菌活性的持续性对于有机酸的另一种作用机制也是重要的。空肠里较少的微生物繁殖减少了微生物与宿主在营养上的竞争。这种竞争的减少可能是消化率提高的机制之一。消化率的提高在猪和肉仔鸡方面都有过报道(Huyghebaert，1999)。
　　有机酸的抗菌活性还有其它效果。Eckel等(1992)和Eidelsburger等(1992b)曾描述断奶仔猪饲喂1.25%甲酸时胃、小肠和盲肠中氨的浓度显著降低的情形。这可能由于氨基酸的微生物脱氨减少，有利于氨基酸的吸收——最终观察到的结果是饲喂有机酸的猪，氮的消化率提高，氟的排出减少。
　　有很多文献证明了氨的毒性，并提出氨的微生物合成减少是饲喂抗生素促进生长的机制之一(Visek，1978)。Eckel等(1992)也报道在这些动物的小肠里，生物胺浓度降低。这些以及其它一些微生物代谢物可能产生生长抑制作用(Bonem等，1976)。
　　2.2　抗菌活性以外的作用　有机酸只有抗菌活性吗?是否还有其它效果?当然有机酸的抗生素作用包括以上报道的很多方面，如提高蛋白质和氨基酸的消化率，减少氨气和生物胺的产量(Dierick等，1986a，b)。
　　现已报道的其它效果表明，有机酸具有改变肠道微生物区系的其它作用。包括与酸化有关的其它作用，消化酶和微生物植酸酶活性的提高以及胰腺分泌的增加。还有证据表明，有机酸的存在，可以促进胃肠黏膜的生长，尤其是脂肪酸如丁酸。
　　有机酸能降低猪肠腔里消化物的pH值，尤其是在前肠(Eckel等。1992;Thomlinson和Lawrene，1981)。这里列举甲酸(1.25%)或乳酸(1%)的例子。pH值降低的程度在胃里达到最大，为0.5-1.0个pH单位。有趣的是，使用HMB时，肉仔鸡小肠中pH值降低的水平较低(0.2%)。在此情形下，使用小肠混合消化物，pH比3天时的基础水平低0.25-0.35pH单位(分别为5.64与5.99)。在胃里，胃pH值的降低激活胃蛋白酶原和其它酶原，使胃中的pH更接近于有利胃蛋白酶活性的最佳值(Huygebaert，1999)。
　　低pH的另一个作用是提高微生物植酸酶的活性。微生物植酸酶有两个最宜pH值，即2.5和4.5-4.7，而且植酸在较低pH条件下易溶解得多(Mroz)，这些作用结合起来，使磷的消化率和存留量提高。无菌动物的这些有机酸作用的估计，可给出有机酸对减少微生物区系竞争作用的估计。
　　断奶仔猪(Cranwell，1995;Botermans等，1999)和种禽(Nitsan等，1991)的营养消化率似乎受消化酶分泌的限制。种禽具有增加胰腺分泌的能力(Nitsan，1974)，选作大体重的鸡具有较高水平的胰腺和小肠酶分泌水平(Dunnington和Siegel，1995)。对于断奶仔猪(Karada，1986)和2周龄小牛(Kato，等，1989)，有机酸对胰腺(见图4，Thaela等，1998)和胆汁分泌有影响(Harada等，1988)，调节方式是非离解形式的有机酸扩散到细胞里，然后在较高pH的胞浆里发生离解(Huyghebaert，1999)。这一点似乎只与有机酸有关，而与抗生素无关。
　　已提出的促进分泌的机制是肠上皮细胞上受体的存在，对离解状态的质子产生反应，使肠促胰液素的释放增加(Harada等，1988)。这种产生于小肠上皮的肠促胰液素释放反应也发生于绵羊(Harada等，1983)。遗憾的是，至今为止还没有数据证明有机酸对禽类是否也有胆汁和胰腺分泌增加的反应。
　　2.3　为何有机酸的效果缺乏一致性　在检测有机酸的作用时发现似乎比抗生素具有更大的变异。在证实有机酸作用时的不一致性与不可控制的变因如日粮成分的缓冲力、其它抗菌化合物的存在、生产环境的清洁卫生以及肠道微生物区系的异质性有关。
　　另外一些研究可以阐明这些因素的影响以及如何将它们的影响减至最低。有很多事实证明有机酸在动物性能方面的抗菌作用，但同时也有反应有机酸无效的报告。
　　另外，有一些表现性能作用的例子并未同时表现出微生物区系和消化率的改变(Gabert和Saucr，1995)。尽管还未见系统性的文献综述，但有机酸作用的再现性似乎要低于抗生素。
　　几种影响有机酸的因素已被证实。或许列举最多的变因是日粮成分的缓冲力(Cherrington等，1991;Thomlinson和Lawrence，1981)。缓冲力是指10克日粮成分的匀浆样品达到指定pH值(通常是3-5)所需的酸(0.1摩尔盐酸)量(Makkink，2001)。对缓冲力起作用的主要日粮成分是蛋白质和矿物元素。谷物和谷物副产品的缓冲力一般较低。有机酸降低日粮的缓冲力，允许更多的消化物在前肠有效酸化，这对于有效的消化酶活性和微生物繁殖的控制是很重要的。
　　Blank等(1999)观察到，缓冲力从23.5提高到56.7，回肠氨基酸消化率降低可达10%。建议家禽开食日粮的缓冲力值为0-10(Makkink，2001)。在关于有机酸的研究中，在多数情况下，缓冲力是未控制变量，这可能是研究结果缺乏一致性的主要原因。其它影响有机酸反应程度的因素有配方水平、日粮成分性质及其对肠道微生物的作用。
　　从日粮中撤除抗生素型促生长剂后，已显示出伴有蛋白质严重消化不良的副作用的增加(Smulders等，1999)。有抗生素一样，在低水平高度可消化蛋白质日粮中，似乎很少显示出酸的作用。肠道里未消化蛋白的过量，有利于蛋白水解菌的发育，随之是细菌毒素(Corthier等，1989)或有毒代谢物如生物胺(Eckei，1992)的产生。日粮成分能抑制有机酸作用的另一种方式是乳清粉中乳糖在肠道里的发酵。这种乳糖的产生很重要且产生较早，它可以掩盖添加有机酸的任何效果，尤其对于断奶仔猪。
　　其它一些日粮成分对细菌具有更加广泛的正作用或副作用，但总是不被很好地了解。小麦就是一个例子，它会引起比玉米更多的肠道紊乱，尤其是新收获的小麦。这里抗菌添加剂可以显示出促进作用。相反，大麦被看作有利于肠道运输，这也是大麦经常用于仔猪日粮的原因。Partanen(2001)注意到有机酸用于小麦日粮中的作用大于玉米或大麦。这些因素可能使有机酸的作用不可能在试验中产生。必须注意用于有机酸试验的日粮的来源。
　　一个相对变异是试验日粮中抗菌剂的存在。在有机酸试验中，很少发现日粮中同时包括抗生素，但有时存在其它抗菌剂，如高铜或抗球虫药。它们发挥各自的抗菌作用，并使有机酸的作用更为丰富。
　　在公开发表的文献中，另一个变异来源是所使用的酸、混合物及其浓度的范围。或许再现效果最好的是使用0.5-1.5%的甲酸。但如上所述，表中所有的酸至少有一次是与动物的性能有关的。
　　使这些研究复杂化的另一个因素是进行这些研究的环境。尽管在一连串试验中都发现了有机酸的效果，但还是在卫生条件较差的情况下抗菌作用最为明显。无论如何，与抗生素一样，有机酸是准许生长多于促进生长，也就是说，它们只能在给定日粮条件下，准许动物生长达到其最大遗传潜力。动物越接近其遗传潜力，就越难以检测到任何作用。这表明在有机酸研究中，环境管理必须是可控制因素。
　　或许大多数未控制变异是微生物区系本身。尽管大多数品种是相当一致的，但在普通动物中，相当数量未鉴定微生物群体的存在是不可回避的。这将影响有机酸的反应程度。或许区分微生物与胰腺刺激及营养对小肠粘膜的作用的唯一方式是采用无菌试验模型。当然这种做法在预测商业环境下的反应时存在其局限性。
　　3　结语
　　在动物日粮中使用非治疗抗生素的主张已经在世界范围内迅速消失。抗生素的主要作用是抗菌;它们的所有助消化和促进性能的作用可以解释为对胃肠道微生物区系的影响。短链有机酸同样具有依赖于pH值的特定抗菌活性。对于断奶仔猪，有机酸具有明确且显著的作用，同时发现对家禽的性能有效。细菌的减少与饲喂有机酸有关，尤其对耐酸菌如大肠杆菌、沙门氏菌和弯曲杆菌。抗生素和有机酸可以改善蛋白质和能量的消化率，作用方式是减少亚临床感染的发生率，减少免疫介质的分泌，减少氨气和其它生长抑制性细菌代谢物的产生。
　　有机酸具有几种抗生素以外的附加效果，包括降低消化物pH值和增加胰腺分泌。
　　HMB是一种蛋氨酸资源，HMB被吸收后在动物组织中转化为L-蛋氨酸。但HMB在饲料和肠道里还有重要作用，因为在转化为氨基酸之前HMB是一种有机酸。HMB对细菌和霉菌的抗菌活性是特效的，对可能存在于日粮中的任何有机酸是一种补充。HMB的有机酸活性是其蛋氨酸资源活性的一种附加效果。
　　(译自：Feedstuffs，O ctcber 27，2003)

yyy860615

果真是营养专家

leikeba100

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