“禁抗、减抗”中有机酸、酸化甘油酯有哪些作用

2020-07-27 17:13:19  来源: 佰高威盛

自2006年欧洲禁止使用抗生素促进生长剂(AGP)以来,在动物营养中使用有机酸已在饲料行业中变得越来越重要。...

自2006年欧洲禁止使用抗生素促进生长剂(AGP)以来,在动物营养中使用有机酸已在饲料行业中变得越来越重要。它们对饲料质量和动物性能的正面影响已有数十年了,随着它们越来越引起饲料行业的关注,对定义几种酸及其盐以及区分其优缺点的需求日益增长。

什么是有机酸?

“有机酸”是指建立在碳骨架上的所有称为羧酸的酸,它们可以改变细菌的生理结构,引起代谢异常,从而阻止增殖并导致死亡。

动物营养中使用的几乎所有有机酸(例如甲酸,丙酸,乳酸,乙酸,山梨酸或柠檬酸)都具有脂肪族结构,是细胞的能量来源。相反,苯甲酸建立在芳香环上,具有不同的代谢和吸收特性。

在动物饲料中以适当的高剂量补充有机酸可以增加体重,提高饲料转化率并减少病原体在肠道中的定殖。具体来说,Kirchgessner和Roth(1988)区分了不同的作用,包括:

1、降低饲料中的pH值和缓冲能力以及抗菌和抗真菌作用;

2、通过在胃中释放氢离子降低pH值,从而激活胃蛋白酶原形成胃蛋白酶并改善蛋白质消化率;

3、在胃肠道中的抑制革兰氏阴性菌作用;

4、中间代谢物——作为能量利用。

有机酸抑制微生物生长的效率取决于其pKa值,pKa值描述了酸在50%处于解离和未解离形式时的pH值。后者是有机酸具有抗微生物能力的方式。仅当有机酸以未解离的形式,才可以穿过细菌和真菌的壁并改变其代谢,才能具有抗微生物能力。因此,这意味着有机酸的抗微生物功效在酸性条件下(例如在胃中)较高,而在中性pH值下(在肠中)则降低。

因此,具有高pKa值的有机酸是较弱的酸,饲料中更有效的抗菌,因为存在于饲料中的未解离形式比例较高,可以保护饲料免受真菌和微生物的侵害(Roth and Ettle,2005年)。因此,有机酸的pKa值越低(解离形式的比例越高),其对pH值降低的影响越大,并且在其通过消化道的越远的末端,其抗菌作用越低。强酸(pKa低)会酸化饲料和胃,但不会对肠道菌群产生强烈的直接影响。

表1:某些有机酸的化学和物理特性(Kirsch,2010年)
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这就是为什么pKa值较高的酸(如丙酸)主要用作谷物或饲料的抗菌剂,而较少直接影响动物生产性能,而甲酸或乳酸则主要用于改善消化率。另外,每种酸对酵母、霉菌和细菌都有一些特定的作用,无法用pKa值解释。Strauss和Hayler(2001)在几种有机酸对细菌的抑制作用上存在明显差异(表2)。

表2:不同有机酸的最低抑菌浓度(MIC)
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表2中的MIC值反映了在体外条件下测定的不同有机酸对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的活性。
Strauss和Hayler(2001)对乳酸的研究表明,当乳酸的用量低于0.20%时,低浓度的施加酸会刺激产气荚膜梭菌的生长。

其他作者发现,当丙酸、苯甲酸和山梨酸在亚抑制浓度下使用时,真菌毒素的形成和发育增强(Müller等人,1981年,Uraih等人,1977年,Spicher和Westenhoff,1985年)。

甲酸不适合抑制复合饲料或谷物中的霉菌,因为它可以促进形成黄曲霉毒素的曲霉菌种的生长(Petterson等,1989)。因此,如果添加剂包含> 50%的甲酸,则在欧盟中禁止将其用于处理需氧存储的高水分谷物。

通常,动物饲料中需要较高剂量(取决于物种)才能对动物性能产生可测量的影响,因为在体内条件下,诸如粗蛋白含量、总缓冲能力、环境条件以及动物的年龄和健康状况等因素发挥额外的影响作用。

作用方式

抗菌活性是由有机酸的解离能力引起的(Partanen2001)。以未离解的形式,酸分子可以轻松穿透革兰氏阴性细菌的微生物细胞壁。在细胞内部,pH值高于其pKa,大部分酸会解离并释放出氢离子(H +)。为了抽出氢离子(H +),微生物细胞会消耗大量能量,从而导致细胞死亡(图1)。
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图1:有机酸的抗菌作用
为了使有机酸对病原体的直接作用最大化,这是酸分子与病原微生物接触的前提。这意味着有机酸的活性成分必须到达病原体所在的地方,可能是饲料或胃,但在大多数情况下是肠道。细菌,如大肠杆菌和沙门氏菌位于小肠。在体内条件下,每吨复合饲料使用5千克液态甲酸(85%活性成分)的实际剂量,Kirsch(2010)在小肠中仅发现5.5%的活性成分。

盐还是酸?

所有纯液态有机酸都是腐蚀性产品。即使将这些液态酸喷在载体上,取决于活性成分,该产品也可能具有腐蚀性。有机酸的盐,例如丙酸钙、甲酸钠或苯甲酸钠,似乎是添加固体和非腐蚀性形式的活性成分的好选择。鉴于在日粮配方中考虑了由盐添加的阳离子(例如Ca2 +,Na+)的浓度,因此使用有机酸盐代表了很好的工具,从而降低了复合饲料的缓冲能力。

但是,有机酸的作用方式(图1)取决于游离氢离子,以将有机分子分别激活为解离或未解离的形式。与有机酸不同,盐不具有释放的氢离子。化学事实:“强酸从盐中释放出弱酸”仍然有效,可以通过以下反应来说明:
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一旦盐到达胃中,酸的pH值就会触发反应,将其转化为酸,其中需要盐酸才能从甲酸钠中释放出甲酸。在猪的营养方面,这将改善成年单胃动物在胃中的消化率,而不是年幼的动物,后者的胃中产生的HCl少。通过施加有机酸盐来实现直接的酸化作用实际上是不可能的。

酸化甘油酯

20世纪80年代,美国科学家阿格雷发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白。水通道的发现开辟了一个新的研究领域。目前,科学家发现水通道蛋白广泛存在于动物、植物和微生物中。2003年,阿格雷和麦金农,分别因对细胞膜水通道、甘油通道、离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。
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根据这20世纪人类医学的新发现,佰高威盛欧洲总部源发了抗菌的无抗新产品艾希托,通过丙酸和丁酸与甘油的合成一种α-单丙酸甘油酯、α-单丁酸甘油酯,通过堵塞细菌、真菌水甘油通道,干扰其能量平衡和膜动态平衡,使其失去能量来源,阻断能量合成从而起到很好杀菌作用,而且无药残。
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艾希托突破了有机酸受pKa值限制,不仅能够在整个肠道起作用,而且这种短链脂肪酸甘油酯直接通过肠道吸收进入血液,通过门静脉达到身体各个感染部位。
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同时这种独特的结构不再依赖解离并释放出氢离子(H +)来抑制细菌,而是通过堵塞水甘油通道由抑菌突破为杀菌作用。

表3:有机酸和甘油酯在不同PH值的最低抑菌浓度(MIC)
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表3中的MIC值反映了在体外条件下分别在PH值为酸性和中性测定的有机酸和艾希托对沙门氏菌和大肠杆菌等革兰氏阴性的活性。在酸性条件下艾希托是丁酸杀菌效果的30-40倍,而在中性条件下,艾希托最小抑菌浓度不变,但是丁酸完全起不到抑菌效果

荷兰实验室Antongiovanni, M.等(2012)用产期荚膜梭菌对肉鸡进行攻毒实验,将罗斯小母鸡分成3组,每组30只,均没有抗球虫处理(离子载体;化学物质或疫苗),其中1组阳性对照,另外两组分别使用不同浓度的艾希托饮水。在试验第10天以106CFU 的产气夹膜梭菌攻毒,然后分别在第16天、21天和35天,每组取10只进行安乐死,检测盲肠梭菌感染情况。
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从攻毒实验对盲肠检测情况来看,高剂量的艾希托使用鸡只未出现肠道溃疡症状。艾希托低剂量组仅在21天和35天分别检测出1只出现症状。而阳性对照组在35天时达到了50%出现典型溃疡症状。因此,艾希托对产气荚膜梭菌具有显著的抗菌效果。

福建农科院刘玉涛等(2015),用大肠杆菌分别采取口服和器官接种进行攻毒实验。试验共分A、B、C、D、E、F等6个组,其中:

A1、B1组分别于6日龄在饮水中添加100PPM及150PPM艾希托,C1、D1组分别于12日龄在饮水中添加200PPM及300PPM的艾希托,E1、F1只饮清水。A1、B1、C1、D1、E1组于12日龄口服接种3.0×109 CFU的O78血清型鸡大肠杆菌,F1组不攻毒。

A2、B2组分别于16日龄在饮水中添加100PPM及150PPM艾希托,C2、D2组分别于22日龄在饮水中添加200PPM及300PPM的艾希托,E2、F2只饮清水。A2、B2、C2、D2、E2组于22日龄气管接种3.0×109 CFU的O78血清型鸡大肠杆菌,F2组不攻毒。

表4:试验鸡O78口服接种攻毒结果及19日龄存活鸡体重
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通过本试验证明,艾希托能够抑制和杀灭肠道有害菌,有效维护肠粘膜屏障功能的完整性,降低大肠杆菌经由肠道感染的风险。在饮水中添加200-300PPM的艾希托能够显著降低经由口服感染O78血清型大肠杆菌所造成的发病和死亡,且有助于改善日增重。

表5:试验鸡O78气管接种攻毒结果及29日龄存活鸡体重
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大肠杆菌另外一个重要感染途径是经呼吸道感染。同样在饮水中添加200-300PPM的艾希托可以较好的控制发病死亡,发病率显著降低;添加300PPM可以维护较好的日增重,有助于改善体况。

结论

有机酸的pKa值是其对微生物的抑制作用。有机酸的作用通常是剂量依赖性的,活性成分到达作用部位的越多,所需的作用就越高。这对于饲料的保存以及对动物的营养和健康影响都是有效的。如果存在更强的酸,有机酸的盐可以帮助降低饲料的缓冲能力,并可以为有机酸的生产提供阴离子。但是,盐本身不会产生任何酸化作用。

佰高威盛艾希托具有独特结构的酸化甘油酯——α-单丙酸甘油酯、α-单丁酸甘油酯,通过抑制细菌的水甘油通道,对沙门氏菌、大肠杆菌等革兰氏阴性菌以及梭菌具有显著的杀菌效果,而且这种杀菌作用不受pKa值限制,不受PH值限制;不仅在肠道中起作用,而且这种短链脂肪酸甘油酯直接通过肠道吸收进入血液,通过门静脉达到身体各个感染部位,更好的防控全身性细菌感染。

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本文来源:佰高威盛 责任编辑:陈博
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