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中短链脂肪酸在无抗饲料中的应用

Edited At 2021年11月25日

薛永强  黄志威  雷志伟  王新毅

(1. 广东省脂类科学与应用工程技术研究中心,广东 广州 5100062. Lipidomax脂类创新中心,广东 广州 510006)

 要:在现代畜牧业中,为了预防动物疾病和提高生产性能,普遍都在饲料中使用抗生素。由于抗生素的在畜牧业中的过度使用导致细菌耐药性的产生和抗生素的残留,严重影响到人类和畜禽的健康,因此,迫切地需要制定战略来替代抗生素用于生产食品的动物,特别是畜禽。中短链脂肪酸作为安全高效的添加剂已经畜牧生产中得到广泛的应用,本文以无抗饲料为背景,论述了中短链脂肪酸的研究进展和展望,希望能够为我国今后的无抗饲料开发及使用带来参考。

关键词:抗生素;无抗饲料;中链脂肪酸;短链脂肪酸

Application of Short-Medium Chain Fatty Acids in Non-resistant Feed

XUE Yong-qiang, HUANG Zhi-wei, LEI Zhi-wei et al

Abstract: It is a common practice to use of antibiotics in food animal feeds to prevent animals from diseases and to improve production performance in modern animal husbandry. In the meantime, due to the excessive use of antibiotics in animal husbandry leads to the emergence of bacterial resistance and the residue of antibiotics, which seriously affect the health of humans and livestock. Therefore, there is an urgent need to develop strategies to replace antibiotics for food‑producing animals, especially poultry and livestock. Short-Medium chain fatty acids have been widely used in livestock production as safe and efficient additives, based on the background of non-resistant feed, this review summarizes recent development and perspectives of short-medium fatty acids, hoping that it will bring a reference to the future development and use of non-resistant feed in China.

Key words: Antibiotics, Non-resistant Feed, Medium chain fatty acids, Short chain fatty acids

 

 

饲料在畜牧业的发展过程中起着至关重要的作用,与食品安全和人类健康有着密切的联系。在过去几十年中,动物产品的生产和消费有了很大幅度的增长,并且将来会持续的增长,以满足对肉、奶、蛋和鱼类等动物产品的高需求。其中主要的畜禽类型为猪(11233万吨)、家禽(10902)和牛(6799)占世界肉类产量的91.80%而鱼类捕捞和水产养殖产量达到15800吨。在这样的大背景下,饲料的安全则显得尤为重要,因此,新型、绿色无公害的饲料在未来必将成为我国乃至全球畜牧业发展过程中的热点问题。

抗生素自1920s被发现以来,广泛应用于畜禽生产,畜禽饲料中添加抗生素,可促进畜禽的生长提高饲料转化率且减少疾病的发生,不同动物的抗生素用量范围不同,通常在2.5~125 mg/kg之间。使用抗生素已成为发展集约型、规模化畜禽生产的有效途径。由于抗生素在人药及畜禽生产中的广泛应用,导致细菌耐药性的产生以及抗生素的残留,严重威胁到抗生素在临床上和畜禽生产上的应用,影响人类与畜禽的健康。据估计,全球每年约70万人感染耐药细菌病原体如果抗生素耐药性继续不减,预计到2050年全球每年将增加1000万人死亡多数国家已经禁止了抗生素在动物上的使用我国也将于2020年药物饲料添加剂全部退出,养殖端也进入减抗、限抗时代。因抗生素的禁用,引起畜禽死淘率的增加,新型、绿色无公害抗生素替代品的寻找迫在眉睫。

无抗饲料是指不含任何国家法律法规所规定的抗生素,且经过国家相关部门检测后,结果显示没有任何抗生素药物残留的饲料。因此,则需在饲料原料、饲料加工及饲料保存时,确保不添加任何抗生素。抗生素促生长剂(AGP)的主要作用调整肠道菌群、防控疾病生长从而提高存活率和饲料转换效率保障动物的肠道健康。因此,抗生素替代品的作用包括促进生长和免疫调节,其中一些已经在人类和动物身上得到了广泛的研究,目前一些主要的抗生素替代品有以下几种酶制剂、酸化剂、益生菌、抗菌剂、中草药制剂、植物及其提取物、中短链脂肪酸等。虽然各类产品作用机制都大不相同,但最终的目的都与抗生素促生长剂一致,提高养殖的经济效益。本文主要综述了中短链脂肪酸的生物学功能及在无抗饲料中的应用前景。

1  中短链脂肪酸

2006年欧盟逐步取消使用抗生素以来,在寻找非反刍动物抗生素替代品的背景下,由于短链脂肪酸(Short-chain fatty acid, SCFA)中链脂肪酸(Medium-chain fatty acid, MCFA)的一些特殊的特性如抗菌抗病毒、提供能量等,重新引起了人们的重视,两者都是非常有潜力的替代品之一。

1.1  中链脂肪酸

中链脂肪酸(MCFA)饱和的6-12碳脂肪酸,主要包括辛酸(C8)癸酸(C10)和月桂酸(C12),以中链甘油三酯(MCT)的形式存在于乳脂和各种饲料原料中的,特别是椰子油、棕榈油中 (1)MCFAMCT都具有特定的营养和代谢作用,包括快速消化被动吸收和强氧化,对幼小动物的营养有着重大的意义。在代谢方面,中链脂肪酸的最大特点是可以直接进入线粒体氧化不需要依赖肉碱载体的转运起到快速供能的特点,直接被肠道上皮细胞吸收,从而有助于支持幼仔肠道的完整性此外,还可以通过促进人体对长链脂肪酸的分解而用于减肥。中链甘油三酯(MCT)是以C8C10脂肪酸为原料一种人工合成的中链脂肪酸油脂,是应用时间最久、应用领域最广的中链脂肪酸产品,主要被用于弱小动物的快速补充能量天然抗菌性产品Furuse等研究发现,在日粮中添加MCTs对肉鸡具有一定的增重作用,并且改善肉品质;马允莉研究表明,在35~47周龄的蛋鸡饲料中添加 0.4%~10.0% MCFAs提高蛋鸡的产蛋量和蛋重,降低破壳率。张文飞等研究发现添加MCT 能够显著缩短母猪产程;也可提高断奶仔猪的采食量,但是由于C8:0C10:0资源的限制,MCT价格快速上涨,未来必然限制其在饲料中的应用。

月桂酸(C12:0)是中链脂肪酸中来源最丰富一种,椰子油和棕榈油中都含有40%以上的C12:0,也被广泛用于饲料行业。中链甘油三酯和甘油二酯不具有抗菌抗病毒活性,但中链脂肪酸单甘酯,尤其是月桂酸单甘酯,具有较强的抗菌和抗病毒的功能。自然界中抗菌性物质很多,但抗病毒的物质非常少,因此,月桂酸单甘酯的这种抗菌抗病毒的特性具有很好的应用前景。据统计,60%的疾病都和病毒相关,很多细菌性感染也是病毒感染后的继发性感染。Lieberman等综述了月桂酸单甘酯具有抗多种病毒如艾滋病病毒、疱症病毒、流感病毒等的功能,以及对革兰氏阳性菌如葡萄球菌、链球菌等有很强的抑制作用。2009年,《Nature》报道通过阴道凝胶给药的试验,证明了月桂酸单甘酯能有效防止恒河猕猴感染艾滋病毒(SIV),为人类防止艾滋病提供了新思路,更促进了人们对月桂酸衍生物的研发。月桂酸单甘酯的抗病毒的机理在于月桂酸可以修饰病毒的膜蛋白,单月桂酸甘油酯可以插入病毒的囊膜,导致病毒的复制能力减弱或丧失,没有复制能力的病毒就充当了抗原的角色,会激发动物产生相应的抗体,从而达到抗病毒的作用。

月桂酸单甘酯是一种优良的食品乳化剂和安全、高效、广谱的抑菌剂,同时是一种安全环保、多用途的添加剂,具有乳化和防腐双重功能,己被大量用于医药、化妆品、食品防腐等领域。在饲料行业,月桂酸单甘可以提高油脂的消化利用率,从而可以显著提高饲料报酬。刘梦芸研究发现在肉鸡饲料中添加月桂酸单甘酯对肉鸡的生产性能、消化能力及肉品质有显著的提升作用,并对蛋鸡的生产性能、蛋品质及腹脂形态等具有显著的提升作用。Fortuoso等研究表明,在饲料中添加100-300mg/kg月桂酸单甘酯可以显著降低肉鸡感染球虫和细菌的几率,同时显著改善饲料转化效率和肉品质。由此可见在抗生素减量或替代中的潜在应用价值,优化制造工艺、开发方便使用的剂型将会成为未来的研究方向。

1  椰子油和棕榈油中MCFA含量(%)

脂肪酸

椰子油

棕榈油

C6:0

0~2

0~2

C8:0

6~10

3~5

C10:0

5~11

3~6

C12:0

45~51

50~55

注:来自《食品化学基础》,W.海曼, C.莫顿编, 洪庆慈译。

1.2  短链脂肪酸

短链脂肪酸(SCFA)碳原子6以下的脂肪酸,又称挥发性脂肪酸(VFA)要是乙酸、丙酸、丁酸和戊酸。对反刍动物来说,短链脂肪酸是重要的能量来源,在瘤胃内的含量达90~150mmol/L,牛瘤胃一昼夜所产生的短链脂肪酸可占机体所需能量的60~70%;对非反刍动物来说,短链脂肪酸主要是膳食纤维通过微生物在结肠()或盲肠()发酵合成,是肠道上皮细胞的主要能量物质,为其提供60% ~ 70%的能量需求,是维持动物肠道健康的重要物质。

短链脂肪酸被肠道吸收后,乙酸和丙酸被运输至肝脏,主要是参与动物体的能量代谢,而丁酸则主要为肠黏膜供能。肠上皮细胞的健康主要依赖于丁酸,是肠黏膜的主要供能物质[25],其次是乙酸和丙酸。肠黏膜系统具有重要的屏障功能,包括机械屏障、化学屏障、生物屏障和免疫屏障,其中免疫屏障最重要。但肠黏膜的主要能量物质不是葡萄糖,而是以谷氨酸、谷氨酰胺为代表的氨基酸,或是以丁酸为代表的短链脂肪酸,当能量不足时,会造成肠黏膜萎缩甚至肠绒毛的坏死脱落,会严重影响到动物的健康。所以,短链脂肪酸对维持肠道健康和肠黏膜完整性具有重要的作用,为动物补充短链脂肪酸,可以缓解由于谷氨酰胺供应不足造成的肠黏膜能量不足问题,且具有良好的经济性。

此外,丁酸作为有机酸的一种,可直接扩散进入细胞内,通过降低胞内pH值,抑制某些大分子的代谢,破坏病原菌细胞膜的完整性,从而达到杀菌作用。丁酸还具有选择性抑菌的特点,对乳酸菌等有益菌的抑制作用小,而对大肠杆菌等有害菌的抑制作用强,通过对肠道菌群的调节达到控制肠道感染的目的

由于丁酸易挥发且本身刺激性气味,不易直接给动物补充,所以通常是补充丁酸类衍生物,主要有丁酸钠和丁酸甘油酯。但丁酸钠难过胃、臭味大等缺点,所以开发了包被丁酸钠,然而包被丁酸钠的含量低且成本高。丁酸甘油酯是一种脂类分子,其可以过胃,并在胰脂肪酶的作用下全肠道缓释丁酸,且解决了丁酸钠臭味问题,是一种更有发展前景的肠道丁酸补充剂。有研究发现,将丁酸甘油酯和月桂酸单甘酯复合使用,具有协调效应。可见,将中短链脂肪酸合理的搭配复合使用,通过两者的协同作用,共同达到抗菌、抗病毒的特点。

2  中短链脂肪酸的应用思考

寻找有效抗生素替代品是全球畜牧业健康发展的必然趋势,在众多的抗生素替代品中,仍有许多待解决的问题。如酶制剂的热稳定性和酸碱稳定性有待提高;益生菌的菌种在饲料加工等生产过程中活力部分丧失,达不到预期的替抗效果,且抗逆能力不强,同种益生菌对不同的宿主动物作用效果也存在差异;抗菌肽的生产与提取工艺需要改进,并且抗菌肽易被内源蛋白酶水解,抗菌肽的稳定性仍需要进一步研究;中草药添加剂配方及有效成分的具体功能和应用效果缺乏明确的认识,使用剂量和安全性评估还有待进一步研究;植物精油挥发性强,因此饲料的加工会导致其存留量低,且在不同养殖环境下的效果差异较大等。因此,在寻找抗生素替代品的路上,我们需要建立规范有效的评估方法,探索营养成分与替抗产品之间的交互作用,合理有效的开发抗生素替代品。

中短链脂肪酸(C1-C12)及其衍生物(脂肪酸盐、脂肪酸甘油酯)因具有广泛的抗菌、抗病毒及营养作用,是抗生素强有力的替代品。脂肪酸及衍生物独特的特性,可抑制丝状真菌以及酵母菌的生长,也可抑制一些细菌的生长繁殖,对常见致病细菌(鼠伤寒沙门菌、单核增生李斯特菌、副溶血性弧菌等)的强抑制作用,是一种最具有发展前景的抗生素替代品之一。短链脂肪酸(以丁酸为代表)的抑菌作用、营养作用及其他功能性作用(如免疫、肠道屏障等)对动物的肠道健康至关重要,尤其是丁酸,是肠道能量的主要来源但是由于受到气味、加工等方面的影响,限制了其在饲料中的应用,更多的是应用丁酸盐和丁酸甘油酯,而丁酸甘油酯可以通过内源酶的作用缓慢释放丁酸为动物提供丁酸用来补充能量,解决了丁酸盐的气味问题,及包被丁酸盐的价格和释放问题,是一种更具有前景的丁酸补充剂。中链脂肪酸具有特定的营养和代谢作用,如快速消化、被动吸收等,且可为动物快速供能,中链脂肪酸甘油酯是一种非离子表面活性剂,可以直接穿过细菌细胞膜,改变细胞膜的穿透性,同时抑制细菌中脂肪酶的活性,具有很强的抑菌活性。此外,中链脂肪酸单甘酯,尤其是月桂酸单甘酯,具有抗病毒的功能,对病毒活性具有很强的抑制作用,是自然界中难得的抗病毒物质。因此,将中短链脂肪酸搭配使用,两者的协调作用,是强有力的抗生素替代品之一。因此,中短链脂肪酸由于其在抑制细菌和抗病毒时具有独特优势,在抑菌效果、抑菌机理、实际使用效果上都具有明显的独特优势,可作为无抗饲料解决方案的一种重要方案。

3  结论

在饲料行业禁止抗生素促生长剂的大背景下,无抗饲料已成为畜牧业中不可或缺的一部分,绿色畜牧业的发展势在必行。合理地开发无抗饲料产品,我们需要采取更加科学、准确、有效的措施来替代抗生素。中短链脂肪酸及其衍生物产品是动物机体正常代谢产物,残留和耐药风险很小,其以明确的机理、可靠的效果将会发挥重要的作用,具有重要的理论和现实意义。