月桂酸单甘酯在畜禽生产中应用的研究进展

■杨 博 薛永强

（华南理工大学生物科学与工程学院 广东省脂类科学与应用工程技术研究中心，广东广州510006）

在现代化规模养殖过程中，营养调控和技术改进在促进动物生长性能和健康保障方面起着重要作用。然而，随着集约化养殖规模的不断加大，动物生产过程中出现的药物依赖性和动物健康状况不断下降的现象日益加剧。集约化养殖的早期断奶技术和高密度养殖过程中造成的断奶应激、断奶腹泻及一些坏死性肠炎等问题对养殖业造成了巨大的经济损失。抗生素自1920 年被发现以来，由于能够促进动物生长和提高动物的抗病能力而被广泛应用于畜禽生产，然而由于当前对抗生素的过度利用导致细菌产生耐药性和抗生素残留，不仅造成严重的环境污染，而且还严重威胁动物和人体的健康[1-2]，因此逐步全面替代饲用抗生素已成为当前畜牧发展的必然趋势，开发高效、绿色、安全的动物促生长剂和免疫调节剂将会是未来我国畜牧业发展过程中的重要任务和方向。

抗菌脂类是一类天然抗菌剂，具有广泛存在、抗菌谱广、不会导致细菌耐药性等[3]优良特性，很早就被开发使用。研究发现脂肪酸类化合物具有良好的抗菌性能，对炭疽的生长有明显的抑制作用，有报道通过对中链饱和脂肪酸及相应的单甘酯类的抗菌性能进行了系统的研究，发现月桂酸对革兰氏阳性菌生长的抑制作用最强，并且其甘油衍生物月桂酸单甘酯的抑制作用强于月桂酸[4]。月桂酸单甘酯（Glycerol Monolaurate，简称GML）作为一种天然脂类，具有优良的抗细菌、抗病毒、抗炎和抗毒素等多种生物学活性。近年来，在动物饲料中添加GML 的一系列试验结果表明，GML 在促进动物生长、预防和治疗动物疾病方面发挥积极作用。本文围绕GML在动物体内发挥的生物学活性以及畜禽生产上应用的效果进行综述，以期为研究GML 在动物营养中的开发和应用提供理论上的参考。

1 GML的分子结构、理化特性与代谢途径

1.1 GML的分子结构和理化特性

GML，别名十二酸单甘油酯，化学名为2,3-二羟基丙醇十二酸酯，分子式为C15H30O4，分子量为274.21，分子结构如下图1。GML天然存在于母乳、椰子油和美洲蒲葵等植物中[5]，也可由月桂酸和甘油在一定的条件下酯化合成，外观通常为白色或浅黄色的油状、鳞片状或细粒状结晶，无味，熔点为62 ℃。GML含有亲水和亲油性基团，故其是一种亲酯性的非离子表面活性剂，HLB值为5.2，是一种优良的防腐剂和乳化剂。GML在冷水中几乎不溶，能在热水中分解溶解，形成稳定的水合分散体，易溶于氯仿、乙酸乙酯等有机溶剂中[6-7]。

图1 月桂酸单甘酯的分子结构

1.2 GML的代谢途径

GML 是一种相对简单的脂类，作为脂类的一种其代谢途径与机体内脂类的代谢吸收机制密切相关。在动物机体脂类的消化过程中，因口腔和胃中的脂肪酶含量很少，故脂类的消化吸收主要通过肠道胰脂肪酶的作用进行，胰脂肪酶对脂类消化的活性由强到弱依次为甘油三酯、甘油二酯、单甘油酯（1-单甘油酯和2-单甘油酯），对2-单甘油酯的活性最弱。而动物机体在脂类的吸收过程中，单甘油酯起到主导作用，因胰脂肪酶主要作用于甘油三酯的1，3 酰基位点，所以2-单甘油酯是主要的吸收途径[8]，1-单甘油酯和2-单甘油酯均能被肠道上皮细胞完整吸收并进入淋巴，部分进入血液，发挥抗菌和抗病毒作用，微粒体中还存在使1-单甘油酯和2-单甘油酯进一步酯化为甘油三酯的酶，且这种酶优先利用2-单甘油酯[9]。此外，1-和2-单甘油酯还可被细胞内的单甘油脂肪酸酶水解为相应的脂肪酸而吸收[10]。GML 是典型的中链脂肪酸（C6～C12）衍生物，其水解产物月桂酸能以游离形式通过门静脉系统直接进入肝脏参与机体代谢，在没有载脂蛋白的情况下，月桂酸还能进入线粒体发生氧化，为机体快速产生能量[11-12]。然而目前月桂酸单甘酯作为饲料添加剂在畜禽体内的消化吸收过程仍主要参考于相关脂类的代谢，还没有明确的报道，因此，GML 在动物机体内具体代谢途径、有效活性形式以及发生在机体各部位的分子转化机制还有待进一步的研究。

2 GML的生物学活性

2.1 抗菌活性

体内外的研究结果均表明GML具有优良的抗菌活性，并且其抑菌效果比较稳定，基本不受pH 值的影响，同时具有广泛的抑菌谱，除能够抑制细菌、酵母和霉菌外，还对某些病毒和原生动物也有一定的抑制作用，总体表现为对革兰氏阳性菌和部分革兰氏阴性菌的抑制效果最好，其次是丝状真菌和酵母菌，而对部分革兰氏阴性菌如大肠杆菌、沙门氏菌的抑菌效果较弱[13]。GML 对李斯特菌、金黄色葡萄球菌、芽孢杆菌、分歧杆菌、螺杆菌、链球菌等常见的病原菌都有较强的抑制作用，比一般的食品防腐剂效果要好[14-16]。冯凤琴等[7]研究发现，GML对枯草杆菌、蜡状杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度低至0.017 mg/ml。Branen 等[17]也得到GML 对革兰氏阳性菌、啤酒酵母、黑曲霉及假丝酵母的最低抑菌浓度分别为0.017、0.137、0.137 mg/ml 和0.069 mg/ml，对致病菌的抑制效果较强。Schlievert 等[18]发现，10～20 μg/ml GML 能显著抑制四种(A、B、F 和G 型)链球菌的生长，200～300 μg/ml GML 对产中毒性休克综合征毒素（TSST-1）和引起皮肤烫伤综合征的葡萄球菌起抑制作用。Schlievert 等[19]研究表明，当GML 浓度大于10 μg/ml 时，能明显抑制炭疽杆菌的生长，当其浓度达到5%(50 000 μg/ml)以上，可以有效杀死杆菌属和梭菌属的芽孢。Schlievert 等[20]和Strandberg 等[21]发现，GML 能抑制金黄色葡萄球菌、酵母、阴道奈瑟氏菌属和加德纳菌属的生长，但不会抑制乳酸菌的生长或乳酸的生成，长期使用GML 有利于促进乳酸菌的生长。

目前对GML 的抑菌机理还没有得出统一的结论。脂肪酸和单甘酯具有较强的抑菌性能，主要源于其双亲特性，主要通过以下三种方式发挥抑菌作用：①造成细菌细胞膜的裂解或膜穿孔，从而增加了细菌细胞膜渗透性和细菌溶解；②作用于电子传递链，使氧化磷酸化过程解偶联，导致细菌能量不足；③抑制细菌细胞膜上有关蛋白酶的活性和营养物质的吸收，导致细菌死亡[22]。GML 能够通过革兰氏阳性菌的细胞壁并能够嵌入到细菌细胞膜上，这样导致细菌细胞壁和细胞膜破裂，细菌细胞内的蛋白质、核酸以及金属离子的外泄，使细菌无法正常生长繁殖[23]。微生物的膜流动性和磷脂组成是决定其对脂肪酸及其衍生物敏感性的关键因素[24]，由于革兰氏阳性菌细胞壁脂寡糖（LOS）含量高，因此GML 对具有较强抑制效果，对一些表面结构是LOS 的革兰氏阴性菌（奈瑟氏菌属、螺杆菌属、嗜血杆菌属以及加德纳菌属）也具有显著的抑菌活性，而对一些革兰氏阴性菌细菌表面的脂多糖（LPS）层（如大肠杆菌、沙门氏菌等），GML 由于无法渗透，因此对该类革兰氏阴性菌没有抑制作用[25]。

2.2 抗病毒活性

GML 具有较强的抗病毒能力，可以抑制病毒的感染力和传播，从而起到预防和治疗相关病毒性疾病的作用。Hornung 等[26]通过月桂酸对化脓性水泡病毒（VSV）抑制的实验结果显示：月桂酸能阻断M 蛋白（病毒基质蛋白）与宿主细胞膜之间的连接，在不影响病毒蛋白质和核酸合成的前提下，月桂酸通过扰乱病毒的正确组装而抑制病毒的正常释放。GML 可结合包膜病毒中的脂质双层结构而发挥抗病毒特性，体外试验结果发现GML 在浓度低至250 mg/ml 时能够显著降低单纯疱疹病毒、泡状口炎病毒和绵阳髓鞘脱落病毒的病毒滴度[27-28]。Li等[29]对感染免疫缺陷病毒（SIV）的恒河猕猴研究发现，GML 可以阻断体内和体外的上皮细胞中促炎性细胞因子（IL-8）和趋化因子（MIP3-α）的表达，从而抑制CD4+T 细胞的募集，有效阻止猴SIV 的传播。Haase 等[30]证实GML 能确保恒河猴暴露在重复高剂量的SIV 下而不被感染，并且GML 的长期使用对恒河猴也是安全有效的[20]。此外，月桂酸单甘酯对多种病毒如艾滋病病毒、麻疹病毒、疱疹病毒、流感病毒等均具有抑制作用[31]。

通过研究结果发现，GML 对囊膜病毒有着很好的抑制作用，而对无囊膜病毒基本不起到抑制作用，其主要机理是：①直接作用。GML 由于亲脂性作用插入病毒囊膜，造成病毒囊膜的裂解，使病毒失去感染力和自身保护力[26-28]；②间接作用。GML 可抑制炎性因子和趋化因子的表达，间接减少病毒的传播和复制[29-30]。

2.3 抗炎活性

炎症是动物机体免疫系统对外界刺激的防御性反应。GML 可以通过调节机体炎症反应相关因子的活性和表达及免疫细胞的功能状态而具有很强的抗炎活性。研究表明，GML 能够抑制促炎细胞因子和趋化因子的表达，减轻机体的先天性免疫炎症反应，间接阻断恒河猕猴免疫缺陷病毒的传播[29]。Mo 等[32]研究发现，当饲粮中GML 添加至1 600 mg/kg 时，小鼠血清中的转化生长因子β1（TGF-β1）和白细胞介素22（IL-22）等抗炎因子的含量显著升高，而TGF-β1能够有效促进细胞的增殖和分化、调节机体的免疫应答和炎症反应，IL-22 在应对慢性炎症和维持机体稳态发挥重要作用。另有研究表明，GML 能够抑制金黄色葡萄球菌的生长及其外毒素的产生，从而抑制促炎因子IL-8 的合成，有效地发挥抗炎作用[33]。有研究表明，GML 可通过PI3K/AKT 通路调控P85 亚基的磷酸化以及减少钙离子的内流，最终减少T 细胞受体(TCR)诱导的IL-2、干扰素γ（IFN-γ）、肿瘤坏死因子α（TNF-α）、IL-10 等促炎因子的生成，而且GML 的抗炎作用在一定范围内呈剂量依赖性[34]。Witcher 等[35]通过使用佛波醇12-十四酸酯13-乙酸酯（Phorbol-12-Myristate-13-Acetate，PMA）、刀豆蛋白A（Concanavalin A, Con A）和中毒性休克综合征毒素-1（Toxic Shock Syndrome Toxin-1，TSST-1）等促炎物质在体外刺激T 细胞的模型中发现，GML 的干预会降低T 细胞的增殖。用TSST-1 刺激GML 处理的人体血液单核细胞时发现，三磷酸肌醇（IP3）的生成量减少，磷脂酰酶C-γ1（PLC-γ1）活性受到抑制[36]。综上所述，GML 可以调节炎症相关因子的表达、降低T 细胞的增殖能力以及改变相关酶的活性等多条通路改善机体的炎症反应。

2.4 抗毒素活性

GML 具有显著抑制细菌毒素的合成及由毒素介导的炎症反应的能力。Peterson 等[36]研究发现GML 具有稳定真核细胞细胞膜的作用，经GML 预处理的红细胞在抵抗低渗溶液（0～0.05 mol/l 生理盐水）、α溶血素和β溶血素时具有更大的抗性，并且能够调节促炎因子生成，从而阻止细菌毒素对真核细胞的毒副作用。当GML 的浓度低于葡萄球菌（产TSST-1 型菌属）和链球菌（A、B、F 和G 型）的最低抑菌浓度时，GML 可以降低葡萄球菌毒素和链球菌溶血素的生成[18]。Strandberg 等[33]证实GML通过抑制阴道致病性葡萄球菌的生长和毒素的合成，进一步减少由TSST-1 毒素介导的炎性因子IL-8 和趋化因子的生成，从而减轻细菌毒素对机体的致病作用。10 μg/ml 的GML 显著降低炭疽杆菌在指数后期合成炭疽毒素的量，其机制是通过在转录水平降低与保护性抗原（PA）、毒力因子（LF）和水肿因子合成有关的mRNA 的表达量，进而调节毒素的合成[37]。Projan 等[38]发现，GML 通过干扰细菌细胞膜上的信号转导，从而阻断β-内酰胺酶的诱导作用、抑制细菌的生长和延迟TSST-1 及其他葡萄球菌外毒素的合成。以上结果表明，GML 能显著抑制毒素的合成以及由毒素介导的炎症反应，然而与这两个途径相关的具体机制尚未明确，还有待进一步的研究。

3 GML在畜禽生产中的应用

GML 作为一种亲酯性乳化剂和非离子表面活性剂，同时也是一种安全、绿色、高效、环保和多用途的添加剂，其应用领域广、毒性较低、抑菌效果好、兼具防腐和乳化性能等优点，已被广泛运用于食品、医药、化妆行业及其他领域。早在1977 年，美国食品与药品管理局（FDA）批准GML 为GRAS（一般公认安全类食品添加剂）食品乳化剂，并证实了GML 的添加不会对人体产生危害。我国卫生部也于2005 年批准其应用于食品，最新国家标准中规定，单、双甘油脂肪酸酯（包括月桂酸）可根据实际生产需要适量进行添加。在畜牧生产中，GML 目前不在我国的饲料添加剂的目录里面，而GML 具有良好的抗菌性且随着pH 的变化的影响很小、抗囊膜病毒能力及抗炎症功能等特点，应用于畜禽生产不会产生相关病原菌耐药性等优点，具有广阔的应用前景。

3.1 改善动物生长（生产）性能

在家禽和猪的饲粮中添加GML，能有效改善有关动物的生产（生长）性能和肉品质。Fortuoso 等[39]发现，在饲料中添加100～300 mg/kg GML 可以显著降低肉鸡感染球虫和细菌的几率，改善饲料转化效率，当GML 添加为100 mg/kg 时，肉鸡的胸肌肉产出率最高，并显著降低胸肌系水力，改善肉鸡的肉品质。刘梦芸[40]研究表明，在饲料中添加150 mg/kg 的GML 可以显著提高肉鸡的饲料转化率和肠绒毛形态，显著提高鸡胸肉中C18∶2、C20∶4、必需脂肪酸、多不饱和脂肪酸的比例等，对提高肉鸡生长性能、消化能力和鸡肉营养品质具有积极的作用。Zhao 等[41]研究发现，饲粮中添加GML 能显著提高产蛋率、平均蛋重和蛋品质，增加了蛋黄中多不饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸的浓度，降低了蛋黄中总饱和脂肪酸的浓度。刘梦芸[40]研究表明，饲粮中添加不同剂量的GML 显著提高了鸡蛋的蛋白高度、哈夫单位，增强了蛋黄的颜色，显著增加了鸡蛋中总蛋白含量以及组氨酸和谷氨酸的含量，对蛋鸡的生产性能、蛋品质、腹脂形态和鸡蛋营养品质具有显著的提升效果，并且研究发现300 mg/kg GML 对于提高生产性能和产品品质效果更佳，而添加450 mg/kg GML 对于提高蛋鸡健康状况效果更佳。综上所述，GML 能够显著改善肉鸡的生长性能和肉品质，并显著提高蛋鸡的生产性能和蛋品质，对肉鸡和蛋鸡的生产具有积极的作用。

李涛等[42]研究表明，断奶仔猪日粮中添加0.4%的GML，能显著提高仔猪碱性磷酸酶的活性和平均日增重，降低平均日采食量和料重比，在改善断奶仔猪的生长性能方面发挥积极作用。蒋增良[43]通过微生物组学和代谢组学等方法研究GML 对断奶仔猪生长和健康的作用机制发现：与硫酸黏菌素相比，150 mg/kg GML 能显著提高断奶仔猪的采食量和日增重，改善断奶仔猪生长性能，此外，150 mg/kg的GML 还能显著地提高育肥猪的体增重和平均日采食量，并且显著增加肌肉红色色度、肌间脂肪的含量、血清中甘油三酯和低密度脂蛋白含量，显著降低肌肉内抗生素和重金属的含量，对肉质的改善发挥重要作用。可见，GML 对猪的生长性能和肉品质具有显著的改善作用。

3.2 改善肠道健康

GML 是一种广谱的抗菌剂，可通调节肠道菌群的组成和丰度以及改善肠上皮细胞的结构等对肠道健康发挥积极影响。在小鼠高脂肪日粮中添加450 mg/kg GML 研究发现，GML 可改善机体内脂类代谢和肠道菌群的组成，双歧杆菌和乳酸杆菌等有益微生物增加，并明显改善由高脂肪摄入引起的代谢综合征[44]。在断奶仔猪饲粮中添加0.4%的GML能极显著降低断奶仔猪粪便中总菌落数，降低有害微生物（大肠杆菌、沙门氏菌）菌落数，改善仔猪的肠道性能[42]。日粮中添加GML 可以调节断奶仔猪肠道菌群的组成及多样性，与硫酸黏菌素相比，150 mg/kg GML 能显著地提高丁酸产生菌和丁酸梭菌的相对丰度，同时还能显著地提高断奶仔猪肠道内的丙酸和丁酸的表达量[43]。研究发现，添加GML增加了绒毛高度以及绒毛高度与隐窝深度的比值，改善动物的肠道形态，促进肠道对营养物质的吸收[41]。可见，在饲粮中添加GML 可以改善断奶仔猪的肠道形态、降低肠道内的有害菌的含量，并增加有益菌的含量，对肠道健康的保护发挥着重要的作用。

3.3 预防和治疗疾病

某些脂类具有抗囊膜病毒的功能，作用于病毒的囊膜导致病毒囊膜裂解，病毒失去侵染能力，高浓度时还能使病毒囊膜结构甚至病毒自身完全裂解而失去活性。GML 既能破坏病毒的囊膜结构，降低病毒的感染滴度，同时还可以提高机体的免疫力。目前市场上面有以α-月桂酸单甘油酯为主要成分的产品，可以通过破坏蓝耳病毒囊膜的脂双层结构，导致蓝耳病毒裂解而失去侵染能力，抑制蓝耳病毒的复制和传播，解决了猪生产上的蓝耳病问题。研究发现，α-月桂酸单甘油酯能够有效地帮助母猪清除体内的蓝耳病毒，并且提高了母猪哺乳阶段的抵抗力，防止病毒的横向和垂直传播，不仅提高的母猪的健康度，而且还降低了仔猪患病的风险[45]。林观谊[46]通过对α-月桂酸单甘油酯的猪流行性腹泻综合防控方案结果显示，α-月桂酸单甘油酯对切断猪流行性腹泻的垂直传播、提高母猪疫苗免疫后初乳中PED-IgA 的滴度发挥重要作用，并且结果还发现哺乳仔猪的发病率由80%逐步下降至2%，有着明显的改善效果，证实了α-月桂酸单甘油酯能有效提高母源抗体滴度、提升仔猪黏膜免疫力水平以及防控初生仔猪流行性腹泻等，对改善母猪的健康管理和仔猪的生产成绩上有着重要的作用。在畜禽生产中由病毒引起的病毒性疾病严重影响畜禽的健康，且多数病毒都属于囊膜病毒，如蓝耳病毒、猪流行性腹泻病毒、非洲猪瘟病毒等均属于囊膜病毒，这些病毒在我国多个省份全面爆发，给我国的养殖业造成了巨大的经济损失，而GML 可以抑制囊膜病毒的复制和传播，降低病毒滴度和感染力，将GML 应用于畜牧生产具有一定的预防和治疗效果。

4 结语

GML具有广泛的抗菌、抗病毒、抗炎、抗细菌毒素等多种生物学活性，其作为天然的抗菌物质，抗菌性能好、抗菌谱广且不易产生细菌耐药性和残留等优点，已经广泛地应用于食品、医药和化妆品等多个领域。GML还不在我国饲料添加剂的目录里面，在畜禽生产方面的应用更多的处于试验阶段，现有的试验数据一致表明，饲料中添加适量的GML 能够改善动物的生长（生产）性能，预防和治疗畜禽生产中的相关疾病，提高畜禽的健康度，在改善动物健康和抗生素替代方面具有广阔的应用前景。

当前对GML 的研究更多的集中于医药、食品等方面，在动物营养领域，有关GML 在不同动物、不同阶段所发挥的具体作用及效果相关的研究较少，如添加形式、不同阶段的添加量、配伍原则、与其他营养物质的协同及发挥不同生物活性时的机制等研究相对匮乏，要想通过运用GML 解决当下养殖过程中的突出问题，仍需要进一步的理论和实践方面的研究。在之后的理论研究中，对GML 的研究除了注重常规健康指标检测的同时，还可更多的集中于对常见细菌性和病毒性疾病的作用机理进行深入研究，进行GML对抗细菌、抗病毒、抗炎及抗毒素等相关信号通路和机制的研究，集中于GML 对机体和肠道健康。在应用研究方面，目前仅有少数的GML 对畜禽生长和畜产品品质方面的报道，并且各报道之间的侧重点不同，关联不大，很难用于生产实践中提出具体的生产方案。因此，加强GML 在畜禽生产中的应用效果和作用机理的研究，不仅可以为开发绿色、环保的饲料添加剂作为抗生素替代品的研发提供重要的理论基础，同时对解决畜禽生产实践中的问题和提高经济效益具有重要意义。