中短链脂肪酸的联合使用

■黄艺珠 姜 飞 黄怀萱 唐卓懿 崔 超 章 亮 龙吉云 赖州文*

（1.新奥（厦门）农牧发展有限公司，福建厦门361006；2. Manuka Biotech Sdn Bhd，马来西亚81000）

“非瘟”和“无抗”是当前畜牧业最关注的两大热点问题。自2018 年爆发非洲猪瘟以来，已给我国养猪业造成了巨大的损失。在疫苗遥遥无期，药物无用的处境下，一篇2009 年发表在国际著名期刊杂志《Nature》上关于“月桂酸单甘酯可阻断猴免疫缺陷病毒（SIV）传播”的文章引起了行业的广泛关注，因此在业内掀起了一股月桂酸单甘酯抗囊膜病毒（如ASFV）的热潮。虽然月桂酸单甘酯能否抑制ASFV还有待考证，但是月桂酸单甘酯在抑制HIV 病毒、细胞巨化病毒、疱疹病毒、感冒病毒、猪蓝耳病毒等方面的应用已得到广泛的验证。

自抗生素被发现和使用以来，其在人和动物的疾病防治中发挥着重要作用。实践证明，饲用抗生素在促进动物生长、提高饲料报酬、改善动物产品品质等方面作用突出，但同时也引起药物残留、细菌耐药性等负面问题，对动物、人和生态环境造成严重危害。欧盟等多个国家早已禁止在饲料中使用抗生素，我国的禁抗步伐也提上了日程，2018 年4 月20 日农业农村部发布了“关于开展兽用抗菌药使用减量化行动试点工作”的通知，将深入推进养殖业供给侧结构性改革，维护养殖业生产安全、动物源性食品安全、公共卫生安全和生态环境安全。之后，2019年7月9 日农业农村部发布了《药物饲料添加剂退出计划》通知，饲料端“禁抗”，养殖端“减抗、限抗”大势已定，行业已处于“后抗生素时代”的风口浪尖。大家都在寻求抗生素的替代品。短、中链脂肪酸及其衍生物(脂肪酸盐及脂肪酸甘油酯)具有广泛的抑菌效果，短链脂肪酸SCFA（如丁酸及其衍生物）抑制革兰氏阴性细菌如沙门氏菌、大肠杆菌，中链脂肪酸MCFA(如月桂酸及其衍生物）抑制革兰氏阳性细菌如金黄色葡萄球菌。实践证明，单一成分产品很难完全替代抗生素，多个成分组合的产品和方案才是替抗的最佳选择。

1 人与动物乳脂中短、中链脂肪酸的占比

《人乳脂及人乳代替脂》这本书阐述了人及几种哺乳动物乳脂中短、中链脂肪酸的占比[1]，总结如表1所示。

表1 人及动物乳脂中短、中链脂肪酸的占比(%)

由表1 可以得出：①乳脂中短、中链脂肪酸的占比高低是自然选择的结果，这与中国农业大学呙于明教授在2019 年“鲲鹏鸟”大会上提出的“丁酸是表遗传学调控的营养素”的观点不谋而合；②哺乳动物的生存条件越差，其乳脂中短、中链脂肪酸的占比就越高，说明短、中链脂肪酸对于动物抗逆环境具有重要作用。

2 短链脂肪酸

2.1 抑菌机理

有机酸（丁酸）具有亲脂性，可以黏附致病菌脂质胞膜而穿入细菌胞浆内，在胞浆内解离产生氢离子，从而降低胞内pH 值或造成胞内有机酸的离子积累，导致致病菌死亡[2]，影响到致病菌内生物大分子的功能。为了维持胞内pH 值稳定性，致病菌必须动用能源ATP 来运送氢离子到胞外。但这种耗能工作终将导致致病菌用尽能量而死亡[3]，见图1。有机酸除可通过降低pH 值而影响微生物外，其阴离子还具有独特的杀菌功能，大量阴离子在胞内积聚，从而改变胞内的渗透压而造成细菌中毒，如糖酵解和核酸合成的停止、酶解反应受阻[4]。

众所周知，乳酸菌在低pH值环境下也能生长，对有机酸的耐受力比大肠杆菌强得多。革兰氏阳性细菌胞内钾离子浓度高，抵消了有机酸酸根阴离子的作用。因此，有机酸起到了选择性抗菌作用，乳酸杆菌得以存活下来，而病原微生物如大肠杆菌和沙门氏菌遭到扑杀。

图1 短链脂肪酸（丁酸）的抑菌机理

2.2 抑菌效果

Galfi 等(1990)[5]给生长猪饲喂含0.17%丁酸钠的日粮，发现能够使猪回肠微生物区系中大肠杆菌的比例下降，乳酸杆菌的比例上升。Fernández-Rubio 等（2009）[6]试验表明，1日龄雏鸡口服感染肠炎沙门氏菌后，添加丁酸钠能够显著降低肉鸡嗉囊、肠道沙门氏菌的定植数量（P＜0.05），降低沙门氏菌的肝脏移位，下调沙门氏菌侵袭相关基因表达。张雪艳（2007）[7]研究表明蛋鸡日粮添加丁酸盐，空肠、盲肠、结肠中大肠杆菌数量显著减少（P＜0.05），乳酸杆菌数量显著增加（P＜0.05）。Castillo等（2006）[8]在早期断奶仔猪饲粮中添加0.3%的丁酸钠，其肠道微生物多样性极显著增加(P=0.002)，乳酸杆菌和肠杆菌数量的比值显著提高。郭小华等（2005）[9]在断奶仔猪日粮中添加0.1%丁酸钠，结果发现仔猪肠道乳酸杆菌数量增加，致病性大肠杆菌数量减少。Lynch等（2017）[10]研究表明给仔猪饲喂丁酸钠后可以有效降低仔猪粪便中沙门氏菌数量（P=0.001）。陈芳等（2017）[11]在屠宰前4 周时给育肥猪饲喂丁酸钠，结果显著降低育肥猪盲肠沙门氏菌的检出率（P＜0.05）。

Defoirdt等（2006）[12]研究发现，不同浓度的短链脂肪酸例如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸对坎氏弧菌的生长抑制作用具有pH依赖性。在pH值为5时，生长被完全抑制；在pH值为6时，生长抑制被推迟；在pH值为7 时无抑制效果。本研究结果与Wolin（1969）[13]、McHan 等（1993）[14]研究在不同pH 值条件下短链脂肪酸对大肠杆菌和肠炎沙门氏菌生长抑制效果的结果存在相关性。以上研究表明，在低pH值条件下，短链脂肪酸的杀菌抑菌效果增强。

3 中链脂肪酸

3.1 抑菌机理

中链脂肪酸（MCFAs）是指碳链长度在6～12个的饱和脂肪酸，包括己酸、辛酸、癸酸和月桂酸。中链脂肪酸具有广谱的抗病原微生物作用，因此是目前热门的替抗产品之一。关于中链脂肪酸的抑菌机理，据研究报道主要有以下四种。

①由于中链脂肪酸也是一种有机酸，所以它跟短链脂肪酸有同样的抑菌机理，穿透细菌的细胞膜，在细菌细胞内开始解离并不断积聚H+，最终通过在细胞质中产生的酸化作用杀死细菌[15]。相比短链脂肪酸和长链脂肪酸，中链脂肪酸的最小抑菌浓度最低，而且游离的中链脂肪酸在动物胃中就可以对病菌发挥早期的屏障作用。

②中链脂肪酸具有的特殊的化学结构, 可以迅速进入到细菌细胞膜的脂质层，通过破坏细菌细胞膜结构而引起内容物丢失、运输机制被破坏而起到抑制细菌的作用。见图2。

图2 中链脂肪酸破坏细菌细胞膜的抑菌机理

③中链脂肪酸可以抑制细菌脂肪酶的生成。因细菌要附着于肠道绒毛上必须有这种酶参与, 所以中链脂肪酸能起到抑制细菌附着到肠壁的作用, 从而有利于肠道通过粪便将细菌排出体外。

④中链脂肪酸可通过解偶联作用而抑制革兰氏阳性菌。如图3。

3.2 抑菌效果

许多的体外试验已经表明，中链脂肪酸及其甘油一酯对致病菌、病毒及寄生虫的活性具有一定的抑制作用。中链脂肪酸中辛酸（C8∶0）及癸酸（C10∶0）对大多数的革兰氏阳性菌有显著的抑制作用，但是对革兰氏阴性菌作用很小。辛酸（C8∶0）及癸酸（C10∶0）同时使用还具有协同效应。月桂酸（C12∶0）主要对革兰氏阴性菌有显著的抑制效果，辛酸、癸酸及月桂酸的甘油一酯的抗菌效果要明显的好于其游离的脂肪酸。辛癸酸单甘酯对革兰菌、霉菌、酵母均有抑制作用。月桂酸单甘酯对革兰氏阳性菌以及部分革兰氏阴性菌均具有最强抑制效果，其次是丝状真菌以及酵母菌，而对部分革兰氏阴性菌抑菌作用较弱，其原因是革兰氏阳性菌细胞壁肽聚糖含量高，组成简单，交联度高，月桂酸单甘酯分子较易通过细胞壁。而革兰氏阴性菌具有内外壁，肽聚糖含量较少，但外壁层(脂多糖层)组成复杂在控制细胞对月桂酸单甘酯或其他防腐剂及小分子物质的亲和性方面起着关键作用。而对诸如淋病奈瑟菌、空肠弯曲杆菌、幽门螺杆菌、嗜血杆菌及加德纳菌属等细胞壁是由脂寡糖(LOS)组成的革兰氏阴性菌。月桂酸单甘酯易于通过细胞壁而与生物膜相结合而发挥抑制作用，故对该类革兰氏阴性菌具有良好的抑制效果。可见，中链脂肪酸的抑菌效果与其所含的中链脂肪酸的种类密切相关。

图3 中链脂肪酸的解偶联作用

月桂酸单甘酯(Glycerol Monolaurate，简称GML)，是一种新型、安全、高效的亲脂性非离子型表面活性剂，兼具防腐和乳化的功能，对革兰氏阳性菌以及部分革兰氏阴性菌均具有很强抑制效果。但GML的缺点是不溶于水，因此限制了它的应用，可将GML改性制成水溶性的GML，使之方便使用，乳化性能和抗菌性能增效，还可以促进皮肤的渗透（渗透率增加23%）、增加营养物质的吸收[16]。

中链脂肪酸作为欧盟热门的替抗产品之一，其效果在国内外已得到了广泛的验证。Sprong等（2002）[17]研究表明，0.5 mmol/kg 中链脂肪酸对沙门氏菌、大肠杆菌、空肠弯曲杆菌、产气荚膜梭菌均有抑制作用。Timbermont 等（2010）[18]给鸡饲喂含中链脂肪酸的日粮，可以减少产气荚膜梭菌引起的鸡坏死性肠炎病变。Dierick 等（2002）[19]研究发现添加中链脂肪酸（MCFA）使猪十二指肠内大肠杆菌数量降低10 倍左右。宋汉娇（2017）[20]的研究再次证实中链脂肪酸对白色念珠菌、绿脓杆菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有较强的抑制作用。作为中链脂肪酸的一种，月桂酸的抑菌作用也得到了广泛的研究验证，梁准成等（2015）[21]研究表明月桂酸及其衍生物对枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和沙门氏菌均有抑菌活性。

3.3 抑制囊膜病毒的机理

Hyldgaard 等（2012）[22]研究发现月桂酸单甘酯对囊膜病毒有抑制作用，可能通过破坏病毒囊膜的脂质双分子层来抑制病毒的复制和传播（见图4）。

图4 GML抑制囊膜病毒的机理

由于月桂酸单甘酯不溶于水，限制了他的抗菌、抗病毒效果的发挥。将月桂酸单甘酯改性后，增加了亲水的极性基团。而囊膜病毒脂质双分子层中的磷脂酰带极性基团，吸引了同样是极性的改性月桂酸单甘酯趋近并穿透病毒脂质双分子层。当亲水基团碳链与疏水基团碳链相当时，改性单月桂酸单甘酯就固化在病毒囊膜或细菌胞膜上，破坏了病毒的脂质膜，且H+加速了这一进程。见图5。

图5 改性月桂酸单甘酯抑制囊膜病毒的机理

3.4 抑制囊膜病毒效果

2009年，一篇发表在世界著名期刊《Nature》中的文章，研究者用恒河猴为研究对象探索了月桂酸单甘酯对预防艾滋病的效果。结果表明月桂酸单甘酯可阻断猴免疫缺陷病毒（SIV）的传播。另有研究表明月桂酸单甘酯对艾滋病病毒、细胞巨化病毒、疱疹病毒、sna 病毒等均有抑制作用。Hilmarsson 等（2006）[23]研究发现中链脂肪酸及其衍生物对绵羊髓鞘脱落病毒有抑制作用，该研究还有一个重要发现，在pH 值4.2的抑制效果显著高于pH值7的抑制效果（见表2），说明在酸性条件下，中链脂肪酸及其衍生物的抗病毒效果更强。

4 中短链脂肪酸的组合遵循中医的君臣佐使的理念

中短链脂肪酸组合的研发遵循中医药的君、臣、佐、使原理：改性月桂酸单甘酯是一种表面活性剂、乳化剂和防霉剂，在食品行业已经使用很长时间了，对囊膜和细菌胞膜有很强的破坏性，是核心组分，为君。丁酸衍生物提升机体黏膜的四大屏障功能，协助抵御病原微生物的侵扰，为臣。将改性月桂酸单甘酯和丁酸衍生物裹敷在酸性悬浮液中，酸性环境为佐。产品使用方法可喷、可混、可饮、可灌、可敷、可涂擦、可稀释、可揉团、可随油、可随水、可前洒、可后喷、可气雾、可佐药(见图6)。

图6 设计理念

5 中短链脂肪酸组合的优势

5.1 对病毒囊膜和细菌胞膜穿透力更强

GML和改性GML经饲料添加时接触病原微生物的机会不同：GML 呈固态，粒径在0.5～1.0 mm 之间，与囊膜病毒接触的机会很小。即便接触到了，彼此都是固态，之间没有液体介质，GML 是无法杀菌抗病毒的。改性GML呈液态，颗粒比常规GML小250倍，再经500倍稀释，与饲料表面可能污染的病原菌或囊膜病毒粒子的接触面积扩大了12 万倍，接触的机率大幅提升。在水油交界的介质中，又受酸性氢离子的促发，对病原菌和囊膜病毒的破坏力大增。GML和改性GML的对比见表3。

表3 GML和改性GML的特性比较

5.2 酸性条件下抗病原微生物能力更强

为动物营造一个酸性环境是呵护动物健康的关键。常见致病性微生物的pH敏感值见表4。

在酸性条件下，绝大部分病原微生物均可降低活性或失活。因此酸性条件下中短链脂肪酸的组合抗病原微生物的能力更强。

5.3 中短链脂肪酸组合的四个双效

①液态分散性极强，与病原微生物接触的面积和机会更大；pH＜4，酸化使得抑制病原微生物的效果更强，二者协同抑制的双效。

②丁酸修复黏膜，维持消化道黏膜完整性，降低非特异性免疫反应，减少巨噬细胞暴露，黏膜保护与抑制病毒的双效。

③中短链脂肪酸合理搭配对病毒、病原菌有同时抑制的双效。

④饲料添加混合和饮水同时使用时，可在两个主要途径大大降低病毒、细菌感染风险的双效。

5.4 中短链脂肪酸组合是替抗方案的必然选择

中短链脂肪酸对病原微生物的敏感性见表5，短链脂肪酸对革兰氏阴性菌的作用比较强，中链脂肪酸对囊膜病毒、革兰氏阳性菌和真菌的作用比较强，因此把中、短链脂肪酸组合起来，抑制病原微生物的谱系更广，抑制病原微生物的能力更强。

表4 常见致病性微生物的pH敏感值

表5 中短链脂肪酸对病原微生物的敏感性

6 中短链脂肪酸的应用

6.1 养殖场复养

通过消化道传播是非洲猪瘟病毒主要的传播途径之一。通过消化道传播又可以分为两种方式：通过饲料传播和通过饮水传播。

6.1.1 阻断饲料中非洲猪瘟病毒的感染风险

非洲猪瘟爆发后，很多饲料厂采取提高制粒温度，延长调制时间的方式来减少饲料中非洲猪瘟病毒感染的风险，但是全球非洲猪瘟联盟主任、首席专家Sandra Blome教授指出：85 ℃加热10 min才可以灭活非洲猪瘟病毒，但需要保证使非洲猪瘟病毒处于这种环境中，而不是饲料处于的环境。我们尚且不论饲料制粒过程能否保证非洲猪瘟病毒处于这种环境中，就目前的工艺技术，饲料制粒温度和时间最多维持在85 ℃5 min，因此通过饲料加热方式防控非洲猪瘟还有待研究证实。

将中、短链脂肪酸组合制成酸性水制剂，在饲料中添加混合时，与囊膜病毒（如非洲猪瘟病毒）的接触面积和接触机会更大，在水油交界的介质中，又受酸性氢离子的促发，对囊膜病毒的破坏力更强，可以阻断非洲猪瘟病毒通过饲料感染的风险。

6.1.2 阻断饮水中非洲猪瘟病毒的感染风险

最近美国新型传染病杂志(EID journal)发表了一篇关于非洲猪瘟病毒在自然饮水或饲料中的感染剂量报道[24]。研究结果表明：非洲猪瘟病毒通过饮水传播感染猪，最小感染猪群的剂量，每毫升水中病毒的含量只需要为100TCID50即1个病毒粒子就可以，而通过饲料传播感染猪群，感染一半的猪群，每克饲料中需要104TCID50即10 000 个病毒粒子才能使猪感染。说明饮水相对于饲料更容易成为非洲猪瘟感染猪群的途径，这就给非洲猪瘟的防控提出了极高的要求，即要求有效地预防非洲猪瘟病毒感染，必须阻断饮水感染的可能。

非洲猪瘟病毒耐酸碱范围为pH 值4～13，将中、短链脂肪酸组合制成酸性制剂，pH＜5，通过饮水添加可以阻断非洲猪瘟病毒经饮水感染的风险。

将中、短链脂肪酸组合制成酸性制剂，具有酸化、抗囊膜病毒、促进胃肠道健康、促生长等作用，同时在饲料和饮水中添加，可以阻断非洲猪瘟病毒经饲料和饮水感染的风险，助力养殖场复养。

6.2 替抗

“饲料禁抗”实锤落地，“科学替抗”迫在眉睫!一种好的替抗产品需同时具备以下条件：便于饲料加工且在饲料中稳定；具有促生长功能；改善饲料转换效率；能提高动物抗病力；对动物适口性无不良影响；易被机体利用或清除；在消化道内稳定；可以杀灭致病菌；不破坏肠道正常菌群；无毒副作用；环境无残留；不引起细菌耐药性。中短链脂肪酸正好符合以上所有的条件。在1928 年之前，脂肪酸是人类对抗感染的重要手段，在欧洲十几年的禁抗历程中，中短链脂肪酸已成为替抗的主力。短链脂肪酸对革兰氏阴性菌的作用效果比较强，中链脂肪酸对革兰氏阳性菌、真菌和囊膜病毒的作用效果比较强，将中短链脂肪酸组合在一起抗病原谱更广，是替抗方案的最佳选择之一。

6.3 救助弱仔，或疫病来临时的应急措施

畜禽在弱小、疾病或应激情况下，机体通常处于负能量平衡的状态，体质比较弱，抗病力差，对饲料中营养物质的吸收能力十分有限，这时急需一种可以快速供能的营养物质，让病弱畜禽可以快速恢复体能，提高抗病力和成活率。短链脂肪酸（丁酸）是肠上皮细胞的快速能量源，可以为病弱畜禽肠道快速供能，维持肠道健康；中链脂肪酸水溶性极强，即使在缺乏胆盐或脂肪酶的情况下，也可以快速通过门静脉进入肝脏线粒体进行氧化供能，能快速、有效地为病弱畜禽提供能量，因此被称为“救命油”。另外，在疾病情况下，病弱畜禽体内酶活力比较低，中链脂肪酸作为一种代谢激活剂，可提高体内酶活力，提高病弱畜禽对其他营养物质的消化吸收率。中短链脂肪酸除了具有快速供能的作用外，还具有抗菌、抗病毒的作用，可以增强病弱畜禽的抗病力。因此，将中、短链脂肪酸组合制成酸性制剂，可饮水，也可灌服，是救助弱仔，或疾病来临时的应急措施。

6.4 酸化水线

水是生命之源，所以水是养殖场24 h不可断的营养。但是很多的病原微生物都可能通过饮水线感染给动物，因此切断饮水线的病原传播至关重要。在酸性条件下，绝大部分病原微生物均可降低活性或失活。由畜禽常见疫病病原的pH值敏感值可以看出大多数病原微生物在pH＜5时均可被灭活，因此，在养殖场饮水线中添加中短链脂肪酸组合酸性制剂，可以酸化水线，切断病原微生物经水感染的可能。