有机酸的作用机制及应用

徐运杰 苏双良 刘曰青 邓 敦 孙丙勇3,

（1. 山东和美集团有限公司，山东 惠民 251700；2. 唐人神集团股份有限公司，湖南 株洲 412000；3. 滨州市农业技术推广局，山东 滨州 256600）

肠道微生物因其多种生理功能而影响宿主健康。当畜禽肠道健康受到损害时，消化和营养吸收受到影响，导致宿主易感疾病进而带来经济损失。天然肠道菌群粘附在肠黏膜上，通过竞争营养素和结合位点、发酵（如乳酸杆菌）产生短链脂肪酸（SCFA） 和细菌素，从而抑制病原体的定植。2006 年之前，抗生素被广泛用作健康策略，以抑制肠道感染和病原体粘附在肠黏膜上，在提高生长速度、饲料效率和降低死亡率等方面的有效性毋庸置疑。然而，由于担心病原体对抗生素的耐药性和药物残留问题，促生长的抗生素药物饲料添加剂在商品饲料中已被广泛禁用。后抗生素时代，科研院所和企业的研发技术人员认为，在商品饲料中综合利用有机酸（如甲酸、苯甲酸、乳酸和柠檬酸等）、有机矿物质（如甲酸钙和氨基酸螯合物）、噬菌体、抗菌肽、精油、益生元、益生菌和酶制剂等可以作为潜在的抗生素替代品。其中，有机酸因其抗菌活性而在世界范围内得到广泛应用，其可降低胃肠道pH 值和对抗病原菌，最终提高养分利用率、改善动物的生长性能。

1 有机酸的种类和特性

有机酸是指一些具有酸性的有机化合物。最常见的有机酸是羧酸（R-COOH），其酸性源于羧基（-COOH）。早在1999 年，Partanen 等[1]报告称，在日粮中加入有机酸可以提高猪的生长性能并调节肠道微生物群。Tsiloyiannis 等[2]报道，乳酸可以降低胃的pH 值，延缓产肠毒素大肠杆菌的增殖，在控制断奶仔猪腹泻综合征和改善生长性能方面比其他有机酸更有效。其他研究表明，在正常生理条件下，在日粮中添加有机酸对猪健康有益，减少了受大肠杆菌K88 攻击的断奶仔猪腹泻，降低了粪便pH 值，增加了血清淋巴细胞浓度，改善了生长性能[3-4]。

最常用的有机酸是短链脂肪酸，例如甲酸、苯甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、柠檬酸、乳酸和苹果酸，其中苹果酸是一种二羧酸。这些都是弱有机酸，当溶解在水中时，产生H+和OH-。有机酸的工作机理和作用方式取决于它们的pH 和pKa 值。表1 列出了当前在动物营养中最常用的一些有机酸[5,6]。通常情况下，酸的混合物显示出不同的pKa 值，通过保持肠道最佳pH 值具有更广谱的抗菌活性。此外，有机酸还有一些远远超出抗生素的额外作用，如降低消化道pH 值和增加胰腺分泌水平[3]。

表1 常用有机酸的种类和特性

2 有机酸的作用方式

与抗生素一样，有机酸也具有抗菌活性，对肠道健康和发育有显著的益处，并最终对动物健康和生产力产生积极影响。有机酸的积极作用归因于多种因素：（1）非解离有机酸的抗菌活性；（2）降低消化道（尤其是胃）的pH 值，增强酶活，有助于蛋白质消化；（3）降低胃的排空速率；（4）刺激内源酶的分泌；（5）为肠道组织提供营养，改善肠黏膜完整性和功能。

Theobald 研究发现[7]，酸抑制微生物的效果取决于其pKa 值，pKa 值是50%的酸分别以解离和非解离形式存在时的pH 值。非解离的有机酸能自由穿透微生物的半透膜进入细胞质，改变其代谢。这意味着有机酸的抗菌效果在酸性条件下更大，如在胃中，而在中性pH 条件下较小，如在肠道中。为了实现最佳生长，大多数细菌都需要特定的pH 值，它们无法在极端酸性条件下生长（pH＜4.5）。有机酸通过释放氢离子直接降低环境pH 值，从而防止或抑制酸敏感细菌的增殖。众所周知，可以通过使用乳酸、山梨酸、苯甲酸、柠檬酸和乙酸等弱有机酸降低食品或饮料的pH 值来阻止微生物生长，起到防腐作用，延长保质期。

有机酸的pKa 值和胃肠道的pH 条件将影响日粮和食糜的pH 降低程度。有机酸的pKa 值越高，非解离形式的弱酸比例越高，对饲料的防腐效果越好，并能保护饲料免受真菌和微生物的感染。相反，有机酸的pKa 值越低，说明解离形式的弱酸比例越高，其降低胃部pH 的作用越大，在通过胃肠道的过程中，对消化道远端的抗菌作用越低。因此，很明显，每种酸都有一个微生物活性谱，涉及特定的pH 范围，混合型酸化剂代表一个pKa 值范围，由于活性谱更宽而被大量使用。总之，有机酸对细菌作用模式的基本原理是，非解离的有机酸可以穿透细菌细胞壁，破坏我们称之为“pH 敏感”的某些类型细菌的正常生理，从而达到杀菌效果。

当消化道上部的pH 值降低时，营养物质的消化率会增加。有机酸通常用作畜禽饲料中的酸化剂，通过降低食糜pH 值来提高蛋白质的消化率，是提高饲料养分消化利用率最有前途的替抗产品。据报道，服用有机酸可提高胃蛋白酶活性和微生物植酸酶活性，并且由于pH 值较低，可诱导胰腺分泌，增加胰蛋白酶原、糜蛋白酶原A、糜蛋白酶原B、原羧基肽酶A 和原羧基肽酶B 的浓度，所有这些都会提高蛋白质的消化利用率[8]。郑建婷等[9]研究了柠檬酸对生长肉兔养分表观消化率的影响，结果表明，添加柠檬酸后，各试验组粗蛋白质、粗灰分的表观消化率极显著高于对照组，生长肉兔饲粮中适宜的柠檬酸添加水平为1.5%。另外，补充有机酸还可以减缓饲料在胃肠道中的运输，有助于必需营养素更好的吸收，从而对消化产生积极影响[10]。

此外，通过降低日粮的pH 值，有机酸可以提高矿物质的利用率。研究表明，柠檬酸有助于释放与植酸分子结合的矿物质，从而提高Ca、P和Zn 的利用率[11]。Partanen 等[12]研究报道，甲酸能够减少猪小肠不同部位的细菌氮，从而改善蛋白质、部分必需氨基酸、脂质、Ca 和P 的回肠表观消化率。此外，由抗菌活性引起的胃肠道内微生物增殖降低也起到了关键作用，减少了微生物区系与宿主之间的营养竞争。

一般来说，胃肠道中的细菌会导致细菌种群和宿主动物之间的营养竞争。细菌还会分泌有毒化合物（即有毒氨基酸分解代谢产物），降低消化脂肪的能力，诱导吸收性肠上皮细胞快速周转，杯状细胞分泌更多黏液，并诱导炎症反应和免疫系统发育。所有这些影响都会影响生长速度。在猪日粮中，微生物群消耗的净能高达6%[6]。因此，处理有害细菌很重要。Davidson 等[13]指出，细菌细胞壁易被有机酸渗透，破坏正常的细胞功能，包括细菌的复制和蛋白质合成。有机酸对致病菌杀菌作用的顺序机制如下：（1） 有机酸（质子化形式） 穿透细菌的细胞壁； （2）穿透的有机酸分解为共轭碱形式（非质子化形式），细胞内pH 值降低，导致细胞功能障碍，从而阻止细菌生长，尤其是pH 敏感的细菌种类[14]。据报道，日粮中添加二甲酸钾[15]、柠檬酸[16]、混合有机酸（包括柠檬酸、甲酸、富马酸和乳酸）[17]对胃肠道中的微生物种群有积极影响。

Van Dam 等[18]提出，甲酸、苯甲酸、乳酸和丙酸等有机酸已被用于在储存期间保护饲料成分不受真菌和微生物的影响。一些有机酸已被证明具有强大的抗菌作用，可预防重要的食源性病原体，如大肠杆菌和沙门氏菌。此外，混合有机酸在减少大肠杆菌和沙门氏菌数量方面比抗生素恩拉霉素更有效[19]。

3 保护性有机酸

据报道，没有保护的有机酸的有效性会受到限制，因为十二指肠的快速代谢和吸收使到达下肠道的有机酸数量减少，从而影响有机酸调节肠道菌群的能力[20]。提高营养素和活性化合物在食品和药品中的保留时间的微胶囊技术作为一种保护方法，于1954 年首次商业化应用，至今已在食品和制药行业应用了几十年[21]。该技术的价值主要： （1） 降低核心成分与外部环境（如光、氧气和水）的反应；（2）防止结块，更容易混合；（3）调控核心成分的释放部位，以实现正确刺激； （4） 隐藏不良味道和气味。Fernández-Rubio 等[22]注意到，通过脂质壳微囊化，短链脂肪酸进一步沿着胃肠道向下运输，缓慢释放，使有机酸在整个胃肠道发挥作用。Gheisari 等[23]研究报道，日粮中添加0.2%的保护性有机酸可增加有益菌群（乳酸杆菌属） 的数量，并减少动物肠道内容物中的有害细菌（产气荚膜梭菌、大肠杆菌和沙门氏菌属）的计数，从而使有机酸在整个胃肠道中发挥作用。Smulikowska 等[24]指出，与对照组相比，在动物饲料中添加保护性有机酸改善了氮的存留。关于在猪日粮中添加保护性有机酸对生长性能、养分消化率和微生物菌群结构的影响也有大量研究报道[3,20]。周学光等[25]研究了包被型酸化剂对断奶仔猪生产性能的影响，结果表明，包被型酸化剂比未包被型酸化剂能更好地提高断奶仔猪生产性能，日采食量可提高10%，日增重可提高6%-10%，料重比降低3.0%-5.3%。总之，日粮中添加包被有机酸可以更有效地提高动物的生长性能、营养物质消化率及肠道中有益菌群的数量。

4 饲料中添加有机酸的原因

一些有机酸（如柠檬酸） 是肠道的能量来源，因为它们是三羧酸循环的中间产物。Kirchgessner[26]指出，猪可以使用富马酸作为能源，其效率与葡萄糖相当。Blank 等[27]进一步研究表明，富马酸是一种有效的能源，对小肠黏膜产生积极影响，使断奶后仔猪的胃肠道上皮细胞恢复更快，从而改善了小肠的吸收表面和吸收能力。可见，能值是有机酸具有促生长作用的原因之一。

大量的研究表明，在日粮中添加有机酸对猪的生长性能有积极影响。与未添加有机酸的日粮相比，无抗日粮中添加0.4%有机酸混合物（苯甲酸、柠檬酸、富马酸、乳酸和丙酸），仔猪在生长性能、采食量和料肉比方面更好[28]。Upadhaya 等[29]报道，有机酸混合物（包括10%苹果酸、13%柠檬酸和17%富马酸）对仔猪（添加0.4%）、生长猪（添加0.2%） 和肥育猪（添加0.1%）的生长性能有积极影响。与添加氧化锌的断奶仔猪相比，日粮中添加有机酸混合物（含有柠檬酸、甲酸钙和乳酸钙） 和中链脂肪酸（癸酸、月桂酸和肉豆蔻酸），提高了断奶仔猪的平均日增重、平均日采食量和饲料效率[30]。另外，日粮中添加柠檬酸还能够提高妊娠母猪的抗氧化能力和血钙浓度，缩短平均产仔间隔和产程[31]，增加母猪血清中免疫球蛋白含量，显著改善初乳乳蛋白、乳脂成分和抗体含量，进而显著提高仔猪断奶均体重，有效改善哺乳母猪生产性能[32]。

关于在猪日粮中添加有机酸对养分消化率的影响已有大量研究。据报道，补充混合有机酸（丁酸、甲酸和富马酸）可提高粗蛋白质和必需氨基酸的回肠表观消化率，最高可达5%。Franco 等[33]指出，在断奶仔猪的日粮中添加乳酸、甲酸和富马酸的混合物可以提高干物质的消化率。崔海燕[34]研究了包被复合有机酸对肉鸡的影响，结果表明，日粮添加3-4.5 g/kg 包被有机酸可改善1-42 d 肉鸡的饲料效率，并降低肌肉脂质氧化。

尽管经过多年的研究，胃肠道微生物种群在宿主动物营养和生长中的复杂作用仍不完全清楚。有机酸可以通过调节动物肠道菌群控制营养竞争。例如，在生长肥育猪的日粮中添加0.1%的有机酸混合物（10%苹果酸、13%柠檬酸和17%富马酸）可降低大肠杆菌数量，增加乳酸杆菌数量[29,35]。同样，Ahmed 等[36]发现，在断奶仔猪日粮中添加0.4%的酸化剂（包括4.1%丙酸、9.5%磷酸、10.2%乳酸和17.2%甲酸） 会增加芽孢杆菌和乳酸杆菌的浓度，并减少沙门氏菌和大肠杆菌的数量。王同振等[37]报道，在低蛋白水平日粮添加复合酸化剂提高了仔猪后肠微生物菌群的丰富度和有益菌的相对丰度，降低了致病菌的相对丰度，改变了后肠中代谢物的组成和结构，引起后肠核黄素等代谢的改变，促进了仔猪肠道健康。在母猪的日粮中添加保护性有机酸可减少产奶期和断奶期的大肠杆菌数量，并增加乳酸杆菌数量[38]。

还有许多研究指出，补充有机酸可以减少有毒气体的排放，从而减少环境问题。据报道，母猪饲喂添加了保护性有机酸（10%苹果酸、13%柠檬酸和17%富马酸） 的日粮，有毒气体（如H2S） 排放显著减少[38]。同样，Upadhaya 等[35]指出，在生长猪的饲料中添加0.2%保护性有机酸（10%苹果酸、13%柠檬酸和17%富马酸） 可以减少有毒气体的排放。Hossain 等[4]还指出，生长猪饲喂添加保护型有机酸（10%苹果酸、13%柠檬酸和17%富马酸） 的日粮，猪舍NH3浓度降低。类似地，Eriksen 等[39]证明，猪喂食含有2%苯甲酸的饲料，NH3排放量减少60-70%，但是，含硫气体排放受到蛋氨酸和苯甲酸处理之间强烈相互作用的影响。王小建等[4]用720 头28 天的断奶仔猪研究表明，日粮添加包被有机酸对断奶仔猪粪中NH3、H2S 及硫醇化物的含量均无显著影响，且日粮营养水平和包被有机酸对粪中有害气体含量的影响均无显著交互效应。在肉鸡日粮中添加丝兰提取物和酸化剂，可显著地降低鸡舍内NH3和H2S 的质量浓度，改善鸡舍内的空气状况[41]。综合上述研究结果，有机酸减少有害气体排放的原因可能是胃肠道中致病细菌数量的减少及有益微生物活性和营养物质消化率的提高。

5 总结

总之，在过去的几十年里，科研院所和企业研发人员对有机酸的特性及其应用进行了大量研究。根据文献，有机酸在降低胃肠道pH 值、防止病原体生长、调控肠道菌群结构、充当中间代谢能源、提高养分表观消化率、减少有害气体排放和改善生长性能方面具有积极作用。有机酸的功效可能受到类型、剂量、配方组成、饲养方式、环境条件、饲料营养成分以及动物年龄和健康状况的影响。后抗生素时代，有机酸配合精油等其他抗菌收敛性饲料添加剂使用，是商品饲料中较理想的抗生素替代方案。