中链脂肪酸抗微生物机制及在猪生产中应用的研究进展

郭 亮，刘则学

（武汉中粮肉食品有限公司，湖北 武汉 430200）

长期以来，抗生素在养猪业中被用于治疗或者预防目的。从机制上讲，抗生素可以影响细菌细胞的完整性和繁殖，通过调节猪胃肠道内细菌种群的组成来发挥促进生长的作用，同时降低全身的细菌病原体水平，从而预防疾病。尽管有这些重要的能力，但越来越多的人担心，食用动物的抗生素使用正在导致人类和动物群体中存在抗生素耐药细菌的全球问题。这些担忧导致人们呼吁大幅减少或停止在动物身上使用抗生素，特别是在它们被用于促进生长的低剂量水平的情况下。目前世界各地基本上都通过相关立法减少了抗生素的使用。

人们对食用动物使用抗生素的担忧和立法行动，正导致越来越多的科研工作者寻求对抗病原体的工具。含有6～12个碳链长的饱和脂肪酸，作为饲料添加剂已被证明具有改善动物健康、生产和饲料消化率的积极好处[1]。这些结果建立在将中链甘油三酯（MCTs）作为饲料添加剂与脂肪酶结合的开创性研究基础上，脂肪酶催化体内MCTs水解，随后释放具有抗病毒和抗菌活性的中链脂肪酸（medium chain fatty acids, MCFAs）和单甘油酯衍生物，以支持猪的生长和发育。鉴于猪流行性腹泻病毒（PEDV）、猪繁殖与呼吸综合征病毒（PRRSV）、非洲猪瘟病毒（ASFV）等病毒的流行不断扩大，MCFAs和单甘油酯的促进健康和减轻病原体的综合功能尤其重要。在过去的几年里，在评估游离MCFAs和单甘油酯作为猪饲料添加剂的作用以及理解这些化合物如何发挥作用的机理方面已经取得了进展。

本文综述了MCFAs和单甘油酯在抗微生物、免疫调节和猪生产应用方面的最新研究进展，以期为从业者合理使用它们做一些参考。

1 中链脂肪酸的概念、种类及理化特性

中链脂肪酸是含有6～12碳原子数的脂肪酸，具有两亲特性，因为在生物系统中碳原子数通常为偶数，因此主要包括己酸（C6：0）、辛酸（C8：0）、癸酸（C10：0）和月桂酸（C12：0），分子结构和重要的理化特性见表1[2-3]。单甘油酯是另一类单链脂类两亲体，由一个脂肪酸分子和一个甘油分子的酯化形成。MCFAs和单甘油酯自然存在于一些动物的乳汁中，或者植物来源的油脂中，如椰子油。MCTs是由它们合成，在体内可以被脂肪酶水解生成MCFAs和单甘油酯。

2 中链脂肪酸抗微生物的作用机制

MCFAs和单甘油酯的抗微生物作用机制已经通过多种试验方法进行了探索，确定它们主要作用于细菌细胞膜，阻断细胞关键的生化反应过程。这种与膜作用的能力源于它们的两亲性，可以导致包括膜失稳和孔隙形成在内的一系列生物物理现象。电子传递链和氧化磷酸化是发生在细胞膜上的两个对细菌细胞至关重要的生化反应，这两个过程是相互关联的，MCFAs和单甘油酯通过与电子载体结合或改变膜完整性来破坏电子传递链过程，并通过降低膜电位和质子梯度来干扰氧化磷酸化。此外，研究还发现脂肪酸可以直接抑制与膜相关的酶活性，如葡萄糖基转移酶[4]。相关作用机制过程的细节可以总结分类如下：1）膜通透性和细胞裂解增加；2）电子传递链的破坏和氧化磷酸化的解偶联；3）膜酶活性和养分摄取的抑制[5]。

总的来说，因为革兰氏阳性细菌具有更简单的单脂质双层细胞膜结构，而革兰氏阴性细菌通常具有更复杂的内外膜结构，因此MCFAs和单甘油酯对革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌表现出更强的抑制活性。另一方面，MCFAs和单甘油酯由于主要是通过与膜结合而发生作用，所以它们只对被膜包裹的病毒颗粒显示抗病毒活性，对无包膜病毒无活性。MCFAs和单甘油酯靶向细胞膜的另一个重要结果是，易感病原体更难对这些化合物产生耐药性。人们普遍认为，病原体对脂肪酸和单甘油酯产生抗性的屏障非常高。

3 中链脂肪酸的抗菌抗病毒的研究进展

MCFAs和单甘油酯对多种病原菌均有较强的抑制活性，包括革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、包膜病毒、藻类、真菌和原生动物。Kabara小组在20世纪70年代完成了这项开创性工作，他们进行了详细的结构与功能之间的关系研究，调查分析碳氢化合物链长如何影响抗菌活性[6]。一般而言，癸酸（C10）和月桂酸（C12）在脂肪酸中表现出最高的效能，而相应链长的单甘油酯通常效能更强[5]。MCFAs和单甘油酯主要是在胶束状态下发挥破坏磷脂膜的作用，单甘油酯形成胶束的浓度比MCFAs低，这也解释了为什么单甘油酯通常比脂肪酸更具有生物活性，碳链长的化合物也往往表现出更强的抑制作用[7-9]。然而，需要注意的是，不同的MCFAs和单甘油酯对不同的病原体有不同的抑制作用，因此需要根据目标病原体进行适当的选择。近年来，研究MCFAs和单甘油酯对养猪业相关病原体的抑制作用已成为研究的热点。据报道，GML（月桂酸的单甘油酯）、月桂酸（C12）以及辛酸（C8）和癸酸（C10）的混合物对大量的细菌病原体表现出强大的抗菌活性，如大肠杆菌，猪链球菌、浦那沙门氏菌和产气荚膜梭状芽孢杆菌。MCFAs和单甘油酯往往比经常研究的有机酸（如乳酸和柠檬酸）表现出更强的抗菌效力[10]。也已确定，这类化合物，如GML，可以几乎完全杀死需氧炭疽芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌[11]。另一项研究报道指出GML和月桂酸还能抑制单核增生李斯特菌，这是一种可污染养猪场的食源性病原体[12]。

此外，MCFAs和单甘油酯可抑制被膜包裹的病毒，目前对养猪业影响较大且具有囊膜的病毒包括猪流行性腹泻病毒（PEDV）、猪繁殖与呼吸综合征病毒（PRRSV）、猪传染性胃肠炎病毒（TGEV）、伪狂犬病病毒（PRV）、经典猪瘟病毒（CSFV）、乙型脑炎病毒（JEV）、非洲猪瘟病毒（ASFV）。相关研究已经系统报道了MCFAs和单甘油酯可以有效阻断饲料中PEDV的传播，对PEDV有很强的抑制活性[13-14]。

4 中链脂肪酸参与机体免疫调节的研究进展

除抗菌特性外，某些MCFAs和单甘油酯还具有免疫调节特性。研究发现MCFAs可以作为G蛋白偶联受体-GPR84的配体，而GPR84是免疫细胞中高表达的信号蛋白，因此其参与免疫反应的调节[15]。已知GML可以与免疫细胞细胞膜上相关信号通路相互作用，特别是T淋巴细胞，体外研究表明GML减少细胞因子的产生，表现出免疫抑制作用，同时体内研究发现口服GML可有效减轻肠道炎症，可应用于抗炎[16-17]。MCFAs在体外也被证明可以改善猪肠道细胞系IPEC-J2细胞的免疫反应[18]。研究表明，饲粮中添加MCFAs可有效缓解脂多糖（LPS）引起的仔猪肠黏膜结构损伤，维持和保护肠黏膜免疫屏障功能[19]。

综上所述，MCFAs和单甘油酯具有免疫调节作用，加上耐药发展的高障碍和抑制细菌和包膜病毒的潜力，使它们成为潜在的替代抗生素和促进猪生产性能的候选添加剂。

5 猪饲粮添加中链脂肪酸对生产性能的影响

Marounek等发现，将0.5%辛酸饲喂感染小隐孢子虫的断奶仔猪，可以提高仔猪的生长性能[20]。与对照组相比，0.5%辛酸处理组体重增加（4.97±0.36） kg，未处理组和1% MCT处理组分别为（3.64±0.43） kg和（3.95±0.35） kg。这个发现很重要，因为它显示了0.5%辛酸的表现优于1% MCT，因此支持了游离MCFAs作为饲料添加剂的用途。在这项研究的基础上，Hanczakowska等研究了添加MCFAs对仔猪生长性能的影响，发现在饲粮中添加0.5%的己酸、辛酸、癸酸和月桂酸混合物可以改善生长性能，同时降低小肠食糜中梭状芽胞杆菌数量[21]。随后进一步研究0.2%辛酸和/或癸酸对断奶仔猪生长性能、营养物质表观消化率、肠道微生物区系和回肠结构的影响时发现[22]，与未添加MCFAs或抗生素的对照组相比，添加辛酸、癸酸或其组合的仔猪日增重更大；饲喂MCFAs的猪死亡率降低，粗蛋白质和粗纤维消化率提高；添加MCFAs的各组均能降低回肠产气荚膜梭状芽胞杆菌的数量，癸酸组另外还能显著改善回肠黏膜的形态。

Gebhardt等也评估了饲粮中添加MCFAs对仔猪生长的促进作用[23]。他们试验了饲粮MCFAs混合物（己酸、辛酸、癸酸比例为1∶1∶1）添加量为0、0.25%、0.5%、1.0%、1.5%，以及己酸、辛酸、癸酸分别添加0.5%对生长性能的影响。结果表明，MCFAs混合物线性改善了日增重和采食量、料重比；0.5%辛酸组日增重显著高于对照组；0.5%己酸组、0.5%辛酸组、0.5%癸酸组，料重比显著优于对照组。虽然MCFAs饲料有强烈的气味，但它们没有减少饲料的摄入量。Cochrane等进一步研究了MCFAs是否可以在仔猪细菌病原体挑战模型中作为抗生素氯四环素（CTC）的替代品[24]，结果发现给感染大肠杆菌的猪饲喂含有MCFAs的饲料，其饲料转化效率与饲喂含有抗生素饲料的猪相似。

此外，Snoeck等研究发现在断奶仔猪饲粮中添加0.1%月桂酸/GML的养殖场，与仔猪饲喂常规饲料的养殖场相比，其养殖场每个动物平均年少使用8个日剂量的抗生素[25]。虽然对MCFAs和单甘油酯的研究大多数集中在如何支持猪生长发育的早期阶段，但Zhang等也研究了添加0.15%或0.3% MCFAs替代0.1%抗生素（氯四环素、磺胺二甲嗪和普鲁卡因青霉素，1∶1∶1）对生长肥育猪的影响[14]，研究发现生长猪的饲粮中添加0.3% MCFAs对日增重和IgG浓度的影响与添加抗生素的饲粮组类似，表现出可以替代抗生素的效果。还有在母猪上的研究发现，在妊娠后期和哺乳期母猪饲粮中添加7.75 g/kg含量的MCFAs可以提高初乳中营养物质含量和缩短发情间隔[26]。

6 中链脂肪酸在饲粮中的使用策略

MCFAs和单甘油酯虽然已被证明是有用的饲料添加剂，但研究人员也在探索不同的添加策略。例如将它们包裹起来，以减缓吸收，引导给药到胃肠道的靶向区域，从而潜在地提高功能效价。另外一种有效的策略是使用MCTs作为饲料添加剂，因为它们保护MCFAs和单甘油酯不被快速吸收，而活性化合物可以在体内被脂肪酶作用下逐渐释放，同时它们没有不良气味，不影响采食量。根据具体情况，如果饲料来源中含有内源性脂肪酶，或者猪体内的脂肪酶分泌功能发育完全，MCTs可以单独作为饲料添加剂使用，否则可以与外源性脂肪酶一起使用[27]。

除此之外，也可以直接使用所需的高纯度MCFAs和/或单甘油酯作为添加剂，并直接将其加入饲料或水中。在饲料中直接使用游离MCFAs和/或单甘油酯的一个重要好处是，它们具有抗菌特性，因此可以潜在地抑制饲料中的病毒和细菌病原体，从而降低疾病传播的风险。值得注意的是，由于MCFAs和单甘油酯都有一定的气味，在饲粮中的添加剂量需要有所控制。

7 总结

MCFAs和单甘油酯因为其分子两亲特性从而具有抗微生物的作用，可以作为替代抗生素的一种选择。同时，它们还可以阻断饲料中病原体的传播，调节机体免疫反应，具有抗炎作用。在实际的猪生产过程中，可以根据具体情况合理搭配使用中链脂肪酸及其单甘油酯和三甘油酯。