甲酸和丙酸在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

Sumstudy 2019-07-17

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有機酸用于動物飼料中以防止其被微生物和真菌污染的歷史已有幾十年，也開展了大量的關(guān)于有機酸對動物生長、飼料利用和腸道形態(tài)影響的試驗研究^[1]，具有類似于抗生素的促生長作用。研究已經(jīng)證明，有機酸的促生長作用主要體現(xiàn)在其可以降低動物胃腸道pH值、調(diào)節(jié)腸道內(nèi)微生物菌群的結(jié)構(gòu)、促進腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、增強腸道的免疫屏障功能等方面，成為一種綠色、安全的功能性飼料添加劑。

甲酸是最簡單的羧酸，化學(xué)式HCOOH，又稱蟻酸，因存在于某些蟻類的分泌物中而得名，常溫下呈無色而有刺激性氣味的液體，酸性很強，有腐蝕性，能刺激皮膚起泡；丙酸又稱初油酸，是三碳羧酸，化學(xué)式CH₃CH₂COOH，無色、有刺激性氣味的腐蝕性液體，可溶于乙醚、乙醇和水。甲酸和丙酸是最簡單的小分子有機酸，通常作為抑制型飼料添加劑添加于青貯飼料中用作飼料防腐，可以很好地控制青綠飼料在青貯過程中產(chǎn)生過多的有害微生物，防止飼料發(fā)生腐敗^[2]。同時，甲酸和丙酸也是腸道中碳水化合物及蛋白質(zhì)發(fā)酵的主要產(chǎn)物，其中95%以上可被宿主吸收或代謝，是宿主機體的能源物質(zhì)。

1. 甲酸和丙酸的作用機制

1.1. 防霉防腐

一般認為，甲酸和丙酸通過幾種途徑發(fā)揮防霉防腐的作用：首先，非解離的甲酸或丙酸活性分子可以在霉菌或細菌等細胞外形成高滲透壓，使得霉菌或細菌細胞內(nèi)外形成顯著的離子濃度差，導(dǎo)致霉菌細胞內(nèi)脫水而失去繁殖能力；同時，甲酸或丙酸活性分子能夠穿透霉菌等的細胞壁，破壞細胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的復(fù)制或抑制細胞內(nèi)酶的活性，進而阻止霉菌的生長和繁殖。另有報道，丙酸也可以在飼料表面形成一層均勻的保護膜，防止霉菌孳生^[3]。侯美玲^[4]等研究表明，天然牧草青貯飼料中添加3.0ml/kg、6.0ml/kg和9.0ml/kg甲酸室溫青貯60d后，開封發(fā)現(xiàn)3.0ml/kg組有強烈的丁酸味和霉味，牧草莖葉不完整。而中豬全價料中添加50%丙酸鈣或50%丙酸，30℃、70%（相對濕度）條件下存放60d后，其中黃曲霉毒素檢出量分別為8.85ug/kg、7.30ug/kg，明顯高于不添加防霉劑的對照組（73.5ug/kg）^[5]。

1.2. 參與機體能量代謝

反芻動物的瘤胃上皮可以吸收丙酸，其中的2%-5%轉(zhuǎn)變成乳酸，其余進入門靜脈后在肝臟中經(jīng)過糖異生作用合成葡萄糖，然后葡萄糖被運到到機體的各個組織器官被利用。由于反芻動物通過門靜脈吸收的丙酸，有絕大部分會在肝臟中合成葡萄糖，因此糖異生合成的葡萄糖基本能夠滿足反芻動物對能量的維持需要。血糖是指血液中的葡萄糖，能夠反映機體能量代謝的水平，血糖濃度升高證明機體能量代謝旺盛，促進動物生長。瘤胃瘺管灌注高劑量丙酸3d后，山羊血糖濃度極顯著（P＜0.01）升高^[6]，且瘤胃內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸中丙酸的比例與血糖濃度呈正相關(guān)^[7]。

動物小腸雖然對短鏈脂肪酸具有吸收和代謝作用，但是在小腸內(nèi)降解或吸收的量不足以消除其對腸道pH值的降低作用^[8]。

1.3. 降低pH值，調(diào)節(jié)微生物區(qū)系

健康狀態(tài)下，動物胃腸道是一個強大的緩沖體系，能夠維持腸道內(nèi)pH值保持相對恒定，且保持微生物菌群的穩(wěn)定性。當(dāng)受到環(huán)境改變、病菌侵入、管理不當(dāng)?shù)炔涣即碳r，腸道內(nèi)微生物菌群紊亂、pH值升高，伴隨慢性、消耗性營養(yǎng)不良，降低動物生產(chǎn)性能。研究表明，飼料選用甲酸鈣作為鈣源時，其所含的甲酸根離子能夠降低飼料的pH值和系酸力^[9]，另外青貯飼料添加甲酸或丙酸后其pH值也顯著下降^[10]。N. Canibe ^[11]等研究發(fā)現(xiàn)，27kg生長育肥豬日糧中添加1.8%甲酸，分別在生長至63kg和99kg時屠宰取樣測定腸道pH值，發(fā)現(xiàn)飼喂甲酸后腸道pH值的變化不受影響，類似于對照組，即飼喂后0.5h時pH值最高，然后逐漸降低直到飼喂后8.5h時pH值為2.12，但飼喂甲酸后生長育肥豬腸道各時間段的pH值均低于4。

有機酸能夠通過降低動物胃腸道pH值來促進有益微生物和抑制有害微生物的生長，從而調(diào)節(jié)腸道中的有益菌群占優(yōu)勢，有益菌代謝又會產(chǎn)酸，如此形成良性循環(huán)。研究表明，添加甲酸對斷奶仔豬空腸微生物菌群的影響較小，但添加6.4g/kg甲酸組腸道微生物的多樣性顯著高于對照組（P＜0.05），CCL20的基因表達水平高于1.4g/kg組^[12]。然而，研究發(fā)現(xiàn)只有在低劑量（0.5%以下）添加甲酸時才具有顯著的促進微生物生長的作用，而添加量過大則表現(xiàn)為嚴重的抑制作用，且促進到抑制轉(zhuǎn)折點的發(fā)生依賴于不同的微生物種類、不同的微生物濃度和組成等^[13]。

1.4. 抑菌殺菌

與動物腸道疾病相關(guān)的微生物大多具有類似的性質(zhì)，適宜pH值呈中性偏堿性、且細胞壁厚度較薄、結(jié)構(gòu)比較稀疏，因此小分子有機酸能夠穿透細菌細胞壁，在細胞內(nèi)發(fā)生解離釋放出H質(zhì)子，破壞細胞內(nèi)環(huán)境。同時，細菌細胞將耗能啟動質(zhì)子泵試圖恢復(fù)細胞內(nèi)環(huán)境，最終導(dǎo)致細菌細胞衰竭死亡。研究表明，生長育肥豬飼喂甲酸后顯著降低腸道近端厭氧微生物（P≤0.007）、乳酸菌（P≤0.001）、腸桿菌（P≤0.02）和酵母菌（P≤0.01）的數(shù)量^[11]。

2. 甲酸和丙酸在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1. 提高青貯飼料品質(zhì)

甲酸可以抑制蛋白酶活性、降低腐敗微生物對青貯飼料中蛋白質(zhì)的分解。丙酸可以抑制青貯飼料中酵母菌和霉菌的活性，添加量過大時對乳酸菌也有一定的抑制作用。高水分香蕉假莖青貯時添加10%玉米粉和0.6%甲酸，其干物質(zhì)、中性洗滌纖維和總酚含量顯著（P＜0.05）高于只添加10%玉米粉的處理組^[14]。天然牧草青貯飼料中添加6.0ml/kg甲酸明顯改善了青貯飼料的感官品質(zhì)，顯著（P＜0.05）提高干物質(zhì)、粗蛋白和可溶性碳水化合物的含量，pH值和氨態(tài)氮/總氮顯著（P＜0.05）降低，同時消化能和總能顯著（P＜0.05）提高，但不影響中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維的含量和體外干物質(zhì)的消化率（P＞0.05）^[4]。陳雷^[15]等在全株玉米全混合日糧（TMR）中添加0.4%丙酸青貯45d后開封暴露在有氧條件下，發(fā)現(xiàn)乳酸含量先逐漸升高、后顯著（P＜0.05）下降，但pH值基本趨于穩(wěn)定；暴露12d后pH將至3.75、且酵母菌數(shù)量顯著（P＜0.05）降低，其有氧穩(wěn)定性提高和發(fā)酵品質(zhì)顯著提高^[16]。張亞格^[10]等在柱花草中添加0.2%甲酸或0.2%丙酸青貯30天后發(fā)現(xiàn)，甲酸和丙酸顯著降低青貯飼料的pH值和丁酸含量（P＜0.05），提高粗蛋白含量，降低中性洗滌纖維含量。

2.2. 促進瘤胃發(fā)育，提高反芻動物生產(chǎn)性能

丙酸可以促進瘤胃乳頭的生長，使瘤胃乳頭上皮表面積增大，提高瘤胃對揮發(fā)性脂肪酸、水分及維生素等的吸收作用。但也有研究發(fā)現(xiàn)，瘤胃瘺管灌注高劑量丙酸后使得瘤胃黏膜上皮細胞受損、吸收面積降低^[6]，影響瘤胃上皮的吸收功能。

反芻動物體內(nèi)代謝所需葡萄糖的90%或更多均來自糖原異生作用，而丙酸是反芻動物體內(nèi)最主要的生糖物質(zhì)。若飼喂大量的劣質(zhì)纖維性飼料給反芻動物，導(dǎo)致糖異生作用的主要前體物質(zhì)-丙酸不足，動物將不得不利用內(nèi)源氨基酸合成葡萄糖，使得蛋白質(zhì)沉積下降，嚴重影響反芻動物機體蛋白質(zhì)代謝。研究表明，泌乳中期日糧中添加丙酸鈣能夠降低奶牛體重損失、改善能量負平衡^[17]。張心壯^[18]在7日齡娟珊公犢牛日糧中添加5%-10%的丙酸鈣，飼喂30d時瘤胃壁厚度和瘤胃乳頭長度顯著（P＜0.05）增加，犢牛血糖含量、血清胰島素和IGF-1濃度均升高，顯著（P＜0.05）提高了犢牛120-160日齡的平均日增重，提高生長性能。張舒^[19]等用甲酸鈣替換荷斯坦泌乳奶牛基礎(chǔ)日糧中50%的石粉，顯著（P＜0.05）提高了泌乳奶牛乳蛋白率，乳脂率和乳鈣含量也有所提高（P＞0.05），且日糧鈣、磷表觀消化率顯著（P＜0.05）提高。而另一瘤胃瘺管試驗研究發(fā)現(xiàn)，高精料底物中添加丙酸鈣對營養(yǎng)物質(zhì)的利用率沒有顯著影響，但能提高瘤胃液的pH值，防止瘤胃酸中毒^[20]。

3. 甲酸和丙酸在單胃動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

丙酸對生長豬結(jié)腸代謝和腸道屏障功能發(fā)揮了積極的作用^[21]，哺乳期小鼠口服丙酸溶液，能夠提高其腸道屏障功能，表現(xiàn)為腸上皮ZO-1、Claudin-1、Claudin-8和Occludin的表達水平升高^[22]。另外，有機酸能夠提高大腸桿菌攻毒仔豬的免疫應(yīng)答、降低死亡率，而且若在有機酸基礎(chǔ)上再添加癸酸或益生菌不產(chǎn)生疊加效應(yīng)。具體表現(xiàn)為口服大腸桿菌攻毒的斷奶仔豬（始重7.9±0.5kg杜長大）日糧中添加1%有機酸（64%甲酸 25%丙酸）顯著（P＜0.05）降低仔豬攻毒9h后的直腸溫度和24h的糞便評分，且攻毒9h后直腸溫度顯著低于1%有機酸 0.2%癸酸組和1%有機酸 0.02%地衣芽孢桿菌組；攻毒后9h血清仔豬白細胞介素-6（IL-6）水平顯著降低（P＜0.05）、24h和48h血清白細胞介素-1β水平顯著降低（P＜0.05），同時攻毒后9h和24h仔豬血清的腫瘤壞死因子-α（TNF-α）和干擾素-γ含量顯著降低（P＜0.05）^[23]。有機酸提高動物對飼料營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，可能的原因一方面：飼喂有機酸后胃腸激素PYY的表達顯著上調(diào)，能夠抑制胃液分泌、減緩胃腸蠕動^[21]，增加飼料養(yǎng)分在胃腸道中的停留時間；另一方面，甲酸能夠提高植酸酶的活性，提高生長肥育豬（35kg-40kg）對小麥-大麥-豆粕型日糧中P和Zn的消化率和存留率^[24]。另有研究表明，通過盲腸瘺管給杜長大閹公豬灌注等量的生理鹽水和用生理鹽水配制的丙酸溶液（25mL,2mol/L,pH5.8）28d后發(fā)現(xiàn)，灌注丙酸后顯著提高了酪酪肽(PYY)、胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白7( IG FBＲ7)、果糖二磷酸醛縮酶( ALDOB) 、ATP 合成酶5I ( ATP5I) 、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶亞基 4L(ND4L)、細胞色素P450( CYP39A1) 等糖代謝和能量代謝相關(guān)基因的表達( P ＜0．05)，顯著促進了閉鎖蛋白－ 1 ( Occludin-1) 、生長抑素 ( SST) 、G 蛋白偶聯(lián)受體5A ( G PＲC5A )等免疫相關(guān)基因的表達（P＜0.05）^[21]。通過調(diào)節(jié)機體能量代謝和免疫水平來提高動物的生長性能。斷奶后7d（7.1±1.0kg）開始在仔豬日糧中添加1.4g/kg和6.4g/kg甲酸42d后（27.7±5.5kg）發(fā)現(xiàn)，試驗前三周兩個添加劑量組均顯著提高了斷奶仔豬的平均日增重（P=0.004）、平均日采食量有提高的趨勢（P=0.08）、料重比也呈現(xiàn)降低的趨勢（P=0.08）^[12]。

有機酸能夠降低沙門氏菌對雞的危害、提高其生長性能。雞白痢沙門氏菌攻毒的蛋雞日糧中添加不同比例的甲酸和丙酸混合物2%或以上，能夠顯著（P＜0.05）降低新產(chǎn)蛋雞嗉囊和盲腸中pH值、抑制雞白痢沙門氏菌的定植，通過糞便排出的雞白痢沙門氏菌數(shù)顯著減少，雞只死亡率顯著降低^[8]。K.Alshawabkeh^[25]等研究發(fā)現(xiàn)，1日齡開始肉雞日糧中添加不同濃度的丙酸，且3日齡時口服10⁶CFU雞沙門氏菌進行攻毒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加1.2%和1.8%丙酸顯著（P＜0.01）降低肉仔雞嗉囊和盲腸中的pH值、雞沙門氏菌的定植顯著（P＜0.01）降低，高劑量添加能更好地保護肉仔雞腸道受沙門氏菌的感染。1日齡商品肉雞小麥-大麥型日糧中添加3.0g/kg復(fù)合有機酸（17.4%甲酸、14.1%甲酸銨、12.4%丙酸、8.4%丙酸銨、47.7%載體），顯著（P＜0.001）提高肉雞1-21日齡和22-35日齡的增重（BWG）、同時顯著（P＜0.001）改善料肉比（FCR），且前期效果優(yōu)于后期^[26]。而另一項研究則表明，1日齡火雞基礎(chǔ)日糧中添加有機酸（甲酸、乙酸、丙酸、山梨酸等，其中甲酸含量73.6g/kg、丙酸含量2g/kg），7日齡時小火雞的體重（P=0.031）和體增重（P=0.042）顯著降低，14日齡、21日齡、28日齡的體重和體增重不受影響^[27]。可能是因為丙酸會影響飼料的適口性，研究發(fā)現(xiàn)肉仔雞日糧中添加6g/kg丙酸使其采食量和體重都下降^[28]，但是雞對有機酸具有適應(yīng)能力，因此飼喂后期體重和體增重不受影響^[29]。丙酸也可以改善肉雞對礦物質(zhì)元素的消化吸收，添加3%丙酸明顯改善肉雞跖骨的彈性和強度，跖骨中灰分和鈣含量提高^[30]。

有機酸對單胃動物胃腸道發(fā)育影響的研究結(jié)論還存在差異，斷奶仔豬日糧中添加不同濃度的甲酸不影響胃腸黏膜的厚度、腸壁細胞數(shù)和胃的重量^[12]。商品肉雞小麥-大麥型日糧中添加3.0g/kg復(fù)合有機酸（17.4%甲酸、14.1%甲酸銨、12.4%丙酸、8.4%丙酸銨、47.7%載體），顯著（P＜0.05）降低肉雞腺胃重量，但不影響肌胃重量；腸絨毛高度顯著提高（P＜0.05），但不影響腸上皮細胞黏液層的厚度^[26]。