■余 建 范志勇
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410128)
據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,早在20世紀(jì)中葉,就有海外學(xué)者進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)酸化劑可以促進(jìn)動物生長,改善腸道健康[1]。作為飼料添加劑的一種,酸化劑在我國全面實(shí)行禁抗的戰(zhàn)略背景下,其以在動物體內(nèi)無殘留、無耐藥性,對環(huán)境無污染,同時對維持動物腸道健康起到重要作用而引起廣大科研學(xué)者的高度關(guān)注。酸化劑在增強(qiáng)動物機(jī)體免疫力、抗氧化、調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡以及提高豬禽生長方面等都發(fā)揮著不可忽視的作用。文章就酸化劑的種類及其在動物胃腸道中的作用機(jī)理進(jìn)行闡述,同時對近幾年酸化劑在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用效果及優(yōu)勢進(jìn)行總結(jié),以期為養(yǎng)殖戶在實(shí)際生產(chǎn)中合理運(yùn)用酸化劑提供理論參考。
酸化劑主要由酸或酸鹽組成,用于降低飼料系酸力、降低胃腸道pH 和提高畜禽飲用水酸度的飼料添加劑。酸化劑按成分可分為單一型酸化劑(單一無機(jī)酸或有機(jī)酸)和復(fù)合型酸化劑;按加工工藝又可分為微囊包被和未包被型酸化劑。
硫酸、磷酸和鹽酸是三大無機(jī)酸化劑。硫酸和鹽酸屬于強(qiáng)酸,解離程度較高,添加至飼料中易使日糧中的電解質(zhì)失衡,同時具有強(qiáng)烈腐蝕性,畜禽食入后會對胃壁造成灼傷。磷酸具有酸的通性,在養(yǎng)殖生產(chǎn)中較為常用,既可單獨(dú)添加,又可與有機(jī)酸組合使用,能達(dá)到增強(qiáng)動物對營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的效果,且可適當(dāng)為動物提供磷元素。肖芹等[2]發(fā)現(xiàn)日糧中添加0.15%磷酸能顯著降低肉雞42 日齡嗉囊、肌胃、腺胃和回腸pH,同時激活胃蛋白酶、胰蛋白酶和糜蛋白酶,從而提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化率。
有機(jī)酸化劑在畜牧生產(chǎn)中使用主要有檸檬酸、延胡索酸(富馬酸)、乳酸、蘋果酸、酒石酸、山梨酸以及短鏈脂肪酸(甲酸、乙酸、丙酸、丁酸)[3]。其中又以檸檬酸、延胡索酸和乳酸作用效果較好。蘋果酸、延胡索酸與檸檬酸經(jīng)小腸上皮細(xì)胞吸收后可直接參加體內(nèi)三羧酸循環(huán)為動物機(jī)體提供能量,減少機(jī)體內(nèi)糖和脂肪的動員,具有一定的抗應(yīng)激功效。檸檬酸與植酸酶協(xié)同作用,可以提高植酸磷的消化,有利于鈣、磷的吸收[4]。有機(jī)酸化劑在幼畜生產(chǎn)中具有較好作用效果而備受歡迎。據(jù)報(bào)道,額外補(bǔ)充0.20%山梨酸可顯著提高斷奶仔豬平均日增重(average daily gain, ADG)、血清總蛋白和胰島素樣生長因子-I含量,并降低血清中低密度脂蛋白含量[5]。劉桂林等[6]研究也表明,添加2%的延胡索酸相比于對照組仔豬,ADG 提高了15.09%,料重比降低了11.39%。
復(fù)合型酸化劑大致可分為3種形式,即無機(jī)酸與有機(jī)酸混合型、有機(jī)酸與有機(jī)酸混合型以及酸與某些鹽混合型。復(fù)合型酸化劑更經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用效果更佳,其平衡了有機(jī)酸成本高與無機(jī)酸適口性差的問題,通過各成分之間相互協(xié)同,具有更廣譜的抑菌效果[7]。嚴(yán)欣茹等[8]試驗(yàn)證實(shí),將磷酸與多種有機(jī)酸按比例配伍有助于提高斷奶仔豬ADG 和平均日采食量(average daily feed intake,ADFI),降低仔豬腹瀉率以及改善仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)。復(fù)合酸化劑酸度相對穩(wěn)定,對動物腸道應(yīng)激較小,是目前市場上常見的銷售形式。
為避免有機(jī)酸在胃中被提前解離以及被膽汁等堿性消化液中和,保證有機(jī)酸能夠以完整的形式到達(dá)腸道,生產(chǎn)上采用脂肪酸(C12~C22)將有機(jī)酸進(jìn)行微囊包被化。該方法可掩蓋酸化劑的刺激性氣味,改善飼料口感。由于外表的包裹,可以充分保護(hù)酸化劑原有特性,同時避免與飼料中的石粉等堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的飼料營養(yǎng)成分損失[9]。微囊包被化控制了酸化劑在畜禽腸道的釋放時間和釋放速度,達(dá)到持續(xù)調(diào)控畜禽胃腸道健康的效果。因此,經(jīng)微囊包被的酸化劑具有更廣闊的應(yīng)用前景,現(xiàn)已有商業(yè)化生產(chǎn)。
飼料系酸力又稱飼料酸結(jié)合力,是指用燒杯取100 g 風(fēng)干飼料樣品,加入200 mL 純化水,將溫度保持在約37 ℃,用1 mol/L鹽酸滴定,使pH降至4.0時所消耗鹽酸的毫摩爾數(shù),反映的是飼料結(jié)合酸的能力。以往研究報(bào)道,檸檬酸和延胡索酸添加量從0.5%逐漸增加到2.5%時,仔豬飼料pH分別從5.54降至4.44,從5.20 降至4.03,飼料酸結(jié)合力分別從24.50 降至9.70,從19.60降至0.60[10]。飼料系酸力的降低一定程度上可提高畜禽生產(chǎn)性能,尤其是幼畜。劉庚壽等[11]研究表明,梯度添加復(fù)合酸化劑調(diào)低日糧系酸力后,斷奶仔豬ADFI 以及仔豬ADG 均有提升趨勢,同時各試驗(yàn)組仔豬腹瀉率也由16.7%逐步下降到6.4%。但當(dāng)持續(xù)飼喂較低系酸力的日糧則會增加料重比,影響仔豬飼料轉(zhuǎn)化率,增加生產(chǎn)成本[12]。
測定飼料原料的系酸力,確定酸化劑的添加劑量,以此將飼糧系酸力調(diào)至最適動物生長范圍,更有利于發(fā)揮酸化劑的作用效果。表1 列出了常見斷奶仔豬動植物蛋白飼料及礦物質(zhì)飼料系酸力。
表1 常見斷奶仔豬動植物蛋白飼料及礦物質(zhì)飼料系酸力[13]
酸化劑能降低腸道pH,促進(jìn)腸道喜酸有益菌(乳酸桿菌、雙歧桿菌等)生長繁殖,抑制腸道病原菌(大腸桿菌、沙門氏菌等)滋生。未解離的有機(jī)酸化劑具有親脂性,與革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞膜融合后,進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)解離成COO-和H+[14]。H+由于不能自由透過細(xì)胞膜,在細(xì)胞內(nèi)大量聚集,使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)pH 急劇降低,細(xì)胞內(nèi)本身是中性偏堿性的環(huán)境,于是為了維持細(xì)胞內(nèi)堿性環(huán)境,保證營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸和糖酵解信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等反應(yīng)相關(guān)酶的正常活性,細(xì)胞不惜消耗自身能量,通過主動運(yùn)輸?shù)姆绞剑℉+-ATP泵)將H+運(yùn)出細(xì)胞,由此導(dǎo)致用于細(xì)胞自身生長代謝所需的能量大量被消耗,產(chǎn)生能量競爭,使細(xì)菌逐漸失活[15]。另有研究證明,有機(jī)酸還能作為電子傳遞和ATP生成的解偶聯(lián)劑,能阻斷細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)ATP產(chǎn)能效率,使細(xì)菌生長受阻[16]。
同時COO-在細(xì)胞質(zhì)積累,細(xì)胞內(nèi)滲透壓升高,細(xì)胞必須釋放帶負(fù)電荷的離子,以此平衡細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的滲透壓,而這可能引起一些用于細(xì)胞自身生長所需的負(fù)酸根離子[如谷氨酸根離子(Glu-)]等排出細(xì)胞,使得細(xì)胞生長速率降低[17]。除此之外,有機(jī)酸解離釋放的H+,通過膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白泵交換陽離子(K+和Na+)進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi),進(jìn)一步增加了細(xì)胞內(nèi)部的滲透壓[18]。高濃度的K+,不僅對細(xì)胞內(nèi)的酶有一定抑制作用,而且還會動用細(xì)胞內(nèi)一定量的氨基酸(主要是谷氨酸)來中和其電荷,這導(dǎo)致細(xì)胞所需的前體物質(zhì)耗盡而影響細(xì)菌正常生長[19]。有機(jī)酸能破壞細(xì)菌細(xì)胞外膜達(dá)到抑菌效果。有研究報(bào)道,乳酸以及小分子有機(jī)酸可通過革蘭氏陰性菌細(xì)胞外膜孔道蛋白進(jìn)入周質(zhì)空間,與脂多糖羧基和磷酸基團(tuán)發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng),阻礙了細(xì)胞外膜各組分之間的相互作用,導(dǎo)致脂多糖和其他脂質(zhì)物質(zhì)(如甘油磷脂)的脫落,破壞了細(xì)胞膜的完整性,使細(xì)菌內(nèi)容物外溢,達(dá)到了致死有害細(xì)菌的目的[20]。
有機(jī)酸化劑還可以通過抑制細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)代謝途徑相關(guān)酶活性達(dá)到抑菌效果。有研究發(fā)現(xiàn),醋酸能使大腸桿菌內(nèi)蛋氨酸合成途徑中的某種酶的活性受到抑制而導(dǎo)致蛋氨酸合成途徑上的最后一個中間體——同型半胱氨酸的累積,而同型半胱氨酸濃度的增加能抑制大腸桿菌的生長[21]。近年來,有研究發(fā)現(xiàn)小分子有機(jī)酸化劑及其鹽除具有抑菌功能外,還可誘導(dǎo)宿主細(xì)胞產(chǎn)生抗菌肽(antimicrobial peptides, AMPs)。王鑫[22]以牛乳腺上皮細(xì)胞為模型研究了丁酸鈉誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)源性AMPs 表達(dá)機(jī)理,初步驗(yàn)證了丁酸鈉通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)途徑和核因子κB(NF-κB)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路誘導(dǎo)內(nèi)源性AMPs基因表達(dá)上調(diào)。
胃蛋白酶活性最適pH 范圍為2.0~3.5,動物飼料中添加酸化劑通過釋放H+,降低胃內(nèi)pH,能有效激活胃蛋白酶,從而進(jìn)一步促進(jìn)蛋白質(zhì)消化吸收[23-24]。同時酸度增加延緩食物的排空速度,使蛋白質(zhì)分解更徹底。徐青青等[25]研究乳酸型復(fù)合酸化劑對白羽肉雞養(yǎng)分利用率的影響時發(fā)現(xiàn),含80%乳酸和20%檸檬酸復(fù)合酸化劑顯著提高21日齡和42日齡肉雞十二指腸食糜淀粉酶、脂肪酶和胰蛋白酶活性,并顯著提高飼糧中粗脂肪和粗蛋白表觀利用率。
礦物質(zhì)在堿性環(huán)境下,易形成不溶性鹽,影響其吸收,而延胡索酸和檸檬酸酸化腸道能防止不溶性鹽產(chǎn)生,并與鈣、鎂、磷和鋅等礦物質(zhì)螯合促進(jìn)其在腸道的吸收[26]。另外,消化環(huán)境的酸化,還有利于維生素A和維生素C的吸收[27]。
酸化劑作為飼料添加劑在豬禽生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用,都表現(xiàn)出良好的效果。從大量試驗(yàn)結(jié)果來看,酸化劑可顯著提高豬禽生產(chǎn)性能、增強(qiáng)畜禽機(jī)體免疫力與抗氧化能力、提高豬禽屠宰性能和肉品質(zhì),并改善豬禽腸道菌群結(jié)構(gòu),促進(jìn)豬禽腸道健康。
酸化劑對豬禽生長性能的影響主要表現(xiàn)在提高豬禽對飼料的轉(zhuǎn)化率和平均日增重上。斷奶仔豬日糧添加酸化劑對仔豬生長性能的影響有許多研究,部分顯示,酸化劑能夠顯著提高仔豬ADG 和肉料比。王麗娟等[28]研究報(bào)道,基礎(chǔ)日糧中添加4 g/kg或7 g/kg含25%甲酸、20%乳酸、15%檸檬酸和15%富馬酸的復(fù)合酸可顯著提高8.70 kg左右斷奶仔豬的ADG并顯著降低料重比。但也有研究發(fā)現(xiàn),斷奶仔豬飼料中添加酸化劑對ADFI、ADG 和肉料比的提高作用并不顯著甚至有負(fù)面影響[29-30]。這是由于不同酸化劑有效成分和添加劑量不同,因而得出不同的研究結(jié)論,但大多數(shù)認(rèn)為酸化劑對仔豬有積極的促生長作用。有試驗(yàn)表明,在母豬日糧中添加復(fù)合酸化劑(含24.33%富馬酸、4.49%乳酸、4.87%蘋果酸、4.87%苯甲酸、6.92%甲酸和3.09%丙酸)能夠提高母豬泌乳期ADFI 和仔豬初生均重和斷奶均重[31]。
酸化劑對雞生長性能也有較多研究,陳杰等[32]與徐青青等[25]研究表明復(fù)合酸化劑都在試驗(yàn)中表現(xiàn)出明顯的促生長作用,包括顯著提高肉雞的ADG和降低料重比等。在蛋雞方面,添加酸化劑對蛋雞產(chǎn)蛋率沒有影響,但對降低蛋雞的死亡率和料重比卻有一定作用[33-34]。
斷奶仔豬易受早期斷奶、病原菌感染等應(yīng)激,產(chǎn)生大量自由基無法有效消除,對機(jī)體DNA、蛋白質(zhì)以及生物膜造成損傷[35],從而發(fā)生腸炎,同時斷奶仔豬免疫器官未發(fā)育完全,免疫功能也較差,因此對斷奶仔豬進(jìn)行營養(yǎng)調(diào)控顯得十分有必要。陽巧梅等[36]對斷奶仔豬進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)0.2%有機(jī)酸1(含甲酸、乙酸、丙酸和C12脂肪酸)可顯著降低21~36 日齡仔豬血液中自由基含量。同樣,劉文輝[37]也報(bào)道,日糧中添加0.15%復(fù)合酸化劑(含延胡索酸、檸檬酸、蘋果酸和磷酸)能分別顯著提高機(jī)體谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)和血清超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性,提高總抗氧化能力(total antioxidant capacity, T-AOC),從而加速機(jī)體自由基的清除,增強(qiáng)仔豬抗氧化能力。血清免疫球蛋白G(IgG)有抵御細(xì)菌破壞腸道上皮表面的作用。Ahmed 等[38]研究顯示,飼喂含0.4%酸化劑日糧(17.2%甲酸、4.1%丙酸、10.2%乳酸、9.5%磷酸)可顯著提高鼠傷寒腸沙門氏菌和大腸桿菌KCTC2571 攻毒的斷奶仔豬血清中IgG 濃度。晏家友等[39]用脂肪酸(C12~C22)包被延胡索酸、乳酸、檸檬酸和蘋果酸形成的復(fù)合酸具有提高斷奶仔豬分泌型免疫球蛋白A(slgA)的作用。程遠(yuǎn)之等[29]研究證明,添加0.2%乳酸型復(fù)合酸化劑組血清IgG 含量顯著高于對照組和0.2%磷酸型酸化劑組,同時0.2%乳酸型復(fù)合酸化劑組也顯著提高了十二指腸白細(xì)胞介素10、轉(zhuǎn)化因子-β(TGF-β)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)以及空腸中TGF-β和TNF-αmRNA的表達(dá)量。另外,該試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)飼糧添加0.2%乳酸型復(fù)合酸化劑還可以顯著提高斷奶仔豬血清T-SOD 活性并顯著降低斷奶仔豬血清丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量。
以往研究表明在日糧中添加復(fù)合酸化劑可提高雞的免疫力和抗氧化能力。羅曦等[40]以乳酸、檸檬酸、富馬酸及甲酸組成的復(fù)合酸化劑可不同程度提高肉雞血清IgG 和IgA 含量,但差異均不顯著。劉圈煒等[41]在日糧中添加2 g/kg 復(fù)合酸化劑(50%磷酸、5%乳酸、8%檸檬酸、5%延胡索酸及9%其他酸或鹽),發(fā)現(xiàn)血清白蛋白水平顯著高于對照組。血清白蛋白可以補(bǔ)充體內(nèi)營養(yǎng),提高機(jī)體抗體水平和免疫力,防止白細(xì)胞減少及貧血[42]。王銘洋等[43]對18 周齡蛋雞進(jìn)行分組研究,發(fā)現(xiàn)在飲用水中添加0.1%復(fù)合酸化劑(14%甲酸、14%乙酸、10%乳酸和2.5%丙酸),將蛋雞飲用水pH調(diào)至4.0可顯著提升23周齡和32周齡蛋雞脾臟指數(shù),顯著降低23 周齡蛋雞血清中TNF-α含量與32 周齡血清中IL-2 含量。除此之外,該研究還表明,飲水型酸化劑顯著降低了23 周齡和43 周齡蛋雞肝臟MDA含量,顯著提高了T-AOC。
以上試驗(yàn)結(jié)果提示,酸化劑可以緩解動物因氧化應(yīng)激造成的機(jī)體損傷以及提高免疫球蛋白含量和誘導(dǎo)免疫因子的表達(dá)來增強(qiáng)畜禽的免疫功能。
屠宰性能(包括屠宰率、全凈膛率、腿肌率及腹脂率等)是評定動物產(chǎn)肉性能的重要指標(biāo)。評價肉品質(zhì)指標(biāo)主要包括肉色、pH(正常肌肉pH 為6.0~6.6)、剪切力(剪切力越低,肌肉嫩度口感越佳)、失水率(失水率越低,肌肉越鮮嫩多汁)、肌肉成分和抗氧化性能。李軍[44]研究復(fù)合酸化劑對肉仔雞屠宰性能和肉品質(zhì)影響的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),飼料中添加不同水平復(fù)合酸化劑(主要成分為65%磷酸、30%乳酸及5%其他成分)對屠宰率、全凈膛率、腹脂率無顯著影響,但較對照組顯著提高了半凈膛率、胸肌率、腿肌率。同時添加復(fù)合酸化劑各組與對照組相比均顯著降低了胸肌剪切力和失水率。金曉君等[45]運(yùn)用磷酸、乳酸等組成的復(fù)合酸化劑在肉雞上研究得出的結(jié)果與李軍[44]相似。這可能與酸化劑降低了日糧pH,改善飼料適口性,從而提高飼料轉(zhuǎn)化率,實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)沉積有關(guān)。
范秋麗等[46]研究顯示,酸化劑組(2 000 mg/kg 苯甲酸和2 000 mg/kg 檸檬酸)與對照組相比能降低1~66 日齡黃羽肉雞腹脂率,提高了胴體性能,且效果顯著優(yōu)于抗生素組。黃冠慶等[47]報(bào)道,肉雞日糧中添加0.1%酸化劑和益生素后,無論飼喂常規(guī)粗蛋白還是低蛋白水平日糧,肉雞胸肌和腿肌的滴水損失都顯著降低。另外,高玉云等[48]添加150 mg/kg 含有25%檸檬酸和16.7%山梨酸的有機(jī)酸與精油形成復(fù)合微囊包被物(microencapsulated organic acids and essential oils,MOAEO),與對照組相比,黃羽肉公雞胸肌pH45min和pH24h顯著降低,pH分別在5.48和5.46左右。當(dāng)添加200 mg/kg MOAEO 時,肉雞胸肌失水率顯著低于對照組。
綜上所述,酸化劑具有改善肉品質(zhì)的效果,但大多研究是圍繞肉雞進(jìn)行的,而關(guān)于對豬肉品質(zhì)的影響卻鮮有報(bào)道,因此未來有必要探討酸化劑對豬肉品質(zhì)是否有積極作用。
有研究顯示,酸化劑對小腸形態(tài)的發(fā)育有積極作用,能顯著提高小腸的絨毛高度、密度和肌層厚度[49-50]。Mohammadagheri 等[51]在Ross308 肉雞飼料中添加1%的檸檬酸可顯著增加十二指腸絨毛高度和寬度,并顯著降低隱窩深度。酸化劑能改變微生物的種類和數(shù)量而影響腸道微生物菌群的組成以及微生物的活性,從而改善動物腸道健康。有研究報(bào)道,飼喂富含左旋乳酸、富馬酸、丙酸、甲酸和檸檬酸的復(fù)合有機(jī)酸后,斷奶仔豬糞便中的乳酸桿菌數(shù)為對照組的1.05~2.27倍,雙歧桿菌數(shù)為對照組的1.16~1.70倍,而大腸桿菌卻較對照組(38、48、58 d)分別降低了40.38%、15.46%和28.13%[52]。張婧婧等[31]還證實(shí),飼喂含0.1%微囊型酸化劑(富馬酸24.33%、乳酸4.49%、蘋果酸4.87%、苯甲酸4.87%、甲酸6.92%和丙酸3.09%)可顯著降低母豬糞便中大腸桿菌數(shù)。肉仔雞方面,在日糧中添加復(fù)合酸化劑能使腸道中大腸桿菌數(shù)量顯著減少,乳酸桿菌數(shù)量顯著增加[24]。
腸道數(shù)量巨大且種類繁多的有益微生物菌群是腸道正常消化代謝與維持腸道免疫的重要保障。酸化劑通過抑制或者殺滅腸道病原菌以及防止病原菌在腸道的定植與黏附而調(diào)節(jié)腸道微生態(tài),從而起到維持菌群平衡的效果,發(fā)揮促進(jìn)腸道健康的作用。酸化劑在豬禽生產(chǎn)中的應(yīng)用總結(jié)見圖1。
圖1 酸化劑在豬禽生產(chǎn)中的應(yīng)用
酸化劑從最初的單一添加到包被復(fù)合運(yùn)用,加強(qiáng)了酸化劑在腸道的作用效果,使得其在養(yǎng)殖生產(chǎn)中得到廣泛運(yùn)用。酸化劑從降低飼料酸結(jié)合力和pH,調(diào)節(jié)腸道菌群紊亂,增強(qiáng)內(nèi)源酶活性,促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收和增強(qiáng)機(jī)體免疫抗氧化能力等方面維持動物健康已被證實(shí)。但對于酸化劑與某些添加劑的配伍效果,是否具有協(xié)同增強(qiáng)作用還需進(jìn)一步研究。同時,加強(qiáng)對不同種類有機(jī)酸作用機(jī)制進(jìn)行充分了解,有利于根據(jù)不同畜禽不同發(fā)育階段進(jìn)行復(fù)合酸化劑的配制,從而提高酸化劑的使用價值。