有機酸具有超過抗生素的多種作用，其中包括降低PH值和增強胰腺分泌。

一些國家已經撤消了對非治療性抗生素用于動物飼料的許可，飼喂低劑量促生長抗生素的做法正在全世界迅速消失。意圖在無藥殘市場上出售其產品的生產商正在搜尋抗生素的非藥物性替代品。

為理解什么才是適用的替代品，就需要了解抗生素的作用模式。大多數數據都表明，抗生素的促生長作用完全可歸因與其抗菌活性以及機體對此的生理反應。因此，對替代品的搜尋就集中在具有已知抗菌活性的天然分子。

有機酸就在最有效的替代品之列，無論是單個的有機酸還是多種有機酸的合劑。長久以來有機酸就因其對健康和生長的有益作用而已應用在了斷奶仔豬的日糧之中，并且還因其抗細菌和抗真菌作用而常常被用作食品防腐劑。本文將對抗生素和有機酸的有益作用進行相互比較，并將介紹一種新型有機酸2一羥一4一甲流基丁酸（HMB）的活性。HMB是常用于豬、禽和反芻畜日糧之中的蛋氨酸源。HMB是一種天然的L一蛋氨酸前體，當飼喂給動物后在化學上起到一種單按酸（即一種有機酸）作用，直到其在酶作用下在動物組織中被轉化為L一蛋氨酸為止。

和其它具有抗菌作用的有機酸一樣，HMB在低pH值條件下具有親脂性可通過擴散作用而被脊椎動物以及細菌或真菌細胞所吸收。一旦進入細胞，不同的pH環境會使這種弱酸分解。有機酸的多重作用是由于這一細胞內的分解以及細胞對此的反應。抗菌活性是游離質子或許還有游離陰離子對細菌細胞和真菌細胞產生不利作用的結果。據認為，在腸細胞中，這一分解會導致腸促胰液肽的分泌，而腸促胰液肽則是一種能促使胰腺分泌的激素。因此，有機酸的有益作用不只是抗菌活性。

本文將描述有機酸的這一作用，重點將放在豬；還將描述HMB作為抗菌性飼料添加劑的特殊作用。

抗生素的主要作用是抗菌；其對于飼料消化和生產性能的所有作用都可認為是其對腸道菌群的影響以及由此致使免疫刺激減弱的結果。有機酸具有抗菌活性，但其作用看來還不止于抗菌。有些細菌數量的減少與銅喂有機酸有關，有機酸對于抗擊大腸桿菌、沙門氏菌和彎曲桿菌等非耐酸細菌特別有效。

抗生素和有機酸都可減弱背景免疫刺激，并通過減少氨和其它可抑制生長的微生物代謝產物的產量也許還減少微生物的總量而減少免疫介導因子的合成和分泌，從而可改善蛋白質和能量的消化率。和抗生素不同的是，有機酸的抗菌活性取決于pH值。有機酸對于斷奶仔豬具有明顯而顯著的有益作用，并且也有益于家禽的生產性能。有機酸還有幾種超過抗生素的作用，包括降低食糜的pH值和加強胰腺的分泌。

有機酸由于對仔豬的健康和生長能產生有益作用，尤其是對斷奶后的仔豬，所以其在仔豬飼養中的應用已有很多年了。豬對于斷奶應激（與母豬分離，環境變化，固體飼料的物理刺激）以及多種病原體非常敏感。這些病原體在成年動物體內的數量比較少，因為成年動物胃中的pH值比較低，而幼豬胃中的鹽酸分泌量比較低因而pH值比較高。此外，胃內容物未能酸化，加上胰酶分泌量低，可導致養分消化不充分，并使斷奶仔豬易于患腸道疾病。從當前關于有機酸的資料來看，有機酸對仔豬的促生長作用是毫無疑問的。

有機酸作為一類化學物質，包含了任何有機核酸，包括脂肪酸和氨基酸，它們都有共同的結構R－COOH。并非所有這些有機酸都對腸道菌群有作用。事實上，具有特別抗菌活性的有機酸都是短鏈酸（C1～C7），并且是單核酸，比如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸；或者是帶羥基（通常位于α碳）的羧酸，比如乳酸、蘋果酸、酒石酸和檸檬酸。有些有機酸的鹽也能對動物的生產性能產生有益作用。其它酸，比如山梨酸和延胡索酸，具有一定的抗真菌活性，并且是含雙鍵的短鏈接酸。

有機酸是弱酸，在生理pH范圍內僅能部分離解。大多數具有抗菌活性的有機酸其pKa（達到半離解的pH值）在3～5之間。

表1顯示了常用作豬、禽飼料酸化劑的有機酸，列出了其常用名、化學名、分子式、分子量和第一pKa。本文使用“有機酸”一詞來指這類具有性能促進作用和抗菌活性的酸或其鹽。要注意的是，表1包含了HMB，并說明了它與其它用作抗菌性飼料添加劑的有機酸之間的相似性。除了提供蛋氨酸活性以外的其它好處，表明了其作為有機酸在被機體吸收并轉化為蛋氨酸之前對仔豬飼料和腸道的有益作用（Buttin，1999）。

表1  有機酸

許多可對動物生產性能產生有益作用的有機酸也是有效的食品防腐劑和飼料防腐劑，它們抗菌作用的大小取決于其濃度的高低和pH的高低（ Chaveerach等，2002）。

有人研究了HMB、乳酸和甲酸受pH的影響，并將其抗菌活性同非有機酸（礦物酸）鹽酸進行了比較。試驗用菌株為大腸桿菌，取自美國標準培養物＃25922。大腸桿菌培養于含鹽酸、HMB、甲酸或乳酸（均為1％濃度）的胰酶解酪蛋白大豆肉湯中。用鹽酸或氫氧化鈉將肉湯的PH值調節為4或7．3。先用大腸桿菌原始培養物在上述肉湯中培養，然后將培養物進行離心，再是浮于0．1％蛋白陳液中至107菌落形成單位／毫升。取 100微開菌液接種于試驗培養基上千37℃溫度中振動培養。接種后5小時后和24小時后從每一處理中取樣，將樣品進行系列稀釋并培養于胰酶解酪蛋白大豆瓊脂平板上進行增菌培養。所有的平板都在35℃的溫度中培養24／小時。大腸桿菌數量報告為“菌落形成單位／毫升”。

在pH7．3時沒有什么抗菌活性，但在pH4時所有的酸都對大腸桿菌表現了一定的抗菌活性。以鹽酸的最弱，乳酸的強一些。本試驗中甲酸和HMB的抗菌活性最強，培養5小時結果表現完全抑菌。

此外，每一種酸都有其各自的抗菌譜，例如，山梨酸以抗霉菌活性著稱，乳酸則有比較有效的抗細菌活性。有些酸，例如甲酸、丙酸和HMB，其抗菌譜比較廣，能有效地抗細菌和真菌，包括酵母（Para-nen和Mroz，1999；Doerr等，1995； Enthoven等，2002）。這樣的抗菌譜導致人們在動物飼料中使用有機酸合劑（Mroz，2000）。據報告，有些酸的合劑在體外表現協同抗菌活性（Huyghebaert，1999）。

對豬性能的影響

許多研究都已證實了有機酸對于幼豬生產性能的有益作用，尤其是對斷奶仔豬。Partanen（2001）最近發表了這一領域的文獻綜述，提出了對現有數據的分析結果（圖1）。只對使用單個酸并且沒有抗生素和銅的研究進行了分析。

圖1  有機酸在豬的效力和作用模式：斷奶仔豬的性能(略)

在對46個斷奶仔豬試驗和23個肥育豬試驗進行的分析中，發現甲酸、延胡索酸、檸檬酸和二甲酸鉀（potassium diformate）顯著改善了飼料利用率。體增重和采食量的顯著改善見于甲酸和二甲酸鉀。Partanen（2001）的結論是，日糧酸能產生有益作用，尤其是對斷奶仔豬，這主要與胃腸道菌群的改變有關。

作用模式

與抗菌活性有關的作用

有機酸在畜牧業中的第一作用與飼料防腐有關。山梨酸和丙酸等有機酸很久以來就像用于控制飼料中的真菌抱子。各種有機酸對腸道菌群的活性是相似的。

在飼料防腐和對腸道菌群的作用中，有機酸都按其各自的抗菌活性譜改變了微生物群體。對于飼料來說，抑制真菌生長的活性最為突出；在腸道中，受其影響的菌群主要是對酸性條件敏感的細菌。然而，需要強調的是，不同有機酸的作用機理相當不同于鹽酸等無機酸，并且其作用范圍超過了無機酸（Eidelsburger等，1992a）。圖2顯示了HMB對蛋白質粉樣品中沙門氏菌生長的影響。由圖可見，0．2％HMB可防止沙門氏菌的生長，而0．7％的HMB則事實上殺滅了沙門氏菌。

從低pH值對有機酸高解的作用中可看出低pH值對于有機酸抗菌活性的重要性。在低pH條件下，有較多的有機酸處于非離解狀態。非離解有機酸具有余脂性，因而可通過擴散奏樂穿過細胞膜，包括穿過細菌和霉菌的細胞膜（Huyghebaert，1000；Eidelsburger等，  1992a）。有機酸一旦進人了細菌細胞，細胞內的高pH值就會使有機酸發生離解而導致細胞內容物的pH值降低，從而破壞細胞內的酶作用和養分輸送系統（Cherrington等，1991）。

此外，將游離質子輸送出細胞外的過程也要消耗能量，這也就會減少用于細菌增殖的能量，從而導致一定程度的抑菌作用，如圖2所示。

這一直接抗菌活性就保證了飼料和食品的衛生狀況，突顯了有機酸作為防腐劑的應用。這還可解釋為什么鹽酸等礦物酸和有機酸之間存在協同作用。鹽酸的存在降低了食磨的pH值，使較多的有機酸處于非離解狀態。直接的抗霉菌作用是導致減少潮濕墊料中霉菌數量的作用機理（BASF,1990）。

圖2 HMB對沙門氏菌的抑制作用（略）

口服抗生素產生的抗菌作用可以抗腸道菌群。腸道菌數量的減少及其產生的效應可能就是抗生素產生有益作用的機理（Bedford，2000）。作用機理必然集中在腸道，因為這些抗生素中有些是不可吸收的。Anderson等（1999）對于綜述了關于抗生素的促生長作用主要是因其改變了腸道菌群，因為給無菌動物飼喂抗生素并無促生長作用。此外，給無菌動物飼喂胃腸道微生物導致了生長抑制。

在家禽，抗生素的促生長作用在衛生條件較差的情況下比較明顯，而將脂多糖等細菌代謝物或者白細胞間素-1等免疫介導因子注射給無菌動物，會引發生長抑制（Roura等，1992）。與抗生素抗菌活性直接后果有關的另一個效應是腸壁變薄（Coates等，1955）。在無菌動物，包括無菌雞中，也觀察到了這一現象（Franti等，1972）。這也許是腸道給締組織中免疫細胞數量減少了的緣故。

有機酸在被動物吃下后，其直接抗菌活性在消化道前段中最大，其改變食糜pH值的能力很有限。消化道前段包括了雞的味囊和肌胃以及豬的胃。有機酸的抗菌活性對大腸桿菌和其它不耐酸的細菌尤其有效。許多這類細菌都是條件性病原菌，比如彎曲桿菌和沙門氏菌。由此導致的亞臨床感染水平減弱，可能也就減少了腸道免疫組織的養分需要量。

降低免疫活性的效應，在很大程度上就是抗菌藥之所以能改善動物性能的原因（Bedford，2000）。有報告表明有機酸可減弱豬胃（Bolduan等，1988；Scipioni等，1978）和小腸（Gedek等，1992；Cole，1968）的細菌活動。類似的微生物活動減弱也見于雞的小腸、泄殖腔和冷卻后嗣體（ Roura等，1992；Hadorn等，2001）。

消化道前段較低的pH通常不僅有利于有機酸的抗菌活性，而且還有利于有機酸通過擴散作用進入腸道上皮細胞（Huyghebaert，1999）。HMB和許多有機酸一樣，其吸收主要也是通過擴散作用（Knight和Dibner，1984）；但是，除此之外，其傳輸是通過也能傳輸另一種有機酸乳酸的質子依賴性載體系統，這一過程發生在后段小腸之中（Brachet和Puigserver，1987）。

在后段腸道內較高的pH環境看來有利于有機酸的離解，這就會減弱有機酸通過擴散作用的吸收，但是在腸道上皮表面存在著一種酸性的微環境，這就可允許非離解狀態的有機酸擴散進入細菌以及腸細胞（Engelhardt等，1989）。

有機酸抗菌活性持續至空腸和回腸，對于其另一作用機制也很重要。空腸中微生物增殖活動較弱，減弱了菌群對宿主養分的競爭。這一競爭作用的減弱也許就是養分消化率得到改善的機理之一。在豬和肉雞都報道了養分的消化率得到了改善（Huyghebaert，1999）。

有機酸的抗菌活性還有其它好處。Eckel等（1992）和Eidelsburger等（1992b）報告了斷奶仔豬飼喂了1．25％的甲酸后，胃、小腸和盲腸中的氛顯著減少，這可能是細菌對氨基酸的脫氨基作用減弱的緣故，而未被細菌脫氨基的氨基酸就可被機體吸收，這就導致了在們喂有機酸的豬觀察到氮的消化率提高而氨排泄量減少。

氨的毒性已經得到充分證實，減少氨的微生物合成據認為是飼喂抗生素后生長率得到改善的原因之一（Visek，1978）。Eckel等（1992）也報告說，飼喂有機酸導致小腸中生物肢的濃度降低。這些以及其它的微生物代謝產物可能具有抑制生長的作用（Bonem等，1976）。

抗菌活性以外的作用

有機酸是否僅僅通過其抗菌活性發揮作用？它有沒有其它方面的好處呢？抗生素的有益作用肯定包括了上述有機酸的有益作用，比如改善蛋白質和氨基酸的消化率、降低氮和生物肢的生成量（Dierick等，1986b）。

然而，據報告，有機酸不只有改變腸道微生物菌群的作用。這些作用包括了與其酸化作用有關的其它好處，比如改善消化酶的活性、改善微生物植酸酶的活性、增強胰酶的分泌，等等。最后，還有證據表明，有機酸，尤其是丁酸等脂肪酸，可增強胃腸道粘膜的生長。

在豬，有機酸可降低腸道食糜的pH值，尤其在前段腸道中（Eckel等，1992；Thomlinson和Lawrence，1981）。此處所舉的例子來自甲酸（1．25％）和乳酸（l％）。胃中pH值降低的幅度最大，約為0．5～1．OpH單位。有趣的是，采用低水平HMB時觀察到肉雞小腸中的pH值降低。在這個例子中，小腸混合食糜的pH降低幅度達到比第三天基礎pH值還低大約0．25～0．35pH單位的程度（5．64對5.99）。在胃中，pH值的降低可激活胃蛋白酶原和其它酶原，并可使胃中的pH。值接近于胃蛋白酶最佳活性所需的水平（Huyghebaert，1999）。

低pH值的另一個好處是可提高微生物植酸酶的活性。微生物植酸酶有兩個最佳pH點：2.5和4．5～5．7，而植酸在較低pH環境中溶解度較大（Mroz，2000）。這些效應總合起來，就導致了磷的消化率和儲留率的改善。

在斷奶仔豬（Cranwell，1995；Botermans等，1991）和新生雛雞（Nitsan，1991），飼料中養分的消化率受到消化酶分泌不足的限制。新生雛雞有能力增加胰酶的分泌（Nitsan等，1974），經過體重選擇的雞，具有較高水平的胰酶和腸酶（Dunnington和Siegel，1995）。在斷奶仔豬（Karada等，1986）和2周齡犢牛（Kato等，1989），有機酸可影響胰液分泌（圖3；Thaela等，1998）和膽汁分泌（Harada等，1988），這是由于有機酸在未離解狀態下能擴散人細胞內而后在胞漿的高pH環境中發生離解（Huyghe-baert，1999）。這一能力只是有機酸才具有，抗生司則沒有此種能力。

增強分泌的機理，是由于腸細胞內具有能對離解的質子發生反應的受體導致促胰液素釋放增加（Harada等，1988）。綿羊的腸道上皮細胞也具有促胰液素釋放反應（Harada等，1983）。遺憾的是，目前還沒有數據表明家禽是否也能對有機酸發生反應而增加膽汁和膝液的分泌。

圖3  有機酸刺激胰液分泌（略）

有機酸無效的原因

在將有機酸的好處同抗生素進行比較時，常常發現有機酸的好處變化很大。在檢測有機酸的好處時結果不一，與對各個變量的控制不良有關（比如對于日糧原料緩沖力、是否存在抗菌藥物、生產環境清潔與否以及腸道微生物的異源性等變量的控制不良）。

進行進一步的研究，可以澄清這些因子的作用，并且找到減小其影響的方法。有機酸的抗菌活性有益于動物生產性能的許多試驗都非常成功，但也有報告表明沒有發現任何好處。

此外，在有些情況下，對動物生產性能的效果并未伴隨著菌群或消化率的改變（Gabert和sauer，1995）。盡管尚未進行系統的文獻查詢，但看來有機酸的效果并不象抗生素的效果那樣有那么高的可重復性。

現已辨明，有若干因素可影響有機酸的好處。也許，最常提到的因素就是日糧原料的緩沖力（Cherrington等，1991；Tomlinson和Kawrence，1981）。緩沖力的度量是：使周克飼料原料樣品漿液達到一定pH值（通常是3～5）所需的酸量（0．1摩爾鹽酸）（Makkink，2001）。最能增強緩沖力的飼料原料是蛋白質和礦物質。谷物和谷物副產品的緩沖力較低。有機酸能夠降低日糧的緩沖力，使消化道前段的食糜得以更充分的酸化，這對于食糜中的酶活性以及控制微生物增殖都是十分重要的。

Blank等（1999）觀察到，將緩沖力從23．5提高到56．7，使回腸氨基酸消化率降低了10％之多。對于雞的開食料來說，推薦的緩沖力是0～10（Makkink，2001）。在大多數有機酸研究中，日糧的緩沖力是個未加控制的變量，而這完全可造成試驗結果的不一致。影響對有機酸反應程度的其它因素是日糧的配合，原料的性質，及其對腸道菌群的影響。

現已證明，在日糧中具有高含量難以消化的蛋白質時，停止使用抗生素性生長促進劑產生的負面影響比較大（Smulders等，1999）。和抗生素一樣，含低水平高度可消化蛋白質的日糧較少表現酸效應。腸道中的過量難消化蛋白質有利于溶蛋白質菌群的生長，從而導致產生高水平的細菌毒素（Corthier等，1989）或生物膠等毒性代謝產物（Eckel等，1992）。日糧抵消有機酸作用的另一個途徑是通過對乳清所含的乳糖在腸道中進行發酵。乳酸產生得這樣早具有重要意義，因為乳酸可掩蓋加入日糧中的有機酸的任何作用，尤其在斷奶仔豬。

日糧的其它成分都可對菌群產生比較全面的有利或不利影響，而我們對于這些影響并不總是完全了解。小麥即為一例，小麥比玉米更有利于腸道紊亂的發生，尤其是剛收割的新鮮小麥。相反，大麥被認為有利于食糜在腸道中的通過，所以常常被建議加人仔豬的日糧之中。這里，添加抗菌性飼料添加劑會對情況有所改善。Patapen（2001）認為，有機酸對小麥田糧的作用大于對玉米日糧或大麥日糧的作用。這些因素可使試驗中有機酸的好處表現不出來。必須對測試有機酸時所用日糧的基質加以注意。

一個有關的因素是試驗日糧中存在抗菌劑。很少見到有機酸試驗用的日糧中加入了抗生素，但有時候有其它抗菌劑，比如高水平的銅或抗球蟲藥。這些藥物會對腸道菌群施加影響而使有機酸顯得多余。

文獻報告中結果不一的另一個原因是所用酸的種類、酸合劑的類型以及酸的濃度有所不同。也許，最可重復的效應就是用0．5～1．5％的甲酸產生的效應。然而，如上所述，表中所有的酸都至少有一次表現對動物的生產性能有好處。

還有一個因素也造成了這些研究結果的復雜化，即試驗所處的環境。盡管在籠養試驗中見到了效果，但抗菌效果在衛生條件比較差的情況下才比較明顯。和抗生素一樣，有機酸與其說是有促進生長作用還不如說是有允許生長的作用，因為他們只是允許動物在飼喂這些日糧時，其生長能夠達到其遺傳潛力。動物的生長越是接近于其遺傳潛力，就越難以檢測到有機酸所起的作用。這就表明，有機酸試驗中，環境的管理必須是一種加以控制的變量。

也許，所有變量中最無法加以控制的就是菌群本身。盡管占優勢的腸道菌種類相當恒定，但常規動物中不可避免地存在著大量不明菌群，這些菌群也會影響動物對有機酸反應的大小。也許，將微生物的作用同胰液對腸道粘膜的刺激和營養作用區別開來的唯一方法就是使用無菌實驗模型。當然，若要預測商業汗境中的效果時，這些方法也有其自身的局限性。

結 語

非治療性抗生素在動物飼料中的應用許可，正在全世界范圍內被迅速撤。抗生素的主要作用是其抗菌活性；其對養分消化率和動物生產性能的所有作用都可通過其對胃腸道菌群均影響來加以解釋。短鏈有機酸也有一種pH依賴性的抗菌活性。有機酸對斷奶仔豬具有明顯而顯著的好處，并據觀察對家禽生產性能也可產生有益作用。細菌數量的減少與飼喂有機酸有關，這對于大腸桿菌、沙門氏菌和彎曲桿菌等不耐酸的細菌，尤其有效。

抗生素和有機酸都可通過降低亞臨床感染的發生率、通過減少免疫介導因子的分泌以及通過減少氮和其它抑生長細菌代謝產物的生成，而改善蛋白質和能量的消化率。

有機酸具有一些抗生素沒有的作用，包括可以降低食糜的pH值和增強胰液的分泌。

HMB是一種蛋氨酸源，它能在被動物吸收后在動物組織中轉化成L一蛋氨酸，它能在飼料中和動物的胸腔中發揮重要作用；然而，它在被轉變為一種氨基酸之前是一種有機酸。HMB的抗菌活性能夠有效抑制細菌和霉菌，是對日糧中可能存在的任何有機酸的一種補充。HMB的有機酸活性是其作為  蛋氨酸源活性之外的一種額外產生的好處。