甲酸及其衍生物在歐洲畜牧業后甲醛時代應用的新思路

◆作者：翟亞峰 徐銀龍 李彬 鐘玉宜

◆單位：1.歐密伽畜牧有限公司；2.阿肯色大學動物科學學院

抗生素的促生長和抑菌、殺菌效果在畜禽水產養殖，乃至特種經濟動物養殖十分顯著，因而被廣泛應用。隨著細菌耐藥性問題不斷突出，無抗日糧是全球畜牧業發展的必然趨勢。畜牧業要實現無抗化需要飼料品質管控、合理營養供給、科學飼養管理以及遺傳育種等方面相互銜接和配合。甲醛在歐洲實現無抗的進程中，發揮了重要的作用。尤其是在保障飼料衛生安全和避免飼料生產過程中的交叉污染方面發揮了不可替代的作用。歐盟食品安全局的報告顯示，每噸全價飼料添加0.2～1kg 甲醛，即可有效殺滅大部分有害微生物。Moustafa 等（2002）研究發現，在飼料中接種鼠傷寒沙門氏菌后，添加0.5%～1%的甲醛溶液能迅速殺滅飼料中的沙門氏菌。另有研究報告表明（WALES 等，2010；CARRIQUE MAS 等，2007；BERGE等，2012），使用甲醛可以有效控制飼料和飲水中的沙門氏菌及其他病原菌，很大程度地減少環境中的病源微生物。

甲醛雖然具有極強的抑菌效果，但使用不當會對人的健康造成嚴重危害。甲醛對皮膚粘膜有刺激作用，高濃度吸入會出現嚴重的呼吸道刺激并伴隨頭痛。其次，甲醛接觸到皮膚會產生色斑、過敏性皮炎等癥狀。另外，人體吸入甲醛后會誘導DNA 損傷，引發致畸、致癌作用（KIM等，2011）。考慮到甲醛對人身健康的危害，歐盟食品安全局于2018 年8 月通過了禁止將甲醛用作飼料添加劑的決議。后甲醛時代的最適合替代品是什么？已經成為了歐洲畜牧業專家學者探討的熱點話題。歐盟食品安全局經過試驗對比，通過（EU）2017/940 文件，批準甲酸作為“飼料衛生增強劑”，適用于所有動物種類（見表1，EC,2017）。

1 甲酸替代甲醛作為飼料衛生增強劑是科學有效的選擇

1.1甲酸具有極強的抑菌效果

甲酸是最小的有機酸，分子式為H2CO2,分子量為46.03。甲酸以酸分子形式高效地直接進入細菌體內（pH≈7.0）（如圖1），導致菌體內pH 值下降，細菌不得不通過H+-ATP 泵，消耗大量能量排出氫質子，導致細菌最終耗能凋亡。同時，羧酸根負離子能抑制DNA 和蛋白質的合成，使細菌無法繁殖，達到殺菌效果（Dibner 等，2002；Partanen 等，1999）。比較不同有機酸的抑菌效果的結果顯示（Strauss 等，2001），甲酸對大腸桿菌、沙門氏菌等病原菌具有很強的抑制效應（見表2）。

1.2甲酸具有酸化和營養功能

甲酸溶液的pH 值約為1.25，系酸力（ABC4）為-13550 meq/kg。甲酸屬于短鏈脂肪酸，能值為11.34 MJ/kg。這些特征使得甲酸在飼料和胃內具有很好的酸化作用，而在動物腸道又具有很好的營養功能（Suryanarayana 等，2012）。

Eidelsburger 等（1992）研究表明，斷奶仔豬飼喂含1.25%的甲酸日糧，采食后的3 小時檢測到胃內容物中pH 值和氨的含量顯著下降，檢測到十二指腸內的大腸桿菌和腸球菌數量也顯著下降。Eckel 等（1992）在斷奶仔豬日糧中分別添加0.6%和1.2%的甲酸，結果發現飼料中蛋白和能量的表觀消化利用率明顯上升，分別提高了3.8%和1.9%。通過在線系酸力分析軟件分析得出，斷奶仔豬日糧中添加0.5%的甲酸，系酸力ABC4 可以降低68 meq/kg（如圖2）。

Maribo 等（2000）通過對豬的腸道內容物分析結果發現，日糧中添加0.7%甲酸，腸道內容物中含有4.4%以上的甲酸。這與Kirsch（2011）有關甲酸的研究結果相似，日糧中添加0.5%甲酸，腸道內容物中含有5.5%以上的甲酸。這也就說明，甲酸可以通過胃，一部分達到腸道，在腸道中抑菌或被腸上皮細胞吸收利用（Gabel 等，2004）。

表1 （EU）2017/940 文件中關于甲酸的使用具體說明

圖1 甲酸分子殺菌作用機制圖

表2 不同有機酸對常見病菌的最低抑菌濃度(MIC)

1.3 甲酸可以保障“三線一體”的安全和避免交叉污染

圖2 甲酸對段奶仔豬日糧配方系酸力(ABC4)影響圖

“三線”指飼料的生產線、運輸線、飼喂線。Strauss 和Hayler（2001）的研究發現，甲酸對沙門氏菌的最低抑菌濃度（MIC）僅為0.1%。甲酸的沸點100.8 ℃，具有一定的揮發性，在飼料原料中或者生產過程中添加甲酸，可以確保整個飼料生產系統的清潔同時避免交叉污染。甲酸以有機酸分子形式存在飼料中，也可以確保飼料在運輸過程中的衛生安全，使用甲酸來預防和解決飼料中沙門氏菌的問題具有很高的科學性和 有 效 性（Axmann 等，2017；Gómez-garcía 等，2019）。

“一體”指動物機體。甲酸屬于短鏈脂肪酸，到達動物腸道后可以被吸收利用，不會對動物機體構成危害。

2 甲酸及其衍生物在全球畜牧業中使用情況

目前，歐洲、泰國以及北美等國家的大型飼料和養殖企業，都普遍使用甲酸預防和控制飼料以及肉蛋中的沙門氏菌問題。歐盟食品安全局表示，每年甲酸總產量的1/3 用農業生產中，主要用來控制飼料中微生物的生長、確保安全衛生。

但是，甲酸具有強烈的刺激性氣味和腐蝕性，對眼睛、呼吸道和皮膚具有強烈的刺激和破壞，對運輸設備和儲存設備有嚴格的要求。歐盟食品安全局也在（EU）2017/940 文件中，明確規定了甲酸在全價料中使用的最大添加劑量為1%。因此大大限制了甲酸在畜牧業中大規模的使用，隨著科技的發展，無刺激、安全的甲酸衍生物相繼被開發出來，目前可分為甲酸鹽類，苯甲酸及其鹽類和二甲酸及其鹽類三種。

甲酸鹽類中甲酸鈣應用最為廣泛，甲酸鈣pH 值為中性，易溶于水，甲酸根含量69%，無刺激，無腐蝕（Lawlor 等，2006）。但是甲酸鈣不具有直接殺菌和酸化的作用，甲酸鈣必須在胃內或酸性條件下先轉化為甲酸分子，才能發揮殺菌和降低pH 值的作用（Kim 等，2005）。Partanen 等（2002）的研究發現仔豬日糧中添加0.8%甲酸，可顯著降低斷奶后仔豬的腹瀉率，而同等劑量的甲酸鈣對腹瀉無改善作用。Eidelsburger 等（1992）研究表明，斷奶仔豬日糧中添加1.8%的甲酸鈣，對胃內容物中pH 值和氨的濃度沒有影響，但對十二指腸中大腸桿菌和腸球菌的數量有抑制效應。該試驗結果也間接證明了甲酸鈣必須在酸性條件下，置換出甲酸才能發揮抑菌效果。因此甲酸鈣在動物消化系統內具有一定的殺菌抑菌作用，在飼料中是以甲酸根離子形式存在，殺菌抑菌作用較弱。

苯甲酸也稱安息香酸，常溫下具有甲醛氣味的針狀結晶，難溶于水，1%溶液的pH 值為3.45左右。苯甲酸具有抑制真菌、細菌、霉菌生長的功能，在飼料生產中用添加用作防霉劑。歐盟食品安全局發布法規（EU）2018/1550，批準苯甲酸作為飼料添加劑用于斷奶仔豬和育肥豬，規定斷奶仔豬日糧的最大添加量為5 000mg/kg 全價飼料，育肥豬日糧的最大添加量為10000 mg/kg 全價飼料。有研究報告表明（Torrallardona 等，2007），斷奶仔豬飼料中添加0.5%的苯甲酸可改善生長性能，這可能與苯甲酸改善動物腸道菌群多樣性有關。但是苯甲酸在家禽上的研究結果并不是很理想，Józefiak 等（2007）在肉雞上的研究發現，苯甲酸添加劑量超過0.25%時，對肉雞的采食量和飼料轉化效率均有負效應。一方面可能是苯甲酸特殊的甲醛氣味，影響采食。另一方面是苯甲酸在動物機體內的代謝需要結合甘氨酸，在肝和腎臟中形成馬尿酸，隨尿液排出（Torrallardona 等，2007；Corzo等，2004）。這樣會導致動物體內甘氨酸水平降低，一定程度影響動物生長性能。這也可能是歐盟食品安全局沒有批準苯甲酸應用在家禽上的一個因素。在使用高劑量苯甲酸時，飼料配方應注意補充甘氨酸。

二甲酸鹽類主要是二甲酸鉀，是由甲酸和甲酸鉀通過氫鍵締合而成的二聚體，為白色或微黃色結晶粉末，具有較弱的甲酸氣味，流散性較好，但是吸濕性強。二甲酸鉀易溶于水，1%溶液的pH 值為3.5 左右，甲酸含量35%以上，甲酸根含量40%以上。二甲酸鉀在酸性條件下較穩定。日糧中添加高劑量的二甲酸鉀，對動物生長性能和腸道健康均有改善。Canibe 等（2001）的研究表明，在斷奶仔豬日糧中添加1.8%的二甲酸鉀可以減少糞便和消化道中總厭氧菌、大腸菌和酵母菌的數量，但不影響胃和腸道內容物的pH 值。Ragaa 等（2016）研究發現，飼料中添加0.5%二甲酸鉀，能顯著提高肉雞的生長性能、降低飼料轉化效率，同時改善機體免疫指標、腸道健康。

二甲酸是由兩個甲酸分子通過分子間作用力聚合而成的甲酸二聚體，具有甲酸氣味的棕色液體，同時兼具無腐蝕、無刺激性的特點。1%濃度二甲酸溶液的pH 值2.5 左右，甲酸含量65%以上。二甲酸是通過釋放甲酸分子發揮殺菌抑菌作用，理論上具有和甲酸一樣的殺菌抑菌效果。本實驗的初步研究結果表明，豬PAM細胞和非洲豬瘟病毒（ASFV）混合培養15 分鐘后，豬PAM細胞被病毒感染，細胞表面出現紅色斑點（如圖3B，數據未發表）。添加4.5mL/L 濃度的二甲酸30 分鐘后，豬PAM 細胞表面紅色斑點消失，推測病毒失活。同時研究也發現，添加3 mL/L 濃度的甲醛，也能達到同樣的效果（如圖4，數據未發表）。

圖3 豬PAM 細胞和ASFV 感染的豬PAM 細胞電鏡圖

圖4 豬PAM 細胞感染ASFV 后分別添加二甲酸和甲醛培養不同時間點電鏡圖

3 小結

甲酸具有極強的殺菌抑菌效果，兼有酸化和營養雙重功用，成為甲醛科學有效的替代品。在全球畜牧業無抗發展的趨勢下，具有非常廣闊的應用前景。但是甲酸的刺激和腐蝕性等缺點限制了其在實際生產中大規模推廣使用。甲酸鹽和苯甲酸等作為甲酸的衍生物，弱化了甲酸刺激、腐蝕等缺點，也弱化了其酸化功能。二甲酸不僅弱化了甲酸的缺陷，同時也完全保留甲酸的優勢，降低了對工人和設備潛在的危害因素，具備大規模使用的條件。但是二甲酸對病原菌尤其是對病毒的抑制效應和機理還需要進一步系統研究，為飼料和養殖業的使用提供更完善的數據和理論支撐。