中鏈脂肪酸抗微生物機制及在豬生產中應用的研究進展

郭 亮，劉則學

（武漢中糧肉食品有限公司，湖北 武漢 430200）

長期以來，抗生素在養豬業中被用于治療或者預防目的。從機制上講，抗生素可以影響細菌細胞的完整性和繁殖，通過調節豬胃腸道內細菌種群的組成來發揮促進生長的作用，同時降低全身的細菌病原體水平，從而預防疾病。盡管有這些重要的能力，但越來越多的人擔心，食用動物的抗生素使用正在導致人類和動物群體中存在抗生素耐藥細菌的全球問題。這些擔憂導致人們呼吁大幅減少或停止在動物身上使用抗生素，特別是在它們被用于促進生長的低劑量水平的情況下。目前世界各地基本上都通過相關立法減少了抗生素的使用。

人們對食用動物使用抗生素的擔憂和立法行動，正導致越來越多的科研工作者尋求對抗病原體的工具。含有6～12個碳鏈長的飽和脂肪酸，作為飼料添加劑已被證明具有改善動物健康、生產和飼料消化率的積極好處[1]。這些結果建立在將中鏈甘油三酯（MCTs）作為飼料添加劑與脂肪酶結合的開創性研究基礎上，脂肪酶催化體內MCTs水解，隨后釋放具有抗病毒和抗菌活性的中鏈脂肪酸（medium chain fatty acids, MCFAs）和單甘油酯衍生物，以支持豬的生長和發育。鑒于豬流行性腹瀉病毒（PEDV）、豬繁殖與呼吸綜合征病毒（PRRSV）、非洲豬瘟病毒（ASFV）等病毒的流行不斷擴大，MCFAs和單甘油酯的促進健康和減輕病原體的綜合功能尤其重要。在過去的幾年里，在評估游離MCFAs和單甘油酯作為豬飼料添加劑的作用以及理解這些化合物如何發揮作用的機理方面已經取得了進展。

本文綜述了MCFAs和單甘油酯在抗微生物、免疫調節和豬生產應用方面的最新研究進展，以期為從業者合理使用它們做一些參考。

1 中鏈脂肪酸的概念、種類及理化特性

中鏈脂肪酸是含有6～12碳原子數的脂肪酸，具有兩親特性，因為在生物系統中碳原子數通常為偶數，因此主要包括己酸（C6：0）、辛酸（C8：0）、癸酸（C10：0）和月桂酸（C12：0），分子結構和重要的理化特性見表1[2-3]。單甘油酯是另一類單鏈脂類兩親體，由一個脂肪酸分子和一個甘油分子的酯化形成。MCFAs和單甘油酯自然存在于一些動物的乳汁中，或者植物來源的油脂中，如椰子油。MCTs是由它們合成，在體內可以被脂肪酶水解生成MCFAs和單甘油酯。

2 中鏈脂肪酸抗微生物的作用機制

MCFAs和單甘油酯的抗微生物作用機制已經通過多種試驗方法進行了探索，確定它們主要作用于細菌細胞膜，阻斷細胞關鍵的生化反應過程。這種與膜作用的能力源于它們的兩親性，可以導致包括膜失穩和孔隙形成在內的一系列生物物理現象。電子傳遞鏈和氧化磷酸化是發生在細胞膜上的兩個對細菌細胞至關重要的生化反應，這兩個過程是相互關聯的，MCFAs和單甘油酯通過與電子載體結合或改變膜完整性來破壞電子傳遞鏈過程，并通過降低膜電位和質子梯度來干擾氧化磷酸化。此外，研究還發現脂肪酸可以直接抑制與膜相關的酶活性，如葡萄糖基轉移酶[4]。相關作用機制過程的細節可以總結分類如下：1）膜通透性和細胞裂解增加；2）電子傳遞鏈的破壞和氧化磷酸化的解偶聯；3）膜酶活性和養分攝取的抑制[5]。

總的來說，因為革蘭氏陽性細菌具有更簡單的單脂質雙層細胞膜結構，而革蘭氏陰性細菌通常具有更復雜的內外膜結構，因此MCFAs和單甘油酯對革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌表現出更強的抑制活性。另一方面，MCFAs和單甘油酯由于主要是通過與膜結合而發生作用，所以它們只對被膜包裹的病毒顆粒顯示抗病毒活性，對無包膜病毒無活性。MCFAs和單甘油酯靶向細胞膜的另一個重要結果是，易感病原體更難對這些化合物產生耐藥性。人們普遍認為，病原體對脂肪酸和單甘油酯產生抗性的屏障非常高。

3 中鏈脂肪酸的抗菌抗病毒的研究進展

MCFAs和單甘油酯對多種病原菌均有較強的抑制活性，包括革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌、包膜病毒、藻類、真菌和原生動物。Kabara小組在20世紀70年代完成了這項開創性工作，他們進行了詳細的結構與功能之間的關系研究，調查分析碳氫化合物鏈長如何影響抗菌活性[6]。一般而言，癸酸（C10）和月桂酸（C12）在脂肪酸中表現出最高的效能，而相應鏈長的單甘油酯通常效能更強[5]。MCFAs和單甘油酯主要是在膠束狀態下發揮破壞磷脂膜的作用，單甘油酯形成膠束的濃度比MCFAs低，這也解釋了為什么單甘油酯通常比脂肪酸更具有生物活性，碳鏈長的化合物也往往表現出更強的抑制作用[7-9]。然而，需要注意的是，不同的MCFAs和單甘油酯對不同的病原體有不同的抑制作用，因此需要根據目標病原體進行適當的選擇。近年來，研究MCFAs和單甘油酯對養豬業相關病原體的抑制作用已成為研究的熱點。據報道，GML（月桂酸的單甘油酯）、月桂酸（C12）以及辛酸（C8）和癸酸（C10）的混合物對大量的細菌病原體表現出強大的抗菌活性，如大腸桿菌，豬鏈球菌、浦那沙門氏菌和產氣莢膜梭狀芽孢桿菌。MCFAs和單甘油酯往往比經常研究的有機酸（如乳酸和檸檬酸）表現出更強的抗菌效力[10]。也已確定，這類化合物，如GML，可以幾乎完全殺死需氧炭疽芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌[11]。另一項研究報道指出GML和月桂酸還能抑制單核增生李斯特菌，這是一種可污染養豬場的食源性病原體[12]。

此外，MCFAs和單甘油酯可抑制被膜包裹的病毒，目前對養豬業影響較大且具有囊膜的病毒包括豬流行性腹瀉病毒（PEDV）、豬繁殖與呼吸綜合征病毒（PRRSV）、豬傳染性胃腸炎病毒（TGEV）、偽狂犬病病毒（PRV）、經典豬瘟病毒（CSFV）、乙型腦炎病毒（JEV）、非洲豬瘟病毒（ASFV）。相關研究已經系統報道了MCFAs和單甘油酯可以有效阻斷飼料中PEDV的傳播，對PEDV有很強的抑制活性[13-14]。

4 中鏈脂肪酸參與機體免疫調節的研究進展

除抗菌特性外，某些MCFAs和單甘油酯還具有免疫調節特性。研究發現MCFAs可以作為G蛋白偶聯受體-GPR84的配體，而GPR84是免疫細胞中高表達的信號蛋白，因此其參與免疫反應的調節[15]。已知GML可以與免疫細胞細胞膜上相關信號通路相互作用，特別是T淋巴細胞，體外研究表明GML減少細胞因子的產生，表現出免疫抑制作用，同時體內研究發現口服GML可有效減輕腸道炎癥，可應用于抗炎[16-17]。MCFAs在體外也被證明可以改善豬腸道細胞系IPEC-J2細胞的免疫反應[18]。研究表明，飼糧中添加MCFAs可有效緩解脂多糖（LPS）引起的仔豬腸黏膜結構損傷，維持和保護腸黏膜免疫屏障功能[19]。

綜上所述，MCFAs和單甘油酯具有免疫調節作用，加上耐藥發展的高障礙和抑制細菌和包膜病毒的潛力，使它們成為潛在的替代抗生素和促進豬生產性能的候選添加劑。

5 豬飼糧添加中鏈脂肪酸對生產性能的影響

Marounek等發現，將0.5%辛酸飼喂感染小隱孢子蟲的斷奶仔豬，可以提高仔豬的生長性能[20]。與對照組相比，0.5%辛酸處理組體重增加（4.97±0.36） kg，未處理組和1% MCT處理組分別為（3.64±0.43） kg和（3.95±0.35） kg。這個發現很重要，因為它顯示了0.5%辛酸的表現優于1% MCT，因此支持了游離MCFAs作為飼料添加劑的用途。在這項研究的基礎上，Hanczakowska等研究了添加MCFAs對仔豬生長性能的影響，發現在飼糧中添加0.5%的己酸、辛酸、癸酸和月桂酸混合物可以改善生長性能，同時降低小腸食糜中梭狀芽胞桿菌數量[21]。隨后進一步研究0.2%辛酸和/或癸酸對斷奶仔豬生長性能、營養物質表觀消化率、腸道微生物區系和回腸結構的影響時發現[22]，與未添加MCFAs或抗生素的對照組相比，添加辛酸、癸酸或其組合的仔豬日增重更大；飼喂MCFAs的豬死亡率降低，粗蛋白質和粗纖維消化率提高；添加MCFAs的各組均能降低回腸產氣莢膜梭狀芽胞桿菌的數量，癸酸組另外還能顯著改善回腸黏膜的形態。

Gebhardt等也評估了飼糧中添加MCFAs對仔豬生長的促進作用[23]。他們試驗了飼糧MCFAs混合物（己酸、辛酸、癸酸比例為1∶1∶1）添加量為0、0.25%、0.5%、1.0%、1.5%，以及己酸、辛酸、癸酸分別添加0.5%對生長性能的影響。結果表明，MCFAs混合物線性改善了日增重和采食量、料重比；0.5%辛酸組日增重顯著高于對照組；0.5%己酸組、0.5%辛酸組、0.5%癸酸組，料重比顯著優于對照組。雖然MCFAs飼料有強烈的氣味，但它們沒有減少飼料的攝入量。Cochrane等進一步研究了MCFAs是否可以在仔豬細菌病原體挑戰模型中作為抗生素氯四環素（CTC）的替代品[24]，結果發現給感染大腸桿菌的豬飼喂含有MCFAs的飼料，其飼料轉化效率與飼喂含有抗生素飼料的豬相似。

此外，Snoeck等研究發現在斷奶仔豬飼糧中添加0.1%月桂酸/GML的養殖場，與仔豬飼喂常規飼料的養殖場相比，其養殖場每個動物平均年少使用8個日劑量的抗生素[25]。雖然對MCFAs和單甘油酯的研究大多數集中在如何支持豬生長發育的早期階段，但Zhang等也研究了添加0.15%或0.3% MCFAs替代0.1%抗生素（氯四環素、磺胺二甲嗪和普魯卡因青霉素，1∶1∶1）對生長肥育豬的影響[14]，研究發現生長豬的飼糧中添加0.3% MCFAs對日增重和IgG濃度的影響與添加抗生素的飼糧組類似，表現出可以替代抗生素的效果。還有在母豬上的研究發現，在妊娠后期和哺乳期母豬飼糧中添加7.75 g/kg含量的MCFAs可以提高初乳中營養物質含量和縮短發情間隔[26]。

6 中鏈脂肪酸在飼糧中的使用策略

MCFAs和單甘油酯雖然已被證明是有用的飼料添加劑，但研究人員也在探索不同的添加策略。例如將它們包裹起來，以減緩吸收，引導給藥到胃腸道的靶向區域，從而潛在地提高功能效價。另外一種有效的策略是使用MCTs作為飼料添加劑，因為它們保護MCFAs和單甘油酯不被快速吸收，而活性化合物可以在體內被脂肪酶作用下逐漸釋放，同時它們沒有不良氣味，不影響采食量。根據具體情況，如果飼料來源中含有內源性脂肪酶，或者豬體內的脂肪酶分泌功能發育完全，MCTs可以單獨作為飼料添加劑使用，否則可以與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純度MCFAs和/或單甘油酯作為添加劑，并直接將其加入飼料或水中。在飼料中直接使用游離MCFAs和/或單甘油酯的一個重要好處是，它們具有抗菌特性，因此可以潛在地抑制飼料中的病毒和細菌病原體，從而降低疾病傳播的風險。值得注意的是，由于MCFAs和單甘油酯都有一定的氣味，在飼糧中的添加劑量需要有所控制。

7 總結

MCFAs和單甘油酯因為其分子兩親特性從而具有抗微生物的作用，可以作為替代抗生素的一種選擇。同時，它們還可以阻斷飼料中病原體的傳播，調節機體免疫反應，具有抗炎作用。在實際的豬生產過程中，可以根據具體情況合理搭配使用中鏈脂肪酸及其單甘油酯和三甘油酯。