替抗產品在畜牧生產中應用的研究進展

劉薇，丁雪，楊運玲*，張廣寧，苗曉微，劉文峰，梁代華

（1.谷實生物集團股份有限公司，哈爾濱 150078；2.東北農業大學動物科學技術學院，哈爾濱 150030）

1929年，具有殺死細菌功能的青霉素被英國科學家弗萊明首次發現[1]，標志著對抗微生物時代的到來，自此越來越多的抗生素被發現。20世紀40年代后，隨著人們對肉蛋奶等畜禽產品需求的增加，規模化、集約化生產越來越普遍，并產生一系列的動物健康問題[2]。此時抗生素在動物營養和飼料科學領域被廣泛地研究和應用，使用抗生素作為生長促進劑和飼料增強劑給畜牧生產者帶來巨大效益。然而，抗生素在畜牧生產中有利也有弊，濫用抗生素導致抗性病原體的發展[3]、畜體免疫力下降、藥物富集等問題[4-5]，嚴重的可造成動物中毒甚至是死亡。畜禽日糧中添加的抗生素大部分可以隨糞尿等排泄物排出體外，但仍有部分殘留在體內或動物產品中，而隨糞便排出體外的部分未經去抗處理會對空氣、土壤、水等造成有害影響，從而危及人畜健康。

我國農業農村部已頒布公告：自2020年7月1日起飼料中添加抗生素被全面禁止，因此尋找有效替抗產品已經成為行業的研究熱點。替抗產品主要包括：中草藥制劑、微生態制劑、酶制劑、抗菌肽和有機微量元素等幾類。相較于抗生素，抗生素替代品是無毒副作用、無藥物殘留、無環境污染的綠色飼料添加劑。

1 替抗產品種類及其抗炎抗病毒機理

1.1 酶制劑

畜牧生產中所用酶制劑種類較多，蛋白酶、溶菌酶、葡萄糖氧化酶、淬滅酶等都具有殺死細菌的功能，其他一些酶能提高動物機體免疫力，如木聚糖酶、甘露聚糖酶、果糖基轉移酶、葡萄糖苷酶等。

1.1.1 溶菌酶

溶菌酶能夠直接殺菌和抑菌，通過水解細菌的β-1,4糖苷鍵、肽鍵和酰胺鍵來破壞其細胞壁，導致內容物流出和細菌溶解[6]。溶菌酶往往通過酶與非酶物質間的協同起殺菌作用，其含有的殼多糖和一些陽離子能夠分解真菌細胞壁和細胞膜，大量研究表明溶菌酶對于白色念珠菌、新生隱球菌、青霉菌和曲霉菌等真菌具有良好的滅菌活性[7-8]。溶菌酶還能夠通過抑制多種引起炎癥的酸性物質的釋放來發揮抗炎作用，增強巨噬細胞和T淋巴細胞的活性來提高動物機體的免疫力[9-10]。

1.1.2 葡萄糖氧化酶

葡萄糖氧化酶（Glucose oxidase，GOD）呈弱酸性，在一定程度上可以起到酸化劑的抑菌作用。GOD能夠氧化β-D-葡萄糖，產生葡萄糖酸和H2O2，而H2O2能使細菌細胞內蛋白質上的巰基失去活性，從而起到殺菌作用[11]。GOD在腸道內發揮氧化作用并產生厭氧環境，抑制了需氧細菌的生長，同時還能清除腸道中的氧自由基，發揮抗氧化作用。

1.2 抗菌肽

抗菌肽（Antimicrobial peptides，AMPs）一般由10~60個氨基酸組成，屬于一種小分子多肽，具有顯著的抗菌活性。AMPs廣泛存在于各種動植物、細菌、病毒和人體內，是機體抵御病原微生物入侵的一道防線。目前已被發現的AMPs多達3 000多種[11]，按照來源不同可分為動物源性AMPs、植物源性AMPs、微生物源AMPs及其人工合成AMPs。

AMPs的抗菌活性與抗生素不同，因其結構差異和來源不同，抗菌肽作用機制也表現出差異，已有研究將AMPs作用機制分為兩種：第1種以細胞膜作為靶點，由于AMPs帶有正電荷，能夠與帶有負電荷的細菌細胞膜通過靜電作用結合，使膜的通透性增大，導致胞內大分子物質外流，從而引起病原微生物死亡；第2種將DNA和RNA作為靶點，通過抑制核酸和蛋白質的合成釋放來使病原微生物死亡[12-13]。由于AMPs具有特殊的二、三級結構及其多靶點作用特性，使其對酸堿和胃腸道中蛋白水解酶具有一定抵抗作用，多作用機制和多靶點作用也使得病原微生物產生耐藥性的概率降低。未來抗菌肽的量產和生產中的普遍應用將會受到更多的關注。

1.3 微生態制劑

微生態制劑即活菌制劑，是指應用于飼料和動物營養中能提供有益菌和建立動物腸道微生物區系平衡的一類綠色飼料添加劑總稱。益生菌、益生元、合生元是微生態制劑的三種基本類型，益生菌既有細菌也有真菌，包括酵母菌、霉菌、乳酸菌、枯草芽孢桿菌、糞腸球菌、屎腸球菌等。益生元包括殼聚糖、單糖、寡糖等，它們的主要作用是給益生菌提供營養，促進有益菌繁殖生長。益生菌和益生元混合在一起被稱為合生元。

微生態制劑的主要作用在于提供有益菌后調節維護腸道微生物區系平衡，也有一些附加作用，如提高機體免疫力、促進胃腸道的消化吸收。動物體內存在一個復雜的微生物系統，細菌、真菌和原蟲等構成了這個系統，它們之中既包括有害菌也包括有益菌。微生態制劑一方面補充有益菌數量，另一方面又能抑制有害菌生長繁殖，同時還能有效調節腸道pH，建立腸道微生物平衡，促進動物消化吸收和健康生長[14]。微生態制劑提高免疫力是通過有益菌釋放的活性物質來實現的，來自酵母菌釋放的葡聚糖能與巨噬細胞表面的特異性受體結合[15]，激活巨噬細胞活性，同時釋放活性因子和抗體，從而提高機體的非特異性免疫。

1.4 中草藥制劑

中草藥飼料添加劑可分為植物源性、動物源性和礦物質。常見的植物源性中草藥添加劑包括黃芪、青蒿、穿心蓮、連翹、菊花等植物及其提取物。中草藥添加劑的抗菌活性主要通過其含有的多糖、黃酮類、鞣質、生物堿、萜類和甾醇類化合物等多種活性成分來實現。多糖能夠清除氧自由基發揮抗氧化活性，黃酮類和甾醇類化合物能直接作用于病原微生物抑制其生長繁殖[16]。大部分中草藥添加劑由于所含成分復雜，不能像抗生素那樣直接作用于病原微生物，其抗菌抗炎作用往往通過提高機體免疫能力來實現。

1.5 有機微量元素

微量元素是動物機體正常生長繁殖所必需的營養元素，有機微量元素包括富馬酸鹽、琥珀酸鹽、乳酸鹽等。最新的有機微量元素添加形式為螯合物形式，如氨基酸螯合的鋅、鐵、銅等，還包括一些特殊的單體氨基酸螯合物，如蛋白酶螯合鋅、賴氨酸螯合鋅等[17]。有機微量元素在體內能發揮抗氧化作用和免疫調劑作用，如Se發揮抗氧化功能主要是由于Se能與谷胱甘肽過氧化酶特異性結合，而谷胱甘肽過氧化酶能夠降解體內的過氧化物，從而保護膜磷脂免受氧化。Cu、Zn和Mn能與超氧化物歧化酶結合在一起，形成Zn-SOD和Mn-SOD，它們可催化O2-發揮抗氧化功能。硒、鋅等對吞噬細胞和T細胞具有活化作用，能增強免疫細胞對病原微生物的吞噬和溶解[18-19]，增強機體免疫力。

2 替抗產品在單胃動物中的應用

2.1 在豬上的應用

抗菌肽是近年來研究熱度比較高的抗生素替代品。J.H.Wang等[20]在斷奶仔豬日糧中添加10 mg·kg-1抗菌肽，發現改善了仔豬的生產性能；S.D.Wu等[21]使用抗菌肽cecropin飼喂，用大腸桿菌K88建模的斷奶仔豬，結果cecropin添加組與抗生素添加組仔豬生長性能相似，并發現生長性能的改善與營養物質消化率和腸道形態的改善有關；與空白組相比，cecropin治療降低了腸道總需氧菌的豐度，同時提高了回腸中的總厭氧菌的豐度；cecropin還增加了盲腸中有益乳酸桿菌的數量；cecropin還增加了血清IgA和IgG以及炎性細胞因子白細胞介素1β和白細胞介素6，結果表明抗菌肽cecropin激活了全身和局部免疫系統以響應大腸桿菌攻擊，對于改善仔豬細菌性腹瀉具有顯著影響。

研究發現給產前母豬飼喂益生菌（腸系膜芽孢桿菌、酪酸梭菌和糞腸球菌），母豬分娩時窩重和發情比率得到改善，在泌乳后飼喂使母豬采食量增加[22]。S.K.Kirtas等[23]也得出同樣結論，添加枯草芽孢桿菌后母豬的繁殖性能和健康狀態得到顯著提高，仔豬日增重和腸道菌群結構得到改善，顯著降低了仔豬腹瀉率。糞腸球菌DMS 7134可作為抗生素生長促進劑的替代品應用于育肥豬[24]，能顯著提高生長性能。

2.2 在雞上的應用

益生菌的作用機制包括刺激內源性酶、減少產生有毒物質代謝反應以及提供一定的抗菌物質。研究發現在雞飼料中使用糞腸球菌對小腸中細菌菌群具有抵抗作用[25]。添加鏈霉菌屬也得到了類似結果。在一項研究中，將枯草芽孢桿菌與廣泛用作雞飼料添加劑以預防壞死性腸炎的恩拉霉素進行比較，結果顯示在肉雞飼料中添加105 cfu·kg-1枯草芽孢桿菌UBT-MO2可增加肉雞體重，降低了NH3和H2S在雞排泄物中的濃度，從而降低雞舍中有害氣體排放[26]。

微生態制劑在禽類生產中也被廣泛應用，雞飼料中添加富含甘露糖和甘露糖蛋白的產品顯著增加了腸絨毛細胞數量。此外，研究還表明在雞飼料中以0.2%的比例添加甘露寡糖比抗生素更有益于腸道健康，具體表現為病原微生物減少、腸道形態發育（絨毛高度和杯狀細胞數量）良好和有益細菌定植數量增加[27]。

植物性飼料添加劑的抗菌性能是由于單寧酸和皂苷等生物活性成分。一項研究在肉雞的小麥豆粕日糧中添加50、100 mg·kg-1的牛至精油，與對照組相比，日增重和飼料轉化率均顯著提高[28]。另一項研究在肉雞日糧中補充印度丁香和肉桂醛，對采食量、日增重均產生有益影響[29]。

3 替抗產品在反芻動物中的應用

反芻動物瘤胃和后腸道存在大量細菌、真菌和原蟲等微生物，其瘤胃類似于一個“厭氧生物發酵罐”。在瘤胃微生物作用下大量的營養物質被分解消化，在纖維分解菌的作用下，能利用單胃動物不能利用的粗纖維，在反芻動物日糧中添加抗菌肽、益生菌、酶制劑、植物提取物等替抗產品能有效改善瘤胃環境，促進瘤胃發酵，同時益生菌的添加使微生物區系保持平衡，促進營養物質在皺胃和小腸中的消化吸收。

細菌素又叫細菌抗菌肽，一項體外研究表明由瘤胃內鏈球菌產生的細菌素Bovicin HC5能影響瘤胃發酵，使CH4產量顯著降低[30]，動物試驗表明在日糧中添加乳鏈菌肽也能顯著降低瘤胃CH4產量。一種由乳鏈菌肽和硝酸鹽組合形成的電子受體可顯著降低牛瘤胃產甲烷菌的生物活性，降低產甲烷菌的豐度，最終降低瘤胃中CH4排放[31]。奶牛飼料中常添加的益生菌包括反芻獸新月單胞菌、丙酸桿菌、埃氏巨型球菌、鏈球桿菌和雙歧桿菌等，飼料生產中使用單一菌種的情況較少，添加的益生菌一般多以復合型菌種為主，要求其活菌總數大于1×1010cfu·g-1。在飼料生產中，益生菌先與膨潤土、玉米芯粉、麩皮等載體混合制成預混料后再添加到飼料中，大部分研究表明復合型益生菌的添加量為日糧干物質的0.05%~0.30%時有利于促進牛瘤胃發酵和維持腸道環境穩態。H.Goto等[32]給患亞急性瘤胃酸中毒的荷斯坦奶牛補充20~100 g·d-1的益生菌（包括植物乳桿菌、屎腸球菌和丁酸菌），結果顯著提高了奶牛瘤胃pH，降低乳酸濃度，改善奶牛瘤胃酸中毒癥狀。研究顯示給泌乳牛補充S.cerevisiae47酵母菌后顯著提高了產奶量，在對瘤胃微生物進行分析發現產琥珀酸絲狀桿菌（Fibrobacter）、反芻球菌（Ruminococcus）等纖維素利用菌及反芻獸新月單胞菌（Selenomonas）、埃氏巨球型菌（Megasphaera）等乳酸利用菌的豐度顯著提高[33]，改善了泌乳牛瘤胃發酵情況，提高了營養物質消化吸收率，最終使產奶量上升。

反芻動物營養物質的消化不同于單胃動物，特別是在進入腸道之前，單胃動物依靠胃蛋白酶或淀粉酶對營養物質進行消化，而反芻動物則依靠大量的瘤胃微生物來進行，這些微生物也產生相應的酶，外源性酶制劑的添加能加強瘤胃對營養物質的消化，纖維素酶通常用于提高瘤胃對粗纖維的消化，研究顯示在泌乳奶牛日糧中添加10 g·d-1的纖維素酶可極顯著提高產奶量，添加復合酶也能有效提高產奶量及乳脂率[34]。甲烷產量高不僅意味著大量能量損失還會對環境造成影響。甲烷是溫室氣體的重要來源，研究發現在育成羊日糧中添加外源酶可顯著改善羊的瘤胃發酵，降低瘤胃甲烷產量。中草藥添加劑中皂苷、單寧和精油等活性成分能起到抑菌抗菌作用，多項研究表明金銀花提取物作為抗生素替代物可以有效降低圍產期奶牛氧化應激，減少乳房炎發生[35]。

4 結 論

尋找和普及有效綠色的替抗產品是應對全球肉類消費需求增長、糧食緊缺和環境污染問題的有效措施，酶制劑、益生菌、抗菌肽、植物提取物等綠色飼料添加劑已被廣泛研究和用于畜牧生產中，在抑菌抗菌、提高動物腸道健康和免疫力的同時，還不會造成藥物殘留、耐藥細菌進化。雖然替抗產品具有較多優點，但抗菌肽量產成本較高，生產工藝復雜；許多中草藥添加劑成分復雜，抗菌活性成分未知；與抗生素相比，大多替抗產品抗菌效率較低等問題仍然是未來替抗產品研究的熱點和重點問題。