进一步了解仔猪日粮中有机酸的选择因素

有机酸在养猪业中的应用并不是一项新的技术:人们很早就发现仔猪在消化含有植物性蛋白的日粮时存在困难,这主要是胃酸化不足造成的。然而,我们不能说这是消化道发育不成熟的特征,因为仔猪和母猪已经共同经历了数  以百万年的进化,它们的消化道完全能适应猪乳的消化。在自然界中,断奶是一个缓慢而渐进的过程,但随着工业化生产的发展,我们已经建立起一套以纯粹经济利益为目标的固定断奶日期和时间。多年来,断奶日龄急剧降低,大量的营养失调已经向兽医和营养学家提出了挑战。早期断奶的不良影响是如此之大,以致于人们可能想回归自然断奶。下面,我们将重点介绍关于有机酸在断奶前后日粮中应用的各个方面。

技术演变

有机酸在自然界中分布广泛:存在于植物和动物组织成分中。它们 还可以通过大肠中微生物发酵碳水化合物来形成。[HD2] 在所有的猪日粮中,仔猪日粮是迄今为止最为复杂的一种,这既是因为其原料种类众多,也是因为其参数众多,而有关数据并不总是非常明确。原料的品质对于仔猪的生产性能有着很大的影响。采用不同的生产工艺加工同一种原料会对生产性能产生显著的影响。我们以乳制品为例:不同的乳清干 燥工艺可能会导致生产性能远远达不到预期。有机酸的应用技术已为人们所熟知,是获得最佳生产性能的重要工具。随着时间的推移,针对有机酸各个方面的研究越来越多。最初,有机酸的应用方式非常简单,人们常常借助高剂量来达到效果。这种做法之所以可行,是因为有些酸不仅产量很大,而且在动物营养领域被认为可进行大量排放。同时,在此期间,酸盐(特别是钙)也成为研究的对象。随后,随着对磷酸(一种只允许在动物饲料中使用的无机酸)的使用,复合酸得以较为广泛的应用,且添加量降低和价格都降低。包含化学及物理参数的酸类对照表可为选择

“最佳”有机酸时提供参考。比较不同酸化剂的pKa成为较为有效的方法。为了找到一种方法对酸化剂(包括剂量)进行比较,人们提出了“体外”评估。后来,这些类似的测试被证明没有用处,因为在消化道中酸的动力学对其有效性起着重要的作用。有机酸在消化道中被吸收,削弱了“体外”测试的重要性。人们非常清楚地了解酸化剂在胃中可以降低pH,而在后段肠道能够抑菌,因此,在所有环节都能够高效起作用的酸就是最好的酸化剂。再次强调,“体内”测试的前景更为光明,因为这类技术能够显示酸化剂是否到达肠道后段从而起到抑菌作用。,。目前,脂肪包被的有机酸可以到达更远的部位。在脂肪酶的作用下,有机酸的释放量令人满意。新有机酸的出现凸显了对有机酸比较方法的需求。部分有机酸可能不溶于水,这让我们想起了有关酸性的其他概念(Brönsted - Lowry和Lewis),其中包括Arrhenius提出的有关水溶性酸的传统概念。在这种情况下,一些市场的消费者要求停用抗生素生长促进剂,在这种压力下,寻找相应的方案来控制和维持肠道菌群平衡显得十分重要。尽管MIC(最低抑菌浓度)并不完全令人满意,但在目前所有的可选方案中,有机酸仍旧是最有前景也是最行之有效的方案。为了确保MIC能够代表其促生长作用,新技术可以而且应该被开发出来。

应用仔猪日粮后可发挥的作用

用于动物营养领域的有机酸通常含有1到7个碳。有机酸具有一系列的作用和益处, 但很显然,不是所有的酸都具有这些特性。在某些酸中表现显著的特性,可能在另一些酸中却并不存在。因此,并不存在一种完美的酸。我们可以认为,除了一种或多种副作用之外,每种酸都有自己的主要作用。

不同有机酸作用之间的关系

  • 降低胃pH值;
  • 减少肠道转运的时间;
  • 增加胰酶分泌;
  • 改良肠道菌群 - 抗菌剂;
  • 降低饲料系酸力;
  • 中间代谢物 - 用作能量来源;
  • 改善仔猪和育肥猪的生产性能;
  • 降低尿液pH值;
  • 螯合剂;
  • 肠道细胞壁的能量来源。

来源:(Walsh, M.C.等人,2004年,修订版)

介质pKa和pH(解离定律)

周围环境pH与有机酸pKa之间的差值决定了有多少酸将以未解离的形式存在。Pka是指一个特定pH值,达到该值时,解离和非解离形式的酸各占50%。后者是有 机酸发挥抗菌作用的形式。有机酸只有在处于非解离状态时,才能穿过细菌和真菌的细胞壁。因此,有机酸的pKa值越低,其降低胃pH值的作用越明显,且在其通过 消化道的过程中,在远端的抑菌作用越差。不过,有机酸的pKa值只是酸选择过程中的参数之一。在酸的所有作用中,我们将重点关注更常见的两种作用:降低饲料的系酸力和抗菌特性。

表1.原料的B值(pH=5)

饲料系酸力

针对植物蛋白消化时盐酸产量不足的弱点,人们提出了一种测定饲料和原料系酸力的方法。事实上,我们可以使用如下两种参数之一:以毫当量表示的系酸力,或使用“B值”这一参数(可在pH值为3 、4 或5时测定)。实际应用中经常将pH值设定为

5,因为在这种条件下,分析过程中反应速度更快,滴定所需的酸也更少。随着时间的推移,我们尝试通过选择最佳B 值范围来限定饲料配方。然而这些参数可能是一个陷阱。饲料最终的B值可以通过添加一种碱性很强的原料或者一种酸化剂而达到平均值较为理想的状态。使用B值来选择本身碱性较弱的原料似乎更为合理;这对于矿物质来源的选择非常重要。

pH值为5时,已知谷物的B值略低于5,蛋白质原料的B值约为30和40,矿物质原料的B值介于240和1500之间,如磷酸氢钙和碳酸钙,如表1 所示。

通过在日粮中添加有机酸来抵消碳酸钙的作用这种做法似乎没有什么意义。使用更适宜的钙源并优先使用有机酸来实现其他方面的作用将会更有意义。熟悉各种蛋白原料也非常重要;例如,血浆是非常好的蛋白原料,即使其B值很高,但由于功能蛋白的存在,它的营养功效也非常突出。同样的道理也适用于自我酸化的乳蛋白,这是因为其乳糖成分会转化为乳酸。具有讽刺意味的是,相比低B值和富含有机酸,以及豆粕及碳酸钙的日粮,我们采用高B值的日粮但同时富含血浆和乳制品,可以获得更好的生产性能。这进一步证明了这个参数有其重要性,但也有其局限性。

抑菌作用

正如我们之前所说的一样,在最初使用有机酸时,我们试图通过在皮氏培养皿中进行测试来比较其抑菌能力的高低。由于没有考虑消化道中的新陈代谢及其动力学因素,这些检测方法都是基于随着pH的变化有机酸的解离程度也会发生变化,但其并不能完全与动物体内试验所得到的理想结果相一致。因此第一步是建立碱和酸性pH值之间的关系,但是我们缺少酸化剂在消化道中的吸收动力学知识以及由于酸化剂浓度的降低而产生的结果我们也不得而知。 此外,皮氏培养皿法不涉及微生物种群,而只涉及一种微生物,通常是大肠杆菌或沙门氏菌属。Walsh(2004年)进 行了两次引用:2003年,Mroz发表了一篇综述,对有机酸作为大肠杆菌潜在“杀手”的情况进行了一个排序  - 丙酸<甲酸<丁酸<乳酸<富马酸<苯甲酸。

此外,他还提到,Jensen等人在2001年论证了在pH值为4时各种有机酸在控制胃液中鼠伤寒沙门 氏菌的排序:乙酸<甲酸<丙酸<乳酸<山梨酸<苯甲酸。Knarreborg等人在2002 年提出了一种更为广泛和复杂的试验,彻底改变了当时的抗菌作用研究的现状。该研究通过模拟不同的pH值、培养基以及厌氧条件,更加准确的再现了消化道中的一个动态变化状态,来评估细菌在不同有机酸下的群落变化。 

体内试验更为合适,但试验过程中不应该只记录生产性能,还应考虑有关微生物群落动态变化的一系列参数。随着生长促进剂的使用受到越来越多的限制,应改进此类研究,使其更加贴近现实,从而更好地了解微生物群的动态变化。

酸的选择

有机酸的每一项作用和益处都是不能完全分离的。最终产生的结果不过是这些不同作用(对微生物群、生产性能和系酸力的作用)的总和,因此需要确定选择酸化剂时最重要的考虑因素是什么。Gheler等人(2005年)在圣保罗大学(University  of   São  Paulo)皮拉苏农加(Pirassununga)校区进行了一项对比研究发现:随着苯甲酸添加量的增加(分别为0.25%、0.50%和0.75%,试验共70天),对比阴性对照以及使用富马酸的阳性对照(1、2和3阶段日粮中添加量分别为2%、1.5%、1%)结果如表2所示。

表2.实验平均日采食量(ADFI)、平均日增重(ADG)、饲料转化率(FCR)的结果 - (22-70天)。

基于饲料成分以及通过用水稀释饲料成分和有机酸确定的B值(pH=5)表,我们得到了 表3中所示的平均值。富马酸在降低胃pH方面作用显著,能够很好地改善系酸力。所以,问题仍然是:精确调整饲料的系酸能力以及改善微生物的平衡哪一项更为重要,表3没有给出答案, 但生产性能数据清晰的表明,0.5%的苯甲酸比富马酸能有更好的生产效果。

表3:计算得出的B值

用于评估有机酸系酸力的方法存在一个问题:分析程序规定要在水中溶解酸化剂。由于苯甲酸不溶于水,因此这种方法似乎不适用于测定这一参数。苯甲酸在水中形成上清液,因此只有部分苯甲酸发生解离,这对降低溶液的pH起到了相当小的作用。此外,pH是在室温下测定的,而且苯甲酸在温度高于100  °C时为液态。这样的温度在动物体内永远不可能达到,但40 °C却是完全可行的,在此温度条件下,pH从3.02降至2.80,变化显著。值得注意的是,pH计的校准温度为25 °C,但我们在此要重点关注的是数值的下降。

表4:控制腹泻发病率

虽然表3中的值受此技术难点的影响,难以准确测定苯甲酸B值,也很难获得与富马酸相应的苯甲酸B值当量。另外,与现场的田间试验相比,在实验环境中遇到的挑战更少,苯甲酸也表现出更好的肠道菌群调节效果,如“表4:控制腹泻发病率”所示。

结论

对于系酸力这一标准的评论和之前基于此的各种比较可能导致了错误的结论。系酸力从一开始就被用作选择有机酸的标准,现在是时候扩展这一研究视野了。复合酸的使用很常见,但其成分的确定更多地取决于成本压力大小,而不会基于可靠的技术证据。这些复合酸的钙磷含量各不相同,这表明以酸化剂实际上更多以其酸盐的形式存在。这些盐的抑菌活性低于原酸,这在像钙这样的二价盐身上体现得尤为显著,因为它们不含可解离细菌细胞的氢。有实验(Gehler,  R.T. 等人,2005年)结果表明,苯甲酸的抑菌作用比降低日粮系酸力这一作用要重要得多。由此可以得出结论,跟复合酸在降低系酸力和pH值方面的作用相比,单独使用苯甲酸更具经济效益。

胃的酸化和肠道的抗菌功能与解离定律截然相反。我们已经确定主要用于酸化胃容物的复合酸具有重要作用,但我们必须观察并核实它们的成分,以确定是否每一种成分都确实与这一目的相关。有机酸是否能够作为肠道抗菌剂使用,要取决于是否有技术手段展示其在肠道后段有存留(pKa较高)。 酸的不溶性程度是另一种确保有机酸(例如苯甲酸)到达肠道更远端的方式。此外,我们还知道,一些有机酸可以促进肠壁的修复和保护。因此有必要开发新的技术,使MIC值可与抗生素生长促进剂(AGP)具有可比性。

如有需要,可提供参考资料。

发布时间:

2018年11月29日

发布时间

18 March 2019

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