酸化剂改善畜禽生长和肠道健康的研究进展

2.4 能量竞争与渗透压的升高

有机酸的 pKa 是一个反映有机酸动态平衡的离解常数，当外部环境的 pH 比该有机酸的 pKa 值大，则有机酸会解离出 H+ 来中和以维持一种动态平衡 （ 图 2 途径③）。饲用酸化剂中的部分有机酸通过自由扩散方式进入细菌细胞内部，但也有研究表明有机酸的跨膜转运也可以通过细菌细胞膜上的通道蛋白来实现。由于细菌细胞内部为中性或者碱性， 比有机酸的 pKa 值大。根据有机酸的动态平衡方程：RCOOH⇌H++RCOO-， 有机酸会解离出 H+和酸根离子 RCOO-， 解离出的离子无法通过自由扩散的方式排出细胞外，因此细菌细胞内的 H+大量聚集，造成细胞内的 pH 下降，而细菌为了细胞功能的正常运转， 急需恢复原来的中性或碱性环境， 因此不惜消耗大量ATP 以主动运输方式将 H+ 从细胞内排出，从而影响细菌正常生长代谢所需要的能量，形成一种能量竞争 。

随着有机酸在细胞内解离产生的 RCOO-不断增多，细胞内的渗透压逐渐升高，为平衡升高的渗透压，细菌必须将带负电的离子排除细胞外，迫使细菌将自身生长所必须的前体物质或辅助因子排出体外，从而影响细菌的正常生长。研究表明，大肠杆菌细胞内乙酸解离产生的 CH COO- 浓度由开始的 8 mmol/L 逐渐增加到250 mmol/L 时，细菌细胞中带负电荷的谷氨酸根离子（Glu-）减少近 80%，且大肠杆菌的生长速率也显著降低，这表明大肠杆菌通过释放 Glu- 来维持细胞内的渗透压平衡，造成自身生长所需的营养物质减少，生长速率减慢。此外，H+ 在细菌细胞内通过膜转运蛋白泵至细胞外，K+ 通过离子通道泵入细胞内，此过程会进一步加大细胞内渗透压增高，最终造成细胞膜负荷过大，膜结构裂解，内容物外泄，引发细菌死亡。

2.5 抑制细菌内部大分子物质的合成

RCOO- 的不断聚集使细菌细胞内部稳态环境改变，进而干扰细菌内部一系列生理生化特性。研究表明，有机酸通过抑制 DNA 合成所需要的核糖核酸还原酶来干扰大肠杆菌的 DNA 复制， 从而抑制细菌生长（ 图 2 途径④）。有机酸不仅可以影响 DNA 的合成，还可以通过改变细菌代谢途径来降低细菌对葡萄糖的利用效率。Pieterse 等表明，在植物乳杆菌 Lactobacillus plantarum 培养过程中添加乳酸，丙酮酸转化为乳酸的代谢途径随着体内乳酸浓度的不断增加受到反馈性抑制；为避免丙酮酸在体内的积累，乳酸转而增强磷酸戊糖途径中转酮醇酶、转醛醇酶等酶的活性，改变原有的丙酮酸转化为乳酸的代谢途径；但会导致 NAD+减少，产能下降，细菌的绝对生长率降低。此外，有机酸还可以通过阻断或者改变一些关键酶或合成途径来抑制细菌生长。研究表明，用乙酸处理的大肠杆菌 Escherichia coli （E.coli ）K-12 体内同型半胱氨酸含量显著提高，甲硫氨酸含量降低，而同型半胱氨酸是合成甲硫氨酸的前体物质，说明乙酸的添加阻断了同型半胱氨酸合成甲硫氨酸的途径，使细菌生长受到抑制。此外，同型半胱氨酸在细胞内的聚集也会对细菌产生毒害作用，使细菌生长受阻。

2.6 诱导抗菌肽表达

有研究表明，酸化剂中的部分有机酸可以通过激活和调节宿主的免疫系统，诱导宿主细胞自身产生某种抗菌肽，抗菌肽通过裂解细菌细胞膜， 使得内容物外泄，造成细菌死亡，达到抑菌的目的（图 2 途径⑤）。因抗菌肽源于宿主本身，病原菌也不易产生耐药性， 增强了宿主细胞自身的安全性 。研究表明，甲酸、乳酸可诱导人杀菌 / 渗透性强化蛋白的衍生肽 P2 的表达 。Schwab 等研究也表明，丁酸钠在翻译阶段可以明显提高人 β 防御素 2 型（Human beta- defensin-2，HBD-2）的表达量。此外，0.25 mmol/L 和0.5 mmol/L 的丁酸钠可以显著提高奶牛气管抗菌肽（TAP）和 β 防御素基因的相对表达量，同时金黄色葡萄球菌 Staphylococcus aureus 在宿主细胞上的数量也减少了近 50%。但关于有机酸诱导宿主细胞产生抗菌肽达到抑菌的具体机理还不明确，未来还需要进一步开展相关研究。

2.7 其他机制

有研究表明，酸化剂促使畜禽胃肠道中pH 逐渐降低，而胃肠道中酸性增高可以刺激十二指肠肠壁细胞分泌抑胃素来抑制胃的收缩，从而延缓胃的排空速度，使饲料在胃内停留时间延长，能够被胃蛋白酶等充分消化，提高畜禽的蛋白质、碳水化合物等的消化率 。酸化剂中的有机酸还可以通过氧化分解成 CO 和碳酸氢盐来维持血液中适宜的 pH，能有效缓解家禽热应激所导致的呼吸性碱中毒。此外， 柠檬酸等有机酸可以与钙、铜、磷等矿物质元素形成一种螯合物从而促进它们的消化和吸收。Baruah 等研究发现，添加 3% 柠檬酸可以显著提高南亚黑鲮（一种鱼类）骨骼中磷和钼含量。

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