畜禽养殖抗生素替代物研究进展

刘天旭,杨晓洁,徐 建,陈金城,冯坤娴,王 燕

(华南农业大学 动物科学学院，广东 广州 510642)

抗生素(antibiotics)是指经过微生物培养或者化学合成得到的能够特异性杀灭微生物的物质[1]。抗生素在养殖业中主要应用于两个方面：一是治疗畜禽疾病，降低养殖动物的患病率和死亡率；二是加快畜禽生长，增加饲料利用率[2]。但抗生素在动物体内残留会引起各种副作用，如抗生素耐药菌向人体转移、生殖障碍，甚至致癌性[3]。因此探索安全、绿色、新型和高效的抗生素替代物显得尤为重要。

1 畜禽养殖抗生素的使用现状

1.1 国外养殖业抗生素的使用现状

随着畜禽集约化养殖，抗生素的使用量在逐年增加。而抗生素的使用情况却并不乐观。在对埃塞俄比亚中小农畜牧业中使用抗生素的知识、态度和做法的研究中发现，约18.5%的畜牧家庭将人用抗生素用于兽医用途，约72.3%的牧民没有坚持完整的疗程，而是服用抗生素，还有大约80%和70%的答复者倾向于分别给与高于或低于建议使用的抗生素剂量[4]。

畜禽业抗生素的大量使用已产生了严重的食品安全、动物源细菌耐药性问题，很多国家致力于减少抗生素使用量：2006年，欧盟各国决定在饲料中禁止添加黄霉素、盐霉素钠、卑霉素和莫能霉素钠等抗生素，并开始全面禁抗；2011年，印度国际疾病控制中心设定了家禽生产中抗生素使用量标准，禁止20多种抗生素用于畜禽养殖，明确规定四环素、土霉素、甲氧苄氨嘧啶和奥索利酸等抗生素不可超量使用[5]；2017年，美国禁止在动物中使用抗生素[6]；2018年，巴西农业、畜牧业、食品供应部(MAPA)和国防部 (SDA) 联合发布声明禁止饲喂(促生长)抗生素[7]。

1.2 我国畜禽养殖业中抗生素的使用现状

中国是世界人口最多的国家，也是截止2010年全球最大的抗生素使用国家(动物生产)[8]。据美国华盛顿特区非营利组织-动态疾病、经济和政策研究中心(CDDEP)2018年绘制的抗生素耐药性地图和多国过去十多年抗生素的使用趋势报告预测，中国畜牧领域的抗生素消费可能在2030年翻一番[9]。

为确保抗生素的规范使用，我国完善了法律法规体系，以保障畜禽产品安全。2001年，农业部发布《饲料药物添加剂使用规范》；2015年农业部规定禁止在食用动物中使用洛美沙星等4种药物[10]；2018年的中国饲料发展论坛上提出：除植物提取物类仍可在饲料中使用外，药物饲料添加剂将在2020年被纳入药物管理，禁止在饲料中使用；2020年2月，中国农业农村部第194号公告表示：自2020年1月1日起，退出除中药外的所有促生长类药物饲料添加剂品种，兽药生产企业停止生产；自2020年7月1日起，饲料生产企业停止生产含有促生长类药物饲料添加剂(中药类除外)的商品饲料。

2 常见的畜禽抗生素替代物种类

2.1 抗菌肽

抗菌肽(AMPs)是生物体内产生的有活性的小分子多肽，广泛存在于生物体内，是生物天然免疫系统中的重要组成部分[11]。AMPs对各种细菌、真菌和病毒甚至癌细胞都有广谱活性，还有潜在的免疫调节特性[12]。

2.1.1 哺乳动物抗菌肽 哺乳动物抗菌肽主要来源于中性粒细胞和上皮细胞，分为cathelicidins和defensins两大类[13]。猪抗菌肽(PABP)能够改善畜禽生长性能，增加肠道对营养物质的吸收能力。在雄性肉鸡的饲料中添加PABP，饲养42 d后测定生长性能，发现其平均日增重(ADG)、分泌的IgA、杯状细胞数量均高于对照组[14]。

2.1.2 昆虫类抗菌肽 昆虫在受到外界不良刺激后，其免疫系统产生的一种小分子肽类物质称为昆虫类抗菌肽。

2.1.3 植物源抗菌肽 植物源抗菌肽一般是由20～60个氨基酸残基构成的多肽，所带电荷主要为正电荷，微量植物源抗菌肽可以有效应对病原体侵害[15]。

2.1.4 人工合成的抗菌肽 通过改造天然抗菌肽的氨基酸序列，或者重组两段天然抗菌肽的技术获得的抗菌效果更好的抗菌肽称为人工抗菌肽[16]。

2.2 酶制剂

酶制剂(enzyme preparation)是用现代生物工程技术生产出的一类生物化学产品，其催化效果是无机催化剂的10万～1亿倍，具有高效性和高度专一性，目前常用的酶制剂有溶菌酶制剂、复合酶制剂和植酸酶制剂。

2.2.1 溶菌酶 溶菌酶在肠道菌群与宿主免疫系统的相互作用中起着重要的作用。在饲料中添加溶菌酶的仔猪，有着更高的平均断奶体重和空肠绒毛高度[17]。

2.2.2 复合酶 复合酶可以有效防治胃肠炎，消化不良等胃肠道疾病，促进畜禽健康发育。Papadopoulos等[18]研究表明，在畜禽饲粮中添加0.5 g/kg的复合非淀粉多糖酶可以显著降低试验后期的料肉比(FCR)。

2.2.3 植酸酶 植酸酶属于磷酸单酯水解酶，可以水解植酸盐。Kim等[19]在猪和鸡的饲料中添加了以植酸酶和碳水化合物酶为主的酶制剂，发现显著提高了实验对象的生长性能和蛋白质消化率。

2.3 微生态制剂

微生态制剂(microbial ecological agents)包含益生菌、益生元、合生元，是由人工分离的正常菌群，通过特殊的加工工艺制成的制剂，具有安全、有效、无耐药性、无污染的优越性[20]。

2.3.1 单一菌种发酵制剂 可分为乳酸菌类制剂、芽孢杆菌类制剂、真菌类制剂和酵母菌类制剂等。

2.3.2 复合菌种发酵制剂 由两种或两种以上菌株构成的复合菌种，添加到饲料中可以很好地促进动物生长发育、提高免疫力。在母鸡饲料中添加0.5%的双歧杆菌+ 25%的干酪乳杆菌可以替代抗生素生长促进剂(AGPs)，减少最低采食量(FI)和FCR，增加母鸡日产量、鸡蛋重量[21]。与饲喂抗生素相比，饲喂益生菌能使肉鸡肠道菌群成熟速度更快，诱发的免疫应答水平更高，具有较大的经济价值，作为抗生素的替代品在家禽养殖中具有较大的潜力[22]。在肉鸡饲料中添加益生菌还能能够降低FCR，改善ADG，可以作为金霉素的替代品[23]。

2.4 植物提取物

根据中国天然植物饲料添加剂通则(GB/T19424-2003)中对植物提取物(plant extracts)添加剂的定义，植物提取物是以一种或多种天然植物的全株或部分为原料，经过物理提取或生物发酵的方法进行加工，具有营养、促生长、提高饲料利用率和改善动物产品品质等功效的饲料添加剂[24]，按照活性成分可分为生物碱类、植物挥发油类、黄酮类、单宁类等[25]。

2.4.1 生物碱 生物碱是一类复杂的含氮有机化合物，呈碱性，具有特殊的生物活性[26]。Hong等[27]试验表明，博落回血根碱在畜禽养殖中可以替代黄霉素。

2.4.2 植物挥发油 植物挥发油又称植物精油，是具有挥发性和香气的油状液体，可作为饲料添加剂改善饲料品质、提高生产性能[28]。

2.4.3 黄酮类 黄酮类是存在于自然界的，具有2-苯基色原酮结构的化合物，对抗氧化、抑制病原菌有着良好效果[28]。研究表明，大豆异黄酮可以改善乳成分，促进仔猪生长[29]。

2.4.4 单宁 又称为鞣质，是分子量较高的多元酚类化合物，分为水解单宁和缩合单宁。单宁的存在十分广泛，几乎存在于每个植物部位中[28]，具有抗哺乳动物肠道寄生虫的作用，可以治疗弯曲杆菌所造成的腹泻，代替多种抗生素使用[30]。

植物提取物可以单独使用，在仔猪饲料中添加连翘提取物，可以增加仔猪ADG、降低腹泻率[31]；三叶蓬甲醇提取物对大肠杆菌、伯克霍尔德菌、嗜血杆菌等六种动物病原菌均有抗菌活性，槟榔子水提取物可以降低畜禽体内大肠杆菌的含量[32]。饲喂小鼠从木耳中提取的木耳多糖(CPO)可以增加小鼠的免疫器官指数、吞噬指数和免疫球蛋白含量，刺激脾淋巴细胞的增殖，表明CPO是C蛋白中重要的免疫调节成分，可以作为免疫调节剂开发使用[33]。植物提取物在实际及生产中大多是复合使用的，王珍珊等[34]试验发现，在育肥猪饲粮中分别添加4%、8%的紫苏和苜蓿复合植物提取物后，结果与不添加相比，末重分别提高了4.53%、3.67%，ADG分别提高了23.81%、19.04，FCR分别降低了10.01%、8.93%[35]。

2.5 酸化剂

2.5.1 无机酸 无机酸化剂一般包括H2SO4、H3PO4及HCl，其酸性较强且生产普遍，所以易于推广使用，与无机酸与有机酸相比，具备更好的酸化性和低价优势[36]。

2.5.2 有机酸 有机酸的代表有苹果酸、乳酸、柠檬酸、甲酸等及其盐类[37]，有机酸类风味良好，在进入动物体内后，能够以被动扩散的方式被吸收进入肠道上皮细胞，短链的有机酸分子通过柠檬酸循环产生ATP，为机体提供能量[38]。有机酸可以用来解决抗生素耐药性的问题，研究表明，在饲料中添加甲酸、乙酸和丙酸的雏鸡，体内磺胺甲恶唑和环丙沙星耐药大肠杆菌的数量下降，而使用氟喹诺酮类抗生素的雏鸡，盲肠中对环丙沙星、链霉素、磺胺甲恶唑、四环素耐药的大肠杆菌数量却有所增加[39]。另外，有机酸可以作为抗生素替代物用于沙门氏菌的防治：在研究精油和有机酸对肠炎沙门氏菌病鸡的影响实验中，发现添加胸腺嘧啶-苯甲酸组与添加肉桂醛-己酸组的雏鸡，肝脏、脾脏、盲肠中的细菌计数均减少，且腺嘧啶-苯甲酸组低于肉桂醛-己酸组，说明有机酸具有抑菌效果，可代替抗生素抑制畜禽体内的沙门氏菌[40]。

2.5.3 复合酸化剂 是将特定的单一酸化剂按照一定的比例混合得到的酸化剂，使用效果较单一酸化剂好，可以节省成本，减少对设备、动物的刺激[41]。AminRoofchaei等[42]发现，糖酶补充植酸酶和酸化剂能够显著增加35日龄大鼠的肠绒毛长度。在哺乳母猪饲料中添加3 g/kg的酸化剂复方制剂，可以降低哺乳母猪的子宫炎发生率，降低母猪59.17%的便秘发生率[44]。

2.6 功能性寡糖

2.6.1 果寡糖(FOS) 又称为寡果糖、低聚寡糖、蔗果三糖族低聚糖等，是在蔗糖分子的β-1,2糖苷键的基础上聚合几个D-果糖形成的[45]。宋宏立等[46]试验表明，饲料添加FOS可以显著提高血清中总蛋白及高密度脂蛋白的含量，显著降低尿素氮和低密度脂蛋白胆固醇含量。

2.6.2 木寡糖(XOS) 又称为低聚木糖，由几个木糖单元以β-1,4糖苷键结合形成[47]。XOS在水果、蔬菜、竹根中天然存在，但含量稀少。余程等[48]发现，XOS对改善断奶仔猪肠道菌群完整性和减轻肠道损伤有着有益作用。

2.6.3 甘露寡糖(MOS) MOS是由几个甘露糖分子或甘露糖与葡萄糖通过糖苷键形成的寡聚糖[47]。COSBY等[49]表明，在肉鸡的饲粮中添加酵母细胞壁层MOS能够使肉鸡的体重增加1.61%，死亡率降低10.5%，饲料利用率提高5.41%。

2.6.4 低聚异麦芽糖(IMOS) 又称为α-寡葡萄糖、分支低聚糖、异麦芽寡糖等，是指其包含的葡萄糖分子间以α-1,6糖苷键聚合的低聚糖的总称，广泛存在于小麦、大麦、玉米、马铃薯和木薯等植物中。陈玉龙等[50]研究表明，用添加IMOS的饲料饲喂母猪可以降低发情间隔，减少恶癖产生，提高免疫力，营养吸收效率以及哺乳能力。

3 畜禽抗生素替代物的作用机制

3.1 改善畜禽胃肠道健康的机制

抗生素替代物改善畜禽胃肠道健康的机制可以分为四个方面。第一个方面是抑制病原菌在肠道中的黏附，大多数的AMPs具有阳离子特性，这类AMPs带正电荷的残基可以与细菌细胞膜上的负电荷相互吸引，从而抑制细菌在畜禽肠道上黏附[51]。功能性寡糖对致病菌有较强的吸附力，能够通过范德华力和氢键能与多种霉菌毒素形成多糖-毒素复合物，从而有效阻止毒素吸附于畜禽肠道[52]。第二个方面是杀死肠道中的病原菌，许多抗生素替代物都有杀死病原菌的作用。植物提取物能够通过对细菌细胞膜、细胞壁产生影响而达到抑菌作用，NING等[53]研究发现，苯乳酸可以破坏单增李斯特氏菌和大肠杆菌的细胞结构，导致细菌细胞质的流出从而杀死细菌；从肉豆蔻碱中分离得到的羽扇豆素对肠球菌表现出有效的抗菌活性，它能够对肠球菌的细菌大小、形状以及超微结构产生影响(图1)。通过解除细菌对细胞形状的控制导致细胞的伸长(图1B,E)。这些影响是由一系列的作用机制引起的，例如抑制叶酸、DNA、RNA、蛋白质的合成，以及水解或抑制肽聚糖的合成[54]。酸化剂也有良好的杀菌作用，可以通过扩散到细菌细胞中的方式，降低细菌内的pH，抑制细菌的DNA、RNA和蛋白质等大分子物质的代谢活动，破坏细菌细胞膜的完整性，从而杀死细菌[55]。P5短链AMPs对G+和G-均有抗菌活性，能够通过增加细胞的通透性来杀死细菌[56]。秀丽隐杆线虫重组抗菌因子(ABF-1)可以快速抑制细菌生长，在伤寒链球菌中，ABF-1通过与膜成分结合，阻断膜通道，改变细胞膜的通透性，在细菌中产生渗透力。使细菌中产生自由基，破坏DNA、蛋白质和细胞膜，使细菌死亡[57]。第三个方面是抑制畜禽肠道中病菌的生长繁殖，益生菌产生的分泌物能够抑制肠道中病菌的生长繁殖，Abdel等[58]通过试验发现，粪肠球菌产生的细菌素能够起到抑制金葡萄细菌的作用，这种细菌素可以使金葡萄细菌质壁分离，进而使金葡萄细菌细胞膜破裂而死亡。通过静电吸附原理获得的具有靶向作用的抗菌剂能够抑制病菌的生长繁殖，研究人员通过电荷控制获得阳性ZnO/PAL，所得的坡缕子碱型抗菌剂对试验菌有一定的靶向作用和吸附能力，可作为抗生素替代物用于动物育种[59]。图2为坡缕子碱类抗菌剂的形态，图3为坡缕子碱类抗菌剂与细菌电荷效应的示意图。第四个方面是改善消化器官的重量和形态，酶制剂可以使畜禽肠道变薄、十二指肠肠绒毛长度增加、小肠的相对重量下降等，以促进营养物质的消化和吸收。消化器官的相对重量下降可以减少畜禽用于维持机能和内部器官生长的能量消耗，使更多的能量用于生产[60]。

图1 细菌在添加0.5 mg/mL(B,C)和2 mg/mL(D,E)的羽扇豆素中孵化4 h后，与未经过处理的细菌比较(A)[54]箭头表示细长的细胞，具有分裂缺陷的不规则的细胞，细胞质中类中质体结构分布不均，细菌细胞壁脱落、死亡细胞、溶解细胞和碎片Fig.1 Transmission electron micrographs of enterococcal cellsafter treatment with lupinifolin. The bacteria were grown withaddition of 0.5 mg/mL (MIC) (B, C) and 2 mg/mL (4MIC)lupinifolin (D, E) after 4hr incubation, compared withuntreated control (A)Arrows indicate elongated cells, irregularly sized and shapedcells with division defects, uneven distribution andnonhomogeneous appearance of mesosomes-like structuresin the cytoplasm, detachment of the bacterial cell walls,ghost cells, lysis cells, and debris，respectively

图2 坡缕子碱类抗菌剂[59]Fig. 2 Palygorskite-based antibacterial agent

图3 坡缕子碱类抗菌剂与细菌电荷效应示意图[59]Fig. 3 Schematic illustration of charge effect betweenpalygorskite-based antibacterial agent and bacteria

3.2 增强动物免疫功能的机制

许多抗生素替代物进入到畜禽体内都能增强免疫功能，促进畜禽生长，提高生产性能。它们的作用机制比较复杂，可概括为激活免疫系统和促进免疫调节因子的表达两方面[61]。功能性寡糖可以增强畜禽的非特异性免疫和特异性免疫作用。研究表明，让仔猪口服MOS能够增强仔猪小肠内白细胞的吞噬能力，促进淋巴细胞释放细胞素，使蛋白质、巨噬细胞、体液等移向被感染的部位，吞噬并杀死病原菌；在仔猪饲粮中添加FOS、MOS或者IMOS均能显著提高仔猪血液中的白细胞介素质量浓度及肠粘膜与血清中IgA、IgM和IgG的含量，并能促进免疫器官的生长发育[52]。植物提取物也能增强畜禽的免疫功能，在雏鸡的基础日粮中添加牛至油制剂，雏鸡血清中的IgA、IgM 、IgG的含量均显著提高[62]。

3.3 促进营养物质吸收的机制

抗生素替代物能够促进畜禽体内营养物质吸收，提高畜禽生产性能，替代抗生素促进畜禽生长、降低FCR[61]。微生态制剂进入畜禽体内，在其生长繁殖的过程中所产生的酶、维生素等可以促进畜禽对蛋白质等营养物质的吸收利用，乳酸可以促进畜禽对维生素D的吸收[63]。在畜禽日粮中添加酸化剂之后，饲粮中的某些矿物质元素易与酸化剂中的离子形成易被吸收的盐类，同时增强了维生素A和维生素D的稳定性，使它们能够被机体最大限度的吸收利用[64]。酶制剂能够破坏植物细胞壁，提高饲料利用率。

3.4 提高机体抗氧化能力机制

畜禽机体在新陈代谢的过程中会不断产生自由基，过量的自由基对畜禽产生氧化损伤，造成畜禽生产性能下降，产品质量下降等问题。植物提取物中的酚类物质可以通过提高畜禽抗氧化的能力来清除对畜禽机体有害的自由基，促进畜禽生长，提高生产性能[66]。机体中，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)能够催化过氧化物还原成过氧化氢和氧、过氧化物酶催化过氧化氢转化成氧和水。植物提取物中的酚类化合物能够通过增加SOD、过氧化物酶的产量，促进过氧化物分解，提高畜禽抗氧化的能力[66]。

4 展 望

随着养殖规模的扩大和养殖观念的转变，抗生素替代物已成为时代的新宠，生产安全、绿色的畜禽产品离不开抗生素替代物的作用，因此寻找合适的饲用抗生素替代物具有深远的意义和广阔的前景。目前，虽然抗生素替代物应用较为广泛，AMPs、微生态制剂、植物精油等在实际生产中的运用起到了良好的效果，但是生产成本、效果以及注意事项，还需要进一步跟进。另外，由于抗生素替代物的种类繁多，组成成分不同等特点，今后对于抗生素替代物的研究更应该集中于抗生素替代物的作用机理、生产工艺标准和最佳使用量等方面。