王恬教授：饲用抗生素替代物在畜禽生产上的研究进展

导读：长期使用和滥用抗生素导致的耐药性问题已对全球的公共卫生造成了威胁，各国政府纷纷出台政策禁止在动物饲料中添加以促生长为目的抗生素，我国农业农村部明文规定禁止在动物饲料中添加抗生素。鉴于此，替代抗生素的研究成为畜牧业研究的热点。本期我们特邀南京农业大学王恬教授以“饲用抗生素替代物在畜禽生产上的研究进展”为题，详细介绍了具有功能性特性如酸化剂、酶制剂、益生菌、寡糖、植物源活性物质等作为替代抗生素的潜力，并对饲用抗生素替代物近年来在猪和家禽生产中的应用研究、应用效果、作用机制以及存在的问题进行分析，以期为后抗生素时代的饲料配制技术创新提供参考。全文已在《饲料工业》2023年第12期刊出。

自20世纪40年代末发现抗生素可预防畜禽疾病、促进动物生长、提高养殖效益以来，其作为饲料添加剂广泛应用于动物生产[1]。然而，抗生素不合理使用与滥用问题日益凸显，对食品安全、人类健康及生态环境造成诸多危害，主要体现在：①导致畜禽免疫抑制和二重感染，直接危害动物健康；②引发细菌耐药，诱导超级细菌产生；③畜产品抗生素残留对人体具有毒副作用；④无法代谢的抗生素会以原体形式通过粪尿排出，严重危害生态环境。

为此，我国农业农村部发布了第194号公告，明确了自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，意味着后抗生素时代已然到来。尽管目前市场上没有单一的非抗生素产品能够完全取代饲用抗生素的作用，但有多种功能性物质能够发挥类似抗生素的效果，对完善饲用抗生素的综合替代策略具有积极意义。

作为畜牧水产养殖的上游，饲料行业应坚持科技创新，合理使用具有抗生素替代潜力的功能性物质，从源头上解决饲料“禁抗”所引发的疾病防控难度加大、动物饲养效率下降等现实难题。文章围绕近年来酸化剂、酶制剂、益生菌、功能性寡糖、植物源活性物质在畜禽养殖中的研究进展，对其应用效果、作用机制以及存在的问题进行分析，为探索绿色、安全、高效的抗生素替代方案提供参考依据。

1

抗生素的发现及其作用机理

抗生素是由微生物或高等动植物在生长过程中产生或通过化学技术合成的一类次级代谢产物，具有抗病原体或其他活性作用，被认为是20世纪最主要的发明之一[2]。1928年，英国微生物学家亚历山大·弗莱明首次发现了青霉素。后经英国病理学家霍华德·弗洛里和德裔英国生物化学家恩斯特·钱恩研究完善，青霉素于1941年作为医药开始应用于临床，开启了抗生素拯救人类的时代[3]。1944年，赛尔曼·瓦克斯曼从灰色链霉菌中提炼出了链霉素[4]。1946年，威斯康星大学的几位研究人员偶然发现，在饲料中添加少量链霉素能够促进肉仔鸡生长[5]。

自此，抗生素逐渐应用于畜禽生产，并在降低病死率、提高生长性能等方面取得了显著效果。1948年，美国植物学家本杰明·道格发现的金霉素不仅是人类历史上第一个广谱抗生素，也是畜禽养殖中使用最广泛的抗生素之一[6]。美国FDA于1951年正式批准了第一款可用于动物生产的抗生素饲料添加剂。随后，抗生素在欧美国家的养殖生产中使用逐渐合法，并在世界范围迅速推广。

抗生素能够针对细菌特有而人类或其他高等动植物所没有的特性，抑制或杀灭细菌，其机理大体上归纳为：①β-内酰胺类抗生素通过抑制细菌细胞壁合成，使其在低渗透压环境下发生溶胀、破裂和死亡[7]；②多黏菌素和短杆菌肽等抗生素通过诱导细菌细胞膜离子通道开放，提高膜通透性，导致细菌因胞内物质渗出菌体或电解质失调而死[8]；③四环素类、大环内酯类和氨基糖苷类抗生素以及氯霉素可与细菌核糖体或其反应底物（如tRNA、mRNA）发生互作，抑制菌体蛋白质合成[9]；④喹诺酮类等合成抗菌剂通过抑制细菌DNA复制与转录，阻碍菌体蛋白合成，降低细菌繁殖效率[10]。前两类以破坏菌体完整性的方式杀死细菌的抗生素又称杀菌剂，后两类通过抑制生物大分子合成而阻碍细菌繁殖的抗生素则为抑菌剂。

作为促生长类药物饲料添加剂，抗生素提高动物生长效率的机理尚未完全阐明。现有的研究表明，抗生素可能通过抑菌或杀菌作用，降低肠道微生物群落总量与代谢活性，避免微生物与宿主竞争养分，从而促进畜禽生长[11]。然而，也有学者反对这一观点，认为抗生素主要通过减轻炎症反应，减少蛋白质、能量等营养物质的分解代谢，使其在动物体内沉积下来，达到促生长效果[12]。随着分子生物学和生物信息学不断发展，陆续的研究证实，在畜禽饲料中添加抗生素会改变肠道微生物结构和多样性，形成一种优质、均衡且不易引发炎症的微生物群体，这有利于提高宿主摄取营养物质的效率并使其生长潜力得到充分发挥[13-14]。然而，如何区分具有促生长潜力的特定微生物种群并明确其作用机理，仍是当前微生物学及畜牧学研究的难点。

2

细菌耐药性的发生机理

随着抗生素的广泛应用，尤其是抗生素在动物生产中长期以来低剂量、长时间使用，细菌在抗生素的持续暴露下逐渐产生了耐药性。在青霉素使用的几年后，研究人员发现一些金黄色葡萄球菌为了生存，进化出能够靶向降解青霉素的β-内酰胺酶，导致青霉素疗法对半数左右的金黄色葡萄球菌感染者无效[15]。2016年，哈佛大学和以色列理工学院的科学家们在Science联合发表的一项研究表明，在实验室条件下，大肠杆菌仅需10 d时间即可获得足够的耐药性，并可抵抗剂量为最低致死浓度1 000倍的抗生素[16]。然而，每一种新抗生素的研发耗时短则1~2年、长则10~20年。重要的是，自1990年至今，人类几乎没有发现新的抗生素种类，导致细菌耐药性与日俱增而新抗生素严重短缺的困局。2017年9月，世界卫生组织宣布全球抗生素濒临枯竭，开发新型抗生素的进展十分缓慢，难以应对愈发严峻的细菌耐药性所造成的威胁。

细菌耐药性根据发生方式分为天然耐药性和获得性耐药两类。前者由细菌自身的基因特征引起；后者是细菌因受抗生素影响，自身生存代谢途径发生改变，因而产生了耐药性。由于细菌种类和抗生素作用机理不同，细菌产生耐药性的机理不尽一致且十分复杂，主要包括以下方式：

①产生β-内酰胺酶、氨基苷类抗生素钝化酶、氯霉素乙酰转移酶及核苷转移酶等灭活酶，导致相应的抗生素丧失抗菌作用[17-20]；

②改变细菌细胞内膜的抗生素结合靶点，降低细菌与抗生素的亲和力，导致抗生素失效[21]；

③改变通道蛋白性质和数量，降低细菌的膜通透性，产生获得性耐药性[22]；

④某些细菌能够利用特有的外排泵结构，将进入菌体的药物泵出体外，从而获得耐药性[23]；

⑤分泌胞外多糖蛋白复合物，将自身包裹在内以抵抗药物压力等不利环境[24]；

⑥致病微生物对某种抗生素产生耐药性后，其对具有相似作用机理的抗生素也会产生交叉耐药性[25]。由此可见，细菌更易通过获得性途径产生耐药性，该方式也更为畜牧生产和临床医学所重视[26]。

3

饲用抗生素的禁用历程

作为全球抗生素生产和使用大国，我国抗生素滥用问题十分严重，其用量逐年攀升，且一半以上用于畜禽水产养殖[27]。抗生素滥用不仅直接危害动物健康，其在畜产品的残留成分也会通过餐桌和肠道进入人体内，故被认为是潜伏在人体内的隐形杀手[28]。此外，在动物体内约有30%~70%的抗生素不会发生代谢，并以原体形式经粪尿排放至土壤或水体，加剧了环境中的细菌耐药性[29]。为此，欧美国家相继限制或禁止抗生素在动物饲料中使用。基于对食品安全的考量，瑞典在1986年率先宣布饲料中禁用抗生素。2000年，丹麦规定抗生素不得作为促生长剂在饲料中使用，只可作为处方药用于疾病治疗。在此之前，欧盟也宣布1999年7月至2006年1月1日饲料中仅允许使用莫能菌素、盐霉素、黄霉素、阿维拉霉素（效美素）4种抗生素产品，并从2006年起全面禁用抗生素生长促进剂。在欧盟“禁抗”初期，抗生素作为治疗药物的用量大幅上升，养殖业抗生素使用总量并未下降，直到2016年，抗生素在养殖业的用量才开始逐年递减[30]。

2015年，我国打响了饲料“禁抗”第一枪。农业部第2292号公告宣布，自2015年12月31日起，停止生产用于食品动物的洛美沙星、培氟沙星、氧氟沙星及诺氟沙星的各种盐、酯及其各种制剂，同时撤销相关企业的兽药产品批准文号。2016年7月26日，农业部第2292号公告规定禁用硫酸粘杆菌素作为促生长用途。同年8月，国家卫生和计划生育委会、国家发展改革委等14个部委发布了《遏制细菌耐药国家行动计划（2016—2020年）》。2018年，农业农村部发布了《兽用抗菌药使用减量化行动试点工作方案（2018—2021年）》，明确了饲料行业的减抗、限抗时间表。过渡期后，我国饲料“禁抗令”正式全面施行，即自2020年7月1日起，全国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。自此，我国畜牧生产行业正式迎来“饲料禁抗、养殖减抗、产品无抗”的后抗生素时代。

4

饲用抗生素替代物的研究进展

抗生素作为饲料添加剂的目的一是促进动物生长、提高饲料报酬、改善饲养效率；二是抑菌抗病、提高动物成活率和整齐度。因此，饲用抗生素替代物也分为两种类型，即直接替代型产品（替代抗菌功能）和间接替代型产品（替代促生长功能）。目前，酸化剂、酶制剂、益生菌、寡糖以及植物源活性物质是业内学者较为认可的饲用抗生素替代物。因此，了解上述功能性物质的应用效果、作用机理以及存在的问题对完善无抗饲料配制技术具有重要意义。

4.1 酸化剂

酸化剂是一种无残留、不易产生耐受性且参与营养物质代谢的环保类饲料添加剂，主要分为无机酸、有机酸以及复合酸[31]。常见的酸化剂以苯甲酸、柠檬酸、甲酸、富马酸和乳酸等有机酸及其盐类为主。由于其成本较低，盐酸、硫酸和磷酸等无机酸也被认为是有机酸替代品。与大多数有机酸不同，无机酸主要基于pKa值发挥酸化作用[32]。在化学结构上，大多数有机酸具有一个或多个羧酸基团，这些基团在介导有机酸生理活性中起着重要作用。1972年以来，酸化剂作为一种公认安全物质已广泛应用于畜禽日粮和饮水[33-34]。在实际生产中，通常采用多种有机酸的混合物或有机酸与无机酸的混合酸，以获得最佳应用效果。有学者估算，全球饲料酸化剂市场规模到2023年可达到35亿美元[35]。

4.1.1 应用效果

在饮水中补充含有短链脂肪酸（包括甲酸、乙酸和丙酸及其盐类）的酸化剂可改善仔猪断奶后6周内的饲料效率，提高粪便狭义梭菌属数量并降低链球菌属丰度[36]。同时，短链脂肪酸能够提高肠道细胞增殖速率，促进受损组织再生，维持肠上皮屏障完整性[37]。以甲酸、甲酸铵及乙酸为主的复合有机酸可改善断奶仔猪小肠肠道形态结构与氧化还原平衡，促进空肠防御肽和紧密连接蛋白基因表达，抑制促炎性细胞因子转录，这有助于增强仔猪在断奶过渡期的肠道屏障功能与免疫稳态，降低肠道疾病发生风险[38]。

在肉鸡生产中，添加0.1 g/kg磷酸可显著降低1~42日龄肉鸡饲料转化率，且效果明显优于无抗对照组或恩拉霉素对照组；同时，添加磷酸能够降低肉鸡嗉囊、砂囊和十二指肠pH，减少盲肠好氧细菌、大肠杆菌及沙门氏菌数量，改善胸肌肉品质[39]。在沙门氏菌感染状态下，补充含有中短链脂肪酸的有机酸可提高肉鸡盲肠乙酸和丁酸浓度，优化肠道菌群结构，并表现出良好的抗感染效果[40]。

酸化剂也常与寡糖、植物精油等饲料添加剂复配使用。有机酸（包含甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸和富马酸）与甘露寡糖联用能够显著提高1~42日龄肉鸡体增重，降低料重比[41]。在无抗饲养条件下，酸化剂与霉菌毒素吸附剂联用也可有效降低肉鸡死亡率[42]。有机酸（甲酸、丙酸和乙酸）和肉桂醛的复配制剂能够减轻蛋鸡在沙门氏菌暴露下的免疫应激与细菌感染[43]。在肉鸡生长期补充有机酸（包括山梨酸和富马酸）与百里香酚的复配制剂也可降低肉鸡饲养全期的料重比，改善肠道形态结构，提高消化酶活性，且应用效果优于抗生素对照组[44]。

4.1.2 作用机理

酸化剂替代抗生素的机理可归纳为以下几类：①通过渗透杀菌方式，减少饲料、水体及肠道有害微生物的数量[31]；②调节胃肠道pH，刺激消化酶分泌，提高动物消化能力和生长性能[45]；③作为能源底物，改善肠上皮细胞能量代谢和周转效率，保护胃肠道形态与功能[46]；④提高动物抗应激能力，缓解胃肠道炎症反应[47]；⑤促进肠道乳酸菌、丁酸梭菌等益生型菌群的建立，优化动物肠道菌群结构[48]。

值得注意的是，酸化剂（特别是小分子酸化剂）能够以分子态通过自由扩散的方式进入细菌内部，故在抗菌方面较抗生素具有一定优势。分子态酸化剂分子量小且不带电荷，较抗生素等大分子物质容易穿过细菌细胞膜，导致细菌无法通过变异的方式阻止酸化剂进入。因此，酸化剂不仅具有理想的抗菌效果，而且不易引发细菌耐药性[49]。

在生长育肥猪日粮中添加有机酸（包括丙酸、甲酸和乙酸）和肉桂醛的复配制剂不会诱导四环素、链霉素或磺胺类耐药基因产生[50]。与盐酸恩诺沙星相比，有机酸（甲酸、丙酸和乙酸）不会改变盲肠大肠杆菌总数，但会显著降低耐受氨苄青霉素、四环素、磺胺甲氧唑或环丙沙星的大肠杆菌数量[51]。此外，使用有机酸（包括甲酸、乙酸、乳酸、丙酸、柠檬酸和山梨酸）、甲酸铵及中链脂肪酸的复配制剂能够有效防止耐受阿莫西林、头孢噻肟、环丙沙星、诺氟沙星等多种抗生素的大肠杆菌菌株出现[52]。

4.1.3 存在的问题

尽管酸化剂具有成本低廉、便于规模化生产、延长饲料保存时间及改善动物饲养效率等优点，但应用过程也存在某些问题[48，53-54]。例如，过量添加酸化剂会降低饲料适口性[55]；部分酸化剂会与钙、锌等矿物质元素形成络合物，使其在消化道的吸收效率下降[45]；在饲料配制过程，酸化剂会导致饲料加工设备腐蚀受损[31]。因此，对于酸化剂的科学使用值得深入探究，以减少其对畜禽生产可能造成的负面作用。

4.2 酶制剂

酶制剂是一类具有生物活性的蛋白质，能够将特定营养物质分解为较小的化合物，使其更易在动物体内被消化吸收。常见的饲料酶制剂包括植酸酶、非淀粉多糖酶、α-淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等，且大多来源于细菌、真菌和酵母。例如，α-淀粉酶可由枯草芽孢杆菌产生，纤维素酶可由瑞士拟革菌产生，β-葡聚糖酶可由黑曲霉产生，蔗糖酶可由酿酒酵母产生[56]。提高营养物质消化率是动物饲料中普遍添加酶制剂的初衷，至今仍是最关键的考量。与此同时，酶制剂也具有生理调节、免疫调节、脱毒解毒、抑菌杀菌、抗氧化及改善肠道健康等生理功能[57-58]。据估算，全球饲料酶制剂市场到2025年将达到1 441亿美元[59]。全球范围内，植酸酶、非淀粉多糖酶及蛋白酶等酶制剂的使用每年可为饲料产业节省超过80亿美元的成本，并有助于减轻环境污染[60]。

4.2.1 应用效果

断奶后腹泻、感染及生长缓慢是当前养猪业所面临的主要难题[61]。Vangroenweghe等[56]通过对仔猪断奶后腹泻、生长迟滞、后肢感染及脑膜炎发病情况的分析发现，添加外源性β-甘露聚糖酶的试验组具有较好的临床评分，且发病仔猪头数仅为对照组的53.2%。单独添加植酸酶或与β-木聚糖酶和β-葡聚糖酶联用对断奶仔猪生长性能无明显改善，但均可降低仔猪腹泻率，并改善骨矿化、骨密度及骨强度[62]。在生长育肥猪日粮中添加0.03% β-甘露聚糖酶能够降低腹泻率，并使低净能日粮的饲喂效果与高净能日粮相近[63]。此外，添加含有β-甘露聚糖酶、木聚糖酶和植酸酶的复合酶制剂能够改善育肥猪饲料效率，提高能量和蛋白质利用率，降低背脂厚度，并节约355.3 kJ的代谢能[64]。

添加葡萄糖氧化酶能够激活肉鸡内源性消化酶，促进肠道普拉氏梭杆菌、瘤胃菌科及厚壁菌门等菌群定植，提高养分表观消化率和日增重，改善肉品质[65]。同时，该研究发现，肉鸡肠道分泌型免疫球蛋白A含量和跨上皮电阻也随着葡萄糖氧化酶的补充而明显升高，表明葡萄糖氧化酶有效改善了肉鸡肠道屏障功能[65]。使用商业复合酶可显著提高肉鸡体增重和饲料效率，其原因与复合酶制剂提高了粗蛋白、淀粉、脂肪及非淀粉多糖的回肠消化率有关[66]。在肉鸡日粮中添加植酸酶和非淀粉多糖酶（木聚糖酶和β-葡聚糖酶）能够减少大肠杆菌数量，并增加肠绒毛高度；在此基础上，与复合酸化剂（由甲酸、丙酸、乳酸、甲酸铵和丙酸铵组成）联用效果更优[67]。双歧杆菌和乳酸杆菌等肠道有益菌可利用非淀粉多糖酶的酶解产物，发酵产生短链脂肪酸[68-69]。增加的短链脂肪酸不仅能够促进有益菌群定植，抑制致病菌数量，也可作为能量底物直接供给宿主肠上皮细胞，改善肠上皮屏障完整性[70]。

4.2.2 作用机理

酶制剂种类繁多，功能复杂，兼具促生长和抗菌作用，是一种具有替代抗生素潜力的理想产品。例如，植酸酶、非淀粉多糖酶、蛋白酶、淀粉酶等能够改善动物消化功能与生长性能，溶菌酶、葡萄糖氧化酶等具有抑菌和杀菌作用。简单来说，酶制剂替代抗生素的机理主要包括：①植酸酶、蛋白酶、淀粉酶等外源性消化酶能够提高幼龄动物对饲料的消化能力，促进机体生长发育[71-72]；②α-半乳糖苷酶、蛋白酶、植酸酶等能够酶解饲料中的抗营养物质，降低饲料免疫原性，减轻动物肠道应激并改善黏膜屏障功能[73]；③β-甘露聚糖酶、木聚糖酶等非淀粉多糖酶可降低饲料黏性，并产生寡糖、寡肽及短链脂肪酸等小分子代谢物，对有害微生物定植起到抑制作用[57，74]；④溶菌酶、葡萄糖氧化酶及过氧化氢酶等酶制剂能够直接杀灭病原微生物[75]。综上，酶制剂可通过改善动物肠道形态结构、消化功能、微生物平衡及屏障完整性，达到提高动物饲养效率的目的。

4.2.3 存在的问题

冯定远[57]认为，酶制剂替代抗生素的效果具有条件性、辅助性和积累性，在实际应用中需以复合酶为基础，辅以组合酶、配合酶及益生型酶制剂，以期接近或达到饲用抗生素的应用效果。需要注意，饲料中的酶制剂通常是以固定剂量进行配制，而大多数酶制剂对底物的酶解作用通常呈对数剂量与线性释放关系[32]。因而，探明不同酶制剂的适宜浓度范围和最佳使用条件有利于提高酶制剂在畜禽生产中的应用效率。此外，产品质量、饲料湿度、饲料pH、酶与底物互作时间等多种因素也会影响酶制剂的效果[76]。

4.3 益生菌

益生菌是指在微生态学理论指导下，从动植物体中分离而来且给予适当剂量能够改善宿主肠道菌群平衡、促进消化吸收、增强免疫功能的活性微生物。目前，国内外常见的饲用益生菌主要包括乳酸杆菌、双歧杆菌、芽孢杆菌、肠球菌和酵母菌。诸多研究表明，单独或联合给予益生菌菌株可有效提高猪和家禽的采食量、日增重和饲料效率[77-78]。然而，也有研究发现，饲喂商业益生菌制剂对家禽生长速度、胴体产量或饲料效率无明显影响，这可能与益生菌菌株或饲喂动物品种有关[79]。另外，某些益生菌菌株分泌的胞外多糖可作为后生元改善畜禽生长性能，且具有抗炎、抗菌、抗氧化及调节肠道菌群的作用[80-81]。据报道，全球饲料益生菌市场预计将从2019年的46亿美元增长至2025年的70亿美元[82]。相比之下，涵盖功能性食品和饮料、乳制品、非乳制品饮料、婴儿配方奶粉、谷物、膳食补充剂及饲料等领域的益生菌全球市场总体规模预计到2025年将超过690亿美元[82]。

4.3.1 应用效果

大肠杆菌、产气荚膜梭菌、霍乱沙门氏菌和伤寒沙门氏菌是导致幼龄仔猪肠道功能紊乱乃至疾病发生的主要病原体。发生感染时，肠腔内液体的渗透性增加，引发腹泻；同时，肠道pH也会升高，扰乱乳酸菌定植[83]。此时，单独灌喂乳酸片球菌微胶囊或与植物乳杆菌微胶囊联用可有效防止产毒性大肠杆菌造成的断奶仔猪腹泻，降低血清促炎性细胞因子含量，缓解肠道损伤和临床症状，提高生长性能[84]。从猪消化道分离的唾液乳杆菌和德氏乳杆菌亚种等乳酸菌菌株可通过产生有机酸和细菌素样蛋白质，抑制潜在病原菌生长[85]。饲喂含有德氏乳杆菌德氏亚种TUA4408L的饲料能够提高猪肠道乳酸菌和乳球菌数量，降低血液C反应蛋白和粒细胞/淋巴细胞比例，减少肠道黏膜促炎性细胞因子表达，改善饲养期生长性能以及出栏时肉品质[86]。

Chen等[87]使用德氏乳杆菌作为饲料补充剂有效改善了断奶仔猪在免疫应激状态下的肠道屏障功能，并通过调节黏膜Toll样受体-布鲁顿氏酪氨酸激酶-核因子红系2相关因子2通路，增强了肠道抗氧化能力，缓解了免疫应激诱导的肠道氧化损伤。Fu等[88]在断奶仔猪日粮中添加丁酸梭菌和地衣芽孢杆菌也获得了类似结果，表现为受试仔猪肠道通透性下降，养分消化率与回肠抗菌肽表达水平升高。Sobrino等[89]从母猪乳汁中分离得到一株唾液乳杆菌MP100并在某养猪场使用2年后发现，唾液乳杆菌MP100提高了猪粪便梭状芽孢杆菌和乳酸菌数量以及丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐浓度，抑制了抗生素耐药乳酸菌数量，并对产气荚膜梭菌MP34、粪肠球菌MP42、金黄色葡萄球菌MP83、猪链球菌MP205、化脓性链球菌MP214等潜在致病菌具有拮抗作用。

沙门氏菌、鸡嗜盐杆菌及弯曲杆菌是肉鸡养殖中常见的肠道病原菌。Wang等[90]对刚孵化的雏鸡接种植物乳杆菌LTC-113菌株发现，益生菌处理能够提高肠上皮细胞紧密连接蛋白相关基因表达水平，减轻沙门氏菌造成的肠道屏障损伤。口服乳酸杆菌可减少沙门氏菌和产气荚膜梭菌在肉鸡肠道中的定植[91]。日粮添加含有肠球菌的益生菌制剂能够提高蛋鸡产蛋性能和血清促卵泡激素水平，并降低低繁殖性能蛋鸡肠道拟杆菌门水平[92]。枯草芽孢杆菌C-3102可有效抑制沙门氏菌LM-7造成的肉仔鸡感染，提高肝脏、盲肠和脾脏中病原体的清除效率[93]。灌喂乳酸片球菌突变株可显著抑制肉鸡肠道鸡嗜盐杆菌数量，而蛋白酶处理培养物后抗菌活性减弱，提示乳酸片球菌突变株可能会产生细菌素等蛋白质类抑菌物质[94]。

体外和体内试验均表明，卷曲乳杆菌JCM 5810可通过促进乳酸产生，降低肠道pH，从而有效抑制弯曲杆菌在肠道的定植[95]。此外，乳酸球菌在发酵过程中能够分泌一种名为nisin的细菌素，该物质是由34个氨基酸组成的环状多肽，饲喂肉鸡后能够提高体增重和饲料效率，且对新陈代谢或免疫功能无不良影响，被认为是一种新型天然生长促进剂[90，96-97]。从抗菌性质来看，nisin与属于球虫抑制类的抗生素莫能菌素功能相似[98]。

4.3.2 作用机理

在畜禽生产中，益生菌可作为一种促生长饲料添加剂，并在替代抗生素方面具有一定优势，其作用机理主要包括：

①分泌细菌素、有机酸和过氧化氢等物质，抑制致病菌生长[99]；

②产生挥发性脂肪酸和有机酸，降低肠道pH，促进肠道乳酸菌和双歧杆菌等有益菌生长，抑制不耐酸病原菌定植[100]；

③与病原微生物竞争肠上皮的附着位点，实现竞争性排斥[101]；

④分泌胞外多糖等代谢物，调节宿主肠道抗氧化与免疫功能[102]；

⑤直接产生蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等消化酶或通过刺激肠道间接促进消化酶分泌，提高饲料消化率[103]。

4.3.3 存在的问题

益生菌制剂在使用过程也存在诸多问题。例如，益生菌在动物胃中存活率低，在饲料加工、运输和储存过程容易失活，某些菌株具有潜在的致敏性以及益生菌与病原菌和肠上皮细胞之间存在未知互作等，这些问题限制了益生菌在畜禽生产中的应用[104-106]。另外，使用益生菌菌株可能会导致某些肠道菌群产生耐药性，这也引起了研究人员的普遍担忧。部分益生菌具有抵抗微生物和抗生素的免疫基因和耐药基因，可通过水平基因转移的方式，将该类基因传递给病原菌，诱导病原菌产生耐药性[107]。Abdel-Megeed等[108]检测了16株用于肉鸡和犊牛饲料的乳酸菌分离株，发现其中4株对四环素和氨基糖苷类抗生素具有耐药性，并且含有耐药基因。因此，在动物饲料中添加某种益生菌之前，首先应当制订相应的安全评估方案，明确该菌株是否含有可转移的耐药基因，以减少由此引发的风险[109]。

4.4 功能性寡糖

寡糖又称低聚糖，是一类由2~10个单糖分子以糖苷键相连而成的低聚合度、低分子量碳水化合物，通常可分为普通寡糖和功能性寡糖。普通寡糖主要包括蔗糖、麦芽糖和乳糖，它们可被机体消化吸收[110]。相反，功能性寡糖无法被单胃动物直接利用，而是作为代谢底物参与微生物代谢并促进肠道优势菌群建立。现已发现十余种具有特殊生理作用的功能性寡糖，其中甘露寡糖、果寡糖、半乳寡糖、木寡糖、壳寡糖等寡糖产品已广泛用作饲料添加剂。功能性寡糖克服了抗生素所产生的细菌抗药性和在畜产品中的残留以及益生菌在储存和使用上的禁忌弊端，能够降低肠道pH、调节微生物组成、改善免疫功能，同时具有稳定、无残留、无污染的优点，是一类绿色饲料添加剂。在畜禽生产中，功能性寡糖表现出良好的应用效果，可改善动物生长性能，提高抗病能力，降低病死率，被视为饲用抗生素的良好替代物[111]。

4.4.1 应用效果

Liu等[112]试验发现，添加100 mg/kg或200 mg/kg壳寡糖可有效提高仔猪断奶后3周内的日增重、采食量及饲料效率，其效果与金霉素对照组相近；同时，壳寡糖显著提高了断奶仔猪空肠和回肠绒毛高度及粪便乳酸菌数量，降低了粪便大肠杆菌丰度和仔猪腹泻率。在生长猪日粮中添加0.1%果寡糖能够提高平均日增重和日采食量，改善饲料干物质和粗蛋白消化率[113]。除了促生长作用外，功能性寡糖也具有提高仔猪免疫和抗氧化功能的效果[110]。在断奶仔猪日粮中添加500 mg/kg壳寡糖可提高血清免疫球蛋白G（IgG）和白细胞介素2含量，降低血清皮质醇水平[114]。在妊娠母猪日粮中添加30 mg/kg壳寡糖能够提高仔猪血清IgG、补体C3和白细胞介素10含量，改善仔猪免疫功能[115]。在断奶仔猪日粮中添加1%果寡糖可提高血清超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性，降低血清丙二醛含量，缓解断奶仔猪氧化应激[116]。添加2.5 g/kg果寡糖能够有效缓解大肠杆菌感染造成的仔猪肠道损伤，提高血浆和肠道黏膜抗氧化能力[117]。此外，添加500 mg/kg壳寡糖还可降低断奶仔猪粪便大肠杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌数量，提高乳酸杆菌与大肠杆菌比值[114]。

日粮添加0.2%甘露寡糖可改善肉鸡胴体性状，提高肌肉系水力和氧化稳定性，降低肌肉胆固醇和脂肪含量，其效果与抗生素二水杨酸亚甲基杆菌肽相当[118]。Yuan等[119]对比了木寡糖和黄霉素在肉鸡上的应用效果，发现添加2 mg/kg木寡糖的效果较同剂量黄霉素更好，主要表现为木寡糖提高了肉鸡血浆IgG和盲肠短链脂肪酸含量，降低了空肠干扰素γ、脂多糖诱导肿瘤坏死因子α因子和Toll样受体5基因表达水平，改善了肉鸡采食量和日增重。

Deng等[120]研究表明，100 mg/kg木寡糖和1 000 mg/kg丁酸钠联用能够有效提高肉鸡抗炎和抗氧化能力，改善肠道形态和微生物组成，其效果优于恩拉霉素（8 mg/kg）。半乳寡糖是乳奶酪生产的副产品，将其添加到肉仔鸡日粮中可改善肉鸡机体健康和生长性能。

Richards等[121]发现，补充半乳寡糖能够提高肉鸡盲肠约氏乳酸杆菌数量，而约氏乳酸杆菌是一种具有促生长和改善肠道健康效果的有益菌种；同时，半乳寡糖显著提高了不同时间点肉鸡回肠和盲肠白介素17A表达水平，其表达升高有助于维持肠上皮屏障完整性[122]。此外，部分功能性寡糖具有减少有害气体排放、改善养殖环境的作用。Liu等[123]对比了大豆寡糖和金霉素对肉鸡粪便主要致臭物质和盲肠微生物结构的影响，发现添加2.0、3.5 g/kg或5.0 g/kg大豆寡糖显著降低了肉鸡粪便吲哚和粪臭素含量，并减少了粪便中与粪臭素和吲哚浓度相关的拟杆菌、嗜杆菌和埃希氏菌的数量，对控制肉鸡生产中的环境污染物具有积极作用。

4.4.2 作用机理

功能性寡糖可通过多种方式影响宿主健康。例如，改变微生物代谢，促进乳酸、短链脂肪酸、维生素和细菌素等代谢物产生，增强肠上皮屏障完整性，调节肠道免疫功能[124-125]。功能性寡糖的单糖之间通过α-1,6、α-1,3和α-1,2糖苷键相连，而单胃动物消化道前段只能产生分解α-1,4糖苷键的酶类，因此，功能性寡糖很难在单胃动物的胃和小肠分解。不过，当功能性寡糖进入富含微生物的后肠时，有益菌能够产生分解各种糖苷键的酶类，使功能性寡糖被分解为可被有益菌利用的代谢底物。

因此，功能性寡糖能够促进后肠有益菌生长，产生乳酸、短链脂肪酸等小分子物质。随着乳酸的积累，肠道pH会随之下降，继而对病原体的定植起到抑制作用。作为肠上皮细胞的能量底物，短链脂肪酸含量增多有助于促进肠上皮细胞更新，维持动物肠上皮屏障完整性[126]。此外，功能性寡糖对病原体的抑制作用能够减少病原体相关分子模式表达，减轻肠道免疫应激；而病原体相关分子模式可被巨噬细胞、上皮细胞、树突状细胞和肥大细胞等“岗哨”细胞表面的Toll样受体和NOD样受体识别，引发肠道炎症[127-128]。

4.4.3 存在的问题

虽然功能性寡糖具有调节菌群结构、改善肠道健康、增强免疫平衡等积极功效，但过量添加也会引发腹胀、腹泻等不良反应。由于功能性寡糖能够促进肠道微生物发酵，当摄入过多时会造成动物胀气、腹泻等肠功能紊乱症。因此，在畜禽生产中，对于功能性寡糖的使用应当首先明确其适宜剂量，这既有助于提高功能性寡糖的应用效率，也有利于节约应用成本并减少不良反应。

4.5 植物源活性物质

植物源活性物质是通过物理、化学等方式从植物中得到的单一或混合物质，多为植物在生长发育过程中产生的次生代谢产物，具有天然、低毒、低残留、无耐药性的优势以及抗炎、抗氧化、抗病毒及抑菌等生理功能[129]。在第67届世界卫生大会上，我国联合多个国家提交的《2014—2023年传统医学战略》决议获得通过，其目的是拓展对传统和补充医学的认识，促进中医药和传统医药在全球的发展，其中包括中草药在内的植物源活性物质是重要研究内容[32]。在饲料行业，苍术、川芎、丁香、厚朴、黄芪等117种药食同源的可饲用天然植物已被列入我国《饲料原料目录》，杜仲叶提取物、苜蓿提取物、淫羊藿提取物等12种植物源活性物质也被列入《饲料添加剂品种目录》。业已证实，植物源活性物质能够促进动物生长，改善抗氧化与免疫功能，增强肠道屏障功能，调节肠道菌群结构，提高代谢效率[130]。据估算，2029年植物源活性物质（用于人类和动物）全球市场规模将达到90亿美元[131]。

4.5.1 应用效果

植物源活性物质因其良好的抗炎、抗氧化及改善代谢等生理活性，近年来在饲用抗生素替代物的开发与应用领域备受关注。Rabelo-Ruiz等[132]试验发现，添加20 mg/kg大蒜提取物可提高仔猪断奶后6周内的日增重和饲料效率，并调节肠道菌群组成，其促生长效果与黏杆菌素+高氧化锌组无明显差异。Wang等[133]观察了不同剂量（50、100 mg/kg和200 mg/kg）番石榴叶提取物对断奶仔猪肠道屏障的保护效果，发现番石榴叶提取物可通过诱导空肠闭锁小带1、封闭蛋白和闭合蛋白1表达，提高肠道屏障完整性，降低仔猪腹泻率；其中，添加50 mg/kg番石榴叶提取物即可获得与添加同等剂量喹诺酮相当的效果。刺五加苷是一种存在于五加科植物刺五加中的苯丙烯醇苷，具有良好的抗炎功能。

研究发现，刺五加苷能够抑制猪肠上皮细胞炎症反应，促进紧密连接蛋白表达，改善肠上皮屏障功能[134]。当仔猪发生急性免疫应激时，日粮添加250 mg/kg冬青多酚能够有效提高空肠紧密连接蛋白基因表达水平，减轻细菌移位及其引发的炎症反应[135]。此外，添加含有芍药、甘草、蒲公英和茶多酚的复合制剂可有效增强断奶仔猪血清抗氧化能力，提高免疫球蛋白M水平，改善断奶后早期阶段的平均日增重和饲料效率[136]。

在肉鸡生产中，植物源活性物质也具有良好的应用效果和替抗潜力[137]。白藜芦醇是一种天然且安全的多酚化合物，具有抗氧化、抗炎、抑菌及改善机体代谢等积极功效。Mohebodini等[138]研究发现，日粮添加600 mg/kg白藜芦醇或20 mg/kg硫酸黏杆菌素均可缓解大肠杆菌感染造成的肉鸡日增重和饲料效率下降，使其恢复至正常范围。另外，添加300 mg/kg或600 mg/kg白藜芦醇能够缓解大肠杆菌攻毒造成的肉鸡血清转氨酶活性升高以及超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性下降，表明白藜芦醇具有保护肝脏和提高机体抗氧化能力的作用；然而，硫酸黏杆菌素处理组并未观察到明显的缓解效果[138]。绿原酸是植物细胞通过莽草酸途径合成的一种苯丙素类物质，也是饲料添加剂杜仲提取物的主要活性物质。

Zhang等[139]发现，当肉鸡感染产气荚膜梭菌时，日粮添加500 mg/kg绿原酸能够显著提高1~21日龄日增重并降低料重比，其效果优于添加125 mg/kg恩拉霉素（有效含量8%）。不仅如此，添加绿原酸还可缓解产气荚膜梭菌攻毒造成的肉鸡小肠形态损伤、氧化应激及炎症反应[139]。青蒿是菊科植物黄花蒿的干燥地上部分，富含多酚、黄酮等天然活性物质，具有良好的抗炎和抗氧化功能[140]。Guo等[141]研究发现，在1~21日龄肉仔鸡日粮中添加1 500 mg/kg青蒿提取物能够显著提高日增重并降低饲料转化率，其效果优于金霉素对照组（50 mg/kg）。

4.5.2 作用机理

植物源活性物质的促生长和保健效应与其抗炎、抗氧化、抗菌及代谢调节等生物学功能密切相关。例如，多酚类化合物通常含有一个或多个具有供氢体活性的羟基，该基团可与活性氧和活性氮等自由基结合，阻断自由基引发的链式反应，对细胞和组织发挥抗氧化保护作用[142]。白藜芦醇、紫檀芪、姜黄素及槲皮素等活性物质进入细胞后能够抑制核因子kappa B（NF-κB）信号活性，降低NF-κB p65核移位水平及其对促炎性细胞因子的转录激活效率，达到抑制炎症的效果[143-146]。在抗菌方面，部分植物源活性物质具有良好的亲脂性，这一特性使其能够通过破坏细菌细胞膜和阻止细菌DNA合成，抑制细菌存活和增殖。另外，白藜芦醇、紫檀芪等芪类化合物被认为是去乙酰化酶1（SIRT1）的天然激动剂，可通过变构激活作用提高SIRT1对蛋白底物的去乙酰化效率。SIRT1在能量代谢、线粒体生物合成及细胞存活等方面发挥着关键调节作用，其活性升高有助于提高细胞代谢效率和抗应激能力，这可能解释了白藜芦醇与紫檀芪在断奶仔猪和肉鸡试验中表现出较好的抗应激效果[147-149]。除了抗氧化和抗炎活性外，多种多酚被证实具有促进宿主防御肽合成的能力，这有助于提高动物抗病能力。此外，某些植物源活性物质能够调节与摄食相关的下丘脑神经肽的表达，促进脂质代谢并激活与蛋白质合成相关的信号通路，改善动物生长性能[150]。虽然研究人员对植物源活性物质的作用机理开展了诸多有益探索，但仍存在许多未解之谜。因此，应充分借助现代生物学研究手段和生物信息学分析技术，深入挖掘介导各类植物源活性物质生物学功能的潜在机理，以期为饲用抗生素替代物的研制提供新思路。

在克服细菌耐药性方面，植物源活性物质也具有一定优势，其作用方式主要包括抑制外排泵活性、减弱细菌毒力、破坏生物膜、阻断细菌间通信等。外排泵是介导病原体抗生素耐药性发生和发展的重要胞内组件，能够主动将有毒物质泵出菌体。胡椒碱、槲皮素、白藜芦醇等具有抗菌作用的活性物质能够堵塞与底物排泄相关的通道，或直接结合至外排泵通道的结构蛋白上，使其构象发生改变，进而阻止有害物质从细菌内泵出[151-153]。百里香酚能够抑制金黄色葡萄球菌产生肠毒素A、肠毒素B及α-溶血素，减弱细菌毒力[154]。香豆素衍生物七洛酮也可抑制大肠杆菌志贺样毒素2基因表达水平，减弱其在体内的毒力[155]。另外，丁香酚、肉桂醛、熊果酸、小檗碱等活性物质可通过干扰细胞聚集、降低细胞活动性、抑制细菌黏附素活性和促进细菌分散等不同方式，实现破坏细菌生物膜的效果[156-157]。此外，大蒜中的硫化有机物丙二烯酚或辣根中的异硫氰酸酯石莲硫苷能够干扰铜绿假单胞菌群体感应系统，中断细菌间通信，抑制细菌耐药性[158-159]。一言以蔽之，尽管植物源活性物质在减少抗生素耐药性方面前景广阔，但仍需进一步地研究阐明植物源活性物质的作用机制及其在实际生产中应用的可行性。

4.5.3 存在的问题

尽管植物源活性物质表现出多种有益畜禽健康的积极功效，但也存在某些应用壁垒。首先，部分植物源活性物质具有异味，添加过量会影响饲料适口性，导致动物采食量下降[160]。另外，大多数植物源活性物质生物利用度偏低，在畜禽日粮中需要添加较高剂量才能发挥理想的调控效果[161]。植物源活性物质在胃肠道的溶解度较低且不稳定，加之肠道微生物对植物源活性物质具有广泛的代谢作用，其产物活性也会随之改变，这使得植物源活性物质的生物利用度普遍偏低[161-162]。因此，采用适宜的封装技术既可保护植物源活性物质活性，也有助于其在动物胃肠道的定向或延长释放[163]。目前，纳米封装方法已在改善植物多酚吸收率和生物利用度领域崭露头角，可有效提高儿茶素、白藜芦醇、姜黄素等活性物质在动物体内的应用效率，充分发挥替代饲用抗生素的潜力[164-165]。

5

结语和展望

饲用抗生素的禁用促进了酸化剂、酶制剂、益生菌、寡糖及植物源活性物质等功能性物质作为替代物在畜禽生产中的应用。尽管迄今为止没有任何替代物能够完全取代饲用抗生素的作用，但部分功能性物质具有良好的应用效果，并对完善无抗饲料配制技术具有重要助力。在生理功能上，上述功能性物质具有抗炎、抗氧化、抗菌、免疫调节、增强消化吸收功能、改善肠道屏障功能、为宿主提供营养以及调节宿主肠道微生物区系等积极作用，合理使用能够提高动物抗病能力和饲养效率。值得注意的是，不同饲用抗生素替代物之间以及其与饲料营养物质之间可能存在协同或拮抗作用。因此，在推广抗生素替代性饲料添加剂的同时，也应开展相关产品的有效剂量、安全范围、组合配伍、协同增效及拮抗作用等研究工作，以期达到代替过去使用的饲用抗生素的效果。

参考文献及更多内容详见：

饲料工业，2023，44（12）：1-15

作者简介

Author

王恬，博士，南京农业大学教授，博士生导师，长期从事畜牧学与动物营养及饲料学方面的科学研究与人才培养工作。先后任南京农业大学动物科技学院院长、实验牧场场长、教务处处长等。目前担任动物科学类国家级实验教学中心（南京农业大学）主任，兼全国饲料评审委员会委员、全国饲料工业标准化技术委员会委员、中国畜牧兽医学会动物营养学分会常务理事、江苏省饲料工业协会会长。先后主持或参与了国家级与部省级30多项纵向科研课题，主编或副主编出版科技著作及教材22本/部，在国内外刊物上发表论文900余篇，2020—2022年连续入选“Elsevier中国高被引学者”榜单。先后获国家级教学成果奖二等奖、国家科学技术进步奖二等奖、部省级科研与教学成果特等奖、一等奖与二等奖11项。先后获国家级教学名师、国务院“政府特殊津贴”、全国教育系统先进工作者、全国饲料科技工作先进个人、“新中国60年畜牧兽医科技贡献奖（杰出人物）”等表彰。

本文来源：饲料工业 ，用于大家学习、交流。转载请注明出处，如涉嫌侵犯您的著作权，请联系我们删除，谢谢！