饲用柠檬酸的应用研究进展

   日期:2019-10-10     来源:互联网    作者:admin    浏览:1    评论:0    
核心提示:饲用柠檬酸的应用研究进展唐茂妍陈旭东(1.上海正正生物技术有限公司,上海200438;2.北京中农颖泰生物技术有限公司,北京100193)

饲用柠檬酸的应用研究进展
唐茂妍陈旭东
(1.上海正正生物技术有限公司,上海200438;2.北京中农颖泰生物技术有限公司,北京100193)
摘要:柠檬酸是饲用酸化剂中应用最多的成分之一,也是应用最早的酸化剂之一。文章综述了柠檬酸的理化特性、代谢途径、生产方法以及在畜禽饲料中的应用研究进展等。
关键词:柠檬酸;代谢途径;作用机理;提纯方法
中图分类号:S816.79文献标识码:A文章编号:1006-6314(2015)03-0046-05
自从柠檬汁中分离得到柠檬酸以来,柠檬酸便作为食品添加剂使用。经过200多年的发展,柠檬酸现在已经被应用到食品、饲料、工业等诸多领域。作为饲料中应用最早的酸化剂之一,多数试验表明,柠檬酸对动物的生产性能、饲料转化效率、机体免疫机能、饲料养分消化率、抑制消化道有害菌等方面均有显著作用[1~3]。
1·柠檬酸的理化特性
柠檬酸常以两种形式存在,无水和带一分子水。一般为无色半透明结晶、白色结晶或粉末,具有较强吸湿性。柠檬酸酸味强烈,而且柔和爽口,入口后立即达到最高酸感,但是后味延续时间较短。
柠檬酸分子中含有3个羧基(图1),具有很强的螯合金属离子的能力,对油脂抗氧化剂有增效作用。柠檬酸还具有防腐性能,可有效抑制细菌增殖。

2·柠檬酸的来源
柠檬酸存在于所有植物中和动物组织和体液中,但在柠檬、橘汁及成熟果实中的浓度最高。柠檬酸是在1784年由瑞典化学家CarlWilhelmScheele首次从柠檬汁中分离得到的,柠檬酸作为食品添加剂的使用已超过百年历史。
目前柠檬酸一般通过蔗糖或糖蜜由真菌Aspergillusniger发酵而来,也可通过菠萝副产物和次等柠檬来制取。
3·柠檬酸的作用机理及代谢途径
3.1柠檬酸的作用机理
3.1.1柠檬酸对动物生产性能的影响
柠檬酸添加于动物饲料中,多数试验表明,其可提高动物的生产性能,对于动物生产性能的影响可能通过以下几条途径:①柠檬酸通过刺激口腔味蕾细胞,刺激唾液分泌,提升食欲;②降低胃肠道pH,提高胃蛋白酶活性,减慢食糜在消化道内的通过速度,从而提高日粮蛋白质等的消化和吸收;③柠檬酸可与微量元素螯合成稳定、生物学效价较高的配位化合物,有利于微量元素的吸收;④参与机体能量代谢、消化道形态和促酶反应的一系列重要活动。
3.1.2对动物抗病力的影响
日粮的酸化可抑制或杀灭消化道中大肠杆菌等有害微生物的定植和繁殖,有利于有益菌的生长,并预防肠道疾病的发生。柠檬酸可有效提高疫苗效价[3],为在日粮中降低抗生素的使用量提供了可能。柠檬酸可提高机体非特异性免疫力,这种作用可能与其促进微量元素吸收、生成ATp途径短、增强免疫器官的活动[1]、降低机体紧张度有关。
3.1.3提高抗热应激的能力
热应激时动物主要通过呼吸道内壁水分蒸发降温,随着呼吸的加快,CO2大量排出,血液中H2CO3浓度下降

平衡遭到破坏,血液中H+浓度下降,pH上升,出现呼吸性碱中毒。
柠檬酸在家禽体内可氧化成CO2和碳酸氢盐,这种盐类物质作为缓冲剂能缓冲血液碱性危害,维持pH在适宜的范围内,有利于缓解热应激造成的负面效应。
3.2柠檬酸在动物体内的代谢途径
3.2.1柠檬酸在动物体内的代谢
柠檬酸不仅是动物体内三大物质代谢的重要中间产物,同时由于它同钙的螯合物(柠檬酸钙)的特殊结构和性质,柠檬酸也直接参与骨骼系统的结构组成和代谢更新。生化学家HansAdolfKrebs于1937年提出了各种化学物质代谢的中心环节——三羧酸循环的基本代谢途径,由此他获得了1953年的生理学/医学诺贝尔奖。在三大物质的氧化分解过程中一个重要的步骤是生产乙酰辅酶A,其在柠檬酸合成酶的催化下,即可生成柠檬酸。生成的柠檬酸或从食物中经体液循环的柠檬酸进入细胞线粒体后均可在乌头酸酶和Fe2+催化下,经过顺乌头酸而变构为异柠檬酸,后者在异柠檬酸脱氢酶作用下氧化成草酰琥珀酸,以后经多次脱氢产生大量ATp,为动物体能量的主要来源[4~7]。
动物体内的柠檬酸可自身合成,也可由食物提供。来自食物的柠檬酸的代谢流程见图2。柠檬酸广泛存在于动物体各组织和体液中,研究表明,肝脏、肌肉和肾脏是柠檬酸的主要代谢场所。

3.2.2柠檬酸在微生物中的代谢
细菌等微生物可利用有机酸作为碳源和能量来源。柠檬酸为六碳酸,一般归属于中链脂肪酸。未解离的长链脂肪酸可通过载体蛋白(fadL和fadD)转运进入细菌细胞内[8,9],但中链脂肪酸是通过这一转运系统还是通过自由扩散进入细菌细胞内目前还不清楚。但中链脂肪酸在细菌细胞内的代谢也有fadD蛋白参与和β-氧化过程[10]。长链和中链脂肪酸均可参与细菌细胞膜磷脂合成。
4·柠檬酸对畜禽生产性能的影响
自报道在畜禽饮水中添加乳酸可使粪便中有害菌数量降低以来,研究者对于酸化剂、保鲜剂等的作用及在饲料中的应用研究越来越多。柠檬酸是最早应用于饲料中的有机酸之一,开始作为饲料的贮藏剂和调味剂,之后随着对有机酸制剂的研究逐渐深入,人们逐渐发现了柠檬酸的诸多优点,这也促进了柠檬酸作为主要的有机酸在饲料中的应用越来越广泛。
4.1柠檬酸对pH的影响
柠檬酸可降低饲料pH,使之在被动物采食之前就可保护饲料不受有害菌的污染[11],进入消化道后,可降低嗉囊和肌胃[12]、盲肠[13]以及小肠[14,15]的内容物pH。Chowdhury等[16.17]认为,向日粮中添加0.5%柠檬酸可使日粮pH值显著降低(7.38vs6.62)。马书宇[18]在肉仔鸡玉米-豆粕型日粮中添加不同梯度(0.5%~2.0%)柠檬酸,结果显示,21日龄和42日龄肉鸡的血液碱储和血液超碱水平均受柠檬酸显著影响,但血液pH没有发生变化。
4.2柠檬酸对畜禽生产性能及养分利用率的影响
研究认为,有机酸可提高胃中各种酶的活性,从而导致蛋白质等养分的消化和吸收显著提高[19,20],因而最终表现为动物生产性能的改善。梁俊荣等[1]试验发现,肉雏鸡日粮中添加柠檬酸(0.1%)并未引起肉公雏生长性能的变化,但宁康健等[21]在肉鸡日粮中添加柠檬酸0.5%,试验组肉鸡增重提高6.1%,每千克增重成本降低7.4%,肉鸡成活率提高8.6%,鸡新城疫抗体效价提高1倍以上,饲料报酬与经济效益均提高。同时,该试验表明,在肉鸡日粮中使用柠檬酸添加量不宜过高,否则会影响肉鸡生产性能。
马书宇[18]在肉仔鸡玉米-豆粕型日粮中添加不同梯度(0.5%~2.0%)柠檬酸,结果显示,1~21日龄时,1.0%柠檬酸组肉鸡日增重显著高于对照组,耗料增重比显著降低(p<0.05)。将柠檬酸添加量提高到2.0%时,各项指标均低于对照组。申惠芳等[22]对海大香特1号三黄土鸡雏鸡进行柠檬酸(0%、0.3%、0.5%、0.7%)饲养试验,添加0.3%柠檬酸试验组的三黄土鸡早期体增重显著高于对照组和其他试验组,并且添加0.3%柠檬酸组土鸡料重比、成活率也优于其他试验组。Haque等[3]发现,日粮中补充0.5%柠檬酸可提高增重、采食量、胫骨灰分沉积。Islam等[23,24]试验证明,在肉鸡饲料中添加柠檬酸最高可达0.75%,超过这个添加量,则日粮钙(Ca)、磷(p)、镁(Mg)的利用率出现下降趋势,虽然这3种元素的利用率与对照组相比仍然较高;Brenes等[25]证明,在肉鸡日粮中添加2%柠檬酸时Ca、p的沉积率分别只有3.0%和3.0%;而在Ca、p、Mg缺乏的日粮中添加柠檬酸则可提高三者的利用率[26~28]。多数试验表明,饲料中单体柠檬酸的添加量过低或过高均不利于肉鸡或蛋鸡生产性能的改善。
温萍和董野[2]在28日龄断奶仔猪日粮中分别添加0%、1%、2%柠檬酸制剂,发现饲喂低pH日粮显著降低了断奶仔猪的腹泻率并提高了仔猪的日增重(p<0.05),以添加2%组效果最好。陈斌等[29]对29~58日龄大约克夏仔猪饲粮中添加柠檬酸(0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)的效果进行了研究,结果表明,断奶仔猪日粮中添加柠檬酸的各组比对照组在增重和饲料利用率方面均有提高,在此阶段添加1.5%的柠檬酸组仔猪日增重极显著高于对照组,显著高于2.0%柠檬酸组。在母猪日粮中添加柠檬酸对母猪自身、哺乳期乳猪和断奶仔猪等的生长均有显著影响。吴同山等[30]选用500头左右母猪、仔猪、保育猪,母猪根据6~10月份的预产期分为两组,仔猪、保育猪也随母猪的分组自然分为两组。结果表明,试验组哺乳期母猪采食量提高29.40%,仔猪出生体重提高22.96%,21日龄仔猪体重提高29.50%,保育猪日增重提高12.06%,料重比降低7.74%,每出栏1头保育猪,试验组比对照组节约饲料1.71kg,育成率提高0.86%;生长肥育猪日增重提高7.73%,料重比降低5.15%,平均每出栏1头商品猪,试验组比对照组节约饲料12kg,育成率提高2.07%,经济效益显著。
4.3柠檬酸对消化道微生物的影响
断奶仔猪腹泻是常见的应激性反应,特别是断奶后5~7d是腹泻的高峰期。表现为腹泻、精神不振和食欲减退。主要原因是断奶仔猪消化道内容物pH变化和所采食饲料的变化引起消化不良,致病菌过度增殖,从而导致断奶仔猪的细菌性和营养性腹泻。pH升高与消化道乳酸杆菌减少互为因果,相互促进,导致恶性循环。温萍和董野[2]认为,断奶仔猪日粮中添加2%柠檬酸可有效抑制仔猪腹泻状况。
Radkowski和Mikołajczyk[31]试验了不同浓度柠檬酸体外对沙门氏菌的抑制效果。对照组细菌数分别为肠炎沙门氏菌(S.Enteritidis)1.8×108cfu/mL,鸭沙门氏菌(S.Anatum)1.1×108cfu/mL鼠伤寒沙门氏菌(S.Typhimurium)2.0×108cfu/mL,之后向对照组琼脂培养基中分别加入0.1%柠檬酸可完全抑制3种沙门氏菌的生长。但梁俊荣等[1]在肉雏鸡日粮中添加0.1%柠檬酸并未影响回肠重量、回肠内容物的pH及其中大肠杆菌数量,可能与柠檬酸的添加量过低有关。
4.4柠檬酸对动物免疫力的影响
梁俊荣等[1]研究了肉雏鸡日粮中添加柠檬酸(0.1%)对血液生化指标的影响,发现日粮中添加0.1%柠檬酸显著提高了血红蛋白(Hb)含量,血清谷草转氨酶(SGOT)活性明显下降(p<0.05),从而反映出日粮中添加柠檬酸可改善与非特异性免疫有关的相关指标。陈斌等[29]试验发现,断奶仔猪日粮中添加0.5%~2.0%柠檬酸均可改善仔猪腹泻率,柠檬酸添加量以1.0%~1.5%为最好。Haque等[3]也发现,日粮中补充0.5%柠檬酸可提高非特异性免疫,他发现柠檬酸可替代黄霉素作为生长促进剂;而Chowdhury等[17]也得出结论,柠檬酸可替代卑霉素。Haque和Chowdhury的试验中,添加0.5%柠檬酸的肉鸡日粮增重均显著高于对照组和抗生素组,而与两者的混合组效果差异不显著。
5·柠檬酸的生产
柠檬酸作为食品、饲料、工业中应用较多的添加剂之一,生产技术发展迅速。目前柠檬酸的生产主要采用微生物发酵法,发酵法因其工艺简单,原料充足,发展较早而成为比较成熟的柠檬酸生产方法。但发酵法生产的柠檬酸发酵液中除含有柠檬酸和水,还有残糖、菌体、蛋白质、色素、有机杂酸和无机盐等多种杂质,必须采用物理和化学方法将杂质去除,从而得到符合国家标准规定的柠檬酸产品。
国内柠檬酸提取工艺较常用的为钙盐提取法,优点是操作方法熟练、产品质量稳定,缺点是损失大,总收率低;过程中消耗大量辅料,同时产生大量废水、废渣,造成环境污染严重。因此,为提高柠檬酸产量并最大限度降低对环境的污染,柠檬酸的提取工艺一再改进,新型提取工艺方法包括萃取法、离子交换吸附法、工业色谱法及膜分离法。
5.1萃取法
利用液体混合物中的组分在其他溶剂中溶解度的差异来提纯混合物中某种组分的方法叫萃取法。萃取法利用发酵液中柠檬酸和其他杂质组分在萃取剂中溶解度的不同,将水中柠檬酸萃取到有机相中富集,然后通过高温,将柠檬酸从有机相中反萃取到水相中富集,得到较纯产物,再经过离子交换、蒸发、结晶,最后得到柠檬酸产品。目前使用较多的萃取剂为长链烷基胺类、含磷氧基类化合物(磷酸三丁酯、三烷基氧磷等)[32,33]。
与传统法相比,萃取法降低了辅助材料的消耗、能耗及劳动强度。但该方法也有其缺点,即萃取剂的毒性降低了产品的安全性,使用该方法获得的产品只能应用到工业产品中,而不能用于食品和医药行业;并且该方法的稳定性还需要进一步改善。
5.2离子交换吸附法
离子交换法利用特有的有机高分子树脂的高选择吸附性,从发酵液中提取柠檬酸,再用适当的溶液使其解吸。现在常用的吸附剂主要有弱碱性阴离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂、pVp树脂等[34~36]。离子交换吸附法的优点是简化了提纯工艺、节约了原材料,环境污染也大大降低,但还是存在着产品质量不稳定的缺陷,同时离子交换树脂的使用寿命也很短。
5.3工业色谱法
针对离子交换吸附所存在的问题,人们探索具有高分离效能,易于放大的连续色谱新技术。其中模拟移动色谱法,弥补了不能连续操作、分离柱材料利用率低等缺陷,广泛应用于发酵工业,近年来该技术也应用到柠檬酸行业[37~40]。工业色谱法虽在离子交换吸附法基础上取得了较大改进,主要是无污染物产生,但是还需要改善吸附树脂的容量和吸附树脂的选择性方面,以期得到更高产率和纯度的柠檬酸。
5.4膜分离法
膜分离技术是以天然或合成薄膜为质量分离剂,根据混合物中不同组分通过膜的渗透率的差异实现组分的分离过程[41~43]。膜分离技术应用范围十分广泛,近些年已应用于有机酸分离。膜分离法比较简单,分离效率也高,但膜易被污染;采用的载体、表面活性剂的毒性使得产品达不到食品和医药产品的需求。同时,膜易流失,稳定性也较差。
6·应用展望
自1860年柠檬酸开始工业化生产开始,就不断有将柠檬酸应用到不同行业的研究。目前柠檬酸在畜牧业中的添加应用已经普及,而且国内复合酸化剂市场中柠檬酸也占有极大比例。虽然人们普遍接受柠檬酸的使用效果,但笔者认为,对于柠檬酸在体内的消化代谢机理、对不同有害菌的抑制机理、在饲料中的适宜添加量,与其他单酸之间的互作效应等都需要做深入研究,才能真正发挥有机酸化剂在饲料和动物体内的作用,从而为降低抗生素使用量,替代其促生长作用作出理论基础。
参考文献:略

 
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