程雅婷 孔祥峰

(1.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)生理與代謝過(guò)程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410125；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

腸道是動(dòng)物機(jī)體消化和吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要場(chǎng)所，也是機(jī)體的主要免疫器官和內(nèi)分泌器官[1]，因此腸道健康對(duì)維持機(jī)體正常生命活動(dòng)具有重要作用。動(dòng)物腸道中棲息著大量的微生物，占機(jī)體微生物總量的70%～80%[2]。腸道微生物發(fā)酵可分泌多種消化酶，能分解宿主不能利用的大分子物質(zhì)，這些物質(zhì)與消化道分泌物、脫落上皮細(xì)胞等一起合成微生物自身生長(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量。同時(shí)，腸道微生物發(fā)酵可產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)、氨基酸、生物胺和吲哚等代謝產(chǎn)物，作用于腸道，進(jìn)而影響機(jī)體健康。例如，腸道微生物分解碳水化合物和含氮物質(zhì)產(chǎn)生的SCFA，其分子質(zhì)量小、易吸收，對(duì)動(dòng)物的機(jī)體健康具有重要調(diào)控作用[3]；腸道中產(chǎn)生的氨基酸代謝產(chǎn)物吲哚乙酸會(huì)破壞腸上皮細(xì)胞的完整性，影響腸道的屏障功能，增加宿主患結(jié)腸炎的風(fēng)險(xiǎn)[4]；微生物代謝產(chǎn)生的莢膜多糖，可通過(guò)激活Toll樣受體2誘導(dǎo)免疫細(xì)胞產(chǎn)生白細(xì)胞介素(IL)，預(yù)防腸道炎癥的發(fā)生[5]；少數(shù)微生物分解代謝產(chǎn)生的次級(jí)膽汁酸，可作為受體作用于腸道黏膜，促進(jìn)脂質(zhì)的消化吸收。因此，本文就SCFA的代謝過(guò)程、生理功能及其在母豬生產(chǎn)中的應(yīng)用等國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為提高母豬的生產(chǎn)性能提供參考。

1 SCFA的代謝過(guò)程

SCFA為含有1～6個(gè)碳原子的脂肪酸，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、異丁酸和異戊酸等。其中，直鏈脂肪酸主要由腸道微生物分解宿主消化酶不可消化的碳水化合物和纖維類物質(zhì)產(chǎn)生，支鏈脂肪酸主要由腸道菌群分解含氮物質(zhì)生成，如異丁酸和異戊酸分別是由細(xì)菌分解纈氨酸和亮氨酸產(chǎn)生，但對(duì)其代謝方式目前還知之甚少。乙酸主要由腸道中的擬桿菌、瘤胃球菌、真桿菌和鏈球菌等菌屬發(fā)酵果膠、木聚糖和阿拉伯半乳聚糖產(chǎn)生丙酮酸，再通過(guò)乙酰輔酶A或厭氧乙酰輔酶A途徑代謝丙酮酸產(chǎn)生；丙酸主要由擬桿菌門(mén)細(xì)菌發(fā)酵阿拉伯半乳聚糖，通過(guò)琥珀酸途徑將琥珀酸轉(zhuǎn)化為甲基丙二酰輔酶A產(chǎn)生；丁酸主要由厚壁菌門(mén)細(xì)菌發(fā)酵淀粉，產(chǎn)生的2分子乙酰輔酶A縮合繼而還原為丁酰輔酶A，進(jìn)一步通過(guò)磷酸丁酰轉(zhuǎn)移酶和丁酸激酶轉(zhuǎn)化為丁酸(表1)[6]。在乳酸堆積過(guò)多情況下，腸道菌群還可利用乳酸和乙酸合成丁酸，減少乳酸的蓄積以穩(wěn)定腸道的內(nèi)環(huán)境。

表1 不同短鏈脂肪酸的產(chǎn)生、發(fā)酵底物和代謝途徑

SCFA主要在單胃動(dòng)物的腸道后段經(jīng)微生物發(fā)酵產(chǎn)生，其中的乙酸、丙酸和丁酸占總SCFA的90%～95%，其余SCFA僅占5%～10%。SCFA在盲腸和近端結(jié)腸中的濃度較高，并且越往后段腸道其濃度逐漸降低。高濃度的SCFA經(jīng)大腸吸收通過(guò)門(mén)靜脈進(jìn)入血液循環(huán)，隨后運(yùn)輸至肝臟和外周組織中代謝，并作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和信號(hào)分子調(diào)節(jié)機(jī)體的生理活動(dòng)。對(duì)反芻動(dòng)物而言，瘤胃內(nèi)產(chǎn)生的SCFA主要作為能量底物被瘤胃上皮細(xì)胞利用，部分被轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟進(jìn)行代謝。乙酸可用于膽固醇的合成，在肝臟中合成長(zhǎng)鏈脂肪酸、谷氨酸、谷氨酰胺和β-羥丁酸，此外還可被肌肉、心臟和腦等組織利用[7]；丙酸在肝臟中主要進(jìn)行糖異生作用，可抑制膽固醇的合成，并對(duì)脂肪合成有抑制作用[8]；丁酸主要作為腸上皮細(xì)胞的能量底物被利用，剩余的少量丁酸進(jìn)入肝臟參與糖異生、酮體和甘油三酯的合成，間接影響機(jī)體的糖脂代謝[9]。動(dòng)物體內(nèi)90%以上的SCFA以離子形式存在，但卻以非離子形式被腸道吸收。因此，SCFA的吸收需要利用腸道上皮的Na+-K+交換或分解二氧化碳，維持腸道的電解質(zhì)平衡。

2 SCFA的生理作用

2.1 維持動(dòng)物腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)

腸道的健康水平主要取決于腸道抵抗外來(lái)病原菌和異物的能力，保持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的能力，以及維持腸道菌群平衡的能力。腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA均呈弱酸性，可改變腸道的pH，調(diào)節(jié)Na+-H+交換過(guò)程，促進(jìn)Na+和水的吸收，維持電解質(zhì)平衡；同時(shí)，腸道pH的改變可影響消化酶的活性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝，抑制有害菌的繁殖，進(jìn)而調(diào)節(jié)腸道微生物有益菌群和有害菌的比例，維持腸道菌群的平衡。

現(xiàn)有研究表明，SCFA可有效抑制腸道內(nèi)沙門(mén)氏菌的定植，減輕肉雞感染沙門(mén)氏菌的癥狀[10]；給生長(zhǎng)豬盲腸灌注丙酸可提高結(jié)腸中擬桿菌門(mén)、普氏菌屬和擬桿菌屬等細(xì)菌的豐度，降低厚壁菌門(mén)細(xì)菌的豐度[11]。作為腸上皮細(xì)胞的能量底物，SCFA可促進(jìn)腸上皮細(xì)胞的生長(zhǎng)，增強(qiáng)腸道上皮細(xì)胞間的緊密連接，增加黏蛋白的分泌，維持腸道黏膜正常功能和腸道健康。一定濃度的乙酸和丙酸可抑制大鼠盲腸黏膜的通透性[12]。丙酸可抑制結(jié)腸炎導(dǎo)致的閉鎖蛋白和閉合蛋白等緊密連接蛋白表達(dá)的下調(diào)，促進(jìn)腸道屏障損傷的修復(fù)[13]。適宜濃度的丁酸可通過(guò)上調(diào)多個(gè)黏蛋白相關(guān)基因的表達(dá)，增加腸道黏蛋白的分泌[14]。

2.2 促進(jìn)腸道的消化吸收功能

腸道是機(jī)體中最重要的消化吸收器官，絕大多數(shù)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均在小腸中被消化吸收。腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收效率決定了機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)狀況，對(duì)機(jī)體的健康產(chǎn)生重要影響。腸道消化吸收功能的強(qiáng)弱主要取決于腸道內(nèi)消化酶的活性和腸道黏膜的吸收能力。

現(xiàn)有研究表明，飼糧添加0.15%的乙酸鈉，可顯著提高斑馬魚(yú)腸道消化酶尤其是淀粉酶的活性，從而促進(jìn)采食和增重[15]；在斷奶仔豬飼糧中添加1 000和1 500 g/t包被丁酸鈉均可顯著提高斷奶仔豬粗蛋白質(zhì)和粗脂肪表觀消化率，顯著降低斷奶仔豬糞便中大腸桿菌數(shù)量，提高乳酸桿菌數(shù)量，從而有效提高仔豬對(duì)養(yǎng)分的消化吸收效率，促進(jìn)斷奶仔豬的生長(zhǎng)[16]；飼糧添加丁酸鈉可顯著影響仔豬的腸道黏膜結(jié)構(gòu)，提高空腸絨毛高度與隱窩深度的比值[17]。

2.3 激活腸道免疫應(yīng)答

動(dòng)物胃腸道內(nèi)存在大量的免疫細(xì)胞，是機(jī)體內(nèi)免疫細(xì)胞最多的器官，因此腸道免疫是機(jī)體免疫的重要組成部分。SCFA可通過(guò)與腸道黏膜表面受體結(jié)合或調(diào)節(jié)信號(hào)分子的表達(dá)水平，激活腸道免疫系統(tǒng)，抑制腸道炎癥，維持動(dòng)物腸道的健康。SCFA作為信號(hào)分子可誘導(dǎo)腸道巨噬細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞中抗炎因子的表達(dá)，促進(jìn)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞和IL-10生成T細(xì)胞的分化，增強(qiáng)腸道免疫功能[18]。

現(xiàn)有研究表明，SCFA可通過(guò)游離脂肪酸受體2(recombinant free fatty acid receptor 2，F(xiàn)FAR2)和羥基羧酸受體2激活NACHT-LRR-PYD結(jié)構(gòu)域蛋白3抗炎性小體的表達(dá)，誘導(dǎo)腸上皮修復(fù)細(xì)胞因子IL-18的分泌，從而減輕小鼠結(jié)腸炎癥狀[19]；SCFA還可與FFAR2特異性結(jié)合，降低腸道中性粒細(xì)胞的趨化作用，降低脂多糖誘導(dǎo)的中性粒細(xì)胞產(chǎn)生的促炎細(xì)胞因子水平[20]。另外，丁酸可抑制肥大細(xì)胞的活性和炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生，從而改善仔豬腸道功能異常，減緩斷奶應(yīng)激導(dǎo)致的生長(zhǎng)遲緩[21]。

2.4 調(diào)節(jié)細(xì)胞分化與凋亡

SCFA作為組蛋白去乙?；傅囊种苿?，可通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)組蛋白的乙酰化程度，上調(diào)癌癥抑制因子和其他抗癌基因的表達(dá)，抑制腫瘤細(xì)胞的增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞的分化與凋亡。例如，丙酸可通過(guò)減少組蛋白去乙?；缸饔脕?lái)增加組蛋白乙?；?，促進(jìn)自分泌腫瘤壞死因子α的表達(dá)，從而抑制肝癌細(xì)胞的增殖并誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡[22]；丁酸可增加組蛋白的乙?；饔?，調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖基因和凋亡基因的表達(dá)量，抑制細(xì)胞增殖并增加細(xì)胞凋亡[23]。

2.5 調(diào)節(jié)機(jī)體的脂質(zhì)代謝

脂質(zhì)沉積是機(jī)體儲(chǔ)存能量的主要方式，脂肪沉積過(guò)多會(huì)導(dǎo)致組織脂肪化，引發(fā)疾病。因此，脂質(zhì)代謝也是影響機(jī)體健康的重要因素。肝臟是脂肪代謝的主要組織，SCFA的產(chǎn)生可促進(jìn)肝臟和肌肉組織中脂肪酸的氧化，同時(shí)抑制肝臟中脂肪酸的合成和脂肪組織的溶脂，以維持機(jī)體脂質(zhì)代謝的平衡?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，乙酸可通過(guò)激活G蛋白偶聯(lián)受體(guanosine-binding protein coupled receptor，GPCR)和FFAR2刺激腸道分泌腸促胰島素提高機(jī)體對(duì)胰島素的敏感性，抑制組織中脂肪的沉積和炎癥的發(fā)生；丙酸則通過(guò)產(chǎn)生食欲調(diào)節(jié)肽，如肽酪氨酸-酪氨酸和胰高血糖素樣肽-1，通過(guò)調(diào)節(jié)食欲控制攝食行為，減少肝臟等內(nèi)臟器官中的脂肪沉積，防止肥胖的發(fā)生[24]；給大鼠口服乙酸鹽，不僅可抑制肝臟脂肪的沉積，還可減少骨骼肌和脂肪組織中的脂肪沉積[25]；有研究發(fā)現(xiàn)，人服用丙酸酯能夠顯著抑制體重增加，調(diào)節(jié)腹部脂肪組織分布，降低肝細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)沉積[26]；丁酸可激活脂肪組織中G蛋白偶聯(lián)受體109A受體的表達(dá)，抑制脂質(zhì)的沉積[27]；高脂飼糧添加丁酸鹽，可增加小鼠脂肪組織的氧化和能量消耗，從而減少機(jī)體的脂肪沉積[28]。

2.6 調(diào)節(jié)機(jī)體的糖代謝

糖代謝是機(jī)體供能的最主要、最直接的方式，微生物發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA可通過(guò)神經(jīng)-體液軸調(diào)節(jié)機(jī)體對(duì)胰島素的敏感性或促進(jìn)糖異生，影響機(jī)體的糖代謝，維持機(jī)體的能量代謝平衡。有研究表明，乙酸通過(guò)激活三羧酸循環(huán)改變下丘腦中食欲調(diào)節(jié)神經(jīng)肽的表達(dá)，進(jìn)而降低動(dòng)物的食欲[29]；丙酸和丁酸均可通過(guò)激活腸道糖異生調(diào)節(jié)葡萄糖代謝，維持能量穩(wěn)態(tài)；丙酸鹽可通過(guò)涉及游離脂肪酸受體3的腦-腸神經(jīng)回路激活腸道糖異生；丁酸酯則通過(guò)cAMP依賴性機(jī)制激活糖異生相關(guān)基因表達(dá)，從而調(diào)節(jié)體重和血液葡萄糖水平[30]。此外，SCFA還可作為能源物質(zhì)為組織提供能量，促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育[31]。

3 SCFA在母豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 提高妊娠母豬的采食量與哺乳母豬的泌乳量

妊娠母豬食欲降低是母豬生產(chǎn)中存在的問(wèn)題之一。妊娠前期母豬限食，導(dǎo)致其攝入的能量無(wú)法滿足孕體以及乳腺等自身組織生長(zhǎng)的需要，母豬分解自身組織以滿足機(jī)體能量的需要，從而導(dǎo)致母豬營(yíng)養(yǎng)不良、哺乳期泌乳量降低，嚴(yán)重者還會(huì)導(dǎo)致繁殖性能低下。因此，提高妊娠后期母豬的采食量是提高母豬繁殖性能的重要手段。

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，弱酸性的SCFA用于母豬生產(chǎn)，可刺激消化酶的分泌，提高母豬的食欲，從而減少妊娠期母體體重的降低[32]；在妊娠期和哺乳期飼糧中添加丁酸，可顯著提高繁殖母豬的采食量[33]；在飼糧中添加丁酸鈉可提高泌乳母豬的泌乳量以及乳汁中乳脂的含量，并改善其脂肪酸的組成[34]。

3.2 提高母豬生產(chǎn)性能

母豬產(chǎn)仔率、仔豬成活率、產(chǎn)仔數(shù)都是衡量母豬生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，并且受到多方面因素的影響。SCFA的應(yīng)用可以顯著改善母豬的生產(chǎn)性能，尤其是提高產(chǎn)仔率和仔豬生長(zhǎng)性能。例如，給妊娠母豬飼喂微囊包被的丁酸鈉可促進(jìn)母豬對(duì)鈣的吸收利用，促進(jìn)順產(chǎn)，縮短分娩時(shí)間，降低仔豬因長(zhǎng)時(shí)間分娩而窒息死亡的概率[35]。母豬飼糧添加丁酸鹽可改善母豬的體況，提高斷奶仔豬的體重、平均日采食量和飼料利用率[36]。在哺乳母豬飼糧中添加微囊包被的丁酸鹽，可提高初乳中免疫球蛋白含量，增強(qiáng)仔豬機(jī)體免疫力，降低腹瀉率，提高成活率[37]。丁酸具有濃厚的脂臭味，直接在飼糧中添加會(huì)影響飼糧的適口性。因此，在生產(chǎn)中應(yīng)使用包被丁酸鹽產(chǎn)品，并且控制其添加水平。

3.3 調(diào)控母豬生產(chǎn)性能的可能機(jī)制

飼糧添加SCFA可顯著改善母豬的生產(chǎn)性能，提高經(jīng)濟(jì)效益，其作用機(jī)制可能包括：1)SCFA具有一定的酸化劑作用，適量添加可改善飼料的適口性，刺激母豬的食欲并提高其采食量[33]。2)丁酸解離后產(chǎn)生的丁酸根進(jìn)入血液，隨血液運(yùn)輸至乳腺，顯著增加母豬乳腺利用其合成乳脂的比例[34]。乳脂作為乳汁中的重要能量物質(zhì)，可維持仔豬體溫，提高仔豬的成活率和生長(zhǎng)性能；3)SCFA可顯著促進(jìn)腸道的消化吸收功能，尤其是丁酸可促進(jìn)胃腸道多種消化酶的分泌，提高母豬對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收效率，改善母豬體況，提高生產(chǎn)性能[36]。對(duì)于SCFA調(diào)控母豬生產(chǎn)性能的具體機(jī)制尚有待進(jìn)一步研究。

4 小結(jié)及展望

綜上所述，腸道微生物可分解代謝碳水化合物、粗纖維、多糖等物質(zhì)產(chǎn)生SCFA。SCFA主要通過(guò)以下途徑發(fā)揮其生理功能：1)調(diào)節(jié)腸道內(nèi)的酸堿平衡和微生物組成，刺激腸道分泌多種消化酶，改善腸道黏膜通透性和形態(tài)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)腸道健康；2)調(diào)節(jié)肝臟和骨骼肌的脂肪沉積以及機(jī)體對(duì)胰島素的敏感性，影響脂肪的生成與消耗以及機(jī)體的能量代謝；3)作為組蛋白去乙?；傅囊种苿┱T導(dǎo)細(xì)胞的分化與凋亡，或直接為結(jié)腸細(xì)胞提供能量，促進(jìn)結(jié)腸細(xì)胞生長(zhǎng)，抑制結(jié)腸炎癥的發(fā)生?？傊琒CFA是一種綠色、安全、成本低、效果好的飼料添加劑，可作為豬養(yǎng)殖中飼用抗生素的替代產(chǎn)品。

但是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在一系列的問(wèn)題。首先，在養(yǎng)豬生產(chǎn)中多使用某一短鏈脂肪酸，這與微生物代謝產(chǎn)生的SCFA不同，其代謝方式和生理作用也有所差異，實(shí)際應(yīng)用效果不能確定。因此，應(yīng)進(jìn)一步研究不同SCFA組合的飼喂效果。目前，使用較多的是丁酸類產(chǎn)品，乙酸、丙酸類產(chǎn)品還有待進(jìn)一步研發(fā)。其次，機(jī)體攝入的SCFA在不同組織器官中的濃度不同，其在不同組織器官中的發(fā)揮作用的機(jī)制也不同，因此還需要針對(duì)某一特定器官研究其作用機(jī)制。另外，SCFA本身具有一定的酸臭味，直接添加會(huì)影響飼糧的適口性。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)參考前人研究結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化不同SCFA的添加水平和添加方式。最后，不同的SCFA組合對(duì)不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的動(dòng)物具有不同的生理作用，需要針對(duì)動(dòng)物的具體生長(zhǎng)階段和生理特點(diǎn)來(lái)選用具體的SCFA產(chǎn)品。