短链脂肪酸的生理作用及其在母猪生产中的应用
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短链脂肪酸的生理作用及其在母猪生产中的应用

Posted by | November 10, 2021 |

May 25, 2022

摘要:动物的消化道中栖息着数量巨大、种类繁多的微生物。这些微生物能利用肠道中的营养物质进行代谢,满足自身生长的需要,同时产生短链脂肪酸(SCFA)、生物胺等代谢产物。这些代谢产物影响宿主自身的营养物质代谢、免疫活性和一些生理功能等。其中,SCFA是最常见的微生物发酵产物,可从多个方面影响动物的机体健康。因此,本文综述了SCFA的代谢过程与生理功能及其在母猪生产中的应用进展,为其在母猪生产中的应用提供依据。
关键词:微生物、代谢、短链脂肪酸、生理作用、母猪
肠道是动物机体消化和吸收营养物质的主要场所,也是机体的主要免疫器官和内分泌器官,因此肠道健康对维持机体正常生命活动具有重要作用。动物肠道中栖息着大量的微生物,占机体微生物总量的70%~80%。肠道微生物发酵可分泌多种消化酶,能分解宿主不能利用的大分子物质,这些物质与消化道分泌物、脱落上皮细胞等一起合成微生物自身生长需要的营养物质和能量。同时,肠道微生物发酵可产生短链脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)、氨基酸、生物胺和吲哚等代谢产物,作用于肠道,进而影响机体健康。例如,肠道微生物分解碳水化合物和含氮物质产生的SCFA,其分子质量小、易吸收,对动物的机体健康具有重要调控作用;肠道中产生的氨基酸代谢产物吲哚乙酸会破坏肠上皮细胞的完整性,影响肠道的屏障功能,增加宿主患结肠炎的风险;微生物代谢产生的荚膜多糖,可通过激活Toll样受体2诱导免疫细胞产生白细胞介素(IL),预防肠道炎症的发生;少数微生物分解代谢产生的次级胆汁酸,可作为受体作用于肠道黏膜,促进脂质的消化吸收。因此,本文就SCFA的代谢过程、生理功能及其在母猪生产中的应用等国内外研究进展进行综述,旨在为提高母猪的生产性能提供参考。
1、SCFA的代谢过程
SCFA为含有1~6个碳原子的脂肪酸,包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸和异戊酸等。其中,直链脂肪酸主要由肠道微生物分解宿主消化酶不可消化的碳水化合物和纤维类物质产生,支链脂肪酸主要由肠道菌群分解含氮物质生成,如异丁酸和异戊酸分别是由细菌分解缬氨酸和亮氨酸产生,但对其代谢方式目前还知之甚少。乙酸主要由肠道中的拟杆菌、瘤胃球菌、真杆菌和链球菌等菌属发酵果胶、木聚糖和阿拉伯半乳聚糖产生丙酮酸,再通过乙酰辅酶A或厌氧乙酰辅酶A途径代谢丙酮酸产生;丙酸主要由拟杆菌门细菌发酵阿拉伯半乳聚糖,通过琥珀酸途径将琥珀酸转化为甲基丙二酰辅酶A产生;丁酸主要由厚壁菌门细菌发酵淀粉,产生的2分子乙酰辅酶A缩合继而还原为丁酰辅酶A,进一步通过磷酸丁酰转移酶和丁酸激酶转化为丁酸(表 1)。在乳酸堆积过多情况下,肠道菌群还可利用乳酸和乙酸合成丁酸,减少乳酸的蓄积以稳定肠道的内环境。
表 1 不同短链脂肪酸的产生、发酵底物和代谢途径
Table 1 Production, fermentation substrate and metabolism pathway of different short-chain fatty acids
SCFA主要在单胃动物的肠道后段经微生物发酵产生,其中的乙酸、丙酸和丁酸占总SCFA的90%~95%,其余SCFA仅占5%~10%。SCFA在盲肠和近端结肠中的浓度较高,并且越往后段肠道其浓度逐渐降低。高浓度的SCFA经大肠吸收通过门静脉进入血液循环,随后运输至肝脏和外周组织中代谢,并作为营养物质和信号分子调节机体的生理活动。对反刍动物而言,瘤胃内产生的SCFA主要作为能量底物被瘤胃上皮细胞利用,部分被转运至肝脏进行代谢。乙酸可用于胆固醇的合成,在肝脏中合成长链脂肪酸、谷氨酸、谷氨酰胺和β-羟丁酸,此外还可被肌肉、心脏和脑等组织利用;丙酸在肝脏中主要进行糖异生作用,可抑制胆固醇的合成,并对脂肪合成有抑制作用;丁酸主要作为肠上皮细胞的能量底物被利用,剩余的少量丁酸进入肝脏参与糖异生、酮体和甘油三酯的合成,间接影响机体的糖脂代谢。动物体内90%以上的SCFA以离子形式存在,但却以非离子形式被肠道吸收。因此,SCFA的吸收需要利用肠道上皮的Na+-K+交换或分解二氧化碳,维持肠道的电解质平衡。
2、SCFA的生理作用
2.1 维持动物肠道内环境稳态
肠道的健康水平主要取决于肠道抵抗外来病原菌和异物的能力,保持肠道内环境稳定的能力,以及维持肠道菌群平衡的能力。肠道微生物发酵产生的SCFA均呈弱酸性,可改变肠道的pH,调节Na+-H+交换过程,促进Na+和水的吸收,维持电解质平衡;同时,肠道pH的改变可影响消化酶的活性,影响微生物对营养物质的代谢,抑制有害菌的繁殖,进而调节肠道微生物有益菌群和有害菌的比例,维持肠道菌群的平衡。
现有研究表明,SCFA可有效抑制肠道内沙门氏菌的定植,减轻肉鸡感染沙门氏菌的症状;给生长猪盲肠灌注丙酸可提高结肠中拟杆菌门、普氏菌属和拟杆菌属等细菌的丰度,降低厚壁菌门细菌的丰度。作为肠上皮细胞的能量底物,SCFA可促进肠上皮细胞的生长,增强肠道上皮细胞间的紧密连接,增加黏蛋白的分泌,维持肠道黏膜正常功能和肠道健康。一定浓度的乙酸和丙酸可抑制大鼠盲肠黏膜的通透性。丙酸可抑制结肠炎导致的闭锁蛋白和闭合蛋白等紧密连接蛋白表达的下调,促进肠道屏障损伤的修复。适宜浓度的丁酸可通过上调多个黏蛋白相关基因的表达,增加肠道黏蛋白的分泌。
2.2 促进肠道的消化吸收功能
肠道是机体中最重要的消化吸收器官,绝大多数的营养物质均在小肠中被消化吸收。肠道对营养物质的消化吸收效率决定了机体的营养状况,对机体的健康产生重要影响。肠道消化吸收功能的强弱主要取决于肠道内消化酶的活性和肠道黏膜的吸收能力。
现有研究表明,饲粮添加0.15%的乙酸钠,可显著提高斑马鱼肠道消化酶尤其是淀粉酶的活性,从而促进采食和增重;在断奶仔猪饲粮中添加1 000和1 500 g/t包被丁酸钠均可显著提高断奶仔猪粗蛋白质和粗脂肪表观消化率,显著降低断奶仔猪粪便中大肠杆菌数量,提高乳酸杆菌数量,从而有效提高仔猪对养分的消化吸收效率,促进断奶仔猪的生长;饲粮添加丁酸钠可显著影响仔猪的肠道黏膜结构,提高空肠绒毛高度与隐窝深度的比值。
2.3 激活肠道免疫应答
动物胃肠道内存在大量的免疫细胞,是机体内免疫细胞最多的器官,因此肠道免疫是机体免疫的重要组成部分。SCFA可通过与肠道黏膜表面受体结合或调节信号分子的表达水平,激活肠道免疫系统,抑制肠道炎症,维持动物肠道的健康。SCFA作为信号分子可诱导肠道巨噬细胞和树突状细胞中抗炎因子的表达,促进调节性T细胞和IL-10生成T细胞的分化,增强肠道免疫功能。
现有研究表明,SCFA可通过游离脂肪酸受体2(recombinant free fatty acid receptor 2,FFAR2)和羟基羧酸受体2激活NACHT-LRR-PYD结构域蛋白3抗炎性小体的表达,诱导肠上皮修复细胞因子IL-18的分泌,从而减轻小鼠结肠炎症状;SCFA还可与FFAR2特异性结合,降低肠道中性粒细胞的趋化作用,降低脂多糖诱导的中性粒细胞产生的促炎细胞因子水平。另外,丁酸可抑制肥大细胞的活性和炎症介质的产生,从而改善仔猪肠道功能异常,减缓断奶应激导致的生长迟缓。
2.4 调节细胞分化与凋亡
SCFA作为组蛋白去乙酰化酶的抑制剂,可通过增加细胞内组蛋白的乙酰化程度,上调癌症抑制因子和其他抗癌基因的表达,抑制肿瘤细胞的增殖,诱导细胞的分化与凋亡。例如,丙酸可通过减少组蛋白去乙酰化酶作用来增加组蛋白乙酰化,促进自分泌肿瘤坏死因子α的表达,从而抑制肝癌细胞的增殖并诱导癌细胞凋亡;丁酸可增加组蛋白的乙酰化作用,调节细胞增殖基因和凋亡基因的表达量,抑制细胞增殖并增加细胞凋亡。
2.5 调节机体的脂质代谢
脂质沉积是机体储存能量的主要方式,脂肪沉积过多会导致组织脂肪化,引发疾病。因此,脂质代谢也是影响机体健康的重要因素。肝脏是脂肪代谢的主要组织,SCFA的产生可促进肝脏和肌肉组织中脂肪酸的氧化,同时抑制肝脏中脂肪酸的合成和脂肪组织的溶脂,以维持机体脂质代谢的平衡。现有研究发现,乙酸可通过激活G蛋白偶联受体(guanosine-binding protein coupled receptor,GPCR)和FFAR2刺激肠道分泌肠促胰岛素提高机体对胰岛素的敏感性,抑制组织中脂肪的沉积和炎症的发生;丙酸则通过产生食欲调节肽,如肽酪氨酸-酪氨酸和胰高血糖素样肽-1,通过调节食欲控制摄食行为,减少肝脏等内脏器官中的脂肪沉积,防止肥胖的发生;给大鼠口服乙酸盐,不仅可抑制肝脏脂肪的沉积,还可减少骨骼肌和脂肪组织中的脂肪沉积;有研究发现,人服用丙酸酯能够显著抑制体重增加,调节腹部脂肪组织分布,降低肝细胞内的脂质沉积;丁酸可激活脂肪组织中G蛋白偶联受体109A受体的表达,抑制脂质的沉积;高脂饲粮添加丁酸盐,可增加小鼠脂肪组织的氧化和能量消耗,从而减少机体的脂肪沉积。
2.6 调节机体的糖代谢
糖代谢是机体供能的最主要、最直接的方式,微生物发酵产生的SCFA可通过神经-体液轴调节机体对胰岛素的敏感性或促进糖异生,影响机体的糖代谢,维持机体的能量代谢平衡。有研究表明,乙酸通过激活三羧酸循环改变下丘脑中食欲调节神经肽的表达,进而降低动物的食欲;丙酸和丁酸均可通过激活肠道糖异生调节葡萄糖代谢,维持能量稳态;丙酸盐可通过涉及游离脂肪酸受体3的脑-肠神经回路激活肠道糖异生;丁酸酯则通过cAMP依赖性机制激活糖异生相关基因表达,从而调节体重和血液葡萄糖水平。此外,SCFA还可作为能源物质为组织提供能量,促进其生长发育。
3、SCFA在母猪生产中的应用
3.1 提高妊娠母猪的采食量与哺乳母猪的泌乳量
妊娠母猪食欲降低是母猪生产中存在的问题之一。妊娠前期母猪限食,导致其摄入的能量无法满足孕体以及乳腺等自身组织生长的需要,母猪分解自身组织以满足机体能量的需要,从而导致母猪营养不良、哺乳期泌乳量降低,严重者还会导致繁殖性能低下。因此,提高妊娠后期母猪的采食量是提高母猪繁殖性能的重要手段。
现有研究发现,弱酸性的SCFA用于母猪生产,可刺激消化酶的分泌,提高母猪的食欲,从而减少妊娠期母体体重的降低;在妊娠期和哺乳期饲粮中添加丁酸,可显著提高繁殖母猪的采食量;在饲粮中添加丁酸钠可提高泌乳母猪的泌乳量以及乳汁中乳脂的含量,并改善其脂肪酸的组成。
3.2 提高母猪生产性能
母猪产仔率、仔猪成活率、产仔数都是衡量母猪生产力的重要指标,并且受到多方面因素的影响。SCFA的应用可以显著改善母猪的生产性能,尤其是提高产仔率和仔猪生长性能。例如,给妊娠母猪饲喂微囊包被的丁酸钠可促进母猪对钙的吸收利用,促进顺产,缩短分娩时间,降低仔猪因长时间分娩而窒息死亡的概率。母猪饲粮添加丁酸盐可改善母猪的体况,提高断奶仔猪的体重、平均日采食量和饲料利用率。在哺乳母猪饲粮中添加微囊包被的丁酸盐,可提高初乳中免疫球蛋白含量,增强仔猪机体免疫力,降低腹泻率,提高成活率。丁酸具有浓厚的脂臭味,直接在饲粮中添加会影响饲粮的适口性。因此,在生产中应使用包被丁酸盐产品,并且控制其添加水平。
3.3 调控母猪生产性能的可能机制
饲粮添加SCFA可显著改善母猪的生产性能,提高经济效益,其作用机制可能包括:
1)SCFA具有一定的酸化剂作用,适量添加可改善饲料的适口性,刺激母猪的食欲并提高其采食量。
2)丁酸解离后产生的丁酸根进入血液,随血液运输至乳腺,显著增加母猪乳腺利用其合成乳脂的比例。乳脂作为乳汁中的重要能量物质,可维持仔猪体温,提高仔猪的成活率和生长性能;
3)SCFA可显著促进肠道的消化吸收功能,尤其是丁酸可促进胃肠道多种消化酶的分泌,提高母猪对营养物质的吸收效率,改善母猪体况,提高生产性能。对于SCFA调控母猪生产性能的具体机制尚有待进一步研究。
4、小结及展望
综上所述,肠道微生物可分解代谢碳水化合物、粗纤维、多糖等物质产生SCFA。SCFA主要通过以下途径发挥其生理功能:
1)调节肠道内的酸碱平衡和微生物组成,刺激肠道分泌多种消化酶,改善肠道黏膜通透性和形态结构,增强肠道健康;
2)调节肝脏和骨骼肌的脂肪沉积以及机体对胰岛素的敏感性,影响脂肪的生成与消耗以及机体的能量代谢;
3)作为组蛋白去乙酰化酶的抑制剂诱导细胞的分化与凋亡,或直接为结肠细胞提供能量,促进结肠细胞生长,抑制结肠炎症的发生。
总之,SCFA是一种绿色、安全、成本低、效果好的饲料添加剂,可作为猪养殖中饲用抗生素的替代产品。
但是,在实际应用过程中仍存在一系列的问题。首先,在养猪生产中多使用某一短链脂肪酸,这与微生物代谢产生的SCFA不同,其代谢方式和生理作用也有所差异,实际应用效果不能确定。因此,应进一步研究不同SCFA组合的饲喂效果。目前,使用较多的是丁酸类产品,乙酸、丙酸类产品还有待进一步研发。其次,机体摄入的SCFA在不同组织器官中的浓度不同,其在不同组织器官中的发挥作用的机制也不同,因此还需要针对某一特定器官研究其作用机制。另外,SCFA本身具有一定的酸臭味,直接添加会影响饲粮的适口性。因此,在实际生产中应参考前人研究结果,进一步优化不同SCFA的添加水平和添加方式。最后,不同的SCFA组合对不同生长发育阶段的动物具有不同的生理作用,需要针对动物的具体生长阶段和生理特点来选用具体的SCFA产品。

来源:动物营养学报 作者:程雅婷、孔祥峰  参考文献:略

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