丁酸鈉對水生動物的促生長作用及其機理研究進展

潘加紅，彭艷，謝飛

（上海美農(nóng)生物科技股份有限公司，上海 201800）

丁酸鈉對水生動物的促生長作用及其機理研究進展

潘加紅，彭艷，謝飛

（上海美農(nóng)生物科技股份有限公司，上海 201800）

丁酸鈉有促進動物生長的作用，在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中應(yīng)用廣泛，但在水生動物中的應(yīng)用較少，文章對丁酸鈉在水生動物中的作用效果及其作用機理作以綜述。

丁酸鈉；水生動物；生長；腸道；作用機制

我國是個漁業(yè)大國，水產(chǎn)品總產(chǎn)量約占世界水產(chǎn)品總量的1/4。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的高度集約化發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖面臨越來越多的應(yīng)激因素，如水質(zhì)污染、有害物質(zhì)侵襲、飼養(yǎng)管理不當?shù)龋@些不同程度應(yīng)激因素導致水生動物的抵抗能力下降，腸炎等疾病頻發(fā)，給生產(chǎn)帶來嚴重的經(jīng)濟損失。研究表明，丁酸鈉作為能夠被腸道快速利用的能量物質(zhì)，可以促進腸道細胞增殖成熟、改善腸道形態(tài)，從而維持動物腸道健康，提高動物生產(chǎn)性能[1]。近年來丁酸鈉作為抗生素的替代品之一，在畜牧業(yè)中的應(yīng)用受到廣泛的重視，并且在畜牧生產(chǎn)中取得較好的應(yīng)用效果。鑒于丁酸鹽在畜牧生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用越來越廣泛，本文就丁酸鹽在水生動物生產(chǎn)中的應(yīng)用效果及其作用機制作以綜述。

1 丁酸鈉在水生動物生產(chǎn)中的應(yīng)用效果

丁酸鈉對水生動物生長影響見附表。

丁酸鈉的促生長作用在畜禽動物生產(chǎn)中有大量的研究報道。近年來關(guān)于丁酸鈉在水生動物生產(chǎn)中的應(yīng)用研究陸續(xù)開展，且研究發(fā)現(xiàn)丁酸鈉對水生動物也具有明顯促生長作用。利用羅非魚研究丁酸鈉對淡水魚類生產(chǎn)性能的影響，結(jié)果表明，在日糧中添加丁酸鈉0.05%能夠使羅非魚的增重率和生長率分別提高25.79%和18.4%[2]。飼喂適宜水平的丁酸鹽能夠顯著提高凡納濱對蝦的產(chǎn)量，且丁酸鈉0.2%添加組凡納濱對蝦的增重率最高（P＜0.05）[3]。孫浪等給湘云鯽飼喂不同水平的丁酸鈉后發(fā)現(xiàn)丁酸鈉可以顯著提高湘云鯽的增重率和肥滿度（P＜0.05）[4]。在鯉魚、鰻鱺、鯛魚等水生動物的日糧中添加適宜水平的丁酸鈉也得到了類似的生長促進效果[5-7]。

2 丁酸鈉促進水生動物生長的作用機理

2.1 對飼料效率的影響

水生動物的生長與采食量和飼料效率密切相關(guān)，生長性能的提高直接原因是采食量和飼料效率的提高。在陸生動物中，由于丁酸鈉具有特殊的奶酪酸敗氣味，對幼畜具有一定的誘食效應(yīng)，可以明顯改善動物的日采食量和飼料效率。在水生動物中，關(guān)于丁酸鈉對采食量的影響僅見一篇在鰻鱺上的報道，且研究發(fā)現(xiàn)日糧中添加丁酸鈉對鰻鱺的采食量并無顯著的影響，表明丁酸鈉促進水生動物生長的作用效果可能與采食量并無直接關(guān)系[6]。飼料效率是增重與采食量之比，直接關(guān)系到水產(chǎn)養(yǎng)殖的投入與產(chǎn)出，提高水生動物的飼料效率對提高水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟效益具有重要意義。由表1可知，日糧中添加丁酸鈉可以提高羅非魚、鯉魚、對蝦等多種水生動物的飼料效率，表明丁酸鈉對水生動物的促生長作用與其飼料效率的提高有密切的關(guān)系。丁酸鈉提高水生動物飼料效率的原因之一可能與丁酸鈉提高水生動物的營養(yǎng)物質(zhì)利用效率有關(guān)。蛋白質(zhì)是決定水生動物生長的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)，水生動物對飼料中蛋白質(zhì)的消化吸收水平不僅會影響水生動物的生長性能，而且還關(guān)系到魚類糞便中氮的含量以及對水環(huán)境的污染程度。研究表明，在湘云鯽的日糧中添加丁酸鈉可以顯著提高其干物質(zhì)表觀消化率與蛋白質(zhì)表觀消化率，并且顯著提高了其蛋白質(zhì)代謝水平[8]。在凡納濱對蝦上的研究結(jié)果表明，在日糧中添加丁酸鈉2%可提高凡納濱對蝦的氮保留率，蛋白質(zhì)利用效率比對照組提高約35%[3]。在日糧中添加丁酸鈉1 500 g·t-1可以使羅非魚和鯉魚的蛋白質(zhì)效率分別比對照組提高27.6%和4.55%。然而，丁酸鈉提高水生動物的蛋白質(zhì)利用效率機理尚不清楚，有待進一步研究[2]。

附表丁酸鈉對水生動物生長影響

2.2 對腸道結(jié)構(gòu)和功能的影響

水生動物多數(shù)無胃，腸道是水生動物機體主要的消化吸收器官和黏膜免疫器官。然而，水生動物的腸道長度短，一般僅為體長的25%～200%倍，且腸壁薄，多不飽和脂肪酸含量高，容易受到損害。因此，促進水生動物腸道完善發(fā)育、維持腸道健康對保證水生動物快速生長具有非常重要的意義。

2.2.1 促進腸細胞增殖成熟

丁酸鈉促進腸道增殖成熟作用見圖1。

腸上皮細胞是腸道基本功能單位，其通過不斷的增殖和分化，從而促進腸道絨毛組織的增長和整個腸道的發(fā)育。研究表明，日糧中添加丁酸鈉2.5 g·kg-1時能夠促進鯉魚腸細胞的增殖，前腸絨毛高度顯著高于對照組，且相應(yīng)的隱窩深度顯著低于對照組（P＜0.05）[4]。在鯉魚日糧中添加丁酸鈉1 000 g·t-1，結(jié)果表明，丁酸鈉能夠顯著提高鯉魚小腸絨毛高度，并且腸黏膜肌層厚度也明顯增加[2]。在犢牛日糧中添加低劑量的丁酸鈉飼喂一段時間后發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，丁酸鈉添加組空腸細胞有絲分裂指數(shù)顯著增加[9]。在仔豬日糧中添加丁酸鈉1 g·kg-1后發(fā)現(xiàn)，仔豬空腸和結(jié)腸的黏膜上皮發(fā)育完善，細胞數(shù)量比抗生素組增多1.4～1.7倍。研究表明，高劑量的丁酸鈉可以促進肉雞的腸道發(fā)育，使回腸和小腸的長度增加。以上的研究結(jié)果表明，丁酸鈉可以促進腸道細胞增殖成熟，促進動物腸道生長發(fā)育[10]。

圖1 丁酸鈉促進腸道增殖成熟作用

丁酸鈉促進動物腸道細胞增殖成熟的作用機制可能主要有3個：丁酸鈉促進腸細胞增殖的作用與丁酸對腸道的營養(yǎng)作用有關(guān)；丁酸鈉通過刺激胃腸道激素和生長因子的分泌促進腸道上皮細胞增殖；丁酸可通過影響相關(guān)基因表達從而促進腸道細胞增殖。尾型同源異型框轉(zhuǎn)錄因子2（CDX2）和cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREB）作為細胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子，在調(diào)節(jié)腸道基因表達與腸道發(fā)育及對腸道上皮細胞分化、增殖方面有重要調(diào)節(jié)作用。

丁酸作為結(jié)腸細胞首選的代謝性燃料，能快速為結(jié)腸上皮細胞提供能量，刺激腸道細胞增殖[11]。此外，丁酸還可以擴張腸道血管，使腸道血流量增加，改善腸道微循環(huán)，從而對腸道黏膜發(fā)揮營養(yǎng)作用[12]。胰高血糖素和PYY是介導腸上皮細胞增殖和黏膜生長的兩種重要激素，而生長因子能夠促進細胞的增殖分化，在調(diào)控細胞生長、發(fā)育方面發(fā)揮重要的作用。Zhou等研究表明，日糧抗性淀粉能夠刺激大鼠腸道胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）和PYY的分泌[13]。Wang等研究表明，在日糧中添加丁酸鈉促進仔豬腸道生長發(fā)育的作用效果與丁酸促進了腸道胰高血糖素樣肽-2（GLP-2）分泌密切相關(guān)[14]。孫浪等在湘云鯽的研究表明，丁酸鈉可顯著上調(diào)CDX2和CREB的基因表達水平[8]。Domondell等在體外細胞培養(yǎng)試驗研究表明，在Caco2、HT29細胞中丁酸鈉能夠明顯提高腸道上皮細胞特異轉(zhuǎn)錄因子CDX2 mRNA及其蛋白水平，且丁酸鈉對CDX2的調(diào)控存在劑量依賴關(guān)系[15]。

2.2.2 降低腸道炎癥反應(yīng)

丁酸鈉抑制腸道炎癥反應(yīng)作用見圖2。

圖2 丁酸鈉抑制腸道炎癥反應(yīng)作用

腸炎是威脅水生動物腸道健康，降低動物生產(chǎn)性能的主要常發(fā)疾病。因此，降低水生動物腸道炎癥發(fā)生是保證動物腸道健康，提高水生動物生產(chǎn)成績的重要手段。大量的研究表明，丁酸鹽除了能夠為腸上皮細胞快速提供能量之外，還具有廣泛的抗炎作用。Liu等在鯉魚的研究中發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加丁酸鈉可以緩解氧化油脂引起的鯉魚腸道炎癥反應(yīng)[5]。Malago等以Caco細胞系為模型，用腸炎沙門氏菌誘導腸道炎癥反應(yīng)后用丁酸鈉處理發(fā)現(xiàn)，低劑量的丁酸鈉能夠降低Caco細胞中白介素8（IL-8）的產(chǎn)生，降低腸道炎癥反應(yīng)[16]。由以上的研究結(jié)果可知，丁酸鈉在水生動物和陸生動物中都具有抗腸道炎癥反應(yīng)的效果。

目前研究最多的丁酸鹽抗炎機制是丁酸鈉對信號分子NF-κB的抑制。NF-κB廣泛存在于動物細胞中，是進化上高度保守的信號模塊，在機體的炎癥反應(yīng)發(fā)生的過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此外，丁酸鈉作為一種去乙酰化酶（HDAC）抑制劑，可能通過改變組蛋白的乙酰化程度來改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而參與相關(guān)基因的調(diào)控，抑制炎癥反應(yīng)過程[17]。而丁酸調(diào)控NF-κB的作用可能也與其潛在的抑制組蛋白去乙酰酶的作用相關(guān)。

2.2.3 維持腸道黏膜屏障功能

腸道黏膜屏障是腸道抵抗外部有毒有害物質(zhì)入侵的第一道防線，由完整的腸黏膜上皮細胞、上皮細胞之間的緊密連接和上皮細胞表面的黏液層組成。不僅是腸道抵抗外環(huán)境中病原體或有害物質(zhì)入侵腸黏膜組織的關(guān)鍵，也是保證腸道消化吸收功能的基礎(chǔ)。

腸道黏膜屏障能提高腸道抗氧化損傷能力，維持腸黏膜上皮細胞結(jié)構(gòu)完整。水生動物腸道內(nèi)含有大量的不飽和脂肪酸，在受到應(yīng)激因素刺激時，腸道內(nèi)的不飽和脂肪酸極易發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，使細胞及細胞器膜中的脂質(zhì)受到損傷，導致細胞的功能和完整性受損。在體內(nèi)和體外的相關(guān)試驗研究表明，丁酸鈉能夠調(diào)節(jié)動物腸道的氧化應(yīng)激水平。給鯉魚飼喂氧化魚油一段時間后，電鏡下觀察其腸道的組織形態(tài)，發(fā)現(xiàn)腸道黏膜細胞損傷明顯，腸道微絨毛斷裂，而在日糧中添加控釋微囊丁酸鈉能夠有效修復被氧化油脂損害的腸道黏膜，與對照組相比，丁酸鈉添加組鯉魚腸道的黏膜上皮細胞更加完整，腸絨毛更為粗壯[5]。在飼糧中添加丁酸鈉不但可以提高正常生理狀況下肉雞的抗氧化功能，還可以抑制由于飼喂皮質(zhì)醇（CORT）引起的腸黏膜抗氧化水平的下降，維持了腸道結(jié)構(gòu)和功能的完整性。由以上的研究結(jié)果可知，丁酸鈉可以調(diào)控腸道的氧化應(yīng)激水平，降低氧化應(yīng)激引起的腸道氧化損傷，從而維持腸細胞的結(jié)構(gòu)和功能完整[13]。

腸道黏膜屏障能維持腸道黏膜上皮細胞之間的緊密連接屏障功能。緊密連接是腸上皮細胞之間的主要連接方式，在連續(xù)的細胞層中建立擴散屏障，起著封閉細胞間隙的作用。在緊密連接處，相鄰細胞的質(zhì)膜緊密融合，質(zhì)膜間的縫隙消失。因此，上皮細胞之間的緊密連接可抑制腸腔內(nèi)細菌、內(nèi)毒素及毒性大分子物質(zhì)進入體內(nèi)，是維持腸道屏障功能的重要組成部分和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，是決定細胞間通透性大小的主要因素。研究表明，丁酸鈉能夠通過增強腸上皮細胞間的緊密連接來發(fā)揮對腸道屏障功能的調(diào)節(jié)作用，這已經(jīng)被體外細胞試驗所證實。丁酸鈉能夠增加IEC單層細胞的跨膜電阻，上調(diào)緊密連接蛋白Claudin-1的基因表達水平，增強上皮細胞中緊密連接蛋白ZO-1和Occludin的跨膜重建，從而增強腸道的屏障功能[18]。Ma等以IPEC-J2細胞為模型研究丁酸對腸道屏障功能損傷引起腹瀉的影響，結(jié)果表明，丁酸能夠促進腸黏膜細胞的損傷修復，且丁酸鈉處理組腸黏膜緊密連接蛋白occludin和ZO-1的mRNA水平顯著增加，表明丁酸鈉對腸黏膜的損傷修復效果與丁酸鈉具有的維持腸黏膜緊密連接屏障功能的作用有關(guān)[19]。

腸道黏膜屏障能維持腸道黏膜上皮細胞黏液層的屏障功能。丁酸鈉維持腸道屏障功能作用見圖3。

圖3 丁酸鈉維持腸道屏障功能作用

杯狀細胞分泌的黏液可在黏膜上皮細胞表面形成一黏彈性膠狀的黏液層，保護腸黏膜免受損傷。腸上皮細胞表面的黏液層主要由黏液素糖蛋白、三葉因子-3（TFF3）和分泌型免疫球蛋白A（sI-gA）組成。試驗表明，丁酸鹽能夠刺激黏液素糖蛋白的合成，增加TFF3基因的表達[20]。研究表明，丁酸鹽能夠刺激人類結(jié)腸細胞系（LS174T）中黏蛋白MUC2的生產(chǎn)，MUC2基因表達的增加以及黏蛋白合成的誘導能加強對黏膜層的保護作用[21]。同時，Gaudier等用丁酸鹽給小鼠灌腸7 d后發(fā)現(xiàn)，丁酸鈉能夠使小鼠結(jié)腸黏蛋白2（MUC2）的表達上升6倍[22]。以上的研究結(jié)果表明，丁酸鈉能夠增強腸上皮細胞的黏液屏障功能。

3 小結(jié)

綜上所述，丁酸鈉能通過提高飼料轉(zhuǎn)化效率、促進腸道發(fā)育、改善腸道健康狀況來促進水生動物的生長。在正常生理情況下，丁酸鈉可以促進動物腸道細胞的增殖成熟，促進腸道的生長發(fā)育；而在腸道受損的情況下，丁酸鈉可以通過抑制腸道炎癥反應(yīng)，維持腸道的屏障功能并促進腸道的損傷修復，從而改善腸道的健康狀況，維持腸道健康，提高動物生產(chǎn)性能。目前，丁酸鈉作為一種新型飼料添加劑因其獨特的營養(yǎng)生理特性而成為動物養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中較有潛力的抗生素替代品[23-24]。但是，丁酸鈉產(chǎn)品的添加效果受到添加形式、添加劑量、動物品種和日齡、飼糧及其他因素的影響。因此，丁酸鈉在動物日糧中的最適添加量，在腸道內(nèi)發(fā)揮作用的方式及分子機制尚不明確，還有待進一步研究，以便為今后的生產(chǎn)實踐提供理論依據(jù)。

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The Effect of Sodium Butyrate on the Growth Performance and Related Mechanisms in Aquatic Animal

PAN Jiahong,PENG Yan,XIE Fei

（Shanghai Meinong Biotechnology Co.,Ltd.,Shanghai 201800,China）

Sodium butyrate can promote the growth of animals,and is widely used in livestock and poultry breeding,but it is less used in aquatic animals.In this paper,the effect and mechanism of sodium butyrate in aquatic animalswerereviewed.

sodium butyrate;aquatic animal;growth;intestine;mechanism

S816.7；S865.3+3

A

1001-0084（2017）06-0033-05

2017-04-11

潘加紅（1988-），女，河南信陽人，碩士，主要從事水生動物營養(yǎng)研究。