瘤胃微生物與反芻動物產(chǎn)品脂肪酸組成的關(guān)系

■金 磊 王立志王之盛 薛 白 彭全輝

(四川農(nóng)業(yè)大學動物營養(yǎng)研究所，四川成都611130)

人類消費的動物產(chǎn)品中脂肪酸的組成與人體健康密切相關(guān)[1-4]。與單胃動物相比，反芻動物產(chǎn)品（牛、羊肉和奶）中脂肪酸的飽和度較高，且含有支鏈和反式脂肪酸。導致這種差異的最根本原因是反芻動物具有特殊的瘤胃器官，瘤胃中共生的微生物直接影響其產(chǎn)品脂肪酸的組成與結(jié)構(gòu)。本文主要就反芻動物瘤胃微生物與其宿主產(chǎn)品中脂肪酸組成的關(guān)系進行了綜述。

1 反芻動物產(chǎn)品脂肪酸的來源

反芻動物產(chǎn)品中沉積的脂肪酸來源于三個方面：第一是日糧中天然含有的脂肪酸。反芻動物常用飼料中的脂肪酸以18個C原子的不飽和脂肪酸（UFA）為主（見表1），其次是16個C原子的飽和脂肪酸（SFA）。當反芻動物日糧中的脂質(zhì)進入瘤胃后，瘤胃中的微生物能分泌酯解酶將其水解為游離的脂肪酸，飽和的游離脂肪酸經(jīng)過瘤胃到達小腸后被吸收進入體內(nèi)，絕大多數(shù)UFA在瘤胃被微生物所氫化，僅有少量能最終直接沉積到動物的肉、奶中。

表1反芻動物常用飼料原料及產(chǎn)品脂肪酸組成[6-15]（g/100 g）

第二是來源于瘤胃微生物從頭合成的脂肪酸。瘤胃微生物能利用瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸（VFA）合成自身生長所需的脂肪酸，主要是利用乙酸合成C18∶0、C16∶0和C14∶0等偶數(shù)碳鏈脂肪酸，利用丙酸合成奇數(shù)碳原子脂肪酸（如：C15∶0、C17∶0等），還能利用異丁酸、異戊酸和2-甲基丁酸合成支鏈脂肪酸（如：iso C15∶0、inteiso C15∶0等）[5]。當瘤胃微生物死亡進入小腸后，這些脂肪酸會被宿主消化吸收后沉積到肉、奶中。這也是反芻動物產(chǎn)品中奇數(shù)碳鏈和支鏈脂肪酸含量高的重要原因。

第三是來源于反芻動物自身體組織從頭合成的脂肪酸。例如奶牛瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生的乙酸，被瘤胃壁吸收后通過血液循環(huán)進入乳腺，在乙酰CoA合成酶的作用下轉(zhuǎn)化為乙酰CoA，并以2C單位進行延長，最終合成C4∶0～C16∶0的飽和脂肪酸。

2 瘤胃微生物對反芻動物產(chǎn)品奇數(shù)碳鏈和支鏈脂肪酸的影響

根據(jù)脂肪酸的結(jié)構(gòu)可以將奇數(shù)碳鏈和支鏈脂肪酸（BCFAO）分為直鏈脂肪酸和支鏈脂肪酸，支鏈脂肪酸又分為異構(gòu)（iso）和反異構(gòu)（inteiso）支鏈脂肪酸，它們均為飽和脂肪酸。反芻動物產(chǎn)品中BCFAO的含量遠高于豬肉（表1），它們主要來源于瘤胃微生物的從頭合成，日糧中天然含有的以及動物自身合成的BCFAO量非常少，幾乎可以忽略。研究發(fā)現(xiàn)，瘤胃VFA濃度與牛奶中BCFAO含量之間的存在顯著的相關(guān)關(guān)系。當給瘤胃灌注丙酸后，乳脂中BCOFA，尤其使C15∶0和C17∶0的含量會顯著增加[16]。劉可園等[17]研究發(fā)現(xiàn)，除了發(fā)現(xiàn)乳脂中C15∶0和C17∶0含量與瘤胃中的丙酸濃度存在顯著正相關(guān)外，還發(fā)現(xiàn)isoC16∶0與異丁酸顯著正相關(guān)，isoC15∶0與異戊酸顯著正相關(guān)。瘤胃VFA是由微生物發(fā)酵產(chǎn)生的，在日糧一定的情況下，瘤胃微生物的結(jié)構(gòu)與組成決定了VFA各組分的比例和濃度。增加瘤胃中溶纖維丁酸弧菌、白色瘤胃球菌、產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌等纖維降解菌群的相對豐度，會使瘤胃降解碳水化合物的能力增強，丙酸的產(chǎn)量增加，從而能為微生物BCFAO的合成提供了更多的底物，最終能使反芻動物產(chǎn)品中BCFAO含量增加[18]。李香子[19]研究發(fā)現(xiàn)，提高瘤胃中Bacteroidetes的豐度，降低Firmicutes的比例，會導致瘤胃中的丙酸含量增加，乳脂中C15∶0的比例增大。

瘤胃微生物菌屬不同，合成的BCFAO種類也不同，細胞膜上BCFAO的組成也存在較大差異。例如：纖維分解菌中，產(chǎn)琥珀酸絲狀桿中直鏈脂肪酸含量較高，黃色瘤胃球菌（Ruminococcus flavefaciens）細胞膜中奇數(shù)碳鏈異構(gòu)脂肪酸的含量較高（(isoC13/15/17∶0），而白色瘤胃球菌（Ruminococcus albus）中偶數(shù)碳鏈異構(gòu)脂肪酸的含量較高(isoC14/16∶0)。淀粉分解菌和桿菌屬主要合成反異構(gòu)十五酸(anteisoC15∶0)。丁酸弧菌屬細胞膜中BCFAO的組成最為復雜，與其它菌屬存在顯著差異性[20-23]。各種瘤胃微生物合成BCFAO的底物偏好也存在差異，產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌（Fibrobacter succinogenes）需要利用異丁酸和戊酸合成C13∶0、C15∶0、iso C14∶0和iso C16∶0作為細胞膜磷脂，而白色瘤胃球菌除了能利用異丁酸和異戊酸合成isoC14和iso16∶0外，還可以利用2-甲基丁酸合成iso C15∶0和inteiso C15∶0[24]。

3 瘤胃微生物對反芻動物產(chǎn)品脂肪酸飽和度的影響

反芻動物產(chǎn)品SFA與UFA的比值遠大于豬肉和雞肉（見表1），原因是反芻動物自身及瘤胃微生物從頭合成的脂肪酸都是飽和的，飼料是其UFA唯一可能的來源。但飼料中的UFA在瘤胃中都要經(jīng)歷微生物的氫化作用，等其到達小腸時飽和度已顯著提高。所謂瘤胃氫化是指瘤胃微生物在金屬催化劑的作用下將氫加成到UFA的雙鍵上，將UFA轉(zhuǎn)化為飽和代謝產(chǎn)物的過程。

目前普遍認為瘤胃發(fā)生氫化的原因是由于UFA對微生物具有毒性作用，瘤胃微生物通過氫化的方式來消除其對自身的不利影響。迄今為止，已從瘤胃中分離培養(yǎng)出了多種氫化菌。這些細菌在氫化UFA的過程中存在分工協(xié)作。以亞油酸（LA）的氫化為例，隸屬于丁酸弧菌屬的Butyrivibrio fibrisolvens和Clostridium proteoclasticum先是將LA氫化為TVA（trans-11-C18∶1），TVA再在Fusocillus、Gram-negative rod、Butyrivibrio hungateiSu6、Butyrivibrio proteoclasticus和Clostridium proteoclasticum等瘤胃氫化菌的作用下進一步被氫化為硬脂酸（SA）[25-27]。同樣隸屬于丁酸弧菌屬，Clostridium proteoclasticum能將TVA進一步氫化SA，而Butyrivibrio fibrisolvens不但不能完成此步驟，還能抑制其它菌氫化TVA[28]。Zhu等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在瘤胃丁酸弧菌菌群總豐度保持基本不變的情況下，Butyrivibrio fibrisolvens的相對豐度越高，瘤胃中TVA的累積越多，SA的濃度越低。

反芻動物日糧中天然含有的亞麻酸（C18∶3，LNA）也是瘤胃細菌氫化的主要對象。最新的研究發(fā)現(xiàn)，羊肉中LNA的含量與擬桿菌屬的相對豐度至今存在顯著負相關(guān)關(guān)系[30]，提示擬桿菌屬可能是瘤胃LNA氫化主要微生物。遺憾的是，迄今為止并未見擬桿菌屬的相對豐度與LNA瘤胃氫化中間產(chǎn)物以及終產(chǎn)物相關(guān)性的研究報道。因此，擬桿菌屬在瘤胃氫化過程中的貢獻率仍未知。此外，埃氏巨型球菌（Megasphaera elsdenii）、雙歧桿菌（Bifidobacteria）、乳酸桿菌（Lactobacilli）和鏈球菌（Streptococci）等菌株也已經(jīng)被證實參與了瘤胃脂肪酸的氫化過程[31-33]。Boeckaert等[34]還發(fā)現(xiàn)了一種介于丁酸弧菌屬和假丁酸弧菌屬之間的毛螺旋菌，并證實毛螺旋菌與瘤胃氫化產(chǎn)物SA的生成有關(guān)。

4 瘤胃微生物對反芻動物產(chǎn)品反式脂肪酸的影響

反式脂肪酸（TFA）是至少含一個雙鍵、具有反式結(jié)構(gòu)的不飽和脂肪酸。反芻動物產(chǎn)品中TFA主要源于瘤胃不飽和脂肪酸的不完全氫化。飼料中天然存在的脂肪酸都是順式構(gòu)象的，當它們進入瘤胃后，瘤胃微生物分泌的異構(gòu)酶先將其中的不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)化為反式構(gòu)象的TFA，再進一步將其氫化為飽和脂肪酸。在此過程中總會有TFA會逃脫氫化而直接進入腸道被吸收，最后沉積到產(chǎn)品中。

微生物種類不同，異構(gòu)不飽和脂肪酸的能力也不同。迄今為止，Butyrivibrio fibrisolvens是瘤胃內(nèi)發(fā)現(xiàn)的異構(gòu)LA最活躍的菌，它分泌的異構(gòu)酶可將LA異構(gòu)為cis-9，trans-11 CLA，有些菌株如溶纖維丁酸弧菌JW11還可以分泌還原酶進一步將cis-9，trans-11 CLA還原為trans-11-C18∶1 TVA[35]。劉仕軍[36]研究發(fā)現(xiàn)，溶纖維丁酸弧菌hungatei Su6菌株和溶纖維丁酸弧菌JK684菌株的豐度與瘤胃TVA的含量存在顯著正相關(guān)，提示這兩個菌株也具有分泌還原酶的能力。而Fukuda等[37]分離出的一株未知溶纖維丁酸弧菌菌株卻缺乏將CLA還原成TVA的能力，它可以使瘤胃積累更多的CLA。研究還發(fā)現(xiàn)，當瘤胃pH值接近中性時，瘤胃中trans-11-C18∶1 TVA和cis-9，trans-11 CLA的量會增加[38]。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，瘤胃pH值影響分泌亞油酸異構(gòu)酶和還原酶的菌群相對豐度，最終導致瘤胃中亞油酸異構(gòu)酶和還原酶的分泌量發(fā)生改變。也可能是瘤胃pH值影響了這兩種酶的活性，因為已有研究表明這兩種酶都是pH值敏感型[39-40]。

楊波[41]研究發(fā)現(xiàn)，乳酸桿菌也能分泌催化LA異構(gòu)為CLA的亞油酸異構(gòu)酶，并通過檢測酶的表達產(chǎn)物，推測乳酸桿菌亞油酸異構(gòu)酶是一個復合酶系統(tǒng)，其中包括3種酶：亞油酸水合酶、短鏈脫氫酶/氧化還原酶、乙酰乙酸脫羧酶，缺少其中任何一種酶都無法發(fā)揮其作用。但目前為止，還未在溶纖維丁酸弧菌以及其他的菌屬中發(fā)現(xiàn)與乳酸桿菌相似的研究結(jié)論。Kim[42]發(fā)現(xiàn)，埃氏巨形球菌也能將LA異構(gòu)為TVA和CLA，但貢獻大小有待于進一步研究。

cis-9，trans-11 CLA的保健作用已得到全世界的公認[43]。因此，如果能通過調(diào)控微生物亞油酸異構(gòu)酶的活性來提高LA轉(zhuǎn)化為CLA的效率，并同時抑制還原酶的活性，阻止CLA被還原為TVA，或許就能實現(xiàn)反芻動物產(chǎn)品中健康脂肪酸的積累。但目前還未見相關(guān)研究報道。

5 小結(jié)與展望

隨著人們生活水平的不斷提高，消費者越來越重視食品對健康的影響。如何通過營養(yǎng)調(diào)控手段來提高反芻動物產(chǎn)品中有益于人類健康的脂肪酸的沉積，將是未來反芻動物營養(yǎng)研究的新方向。已有的研究表明，瘤胃微生物與宿主產(chǎn)品中脂肪酸組成之間存在顯著的相關(guān)性。但以往受研究手段的限制，二者之間的關(guān)系還未能被人們?nèi)嬲J識。近年來，隨著二代高通量測序技術(shù)在瘤胃微生物研究上的廣泛應(yīng)用，全面、系統(tǒng)地揭示瘤胃微生物與宿主產(chǎn)品脂肪酸組成之間的關(guān)系已為時不遠。