短鏈脂肪酸在生豬產(chǎn)業(yè)的研究與應(yīng)用

鄧卓琳， 印遇龍，2， 鄧近平

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，廣東廣州510642；2.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南長沙410125）

飼料中添加抗生素可以提高仔豬生長性能，降低腹瀉率，提高抗病性，降低飼養(yǎng)成本。 但抗生素的殘留不僅會給人類的健康帶來安全隱患，還會通過動物糞便排污對環(huán)境造成破壞。 目前全球已提倡限制抗生素的使用，因此，尋找其安全替代物成為目前養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展目標。 近年來，短鏈脂肪酸（SCFAs）受到廣泛關(guān)注，其能提高動物的生產(chǎn)與繁殖性能，對動物機體代謝健康產(chǎn)生有益影響，可以保護腸道形態(tài)，維持腸道屏障功能，提高機體免疫等， 本文就SCFAs 在豬生產(chǎn)上的應(yīng)用及發(fā)揮作用的可能機制做綜述， 旨在為其作為飼料添加劑在生產(chǎn)養(yǎng)殖上的開發(fā)及合理利用提供理論依據(jù)。

1 短鏈脂肪酸的吸收、代謝

短鏈脂肪酸為1 ～6 個碳原子的有機羧酸，是日糧中不可消化的碳水化合物在單胃動物結(jié)腸和盲腸中發(fā)酵產(chǎn)生的終末產(chǎn)物。 90% ～95%的SCFAs 為乙酸、丙酸和丁酸。 丁酸產(chǎn)生后，作為結(jié)腸主要的能源物質(zhì)被消耗， 其他的短鏈脂肪酸則進入機體循環(huán)。 丙酸主要在肝臟中作為糖異生的底物被代謝，因此，在外周血液中含量很少（Cummings 等，1987）。 而乙酸則大部分都留在外周血液中。 此外，乙酸也可以穿過血腦屏障，通過中央穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機制降低食欲。

在實際生產(chǎn)中，應(yīng)用最廣泛的是丁酸。 由于其具有酸臭味，直接添加會影響動物采食，而且丁酸攝入后，易在前腸段被消化代謝，很難到達后腸段發(fā)揮其作用（宋增廷等，2015）。因此，生產(chǎn)上常采用微囊包被或制成粉劑等形式以便儲存和添加。除此之外，丙酸也常與金屬離子螯合添加在飼料中。

2 SCFAs 對動物健康的影響

2.1 促進腸道發(fā)育，維護腸道屏障功能 小腸是營養(yǎng)物質(zhì)吸收、代謝的主要場所，因此完整的小腸結(jié)構(gòu)尤為重要。 小腸的絨毛高度和隱窩深度是評價小腸吸收功能的重要指標。 SCFAs 能增加小腸絨毛高度與隱窩深度的比值， 從而增加腸道與食物的接觸面積， 加強對營養(yǎng)物質(zhì)的消化利用（Hu等，2007）。 研究發(fā)現(xiàn)，育肥豬飼料中添加290 g/kg的涂脂丁酸鈣時，并不影響腸絨毛的長度，但能通過促進空腸上皮細胞的增殖和隱窩分裂， 使皺面積增加，同時促進回腸中蔗糖酶的活性，提高腸道消化吸收能力（Claus 等，2007）。

小腸也是宿主與外界進行營養(yǎng)物質(zhì)交換的第一道屏障。 由機械屏障、黏液屏障、微生物屏障和免疫屏障組成，其相輔相成，共同抵御外來病毒，維持健康的腸道內(nèi)環(huán)境。 任何一個屏障平衡被打破，都會影響腸道健康。 因此，健康的腸道屏障對機體健康至關(guān)重要（Neunlist 等，2013）。 張俊梅等（2018）研究表明，直腸灌注10%的高濃度乙酸使仔豬腸形態(tài)和屏障功能受損，而0.1%的三丁酸甘油酯可以修復(fù)腸道損傷，維持腸上皮細胞完整性。Kotunia 等（2004）在初生仔豬奶粉中添加0.3% 的丁酸鈉，發(fā)現(xiàn)其可通過增加腸道黏膜層厚度，加強腸道黏膜屏障功能。陳慧子等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，豬盲腸灌注25 mL 2M 的丙酸可促進閉合蛋白（OCLN）等相關(guān)基因的表達， 提高腸道屏障功能，并且可顯著提高肽酪氨酸-酪氨酸（PYY）、胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白7 （IG FBR7)、ATP 合成酶5I（ATP5I)等與糖代謝和能量代謝相關(guān)基因的表達，改善動物代謝健康。 Wang 等（2018）研究顯示，丁酸鈉可以增加斷奶仔豬的腸絨毛高度和腸絨毛高度與隱窩深度的比值，提高腸道跨上皮電阻，減少葡聚糖細胞旁通量，從而減少腸道的滲透性，加強腸道物理屏障功能。 Diao 等（2019）研究表明，斷奶仔豬灌胃SCFAs 可降低腸道中pH， 減少細胞的凋亡， 并通過增加腸道中黏蛋白MUC1、MUC2的表達加強化學(xué)屏障， 通過增加腸道中乳酸桿菌數(shù)量，降低大腸桿菌數(shù)量加強微生物屏障。

丁酸鈉可以通過提高OCLN 和緊密連接蛋白（ZO-1） 的表達促進腸細胞創(chuàng)傷修復(fù) （Ma 等，2012），丁酸能提高密封蛋白3（claudins 3）和4 的表達，并呈劑量依賴性的降低LPS 誘導(dǎo)的小腸屏障完整性和緊密連接滲透性的損傷 （Yan 等，2017）。 丁酸也能阻止LPS 誘導(dǎo)的Akt 和4E-BP1磷酸化的下調(diào)， 提示丁酸能通過Akt/mTOR 信號通路介導(dǎo)的蛋白質(zhì)合成提高緊密連接蛋白的表達（Yan 等，2017）。 丙酸（1 ～15 mm）或低濃度丁酸（1 ～2 mm） 均能提高腸道杯狀細胞中黏蛋白MUC2 的表達，從而促進腸道黏蛋白的分泌，減少致病菌的黏附， 這一過程可能是通過AP-1 和MUC2 啟動子處組蛋白的甲基化或乙?；{(diào)控的（Burger-van Paassen 等，2009）。研究表明，短鏈脂肪酸能通過不同的機制改善腸道屏障功能， 促進腸道健康。

2.2 改善腸道免疫功能 腸道不僅對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收至關(guān)重要， 而且還是機體巨大的免疫器官。 短鏈脂肪酸可通過多種途徑調(diào)節(jié)腸道的功能。 研究發(fā)現(xiàn)，斷奶仔豬日糧中添加450 mg/kg 的丁酸鈉時， 空腸黏膜肥大細胞中組胺和類胰蛋白酶的濃度降低，TNF-α 和γ-干擾素（IFN-γ）的含量降低，TNF-α 與白細胞介素-6（IL-6）的mRNA表達量也降低，這一過程可能是通過JNK 信號通路實現(xiàn)的（Wang 等，2018）。Xu 等（2016）通過給初生豬每日灌胃7 ～13 mL 的丁酸鈉， 連續(xù)灌胃7日發(fā)現(xiàn)， 炎癥因子IL-6、IL-8、IFN-γ、TNF-β 的表達顯著降低，新生仔豬腸道內(nèi)炎癥反應(yīng)降低。 Chen等（2018）研究表明，初生仔豬靜脈注射10 mL 200 mM 的丁酸鈉，連續(xù)注射7 d，可顯著降低組蛋白去乙酰化酶1（HDAC1）和促炎因子IL-6、 IL-18 和TNF-α 的表達，同時增加免疫球蛋白A（IgA）的分泌， 抵抗炎癥對機體帶來的不良影響。 Xiong 等（2016）研究證實，仔豬日糧中添加0.2%的丁酸，可以緩解大腸桿菌造成的溶血性尿毒癥和腸道炎癥， 促進大腸桿菌的清除， 并且通過抑制HDACs上調(diào)多種宿主防御肽（HDPs）的含量。脂多糖（LPS）會造成細胞內(nèi)炎癥反應(yīng)， 乳酸菌或丁酸鈉可通過減少IL-6、IL-8 mRNA 表達量， 緩解炎癥反應(yīng)（Farkas 等，2014）。 丙酸鈉可以增加炎癥體緊密連接蛋白ZO-1、occludin 和E-cadherin 的表達，抑制IL-1β、IL-6 和TNF-α 表達，抑制信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT3）的磷酸化，抑制CD68 標記的巨噬細胞浸潤到結(jié)腸黏膜中， 其可能通過STAT3信號傳導(dǎo)調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)（Tong 等，2016）。SCFAs 還可以誘導(dǎo)T 細胞分化成為具有調(diào)節(jié)性的T 細胞，促進IL-10 的釋放， 抑制效應(yīng)T 細胞的增殖和激活，從而抑制炎癥反應(yīng)（Lopez 等，2014）。

2.3 調(diào)節(jié)腸道微生物結(jié)構(gòu) 動物小腸和大腸中都寄居著大量微生物，總量超過1013個，包含500 ～1000 個物種， 含有的基因量是機體基因量的100多倍，被看做是機體的一個重要的代謝“器官”（Xu等，2003）。 越來越多的研究表明，腸道菌群的穩(wěn)定對機體維持正常的生理水平有著重要的意義。 仔豬斷奶易造成腸道菌群紊亂，產(chǎn)生腹瀉，對仔豬的生長發(fā)育帶來嚴重不良影響。而日糧中添加0.03%的包膜丁酸鈉可以通過促進腸道乳酸桿菌、 雙歧桿菌的增殖，抑制大腸桿菌的增殖，維持腸道菌群的穩(wěn)定性，提高飼料轉(zhuǎn)化率，降低腹瀉率（李虹瑾等，2017）。 生長豬盲腸灌注25 mL 2M 丙酸，每日兩次，持續(xù)14 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以提高結(jié)腸中酪胺濃度，降低尸胺濃度，并且提高擬桿菌門豐富度，降低厚壁菌門豐富度， 普氏菌屬和擬桿菌屬豐富度也顯著提高，但Turicibacter在屬水平的豐富度降低（Zhang 等，2018）。 新生仔豬灌胃丁酸鈉可顯著提高腸道內(nèi)菌群ACE、Chao 指數(shù)，提高菌群多樣性（Chen 等，2018）。斷奶仔豬飼料添加1000 mg/kg 丁酸鈉可顯著提高結(jié)腸中香農(nóng)指數(shù)（Shannon），降低辛普森指數(shù)（Simpson），并且回腸和結(jié)腸中乳桿菌科 （Lactobacillaceae） 豐 富 度 降 低， 梭 菌 科（Clostridiaceae）豐富度增加，結(jié)腸中疣微菌科（Ruminococcaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）和擬桿菌（Bacteroidetes）豐富度增加。 腸道絨毛中谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）、TNF-α 水平升高，丙二醛（MDA）水平下降，使得腸道抗氧化和免疫水平提高，并且腸道微生物結(jié)構(gòu)得到調(diào)節(jié)，從而促進腸道健康，降低仔豬腹瀉率（Huang 等，2015）。

此外， 日糧纖維也能通過改變腸道中SCFAs的濃度，間接調(diào)節(jié)腸道菌群。 研究表明，用34%的高抗性淀粉飼料飼喂成年母豬2 周， 盲腸和結(jié)腸中各SCFAs 的濃度均顯著增加，盲腸中單羧酸轉(zhuǎn)運載體（MTS）的表達也顯著增加，結(jié)腸和盲腸中菌群的結(jié)構(gòu)和豐度都顯著改變， 其中結(jié)腸中一些潛在的致病菌γ-變形菌門， 包括大腸桿菌和Pseudomonas spp.的豐富度顯著降低，而對健康有益的產(chǎn)丁酸菌Faecalibacterium prausnitzii豐富度增加。 結(jié)腸中發(fā)酵產(chǎn)生的SCFAs 可以降低腸道的pH，從而抑制致病菌的過度生長（Roy 等，2006）。因此短鏈脂肪酸可通過改變腸道內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)，提高有益菌數(shù)量，降低致病菌數(shù)量，改善腸道健康。2.4 調(diào)節(jié)機體的代謝 大量研究表明，短鏈脂肪酸可調(diào)節(jié)機體代謝健康。 乙酸、丙酸、丁酸或其混合物均可降低機體體增重和體脂含量， 增加能量消耗，并提高葡萄糖耐受能力，從而抵抗日糧誘導(dǎo)的肥胖（Lu 等，2016）。 Jiao 等（2018）研究表明，斷奶豬灌胃短鏈脂肪酸混合物能顯著降低血清中甘油三酯（TG）、膽固醇（TC）、高密度脂蛋白（HDLC）和胰島素含量，提高血清中瘦素水平。肝臟中總脂肪含量和TC、TG 含量也顯著降低。 脂肪、肝臟和背最長肌中與脂肪酸合成有關(guān)的基因脂肪酸合酶（FAS）、乙酰CoA 羧化酶（ACC）、膽固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白（SREBP-1）表達下降，與脂肪分解有關(guān)基因肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶1（cCPT-1）表達增加。 表明短鏈脂肪酸可降低不同組織的脂質(zhì)合成， 提高脂質(zhì)分解從而降低機體的脂肪沉積（Jiao 等，2018）。此外，Wu 等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，生長豬飼料中添加5%的可溶性高發(fā)酵性菊粉可顯著增加體重，降低盲腸中乙酸含量，提高丙酸含量，并且降低血清中胰高血糖素含量，有降低血清中TC、LDL-C 的趨勢。 血清中代謝產(chǎn)物異亮氨酸、 赤蘚糖的含量提高，而脯氨酸、鳥氨酸的含量下降。 異亮氨酸與血清TC 含量成正比，而脯氨酸與TC、TG 和LDL-C成反比。 表明日糧纖維菊粉可通過改變腸道內(nèi)SCFAs 的水平，調(diào)節(jié)機體氨基酸與脂代謝，對代謝類疾病的治療有益處。 Ma 等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，梅山豬和大白豬在哺乳早期結(jié)腸和盲腸中乙酸、丙酸和揮發(fā)性脂肪酸濃度不同， 梅山仔豬的濃度大于大白仔豬。梅山仔豬腸道中脂肪酶的活性更大，更能充分的利用乳汁與飼料中的脂質(zhì)， 但梅山豬血清中HLD-C 與TC 含量更高，這可能也是生長后期，梅山豬體脂沉積遠大于大白豬的原因之一。

3 SCFAs 在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 改善仔豬生長性能 短鏈脂肪酸多用于仔豬生產(chǎn)中，尤其是斷奶仔豬，可以調(diào)節(jié)仔豬腸道菌群穩(wěn)定、 腸道免疫和胃腸道消化等功能。 研究表明，日糧中添加1000 mg/kg 丁酸鈉能提高斷奶仔豬的平均日增重，增加飼料轉(zhuǎn)化率，并降低血清中丙二醛含量，提高IFN-γ 含量，從而提高機體抗氧化能力和增強免疫機能， 降低腹瀉率（Huang等，2015）。沈建明等（2010）研究表明，保育豬飼料中添加0.05%的丁酸鈉， 也能提高仔豬日增重和日采食量，并增加料肉比。 陳國順等（2012）發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加300 mg/kg 的丁酸鈉， 可以顯著提高斷奶香豬的料重比，降低斷奶仔豬的腹瀉率，并增加血清中白蛋白/球蛋白、IgG 和堿性磷酸酶的水平，提高機體免疫力。李虹瑾（2017）等證實斷奶仔豬飼料中添加0.03%的包膜丁酸鈉， 可顯著降低回腸中有害菌大腸桿菌數(shù)量， 增加盲腸和結(jié)腸中有益菌乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量， 降低仔豬腹瀉率。 鄭荷花等（2013）發(fā)現(xiàn)，在仔豬46 ～66 日齡時飼料中添加0.05%的丁酸鉀可提高仔豬對粗蛋白質(zhì)、 粗脂肪和干物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)養(yǎng)分消化率。Lu 等（2012）研究表明，短鏈脂肪酸同樣可以提高初生仔豬生長性能。 初生豬哺乳期每天灌胃兩次0.3%的丁酸鈉溶液， 總丁酸攝入量為500 mg/d時， 能顯著增加豬哺乳期及保育期和生長期平均日增重、皮下脂肪組織、背最長肌中過氧化物酶體增殖因子激活受體α（PPARα）和過氧化物酶體增殖因子激活受體共激活劑1α（PGC-1α）蛋白的表達，提高脂肪酸氧化能力，可見丁酸鈉可以提高豬生長后期的胴體品質(zhì)。以上研究表明，短鏈脂肪酸可通過提高仔豬抗氧化能力和免疫力， 調(diào)節(jié)腸道菌群等降低仔豬的腹瀉率，提高其生長性能。

3.2 改善育肥豬生產(chǎn)性能 短鏈脂肪酸用于育肥豬，可以提高其生長性能和胴體品質(zhì)。 育肥豬每千克日糧中添加200 μg 的丙酸鉻可顯著提高日增重和瘦肉率，并降低脂肪率，從而提高胴體品質(zhì)和肉質(zhì)（陳常秀，2009）。 日糧中添加不同劑量的粉劑丁酸鈉和包膜丁酸鈉對生長豬采食量沒有影響，但能提高生長豬日增重， 增加飼料轉(zhuǎn)化率， 其中以500 mg/kg 的包膜丁酸鈉和1500 mg/kg 的粉劑丁酸鈉的效果最優(yōu)。 此外，添加同水平的粉劑或包膜丁酸鈉時，包膜的效果優(yōu)于粉劑（董冠等，2012）。3.2 改善母豬繁殖與泌乳性能 短鏈脂肪酸還可以提高母豬繁殖與泌乳性能， 改善其抗氧化能力等。張小東等（2012）研究表明，在母豬妊娠后期添加500 mg/kg 的微囊丁酸鈉和泌乳期添加300 mg/kg 的微囊丁酸鈉， 能提高母豬在此期間的平均日采食量，降低母豬哺乳期體重損失，并增加仔豬哺乳期的平均日增重。此外，岳敏等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，母豬妊娠期和泌乳期飼料中添加500 mg/kg的微囊丁酸鈉， 可提高母豬血清超氧化物歧化酶（SOD）的含量，降低血清丙二醛（MDA）含量，改善母豬抗氧化能力。 并且丁酸組的仔豬初生窩重、初生均重、 斷奶均重和平均日增重都顯著高于對照組，腹瀉率顯著降低，因而初生仔豬生長性能得以提高。He 等（2016）通過在第一胎母豬配種前一個月至分娩后7 d 飼料中添加500 mg/kg 的丁酸鈉， 發(fā)現(xiàn)丁酸鈉可降低母豬的返情率和初乳中甘油三酯、瘦素水平，促進仔豬采食，從而增加哺乳期仔豬的平均日增重； 丁酸鈉的添加也使初乳中炎癥因子腫瘤壞死因子（TNF-α）水平降低，免疫球蛋白A（IgA）的水平增加，從而降低炎癥水平，提高機體免疫力。

4 結(jié)語

短鏈脂肪酸可以促進動物的生長發(fā)育， 調(diào)節(jié)機體代謝健康，增加抗病性及防治胃腸道疾病等。生產(chǎn)上應(yīng)用短鏈脂肪酸， 比抗生素更安全， 無殘留，因此也可以作為一種替代抗生素的物質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。 但目前短鏈脂肪酸在生豬產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用研究比較匱乏，添加量、添加形式、添加時間等都需要進一步完善。 因此， 深入研究短鏈脂肪酸的效益及其作用機理， 不僅對生豬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有指導(dǎo)意義， 而且能為畜禽新型飼料添加劑的開發(fā)和合理利用提供理論依據(jù)。