短鏈脂肪酸的生理功能及其在奶牛生產(chǎn)中的研究進展

■唐文浩 張養(yǎng)東* 鄭 楠 王加啟

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶及奶制品質(zhì)量安全控制重點實驗室（北京），北京 100193；2.中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193）

SCFAs具有多種重要的生物學功能。SCFAs作為一種綠色環(huán)保安全無污染的新型飼料添加劑，可部分代替抗生素的作用，本文就SCFAs在動物體內(nèi)的形成吸收代謝過程、主要的生理功能和在奶牛生產(chǎn)中的應用等進行綜述，旨在為SCFAs的開發(fā)利用提供理論基礎。

1 SCFAs的理化性質(zhì)、形成轉(zhuǎn)化與吸收利用

1.1 SCFAs的理化性質(zhì)

SCFAs又稱揮發(fā)性脂肪酸，主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸等（見表1），純凈的SCFAs是無色油狀液體，有刺激氣味，相對密度為0.95～1.05，并可與水互溶，SCFAs的沸點為117.9～163.5℃，其中，濃度高的甲酸易結(jié)冰，甲酸由一個氫原子和一個羥基直接相連，同時具有酸和醛的性質(zhì)；乙酸中包含的乙酰基，是所有生命的基礎，當乙酸與輔酶A結(jié)合后，就成為了碳水化合物和脂肪新陳代謝的中心；純丙酸是無色、有腐蝕性的液體，具有刺激性氣味，可用作酯化劑、硝酸纖維素的溶劑、食品防腐劑和防霉劑等；丁酸又稱酪酸，沸點為162.5℃，熔點-4.7℃，有難聞的酸臭味，是反芻家畜瘤胃微生物對碳水化合物分解的終產(chǎn)物之一；異丁酸是一種無色油狀液體，具有強烈的刺激性氣味，熔點-47℃，沸點154.5℃，能溶于乙醇、乙醚等；戊酸是一種無色透明易燃液體，具有特殊臭味，熔點在-33.83℃，沸點為186.05℃，該物質(zhì)對環(huán)境有危害，可對水體和大氣造成污染，易在大氣化學和大氣物理變化中形成酸雨；異戊酸是一種無色黏稠液體，有刺激性酸敗味，高度稀釋后則有甜潤的果香，熔點在-29.3℃，沸點176.5℃，GB/T 2760—2014[1]規(guī)定其可作為食用香料使用。

表1 SCFAs的化學結(jié)構(gòu)

1.2 SCFAs的形成與轉(zhuǎn)化

動物體內(nèi)SCFAs主要由攝入的食物在動物體內(nèi)轉(zhuǎn)化而來，其中一部分SCFAs來自在胃內(nèi)未被消化的碳水化合物，這些難消化的碳水化合物到達腸道，通過腸道內(nèi)厭氧菌的酵解作用產(chǎn)生SCFAs，受腸道內(nèi)菌群種類和底物的影響所產(chǎn)生的SCFAs的種類也不同。正常腸道中一般含有多種SCFAs，其中乙酸、丙酸和丁酸占大部分，其比例約為60%、20%和20%[2-3]。動物體內(nèi)SCFAs中的乙酸主要由擬桿菌、雙歧桿菌或梭狀芽孢桿菌和鏈球菌的Wood-Ljungdahl途徑產(chǎn)生，SCFAs中的丙酸主要是由厚壁菌、小類桿菌、糞球菌等菌屬產(chǎn)生，SCFAs中的丁酸則是由霍氏真桿菌和溴化瘤胃球菌屬等產(chǎn)生。

1.3 SCFAs的吸收和轉(zhuǎn)運

SCFAs有保護腸黏膜、為腸道細胞提供營養(yǎng)、參與免疫調(diào)節(jié)和抗炎等作用，在動物生產(chǎn)中占重要地位。對于反芻動物來說，瘤胃內(nèi)的SCFAs含量可達90～150 mmol/L，是反芻動物重要的能量來源，其中約80%的SCFAs在反芻動物瘤胃和網(wǎng)胃內(nèi)被吸收，剩余的SCFAs主要在瓣胃和皺胃吸收。SCFAs在瘤胃內(nèi)一般以解離和非解離兩種形式存在，反芻動物可以通過瘤胃上皮細胞將一部分SCFAs吸收進入血液，經(jīng)過糖異生作用生成葡萄糖為機體提供能量，其余部分的SCFAs被瘤胃上皮細胞吸收代謝，最終生成酮體和膽固醇，合成的酮體被單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運到細胞外，被外周組織利用，但當生酮作用過強時，可能會導致血液中酮濃度過高，導致動物酮病的發(fā)生[4]。

對于非反芻動物，約95%以上的SCFAs在結(jié)腸上皮細胞被吸收[5-6]，后經(jīng)由腸道上皮血管到達門靜脈轉(zhuǎn)運到肝臟，進行下一步的吸收利用，其余的SCFAs通過血液循環(huán)進入到其他組織器官被吸收利用[7]。SCFAs在腸道內(nèi)大部分是以游離陰離子的形式存在，SCFAs在近端結(jié)腸濃度比在遠端結(jié)腸濃度高50～70 mmol/L，這也與它們在腸道內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運途徑有關[8]。動物腸道對SCFAs的吸收方式有兩種，第一種是非離子形式的SCFAs以彌散方式通過腸上皮細胞被吸收，第二種是離子形式的SCFAs需要經(jīng)由特異轉(zhuǎn)運體運輸吸收[9]，目前研究發(fā)現(xiàn)SCFAs的主要轉(zhuǎn)運體有兩種，第一種是單羧酸轉(zhuǎn)運體亞型1(MCT-1)，第二種是鈉耦聯(lián)羧酸轉(zhuǎn)運體(SMCT-1)。SCFAs主要的受體是G蛋白受體，G蛋白偶聯(lián)受體一般分為GPR41、GPR43和GPR109A等，在腸上皮細胞中被大量發(fā)現(xiàn)，這些受體還參與腸道運動[10]、炎癥抑制[11]和內(nèi)分泌電解質(zhì)平衡的調(diào)節(jié)等[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，丙酸還能抑制腺嘌呤誘導的小鼠腎臟促炎因子和纖維化相關基因的表達，而丙酸的這些保護作用就是依賴于作為SCFAs受體的GPR41和GPR43[13]。此外，Bolognini等[14]研究發(fā)現(xiàn)嗅覺感受受體78(Olfr78)也是SCFAs的一種受體，這種受體主要分布在生物的腎臟和血管中，具有調(diào)節(jié)腎素分泌的功能，并且可以和GPR41、GPR43受體起拮抗作用，共同調(diào)節(jié)機體的血壓水平。SCFAs中丁酸作為結(jié)腸的主要供能物質(zhì)被吸收，丙酸在肝臟中充當糖異生作用的底物被吸收代謝，丙酸是反芻動物葡萄糖的重要來源，成年反芻動物多達90%的葡萄糖是通過這種方法獲得的[15]，其他SCFAs則進入機體其他組織或器官被利用[16]。

2 SCFAs的生理功能

2.1 SCFAs為腸道細胞提供營養(yǎng)

SCFAs的功能首先體現(xiàn)在對腸上皮細胞的營養(yǎng)效應上。在線粒體中，SCFAs可通過羥甲基戊二酰輔酶A循環(huán)進行β-氧化，產(chǎn)生葡萄糖，為機體提供能量[17]，動物結(jié)腸上皮細胞所需能量的70%都是來自SCFAs的能量供應[18]。有研究表明，將SCFAs滴入去神經(jīng)化的結(jié)腸腔可增加結(jié)腸血流量和攝氧量，尤其是乙酸鹽，不僅可以通過局部作用，而且可以通過增加黏膜血流量對結(jié)腸上皮產(chǎn)生營養(yǎng)作用。在穿過結(jié)腸黏膜轉(zhuǎn)運至門脈循環(huán)后，乙酸鹽單獨通過肝臟，并在外周血中恢復。因此，它也被再循環(huán)到內(nèi)臟血管，并可能舒張阻力動脈[19]。

2.2 保護腸黏膜屏障

2.2.1 SCFAs對腸道黏液層的促進作用

腸黏膜的黏液層是腸道上皮細胞表面附著的一層由黏蛋白多糖組成的保護性液體，對腸道黏膜起到屏障保護作用。SCFAs可激活人體結(jié)腸細胞中的5’腺苷單磷酸(AMP)激酶，這是調(diào)節(jié)能量代謝的關鍵因素AMP激酶的活化增強人體結(jié)腸細胞的緊密聯(lián)接，從而增強腸黏膜屏障。腸黏膜屏障不僅可增強黏膜愈合，還可以減少腸道細菌定植和感染，降低腫瘤浸潤，細胞遷移和炎癥的可能性，維持結(jié)腸健康。SCFAs不僅可以幫助重建結(jié)腸上皮，還可以保護其免受外界傷害，例如由細菌、活性氧或免疫調(diào)節(jié)性前列腺素引起的傷害。黏液黏蛋白分泌主要受到MUC基因的影響，其中由MUC基因編碼的上皮黏蛋白2(MUC2)在健康和發(fā)炎的腸道中最突出[20]。MUC1、MUC3和MUC4基因也少量參與基因表達[21]。在缺乏葡萄糖的培養(yǎng)基中，即當丁酸是唯一可用的能源時，MUC3、MUC5和MUC2的表達持續(xù)存在，MUC5AC的表達顯著增強（基礎水平的3.7倍），MUC2的表達顯著增加（基礎水平的23倍），由此推斷，SCFAs尤其是丁酸對動物腸道黏液分泌有促進作用。研究還發(fā)現(xiàn)當丁酸是細胞的主要能量來源時，丁酸能夠在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)結(jié)腸黏蛋白，從而影響其保護功能[22]。SCFAs還可以調(diào)節(jié)前列腺素（PG）的產(chǎn)生，從而刺激腸道上皮細胞中MUC2的表達，達到促進黏液分泌的作用[23]。

2.2.2 SCFAs調(diào)節(jié)腸道屏障完整性

SCFAs還可能通過緊密連接蛋白(tight junction protein，TJP)的協(xié)同調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)上皮屏障的完整性方面發(fā)揮重要作用，而TJP本身調(diào)節(jié)著管腔和肝門系統(tǒng)之間的細胞內(nèi)分子通道。通透性增加與細菌和其細胞壁成分的移位有關，而這些抗原的移位觸發(fā)了與肥胖和胰島素抵抗相關的炎癥級聯(lián)反應。在結(jié)腸產(chǎn)生的SCFAs中，丁酸似乎是TJP最重要的調(diào)節(jié)因子，并且已被證明通過增加緊密連接蛋白claudin-1、Zonula occludents-1(ZO-1)的表達和封閉蛋白(claudin)的再分配來增強腸道屏障功能[24]。在來自小鼠模型和體外系統(tǒng)的試驗結(jié)果也表明，丁酸可改善腸道屏障的完整性[25]。丁酸鹽可以激活大腸癌細胞系(Caco-2)中的Akt/mTOR信號通路，從而增加緊密連接蛋白的產(chǎn)生，加強腸道完整性[26]。

2.3 抗炎作用

SCFAs是將膳食纖維和腸道菌群與腸道健康聯(lián)系起來的關鍵代謝產(chǎn)物。最近的研究表明，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物SCFAs在幾種炎性疾病的發(fā)病機理中具有顯著作用，例如關節(jié)炎、炎性腸病和傷口愈合等[27]。SCFAs有助于腸上皮細胞(IEC)的遷移，能防止結(jié)腸炎中潰瘍的形成[28]。通過改善SCFAs的產(chǎn)生可以對潰瘍性結(jié)腸炎(UC)和克羅恩病(CD)治療有一定的效果[29]?？诜∷峥梢詫е履c道微生物譜的改變。但是補充SCFAs對于葡聚糖硫酸鈉誘導的小鼠結(jié)腸炎并不能發(fā)揮抗炎作用[30]。但根據(jù)康宇婷等[31]的研究，乙酸鹽、丙酸鹽及丁酸鹽3種SCFAs都可降低TNF-mRNA的表達，并且丙酸鹽和丁酸鹽還可以增加NR8383細胞抗炎因子的表達，促進炎癥的恢復。根據(jù)Breuer等[32]對SCFAs的研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs的缺乏與動物和人類結(jié)腸炎有關，并對潰瘍性結(jié)腸炎有良好的改善作用。根據(jù)Rodriguez-cabezas[33]的研究表明，日糧膳食纖維補充改善了HLA-B27轉(zhuǎn)基因大鼠的結(jié)腸炎癥的損傷，這種改善作用與膳食纖維發(fā)酵產(chǎn)生的SCFAs的增加有關，SCFAs的增加可以抑制炎性介質(zhì)的產(chǎn)生，起到抗炎的作用。根據(jù)Canfora等[34]的研究報道，SCFAs尤其是丁酸，可以通過生成并激活抗炎性T細胞(T reg)，抑制促炎性細胞因子及其介質(zhì)的產(chǎn)生，抑制炎癥信號的傳播，使抗炎效果更顯著[35]，從而調(diào)節(jié)肥胖引起的慢性低度炎癥。乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽可能直接減少脂肪組織來源的促炎細胞因子和趨化因子的分泌。SCFAs相關脂肪組織功能的改善可以減少全身脂質(zhì)溢出和炎癥。腸道共生微生物可通過結(jié)腸中調(diào)節(jié)性T細胞的擴增影響?zhàn)つっ庖呦到y(tǒng)。共生皮膚細菌產(chǎn)生的SCFAs也可激活常駐皮膚T細胞，其活性在某些炎癥性皮膚病中會減弱。皮下注射丁酸鈉(SB)或局部應用在半抗原致敏小鼠的耳朵上可顯著降低接觸超敏反應。這表明SCFAs可以誘導T細胞，駐留的皮膚微生物可以通過下調(diào)功能來預防過度的炎癥反應，從而在生理條件下保持穩(wěn)定狀態(tài)；SCFAs還可用于治療、減輕炎癥皮膚反應。但當系統(tǒng)性地給予高于生理水平的SCFAs時，會導致腎系統(tǒng)中T細胞反應失調(diào)和誘發(fā)炎癥[36]。同時發(fā)現(xiàn)SCFAs可以將Gpr109a信號轉(zhuǎn)導，誘導T細胞的分化，使結(jié)腸巨噬細胞和樹突狀細胞發(fā)揮抗炎作用[37]。

但是SCFAs對宿主抗炎作用不僅有積極影響，也有消極的作用。Park等[38]發(fā)現(xiàn)口服SCFAs時會誘導T細胞介導的輸尿管炎并導致腎積水（簡稱醋酸鹽誘導性腎病，C2RD）。C2RD是由輸尿管梗阻引起的，而輸尿管梗阻又是由SCFAs引起的腎盂輸尿管連接部和輸尿管近端炎癥引起的。因此，當系統(tǒng)性地給予高于生理水平的SCFAs時，會導致腎系統(tǒng)中T細胞反應失調(diào)和組織炎癥。

3 SCFAs在奶牛生產(chǎn)中的應用

目前，SCFAs在奶牛生產(chǎn)中的應用有良好的效果。Niwińska等[39]研究表明，犢牛日糧中添加丁酸鹽可刺激瘤胃上皮表面積的增大以及瘤胃上皮細胞對SCFAs氧化能力的發(fā)展。丁酸鹽對細胞增殖、酮體形成、細胞內(nèi)pH和能量穩(wěn)態(tài)維持及丁酸鹽代謝物向毛細血管床運輸有關的基因、蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)錄因子的活性具有直接的積極影響。這些結(jié)果表明，外源丁酸酯是刺激瘤胃上皮細胞功能發(fā)揮的重要因素。在犢牛出生的第一個星期之內(nèi)，給予含量約為飲食DM 0.3%的丁酸鈉時更為明顯。在斷奶過渡期向犢牛補充丁酸，可使日糧攝入量增加800 g/d，即使在2周斷奶過渡期結(jié)束后去除丁酸補充劑后，攝入量仍保持增加。在犢牛日糧中添加1%的丁酸鈉，可以增加免疫力，并對犢牛的斷奶應激有明顯的緩解作用[40]。Górka等[41-42]的研究發(fā)現(xiàn)，在犢牛開食料中添加0.3%的丁酸鈉，可以促進犢牛瘤胃的發(fā)育速度使黏膜厚度增加，絨毛長度增長，并對養(yǎng)分的消化吸收有良好的促進作用。Górka[43]研究也發(fā)現(xiàn)，在低水平（0.3%的干物質(zhì)）的代乳料中添加未受保護的丁酸鈉能刺激早期斷奶犢牛胃腸道的發(fā)育、瘤胃功能的完善并提高生長性能。

在圍產(chǎn)前期的奶牛日糧中添加丁酸鈉，能顯著提高奶牛的免疫能力和抗氧化能力[44]。根據(jù)Li等[45]的研究，丁酸鈉可以通過增加牛乳腺上皮細胞中的抗氧化酶活性，來改善脂多糖誘導的氧化損傷。另外，在日糧中添加2.9%的乙酸鈉可以增加奶牛的乳脂產(chǎn)量和濃度，提高奶牛乳脂合成的能力[46]。向奶牛日糧中添加丙酸鈣200 g/d可以明顯改善泌乳早期奶牛的能量負平衡問題，并對奶牛體重的保持有顯著的積極影響[47]。Roche等[48]也發(fā)現(xiàn)給處在圍產(chǎn)期的奶牛飼喂丙酸鹽時，可以改善奶牛能量平衡，保障奶牛的健康。另有研究試驗發(fā)現(xiàn)，在奶牛圍產(chǎn)期日糧中添加丁酸和丙酸鈣，可以提高奶牛泌乳早期的產(chǎn)奶量，并對奶牛產(chǎn)后的恢復有一定促進作用，可以緩解奶牛生產(chǎn)后的能量供需負平衡[49]。

4 小結(jié)

SCFAs在參與腸道細胞的供能、保護腸道上皮黏膜、調(diào)節(jié)機體免疫調(diào)節(jié)、抑制炎癥發(fā)生及抗癌等方面具有重要作用。但SCFAs在動物實際生產(chǎn)中應用仍受很多方面的限制，需要進一步加強對SCFAs生理功能等機理的研究。此外，SCFAs對斷奶應激的影響的相關研究有待進一步深入，以便在未來更好地指導動物生產(chǎn)。