丁酸對動物腸道健康的影響及水產(chǎn)應(yīng)用前景

劉艷莉，胡 毅，鐘 蕾，石 勇，顧 宇，李雅敏

( 1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南省特色水產(chǎn)資源利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128； 2.水產(chǎn)高效健康生產(chǎn)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 常德 415000 )

近年來，隨著規(guī)模化和集約化養(yǎng)殖的迅速發(fā)展，魚粉資源短缺和價(jià)格不斷上漲，飼料成本急劇上升。植物蛋白源價(jià)格適宜、來源廣泛，是魚粉的理想替代品。但植物蛋白源含有大量的抗?fàn)I養(yǎng)因子，適口性差、營養(yǎng)不均衡[1]。而濫用抗生素帶來了藥物殘留、病原菌耐藥性增加和食品安全等一系列問題[2-3]。目前歐盟多個國家均禁止使用飼用抗生素[4]，中國對飼用抗生素的管理與應(yīng)用也越來越嚴(yán)格。尋找緩解動物健康問題的抗生素替代品刻不容緩。

丁酸是短鏈脂肪酸，主要由有益菌群[乳酸菌、雙歧桿菌(Bifidobacterium)等]酵解不易消化的糖類(膳食纖維、抗性淀粉、低聚糖等)而產(chǎn)生[5]，具有優(yōu)越的生理和生物學(xué)功能，一般通過丁酸鹽或包膜丁酸鹽等形式添加，可耐高溫和耐酸，符合水產(chǎn)行業(yè)膨化飼料的發(fā)展需要，是抗生素類飼料添加劑的理想替代品。丁酸具有保護(hù)畜禽腸道屏障、提高腸道免疫及維護(hù)腸道微生態(tài)平衡等作用[6-7]，但有關(guān)丁酸對水產(chǎn)動物腸道健康影響的研究鮮有報(bào)道。水域環(huán)境惡化、抗生素的不合理使用及植物蛋白源中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，給水產(chǎn)動物帶來了抗應(yīng)激能力下降、腸道疾病頻發(fā)等負(fù)面影響，困擾和危害了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。筆者綜述了丁酸對畜禽動物腸道健康的保護(hù)作用及其機(jī)制，以及在水產(chǎn)動物上的相關(guān)研究，旨在為丁酸在水產(chǎn)動物飼料中的合理應(yīng)用提供參考。

1 丁酸的理化性質(zhì)

丁酸又稱酪酸，化學(xué)式CH3CH2CH2COOH，相對分子質(zhì)量為88.11，分子式見圖1。為無色至淺黃色透明油狀液體，有腐臭的酸味。與水混溶，亦可混溶于乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑，性質(zhì)穩(wěn)定。丁酸是一種天然物質(zhì)，存在于大部分哺乳動物的消化道、乳汁、汗液甚至糞便中。目前在動物飼料中應(yīng)用的主要是丁酸鹽或丁酸酯，解決了丁酸有臭味和作為液體易揮發(fā)難以添加的缺點(diǎn)，具有促進(jìn)機(jī)體腸道健康發(fā)育、提高免疫能力、促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收等功能[8]。

圖1 丁酸分子式

2 丁酸在腸道中的代謝過程

丁酸首先經(jīng)丁酸輔酶A合成酶轉(zhuǎn)化成丁酸輔酶A，然后通過一系列反應(yīng)快速生成乙酰輔酶A，最后通過腸上皮細(xì)胞羥甲基戊二酰輔酶A循環(huán)中的氧化作用進(jìn)行能量代謝，無需經(jīng)過肝膽吸收和復(fù)雜的三羧酸循環(huán)系統(tǒng)。正常生理情況下，丁酸在豬、禽等單胃動物盲腸或結(jié)腸處以陰離子形式存在，通過非離子形式被腸上皮細(xì)胞吸收后，進(jìn)一步轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟進(jìn)行代謝或者用作消化道上皮細(xì)胞的能源消耗[9]。而脂肪酸是很多魚類的能量來源，一般是通過肉堿酰基轉(zhuǎn)移酶的催化，以脂肪酸酯酰肉堿的形式被轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體，反轉(zhuǎn)化為脂酰輔酶A衍生物，經(jīng)過脫氫、水合、加氫和裂解4個步驟形成乙酰輔酶A和還原型輔酶Ⅰ。但丁酸在水產(chǎn)動物體內(nèi)的具體代謝過程尚未見報(bào)道。丁酸在肝臟中可代謝成谷氨酸、谷氨酰胺和乙酰乙酸鹽，而這些物質(zhì)都是腸細(xì)胞的重要燃料[10]。丁酸具有水脂兩親性，在pH 4～6時不易被分解，部分可避過酸性環(huán)境的小腸，直接進(jìn)入盲腸和結(jié)腸，被腸上皮細(xì)胞吸收利用，是結(jié)腸、盲腸能量的首選，約占短鏈脂肪酸所產(chǎn)能量的70%[10]。但丁酸及丁酸鹽在胃酸的作用下，在胃部或者小腸上端就被迅速吸收，極少進(jìn)入后腸。對丁酸衍生物的研究需進(jìn)一步深入。包膜丁酸鹽或丁酸酯能緩釋丁酸不被胃酸分解而順利過胃，在腸道中經(jīng)過胰脂肪酶分解，釋放出自由丁酸離子，作用于后腸[11]。短鏈脂肪酸為機(jī)體的主要能源物質(zhì)，為脂肪代謝、蛋白質(zhì)代謝、碳水化合物代謝等提供了能量[12]。丁酸在代謝過程中會產(chǎn)生乙酰輔酶A，能促進(jìn)乙酰輔酶A合成脂肪，或通過羥甲基戊二酸單酰輔酶A途徑促進(jìn)胴體合成，促進(jìn)了脂肪的吸收利用[13]。丁酸還可通過促進(jìn)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)來加快動物體內(nèi)糖的分解代謝速率[14]。

3 丁酸對腸道黏膜的保護(hù)作用

腸道黏膜屏障主要由腸上皮細(xì)胞側(cè)面的緊密連接、中間連接、橋粒和縫隙連接組成，主要通過通透性來高效選擇腸微生物、毒素等進(jìn)入機(jī)體。腸道黏膜形態(tài)結(jié)構(gòu)是機(jī)體消化吸收的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。腸黏膜上皮絨毛高度和杯狀細(xì)胞數(shù)量的增加，即吸收面積的增加，能夠增強(qiáng)機(jī)體對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收能力[15]。研究發(fā)現(xiàn)，畜禽動物如鴨[16]、肉雞[17-18]、斷奶仔豬[19]、犢牛[20]等動物的飼料中添加丁酸能有效對抗腸黏膜細(xì)胞凋亡，促進(jìn)細(xì)胞增殖和生長修復(fù)，提高動物的腸道絨毛長度，降低隱窩深度，增加杯狀細(xì)胞數(shù)量和腸道吸收面積，有利于緩解劣質(zhì)蛋白源引起的損傷。王振鋒[21]研究表明，丁酸對感染柔嫩艾美爾球蟲(Eimeriatenella)的肉雞腸黏膜也起到了很好的修復(fù)作用。

與畜禽動物相比，水產(chǎn)動物消化器官短，消化酶活性差，食物在腸道停留時間較短。許多水產(chǎn)動物如鯉科魚類無胃，腸道承擔(dān)著消化和吸收的雙重功能，對飼料原料的要求較高。水產(chǎn)動物對蛋白質(zhì)和脂肪需求量高，畜禽飼料配方中大多使用玉米和豆粕，而水產(chǎn)飼料中應(yīng)用大量棉菜粕及一些非常規(guī)原料，含有抗?fàn)I養(yǎng)因子，易產(chǎn)生蛋白質(zhì)變質(zhì)或脂肪氧化，損傷水產(chǎn)動物腸道。對黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)[22]、花鱸(Lateolabraxjaponicus)[23]等的研究發(fā)現(xiàn)，劣質(zhì)蛋白源使腸黏膜的高度顯著下降，上皮細(xì)胞界限變模糊甚至脫落，空泡增多，既限制了蛋白源的開發(fā)利用，又影響水產(chǎn)動物的生長。保護(hù)水產(chǎn)動物的腸道比畜禽更迫切。

張俊智[24]對黃鱔(Monopterusalbus)的研究表明，在低魚粉飼料中添加丁酸鈉能顯著提高黃鱔腸道絨毛高度/隱窩深度值。孫浪等[25]研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加2.5 g/kg的丁酸鈉顯著提高了鯽魚(Carassiusauratus)前腸絨毛高度/隱窩深度值以及腸道細(xì)胞增殖因子CREB和CDX2基因的表達(dá)。給建鯉(Cyprinuscarpiovar. Jian)飼喂包膜丁酸鈉，能緩解氧化油脂的損傷，改善腸道狀態(tài)，增加微絨毛高度和密度[26]。丁酸鈉組羅非魚(Oreochromis)小腸黏膜上皮較對照組完整，腸絨毛粗壯，腸絨毛的高度、寬度，腸黏膜肌層厚度均顯著提高[27]。相似結(jié)果也見于菊黃東方鲀(Takifuguflavidus)[28]。以上研究表明，丁酸在水產(chǎn)飼料上有廣闊的應(yīng)用空間(表1)。但是，目前丁酸對水產(chǎn)動物腸道黏膜保護(hù)的機(jī)制研究很少，需進(jìn)一步研究。

丁酸對機(jī)體腸黏膜形態(tài)的維護(hù)和修復(fù)作用顯著，減輕腸黏膜結(jié)構(gòu)損傷以及改善腸黏膜屏障的機(jī)制可能有以下幾種情況：第一，丁酸可以刺激結(jié)腸內(nèi)水和鈉離子的吸收，促進(jìn)黏膜修復(fù)酶的活性，同時刺激細(xì)胞內(nèi)mRNA和蛋白質(zhì)的合成，提高腸絨毛增殖效率，降低隱窩深度，增加絨毛寬度[29]。第二，丁酸影響緊密連接蛋白的表達(dá)[30-31]。第三，丁酸刺激了細(xì)胞有絲分裂，減少細(xì)胞凋亡；肥大細(xì)胞分泌的組胺使絨毛萎縮、隱窩加深和黏膜體積增大[32]，而丁酸控制了腸道組胺水平，從而改善了動物腸道形態(tài)的作用。

表1 丁酸及其衍生物保護(hù)動物腸道黏膜的部分應(yīng)用

4 丁酸對腸道免疫炎癥的抑制作用

在高密度集約化養(yǎng)殖常態(tài)下，水產(chǎn)動物生活在不同程度的脅迫之下，極大地影響機(jī)體腸道免疫功能。腸道免疫系統(tǒng)主要由大量彌散在黏膜上皮和固有層的免疫細(xì)胞(淋巴細(xì)胞、粒細(xì)胞、單核細(xì)胞等)、免疫分子(免疫球蛋白、補(bǔ)體、細(xì)胞因子等)等組成[33]。丁酸保護(hù)了腸上皮細(xì)胞的完整性。在仔豬[34]飼料中添加丁酸鈉可以增加空腸和回腸黏膜上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞、肥大細(xì)胞和杯狀細(xì)胞的數(shù)量，表明丁酸具有提高腸道免疫屏障功能的作用。黏蛋白由杯狀細(xì)胞分泌，覆蓋在黏膜表層，是腸道非特異性免疫的重要組成部分。當(dāng)機(jī)體缺乏黏蛋白時，腸炎等病癥加重，口服丁酸鹽可以有效緩解[35]。丁酸通過誘導(dǎo)Ca2+流動、促進(jìn)ERK1/2和p38 MAPK磷酸化、中性粒細(xì)胞脫顆粒和胞外誘捕網(wǎng)的形成，調(diào)節(jié)中性粒細(xì)胞的功能，影響固有免疫應(yīng)答效應(yīng)[36]。在T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞增殖分化中，丁酸作為一種組蛋白去乙酰化酶抑制劑也起到了促進(jìn)作用，加強(qiáng)了腸道黏膜免疫應(yīng)答[37-38]。

有關(guān)免疫分子的相關(guān)研究也較多。核轉(zhuǎn)錄因子-κB是炎癥發(fā)生的重要信號通路之一，在免疫炎癥早期，能調(diào)節(jié)白介素-1β、白介素-2、白介素-6、腫瘤壞死因子-α、環(huán)氧酶-2等細(xì)胞因子的表達(dá)，減少炎癥的發(fā)生和發(fā)展，而丁酸可以通過抑制核轉(zhuǎn)錄因子-κB的激活有效發(fā)揮抗炎作用[39]。丁酸具有抑制JAK-STAT通路活性的作用[40]。丁酸或丁酸鹽還通過促進(jìn)前列腺素E2的分泌，抑制腫瘤壞死因子-α、白介素-6等促炎性細(xì)胞因子的分泌[41]。體外細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)表明，丁酸鈉能明顯提高腸道上皮細(xì)胞特異轉(zhuǎn)錄因子COX-2mRNA及其蛋白的表達(dá)水平[42]。丁酸還可抑制腫瘤壞死因子-α和白介素-13的釋放和組蛋白去乙酰化，進(jìn)而影響封閉蛋白2、細(xì)胞膜閉合蛋白和扣帶蛋白等表達(dá)，恢復(fù)炎性腸炎的緊密連接[31]。鞠婷婷等[43]試驗(yàn)證明，丁酸鈉能降低黃羽肉雞血清中白介素-6的含量，增強(qiáng)抗炎功能。添加丁酸鹽增強(qiáng)了歐洲鱸魚(Dicentrarchuslabrax)的白介素-1β、白介素-8、干擾素調(diào)節(jié)因子1和腫瘤壞死因子-α的表達(dá)[44]。上述研究表明，丁酸可控制免疫細(xì)胞或免疫分子調(diào)節(jié)腸道免疫應(yīng)答，抑制腸道炎癥，而在水產(chǎn)動物中的利用效果和機(jī)制需進(jìn)一步研究。

5 丁酸與腸道菌群的關(guān)系

腸道是一個生物量龐大且層次復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)。正常狀態(tài)下，腸道細(xì)菌維持菌群穩(wěn)定，有益細(xì)菌如雙歧桿菌、乳酸菌等形成菌膜屏障，抑制有害細(xì)菌的生長和繁殖[45]。穩(wěn)定的微生物菌群有助于提供能量和營養(yǎng)素，提高動物抵抗力，免受外來有害細(xì)菌的感染。

水產(chǎn)動物腸道菌群極易受水環(huán)境和餌料的影響，絕大多數(shù)細(xì)菌不能在消化道中生存。大口黑鱸(Micropterussalmoides)攝食冰鮮魚時，促進(jìn)了擬桿菌等有益菌在腸道內(nèi)的定殖，腸道菌群多樣性顯著高于人工飼料組[46]。對肉雞[47-48]、仔豬[49]的研究表明，丁酸降低了腸道的pH，酸性環(huán)境更適合乳酸菌等有益菌，添加酸化劑能增加機(jī)體腸道中乳酸桿菌數(shù)量，降低大腸桿菌數(shù)量，優(yōu)化腸道微生物區(qū)系。Zhou等[50]用高脂飼料飼喂小鼠，結(jié)果顯示，丁酸鈉可以恢復(fù)小鼠腸道微生態(tài)群的生態(tài)失調(diào)，減輕脂肪肝的發(fā)生。其原因可能為，脂肪組織是腸道微生物代謝物的富集靶點(diǎn)，微生物代謝影響肝臟脂肪的沉積。另有研究發(fā)現(xiàn)，有益芽孢桿菌(Bacillus)可促進(jìn)機(jī)體免疫器官內(nèi)T、B淋巴細(xì)胞的成熟，增加其數(shù)量，增強(qiáng)機(jī)體免疫功能[51]。在凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)[52]飼料中添加三丁酸甘油酯和包膜丁酸鈉均顯著減少機(jī)體腸道致病性弧菌數(shù)量，其中1.5 g/kg 三丁酸甘油酯組致病性弧菌數(shù)量減少22.4%，減少量最高。在中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)[53]飼料中添加聚β-羥基丁酸酯，顯著影響了腸道菌群豐度，且存在時間依賴性。上述研究表明，丁酸能選擇性的抑制有害菌的增殖，促進(jìn)乳酸菌等有益菌的增殖，改善機(jī)體腸道微生態(tài)，促進(jìn)動物健康。

6 丁酸的抗腫瘤作用

在正常細(xì)胞中，丁酸提供腸上皮細(xì)胞呼吸能源，誘導(dǎo)隱窩基底細(xì)胞的增殖和成熟，改善正常組織形態(tài)結(jié)構(gòu)；而在癌細(xì)胞中，丁酸卻能抑制腫瘤細(xì)胞增殖，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞調(diào)亡和良性分化。丁酸的這種矛盾作用方式稱為“丁酸悖論”[10]。丁酸對癌細(xì)胞具有抗增殖和促凋亡作用早已被證明[54-55]。目前對丁酸抗腫瘤作用的研究主要集中在小鼠或人上，在水產(chǎn)動物中尚無報(bào)道。

丁酸發(fā)揮抗癌作用主要是其作為組蛋白去乙酰化酶抑制劑，可以上調(diào)多種促凋亡因子(Bid、Bad、Fas、Caspase)和下調(diào)多種抗凋亡因子(Bcl-2、Bcl-XL、XIAP)的表達(dá)[56]。丁酸可下調(diào)mRNA活性，增強(qiáng)腺苷酸活化蛋白激酶活性，誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞自噬[57]，或通過miR-203/NEDD9級聯(lián)誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞凋亡，抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞增殖[58]。4-苯基丁酸激活肝癌細(xì)胞的自噬作用，防止脂質(zhì)積累，防護(hù)脂毒性[59]。丁酸可降低腸道pH，減少次級膽汁酸含量，改善腸道健康，可預(yù)防結(jié)腸癌[60]。李桃桃等[61]試驗(yàn)表明，丁酸可促進(jìn)多形核白細(xì)胞—骨髓衍生抑制細(xì)胞的增殖和活化，緩解小鼠的結(jié)腸炎。丁酸鈉可抑制缺氧誘導(dǎo)因子-1α，抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞SW480的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化及其遷移和侵襲能力[62]。飼料中丁酸能增強(qiáng)DNA受損細(xì)胞的凋亡應(yīng)答，起到誘導(dǎo)非正常細(xì)胞凋亡、防治細(xì)胞癌變的作用。而Xie等[63]證明丁酸鈉可調(diào)節(jié)MDM2癌基因—抑癌基因p53反饋環(huán)，增強(qiáng)抑癌基因表達(dá)并降低MDM2癌基因表達(dá)；丁酸鈉會抑制小鼠骨肉瘤細(xì)胞的生長，而對小鼠的活性和體質(zhì)量無顯著影響。

上述研究表明，丁酸在誘導(dǎo)病變細(xì)胞凋亡中具有極大潛力。水域環(huán)境惡化、抗生素濫用、營養(yǎng)失衡等嚴(yán)重影響水產(chǎn)動物的免疫功能，機(jī)體細(xì)胞產(chǎn)生病變或炎癥，疾病也愈加復(fù)雜，危害著水產(chǎn)動物的健康。細(xì)胞學(xué)、分子生物學(xué)等技術(shù)的不斷發(fā)展提供了更多新思路和手段，可利用這些技術(shù)探討丁酸緩解水產(chǎn)動物炎癥反應(yīng)的效果和機(jī)制。

7 小 結(jié)

隨著研究的深入，丁酸的生物學(xué)功能逐漸被發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用也愈加受到人們重視。但丁酸的臭味和易揮發(fā)等缺點(diǎn)限制了其在飼料中的利用。丁酸衍生物(丁酸鹽、丁酸酯及包被丁酸鹽等)的開發(fā)利用，改善了丁酸的應(yīng)用現(xiàn)狀。目前丁酸的大多數(shù)研究均集中在畜禽動物上，對水產(chǎn)動物的應(yīng)用還很欠缺，需要利用現(xiàn)代的蛋白質(zhì)組學(xué)及分子組學(xué)技術(shù)，更多關(guān)注水產(chǎn)動物健康研究。根據(jù)丁酸在畜禽動物上的經(jīng)驗(yàn)，今后在水產(chǎn)動物上的研究應(yīng)著重于：(1)了解丁酸對水產(chǎn)動物營養(yǎng)生理、腸道健康及免疫機(jī)能等影響；(2)深入研究丁酸影響水產(chǎn)動物腸道健康、營養(yǎng)代謝及免疫機(jī)能的機(jī)制；(3)大規(guī)模試驗(yàn)來確定水產(chǎn)動物的丁酸最適需要量，研發(fā)出適合養(yǎng)殖生產(chǎn)的飼料級丁酸及衍生產(chǎn)品。值得注意的是，丁酸對結(jié)直腸癌的抑制作用，可以探討丁酸對水產(chǎn)動物病變細(xì)胞是否起相似作用。