谷氨酸的腦腸反射及其對(duì)仔豬的營養(yǎng)作用

徐運(yùn)杰 ， 胡鳳嬌 ， 羅振福

（1.山東和美集團(tuán)有限公司，山東惠民 251700；2.唐人神集團(tuán)股份有限公司，湖南株洲 412000；3.濮陽市動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督所，河南濮陽457000；4.湖南佳智生物科技有限公司，湖南長沙410200；5.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，湖南長沙 410128）

食物中的化學(xué)信號(hào)由全身的特殊受體檢測(cè)，這些化學(xué)受體具有確保動(dòng)物營養(yǎng)健康的多種功能。在外周，味覺和嗅覺的化學(xué)感覺為潛在食物的營養(yǎng)價(jià)值提供重要信息；消化道中的其他化學(xué)感覺也參與識(shí)別營養(yǎng)物質(zhì)和刺激相關(guān)激素的釋放，有助于消化吸收。最后，化學(xué)傳感器，包括口腔和消化器官中的味覺和嗅覺傳感器，向大腦發(fā)送信息，大腦對(duì)其進(jìn)行處理，并將其與存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比較，從而引發(fā)各種行為、生理和神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)，以確保食物的正確使用。一種主要的化學(xué)感覺是味覺。在口腔中，味覺感受器已經(jīng)進(jìn)化到能夠探測(cè)食物中相對(duì)較少的初級(jí)味覺的功能，其中，甜味進(jìn)化為探測(cè)日糧中碳水化合物營養(yǎng)素，而咸味則探測(cè)必需的礦物質(zhì)鈉的存在，酸味可以防止攝入低pH的食物，如未熟的水果，而苦味可以防止植物中常見的有毒物質(zhì)。

近年來，第五種基本的味覺鮮味，已經(jīng)得到認(rèn)可。這種味道被認(rèn)為是日糧中蛋白質(zhì)和氨基酸的信號(hào)。典型的鮮味刺激是L-谷氨酸（Glu），其通常以谷氨酸鈉（MSG）的形式添加到食物中。MSG一直被用作調(diào)味品，其不僅起著感覺或味覺刺激的作用，而且在消化和食物使用中具有額外的生理作用。作為中間代謝過程中的一種基本底物，游離谷氨酸在大多數(shù)器官和組織（骨骼肌、大腦、腎臟和肝臟）中以相當(dāng)高的濃度存在 （Young等，2000）。谷氨酸在能量代謝及其他氨基酸、谷胱甘肽和體蛋白的代謝中起著重要作用。在大腦中，Glu在局部由葡萄糖從頭產(chǎn)生，是一種主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，其活性調(diào)節(jié)突觸可塑性、學(xué)習(xí)、記憶、運(yùn)動(dòng)活動(dòng)和神經(jīng)發(fā)育。Glu通過激活大腦對(duì)消化、營養(yǎng)吸收、代謝和能量穩(wěn)態(tài)等多種生理功能有促進(jìn)作用。這些作用可能通過與迷走神經(jīng)傳入支功能性連接的腸腔Glu傳感器或通過口腔內(nèi)的傳入感覺神經(jīng)介導(dǎo)。本文從植物神經(jīng)反射的角度，論述了谷氨酸的腦腸反射及其對(duì)仔豬的營養(yǎng)作用。

1 口腔味覺刺激對(duì)植物神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)節(jié)

味覺受體的激活影響內(nèi)臟傳出神經(jīng)的各種活動(dòng)和功能。唾液分泌是味覺誘發(fā)的自主反射之一（Hector等，1999）。不同刺激誘導(dǎo)腮腺唾液流動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度為檸檬酸（酸味）＞味精（鮮味）＞氯化鈉（咸味）＞蔗糖 （甜味）＞硫酸鎂 （苦味）（Hodson等，2006）。唾液的作用不僅潤滑食物便于咀嚼和吞咽，而且啟動(dòng)營養(yǎng)物質(zhì)（即碳水化合物和脂肪）的消化，因?yàn)槠浜忻福绲矸勖负椭久傅取４送猓€有研究表明，甜味刺激（蔗糖和葡萄糖溶液）會(huì)增加大鼠胰腺和肝臟迷走神經(jīng)的傳出活動(dòng)，而咸味刺激（高濃度氯化鈉溶液）則抑制這種傳出活動(dòng)（Niijima等，1991a）。甜味刺激會(huì)在血糖濃度升高之前引起胰島素釋放，這一過程稱為頭期胰島素釋放（Steffens等，1976）。相比之下，甜味刺激能夠抑制胃迷走神經(jīng)傳出纖維（VGE）的活動(dòng)和腎上腺、胰腺和肝臟交感神經(jīng)傳出纖維的活動(dòng)，而咸味刺激則能夠加強(qiáng)這些活動(dòng)（Niijima等，1991c）。此外，甜味信號(hào)能通過興奮迷走神經(jīng)刺激胃酸的分泌（Ikuno等，1990）。

味精溶液產(chǎn)生的鮮味能夠激活VGE和胰臟、肝臟迷走神經(jīng)纖維的傳出活動(dòng)，并與胰島素分泌增加有關(guān)（Niijima 等，2000；1990、1991b）。 然而，Tonosaki等（2007）報(bào)道，味精水溶液不會(huì)引起頭期胰島素釋放。因此有必要進(jìn)一步研究味精在調(diào)控胰島素分泌中的作用。總之，味覺能夠反射性引起唾液、胃液和胰島素的分泌，這對(duì)于能量代謝、食物消化和營養(yǎng)吸收都很重要。

2 腸道營養(yǎng)刺激對(duì)植物神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)節(jié)

在胃腸道中，各種營養(yǎng)物質(zhì)通過管腔上皮細(xì)胞探測(cè)和吸收。營養(yǎng)物質(zhì)還可調(diào)節(jié)迷走神經(jīng)傳入纖維的活動(dòng)和胃腸肽的釋放，包括膽囊收縮素（CCK）、肽YY、胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）、瘦素和胃饑餓素等（Kitamura 等，2010、de Fonseka 等，2009）。 長期以來，人們認(rèn)為胃迷走神經(jīng)傳入纖維僅能探測(cè)胃脹，不能探測(cè)單個(gè)營養(yǎng)素。Niijima等（2000）報(bào)道，谷氨酸能夠誘發(fā)胃的內(nèi)臟感覺。這在胃營養(yǎng)感知方面是重要的，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)表明，在胃黏膜中存在化學(xué)感知，特別是氨基酸（AA）傳感系統(tǒng)。有趣的是，在20種氨基酸中，Glu能夠單獨(dú)刺激大鼠的胃迷走神經(jīng)傳入纖維（VGA）（Uneyama等，2006）。外周麻醉劑利多卡因腔內(nèi)灌注可阻斷Glu誘發(fā)的VGA激活，表明這種反應(yīng)是胃黏膜內(nèi)的一種化學(xué)反應(yīng)。此外，Glu反應(yīng)可以通過耗盡5-羥色胺 （5-HT）和抑制 5-HT 3型（5-HT3）受體或一氧化氮（NO）合酶而被阻斷。 Uneyama等（2006）通過腔內(nèi)灌注硝普鈉（一種NO供體）模擬傳入反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)NO供體誘導(dǎo)的傳入激活被5-HT3受體阻斷所消除。這一發(fā)現(xiàn)有力地支持了在NO和5-HT的刺激下，大鼠胃粘膜細(xì)胞與迷走神經(jīng)之間存在細(xì)胞間通訊的可能性。全身超過90%的5-HT分布在胃腸黏膜的腸嗜鉻細(xì)胞中，來自腸嗜鉻細(xì)胞的5-HT通過特異性識(shí)別胃腔中的Glu而發(fā)揮旁分泌功能，這與十二指腸中葡萄糖傳感系統(tǒng)的作用類似。

腸腔層營養(yǎng)物質(zhì)的傳感（感受）器是“腸傳感細(xì)胞”。營養(yǎng)感應(yīng)細(xì)胞主要分布在胃竇或十二指腸黏膜，當(dāng)這些細(xì)胞與管腔中營養(yǎng)物質(zhì)相互作用時(shí)，它們以內(nèi)分泌或旁分泌的方式釋放激素，通過內(nèi)分泌或迷走神經(jīng)途徑將管腔營養(yǎng)成分的信息傳遞給其他器官，包括大腦。然而，這些參與腸道營養(yǎng)感知系統(tǒng)的細(xì)胞在很長一段時(shí)間內(nèi)未被確認(rèn)。與口腔味覺細(xì)胞相似的類味覺細(xì)胞分布在胃和腸黏膜中，Ho..fer等（1996）認(rèn)為，這些類味覺細(xì)胞就代表了未知的傳感器細(xì)胞。隨后，隨著分子生物學(xué)技術(shù)在味覺研究領(lǐng)域的發(fā)展，人們已經(jīng)鑒定出幾種對(duì)不同氨基酸反應(yīng)的味覺感受器。代謝型谷氨酸受體、鈣敏感受體和味覺受體家族1成員1（T1R1）的異二聚體和T1R3、T1R1/T1R3都與舌頭的氨基酸感覺有關(guān)，這些同樣的受體也是管腔氨基酸感受器的候選受體。盡管在胃黏膜中感知Glu的分子機(jī)制還不清楚，但胃內(nèi)輸注MSG會(huì)引起迷走神經(jīng)反射，從而增加VGE，以及迷走神經(jīng)胰腺和腹腔的傳出活動(dòng)。另一種增強(qiáng)MSG與味覺受體結(jié)合的鮮味物質(zhì)肌苷5'-單磷酸，能夠協(xié)同增強(qiáng)鮮味強(qiáng)度，激活VGA和增加腹腔迷走神經(jīng)纖維的傳出活性 （Kitamura等，2011）。由于游離Glu與日糧蛋白質(zhì)的共存在食物中非常普遍，這表明胃中的Glu傳感系統(tǒng)有助于蛋白質(zhì)在胃中的消化，并且通過興奮迷走神經(jīng)傳入纖維，整合大腦中的營養(yǎng)信息。

相反，十二指腸內(nèi)注入氨基酸或寡肽會(huì)改變腹腔迷走神經(jīng)傳入纖維（VCA）的活動(dòng)，VCA活動(dòng)的改變引起植物神經(jīng)反射并調(diào)節(jié)各種內(nèi)臟功能。Niijima等（2005）報(bào)道，腸內(nèi)注入 MSG、賴氨酸和亮氨酸能夠引起VCA的興奮反應(yīng)；相反，腸內(nèi)注入甘氨酸、蛋氨酸和某些其他氨基酸則抑制VCA的興奮反應(yīng)。另外，腸內(nèi)注入MSG能夠?qū)е耉GE和胰腺迷走神經(jīng)傳出活動(dòng)增加，賴氨酸則誘發(fā)VGE活動(dòng)的長期增強(qiáng)，但是，腸內(nèi)輸注甘氨酸抑制了 VGE 活動(dòng) （Niijima 等，2005、2000、1991b）。Eastwood等（1998）用大鼠研究表明，十二指腸輸注蛋白質(zhì)水解物（如蛋白胨）也增加了腸系膜迷走神經(jīng)纖維的傳入活動(dòng)，表明十二指腸存在氨基酸傳感器或寡肽傳感器。

3 腸道營養(yǎng)刺激后的腦活動(dòng)變化

除了自主神經(jīng)反射外，攝入營養(yǎng)素的效應(yīng)在前腦中進(jìn)行加工處理，前腦決定食物是否好，并隨后調(diào)節(jié)采食行為。 Tsurugizawa等（2009a、2008）使用功能磁共振成像（fMRI）技術(shù)研究了大鼠大腦中哪些區(qū)域?qū)z入的營養(yǎng)物質(zhì)有反應(yīng)。結(jié)果表明，胃內(nèi)灌注一定量 （60 mM）MSG顯著激活了包括杏仁核、下丘腦外側(cè)、下丘腦背內(nèi)側(cè)和內(nèi)側(cè)視前區(qū)在內(nèi)的幾個(gè)腦區(qū)域；胃內(nèi)灌注葡萄糖激活了島葉皮質(zhì)、杏仁核、伏隔核（多巴胺終末投射區(qū)域）、下丘腦外側(cè)和腹內(nèi)側(cè)。經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練，可以增加對(duì)灌注溶液味道的偏好，這種模式被稱為條件性風(fēng)味偏好（CFP）。行為學(xué)研究表明，嚙齒動(dòng)物胃內(nèi)輸注碳水化合物、脂類和酒精可誘發(fā) CFP（Sclafani等，2007）。60 mM MSG胃內(nèi)輸注可誘發(fā)大鼠的CFP。盡管480 mM高滲葡萄糖水溶液能誘發(fā)CFP，但是，等能量 （60 mM）葡萄糖和等滲NaCl溶液不能誘發(fā)CFP，更高濃度的葡萄糖則會(huì)導(dǎo)致血糖和胰島素的升高（Uematsu 等，2010、2009）。這些結(jié)果表明，對(duì)調(diào)味液與MSG腸道輸注的偏好既不是由于熱量效應(yīng)，也不是由于高滲效應(yīng)誘導(dǎo)的。綜合分析以上腦功能成像和CFP研究結(jié)果，腦的前扣帶回皮質(zhì)、島葉皮質(zhì)、杏仁核、尾殼核、海馬和下丘腦外側(cè)等區(qū)域與CFP相關(guān)，尤其是下丘腦外側(cè)區(qū)是調(diào)節(jié)食物或液體攝入的重要區(qū)域（Tsurugizawa 等，2009a、2009b）。另外，Touzani等（2002）報(bào)道，胃內(nèi)輸注葡萄糖導(dǎo)致下丘腦外側(cè)部CFP降低，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)葡萄糖水平增加時(shí)，存在于下丘腦腹內(nèi)側(cè)的葡萄糖敏感神經(jīng)元被激活。還有研究表明，糖的攝入增加了大鼠伏隔核殼層區(qū)多巴胺的釋放，導(dǎo)致對(duì)所有的糖上癮（Mark等，1994）。另外有研究發(fā)現(xiàn)，胃內(nèi)灌注Glu并沒有激活伏隔核，腹側(cè)被蓋區(qū)神經(jīng)元的損傷沒有影響大鼠對(duì)Glu 的偏好（Shibata等，2009）。 結(jié)果表明，Glu 的攝入后效應(yīng)不同于糖和脂類。

功能磁共振成像顯示，Glu和葡萄糖激活大腦的時(shí)間過程是不同的。胃內(nèi)輸注60 mM Glu，只在輸注期間引起大部分大腦迷走神經(jīng)傳入激活。相比之下，胃內(nèi)注入60 mM葡萄糖可引起持續(xù)1 h以上的長期激活。大腦中這些不同的時(shí)間和區(qū)域激活模式是由于腸道和大腦之間不同的信號(hào)通路導(dǎo)致的，它們對(duì)攝食后行為產(chǎn)生顯著的影響。

4 腦-腸軸調(diào)控新陳代謝的信號(hào)機(jī)制

動(dòng)物攝取的食物作為胃腸道的營養(yǎng)素以自由形式被消化和吸收。營養(yǎng)物質(zhì)激活支配整個(gè)胃腸道的迷走神經(jīng)傳入纖維，然后將信息投射到腦區(qū)的孤束核（NTS），同時(shí)，胰島素和GLP-1等外周體液因子也被釋放。在胃和腸的管腔層（特別是十二指腸）表達(dá)有大量的化學(xué)感覺味覺受體和G蛋白偶聯(lián)受體。負(fù)責(zé)化學(xué)感知甜味和鮮味的T1R受體和介導(dǎo)化學(xué)感知苦味的味覺受體家族2（T2R）受體都在腸道中表達(dá)（Rozengurt等，2006；Dyer等，2005）。一種脂肪酸受體G蛋白偶聯(lián)受體120（GPR120）存在于口腔和胃腸道中，游離脂肪酸與他相互作用以誘導(dǎo)循環(huán)GLP-1的釋放（Hirasawa等，2005）。游離脂肪酸還與胃腸道中的另一個(gè)G蛋白偶聯(lián)受體GPR40相互作用，促進(jìn)GLP-1的分泌 （Itoh等，2003）和CCK 的分泌（Beardshall等，1989）。 GLP-1和 CCK在包括杏仁核在內(nèi)的幾個(gè)腦區(qū)可引起c-fos陽性免疫反應(yīng)（Viltart等，2006）。

電生理學(xué)研究表明，氨基酸和脂質(zhì)的胃內(nèi)和腸內(nèi)傳遞均能激活迷走神經(jīng)傳入反應(yīng)，門靜脈注射氨基酸也能激活迷走神經(jīng)傳入反應(yīng) （Niijima等，1995）。迷走神經(jīng)的傳入反應(yīng)對(duì)腸道營養(yǎng)信息向大腦的傳遞具有重要生理作用。有趣的是，行為學(xué)研究表明，腹腔迷走神經(jīng)切斷術(shù)消除了大鼠對(duì)胃灌注Glu 時(shí)的 CFP 反應(yīng)（Uematsu 等，2010），但不影響胃灌注碳水化合物時(shí)的CFP反應(yīng) （Sclafani等，1996）。fMRI研究表明，全迷走神經(jīng)切斷術(shù)和腹迷走神經(jīng)切斷術(shù)降低了Glu誘導(dǎo)的NTS和下丘腦激活，而全迷走神經(jīng)切斷術(shù)對(duì)葡萄糖誘導(dǎo)的腦激活沒有影響，這可能與胰島素的波動(dòng)相關(guān)（Tsurugizawa等，2009a）。迷走神經(jīng)切斷大鼠的fMRI研究結(jié)果與攝食后行為學(xué)研究結(jié)果一致，表明對(duì)Glu反應(yīng)的內(nèi)部信號(hào)主要涉及迷走神經(jīng)，而對(duì)葡萄糖反應(yīng)的內(nèi)部信號(hào)至少部分涉及胰島素。最后，動(dòng)物對(duì)不同的營養(yǎng)物質(zhì)有不同的攝食后效應(yīng)，導(dǎo)致前腦區(qū)域激活。大腦激活的時(shí)空模式可以將餐后維持體內(nèi)平衡的行為和生理效應(yīng)聯(lián)系起來。

5 日糧補(bǔ)充谷氨酸或谷氨酰胺對(duì)仔豬的重要性

谷氨酸和谷氨酰胺是哺乳仔豬和斷奶仔豬腸上皮細(xì)胞的主要代謝燃料，其中，谷氨酰胺是動(dòng)物血液和體組織中較為豐富的一種游離氨基酸。斷奶是仔豬的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，因?yàn)槿占Z和物理環(huán)境發(fā)生了重大變化。腹瀉是斷奶期間和斷奶后較嚴(yán)重的問題之一。添加谷氨酸或谷氨酰胺，不但可以調(diào)節(jié)日糧的風(fēng)味，還可以調(diào)節(jié)從液體到固體變化帶來的負(fù)面影響，并為腸道提供能量，改善腸道健康。敖翔等（2017）研究表明，在飼糧中添加1%谷氨酰胺可通過促進(jìn)腸道健康發(fā)育，改善養(yǎng)分表觀消化率，從而顯著提高斷奶仔豬生長性能。與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組前期和全期的日增重分別顯著提高30.55%和23.95%，料重比分別降低12.90%和13.33%。與劉濤等（1999）的研究結(jié)果相似。汪龍梅等（2016）和王秀英等（2016）研究表明，Glu 可以緩解LPS刺激引起的斷奶仔豬肝臟能量代謝紊亂和腸道損傷。Wu等（2012）研究表明，口服Glu可改善斷奶仔豬的腸黏膜形態(tài)，Glu與N-氨基甲酰谷氨酸（NCG）聯(lián)合應(yīng)用對(duì)腸上皮細(xì)胞增殖的影響優(yōu)于單獨(dú)應(yīng)用Glu。Wang等（2019）研究表明，即使在低能量日糧條件下，添加0.5%～1%的谷氨酸和谷氨酰胺也能減輕斷奶應(yīng)激對(duì)仔豬腸道屏障功能的損傷。Lerner等（2018）研究了MSG對(duì)保育豬生產(chǎn)性能的影響，結(jié)果表明，在整個(gè)保育期，飼料轉(zhuǎn)化率隨MSG的增加而降低，并沒有改善保育豬的生產(chǎn)性能。原因可能是隨著MSG添加量的增加 （0%、0.5%、1.0%、1.5%和 2.0%），日糧中 Na+不平衡，從而導(dǎo)致采食量減少。

6 結(jié)語

綜上所述，谷氨酸在鮮味和內(nèi)臟信息的感知、內(nèi)外分泌系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和興奮性神經(jīng)傳遞中起著重要的生理作用。日糧中谷氨酸也會(huì)刺激胃腸中的谷氨酸傳感器，對(duì)腸道功能產(chǎn)生局部影響。此外，通過釋放信號(hào)分子NO和5-HT，存在于腸道中的谷氨酸誘導(dǎo)迷走神經(jīng)傳入神經(jīng)纖維激活，進(jìn)而調(diào)節(jié)大腦中的一些靶區(qū)。谷氨酸的攝食后效應(yīng)也不同于葡萄糖和脂類。總之，日糧中的谷氨酸影響許多生理功能，在維持動(dòng)物體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和幼小動(dòng)物腸道健康方面具有廣泛的生理意義和營養(yǎng)作用。實(shí)際生產(chǎn)中，建議在哺乳仔豬、斷奶仔豬、病弱豬日糧中添加0.5%～1%的谷氨酸或谷氨酰胺，如果以谷氨酸鈉形式添加，需要注意離子的平衡。