短鏈脂肪酸在水產養殖中的應用研究進展

鄭海玲， 孫金輝， 崔 培， 喬秀亭， 孫 超，程鎮燕

（1.天津農學院水產學院，天津西青 300384；2.天津市水產生態及養殖重點實驗室，天津西青 300384；3.天津現代天驕水產飼料股份有限公司，天津寶坻 301800）

短鏈脂肪酸（SCFAs）是一種由碳含量低于6個碳原子組成的有機物質，主要由膳食纖維、抗性淀粉、低聚糖等難消化糖發酵而成，具有重要的生物學意義和生理功能。 魚類腸道中最豐富的是乙酸（SA）、丙酸（SP）、丁酸（SB）及其鹽類（Tran 等，2020）。 乙酸可被宿主吸收利用，作為宿主的能量基礎，起著至關重要的作用，每天供給機體10%的能量；丙酸被吸收到血液，在肝內進行代謝，由丙酮轉變為葡萄糖，并能阻止油脂生成；丁酸可用于上皮細胞，調節機體的代謝和生理功能（朱滔等，2022）。

1 短鏈脂肪酸的作用機理

機體腸道含有大量微生物， 稱為腸道微生物群， 微生物結構和功能的改變與各種疾病的發病機制有關，SCFAs 主要發生在遠側的小腸和結腸，而不易消化的糖類則被一些細菌如假桿菌、 厚壁菌、放線菌等所利用，產生SCFAs 進而影響宿主的能量穩態（Chakraborti 等，2015）。SCFAs 可影響機體的許多器官和組織的生理功能， 不但能促進和維持腸道健康，而且還參與免疫調節。SCFAs 作為腸道微生物組和免疫系統之間通信的中介，產生的信號通過游離脂肪酸受體在免疫細胞中轉移（Ratajczak 等，2019）， 通 過G 蛋 白 偶 聯 受 體（GPCRs）的活化從而導致細胞增殖或分化，或是通過抑制組蛋白去乙酰化酶（HDAC）來調節免疫反應 （王可鑫等，2020； Daniela 等，2019；Renato等，2011）。SCFAs 不但是腸道內的主要能源，其還可以與細胞表面的GPCRs 結合并激活相關的腸道免疫反應， 從而調節腸道穩態（趙越等，2022；Corrêa-Oliveira 等，2016）。 Frost 等（2014）發現，SCFAs 對宿主代謝也具有有利的作用， 乙酸鈉通過改變下視丘中控制食欲的神經肽的表達， 并激活TCA 循環，從而減少食欲；丙酸鈉對腸內糖異生有活化作用，從而促進代謝（Filipe 等，2014）；丁酸鈉可以通過增加棕色脂肪中兩種相關產熱蛋白（過氧化物酶體增殖γ-1α 共激活受體和蛋白質-1 解偶聯）的表達，增加能量消耗和脂肪氧化來減輕體重（Dallas 等，2011）。

2 短鏈脂肪酸在水產養殖上的應用

2.1 改善水產動物的生長 糖類或脂類作為能源物質，其能夠為魚提供能量，減少飼料中的蛋白質攝入量， 從而節約蛋白質， 還可減少水體污染（Hu 等，2014）。但是，一些魚類對糖的利用能力較低，飼料過高水平的糖不僅會引起代謝紊亂，增加機體肥滿度， 導致腹部脂肪堆積及生長性能下降（Wu 等，2021），還會引起氧化應激，對線粒體功能造成不良影響， 抑制先天免疫以及一系列的代謝綜合征（Lin 等，2018），這在對黃顙魚（張麗等，2021）、吉富羅非魚（馮婧昀，2020）、團頭魴（蔣陽陽，2012）的研究中均有發現。

目前， SCFAs 及其鹽通常被認為是安全的，在飼料工業中可用作抗菌劑（鐘頌石等，2022；Hoseinifar 等，2017）。 Safari 等（2017）報道，隨著飼料中丙酸鈉水平的升高，鯉促生長因子（IGF-1）和生長激素（GH）的轉錄水平顯著上調，說明丙酸鈉對其生長產生有益作用。Sheikhzadeh 等（2021）進行50 d 的喂養試驗發現，飼料5 g/kg 丙酸鈉使金魚終末體重和特定生長率顯著提高， 在白鯨鱘（Ahmadifar 等，2022）、 里海白魚 （Hoseinifar 等，2016）也得到了相似的結果。 同樣地，乙酸鈉處理后的膳食日糧喂養鯉魚發現， 其IGF-1 和GH 表達也顯著增加（Roghieh 等，2020）。 補充適當水平的乙酸鈉可促進卵形鯧鲹幼魚的生長和采食量，且最佳補充量為1423.67 mg/kg （Xun 等，2022）。Bruno 等（2016）在膳食日糧中添加不同濃度的丙酸鈉和丁酸鈉發現，對蝦的終末體重均有所增加，飼喂2%丁酸鹽對蝦的餌料效率和成活率均高于對照組。 Monier 等（2022）研究發現，日糧納米丁酸鈉顯著改善了尼羅羅非魚的生長性能， 其最佳水平為1.0 ~ 2.5 mg/kg。 Liu 等（2017）證實，將0、500、1000、2000、3000 mg/kg 丁酸鈉加入草魚基礎飼料中后，1000 mg/kg 組和2000 mg/kg 組的特定生長率顯著增加，3000 mg/kg 組的最低，說明適當補充丁酸鈉可以提高草魚幼魚的生長性能。Ke 等（2022）在石斑魚上也得到了相似的結果。 所有這些研究表明，適當水平的SCFAs 可以改善水生動物的生長性能。但是，杜藝（2019）在松浦鏡鯉上的研究得到了相反的結果， 添加丁酸梭菌和丁酸鈉對其生長性能沒有顯著影響，這可能與魚的種類、年齡、飼料成分和添加劑的添加劑量有關。

2.2 調節腸道菌群 腸黏膜屏障功能完整、通透能力強，是腸道健康的重要組成部分。腸道屏障受損表現為腸道菌群數量發生變化， 腸壁的通透性增加導致內毒素直接通過腸壁進入血管（Potrykus等，2022；楊俊英等，2021）。SCFAs 通過對腸道中微生物成分的改變，促進有益菌的生長，抑制有害菌的生長來調節腸道菌群的平衡（張亞琨等，2023）。腸道微生物菌群組成和相對豐度受到影響，會導致魚類對致病菌的抵抗力降低，免疫性能低下（劉寒等，2018；許霄霄，2017）。SCFAs 被認為是調節膳食纖維和腸道微生物群從而改善健康的有益參與者，是腸道上皮細胞的重要能源，其可以促進上皮細胞的生長和分化，保持腸道黏膜的機械屏障（蒙丹麗等，2018；Sivaprakasam 等，2016）。研究表明，SCFAs能使胃腸道pH 下降，對大腸桿菌等有害菌產生抑制或殺滅，促使有益菌的繁殖，從而使動物腸道內的微生物發生變化（陳福等，2019）。 日糧中添加中短鏈脂肪酸甘油酯可顯著增加乳桿菌屬、布勞特氏菌屬、柔嫩梭菌屬等的豐度，從而增加腸道SCFAs的含量（張萌，2020）。 日糧中適當水平的丁酸鈉增加了草魚幼魚腸道中有益乳酸桿菌的數量，并減少了有害氣單胞菌和大腸桿菌的數量 （Tian 等，2017）。 Liu 等（2019）發現，飼糧中加入丁酸鈉顯著提高了變形菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteriota）的相對豐度，降低了擬桿菌屬的相對豐度， 說明丁酸鈉對腸道微生物群發揮有益作用。此外，與對照組相比，用含丁酸鈉的飼料喂養歐洲鱸，其腸道總微生物量呈減少趨勢，且弧菌屬（Vibrio）接近于零， 鱸魚的健康狀況和腸道功能得到了明顯改善（Elham 等，2020）。 在斑馬魚日糧中添加乙酸鈉可通過降低鄰單胞菌（革蘭氏陰性桿菌，水產動物潛在的病原體）的相對豐度對腸道健康產生積極影響（Zhang 等，2020）。

2.3 對糖、脂代謝的影響 SCFAs 作為脂肪酸家族的成員之一，為水產動物脂質合成提供了底物，同時乙酸鈉、丙酸鈉能夠刺激脂質積累，具有抗脂解活性（Hong 等，2005）。劉宇（2018）發現，日糧添加乙酸鈉會促進胰島素分泌， 進而使脂肪蓄積增加。作為宿主的能量來源之一，理論上增加內源性SCFAs 的合成，可促進能量儲存，導致肥胖癥的增加，但一些研究證實，SCFAs 可能對肥胖相關的代謝紊亂有改善的作用（劉倩等，2018）。在水產動物上的研究結果表明，SCFAs 的添加降低了魚體血清總蛋白及膽固醇的含量， 并通過抑制魚體腹腔脂肪和肝胰臟脂肪積累來緩解脂肪沉積（晏顯芳等，2021）。 目前關于SCFAs 對糖脂代謝的研究主要針對于陸生動物，水產中的研究較少。

SCFAs 主要依賴于GPCRs 受體發揮作用，其激 活 的GPCRs 受 體 主 要 為GPR43、GPR41、GPR109a。 SCFAs 通過與其受體結合在各種細胞中充當信號分子，GPCRs 是由橫跨7 個跨膜的單個多肽鏈形成的受體， 可以與細胞外的各種配體結合以調節多種生理反應 （伏春燕，2017）。 SCFAs 通過激活GPR43 來刺激胰高葡萄素樣蛋白-1 （GLP-1） 分泌， 以及降低胰高血糖素的產生（Barrera 等，2011）。 GPR43 作為一種能量速率傳感器，對機體的能量平衡、新陳代謝環境具有重要意義（Hara 等，2014）。 在水產動物上關于GPR43和糖代謝的研究還很罕見，劉宇（2018）發現，飼料中添加乙酸鈉會促進斑馬魚攝食和胰島素分泌，但并未發現乙酸鈉添加對糖異生和糖酵解水平的顯著性影響。 但是幼鯉飼料中添加0.5%和1%乙酸鈉經腸道吸收并轉運到肝胰腺后， 可以有效調節包括糖酵解、糖異生、糖原合成和糖原分解在內的糖代謝途徑（Feng 等，2022）。 腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）是肝臟糖代謝的重要調節通路，研究發現丙酸鈉可以通過激活AMPK 來減弱葡萄糖6-磷酸酶（G6Pase）和磷酸烯醇式丙酮酸羧酸激酶（PEPCK）這兩種糖異生關鍵酶的基因表達，從而降低葡萄糖異生作用（Hiroki 等，2019）。

2.4 緩解腸道炎癥 短鏈脂肪酸（SA、SP、SB）除了可以防止飲食誘導的肥胖和胰島素抵抗之外，還與抗炎、 能量代謝疾病有很大的關系 （楊東明等，2019；Lin 等，2012）。 喂食高碳水化合物飼料之后的尼羅羅非魚體重增加， 但對細菌的耐藥性很差，白細胞介素1β（IL-1β）、白細胞介素-12（IL-12）、腫瘤壞死因子（TNF-α）、白細胞介素-6（IL-6）炎癥因子顯著升高，添加乙酸鈉后，最終體重沒有呈現顯著性增加， 但能夠顯著提高魚體對細菌的抗性，在一定的劑量下， 乙酸鈉能抑制p38 蛋白激酶（p38MAPK）和核轉錄因子（NF-κB）的活性，從而減輕高糖血癥所致的腸黏膜炎癥反應（Li 等，2020）。Sun 等（2022）研究發現，高豆粕飲食中添加丙酸鈉可緩解幼年大菱鲆的炎癥癥狀， 提高抗感染能力。飼料中添加丁酸鈉通過上調腸道緊密連接蛋白基因的表達，下調TNF-α 和NF-κB 基因表達來緩解高豆粕日糧引起的腸道損傷， 還可以通過核轉錄E-2-相關因子2（Nrf2）、c-Jun 氨基末端激酶（JNK）和肌球蛋白輕鏈激酶（MLCK）信號通路增強草魚幼魚腸道的物理屏障（Liu 等，2019；Wu 等，2018）。可見，SCFAs 可通過p38MAPK 和NF-KB 等信號通路來緩解腸道炎癥，維持腸道健康。

3 小結

綜上所述，SCFAs 與機體免疫，腸道炎癥和調節能量代謝的關系密切， 可以提高腸道上皮屏障功能，提高腸道菌群結構對機體健康的作用。在水產動物上的研究表明，SCFAs 可通過上調促生長因子和生長激素來促進機體的生長； 通過降低胃腸pH 來抑制或殺滅，諸如大腸桿菌等有害細菌，從而提高動物的腸道微生物結構； 也可通過p38MAPK 和NF-KB 等信號通路來緩解腸道炎癥，維持腸道健康。 近年來研究發現，SCFAs 在改善糖脂代謝方面有很大作用， 可通過促進脂肪分解和氧化來抑制高脂飲食引起的肥胖。 目前在畜禽上已有研究，但是在水產方面研究較少，因此進一步明確SCFAs 對水產動物糖脂代謝的調節機制，將有助于肥胖、代謝紊亂等疾病的防治。