瘤胃微生物与反刍动物产品脂肪酸组成的关系

■金 磊 王立志王之盛 薛 白 彭全辉

(四川农业大学动物营养研究所，四川成都611130)

人类消费的动物产品中脂肪酸的组成与人体健康密切相关[1-4]。与单胃动物相比，反刍动物产品（牛、羊肉和奶）中脂肪酸的饱和度较高，且含有支链和反式脂肪酸。导致这种差异的最根本原因是反刍动物具有特殊的瘤胃器官，瘤胃中共生的微生物直接影响其产品脂肪酸的组成与结构。本文主要就反刍动物瘤胃微生物与其宿主产品中脂肪酸组成的关系进行了综述。

1 反刍动物产品脂肪酸的来源

反刍动物产品中沉积的脂肪酸来源于三个方面：第一是日粮中天然含有的脂肪酸。反刍动物常用饲料中的脂肪酸以18个C原子的不饱和脂肪酸（UFA）为主（见表1），其次是16个C原子的饱和脂肪酸（SFA）。当反刍动物日粮中的脂质进入瘤胃后，瘤胃中的微生物能分泌酯解酶将其水解为游离的脂肪酸，饱和的游离脂肪酸经过瘤胃到达小肠后被吸收进入体内，绝大多数UFA在瘤胃被微生物所氢化，仅有少量能最终直接沉积到动物的肉、奶中。

表1反刍动物常用饲料原料及产品脂肪酸组成[6-15]（g/100 g）

第二是来源于瘤胃微生物从头合成的脂肪酸。瘤胃微生物能利用瘤胃发酵产生的挥发性脂肪酸（VFA）合成自身生长所需的脂肪酸，主要是利用乙酸合成C18∶0、C16∶0和C14∶0等偶数碳链脂肪酸，利用丙酸合成奇数碳原子脂肪酸（如：C15∶0、C17∶0等），还能利用异丁酸、异戊酸和2-甲基丁酸合成支链脂肪酸（如：iso C15∶0、inteiso C15∶0等）[5]。当瘤胃微生物死亡进入小肠后，这些脂肪酸会被宿主消化吸收后沉积到肉、奶中。这也是反刍动物产品中奇数碳链和支链脂肪酸含量高的重要原因。

第三是来源于反刍动物自身体组织从头合成的脂肪酸。例如奶牛瘤胃发酵产生的乙酸，被瘤胃壁吸收后通过血液循环进入乳腺，在乙酰CoA合成酶的作用下转化为乙酰CoA，并以2C单位进行延长，最终合成C4∶0～C16∶0的饱和脂肪酸。

2 瘤胃微生物对反刍动物产品奇数碳链和支链脂肪酸的影响

根据脂肪酸的结构可以将奇数碳链和支链脂肪酸（BCFAO）分为直链脂肪酸和支链脂肪酸，支链脂肪酸又分为异构（iso）和反异构（inteiso）支链脂肪酸，它们均为饱和脂肪酸。反刍动物产品中BCFAO的含量远高于猪肉（表1），它们主要来源于瘤胃微生物的从头合成，日粮中天然含有的以及动物自身合成的BCFAO量非常少，几乎可以忽略。研究发现，瘤胃VFA浓度与牛奶中BCFAO含量之间的存在显著的相关关系。当给瘤胃灌注丙酸后，乳脂中BCOFA，尤其使C15∶0和C17∶0的含量会显著增加[16]。刘可园等[17]研究发现，除了发现乳脂中C15∶0和C17∶0含量与瘤胃中的丙酸浓度存在显著正相关外，还发现isoC16∶0与异丁酸显著正相关，isoC15∶0与异戊酸显著正相关。瘤胃VFA是由微生物发酵产生的，在日粮一定的情况下，瘤胃微生物的结构与组成决定了VFA各组分的比例和浓度。增加瘤胃中溶纤维丁酸弧菌、白色瘤胃球菌、产琥珀酸丝状杆菌等纤维降解菌群的相对丰度，会使瘤胃降解碳水化合物的能力增强，丙酸的产量增加，从而能为微生物BCFAO的合成提供了更多的底物，最终能使反刍动物产品中BCFAO含量增加[18]。李香子[19]研究发现，提高瘤胃中Bacteroidetes的丰度，降低Firmicutes的比例，会导致瘤胃中的丙酸含量增加，乳脂中C15∶0的比例增大。

瘤胃微生物菌属不同，合成的BCFAO种类也不同，细胞膜上BCFAO的组成也存在较大差异。例如：纤维分解菌中，产琥珀酸丝状杆中直链脂肪酸含量较高，黄色瘤胃球菌（Ruminococcus flavefaciens）细胞膜中奇数碳链异构脂肪酸的含量较高（(isoC13/15/17∶0），而白色瘤胃球菌（Ruminococcus albus）中偶数碳链异构脂肪酸的含量较高(isoC14/16∶0)。淀粉分解菌和杆菌属主要合成反异构十五酸(anteisoC15∶0)。丁酸弧菌属细胞膜中BCFAO的组成最为复杂，与其它菌属存在显著差异性[20-23]。各种瘤胃微生物合成BCFAO的底物偏好也存在差异，产琥珀酸丝状杆菌（Fibrobacter succinogenes）需要利用异丁酸和戊酸合成C13∶0、C15∶0、iso C14∶0和iso C16∶0作为细胞膜磷脂，而白色瘤胃球菌除了能利用异丁酸和异戊酸合成isoC14和iso16∶0外，还可以利用2-甲基丁酸合成iso C15∶0和inteiso C15∶0[24]。

3 瘤胃微生物对反刍动物产品脂肪酸饱和度的影响

反刍动物产品SFA与UFA的比值远大于猪肉和鸡肉（见表1），原因是反刍动物自身及瘤胃微生物从头合成的脂肪酸都是饱和的，饲料是其UFA唯一可能的来源。但饲料中的UFA在瘤胃中都要经历微生物的氢化作用，等其到达小肠时饱和度已显著提高。所谓瘤胃氢化是指瘤胃微生物在金属催化剂的作用下将氢加成到UFA的双键上，将UFA转化为饱和代谢产物的过程。

目前普遍认为瘤胃发生氢化的原因是由于UFA对微生物具有毒性作用，瘤胃微生物通过氢化的方式来消除其对自身的不利影响。迄今为止，已从瘤胃中分离培养出了多种氢化菌。这些细菌在氢化UFA的过程中存在分工协作。以亚油酸（LA）的氢化为例，隶属于丁酸弧菌属的Butyrivibrio fibrisolvens和Clostridium proteoclasticum先是将LA氢化为TVA（trans-11-C18∶1），TVA再在Fusocillus、Gram-negative rod、Butyrivibrio hungateiSu6、Butyrivibrio proteoclasticus和Clostridium proteoclasticum等瘤胃氢化菌的作用下进一步被氢化为硬脂酸（SA）[25-27]。同样隶属于丁酸弧菌属，Clostridium proteoclasticum能将TVA进一步氢化SA，而Butyrivibrio fibrisolvens不但不能完成此步骤，还能抑制其它菌氢化TVA[28]。Zhu等[29]研究发现，在瘤胃丁酸弧菌菌群总丰度保持基本不变的情况下，Butyrivibrio fibrisolvens的相对丰度越高，瘤胃中TVA的累积越多，SA的浓度越低。

反刍动物日粮中天然含有的亚麻酸（C18∶3，LNA）也是瘤胃细菌氢化的主要对象。最新的研究发现，羊肉中LNA的含量与拟杆菌属的相对丰度至今存在显著负相关关系[30]，提示拟杆菌属可能是瘤胃LNA氢化主要微生物。遗憾的是，迄今为止并未见拟杆菌属的相对丰度与LNA瘤胃氢化中间产物以及终产物相关性的研究报道。因此，拟杆菌属在瘤胃氢化过程中的贡献率仍未知。此外，埃氏巨型球菌（Megasphaera elsdenii）、双歧杆菌（Bifidobacteria）、乳酸杆菌（Lactobacilli）和链球菌（Streptococci）等菌株也已经被证实参与了瘤胃脂肪酸的氢化过程[31-33]。Boeckaert等[34]还发现了一种介于丁酸弧菌属和假丁酸弧菌属之间的毛螺旋菌，并证实毛螺旋菌与瘤胃氢化产物SA的生成有关。

4 瘤胃微生物对反刍动物产品反式脂肪酸的影响

反式脂肪酸（TFA）是至少含一个双键、具有反式结构的不饱和脂肪酸。反刍动物产品中TFA主要源于瘤胃不饱和脂肪酸的不完全氢化。饲料中天然存在的脂肪酸都是顺式构象的，当它们进入瘤胃后，瘤胃微生物分泌的异构酶先将其中的不饱和脂肪酸转化为反式构象的TFA，再进一步将其氢化为饱和脂肪酸。在此过程中总会有TFA会逃脱氢化而直接进入肠道被吸收，最后沉积到产品中。

微生物种类不同，异构不饱和脂肪酸的能力也不同。迄今为止，Butyrivibrio fibrisolvens是瘤胃内发现的异构LA最活跃的菌，它分泌的异构酶可将LA异构为cis-9，trans-11 CLA，有些菌株如溶纤维丁酸弧菌JW11还可以分泌还原酶进一步将cis-9，trans-11 CLA还原为trans-11-C18∶1 TVA[35]。刘仕军[36]研究发现，溶纤维丁酸弧菌hungatei Su6菌株和溶纤维丁酸弧菌JK684菌株的丰度与瘤胃TVA的含量存在显著正相关，提示这两个菌株也具有分泌还原酶的能力。而Fukuda等[37]分离出的一株未知溶纤维丁酸弧菌菌株却缺乏将CLA还原成TVA的能力，它可以使瘤胃积累更多的CLA。研究还发现，当瘤胃pH值接近中性时，瘤胃中trans-11-C18∶1 TVA和cis-9，trans-11 CLA的量会增加[38]。造成这种现象的原因可能是，瘤胃pH值影响分泌亚油酸异构酶和还原酶的菌群相对丰度，最终导致瘤胃中亚油酸异构酶和还原酶的分泌量发生改变。也可能是瘤胃pH值影响了这两种酶的活性，因为已有研究表明这两种酶都是pH值敏感型[39-40]。

杨波[41]研究发现，乳酸杆菌也能分泌催化LA异构为CLA的亚油酸异构酶，并通过检测酶的表达产物，推测乳酸杆菌亚油酸异构酶是一个复合酶系统，其中包括3种酶：亚油酸水合酶、短链脱氢酶/氧化还原酶、乙酰乙酸脱羧酶，缺少其中任何一种酶都无法发挥其作用。但目前为止，还未在溶纤维丁酸弧菌以及其他的菌属中发现与乳酸杆菌相似的研究结论。Kim[42]发现，埃氏巨形球菌也能将LA异构为TVA和CLA，但贡献大小有待于进一步研究。

cis-9，trans-11 CLA的保健作用已得到全世界的公认[43]。因此，如果能通过调控微生物亚油酸异构酶的活性来提高LA转化为CLA的效率，并同时抑制还原酶的活性，阻止CLA被还原为TVA，或许就能实现反刍动物产品中健康脂肪酸的积累。但目前还未见相关研究报道。

5 小结与展望

随着人们生活水平的不断提高，消费者越来越重视食品对健康的影响。如何通过营养调控手段来提高反刍动物产品中有益于人类健康的脂肪酸的沉积，将是未来反刍动物营养研究的新方向。已有的研究表明，瘤胃微生物与宿主产品中脂肪酸组成之间存在显著的相关性。但以往受研究手段的限制，二者之间的关系还未能被人们全面认识。近年来，随着二代高通量测序技术在瘤胃微生物研究上的广泛应用，全面、系统地揭示瘤胃微生物与宿主产品脂肪酸组成之间的关系已为时不远。