丁酸对动物肠道健康的影响及水产应用前景

刘艳莉，胡 毅，钟 蕾，石 勇，顾 宇，李雅敏

( 1.湖南农业大学 动物科学技术学院，湖南省特色水产资源利用工程技术研究中心，湖南 长沙 410128； 2.水产高效健康生产湖南省协同创新中心，湖南 常德 415000 )

近年来，随着规模化和集约化养殖的迅速发展，鱼粉资源短缺和价格不断上涨，饲料成本急剧上升。植物蛋白源价格适宜、来源广泛，是鱼粉的理想替代品。但植物蛋白源含有大量的抗营养因子，适口性差、营养不均衡[1]。而滥用抗生素带来了药物残留、病原菌耐药性增加和食品安全等一系列问题[2-3]。目前欧盟多个国家均禁止使用饲用抗生素[4]，中国对饲用抗生素的管理与应用也越来越严格。寻找缓解动物健康问题的抗生素替代品刻不容缓。

丁酸是短链脂肪酸，主要由有益菌群[乳酸菌、双歧杆菌(Bifidobacterium)等]酵解不易消化的糖类(膳食纤维、抗性淀粉、低聚糖等)而产生[5]，具有优越的生理和生物学功能，一般通过丁酸盐或包膜丁酸盐等形式添加，可耐高温和耐酸，符合水产行业膨化饲料的发展需要，是抗生素类饲料添加剂的理想替代品。丁酸具有保护畜禽肠道屏障、提高肠道免疫及维护肠道微生态平衡等作用[6-7]，但有关丁酸对水产动物肠道健康影响的研究鲜有报道。水域环境恶化、抗生素的不合理使用及植物蛋白源中的抗营养因子，给水产动物带来了抗应激能力下降、肠道疾病频发等负面影响，困扰和危害了水产养殖业健康可持续发展。笔者综述了丁酸对畜禽动物肠道健康的保护作用及其机制，以及在水产动物上的相关研究，旨在为丁酸在水产动物饲料中的合理应用提供参考。

1 丁酸的理化性质

丁酸又称酪酸，化学式CH3CH2CH2COOH，相对分子质量为88.11，分子式见图1。为无色至浅黄色透明油状液体，有腐臭的酸味。与水混溶，亦可混溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，性质稳定。丁酸是一种天然物质，存在于大部分哺乳动物的消化道、乳汁、汗液甚至粪便中。目前在动物饲料中应用的主要是丁酸盐或丁酸酯，解决了丁酸有臭味和作为液体易挥发难以添加的缺点，具有促进机体肠道健康发育、提高免疫能力、促进营养物质消化吸收等功能[8]。

图1 丁酸分子式

2 丁酸在肠道中的代谢过程

丁酸首先经丁酸辅酶A合成酶转化成丁酸辅酶A，然后通过一系列反应快速生成乙酰辅酶A，最后通过肠上皮细胞羟甲基戊二酰辅酶A循环中的氧化作用进行能量代谢，无需经过肝胆吸收和复杂的三羧酸循环系统。正常生理情况下，丁酸在猪、禽等单胃动物盲肠或结肠处以阴离子形式存在，通过非离子形式被肠上皮细胞吸收后，进一步转运到肝脏进行代谢或者用作消化道上皮细胞的能源消耗[9]。而脂肪酸是很多鱼类的能量来源，一般是通过肉碱酰基转移酶的催化，以脂肪酸酯酰肉碱的形式被转运到线粒体，反转化为脂酰辅酶A衍生物，经过脱氢、水合、加氢和裂解4个步骤形成乙酰辅酶A和还原型辅酶Ⅰ。但丁酸在水产动物体内的具体代谢过程尚未见报道。丁酸在肝脏中可代谢成谷氨酸、谷氨酰胺和乙酰乙酸盐，而这些物质都是肠细胞的重要燃料[10]。丁酸具有水脂两亲性，在pH 4～6时不易被分解，部分可避过酸性环境的小肠，直接进入盲肠和结肠，被肠上皮细胞吸收利用，是结肠、盲肠能量的首选，约占短链脂肪酸所产能量的70%[10]。但丁酸及丁酸盐在胃酸的作用下，在胃部或者小肠上端就被迅速吸收，极少进入后肠。对丁酸衍生物的研究需进一步深入。包膜丁酸盐或丁酸酯能缓释丁酸不被胃酸分解而顺利过胃，在肠道中经过胰脂肪酶分解，释放出自由丁酸离子，作用于后肠[11]。短链脂肪酸为机体的主要能源物质，为脂肪代谢、蛋白质代谢、碳水化合物代谢等提供了能量[12]。丁酸在代谢过程中会产生乙酰辅酶A，能促进乙酰辅酶A合成脂肪，或通过羟甲基戊二酸单酰辅酶A途径促进胴体合成，促进了脂肪的吸收利用[13]。丁酸还可通过促进转运蛋白基因的表达来加快动物体内糖的分解代谢速率[14]。

3 丁酸对肠道黏膜的保护作用

肠道黏膜屏障主要由肠上皮细胞侧面的紧密连接、中间连接、桥粒和缝隙连接组成，主要通过通透性来高效选择肠微生物、毒素等进入机体。肠道黏膜形态结构是机体消化吸收的结构基础。肠黏膜上皮绒毛高度和杯状细胞数量的增加，即吸收面积的增加，能够增强机体对营养物质的消化吸收能力[15]。研究发现，畜禽动物如鸭[16]、肉鸡[17-18]、断奶仔猪[19]、犊牛[20]等动物的饲料中添加丁酸能有效对抗肠黏膜细胞凋亡，促进细胞增殖和生长修复，提高动物的肠道绒毛长度，降低隐窝深度，增加杯状细胞数量和肠道吸收面积，有利于缓解劣质蛋白源引起的损伤。王振锋[21]研究表明，丁酸对感染柔嫩艾美尔球虫(Eimeriatenella)的肉鸡肠黏膜也起到了很好的修复作用。

与畜禽动物相比，水产动物消化器官短，消化酶活性差，食物在肠道停留时间较短。许多水产动物如鲤科鱼类无胃，肠道承担着消化和吸收的双重功能，对饲料原料的要求较高。水产动物对蛋白质和脂肪需求量高，畜禽饲料配方中大多使用玉米和豆粕，而水产饲料中应用大量棉菜粕及一些非常规原料，含有抗营养因子，易产生蛋白质变质或脂肪氧化，损伤水产动物肠道。对黄颡鱼(Pelteobagrusfulvidraco)[22]、花鲈(Lateolabraxjaponicus)[23]等的研究发现，劣质蛋白源使肠黏膜的高度显著下降，上皮细胞界限变模糊甚至脱落，空泡增多，既限制了蛋白源的开发利用，又影响水产动物的生长。保护水产动物的肠道比畜禽更迫切。

张俊智[24]对黄鳝(Monopterusalbus)的研究表明，在低鱼粉饲料中添加丁酸钠能显著提高黄鳝肠道绒毛高度/隐窝深度值。孙浪等[25]研究发现，饲料中添加2.5 g/kg的丁酸钠显著提高了鲫鱼(Carassiusauratus)前肠绒毛高度/隐窝深度值以及肠道细胞增殖因子CREB和CDX2基因的表达。给建鲤(Cyprinuscarpiovar. Jian)饲喂包膜丁酸钠，能缓解氧化油脂的损伤，改善肠道状态，增加微绒毛高度和密度[26]。丁酸钠组罗非鱼(Oreochromis)小肠黏膜上皮较对照组完整，肠绒毛粗壮，肠绒毛的高度、宽度，肠黏膜肌层厚度均显著提高[27]。相似结果也见于菊黄东方鲀(Takifuguflavidus)[28]。以上研究表明，丁酸在水产饲料上有广阔的应用空间(表1)。但是，目前丁酸对水产动物肠道黏膜保护的机制研究很少，需进一步研究。

丁酸对机体肠黏膜形态的维护和修复作用显著，减轻肠黏膜结构损伤以及改善肠黏膜屏障的机制可能有以下几种情况：第一，丁酸可以刺激结肠内水和钠离子的吸收，促进黏膜修复酶的活性，同时刺激细胞内mRNA和蛋白质的合成，提高肠绒毛增殖效率，降低隐窝深度，增加绒毛宽度[29]。第二，丁酸影响紧密连接蛋白的表达[30-31]。第三，丁酸刺激了细胞有丝分裂，减少细胞凋亡；肥大细胞分泌的组胺使绒毛萎缩、隐窝加深和黏膜体积增大[32]，而丁酸控制了肠道组胺水平，从而改善了动物肠道形态的作用。

表1 丁酸及其衍生物保护动物肠道黏膜的部分应用

4 丁酸对肠道免疫炎症的抑制作用

在高密度集约化养殖常态下，水产动物生活在不同程度的胁迫之下，极大地影响机体肠道免疫功能。肠道免疫系统主要由大量弥散在黏膜上皮和固有层的免疫细胞(淋巴细胞、粒细胞、单核细胞等)、免疫分子(免疫球蛋白、补体、细胞因子等)等组成[33]。丁酸保护了肠上皮细胞的完整性。在仔猪[34]饲料中添加丁酸钠可以增加空肠和回肠黏膜上皮内淋巴细胞、肥大细胞和杯状细胞的数量，表明丁酸具有提高肠道免疫屏障功能的作用。黏蛋白由杯状细胞分泌，覆盖在黏膜表层，是肠道非特异性免疫的重要组成部分。当机体缺乏黏蛋白时，肠炎等病症加重，口服丁酸盐可以有效缓解[35]。丁酸通过诱导Ca2+流动、促进ERK1/2和p38 MAPK磷酸化、中性粒细胞脱颗粒和胞外诱捕网的形成，调节中性粒细胞的功能，影响固有免疫应答效应[36]。在T淋巴细胞和B淋巴细胞增殖分化中，丁酸作为一种组蛋白去乙酰化酶抑制剂也起到了促进作用，加强了肠道黏膜免疫应答[37-38]。

有关免疫分子的相关研究也较多。核转录因子-κB是炎症发生的重要信号通路之一，在免疫炎症早期，能调节白介素-1β、白介素-2、白介素-6、肿瘤坏死因子-α、环氧酶-2等细胞因子的表达，减少炎症的发生和发展，而丁酸可以通过抑制核转录因子-κB的激活有效发挥抗炎作用[39]。丁酸具有抑制JAK-STAT通路活性的作用[40]。丁酸或丁酸盐还通过促进前列腺素E2的分泌，抑制肿瘤坏死因子-α、白介素-6等促炎性细胞因子的分泌[41]。体外细胞培养试验表明，丁酸钠能明显提高肠道上皮细胞特异转录因子COX-2mRNA及其蛋白的表达水平[42]。丁酸还可抑制肿瘤坏死因子-α和白介素-13的释放和组蛋白去乙酰化，进而影响封闭蛋白2、细胞膜闭合蛋白和扣带蛋白等表达，恢复炎性肠炎的紧密连接[31]。鞠婷婷等[43]试验证明，丁酸钠能降低黄羽肉鸡血清中白介素-6的含量，增强抗炎功能。添加丁酸盐增强了欧洲鲈鱼(Dicentrarchuslabrax)的白介素-1β、白介素-8、干扰素调节因子1和肿瘤坏死因子-α的表达[44]。上述研究表明，丁酸可控制免疫细胞或免疫分子调节肠道免疫应答，抑制肠道炎症，而在水产动物中的利用效果和机制需进一步研究。

5 丁酸与肠道菌群的关系

肠道是一个生物量庞大且层次复杂的微生态系统。正常状态下，肠道细菌维持菌群稳定，有益细菌如双歧杆菌、乳酸菌等形成菌膜屏障，抑制有害细菌的生长和繁殖[45]。稳定的微生物菌群有助于提供能量和营养素，提高动物抵抗力，免受外来有害细菌的感染。

水产动物肠道菌群极易受水环境和饵料的影响，绝大多数细菌不能在消化道中生存。大口黑鲈(Micropterussalmoides)摄食冰鲜鱼时，促进了拟杆菌等有益菌在肠道内的定殖，肠道菌群多样性显著高于人工饲料组[46]。对肉鸡[47-48]、仔猪[49]的研究表明，丁酸降低了肠道的pH，酸性环境更适合乳酸菌等有益菌，添加酸化剂能增加机体肠道中乳酸杆菌数量，降低大肠杆菌数量，优化肠道微生物区系。Zhou等[50]用高脂饲料饲喂小鼠，结果显示，丁酸钠可以恢复小鼠肠道微生态群的生态失调，减轻脂肪肝的发生。其原因可能为，脂肪组织是肠道微生物代谢物的富集靶点，微生物代谢影响肝脏脂肪的沉积。另有研究发现，有益芽孢杆菌(Bacillus)可促进机体免疫器官内T、B淋巴细胞的成熟，增加其数量，增强机体免疫功能[51]。在凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)[52]饲料中添加三丁酸甘油酯和包膜丁酸钠均显著减少机体肠道致病性弧菌数量，其中1.5 g/kg 三丁酸甘油酯组致病性弧菌数量减少22.4%，减少量最高。在中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)[53]饲料中添加聚β-羟基丁酸酯，显著影响了肠道菌群丰度，且存在时间依赖性。上述研究表明，丁酸能选择性的抑制有害菌的增殖，促进乳酸菌等有益菌的增殖，改善机体肠道微生态，促进动物健康。

6 丁酸的抗肿瘤作用

在正常细胞中，丁酸提供肠上皮细胞呼吸能源，诱导隐窝基底细胞的增殖和成熟，改善正常组织形态结构；而在癌细胞中，丁酸却能抑制肿瘤细胞增殖，促进肿瘤细胞调亡和良性分化。丁酸的这种矛盾作用方式称为“丁酸悖论”[10]。丁酸对癌细胞具有抗增殖和促凋亡作用早已被证明[54-55]。目前对丁酸抗肿瘤作用的研究主要集中在小鼠或人上，在水产动物中尚无报道。

丁酸发挥抗癌作用主要是其作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂，可以上调多种促凋亡因子(Bid、Bad、Fas、Caspase)和下调多种抗凋亡因子(Bcl-2、Bcl-XL、XIAP)的表达[56]。丁酸可下调mRNA活性，增强腺苷酸活化蛋白激酶活性，诱导结直肠癌细胞自噬[57]，或通过miR-203/NEDD9级联诱导结直肠癌细胞凋亡，抑制结直肠癌细胞增殖[58]。4-苯基丁酸激活肝癌细胞的自噬作用，防止脂质积累，防护脂毒性[59]。丁酸可降低肠道pH，减少次级胆汁酸含量，改善肠道健康，可预防结肠癌[60]。李桃桃等[61]试验表明，丁酸可促进多形核白细胞—骨髓衍生抑制细胞的增殖和活化，缓解小鼠的结肠炎。丁酸钠可抑制缺氧诱导因子-1α，抑制人结肠癌细胞SW480的上皮间质转化及其迁移和侵袭能力[62]。饲料中丁酸能增强DNA受损细胞的凋亡应答，起到诱导非正常细胞凋亡、防治细胞癌变的作用。而Xie等[63]证明丁酸钠可调节MDM2癌基因—抑癌基因p53反馈环，增强抑癌基因表达并降低MDM2癌基因表达；丁酸钠会抑制小鼠骨肉瘤细胞的生长，而对小鼠的活性和体质量无显著影响。

上述研究表明，丁酸在诱导病变细胞凋亡中具有极大潜力。水域环境恶化、抗生素滥用、营养失衡等严重影响水产动物的免疫功能，机体细胞产生病变或炎症，疾病也愈加复杂，危害着水产动物的健康。细胞学、分子生物学等技术的不断发展提供了更多新思路和手段，可利用这些技术探讨丁酸缓解水产动物炎症反应的效果和机制。

7 小 结

随着研究的深入，丁酸的生物学功能逐渐被发现，在养殖业中的应用也愈加受到人们重视。但丁酸的臭味和易挥发等缺点限制了其在饲料中的利用。丁酸衍生物(丁酸盐、丁酸酯及包被丁酸盐等)的开发利用，改善了丁酸的应用现状。目前丁酸的大多数研究均集中在畜禽动物上，对水产动物的应用还很欠缺，需要利用现代的蛋白质组学及分子组学技术，更多关注水产动物健康研究。根据丁酸在畜禽动物上的经验，今后在水产动物上的研究应着重于：(1)了解丁酸对水产动物营养生理、肠道健康及免疫机能等影响；(2)深入研究丁酸影响水产动物肠道健康、营养代谢及免疫机能的机制；(3)大规模试验来确定水产动物的丁酸最适需要量，研发出适合养殖生产的饲料级丁酸及衍生产品。值得注意的是，丁酸对结直肠癌的抑制作用，可以探讨丁酸对水产动物病变细胞是否起相似作用。