短链脂肪酸的生理功能及其在奶牛生产中的研究进展

2021-08-23唐文浩张养东王加启

饲料工业 2021年15期

■唐文浩张养东* 郑楠王加启

（1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，农业农村部奶及奶制品质量安全控制重点实验室（北京），北京 100193；2.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

SCFAs具有多种重要的生物学功能。SCFAs作为一种绿色环保安全无污染的新型饲料添加剂，可部分代替抗生素的作用，本文就SCFAs在动物体内的形成吸收代谢过程、主要的生理功能和在奶牛生产中的应用等进行综述，旨在为SCFAs的开发利用提供理论基础。

1 SCFAs的理化性质、形成转化与吸收利用

1.1 SCFAs的理化性质

SCFAs又称挥发性脂肪酸，主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸等（见表1），纯净的SCFAs是无色油状液体，有刺激气味，相对密度为0.95～1.05，并可与水互溶，SCFAs的沸点为117.9～163.5℃，其中，浓度高的甲酸易结冰，甲酸由一个氢原子和一个羟基直接相连，同时具有酸和醛的性质；乙酸中包含的乙酰基，是所有生命的基础，当乙酸与辅酶A结合后，就成为了碳水化合物和脂肪新陈代谢的中心；纯丙酸是无色、有腐蚀性的液体，具有刺激性气味，可用作酯化剂、硝酸纤维素的溶剂、食品防腐剂和防霉剂等；丁酸又称酪酸，沸点为162.5℃，熔点-4.7℃，有难闻的酸臭味，是反刍家畜瘤胃微生物对碳水化合物分解的终产物之一；异丁酸是一种无色油状液体，具有强烈的刺激性气味，熔点-47℃，沸点154.5℃，能溶于乙醇、乙醚等；戊酸是一种无色透明易燃液体，具有特殊臭味，熔点在-33.83℃，沸点为186.05℃，该物质对环境有危害，可对水体和大气造成污染，易在大气化学和大气物理变化中形成酸雨；异戊酸是一种无色黏稠液体，有刺激性酸败味，高度稀释后则有甜润的果香，熔点在-29.3℃，沸点176.5℃，GB/T 2760—2014[1]规定其可作为食用香料使用。

表1 SCFAs的化学结构

1.2 SCFAs的形成与转化

动物体内SCFAs主要由摄入的食物在动物体内转化而来，其中一部分SCFAs来自在胃内未被消化的碳水化合物，这些难消化的碳水化合物到达肠道，通过肠道内厌氧菌的酵解作用产生SCFAs，受肠道内菌群种类和底物的影响所产生的SCFAs的种类也不同。正常肠道中一般含有多种SCFAs，其中乙酸、丙酸和丁酸占大部分，其比例约为60%、20%和20%[2-3]。动物体内SCFAs中的乙酸主要由拟杆菌、双歧杆菌或梭状芽孢杆菌和链球菌的Wood-Ljungdahl途径产生，SCFAs中的丙酸主要是由厚壁菌、小类杆菌、粪球菌等菌属产生，SCFAs中的丁酸则是由霍氏真杆菌和溴化瘤胃球菌属等产生。

1.3 SCFAs的吸收和转运

SCFAs有保护肠黏膜、为肠道细胞提供营养、参与免疫调节和抗炎等作用，在动物生产中占重要地位。对于反刍动物来说，瘤胃内的SCFAs含量可达90～150 mmol/L，是反刍动物重要的能量来源，其中约80%的SCFAs在反刍动物瘤胃和网胃内被吸收，剩余的SCFAs主要在瓣胃和皱胃吸收。SCFAs在瘤胃内一般以解离和非解离两种形式存在，反刍动物可以通过瘤胃上皮细胞将一部分SCFAs吸收进入血液，经过糖异生作用生成葡萄糖为机体提供能量，其余部分的SCFAs被瘤胃上皮细胞吸收代谢，最终生成酮体和胆固醇，合成的酮体被单羧酸转运蛋白转运到细胞外，被外周组织利用，但当生酮作用过强时，可能会导致血液中酮浓度过高，导致动物酮病的发生[4]。

对于非反刍动物，约95%以上的SCFAs在结肠上皮细胞被吸收[5-6]，后经由肠道上皮血管到达门静脉转运到肝脏，进行下一步的吸收利用，其余的SCFAs通过血液循环进入到其他组织器官被吸收利用[7]。SCFAs在肠道内大部分是以游离阴离子的形式存在，SCFAs在近端结肠浓度比在远端结肠浓度高50～70 mmol/L，这也与它们在肠道内的吸收转运途径有关[8]。动物肠道对SCFAs的吸收方式有两种，第一种是非离子形式的SCFAs以弥散方式通过肠上皮细胞被吸收，第二种是离子形式的SCFAs需要经由特异转运体运输吸收[9]，目前研究发现SCFAs的主要转运体有两种，第一种是单羧酸转运体亚型1(MCT-1)，第二种是钠耦联羧酸转运体(SMCT-1)。SCFAs主要的受体是G蛋白受体，G蛋白偶联受体一般分为GPR41、GPR43和GPR109A等，在肠上皮细胞中被大量发现，这些受体还参与肠道运动[10]、炎症抑制[11]和内分泌电解质平衡的调节等[12]。有研究发现，丙酸还能抑制腺嘌呤诱导的小鼠肾脏促炎因子和纤维化相关基因的表达，而丙酸的这些保护作用就是依赖于作为SCFAs受体的GPR41和GPR43[13]。此外，Bolognini等[14]研究发现嗅觉感受受体78(Olfr78)也是SCFAs的一种受体，这种受体主要分布在生物的肾脏和血管中，具有调节肾素分泌的功能，并且可以和GPR41、GPR43受体起拮抗作用，共同调节机体的血压水平。SCFAs中丁酸作为结肠的主要供能物质被吸收，丙酸在肝脏中充当糖异生作用的底物被吸收代谢，丙酸是反刍动物葡萄糖的重要来源，成年反刍动物多达90%的葡萄糖是通过这种方法获得的[15]，其他SCFAs则进入机体其他组织或器官被利用[16]。

2 SCFAs的生理功能

2.1 SCFAs为肠道细胞提供营养

SCFAs的功能首先体现在对肠上皮细胞的营养效应上。在线粒体中，SCFAs可通过羟甲基戊二酰辅酶A循环进行β-氧化，产生葡萄糖，为机体提供能量[17]，动物结肠上皮细胞所需能量的70%都是来自SCFAs的能量供应[18]。有研究表明，将SCFAs滴入去神经化的结肠腔可增加结肠血流量和摄氧量，尤其是乙酸盐，不仅可以通过局部作用，而且可以通过增加黏膜血流量对结肠上皮产生营养作用。在穿过结肠黏膜转运至门脉循环后，乙酸盐单独通过肝脏，并在外周血中恢复。因此，它也被再循环到内脏血管，并可能舒张阻力动脉[19]。

2.2 保护肠黏膜屏障

2.2.1 SCFAs对肠道黏液层的促进作用

肠黏膜的黏液层是肠道上皮细胞表面附着的一层由黏蛋白多糖组成的保护性液体，对肠道黏膜起到屏障保护作用。SCFAs可激活人体结肠细胞中的5’腺苷单磷酸(AMP)激酶，这是调节能量代谢的关键因素AMP激酶的活化增强人体结肠细胞的紧密联接，从而增强肠黏膜屏障。肠黏膜屏障不仅可增强黏膜愈合，还可以减少肠道细菌定植和感染，降低肿瘤浸润，细胞迁移和炎症的可能性，维持结肠健康。SCFAs不仅可以帮助重建结肠上皮，还可以保护其免受外界伤害，例如由细菌、活性氧或免疫调节性前列腺素引起的伤害。黏液黏蛋白分泌主要受到MUC基因的影响，其中由MUC基因编码的上皮黏蛋白2(MUC2)在健康和发炎的肠道中最突出[20]。MUC1、MUC3和MUC4基因也少量参与基因表达[21]。在缺乏葡萄糖的培养基中，即当丁酸是唯一可用的能源时，MUC3、MUC5和MUC2的表达持续存在，MUC5AC的表达显著增强（基础水平的3.7倍），MUC2的表达显著增加（基础水平的23倍），由此推断，SCFAs尤其是丁酸对动物肠道黏液分泌有促进作用。研究还发现当丁酸是细胞的主要能量来源时，丁酸能够在转录水平上调结肠黏蛋白，从而影响其保护功能[22]。SCFAs还可以调节前列腺素（PG）的产生，从而刺激肠道上皮细胞中MUC2的表达，达到促进黏液分泌的作用[23]。

2.2.2 SCFAs调节肠道屏障完整性

SCFAs还可能通过紧密连接蛋白(tight junction protein，TJP)的协同调节，在调节上皮屏障的完整性方面发挥重要作用，而TJP本身调节着管腔和肝门系统之间的细胞内分子通道。通透性增加与细菌和其细胞壁成分的移位有关，而这些抗原的移位触发了与肥胖和胰岛素抵抗相关的炎症级联反应。在结肠产生的SCFAs中，丁酸似乎是TJP最重要的调节因子，并且已被证明通过增加紧密连接蛋白claudin-1、Zonula occludents-1(ZO-1)的表达和封闭蛋白(claudin)的再分配来增强肠道屏障功能[24]。在来自小鼠模型和体外系统的试验结果也表明，丁酸可改善肠道屏障的完整性[25]。丁酸盐可以激活大肠癌细胞系(Caco-2)中的Akt/mTOR信号通路，从而增加紧密连接蛋白的产生，加强肠道完整性[26]。

2.3 抗炎作用

SCFAs是将膳食纤维和肠道菌群与肠道健康联系起来的关键代谢产物。最近的研究表明，肠道菌群及其代谢产物SCFAs在几种炎性疾病的发病机理中具有显著作用，例如关节炎、炎性肠病和伤口愈合等[27]。SCFAs有助于肠上皮细胞(IEC)的迁移，能防止结肠炎中溃疡的形成[28]。通过改善SCFAs的产生可以对溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)治疗有一定的效果[29]。口服丁酸可以导致肠道微生物谱的改变。但是补充SCFAs对于葡聚糖硫酸钠诱导的小鼠结肠炎并不能发挥抗炎作用[30]。但根据康宇婷等[31]的研究，乙酸盐、丙酸盐及丁酸盐3种SCFAs都可降低TNF-mRNA的表达，并且丙酸盐和丁酸盐还可以增加NR8383细胞抗炎因子的表达，促进炎症的恢复。根据Breuer等[32]对SCFAs的研究发现，SCFAs的缺乏与动物和人类结肠炎有关，并对溃疡性结肠炎有良好的改善作用。根据Rodriguez-cabezas[33]的研究表明，日粮膳食纤维补充改善了HLA-B27转基因大鼠的结肠炎症的损伤，这种改善作用与膳食纤维发酵产生的SCFAs的增加有关，SCFAs的增加可以抑制炎性介质的产生，起到抗炎的作用。根据Canfora等[34]的研究报道，SCFAs尤其是丁酸，可以通过生成并激活抗炎性T细胞(T reg)，抑制促炎性细胞因子及其介质的产生，抑制炎症信号的传播，使抗炎效果更显著[35]，从而调节肥胖引起的慢性低度炎症。乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐可能直接减少脂肪组织来源的促炎细胞因子和趋化因子的分泌。SCFAs相关脂肪组织功能的改善可以减少全身脂质溢出和炎症。肠道共生微生物可通过结肠中调节性T细胞的扩增影响黏膜免疫系统。共生皮肤细菌产生的SCFAs也可激活常驻皮肤T细胞，其活性在某些炎症性皮肤病中会减弱。皮下注射丁酸钠(SB)或局部应用在半抗原致敏小鼠的耳朵上可显着降低接触超敏反应。这表明SCFAs可以诱导T细胞，驻留的皮肤微生物可以通过下调功能来预防过度的炎症反应，从而在生理条件下保持稳定状态；SCFAs还可用于治疗、减轻炎症皮肤反应。但当系统性地给予高于生理水平的SCFAs时，会导致肾系统中T细胞反应失调和诱发炎症[36]。同时发现SCFAs可以将Gpr109a信号转导，诱导T细胞的分化，使结肠巨噬细胞和树突状细胞发挥抗炎作用[37]。

但是SCFAs对宿主抗炎作用不仅有积极影响，也有消极的作用。Park等[38]发现口服SCFAs时会诱导T细胞介导的输尿管炎并导致肾积水（简称醋酸盐诱导性肾病，C2RD）。C2RD是由输尿管梗阻引起的，而输尿管梗阻又是由SCFAs引起的肾盂输尿管连接部和输尿管近端炎症引起的。因此，当系统性地给予高于生理水平的SCFAs时，会导致肾系统中T细胞反应失调和组织炎症。

3 SCFAs在奶牛生产中的应用

目前，SCFAs在奶牛生产中的应用有良好的效果。Niwińska等[39]研究表明，犊牛日粮中添加丁酸盐可刺激瘤胃上皮表面积的增大以及瘤胃上皮细胞对SCFAs氧化能力的发展。丁酸盐对细胞增殖、酮体形成、细胞内pH和能量稳态维持及丁酸盐代谢物向毛细血管床运输有关的基因、蛋白质和转录因子的活性具有直接的积极影响。这些结果表明，外源丁酸酯是刺激瘤胃上皮细胞功能发挥的重要因素。在犊牛出生的第一个星期之内，给予含量约为饮食DM 0.3%的丁酸钠时更为明显。在断奶过渡期向犊牛补充丁酸，可使日粮摄入量增加800 g/d，即使在2周断奶过渡期结束后去除丁酸补充剂后，摄入量仍保持增加。在犊牛日粮中添加1%的丁酸钠，可以增加免疫力，并对犊牛的断奶应激有明显的缓解作用[40]。Górka等[41-42]的研究发现，在犊牛开食料中添加0.3%的丁酸钠，可以促进犊牛瘤胃的发育速度使黏膜厚度增加，绒毛长度增长，并对养分的消化吸收有良好的促进作用。Górka[43]研究也发现，在低水平（0.3%的干物质）的代乳料中添加未受保护的丁酸钠能刺激早期断奶犊牛胃肠道的发育、瘤胃功能的完善并提高生长性能。

在围产前期的奶牛日粮中添加丁酸钠，能显著提高奶牛的免疫能力和抗氧化能力[44]。根据Li等[45]的研究，丁酸钠可以通过增加牛乳腺上皮细胞中的抗氧化酶活性，来改善脂多糖诱导的氧化损伤。另外，在日粮中添加2.9%的乙酸钠可以增加奶牛的乳脂产量和浓度，提高奶牛乳脂合成的能力[46]。向奶牛日粮中添加丙酸钙200 g/d可以明显改善泌乳早期奶牛的能量负平衡问题，并对奶牛体重的保持有显著的积极影响[47]。Roche等[48]也发现给处在围产期的奶牛饲喂丙酸盐时，可以改善奶牛能量平衡，保障奶牛的健康。另有研究试验发现，在奶牛围产期日粮中添加丁酸和丙酸钙，可以提高奶牛泌乳早期的产奶量，并对奶牛产后的恢复有一定促进作用，可以缓解奶牛生产后的能量供需负平衡[49]。