纤维和蛋白质对肠道健康和环境的影响

郑 敏，欧阳满

（江西医学高等专科学校，江西上饶 334000）

现代养猪系统因其对环境的负面影响而受到公众的广泛关注，从猪舍排放的含氮气体不仅对养殖场工人的健康有负面影响，对猪本身也有负面影响。因此，应采取措施减轻养猪场的氮气体排放和异味排放。猪粪中氨的排放主要来源于尿液中的尿素，粪便中的氮包括未消化的日粮氮和内源性氮，主要为氨基酸和微生物氮。岳隆耀（2018）认为，膳食纤维在减少氨排放，改善肠道健康方面发挥了重要作用，因为膳食纤维由肠道细菌发酵产生短链脂肪酸，短链脂肪酸支持肠道有益细菌生长，抑制肠道有害细菌。另一方面，粪便中的尿素浓度高度依赖蛋白质营养，可以通过改变日粮蛋白质水平来降低氮排放。此外，猪粪散发的难闻气味主要是由硫化物、吲哚和酚类化合物、挥发性脂肪酸、氨和挥发性胺等化合物引起，这些化合物是蛋白质和碳水化合物不完全厌氧消化的产物。蛋白质在胃肠道和粪便中发酵产生的有气味化合物比可发酵碳水化合物产生的直链挥发性脂肪酸具有更高的攻击性感觉反应和更高的气味感觉（陈芬等，2015）。为了更好地了解日粮纤维和蛋白质发酵的交互作用及其对肠道健康和环境的影响，本文首先简要介绍了膳食纤维和蛋白质的发酵过程、发酵途径和最终的代谢产物，同时还着重介绍了减少蛋白质发酵的营养途径、纤维素和抗性淀粉与蛋白质发酵的关系及其对肠道健康、细菌蛋白质合成和猪粪臭味排放的影响。

1 蛋白质和碳水化合物在猪营养上的理化特性

饲料的代谢过程对了解猪营养代谢的影响具有重要意义。微生物与未消化的物质或内源性底物接触程度相当大，其主要发生在胃肠道下部，即从回肠末端到直肠。猪的消化从胃开始，因为胃的pH 较低，微生物活性有限，当猪摄入大量饲料时，可能会在小肠进行发酵，而大多数可利用的营养物质（碳水化合物、蛋白质、脂肪、矿物质和微生物）都可以被小肠吸收。在大肠中，微生物发酵的饲料成分主要是纤维、脂质和不溶性蛋白和内源性分泌物，它们中只有短链脂肪酸和一些维生素可以被吸收[ 王政（译）和沈延法（校），2012]。哺乳动物酶可以水解有限数量的键，如淀粉和麦芽低聚糖中的-（1-4），淀粉和糊精中的-（1-6），蔗糖中的-（1-2）和乳糖中的-（1-4）（Tso 和Crissinger，2000）。

发酵是一个能量守恒过程，其中电子从一些反应，如氧化还原，水解，磷酸化或裂解转移到底物的一部分。在这个过程中，能量被提取出来，从而产生ATP，用于细菌的基础代谢和生长代谢。在猪肠道发酵膳食纤维过程中，微生物开始将多糖分解成较小的多糖或单糖，但在这些过程中，基质只被部分氧化，只有少量的能量被提取用于微生物生长。除双歧杆菌外，大多数大肠厌氧菌通过糖生成途径将葡萄糖降解为丙酮酸，葡萄糖-6-磷酸再氧化为乙酸、丙酸或丁酸，其中戊糖和果胶首先通过戊糖磷酸途径代谢，戊糖通过木酮糖-5- 磷酸转化为果糖-6- 磷酸和甘油醛-3-磷酸，因此，乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸和二氧化碳、氢气和甲烷气体是肠道膳食纤维发酵的主要终产物（Drochner 等，2004）。

可被细菌发酵的蛋白质是可以避免小肠酶消化的蛋白，蛋白质发酵的最终产物不同于纤维发酵的最终产物。取决于底物类型（Cone 等，2005）。此外，还产生一些潜在的有毒代谢物，如氨、胺及恶臭化合物，如臭鼬和吲哚。粪便中的吲哚类、酚类和硫类化合物是由蛋白质产生的，主要有3 个途径：首先，蛋白质在大肠中进行部分发酵，细菌蛋白酶解诱导产生支链脂肪酸、恶臭化合物、吲哚类、酚类、硫类化合物产生的胺和氨，这些化合物随后被转移到肝脏，在那里被解毒为葡萄糖醛酸苷，然后通过尿液排出体外。其次，粪便中未发酵的蛋白质可以在粪便中发酵，产生吲哚类、酚类和硫类化合物。最后，少量吲哚类、酚类和硫类化合物通过粪便直接排出（Le 等，2008）。

2 日粮蛋白质水平对肠道健康和环境的影响

葛婷（2016）研究发现，降低日粮中粗蛋白质的含量可有效降低肠道蛋白质发酵，未消化的日粮蛋白质和内源性蛋白进入大肠发酵会产生毒性代谢物，损害上皮完整性，促进肠内疾病，如断奶后腹泻。此外，结肠中微生物蛋白的增加应该是预期当有足够数量的可发酵碳水化物存在，其中发酵猪饲料的蛋白质含量可以安全降低约200 g/kg，同时按照理想的蛋白质比例与限制氨基酸保持平衡，这也将减少盲肠中潜在有害微生物代谢物的产生（Htoo 等，2007）。

2.1 肠道微生物菌群及发酵产物 日粮蛋白质和内源性蛋白通过微生物发酵在胃肠道中被利用。细菌的氨基酸代谢是通过氧化和还原反应，包括脱胺和脱羧。有报道称，大肠杆菌、克雷伯菌、弯曲杆菌、链球菌、产气梭状芽孢杆菌、艰难梭状芽孢杆菌和脆弱拟杆菌等多种细菌是蛋白质发酵的优势菌种，细菌对氨基酸的利用也有助于胃肠道中短链脂肪酸的形成，而氨等蛋白质发酵产物可干扰结肠短链脂肪酸的氧化代谢，导致细胞能量不足（Blachier 等，2007）。

在导致猪腹泻的几个因素中，大肠杆菌的肠毒素菌株是主要因素，大肠杆菌在多因素条件下在小肠定植，而高水平的日粮蛋白质促进了这种条件。Heo 等（2009）发现，28 ～70 d 时，与未接种大肠杆菌的猪相比，接种大肠杆菌的猪生长速度较低，饲料转化率比也较低。但在感染了具有溶血性大肠杆菌并在断奶后饲喂低蛋白饲料7 ～14 d 后，腹泻的发生率明显降低，说明蛋白质发酵可选择性地影响肠道菌群，影响猪的健康状况。肠道氨氮浓度的增加会对肠道黏膜发育和绒毛高度产生负面影响，进而对肠道消化吸收产生不利影响。结肠中产生的氨很容易穿过肠壁，对宿主健康有害（Bikker 等，2006）。

2.2 氮排泄及气体的产生 猪粪中氨大部分来源于尿素的分解，少部分来源于粪便中蛋白质的分解，尿素酶的活性决定了尿素转化为氨的速率，而脲酶只存在于粪便中，不存在于尿液中。因此，只有当尿液与粪便混合或与肮脏的地板接触时尿素才开始转化为氨（达富兰等，2018）。在粪肥储存坑中，从粪肥中分解蛋白质是一个缓慢的过程，可能需要数周甚至更长的时间。假设猪舍内粪便储存和表面施用时尿液和粪便中所排出的氮有近一半可排出。另一方面，尿素降解为氨和二氧化碳只需要几个小时，但这一过程受氨浓度、pH、温度、风速和排放表面积等几个因素的影响（Aarnink 和Verstegen，2007）。

尿液中尿素浓度及粪便和尿液pH 是测定猪设施中氨排放的重要指标，尿液中的尿素浓度高度依赖日粮蛋白质水平，因此，控制日粮中蛋白质含量是调控的重要策略。实际上，日粮中蛋白质含量通常超过猪的需求。邓冲等（2015）报道，日粮蛋白质含量可降低3 ～4%，且对生长猪生产性能没有任何负面影响。一些蛋白质，如典型的玉米- 豆粕型日粮中约25% 的蛋白质由于氨基酸不平衡而不能被利用，这些过量或不平衡的蛋白质及氨基酸分解为氮，并以尿素的形式从尿中排出。Canh 等（1998）通过比较3 个蛋白质水平（165、145 和125 g/kg）发现，日粮粗蛋白质含量每减少10 g/kg，粪便氨含量减少10%，氨排放减少10% ～12%。

3 日粮纤维和蛋白质水平对肠道健康的交互作用

纤维对肠道功能、细菌分布和发酵的有益影响与食糜理化特性有关，包括食糜转运时间、溶解性、发酵性、黏度或保水能力。可溶性和不可溶性非淀粉多糖之间的差异已被证明会影响生长猪消化和发酵过程。胃肠道菌群发酵纤维源可产生短链脂肪酸，因此，后肠道微生物发酵对猪肠道健康具有重要意义。Molist 等（2009）报道，断奶后10 ～15 d，饲喂40 ～80 或30 ～60 g/kg 麦麸日粮的猪，其盲肠中短链脂肪酸的浓度比饲喂不添加任何纤维的对照日粮猪要高。作者的结论是富含非淀粉多糖日粮产生的短链脂肪酸浓度的增加可能与食糜较高的系水能力有关。Berrocoso 等（2015）报道，与不添加任何纤维补充剂的对照日粮相比，添加50 g/kg 甜菜粕后，43 d 时猪盲肠中的大肠杆菌数量减少，乳杆菌数量增加。同样，Gerritsen 等（2012）报道，日粮中加入不溶性非淀粉多糖会增加胃重和肠刷边缘淀粉酶活性，降低回肠和结肠消化区的大肠杆菌数量。

猪饲料中的纤维也被广泛用于减少氨排放，如在猪日粮中添加大豆皮或甜菜粕可以降低尿氮排泄率，从而降低氨排放，在这方面，Beccacia等（2015）将对照日粮与以150 g/kg 橘子果肉作为可溶性纤维来源的日粮进行了比较，并报道了可溶性纤维的加入导致尿氮排泄率从2.0 降低到1.3。作者指出，这可能是由于增加氮用于后肠微生物蛋白质的合成，导致排出的有机氮而不是尿素氮。果胶和半纤维素含量高的饲料，如柑橘浆和甜菜粕，比黑麦麸纤维素和木薯更有效地减少氮损失，这是因为其发酵能力影响了肠道内氮的利用模式。

大肠中的微生物群以碳水化合物为主要能量源，从氨、氨基酸和肽等较简单的分子中合成含氮细胞成分和分泌物。随着作为能量来源的碳水化合物供应量的增加，任何过剩的不可消化蛋白质更有可能被纳入细菌蛋白中，而不是被发酵和用作能量来源（朱伟云等，2014）大肠中可利用的未消化蛋白（日粮蛋白和内源性蛋白）被微生物利用作为氮的来源，导致细菌蛋白增加，细菌对蛋白质的降解是从胃开始的，可以从氨气的增加和胺、苯酚和对甲酚的少量形成看出。此外，血尿素是大肠内细菌增殖的关键氮供应，当盲肠中存在高度解脲细菌时，尿素浓度梯度有利于尿素净转移到盲肠内，因此，细菌增强了尿素从血液到大肠的转运（Morales 等，2015）。

4 结论

降低日粮粗蛋白质的水平，加上可适度发酵纤维源，将降低猪大肠中有害微生物代谢物的产生和肠道疾病的发病率。当猪采食可发酵的纤维源时，其细菌氮的吸收率很高，表明在较高水平的纤维基质用于发酵的情况下，大肠中的微生物菌群会保留更多的氮供其自身生长。因此，细菌蛋白质量增加，氮排泄途径也从尿液到粪便的转变。因此，通过营养策略降低日粮蛋白质含量，增加猪日粮中可发酵纤维，可以显著降低猪的氮排泄、氨排放和粪便中恶臭化合物的浓度。