瘤胃微生物與反芻動物產品脂肪酸組成的關系

■金 磊 王立志王之盛 薛 白 彭全輝

(四川農業大學動物營養研究所，四川成都611130)

人類消費的動物產品中脂肪酸的組成與人體健康密切相關[1-4]。與單胃動物相比，反芻動物產品（牛、羊肉和奶）中脂肪酸的飽和度較高，且含有支鏈和反式脂肪酸。導致這種差異的最根本原因是反芻動物具有特殊的瘤胃器官，瘤胃中共生的微生物直接影響其產品脂肪酸的組成與結構。本文主要就反芻動物瘤胃微生物與其宿主產品中脂肪酸組成的關系進行了綜述。

1 反芻動物產品脂肪酸的來源

反芻動物產品中沉積的脂肪酸來源于三個方面：第一是日糧中天然含有的脂肪酸。反芻動物常用飼料中的脂肪酸以18個C原子的不飽和脂肪酸（UFA）為主（見表1），其次是16個C原子的飽和脂肪酸（SFA）。當反芻動物日糧中的脂質進入瘤胃后，瘤胃中的微生物能分泌酯解酶將其水解為游離的脂肪酸，飽和的游離脂肪酸經過瘤胃到達小腸后被吸收進入體內，絕大多數UFA在瘤胃被微生物所氫化，僅有少量能最終直接沉積到動物的肉、奶中。

表1反芻動物常用飼料原料及產品脂肪酸組成[6-15]（g/100 g）

第二是來源于瘤胃微生物從頭合成的脂肪酸。瘤胃微生物能利用瘤胃發酵產生的揮發性脂肪酸（VFA）合成自身生長所需的脂肪酸，主要是利用乙酸合成C18∶0、C16∶0和C14∶0等偶數碳鏈脂肪酸，利用丙酸合成奇數碳原子脂肪酸（如：C15∶0、C17∶0等），還能利用異丁酸、異戊酸和2-甲基丁酸合成支鏈脂肪酸（如：iso C15∶0、inteiso C15∶0等）[5]。當瘤胃微生物死亡進入小腸后，這些脂肪酸會被宿主消化吸收后沉積到肉、奶中。這也是反芻動物產品中奇數碳鏈和支鏈脂肪酸含量高的重要原因。

第三是來源于反芻動物自身體組織從頭合成的脂肪酸。例如奶牛瘤胃發酵產生的乙酸，被瘤胃壁吸收后通過血液循環進入乳腺，在乙酰CoA合成酶的作用下轉化為乙酰CoA，并以2C單位進行延長，最終合成C4∶0～C16∶0的飽和脂肪酸。

2 瘤胃微生物對反芻動物產品奇數碳鏈和支鏈脂肪酸的影響

根據脂肪酸的結構可以將奇數碳鏈和支鏈脂肪酸（BCFAO）分為直鏈脂肪酸和支鏈脂肪酸，支鏈脂肪酸又分為異構（iso）和反異構（inteiso）支鏈脂肪酸，它們均為飽和脂肪酸。反芻動物產品中BCFAO的含量遠高于豬肉（表1），它們主要來源于瘤胃微生物的從頭合成，日糧中天然含有的以及動物自身合成的BCFAO量非常少，幾乎可以忽略。研究發現，瘤胃VFA濃度與牛奶中BCFAO含量之間的存在顯著的相關關系。當給瘤胃灌注丙酸后，乳脂中BCOFA，尤其使C15∶0和C17∶0的含量會顯著增加[16]。劉可園等[17]研究發現，除了發現乳脂中C15∶0和C17∶0含量與瘤胃中的丙酸濃度存在顯著正相關外，還發現isoC16∶0與異丁酸顯著正相關，isoC15∶0與異戊酸顯著正相關。瘤胃VFA是由微生物發酵產生的，在日糧一定的情況下，瘤胃微生物的結構與組成決定了VFA各組分的比例和濃度。增加瘤胃中溶纖維丁酸弧菌、白色瘤胃球菌、產琥珀酸絲狀桿菌等纖維降解菌群的相對豐度，會使瘤胃降解碳水化合物的能力增強，丙酸的產量增加，從而能為微生物BCFAO的合成提供了更多的底物，最終能使反芻動物產品中BCFAO含量增加[18]。李香子[19]研究發現，提高瘤胃中Bacteroidetes的豐度，降低Firmicutes的比例，會導致瘤胃中的丙酸含量增加，乳脂中C15∶0的比例增大。

瘤胃微生物菌屬不同，合成的BCFAO種類也不同，細胞膜上BCFAO的組成也存在較大差異。例如：纖維分解菌中，產琥珀酸絲狀桿中直鏈脂肪酸含量較高，黃色瘤胃球菌（Ruminococcus flavefaciens）細胞膜中奇數碳鏈異構脂肪酸的含量較高（(isoC13/15/17∶0），而白色瘤胃球菌（Ruminococcus albus）中偶數碳鏈異構脂肪酸的含量較高(isoC14/16∶0)。淀粉分解菌和桿菌屬主要合成反異構十五酸(anteisoC15∶0)。丁酸弧菌屬細胞膜中BCFAO的組成最為復雜，與其它菌屬存在顯著差異性[20-23]。各種瘤胃微生物合成BCFAO的底物偏好也存在差異，產琥珀酸絲狀桿菌（Fibrobacter succinogenes）需要利用異丁酸和戊酸合成C13∶0、C15∶0、iso C14∶0和iso C16∶0作為細胞膜磷脂，而白色瘤胃球菌除了能利用異丁酸和異戊酸合成isoC14和iso16∶0外，還可以利用2-甲基丁酸合成iso C15∶0和inteiso C15∶0[24]。

3 瘤胃微生物對反芻動物產品脂肪酸飽和度的影響

反芻動物產品SFA與UFA的比值遠大于豬肉和雞肉（見表1），原因是反芻動物自身及瘤胃微生物從頭合成的脂肪酸都是飽和的，飼料是其UFA唯一可能的來源。但飼料中的UFA在瘤胃中都要經歷微生物的氫化作用，等其到達小腸時飽和度已顯著提高。所謂瘤胃氫化是指瘤胃微生物在金屬催化劑的作用下將氫加成到UFA的雙鍵上，將UFA轉化為飽和代謝產物的過程。

目前普遍認為瘤胃發生氫化的原因是由于UFA對微生物具有毒性作用，瘤胃微生物通過氫化的方式來消除其對自身的不利影響。迄今為止，已從瘤胃中分離培養出了多種氫化菌。這些細菌在氫化UFA的過程中存在分工協作。以亞油酸（LA）的氫化為例，隸屬于丁酸弧菌屬的Butyrivibrio fibrisolvens和Clostridium proteoclasticum先是將LA氫化為TVA（trans-11-C18∶1），TVA再在Fusocillus、Gram-negative rod、Butyrivibrio hungateiSu6、Butyrivibrio proteoclasticus和Clostridium proteoclasticum等瘤胃氫化菌的作用下進一步被氫化為硬脂酸（SA）[25-27]。同樣隸屬于丁酸弧菌屬，Clostridium proteoclasticum能將TVA進一步氫化SA，而Butyrivibrio fibrisolvens不但不能完成此步驟，還能抑制其它菌氫化TVA[28]。Zhu等[29]研究發現，在瘤胃丁酸弧菌菌群總豐度保持基本不變的情況下，Butyrivibrio fibrisolvens的相對豐度越高，瘤胃中TVA的累積越多，SA的濃度越低。

反芻動物日糧中天然含有的亞麻酸（C18∶3，LNA）也是瘤胃細菌氫化的主要對象。最新的研究發現，羊肉中LNA的含量與擬桿菌屬的相對豐度至今存在顯著負相關關系[30]，提示擬桿菌屬可能是瘤胃LNA氫化主要微生物。遺憾的是，迄今為止并未見擬桿菌屬的相對豐度與LNA瘤胃氫化中間產物以及終產物相關性的研究報道。因此，擬桿菌屬在瘤胃氫化過程中的貢獻率仍未知。此外，埃氏巨型球菌（Megasphaera elsdenii）、雙歧桿菌（Bifidobacteria）、乳酸桿菌（Lactobacilli）和鏈球菌（Streptococci）等菌株也已經被證實參與了瘤胃脂肪酸的氫化過程[31-33]。Boeckaert等[34]還發現了一種介于丁酸弧菌屬和假丁酸弧菌屬之間的毛螺旋菌，并證實毛螺旋菌與瘤胃氫化產物SA的生成有關。

4 瘤胃微生物對反芻動物產品反式脂肪酸的影響

反式脂肪酸（TFA）是至少含一個雙鍵、具有反式結構的不飽和脂肪酸。反芻動物產品中TFA主要源于瘤胃不飽和脂肪酸的不完全氫化。飼料中天然存在的脂肪酸都是順式構象的，當它們進入瘤胃后，瘤胃微生物分泌的異構酶先將其中的不飽和脂肪酸轉化為反式構象的TFA，再進一步將其氫化為飽和脂肪酸。在此過程中總會有TFA會逃脫氫化而直接進入腸道被吸收，最后沉積到產品中。

微生物種類不同，異構不飽和脂肪酸的能力也不同。迄今為止，Butyrivibrio fibrisolvens是瘤胃內發現的異構LA最活躍的菌，它分泌的異構酶可將LA異構為cis-9，trans-11 CLA，有些菌株如溶纖維丁酸弧菌JW11還可以分泌還原酶進一步將cis-9，trans-11 CLA還原為trans-11-C18∶1 TVA[35]。劉仕軍[36]研究發現，溶纖維丁酸弧菌hungatei Su6菌株和溶纖維丁酸弧菌JK684菌株的豐度與瘤胃TVA的含量存在顯著正相關，提示這兩個菌株也具有分泌還原酶的能力。而Fukuda等[37]分離出的一株未知溶纖維丁酸弧菌菌株卻缺乏將CLA還原成TVA的能力，它可以使瘤胃積累更多的CLA。研究還發現，當瘤胃pH值接近中性時，瘤胃中trans-11-C18∶1 TVA和cis-9，trans-11 CLA的量會增加[38]。造成這種現象的原因可能是，瘤胃pH值影響分泌亞油酸異構酶和還原酶的菌群相對豐度，最終導致瘤胃中亞油酸異構酶和還原酶的分泌量發生改變。也可能是瘤胃pH值影響了這兩種酶的活性，因為已有研究表明這兩種酶都是pH值敏感型[39-40]。

楊波[41]研究發現，乳酸桿菌也能分泌催化LA異構為CLA的亞油酸異構酶，并通過檢測酶的表達產物，推測乳酸桿菌亞油酸異構酶是一個復合酶系統，其中包括3種酶：亞油酸水合酶、短鏈脫氫酶/氧化還原酶、乙酰乙酸脫羧酶，缺少其中任何一種酶都無法發揮其作用。但目前為止，還未在溶纖維丁酸弧菌以及其他的菌屬中發現與乳酸桿菌相似的研究結論。Kim[42]發現，埃氏巨形球菌也能將LA異構為TVA和CLA，但貢獻大小有待于進一步研究。

cis-9，trans-11 CLA的保健作用已得到全世界的公認[43]。因此，如果能通過調控微生物亞油酸異構酶的活性來提高LA轉化為CLA的效率，并同時抑制還原酶的活性，阻止CLA被還原為TVA，或許就能實現反芻動物產品中健康脂肪酸的積累。但目前還未見相關研究報道。

5 小結與展望

隨著人們生活水平的不斷提高，消費者越來越重視食品對健康的影響。如何通過營養調控手段來提高反芻動物產品中有益于人類健康的脂肪酸的沉積，將是未來反芻動物營養研究的新方向。已有的研究表明，瘤胃微生物與宿主產品中脂肪酸組成之間存在顯著的相關性。但以往受研究手段的限制，二者之間的關系還未能被人們全面認識。近年來，隨著二代高通量測序技術在瘤胃微生物研究上的廣泛應用，全面、系統地揭示瘤胃微生物與宿主產品脂肪酸組成之間的關系已為時不遠。