胃腸道功能在動物營養(yǎng)和健康方面的作用

仲偉平，張鳳華，趙玉軍

（開封市動物疫病預(yù)防控制中心，河南開封 475000）

最佳的胃腸功能對可持續(xù)動物生產(chǎn)至關(guān)重要，因為胃腸道的有效功能及其健康狀況是決定動物性能（生長、泌乳、產(chǎn)肉/蛋及畜產(chǎn)品品質(zhì)）的重要因素。在過去幾十年里，人們通過育種手段對生長性能和繁殖性狀進行高度選擇，同時改善養(yǎng)殖環(huán)境和動物營養(yǎng)技術(shù)，使動物生產(chǎn)性能有了顯著提高，但農(nóng)場動物的表現(xiàn)是否已達到遺傳/生理極限？在這種背景下，“腸道健康”的概念引起科學(xué)界的極大關(guān)注。盡管腸道健康在動物營養(yǎng)中是一個越來越重要的話題，但仍然缺乏一個明確的科學(xué)定義。為監(jiān)測動物健康，評估任何營養(yǎng)干預(yù)對動物生產(chǎn)性能的影響，需要對胃腸健康和功能及如何評估胃腸功能作出明確定義。雖然在人類醫(yī)學(xué)中腸道健康常常與“臨床疾病的缺失”聯(lián)系在一起，但這一定義可能不適用于農(nóng)場動物，因為動物的表現(xiàn)可以在沒有任何臨床疾病跡象的情況下受到損害。因此，本綜述旨在提出一個新的“腸道健康”概念，通過提供可能涉及胃腸功能和動物健康的特征來概述。

1 飼料對胃腸道健康及功能的影響

1.1 腸道健康及功能 Conway（1994）提出了腸道健康的3個組成部分，即飼料、黏膜和共生菌群。黏膜由具有特殊結(jié)構(gòu)的消化上皮、內(nèi)臟相關(guān)淋巴組織和覆蓋在上皮上的黏液組成，其中內(nèi)臟相關(guān)淋巴組織、微生物群、黏液層和宿主上皮相互作用，在胃腸道內(nèi)形成復(fù)雜的動態(tài)平衡，保證消化系統(tǒng)高效運作。因此，我們將腸道健康定義為“微生物群和腸道處于共生平衡狀態(tài)，動物福利和表現(xiàn)不受腸道功能障礙制約的穩(wěn)態(tài)”。這一定義結(jié)合了腸道健康的主要組成部分，即日糧、胃腸道屏障的有效結(jié)構(gòu)和功能、正常穩(wěn)定的微生物群及飼料的有效消化吸收和有效免疫狀態(tài)。

1.2 日糧組成與胃腸道功能 影響胃腸道功能和健康的因素包括纖維、胰蛋白酶抑制劑、植酸鹽、凝集素、胃腸道遠端未消化的蛋白質(zhì)、霉菌毒素、致病性和腐爛性微生物、環(huán)境、水質(zhì)和免疫程序等，這些抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)可能在不同程度上損害腸道生理、組織學(xué)和功能完整性。Hoste等（2015）認(rèn)為，在維持動物健康和福利的同時，使用飼料添加劑在維持動物生產(chǎn)性能、免疫功能、氧化還原平衡和抗炎方面具有潛力。如抗氧化劑，特別是維生素仍然是營養(yǎng)學(xué)家面臨的一個充滿挑戰(zhàn)和活力的領(lǐng)域。日糧添加抗氧化劑不僅是維持動物健康和生長性能的必要條件，也是保證其產(chǎn)品高質(zhì)量的必要條件。熱應(yīng)激通過氧化應(yīng)激等機制損害腸上皮屏障的完整性，日糧添加硒和維生素E可以減少因熱應(yīng)激引起的腸道滲漏。

日糧可以通過幾種不同的機制調(diào)節(jié)胃腸道中的免疫功能，如可以影響腸道微生物群的組成和代謝活性，特別是蛋白質(zhì)是維持胃腸道免疫穩(wěn)態(tài)的重要營養(yǎng)因素。蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物來源于各種消化酶對日糧蛋白質(zhì)的消化，或微生物菌群的代謝，其被腸上皮細胞吸收后可以影響胃腸道的免疫能力和免疫穩(wěn)態(tài)（van der Meer等，2016）。此外，日糧還可以改變胃腸道微生物菌群的組成和代謝，調(diào)節(jié)抗菌肽的產(chǎn)生，從而干擾病原體生長和在腸黏膜的粘附。最后，日糧還可以通過調(diào)節(jié)細胞因子的產(chǎn)生和腸道屏障功能對胃腸道上皮細胞產(chǎn)生直接影響，通過局部激活免疫細胞或促進免疫細胞在血液中的遷移，對免疫功能產(chǎn)生局部和全身的影響。

1.3 日糧纖維與胃腸道功能 飼料的纖維組分通常稱為膳食纖維，包括一組化學(xué)成分和物理性質(zhì)不同的非均質(zhì)組分。粗纖維不是一個定義明確的化學(xué)實體，但在相關(guān)文獻中都通過分析方法定義。粗纖維包括細胞壁、非淀粉多糖和木質(zhì)素，而其他具有類似非淀粉多糖消化特性的碳水化合物是不可消化的低聚糖和抗性淀粉。根據(jù)其理化性質(zhì)，粗纖維可進一步分為可溶性和不溶性兩類，其對胃腸功能和動物生理有明顯影響。對小腸內(nèi)源酶消化具有抵抗力，在大腸中容易受到細菌發(fā)酵的影響。此外，纖維除了對胃腸道微生物菌群的影響，還可以與胃腸道所有部位的宿主黏膜相互作用，調(diào)節(jié)免疫功能（Montagne等，2003）。纖維的一個共同特征是能增加系水能力、膨脹，增加腸腔黏度，導(dǎo)致胃排空延遲，對小腸消化和吸收產(chǎn)生負面影響。未消化的纖維從小腸逸出后進入大腸，微生物菌群對可溶性和不溶性纖維進行發(fā)酵，產(chǎn)生短鏈脂肪酸，導(dǎo)致腸道pH下降（den Besten等，2013）。因此，平衡畜禽日糧中膳食纖維水平具有重要意義，但并非所有的纖維來源都相同，過量的纖維可能產(chǎn)生相反效果，而適量的纖維可以提高胃腸道功能和動物生長性能。

1.4 日糧形態(tài)與胃腸道功能 日糧形態(tài)（如結(jié)構(gòu)、形式（顆粒、破碎和粉狀）和粒度）對胃腸功能也有顯著影響，飼料類型、大小及加工條件會影響胃腸道功能。Herrera等（2016）報道，顆粒料可以提高動物平均日采食量、日增重、飼料效率和胴體產(chǎn)量。在豬中，飼料顆粒大小和飼料形式不僅會影響腸黏膜形態(tài)，還會影響沙門氏菌等病原體粘附在回腸黏膜的能力（Hedemann等，2005）。當(dāng)豬飼喂粗粉飼料時，胃作為一個屏障可以減少腸道內(nèi)病原體的數(shù)量，這是因為粗粉飼料可以降低胃和小腸的pH。相反，細粉飼料會對豬胃腸道健康產(chǎn)生負面影響。在家禽中，小顆粒飼料會提高消化效率，這是由于顆粒表面積提高，與消化酶的相互作用增大（Preston等，2000）。但較大的粒度也可以促進胃腸道的發(fā)育，尤其是針對家禽肌胃。

2 胃腸道的消化吸收

胃腸道系統(tǒng)的主要功能是消化飼料，吸收營養(yǎng)物質(zhì)，同時也負責(zé)維持體液和電解質(zhì)平衡，清除廢物。除了這些常規(guī)功能外，還必須考慮屏障功能。此外，需要考慮腸道炎癥對胃腸功能的負面影響。事實上，胃腸道中病原體的增殖可以增加防御反應(yīng)，同時伴隨著消化效率的降低和微量營養(yǎng)素吸收的減少。飼料酶在提高單胃和反芻動物飼料價值方面的作用是毋庸置疑的，其作用已得到廣泛綜述（Meale等，2014）。簡而言之，飼料酶通過水解飼料底物來提高動物生產(chǎn)性能，尤其是幼齡動物胃腸道相對不成熟，無法產(chǎn)生足夠數(shù)量的內(nèi)源酶，添加外源酶可以水解日糧蛋白質(zhì)和細胞壁多糖，分解植酸等抗?fàn)I養(yǎng)因子，使不溶性非淀粉多糖溶解度增加，從而提高營養(yǎng)利用率（Kiarie等，2013）。

外源酶被認(rèn)為是抗生素可能替代品，其中主要有幾種可能的機制，包括將消化部位轉(zhuǎn)移到前腸段，“餓死”后腸的微生物菌群；由惰性纖維產(chǎn)生可發(fā)酵的寡糖，對腸道pH和腸細胞增殖產(chǎn)生有益影響。Cowieson和Roos（2016）研究發(fā)現(xiàn)了外源蛋白酶及與未消化的食物和內(nèi)源性蛋白質(zhì)流向腸后段相關(guān)的有益作用，減少與蛋白質(zhì)抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)相關(guān)的炎癥作用，提高腸道拉伸強度和緊密連接完整性。因此，外源酶可以通過減少腐敗微生物底物，增加有益發(fā)酵微生物底物，增強腸道抵御有害細菌入侵的能力來提高腸道穩(wěn)定性。

3 胃腸道微生物區(qū)系

腸道微生物菌群代表了有益屏障功能，有益營養(yǎng)物質(zhì)、蛋白質(zhì)的合成，從日糧成分中獲得能量的潛力及炎癥和亞臨床病理的有害影響之間的權(quán)衡。完全消除腸道微生物菌群不是一個現(xiàn)實的目標(biāo)，相反，應(yīng)重點幫助動物調(diào)節(jié)腸道微生物菌群的變化。

3.1 宿主與微生物菌群的交互作用 宿主與細菌之間的相互作用是在進化過程中發(fā)展起來的，最終形成一種共生關(guān)系，雙方都能從中受益。但調(diào)節(jié)這種關(guān)系的機制在很大程度上仍不清楚。腸道菌群會影響一些生理功能，如病原體位移、營養(yǎng)競爭、受體競爭、抗菌因子生成、緊密連接、免疫系統(tǒng)發(fā)育和代謝功能等（Marchesi等，2016）。該菌群產(chǎn)生的多種代謝產(chǎn)物也刺激胃腸道中的神經(jīng)內(nèi)分泌細胞，因此，該菌群在內(nèi)分泌調(diào)節(jié)胃腸道功能中發(fā)揮著重要作用。腸道微生物群通過促進最佳的消化、吸收、調(diào)節(jié)能量代謝、預(yù)防黏膜感染和調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)來調(diào)節(jié)宿主的穩(wěn)態(tài)（Willing和Van Kessel，2010）。

3.2 影響胃腸道微生物菌群的影響 日糧組成的改變，營養(yǎng)素不平衡，應(yīng)激（如熱、斷奶、運輸、過度擁擠和環(huán)境衛(wèi)生條件）可能是導(dǎo)致微生物菌群紊亂的主要障礙。因此，需要一個正常、穩(wěn)定、多樣的胃腸道微生物群及一個完整有效的胃腸道屏障才能維持最佳的胃腸功能。細菌產(chǎn)生的微生物菌群組成和代謝產(chǎn)物對維持最佳腸道健康至關(guān)重要（Rinttila和Apajalahti，2013）。在幼年動物中，微生物菌群的組成及其多樣性可能受到環(huán)境和管理因素的影響，隨著時間的推移，胃腸道微生物菌群的組成在成年動物中達到平衡。幼齡動物體內(nèi)較低的微生物菌群多樣性似乎有利于向成年狀態(tài)發(fā)展。因此，日糧對胃腸道微生物菌群組成的調(diào)控是預(yù)防腸道健康，提高動物生產(chǎn)性能的有效營養(yǎng)措施。

3.3 胃腸道微生物菌群的特征及功能 盡管對胃腸道微生物菌群的研究越來越多，但不同微生物菌群的生物學(xué)功能往往還不清楚。胃腸道微生物菌群組成的變化、代謝活動及其與宿主的相互作用是阻礙進一步了解其組成變化的障礙之一。如在反芻動物和豬中，估計有300～1000種獨特的物種存在于胃腸道中（Kong等，2010），而在家禽中這一數(shù)字要高得多，超過2200種（Qu等，2008）。微生物菌群與宿主之間的相互作用是多方面的，而且大部分未知的相互作用為這一領(lǐng)域的研究增加了另一個層次的復(fù)雜性。事實上，由于胃腸道中存在大量未知微生物種類，有人提出對腸道微生物系統(tǒng)的理解，應(yīng)采用多物種相互作用的方法。

目前，有幾個關(guān)鍵問題仍需研究，如哪些細菌在農(nóng)場動物腸道中第一個定植，早期胃腸道微生物菌群對健康和生產(chǎn)力有什么影響，對早期胃腸道定植細菌的動力學(xué)研究將有助于了解驅(qū)動微生物菌群組成和活性動態(tài)變化的潛在因素。此外，環(huán)境因素、日糧和宿主基因?qū)ξ改c道細菌定植的影響，胃腸道微生物菌群在動物營養(yǎng)、生理、健康和福利之間的關(guān)系中的角色等問題必須采取以多學(xué)科系統(tǒng)為基礎(chǔ)的方法，上述問題的解決在開發(fā)抗生素替代品方面提供一些必要的幫助。

4 免疫狀態(tài)

4.1 日糧與胃腸道免疫功能 日糧可以通過幾種不同的機制調(diào)節(jié)胃腸道中的免疫功能。如它可以影響胃腸道微生物菌群的組成和代謝活性，這是用于微生物菌群發(fā)酵底物發(fā)生變化的結(jié)果（Yeoman等，2012）。特別是日糧蛋白質(zhì)似乎是維持胃腸道免疫穩(wěn)態(tài)的重要營養(yǎng)因素。蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物來源于各種消化酶的消化或微生物發(fā)酵，其被腸上皮細胞吸收，影響胃腸道免疫能力和免疫穩(wěn)態(tài)（van der Meer等，2016）。此外，日糧還可以改變微生物菌群的組成和代謝，調(diào)節(jié)干擾病原體生長和粘附的抗菌肽的產(chǎn)生。最后，日糧可以通過局部激活免疫細胞或促進免疫細胞在血液中的遷移，對免疫功能產(chǎn)生局部和全身的影響。

4.2 胃腸道屏障 Vrieze等（2010）研究表明，胃腸道與微生物菌群的相互作用，腸道調(diào)節(jié)多種屏障功能，如機械功能、體液功能、肌肉功能、神經(jīng)功能和免疫功能，同時胃腸道通過迷走神經(jīng)和激素將能量攝取和其他生理過程等信息反饋給中樞神經(jīng)系統(tǒng)。胃腸道屏障的重要性在于它是一個動態(tài)的、功能強大的實體。胃腸道屏障由外部或物理屏障組成，包括血管內(nèi)皮、上皮細胞和黏液層，以及內(nèi)部或功能免疫屏障，包括消化分泌物、免疫分子、細胞因子等細胞產(chǎn)物、炎癥介質(zhì)和抗菌肽（Bischoff等，2014）。雖然微生物菌群可以調(diào)節(jié)胃腸道屏障，但它本身并不代表屏障功能，因為這兩個屏障之間的相互作用非常復(fù)雜，對于維持腸細胞正常滲透壓至關(guān)重要（Bischoff等，2014）。

4.3 胃腸道粘膜免疫系統(tǒng) 胃腸道黏膜免疫系統(tǒng)不斷受到微生物菌群抗原的挑戰(zhàn)。細胞樹突、淋巴細胞（適應(yīng)性免疫系統(tǒng)）、巨噬細胞和肥大細胞（先天免疫系統(tǒng)）在胃腸道微生物及其黏膜免疫系統(tǒng)之間的信號傳遞發(fā)揮關(guān)鍵作用。胃腸道黏膜免疫系統(tǒng)可以利用免疫球蛋白A、黏液和抗菌肽等來發(fā)揮這一功能（Bischoff，2011）。值得注意的是，當(dāng)動物遇到病原體入侵時，免疫系統(tǒng)受到刺激，動物生長潛力降低。當(dāng)動物不能正常生長時，飼料效率降低，生產(chǎn)成本增加。在受到病原體入侵時，免疫系統(tǒng)會釋放促炎細胞因子，引起行為改變，如厭食癥、嗜睡、姿勢調(diào)整和感知障礙，降低平均日增重，降低肌肉中蛋白質(zhì)沉積率。蛋白質(zhì)沉積的降低不僅是因為飼料攝入量減少，同時也是機體功能代謝變化，如營養(yǎng)物質(zhì)（氨基酸、維生素、礦物質(zhì)）被重新分配以支持宿主的免疫防御（Johnson，2012）。

5 結(jié)論

未來的研究應(yīng)集中在建立一個腸道健康生物標(biāo)志物，此外還應(yīng)研究腸道健康技術(shù)和方法的標(biāo)準(zhǔn)化問題。但動物學(xué)家需確定血液、糞便、尿液和呼吸中的生物標(biāo)志物是否能提供一個合理的腸道健康指數(shù)。目前，對胃腸道生物標(biāo)志物濃度的短期或長期變化研究很有限，因此，在人類和動物腸道健康研究領(lǐng)域仍有一些問題需要解決。因此，用相關(guān)營養(yǎng)干預(yù)措施來優(yōu)化胃腸道功能是維持胃腸道微生物穩(wěn)態(tài)、微生物與腸道共生、胃腸道屏障和功能完整性的關(guān)鍵。