丁酸對動物腸道健康的影響及水產應用前景

劉艷莉，胡 毅，鐘 蕾，石 勇，顧 宇，李雅敏

( 1.湖南農業大學 動物科學技術學院，湖南省特色水產資源利用工程技術研究中心，湖南 長沙 410128； 2.水產高效健康生產湖南省協同創新中心，湖南 常德 415000 )

近年來，隨著規模化和集約化養殖的迅速發展，魚粉資源短缺和價格不斷上漲，飼料成本急劇上升。植物蛋白源價格適宜、來源廣泛，是魚粉的理想替代品。但植物蛋白源含有大量的抗營養因子，適口性差、營養不均衡[1]。而濫用抗生素帶來了藥物殘留、病原菌耐藥性增加和食品安全等一系列問題[2-3]。目前歐盟多個國家均禁止使用飼用抗生素[4]，中國對飼用抗生素的管理與應用也越來越嚴格。尋找緩解動物健康問題的抗生素替代品刻不容緩。

丁酸是短鏈脂肪酸，主要由有益菌群[乳酸菌、雙歧桿菌(Bifidobacterium)等]酵解不易消化的糖類(膳食纖維、抗性淀粉、低聚糖等)而產生[5]，具有優越的生理和生物學功能，一般通過丁酸鹽或包膜丁酸鹽等形式添加，可耐高溫和耐酸，符合水產行業膨化飼料的發展需要，是抗生素類飼料添加劑的理想替代品。丁酸具有保護畜禽腸道屏障、提高腸道免疫及維護腸道微生態平衡等作用[6-7]，但有關丁酸對水產動物腸道健康影響的研究鮮有報道。水域環境惡化、抗生素的不合理使用及植物蛋白源中的抗營養因子，給水產動物帶來了抗應激能力下降、腸道疾病頻發等負面影響，困擾和危害了水產養殖業健康可持續發展。筆者綜述了丁酸對畜禽動物腸道健康的保護作用及其機制，以及在水產動物上的相關研究，旨在為丁酸在水產動物飼料中的合理應用提供參考。

1 丁酸的理化性質

丁酸又稱酪酸，化學式CH3CH2CH2COOH，相對分子質量為88.11，分子式見圖1。為無色至淺黃色透明油狀液體，有腐臭的酸味。與水混溶，亦可混溶于乙醇、乙醚等有機溶劑，性質穩定。丁酸是一種天然物質，存在于大部分哺乳動物的消化道、乳汁、汗液甚至糞便中。目前在動物飼料中應用的主要是丁酸鹽或丁酸酯，解決了丁酸有臭味和作為液體易揮發難以添加的缺點，具有促進機體腸道健康發育、提高免疫能力、促進營養物質消化吸收等功能[8]。

圖1 丁酸分子式

2 丁酸在腸道中的代謝過程

丁酸首先經丁酸輔酶A合成酶轉化成丁酸輔酶A，然后通過一系列反應快速生成乙酰輔酶A，最后通過腸上皮細胞羥甲基戊二酰輔酶A循環中的氧化作用進行能量代謝，無需經過肝膽吸收和復雜的三羧酸循環系統。正常生理情況下，丁酸在豬、禽等單胃動物盲腸或結腸處以陰離子形式存在，通過非離子形式被腸上皮細胞吸收后，進一步轉運到肝臟進行代謝或者用作消化道上皮細胞的能源消耗[9]。而脂肪酸是很多魚類的能量來源，一般是通過肉堿酰基轉移酶的催化，以脂肪酸酯酰肉堿的形式被轉運到線粒體，反轉化為脂酰輔酶A衍生物，經過脫氫、水合、加氫和裂解4個步驟形成乙酰輔酶A和還原型輔酶Ⅰ。但丁酸在水產動物體內的具體代謝過程尚未見報道。丁酸在肝臟中可代謝成谷氨酸、谷氨酰胺和乙酰乙酸鹽，而這些物質都是腸細胞的重要燃料[10]。丁酸具有水脂兩親性，在pH 4～6時不易被分解，部分可避過酸性環境的小腸，直接進入盲腸和結腸，被腸上皮細胞吸收利用，是結腸、盲腸能量的首選，約占短鏈脂肪酸所產能量的70%[10]。但丁酸及丁酸鹽在胃酸的作用下，在胃部或者小腸上端就被迅速吸收，極少進入后腸。對丁酸衍生物的研究需進一步深入。包膜丁酸鹽或丁酸酯能緩釋丁酸不被胃酸分解而順利過胃，在腸道中經過胰脂肪酶分解，釋放出自由丁酸離子，作用于后腸[11]。短鏈脂肪酸為機體的主要能源物質，為脂肪代謝、蛋白質代謝、碳水化合物代謝等提供了能量[12]。丁酸在代謝過程中會產生乙酰輔酶A，能促進乙酰輔酶A合成脂肪，或通過羥甲基戊二酸單酰輔酶A途徑促進胴體合成，促進了脂肪的吸收利用[13]。丁酸還可通過促進轉運蛋白基因的表達來加快動物體內糖的分解代謝速率[14]。

3 丁酸對腸道黏膜的保護作用

腸道黏膜屏障主要由腸上皮細胞側面的緊密連接、中間連接、橋粒和縫隙連接組成，主要通過通透性來高效選擇腸微生物、毒素等進入機體。腸道黏膜形態結構是機體消化吸收的結構基礎。腸黏膜上皮絨毛高度和杯狀細胞數量的增加，即吸收面積的增加，能夠增強機體對營養物質的消化吸收能力[15]。研究發現，畜禽動物如鴨[16]、肉雞[17-18]、斷奶仔豬[19]、犢牛[20]等動物的飼料中添加丁酸能有效對抗腸黏膜細胞凋亡，促進細胞增殖和生長修復，提高動物的腸道絨毛長度，降低隱窩深度，增加杯狀細胞數量和腸道吸收面積，有利于緩解劣質蛋白源引起的損傷。王振鋒[21]研究表明，丁酸對感染柔嫩艾美爾球蟲(Eimeriatenella)的肉雞腸黏膜也起到了很好的修復作用。

與畜禽動物相比，水產動物消化器官短，消化酶活性差，食物在腸道停留時間較短。許多水產動物如鯉科魚類無胃，腸道承擔著消化和吸收的雙重功能，對飼料原料的要求較高。水產動物對蛋白質和脂肪需求量高，畜禽飼料配方中大多使用玉米和豆粕，而水產飼料中應用大量棉菜粕及一些非常規原料，含有抗營養因子，易產生蛋白質變質或脂肪氧化，損傷水產動物腸道。對黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)[22]、花鱸(Lateolabraxjaponicus)[23]等的研究發現，劣質蛋白源使腸黏膜的高度顯著下降，上皮細胞界限變模糊甚至脫落，空泡增多，既限制了蛋白源的開發利用，又影響水產動物的生長。保護水產動物的腸道比畜禽更迫切。

張俊智[24]對黃鱔(Monopterusalbus)的研究表明，在低魚粉飼料中添加丁酸鈉能顯著提高黃鱔腸道絨毛高度/隱窩深度值。孫浪等[25]研究發現，飼料中添加2.5 g/kg的丁酸鈉顯著提高了鯽魚(Carassiusauratus)前腸絨毛高度/隱窩深度值以及腸道細胞增殖因子CREB和CDX2基因的表達。給建鯉(Cyprinuscarpiovar. Jian)飼喂包膜丁酸鈉，能緩解氧化油脂的損傷，改善腸道狀態，增加微絨毛高度和密度[26]。丁酸鈉組羅非魚(Oreochromis)小腸黏膜上皮較對照組完整，腸絨毛粗壯，腸絨毛的高度、寬度，腸黏膜肌層厚度均顯著提高[27]。相似結果也見于菊黃東方鲀(Takifuguflavidus)[28]。以上研究表明，丁酸在水產飼料上有廣闊的應用空間(表1)。但是，目前丁酸對水產動物腸道黏膜保護的機制研究很少，需進一步研究。

丁酸對機體腸黏膜形態的維護和修復作用顯著，減輕腸黏膜結構損傷以及改善腸黏膜屏障的機制可能有以下幾種情況：第一，丁酸可以刺激結腸內水和鈉離子的吸收，促進黏膜修復酶的活性，同時刺激細胞內mRNA和蛋白質的合成，提高腸絨毛增殖效率，降低隱窩深度，增加絨毛寬度[29]。第二，丁酸影響緊密連接蛋白的表達[30-31]。第三，丁酸刺激了細胞有絲分裂，減少細胞凋亡；肥大細胞分泌的組胺使絨毛萎縮、隱窩加深和黏膜體積增大[32]，而丁酸控制了腸道組胺水平，從而改善了動物腸道形態的作用。

表1 丁酸及其衍生物保護動物腸道黏膜的部分應用

4 丁酸對腸道免疫炎癥的抑制作用

在高密度集約化養殖常態下，水產動物生活在不同程度的脅迫之下，極大地影響機體腸道免疫功能。腸道免疫系統主要由大量彌散在黏膜上皮和固有層的免疫細胞(淋巴細胞、粒細胞、單核細胞等)、免疫分子(免疫球蛋白、補體、細胞因子等)等組成[33]。丁酸保護了腸上皮細胞的完整性。在仔豬[34]飼料中添加丁酸鈉可以增加空腸和回腸黏膜上皮內淋巴細胞、肥大細胞和杯狀細胞的數量，表明丁酸具有提高腸道免疫屏障功能的作用。黏蛋白由杯狀細胞分泌，覆蓋在黏膜表層，是腸道非特異性免疫的重要組成部分。當機體缺乏黏蛋白時，腸炎等病癥加重，口服丁酸鹽可以有效緩解[35]。丁酸通過誘導Ca2+流動、促進ERK1/2和p38 MAPK磷酸化、中性粒細胞脫顆粒和胞外誘捕網的形成，調節中性粒細胞的功能，影響固有免疫應答效應[36]。在T淋巴細胞和B淋巴細胞增殖分化中，丁酸作為一種組蛋白去乙酰化酶抑制劑也起到了促進作用，加強了腸道黏膜免疫應答[37-38]。

有關免疫分子的相關研究也較多。核轉錄因子-κB是炎癥發生的重要信號通路之一，在免疫炎癥早期，能調節白介素-1β、白介素-2、白介素-6、腫瘤壞死因子-α、環氧酶-2等細胞因子的表達，減少炎癥的發生和發展，而丁酸可以通過抑制核轉錄因子-κB的激活有效發揮抗炎作用[39]。丁酸具有抑制JAK-STAT通路活性的作用[40]。丁酸或丁酸鹽還通過促進前列腺素E2的分泌，抑制腫瘤壞死因子-α、白介素-6等促炎性細胞因子的分泌[41]。體外細胞培養試驗表明，丁酸鈉能明顯提高腸道上皮細胞特異轉錄因子COX-2mRNA及其蛋白的表達水平[42]。丁酸還可抑制腫瘤壞死因子-α和白介素-13的釋放和組蛋白去乙酰化，進而影響封閉蛋白2、細胞膜閉合蛋白和扣帶蛋白等表達，恢復炎性腸炎的緊密連接[31]。鞠婷婷等[43]試驗證明，丁酸鈉能降低黃羽肉雞血清中白介素-6的含量，增強抗炎功能。添加丁酸鹽增強了歐洲鱸魚(Dicentrarchuslabrax)的白介素-1β、白介素-8、干擾素調節因子1和腫瘤壞死因子-α的表達[44]。上述研究表明，丁酸可控制免疫細胞或免疫分子調節腸道免疫應答，抑制腸道炎癥，而在水產動物中的利用效果和機制需進一步研究。

5 丁酸與腸道菌群的關系

腸道是一個生物量龐大且層次復雜的微生態系統。正常狀態下，腸道細菌維持菌群穩定，有益細菌如雙歧桿菌、乳酸菌等形成菌膜屏障，抑制有害細菌的生長和繁殖[45]。穩定的微生物菌群有助于提供能量和營養素，提高動物抵抗力，免受外來有害細菌的感染。

水產動物腸道菌群極易受水環境和餌料的影響，絕大多數細菌不能在消化道中生存。大口黑鱸(Micropterussalmoides)攝食冰鮮魚時，促進了擬桿菌等有益菌在腸道內的定殖，腸道菌群多樣性顯著高于人工飼料組[46]。對肉雞[47-48]、仔豬[49]的研究表明，丁酸降低了腸道的pH，酸性環境更適合乳酸菌等有益菌，添加酸化劑能增加機體腸道中乳酸桿菌數量，降低大腸桿菌數量，優化腸道微生物區系。Zhou等[50]用高脂飼料飼喂小鼠，結果顯示，丁酸鈉可以恢復小鼠腸道微生態群的生態失調，減輕脂肪肝的發生。其原因可能為，脂肪組織是腸道微生物代謝物的富集靶點，微生物代謝影響肝臟脂肪的沉積。另有研究發現，有益芽孢桿菌(Bacillus)可促進機體免疫器官內T、B淋巴細胞的成熟，增加其數量，增強機體免疫功能[51]。在凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)[52]飼料中添加三丁酸甘油酯和包膜丁酸鈉均顯著減少機體腸道致病性弧菌數量，其中1.5 g/kg 三丁酸甘油酯組致病性弧菌數量減少22.4%，減少量最高。在中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)[53]飼料中添加聚β-羥基丁酸酯，顯著影響了腸道菌群豐度，且存在時間依賴性。上述研究表明，丁酸能選擇性的抑制有害菌的增殖，促進乳酸菌等有益菌的增殖，改善機體腸道微生態，促進動物健康。

6 丁酸的抗腫瘤作用

在正常細胞中，丁酸提供腸上皮細胞呼吸能源，誘導隱窩基底細胞的增殖和成熟，改善正常組織形態結構；而在癌細胞中，丁酸卻能抑制腫瘤細胞增殖，促進腫瘤細胞調亡和良性分化。丁酸的這種矛盾作用方式稱為“丁酸悖論”[10]。丁酸對癌細胞具有抗增殖和促凋亡作用早已被證明[54-55]。目前對丁酸抗腫瘤作用的研究主要集中在小鼠或人上，在水產動物中尚無報道。

丁酸發揮抗癌作用主要是其作為組蛋白去乙酰化酶抑制劑，可以上調多種促凋亡因子(Bid、Bad、Fas、Caspase)和下調多種抗凋亡因子(Bcl-2、Bcl-XL、XIAP)的表達[56]。丁酸可下調mRNA活性，增強腺苷酸活化蛋白激酶活性，誘導結直腸癌細胞自噬[57]，或通過miR-203/NEDD9級聯誘導結直腸癌細胞凋亡，抑制結直腸癌細胞增殖[58]。4-苯基丁酸激活肝癌細胞的自噬作用，防止脂質積累，防護脂毒性[59]。丁酸可降低腸道pH，減少次級膽汁酸含量，改善腸道健康，可預防結腸癌[60]。李桃桃等[61]試驗表明，丁酸可促進多形核白細胞—骨髓衍生抑制細胞的增殖和活化，緩解小鼠的結腸炎。丁酸鈉可抑制缺氧誘導因子-1α，抑制人結腸癌細胞SW480的上皮間質轉化及其遷移和侵襲能力[62]。飼料中丁酸能增強DNA受損細胞的凋亡應答，起到誘導非正常細胞凋亡、防治細胞癌變的作用。而Xie等[63]證明丁酸鈉可調節MDM2癌基因—抑癌基因p53反饋環，增強抑癌基因表達并降低MDM2癌基因表達；丁酸鈉會抑制小鼠骨肉瘤細胞的生長，而對小鼠的活性和體質量無顯著影響。

上述研究表明，丁酸在誘導病變細胞凋亡中具有極大潛力。水域環境惡化、抗生素濫用、營養失衡等嚴重影響水產動物的免疫功能，機體細胞產生病變或炎癥，疾病也愈加復雜，危害著水產動物的健康。細胞學、分子生物學等技術的不斷發展提供了更多新思路和手段，可利用這些技術探討丁酸緩解水產動物炎癥反應的效果和機制。

7 小 結

隨著研究的深入，丁酸的生物學功能逐漸被發現，在養殖業中的應用也愈加受到人們重視。但丁酸的臭味和易揮發等缺點限制了其在飼料中的利用。丁酸衍生物(丁酸鹽、丁酸酯及包被丁酸鹽等)的開發利用，改善了丁酸的應用現狀。目前丁酸的大多數研究均集中在畜禽動物上，對水產動物的應用還很欠缺，需要利用現代的蛋白質組學及分子組學技術，更多關注水產動物健康研究。根據丁酸在畜禽動物上的經驗，今后在水產動物上的研究應著重于：(1)了解丁酸對水產動物營養生理、腸道健康及免疫機能等影響；(2)深入研究丁酸影響水產動物腸道健康、營養代謝及免疫機能的機制；(3)大規模試驗來確定水產動物的丁酸最適需要量，研發出適合養殖生產的飼料級丁酸及衍生產品。值得注意的是，丁酸對結直腸癌的抑制作用，可以探討丁酸對水產動物病變細胞是否起相似作用。