日糧多糖來源對動物腸道微生物和代謝的調節(jié)

張婷婷，董俊偉，黃飛翔，周小娟，陳海濤

（河南省動物衛(wèi)生監(jiān)督所，河南 鄭州450008）

動物腸道微生物參與腸道營養(yǎng)物質的消化吸收、代謝以及調節(jié)腸道各項生理功能，同時可通過腦腸軸介導機體整體代謝、攝食行為等，因此被稱為動物的“第二大腦”。多糖是一類不能被動物前腸消化吸收的多糖類物質，可進入后腸被微生物發(fā)酵和利用，產(chǎn)生微生物代謝產(chǎn)物如短鏈脂肪酸（SCFA），后者可參與調節(jié)機體營養(yǎng)物質的吸收與代謝、改善動物腸道健康、提高生長性能等。因此，研究認為多糖可通過調節(jié)動物后腸微生物菌群結構和代謝類型，介導腸道各項生理功能包括腸道黏膜屏障、免疫應答等，同時通過微生物-腦-腸軸調控機體整體代謝。筆者綜述了4 種日糧多糖來源（抗性淀粉、果寡糖、菊粉和甜菜渣）對動物腸道微生物菌群結構、腸道生理功能以及機體整體代謝的影響等方面內容，旨在為多糖和動物營養(yǎng)方面的研究提供參考。

1 抗性淀粉

抗性淀粉（RS）是一類不能被動物小腸消化吸收，但可進入大腸后成為微生物發(fā)酵底物的碳水化合物?？剐缘矸壑饕譃? 大類，包括物理包埋淀粉RS1、抗性顆粒淀粉RS2、回生淀粉RS3 和化學改性淀粉RS4?？剐缘矸鄣闹苯由砉δ馨ㄔ黾幽c道食糜的黏性和含水量，減緩腸道食糜流通速率，提高腸道對營養(yǎng)物質的利用率?？剐缘矸鄣拈g接生理功能主要作用于動物后腸，被后腸微生物發(fā)酵合成短鏈脂肪酸（SCFA）等微生物代謝產(chǎn)物。

1.1 抗性淀粉可使后腸微生物菌群結構發(fā)生適應性改變

抗性淀粉可增加有益菌屬相對豐度，減少致病菌屬相對豐度。有研究人員利用抗性淀粉日糧飼喂生長豬12 w后發(fā)現(xiàn)，結腸微生物菌群結構發(fā)生改變，多樣性指數(shù)顯著下降，有益菌屬包括毛螺菌屬和瘤胃球菌屬的相對豐度顯著升高。保持正常的腸道生理功能是維持機體代謝平衡的前提，抗性淀粉可通過改變后腸微生物菌群結構，介導機體腸道免疫應答反應。給大鼠飼喂含抗性淀粉2、抗性淀粉3 的飼料4 w，采集試驗前后糞便測其菌群分布。結果顯示抗性淀粉2和抗性淀粉3均可明顯增加大鼠糞便中雙歧桿菌數(shù)目并顯著減少腸球菌數(shù)目，盲腸內容物的短鏈脂肪酸隨抗性淀粉2攝入增加而增加，抗性淀粉明顯改善機體腸道菌群并增加其酵解產(chǎn)物短鏈脂肪酸。有人研究發(fā)現(xiàn)長期飼喂（100 d）抗性淀粉日糧（280 g/kg）能夠顯著降低生長豬結腸致病菌屬如梭菌屬、密螺旋體屬等的相對豐度，而顯著增加抗性淀粉相關菌屬包括糞球菌屬和瘤胃球菌屬等的相對豐度。結腸微生物菌群結構的改變引起結腸上皮細胞免疫相關基因表達量升高，其中致炎性細胞因子IL-1β表達量顯著上升。因此，該研究表明抗性淀粉通過改變生長豬結腸微生物菌群結構，增強了結腸黏膜免疫應答的敏感性。另有研究者利用抗性淀粉日糧飼喂生長豬后發(fā)現(xiàn)，抗性淀粉通過調控結腸微生物菌群結構，能夠顯著抑制結腸有害微生物發(fā)酵產(chǎn)物如生物胺、酚、吲哚等的產(chǎn)生，增強結腸黏膜的屏障功能，進而改善生長豬后腸健康。

1.2 抗性淀粉能夠介導機體能量代謝，維持機體代謝穩(wěn)態(tài)

有研究發(fā)現(xiàn)，抗性淀粉參與肥胖型大鼠葡萄糖代謝和脂代謝的調控，引起大鼠血液中葡萄糖、總膽固醇和甘油三酯的濃度顯著降低。有研究表明抗性淀粉主要通過其被后腸微生物發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸包括乙酸、丙酸和丁酸等，參與介導機體能量代謝。短鏈脂肪酸可被后腸道表面感應受體識別，誘導腸道內分泌細胞產(chǎn)生胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）、酪酪肽（PYY）等腦腸肽。這些腦腸肽通過腸系膜神經(jīng)將激素調節(jié)信號經(jīng)腦腸軸傳遞至下丘腦調節(jié)中樞，促使神經(jīng)中樞釋放食欲調節(jié)信號，進而調控機體能量代謝和攝食行為等。另有研究發(fā)現(xiàn)，抗性淀粉還可經(jīng)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸調控機體葡萄糖代謝，維持糖代謝平衡。有研究利用抗性淀粉飼喂大鼠7 w后發(fā)現(xiàn)，抗性淀粉可顯著升高大鼠盲腸短鏈脂肪酸的濃度，從而激活盲腸內分泌細胞分泌GLP-1，GLP-1進一步通過腦腸軸降低大鼠血糖水平，改善機體葡萄糖耐受性。因此，以上研究表明抗性淀粉可通過微生物-腸-腦軸參與機體整體代謝的調控過程。

2 果寡糖

果寡糖（FOS）是由多個果糖與單個葡萄糖，以β-1，2-糖苷鍵的形式連接構成的一類非消化性碳水化合物。研究報道顯示果寡糖可以增加前腸食糜黏性，減緩食糜流通速率，延長機體對食糜的消化時間，同時減緩固體飼料對機體腸道造成的損傷［1］。由于單胃動物前腸缺少相應的果寡糖消化酶，因此與抗性淀粉類似，果寡糖主要被后腸微生物發(fā)酵合成短鏈脂肪酸。

2.1 果寡糖能夠使后腸微生物菌群結構發(fā)生適應性改變

果寡糖可以增加乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬的相對豐度，促進后腸乳酸和短鏈脂肪酸濃度的上升，從而降低后腸內環(huán)境pH，抑制病原菌的增殖。給哺乳仔豬日糧中補充果寡糖，顯著增加結腸食糜中雙歧桿菌和乳酸桿菌的豐度，具有明顯的益生作用。有研究報道顯示果寡糖也可被其他菌屬發(fā)酵利用，如鏈球菌屬、大腸桿菌屬等。果寡糖對后腸微生物菌群結構的調控作用還受其濃度的影響。有研究者使用高濃度（25%水平）果寡糖飼喂小鼠4 w 后，從盲腸到遠端結腸，雙歧桿菌屬和糞球菌屬的相對豐度在食糜和黏膜中均顯著增加，糞球菌屬的增加可能與盲腸食糜中丁酸濃度的增加有關。

2.2 果寡糖能夠通過改變腸道微生物菌群結構

果寡糖可參與腸道生理功能和機體能量代謝的調控。研究顯示果寡糖可有效緩解動物結腸炎癥反應，改善結腸生理功能。有關專家研究利用果寡糖（75 mg/d）飼喂患有結腸炎癥的小鼠2 w后發(fā)現(xiàn)，小鼠結腸內乳酸桿菌屬的相對豐度顯著上升，同時結腸淋巴結致炎性細胞因子（IFN-γ、IL-17和TNF-α）表達量顯著下降。該研究表明果寡糖通過增加結腸有益菌屬的相對豐度，從而減輕結腸反應，促進結腸上皮屏障的形成。果寡糖還可通過介導后腸微生物有效調節(jié)機體能量代謝，維持機體代謝平衡。有研究顯示果寡糖主要通過其被后腸微生物發(fā)酵合成的短鏈脂肪酸，參與調控機體能量代謝。還有研究發(fā)現(xiàn)果寡糖通過介導微生物發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸，調控機體葡萄糖代謝。與正常日糧飼喂組相比，果寡糖飼喂組小鼠后腸和血液中短鏈脂肪酸的濃度顯著上升，而體增重顯著下降，同時機體葡萄糖耐受性和胰島素敏感性均顯著上升。研究進一步發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸可通過激活結腸上皮細胞下游環(huán)磷酸腺苷信號通路，或刺激結腸內分泌細胞GLP-1 的分泌經(jīng)腦腸軸調控中樞神經(jīng)信號，共同促使機體產(chǎn)生糖異生反應，進而維持機體葡萄糖代謝平衡。王博［2］等研究利用益生菌、果寡糖及組合效應飼喂后備母豬，發(fā)現(xiàn)益生菌和果寡糖都可以不同程度提高后備母豬的生長性能、免疫機能，改善后備母豬的腸胃微生物菌群，且益生菌和果寡糖的組合效應作用效果最為顯著。

3 菊粉

菊粉（IN）是由果糖經(jīng)β-（2，1）鍵連接而成的直鏈多糖，末端連接一個葡萄糖后形成的果聚糖混合物。菊粉作為一類益生素，由于其特定的化學結構，不能被動物小腸消化吸收，從而進入后腸后被微生物菌群如乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸等代謝產(chǎn)物。

3.1 菊粉能夠介導動物后腸微生物菌群結構和功能變化

給泌乳階段仔豬（28 日齡斷奶）日糧中添加菊粉，能夠減少斷奶后仔豬結腸食糜中大腸桿菌的相對豐度，增加丁酸、丙酸和總短鏈脂肪酸的濃度，同時，結腸黏膜中促炎癥因子白細胞介素8 和腫瘤壞死因子TNF-α的表達量顯著降低，有利于促進腸道健康。斷奶仔豬飼喂菊粉21 d后，盲腸中乳酸桿菌豐度增加，大腸桿菌豐度減少，同時乙酸和丁酸濃度增加；此外，十二指腸和回腸上皮緊密連接蛋白Zonula occludens 1的表達量增加，表明菊粉具有改善仔豬腸道健康的作用。

3.2 菊粉在動物后腸中發(fā)揮的益生效應受其濃度的影響

有研究人員在高脂日糧中添加10%水平菊粉飼喂小鼠4 w 后發(fā)現(xiàn)，后腸微生物菌群多樣性指數(shù)顯著下降，厚壁菌門相對豐度顯著降低，而放線菌門和疣微菌門相對豐度顯著上升。由10%添加水平菊粉引起的微生物區(qū)系的改變，增強了后腸緊密連接蛋白的表達，從而促進后腸黏膜屏障的形成。然而，有人利用含有菊粉（5%添加水平）的日糧飼喂小鼠2 w 后發(fā)現(xiàn)，小鼠后腸微生物菌群結構沒有顯著變化。同時，5%添加水平的IN 不能有效增加后腸短鏈脂肪酸濃度，對機體的益生效應有限。研究顯示菊粉主要通過增加小鼠盲腸擬桿菌屬和雙歧桿菌屬細菌豐度，上調細菌產(chǎn)丁酸關鍵酶丁酰輔酶A-乙酸輔酶A 轉移酶的表達，進而促進后腸短鏈脂肪酸含量的上升，參與機體能量代謝調控。顧憲紅［3］等用菊粉飼喂斷奶仔豬，結果表明，1%菊粉能顯著降低斷奶仔豬盲腸、結腸和直腸后段內容物pH，促進斷奶仔豬盲腸內乳酸桿菌生長，增加斷奶仔豬回腸后段、盲腸和直腸后段雙歧桿菌數(shù)量，但對仔豬生長性能和腹瀉率作用不一致。菊粉與抗生素聯(lián)合使用時，斷奶仔豬日增重、日采食量有高于單獨使用菊粉的趨勢。在斷奶仔豬日糧中添加一定量的菊粉，可以被畜禽后腸有益微生物利用，降低腸道pH 值，從而抑制有害微生物生長，降低了由于腸道病原微生物所引起的疾病發(fā)病率，對提高鈣的消化率和生產(chǎn)性能有一定的促進作用，菊粉和抗生素聯(lián)合使用對抑制仔豬大腸桿菌生長、降低疾病發(fā)病率、提高生產(chǎn)性能效果更好。綜合以上研究表明，菊粉主要通過介導后腸微生物調節(jié)機體能量代謝（尤其是脂代謝），對預防和治療動物肥胖等代謝疾病具有重要意義。

4 甜菜渣

甜菜渣（SBP）是甜菜塊根、塊莖經(jīng)人工提取糖汁后所剩下的殘渣，主要由單糖和多種果膠低聚糖（POS）組成，包括甲酯/乙酰化果膠低聚糖、乙酰化鼠李寡糖，以及其他半乳糖醛酸多糖等。甜菜渣含有的果膠低聚糖成分能夠作為益生素，可被后腸微生物發(fā)酵利用，產(chǎn)生以丁酸為主的短鏈脂肪酸等微生物代謝產(chǎn)物。

4.1 日糧中添加甜菜渣可有效改善動物的生長性能

斷奶仔豬日糧補充6%甜菜渣能夠顯著增加盲腸食糜毛螺菌科的相對豐度，乙酸和總揮發(fā)性脂肪酸濃度也增加，血清中GLP-1 濃度也隨之上升。有關專家研究利用含有甜菜渣（240 g/kg）的日糧飼喂生長豬47 d，與正常日糧飼喂組相比，甜菜渣飼喂組生長豬的采食量、體增重、料重比，以及蛋白質表觀消化率均顯著下降。此外，甜菜渣還可有效調控動物后腸微生物菌群結構和功能，進而改善后腸健康。有人利用甜菜渣（23%添加水平）日糧飼喂生長豬后發(fā)現(xiàn)，甜菜渣能夠引起結腸有益菌屬如乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬的相對豐度顯著上升，而致病菌屬如腸桿菌屬的相對豐度顯著降低。結腸微生物菌群結構的改變可顯著增加結腸杯狀細胞數(shù)量和CD3 淋巴細胞數(shù)量，從而改善結腸黏膜屏障的功能。該研究表明，甜菜渣可通過調控后腸微生物菌群結構，改善腸道生理功能，進而維持后腸內環(huán)境穩(wěn)態(tài)。

4.2 甜菜渣可參與機體能量代謝的調控

研究表明甜菜渣主要通過增加腸道有益菌屬的相對豐度，引起腸道內短鏈脂肪酸濃度的上升，從而參與機體能量代謝的調控。有人研究利用從甜菜渣中分離獲得的果膠低聚糖（5%添加水平）飼喂小鼠2 w 后發(fā)現(xiàn)，與正常日糧飼喂小鼠相比，甜菜渣中的果膠低聚糖成分能夠顯著增加盲腸有益菌屬如雙歧桿菌屬和產(chǎn)丁酸菌屬如羅氏菌屬的相對豐度。隨著盲腸微生物區(qū)系的改變，盲腸短鏈脂肪酸（乙酸為主）的濃度顯著升高，其中乙酸可有效介導機體脂肪酸β-氧化過程，維持機體脂代謝平衡。此外，由微生物利用果膠低聚糖發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸還可通過腦腸軸使機體產(chǎn)生飽感，減少攝食行為，降低采食量。

5 小結

日糧多糖來源包括抗性淀粉、果寡糖、菊粉和甜菜渣等，具有調控后腸微生物菌群結構的功能，可增加后腸有益菌屬的相對豐度，減少致病菌屬的相對豐度。腸道菌群的平衡對動物體的健康至關重要，多種因素影響腸道菌群平衡。多糖還可以通過被后腸微生物發(fā)酵利用產(chǎn)生短鏈脂肪酸，進而調節(jié)機體營養(yǎng)物質消化與吸收、腸道內分泌、機體整體代謝等。日糧多糖能通過調節(jié)腸道微生物菌群來保護腸道健康，提升機體免疫力，提高畜禽生產(chǎn)性能。因此，研究多糖介導動物后腸微生物菌群結構及其功能對機體代謝的影響，以期闡明哺乳動物（如豬）腸道內微生物與營養(yǎng)代謝互作及其對機體整體代謝的作用機制，將為提高動物生長性能、改善動物腸道健康、預防與治療代謝相關疾病等方面提供科學依據(jù)。