徐運杰,季豐泉,陳學華,劉以林,毛元廷,蘇雙良
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雞的胃腸道由嗉囔、肌胃、腺胃、十二指腸、空腸、回腸、盲腸、大腸(結腸)和泄殖腔組成,所有這些腔室都含有復雜的微生物群落,具有不同的種群。這些在腸道內密集分布的微生物群落統稱為腸道微生物群,包括細菌、真菌、古細菌、原生動物和病毒,其中細菌最為豐富。梭狀芽孢桿菌(Clostridium)、乳酸桿菌(Lactobacillus)、真菌(Eubacterium)、擬桿菌(Bacteroides)、大腸桿菌(E.coli)、普雷沃菌(Prevotella)、月形單胞菌(Sele?nomonas)、 鏈 球 菌(Streptococcus)、 巨 球 菌(Megasphaera)、梭形桿菌(Fusobacterium)和雙歧桿菌(Bifidobacterium)是雞腸道中最常見的細菌。腸道各部分微生物群落的數量和類型因飼料的營養流、宿主的免疫反應和腸道中復雜微生物系統產生的代謝產物而異。有益細菌(與提高生產力有關)和有害細菌(與健康和疾病有關)都棲息在健康家禽的腸道中。但是,有益的革蘭氏陽性菌通常占優勢,占細菌總數的85%以上,維持和負責營養物質的消化吸收、免疫力和抗病力的調控。一些致病細菌,如幼禽腸道中的梭狀芽孢桿菌和健康成年家禽腸道中的大腸桿菌、彎曲桿菌(Campylobacter)和沙門氏菌(Salmonella)也很常見。正常腸道微生物群的偏離會導致“失調”,即腸道中微生物種群的質量或數量與正常比例不平衡。菌群失調可引起腸道有害變化,影響攝入食物的消化、營養素的吸收和黏膜的屏障功能,導致感染性細菌的移位和炎癥反應。這會影響家禽的飼料轉化率、生產性能和整體健康。因此,正常的腸道微生物群對于最佳的健康和生產力非常重要。環境條件、遺傳背景、年齡和應激等不同因素都會影響腸道微生物群,其中日糧是影響腸道微生物群及其功能發育的最重要因素。飼料的類型對驅動雞腸道微生物生態發育至關重要,因為飼料中未消化和未吸收的成分可以作為腸道微生物生長的基質。各種飼料添加劑被用來調節雞的腸道微生物群。以前,抗生素被用作生長促進劑,但隨著消費者對抗生素有害影響的認識,加上日益增加的抗菌藥物的耐藥性,我國從2020 年7 月1 日開始,商品家禽飼料中嚴禁添加除抗球蟲藥以外的具有促生長作用的藥物飼料添加劑,由此,研究和探索抗生素替代品成為行業的熱點話題。飼料中添加多酚類化合物可以滿足這一需求。多酚及其代謝產物可以調節雞腸道細菌的多樣性和種群數量,具有促進健康的作用。多酚化合物的生物可利用率對胃腸道和身體其他系統如抗氧化系統、心血管和免疫刺激的影響至關重要。多酚的生物利用率較低,約90%的酚類化合物未經改變進入結腸,并與結腸細菌相互作用。腸道菌群與多酚的相互作用在腸道菌群的調控中起著至關重要的作用,不僅改變了腸道的細菌組成,而且通過將多酚代謝成可吸收的代謝物來提高其生物利用率。
腸道微生物群影響宿主的健康、新陳代謝和免疫力,也影響食品安全。家禽的生產性能可通過飼料轉化率(FCR)、體增重(BWG)、表觀代謝能(AME)、剩余采食量(RFI)和達到目標體重所需時間等參數來預測。FCR是攝食飼料與體重增加的比率,是衡量生長性能最廣泛使用的參數。腸道菌群組成可影響FCR,因為其在飼料消化和營養吸收中起著關鍵作用。空腸中的乳酸桿菌、果桿菌(Fruc?tobacillus)和副乳桿菌(Paralactobacillus)與較高的FCR有關,纖毛菌(Leptotrichia)、片球菌(Pediococ?cus)、羅氏球菌(Rohdococcus)和大腸桿菌與較低的FCR 有關[1]。以肉雞的BWG 為參數,通過線性回歸分析確定了幾個與BWG 相關的細菌群,在屬水平上,回腸的鏈球菌以及回腸和盲腸的阿克曼菌(Akkermansia)與BWG 呈負相關,而回腸的雙歧桿菌和盲腸的乳酸乳球菌(Lactococcus)與BWG 呈正相關[2]。L. A. Rubio 等[3]通過 qPCR 分析了科寶肉雞不同部位的腸道菌群組成,發現回腸內容物中擬桿菌/細菌總數的相對數量與糞便中中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)、半纖維素和纖維素的消化率呈正相關;嗉囔中大腸桿菌和志賀氏菌(Shigella)/細菌總數的相對含量與肉雞的增重呈負相關;糞氮消化率與雞回腸內容物細菌總數呈負相關;盲腸內容物中大腸桿菌和志賀氏菌的相對含量與肉雞糞便脂肪消化率呈負相關。M.Ocejo 等[4]采用 16S rRNA 基因高通量 Illumina 測序技術比較分析了集約化飼養42 d 的快速生長肉雞(Ross-308)和在戶外放養86 d 的慢速生長肉雞(Sasso-T451A)盲腸中微生物群組成之間的差異,發現兩者之間盲腸微生物群的組成存在顯著差異,放養肉雞由于接觸到外面的草地和土壤,盲腸的微生物群比集中籠養的更豐富、更復雜;年齡是影響盲腸微生物群組成最重要的因素,一般來說,每個年齡組都表現出與年齡相關的群落特征,并有一個過渡期。因此,雞的生產性能參數與腸道菌群組成的變化存在正相關或負相關關系(見表1)。

表1 微生物類群與雞生產性能的相關性
多酚類化合物是指一組植物中化學物質的統稱,因具有多個酚基團而得名(見表2)。植物多酚由40 多種化學成分組成,具有抗氧化、抗菌抑菌和益生元效應等多種生理作用。多酚與腸道菌群之間的相互作用是一個雙向的過程,在這個過程中,腸道微生物將多酚代謝成簡單的代謝產物,多酚通過干擾其代謝活動影響腸道微生物的生長和種群。多酚的生物利用率也因其轉化為可吸收的代謝物而提高。乳酸桿菌能夠代謝多酚化合物產生能量供細胞使用。嗜酸乳桿菌(L.acidophilus)能使植物糖苷脫糖產生苷元,一些微生物類群如德氏乳桿菌(L.delbrueckii)和細枝真桿菌(Eubacteri?um ramulus)可以利用這些苷元作為營養底物[5]。其他如卵形擬桿菌(B.ovatus)、韋榮球菌(Veillonel?la)和瘤胃球菌(Ruminococcus)可通過開環、內酯分解、脫羧、脫羥、脫甲基、還原和異構化進一步代謝苷元[6]。結腸細菌的酶促作用破壞了未被吸收的多酚的基本結構,并通過將其轉化為具有不同生物活性的低分子量代謝物來提高其生物利用率。這些低分子量的多酚代謝物可以持續存在于血漿中,表現出更好的健康促進作用。

表2 植物多酚的主要類別
多酚中如槲皮素、羥基酪醇、白藜蘆醇和酚酸對各種致病菌具有抗性,包括幽門螺桿菌(H.pylo?ri)和沙門氏菌(Salmonella)。白藜蘆醇是非黃酮類多酚有機化合物,是許多植物受到刺激時產生的一種抗毒素,能抑制大腸桿菌的數量,改善熱應激對肉雞的影響[7]。槲皮素是自然界分布最廣的天然多羥基黃酮類多酚有機化合物,可抑制腸炎沙門氏菌(S.enteritidis),影響促炎基因的表達[8]。羥基酪醇是一種主要以酯類形式存在于橄欖果實和枝葉中的天然多酚類有機化合物。羅思源等研究表明[9],羥基酪醇對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌(S. aureus)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和枯草芽孢桿菌(B. subtilis)的最小抑菌濃度(MIC)分別為0.625、0.625、1.250、2.500 mg·mL-1。多酚化合物的抗菌特性是最重要的,通過抑制有害細菌的生長和黏附來防止腸道細菌生物膜的形成,從而防止腸道感染,提高營養物質的利用率,改善家禽的生產性能。其抗菌機制包括作用于細菌的遺傳物質DNA 直接抑制某些細菌種類、降低病原菌的黏附能力或破壞細胞膜上的離子通量。飼料中酚類化合物的濃度、其抗菌作用的選擇性以及細菌對這些天然抗菌劑的耐藥性都會影響細菌的敏感性。
多酚及其代謝物具有益生元效應,作為營養供應源可以促進腸道有益微生物的增殖。但不同的是多酚對腸道細菌種群的影響效應不同。葡萄中含有大量的酚類化合物,可以調節腸道活動,也可以改變胃腸道的結構和功能。飼料中添加富含多酚的葡萄制品可提高肉雞腸道中腸球菌(Enterococcus)的數量,同時降低梭狀芽胞桿菌的水平。葡萄多酚提取物還可以通過促進腸道中乳酸桿菌和雙岐桿菌等有益細菌群落的生長,提高腸道細菌多樣性,改善肉雞腸道形態和肉產品的氧化穩定性[10]。飼喂含有花青素、黃烷醇、黃酮醇和酚酸的蔓越莓提取物則顯著降低肉雞腸道中腸球菌種群的數量[11]。富含多酚的綠茶和桑葉在家禽生產中應用比較廣泛,據報道可選擇性抑制某些致病菌株,而不影響共生細菌群落。在肉雞飼料中添加富含多酚類物質的桑葉粉,可增加雞腸道中普雷沃菌、巨單胞菌(Megamonas)和擬桿菌的數量,綜合各指標,桑葉粉添加量以3%為佳[12]。富含多酚的藍莓副產品也有利于某些細菌的種群,包括家禽盲腸和泄殖腔中的擬桿菌,抑制產氣莢膜梭菌(C. perfringens),促進腸道健康[13]。
腸道形態特征(絨毛高度、寬度和隱窩深度)是動物健康的指標。因此,腸道形態的改變會影響營養素的消化吸收和動物的生產性能。多酚類物質能夠影響腸道的形態特征。用含有多酚類物質的精油喂養肉雞,會使十二指腸的絨毛高度增加。橙皮苷、染料木黃酮和富含黃酮類化合物的發酵銀杏葉可通過改變脂多糖應激肉雞小腸的長度、隱窩深度和絨毛寬度來增加小腸的吸收表面,促進養分吸收。綜合考慮肉雞的生產性能和抗氧化性能,玉米-豆粕型日糧中發酵銀杏葉的適宜添加水平為0.4%[14]。
微生物轉化可能因多酚結構(黃酮類或非黃酮類)的類型、聚合程度和空間結構而異。因此,不同亞組和類別的多酚通過不同的途徑代謝,產生不同的代謝產物,對腸道微生物群產生不同的影響。
黃酮類化合物(包括黃酮醇、黃烷酮、異黃酮、黃烷醇、花青素和黃酮)的主鏈由苯環(A 和B)和吡喃酮C環連接而成。腸道中的細菌可導致C環從不同位置斷裂,從而產生各種簡單的酚。B環羥基化的位置和方式影響酚類代謝物的類型。在C環斷裂后,黃酮通過腸道細菌的去甲基化和脫羥化反應進行進一步代謝。不同菌株的乳酸桿菌參與雞腸道中黃酮類物質的代謝。黃酮類化合物及其微生物代謝物具有抗菌和抑制病原微生物的能力。體外研究表明,葡萄副產物中的黃酮類化合物能抑制金黃色葡萄球菌(S. aureus)、大腸桿菌、白色念珠菌(C. albicans)和彎曲桿菌(Campylo?bacter),并能調節雞腸道內微生物群的組成,提高免疫力和健康水平[15]。染料木黃酮和橙皮苷能夠調節黏膜和細胞免疫。因此,腸道微生物群能夠生物轉化黃酮類化合物,黃酮類化合物可以通過調節腸道微生物群和保護腸上皮細胞免受氧化應激來改善腸道形態指數。
3.1.1 黃酮醇
黃酮醇(山奈酚、槲皮素、蘆丁和楊梅素)是具有3-羥基黃酮骨架的黃酮類化合物。C環斷裂后被腸道細菌分解產生更簡單的代謝物。參與這些轉化的微生物包括狄氏擬桿菌(Bacteroides distaso?nis)、卵形擬桿菌(Bacteroides ovatus)、分枝真桿菌(Eubacterium ramulus)、卡氏腸球菌(Enterococcus casseliflavus)和單形擬桿菌(Bacteroides uniformis)。黃酮醇具有抗菌活性,并對青春雙歧桿菌(B.ado?lescentis)的抗炎活性有類似益生元的作用。研究發現,槲皮素對肉仔雞的銅綠假單胞菌、血清型鼠傷寒沙門氏菌、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌等細菌有明顯的抑制作用[16]。
3.1.2 黃烷酮
黃烷酮(橙皮素、柚皮素)是指以2-苯基二氫色原酮為母核而衍生的黃酮類化合物。這類黃酮化合物的生物利用率更高,能夠抵抗某些結腸微生物的降解。腸道細菌對黃烷酮的去糖基化和進一步代謝與黃酮醇類似。分枝真桿菌和梭狀芽孢桿菌等腸道細菌代謝產生的細菌酶在結腸中釋放黃烷酮的苷元,如橙皮苷和柚皮苷,這些苷元可進一步轉化為酚酸。羥基化形式的苯丙酸是橙皮苷的結腸代謝產物[17]。
3.1.3 異黃酮
異黃酮具有雌激素特性。幾乎所有的異黃酮都是以糖苷形式存在,由于分子量大和極性高,所以吸收率很低。它們的生物利用率取決于腸道細菌將糖苷轉化為具有生物活性的苷元的酶促作用。K.Kawabata 等[18]研究報道,大豆異黃酮在蛋雞體內轉化為雌馬酚,具有積極的健康效應。異黃酮還會影響腸道微生物群的組成,因為大豆苷元和染料木黃酮等會對某些腸道細菌產生抑制作用,特別是對多重耐藥性的金黃色葡萄球菌具有抗菌作用。其抑菌機制可能與抑制細菌拓撲異構酶Ⅳ有關。飼喂富含異黃酮的豆粕可增加肉雞腸道中德氏乳桿菌(L.delbrueckii)、中間乳桿菌(L.in?termedius)、約氏乳桿菌(L.johnsonii)、潘氏乳桿菌(L.panis)和羅伊氏乳桿菌(L.reuteri)的數量。
3.1.4 黃烷醇
黃烷醇是一類復雜的黃酮化合物亞群,包含簡單的黃烷醇(兒茶素、表兒茶素、沒食子酸、表沒食子酸及其沒食子酸酯)和相應的聚合物。黃烷醇的生物利用率取決于它們的聚合度和沒食子酸化程度。聚合度大于3 的化合物未被吸收進入結腸,在結腸中被梭狀芽孢桿菌和雙歧桿菌分解[19]。結腸細菌分解沒食子酸酯轉化為苷元,進一步代謝為沒食子酚、羥基苯丙酸和羥基苯甲酸。因此,黃烷醇的生物利用率和生物作用受到腸道微生物群的影響。反之,黃烷醇影響腸道內的微生物組成及其分解代謝活性。據報道,一些黃烷醇代謝物有利于乳酸桿菌和腸球菌,同時減少溶組織梭狀芽桿菌(C.histolyticum)[20]。兒茶素及其代謝物可以抑制大腸桿菌、艱難梭菌(C. difficile)和沙門氏菌,而不影響乳酸桿菌。日糧中高劑量的黃烷醇可以增加結腸中雙歧桿菌的數量。茶葉中的兒茶素和表沒食子兒茶素能夠促進鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus)的細菌黏附作用,從而支持黏膜防御。表沒食子兒茶素對金黃色葡萄球菌(Staphylococcus)有抗菌作用,并能抑制生物膜的形成,還可以殺死其他細菌,包括化膿性鏈球菌(Streptococcus pyogenes)、芽孢桿菌、梭菌、傷寒沙門氏菌(Salmonella typhi)和腸出血性大腸桿菌[21]。
3.1.5 花青素
花青素,包括天竺葵素、花青素和錦葵素,表現出非常低的吸收,因為只有一小部分這些化合物被水解并轉化為可吸收的代謝物。因此,大量攝入的花青素進入結腸并與結腸微生物群相互作用。酰化形式的花青素也能被腸道細菌分解代謝。腸道細菌分解花青素中的糖苷鍵,打開雜環。有研究證實了腸道細菌對3-糖苷鍵的切割[22]。參與花青素分解的細菌有乳雙歧桿菌(Bifidobacterium lac?tis)、植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)、嗜酸乳桿菌(Lactobacillus acidophilus)和干酪乳桿菌(Lacto?bacillus casei)。花青素首先去糖基化,然后被結腸菌群降解成簡單的酚酸。原兒茶酸是花青素在腸道微生物群中的主要代謝產物。花青素的其他微生物代謝產物是間苯三酚和香草醛。花青素及其代謝物可以調節胃腸道菌群的變化,有利于乳酸桿菌和腸球菌等有益細菌的生長,具有抗熱應激和改善器官功能的作用。
3.1.6 黃酮
黃酮(木犀草素和芹菜素)在自然界以糖基化形式存在,能夠被腸道內的乳酸桿菌轉化為苷元,未被吸收的苷元通過結腸細菌裂解C 環進一步降解,并轉化為可吸收的代謝物。黃酮及其代謝產物會影響家禽的腸道健康,對多種微生物具有抗菌作用。研究表明,木犀草素對阿莫西林產生耐藥性的大腸桿菌具有抗菌作用,還能夠抑制金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和熒光假單孢菌(P.fluo?rescens)[23]。
非黃酮類化合物包含一組復雜且不均一的多酚,從最簡單的羥基苯甲酸和羥基肉桂酸到復雜的芪類化合物、木脂素和單寧。它們在腸道中的代謝也因其在不同亞類之間結構復雜程度的不同而不同。
3.2.1 酚酸
酚酸類化合物(Phenolic acids)是指既有羧基(—COOH)又有羥基(—OH)附著在苯環上的有機酸,可分為羥基苯甲酸和羥基肉桂酸。原兒茶酸、香草醛酸、丁香酸和對羥基苯甲酸是羥基苯甲酸的四個主要成員,而咖啡酸、對羥基肉桂酸、阿魏酸和芥子酸屬于氫化肉桂酸。不同酚酸經過腸道微生物轉化產生不同代謝產物。沒食子酸(3,4,5-三羥基苯甲酸)生成鄰苯三酚(1,2,3-三羥基苯酚);原兒茶酸(3,4-二羥基苯甲酸)轉化為鄰苯二酚(1,2-二羥基苯酚);香草醛酸(3-甲氧基-4-羥基苯甲酸)轉化為鄰甲基對苯二酚;咖啡酸產生3-羥基苯丙酸、苯甲酸、馬尿酸和3-羥基馬尿酸;阿魏酸的微生物代謝產物包括香草醛和3-(4-羥基苯基)-丙酸[24];綠原酸、柚皮苷和蘆丁的代謝終產物分別是3-(3-羥基苯基)-丙酸、3-(4-羥基苯基)-丙酸和3-苯基丙酸、3-羥基苯乙酸和3-(3-羥基苯基)-丙酸[16]。酚酸及其微生物代謝終產物能夠影響腸道細菌的組成和代謝活性。3-O-甲基沒食子酸和咖啡酸可減少腸道中A 型產氣莢膜梭狀芽孢桿菌(C.perfrigens)、艱難梭菌(C.difficile)和擬桿菌等病原菌的數量,而不影響雙岐桿菌和乳酸桿菌等共生厭氧菌和益生菌[25];沒食子酸可阻止生物膜的形成,因為它可將大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌和單核球增多性李斯特菌(L.monocytogenes)的生物膜形成活性降低70%以上[26];羥基肉桂酸如綠原酸、對香豆酸、香豆酸和咖啡酸對大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus)和金黃色葡萄球菌具有抑制作用[27];咖啡酸是抑制大腸桿菌、沙門氏菌、假單胞菌、梭狀芽孢桿菌和擬桿菌生長的最強抑制劑[25]。
3.2.2 單寧酸
單寧酸(Tannins)一般指鞣酸,不是單一的化合物,化學組成比較復雜,大致分為縮合單寧酸和可水解單寧酸兩種。盡管單寧酸的結構復雜,但它們能夠被腸道微生物群代謝。腸道細菌通過單寧酰水解酶水解單寧中的酯鍵。單寧可使肉雞盲腸微生物群落中擬桿菌屬數量急劇減少,毛螺菌(Lachno?spiraceae)和梭狀芽胞桿菌增加,并可誘導鐵缺乏的條件下乳酸菌的生長[28]。家禽后腸道中短鏈脂肪酸總產量的上升與補充單寧酸有關。從光雷等[29]研究表明,飼糧添加0.1%橡椀單寧能夠提高42 日齡肉雞抗氧化功能,改善肉品質,提高空腸和回腸絨毛高度。就腸道形態而言,高粱單寧對肉雞或蛋雞的腸道形態沒有任何不利影響。然而,蠶豆單寧會引起肉雞腸道絨毛萎縮和縮短。
3.2.3 木脂素
木脂素(Lignans)是一種具有1,4-二芳基丁烷結構的多酚。在代謝過程中,植物木脂素經歷葡萄糖醛酸化和少量硫酸化。木脂素的生物學作用取決于腸道微生物將其轉化為植物雌激素形式,即腸內酯和腸二醇,代謝過程包括去甲基化、還原、脫羥基和內酯化[30]。因此,能夠將木脂素轉化為腸木脂素的微生物對于健康非常重要。然而,由于缺乏這方面的科學報道,很難預測木脂素與腸道微生物群之間的確切關系。
3.2.4 芪類化合物
芪類化合物(Stilbenes)具有C6-C2-C6 結構,可被腸道細菌代謝。其中,反式白藜蘆醇是研究最多的芪類化合物。白藜蘆醇的生物利用率很低,能夠被腸道微生物代謝產生二氫白藜蘆醇等生物活性代謝物。因此,白藜蘆醇對雞腸道菌群有一定的調節作用,減少腸道沙門氏菌、糞腸球菌(Enterococcus faecalis)、氣莢膜梭菌和大腸桿菌的數量,顯著增加乳酸桿菌和雙歧桿菌的數量[31]。熱應激是熱帶和亞熱帶地區肉雞生產中普遍存在的問題之一,導致腸道完整性受損,導致炎癥和生產性能下降。何邵平[32]研究表明,白藜蘆醇能夠提高熱應激環境下黃羽肉雞腸道的緊密連接,恢復受損的絨毛隱窩結構,改變腸熱休克蛋白、黏蛋白、腸上皮細胞因子的mRNA 表達,抑制促炎細胞因子的分泌。因此,白藜蘆醇可以通過調控腸道內微生物群的組成來提高雞的免疫力和腸道健康。
總之,健康的腸道系統對家禽生產至關重要。有害的變化會導致腸道菌群和功能失調,從而使雞的整體健康狀況和生產性能下降。多酚類化合物及其微生物代謝產物具有多方面生理作用:①通過發揮抗菌抑菌作用和益生元效應,影響腸道的微生物組成和信號通路,為結腸內微生物群落的生長創造良好的胃腸環境;②影響腸道組織的表觀遺傳變化,調節細胞內受體和信號分子;③具有很強的抗氧化能力,保護結腸和黏膜的上皮細胞,影響腸道排毒系統;④保護上皮細胞,防止腸道炎癥,從而改善腸道形態結構和屏障功能。日糧中添加多酚類物質可以改善雞的腸道健康,提高雞的生產力。腸道微生物與多酚的相互作用是一個雙向過程,在這個過程中,腸道微生物將多酚轉化為生物活性代謝物,提高了多酚的生物利用率和健康效應,反之,多酚及其腸道微生物代謝物又支持有益細菌的生長,并抑制病原體。由于其在腸道健康和調節作用中的重要性,研究腸道微生物與多酚的相互作用是一個新興的研究領域。