三丁酸甘油酯對動物生長和腸道屏障功能的影響及其作用機制

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三丁酸甘油酯對動物生長和腸道屏障功能的影響及其作用機制

鄭欣，徐樹德，艾慶輝，麥康森

摘要：三丁酸甘油酯（TB），是由4個碳原子組成的短鏈脂肪酸酯，為無色近油狀液體，略有脂肪香味，能順利通過胃腸道，并被緩慢分解為丁酸，進而到達腸道后端，發(fā)揮相應的生理效應。研究報道，TB能夠促進腸道絨毛生長、增強營養(yǎng)物質的消化、維持腸道菌群平衡、增強緊密連接、促進黏蛋白分泌、提高免疫力，進而提高動物的生產(chǎn)性能。因此，在飼料中添加TB已成為改善動物腸道屏障功能、促進動物生長的一種營養(yǎng)策略，并被廣泛應用于畜牧業(yè)養(yǎng)殖過程中。本文主要就TB在促進動物生長和維持腸道屏障功能方面的作用以及可能的作用機制進行闡述。

關鍵詞：三丁酸甘油酯、動物生長、腸道屏障功能

1、TB的理化特性與代謝

1.1 理化特性

3分子丁酸和1分子甘油組成的TB，是一種短鏈脂肪酸酯，其分子式為C15H26O6，相對分子質量為302.41，是一種無色近油狀的液體，具有脂肪的香味。因其具有不溶于水，易溶于乙醚和乙醇等有機溶劑，以及熔點較低和沸點較高的物理特性(熔點：-75 ℃，沸點：305~310 ℃)，所以在高溫、光照和制粒等條件下，其理化性質基本無變化，適合目前各類飼料加工的生產(chǎn)工藝。

1.2 代謝

丁酸鹽在體內代謝過程中極易在胃和小腸的上端被快速吸收，很少進入腸道后端發(fā)揮生理效應。而TB不易被胃酸分解，可以順利通過胃，在腸道中經(jīng)胰脂肪酶的作用后，可被緩慢分解為丁酸和甘油。一方面，丁酸其極易被結腸黏膜上皮細胞吸收，大部分的丁酸被氧化成酮體，進而合成ATP，為腸道細胞提供能量；另一方面，丁酸在丁酸輔酶A合成酶的作用下轉化成丁酸輔酶A，然后經(jīng)過一系列化學反應生成乙酰輔酶A，進而參與β氧化，進行能量代謝。

2 、TB對動物生長的作用及其作用機制

2.1 TB促進動物生長

飼糧中添加不同水平的TB能夠促進動物的生長，詳見表 1。在陸生動物上的研究發(fā)現(xiàn)，每千克飼糧中添加5 g TB能夠使1~28日齡斷奶仔豬的平均日增重(ADG)提高13.64%；每千克飼糧中添加1 g TB能夠使7~21日齡子宮發(fā)育遲緩(IUGR)仔豬和斷奶仔豬的ADG分別提高237.93%和10.65%；每千克飼糧中添加2 g TB能夠使1~42日齡肉雞和艾維茵肉雞的ADG分別提高6.47%和6.67%。在水生動物上的研究也同樣發(fā)現(xiàn)，每千克飼料中添加1 g TB能夠使建鯉的增重百分比(PWG)提高13.2%；每千克飼料中添加0.1 g TB能夠使菊黃東方鲀的PWG提高28.12%。

2.2 TB促進動物生長的可能作用機制

動物的生長與腸道消化營養(yǎng)物質的能力密切相關。在豬、雞以及魚上的研究顯示，淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶是重要的消化酶，增加這些酶的活力能夠提高動物腸道的消化能力。在豬和菊黃東方鲀上研究的發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加TB能夠增加回腸脂肪酶活力、空腸和回腸胰蛋白酶活力，增加腸道淀粉酶活力。此外，動物腸道的消化能力受到腸道生長發(fā)育的調控，而腸道的生長發(fā)育與腸絨毛高度和隱窩深度密切相關。研究發(fā)現(xiàn)，TB的添加能夠增加斷奶仔豬回腸絨毛高度；增加肉雞十二指腸和空腸絨毛高度，但對隱窩深度無顯著影響；增加1~14日齡肉雞十二指腸和空腸絨毛高度，降低隱窩深度；增加菊黃東方鲀前腸和后腸絨毛高度；降低脂多糖(LPS)處理后肉雞回腸的隱窩深度。TB促進動物腸道生長發(fā)育進而促生長的機理目前尚不明確，但我們推測可能與其代謝物作為腸道上皮細胞主要能量來源有關。腸道黏膜的快速生長和發(fā)育需要有效的能量來源。Macfarlane等報道，丁酸極易被結腸黏膜上皮細胞吸收，進而被氧化成酮體，參與合成ATP，為腸道細胞的生長發(fā)育提供能量。

以上資料說明：TB可以通過促進腸道的生長發(fā)育，進而提高消化能力，最終發(fā)揮促進動物健康生長的作用。

3、TB維持動物腸道屏障功能

腸道既是營養(yǎng)物質消化吸收的重要場所，也是動物抵御外界環(huán)境刺激(環(huán)境和食物中有毒有害物質、細菌等)的重要屏障。動物的腸道屏障主要包括微生物屏障、物理屏障、化學屏障以及免疫屏障。當動物的腸道屏障功能受到破壞，會導致免疫系統(tǒng)紊亂，進而易遭受病原菌侵襲，最終導致生產(chǎn)性能下降。

3.1 TB維持動物腸道微生物屏障功能

數(shù)以億計的微生物定植在動物的胃腸道內，其含量的變化在維持胃腸道健康穩(wěn)態(tài)方面至關重要。外界因素如飼糧組成的變化、生活方式的改變以及環(huán)境中有毒有害物質的入侵均會影響腸道微生物的組成，進而打破菌群平衡，引發(fā)疾病。在肉雞上的研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加TB能夠增加盲腸有益菌乳酸菌數(shù)量和減少有害菌大腸桿菌數(shù)量，增加十二指腸和盲腸乳酸菌數(shù)量，降低大腸桿菌數(shù)量，降低盲腸沙門氏菌數(shù)量。TB在水生動物腸道菌群影響上的研究較少，目前僅見1篇在菊黃東方鲀上的報道，該研究發(fā)現(xiàn)飼糧中添加TB能夠增加腸道需氧異養(yǎng)細菌和乳酸菌數(shù)量，降低弧菌數(shù)量。TB調節(jié)腸道菌群的機理目前尚不明確，但我們推測可能與氫離子的累積導致pH改變有關。研究報道，TB在胰脂肪酶的作用下，可緩慢分解為丁酸和甘油，進入腸道后端的丁酸會被分解為丁酸根離子和氫離子，高濃度的氫離子累積會導致pH降低，進而使得有害菌如大腸菌桿菌和沙門氏菌等死亡，而有益菌如乳酸桿菌，因其耐酸性則可大量增殖，進而調整腸道菌群的組成。

以上資料說明：TB可以通過增加有益菌數(shù)量和降低有害菌數(shù)量來調節(jié)腸道菌群組成，進而維持動物腸道的微生物屏障功能。

3.2 TB維持動物腸道物理屏障功能

動物腸道的物理屏障功能與上皮細胞間的緊密連接密切相關。緊密連接是由多種蛋白組成的復合體，主要包括跨膜蛋白(claudin家族和occludin)和細胞質蛋白[緊密連接蛋白(ZOs)]，在維持腸道黏膜上皮細胞的極性以及調節(jié)腸道屏障的通透性方面發(fā)揮著重要作用。增加ZOs的表達，可以增強細胞間緊密連接的形成，進而可以阻止細菌、毒素等大分子進入體內，維持腸道的物理屏障功能。研究報道，飼料中添加TB能夠增強小鼠回腸和結腸ZO-1和occludin的蛋白表達。而飼料中丁酸鈉的添加也能增加金頭鯛(Sparus aurata)前腸occludin的基因表達和肉雞腸道claudin-1和occludin的基因表達。

以上資料說明：TB可以通過促進ZOs的表達，進而維持細胞間的緊密連接，加強動物腸道的物理屏障功能。

3.3 TB維持動物腸道化學屏障功能

動物腸道的化學屏障主要由覆蓋在腸道上皮的黏液層組成。黏蛋白(mucin, Muc)是存在于黏液層中最主要的分子，是由專門的上皮細胞分泌的，能夠阻止大分子物質(如細菌、毒素等)進入上皮細胞層。研究報道，飼料中添加丁酸鈉能夠增加金頭鯛腸道Muc13和Muc2的基因表達、增加草魚腸道和肉雞腸道中Muc2的基因表達。而三丁酸甘油酯的酶解產(chǎn)物——丁酸，其能夠增加小鼠結腸中Muc1、Muc2、Muc3和Muc4的基因表達。

以上資料說明：TB可以通過促進Muc的分泌，加強動物腸道的化學屏障功能。

3.4 TB維持動物腸道免疫屏障功能

3.4.1 TB增強動物腸道的免疫力

動物免疫力的發(fā)揮依賴于一系列免疫物質，如補體因子、免疫球蛋白和抗菌肽等。Zhang等的研究發(fā)現(xiàn)，增加草魚腸道補體因子3(C3)和補體因子4(C4)的含量以及上調抗菌肽鐵調素(hepcidin)和β-防御素(β-defensin)的基因表達能夠增強草魚的免疫力。研究表明，飼糧中添加TB能夠增加IUGR仔豬回腸免疫球蛋白G(IgG)的基因表達、回腸分泌型免疫球蛋白A(sIgA)和IgG含量、增加斷奶仔豬血清免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白M(IgM)和IgG含量；飼糧中添加丁酸鈉能夠增加仔豬血清C3、IgG和IgM含量以及腸道黏膜漿細胞IgA+含量，增加斷奶仔豬血清IgG和空腸IgA+含量，增加草魚腸道溶菌酶(LZ)和酸性磷酸酶(ACP)活力、C3和C4含量、hepcidin和β-defensin 1的基因表達。此外，飼糧中添加丁酸還能夠增加小雞空腸和回腸cathelicidin B1、β-defensin 9和β-defensin 14的基因表達。TB調節(jié)腸道免疫物質的機理可能與其促進免疫細胞的生長有關。研究報道，動物體內含有大量與黏膜相關的淋巴組織，其中含有豐富的免疫細胞，如淋巴細胞、巨噬細胞、中性粒細胞和嗜酸性粒細胞等。免疫細胞能夠分泌LZ、補體因子和免疫球蛋白等免疫物質。在鼠和豬上的研究發(fā)現(xiàn)，TB能夠增加鼠腸道巨噬細胞和T細胞數(shù)量以及盲腸單核細胞和B細胞數(shù)量，增加豬血液淋巴細胞和中性粒細胞數(shù)量。在肉雞上的研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中丁酸鹽的添加能夠增加十二指腸、空腸和回腸肥大細胞、淋巴細胞和杯狀細胞以及小腸肥大細胞的數(shù)量。

3.4.2 TB通過緩解炎癥反應增強動物腸道的免疫力

研究顯示緩解腸道炎癥反應能夠增強動物的免疫力。Wang等報道，炎癥反應主要由一系列細胞因子介導，包括促炎和抗炎細胞因子。已有研究表明，促炎細胞因子含量的升高和抗炎細胞因子含量的降低能夠加劇炎癥反應，進而破壞腸道健康穩(wěn)態(tài)。在葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導的鼠腸炎模型中，TB能夠增加轉化生長因子-β(TGF-β)和白介素-10(IL-10)的含量。Li等用LPS誘導肉雞腸道損傷，再用添加TB的飼糧進行飼喂，發(fā)現(xiàn)其能夠降低十二指腸和空腸中白介素-1β(IL-1β)和白介素-6(IL-6)的含量，降低回腸中IL-1β的含量。給小鼠長期投喂高脂飼糧后，TB的再添加能夠降低巨噬細胞腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、IL-1β和IL-6的含量。張勇等在斷奶仔豬上的研究發(fā)現(xiàn)TB能夠增加血清中白介素-2(IL-2)的含量。此外，丁酸鈉能夠降低草魚腸道TNF-α、干擾素-γ2(IFN-γ2)、IL-6和IL-8，增加白介素-4/13A(IL-4/13A)和白介素-4/13B(IL-4/13B)的基因表達；降低鯉魚腸道IL-1β和TNF-α，增加TGF-β1的基因表達。在人外周血單核細胞中的研究發(fā)現(xiàn)丁酸能夠抑制LPS誘導的腫瘤壞死因子(TNF)的產(chǎn)生，降低TNF-α、TNF-β和IL-6的基因表達。TB抑制腸道炎癥反應的機理可能與核轉錄因子-κB(NF-κB)信號途徑有關。NF-κB在調控炎癥細胞因子的表達中發(fā)揮重要作用。抑制NF-κB能夠下調促炎細胞因子IL-6和IL-8和上調抗炎細胞因子TGF-β和IL-10的基因表達。在人外周血單核細胞和鼠中性粒細胞上的研究發(fā)現(xiàn)丁酸能夠抑制LPS誘導的NF-κB核轉錄。此外，IκB激酶(IKK)能夠通過磷酸化核因子κB抑制蛋白(IκBα)，進而使其與NF-κB解離，NF-κB得以轉錄入核，調控下游靶基因的表達。研究發(fā)現(xiàn)丁酸能夠促進Caco-2細胞和HT-29細胞中IκBα的磷酸化。Tian等研究發(fā)現(xiàn)丁酸鈉能夠降低草魚腸道中IKKβ和IKKγ以及上調IκBα的基因表達。以上資料說明，TB可以通過抑制NF-κB的核轉錄，進而降低促炎細胞因子的表達，增加抗炎細胞因子的表達，緩解動物腸道炎癥反應。

3.4.3 TB通過提高抗氧化損傷功能增強動物腸道的免疫力

研究發(fā)現(xiàn)氧化應激會破壞動物腸道的免疫力。丙二醛(MDA)含量的變化是評判脂質過氧化的敏感指標。飼糧中添加TB能夠降低IUGR仔豬肝臟MDA含量，能夠降低肉雞十二指腸、空腸和回腸MDA含量。此外，Zhang等報道，動物機體為了抵御氧化應激，形成了自身的抗氧化系統(tǒng)，主要包括一系列酶性抗氧化物質和非酶性抗氧化物質。在IUGR仔豬上的研究發(fā)現(xiàn)TB能夠增加肝臟超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)、還原型谷胱甘肽(GSH)活力和總抗氧化能力(T-AOC)以及肝臟線粒體錳-超氧化物歧化酶(Mn-SOD)活力。Leonel等在DSS誘導的腸炎模型中發(fā)現(xiàn)TB能夠增加SOD和過氧化氫酶(CAT)活力，降低氫過氧化物含量。在肉雞上的研究發(fā)現(xiàn)，TB能夠增加十二指腸、空腸和回腸CAT以及空腸GPx活力。灌注100 mmol/L的丁酸能夠增加人結腸黏膜中GSH含量。TB提高腸道抗氧化損傷的作用機理可能與抗氧化基因表達水平的升高有關。Song等研究報道，抗氧化酶的活力部分依賴于抗氧化酶的基因表達，其受到信號途徑Kelch綁定蛋白1(Keap1)/核因子相關因子2(Nrf2)的調控。研究報道，丁酸能夠增加金頭鯛腸道谷胱甘肽還原酶(GR)的基因表達，能夠增加人肺癌細胞谷胱甘肽硫轉移酶P1(GSTP1)的基因表達，增加人結腸黏膜GPx1、GPx3和GR的基因表達，增加人結腸癌細胞GSTP1、GSTA4、GSTM2和GSTM5的基因表達，增加Caco-2細胞GSTA1和GSTA2的基因表達；丁酸鈉能夠抑制RAW264.7細胞中Keap1的表達, 能夠促進IEC-6細胞和HepG2細胞中Nrf2的入核。

以上資料說明：TB一方面可以通過抑制NF-κB的轉錄激活進而調控細胞因子的表達，緩解炎癥反應；另一方面可以通過促進Nrf2信號途徑，上調抗氧化酶GST等的基因表達進而增加抗氧化酶活力，緩解氧化損傷，共同達到增強動物腸道免疫屏障的作用。

4、 小結

以上資料表明：飼糧中添加TB可以通過提升腸道消化能力、改善菌群平衡、增強緊密連接、促進Muc分泌、提高免疫力，進而增強腸道屏障功能，最終達到促進動物生長的目的。TB提升腸道消化能力與增加淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等消化酶的活力和促進腸道絨毛生長發(fā)育有關；增強微生物屏障功能與促進有益菌如乳酸菌生長和抑制有害菌如大腸桿菌生長有關；增強物理屏障功能與增加腸道ZOs的表達，維持細胞間的緊密連接有關；增強化學屏障功能與增加腸道Muc的分泌有關；增強免疫屏障功能與抑制NF-κB信號途徑緩解炎癥反應和促進Nrf2信號途徑增強抗氧化損傷能力有關。TB作為一種新型、綠色的飼料添加劑已經(jīng)受到廣泛關注，具有廣闊的市場應用前景。但目前的研究僅局限在仔豬、肉雞和部分水產(chǎn)動物上，研究不夠系統(tǒng)和深入，有待進一步開展相關研究。

參考文獻：略

來源：動物營養(yǎng)學報

泥奴

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