胃腸道功能在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)和健康方面的作用

仲偉平，張鳳華，趙玉軍

（開(kāi)封市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心，河南開(kāi)封 475000）

最佳的胃腸功能對(duì)可持續(xù)動(dòng)物生產(chǎn)至關(guān)重要，因?yàn)槲改c道的有效功能及其健康狀況是決定動(dòng)物性能（生長(zhǎng)、泌乳、產(chǎn)肉/蛋及畜產(chǎn)品品質(zhì)）的重要因素。在過(guò)去幾十年里，人們通過(guò)育種手段對(duì)生長(zhǎng)性能和繁殖性狀進(jìn)行高度選擇，同時(shí)改善養(yǎng)殖環(huán)境和動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)技術(shù)，使動(dòng)物生產(chǎn)性能有了顯著提高，但農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物的表現(xiàn)是否已達(dá)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(dòng)物營(yíng)養(yǎng)中是一個(gè)越來(lái)越重要的話題，但仍然缺乏一個(gè)明確的科學(xué)定義。為監(jiān)測(cè)動(dòng)物健康，評(píng)估任何營(yíng)養(yǎng)干預(yù)對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能的影響，需要對(duì)胃腸健康和功能及如何評(píng)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(chǎng)動(dòng)物，因?yàn)閯?dòng)物的表現(xiàn)可以在沒(méi)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(gè)新的“腸道健康”概念，通過(guò)提供可能涉及胃腸功能和動(dòng)物健康的特征來(lái)概述。

1 飼料對(duì)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(gè)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(dòng)態(tài)平衡，保證消化系統(tǒng)高效運(yùn)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(dòng)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(yuǎn)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(dòng)物健康和福利的同時(shí)，使用飼料添加劑在維持動(dòng)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(yíng)養(yǎng)學(xué)家面臨的一個(gè)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(dòng)物健康和生長(zhǎng)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(guò)氧化應(yīng)激等機(jī)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(guò)幾種不同的機(jī)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(yíng)養(yǎng)因素。蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物來(lái)源于各種消化酶對(duì)日糧蛋白質(zhì)的消化，或微生物菌群的代謝，其被腸上皮細(xì)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(zhǎng)和在腸黏膜的粘附。最后，日糧還可以通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞因子的產(chǎn)生和腸道屏障功能對(duì)胃腸道上皮細(xì)胞產(chǎn)生直接影響，通過(guò)局部激活免疫細(xì)胞或促進(jìn)免疫細(xì)胞在血液中的遷移，對(duì)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(gè)定義明確的化學(xué)實(shí)體，但在相關(guān)文獻(xiàn)中都通過(guò)分析方法定義。粗纖維包括細(xì)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(jìn)一步分為可溶性和不溶性兩類，其對(duì)胃腸功能和動(dòng)物生理有明顯影響。對(duì)小腸內(nèi)源酶消化具有抵抗力，在大腸中容易受到細(xì)菌發(fā)酵的影響。此外，纖維除了對(duì)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(gè)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(duì)小腸消化和吸收產(chǎn)生負(fù)面影響。未消化的纖維從小腸逸出后進(jìn)入大腸，微生物菌群對(duì)可溶性和不溶性纖維進(jìn)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(lái)源都相同，過(guò)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(dòng)物生長(zhǎng)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(duì)胃腸功能也有顯著影響，飼料類型、大小及加工條件會(huì)影響胃腸道功能。Herrera等（2016）報(bào)道，顆粒料可以提高動(dòng)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(huì)影響腸黏膜形態(tài)，還會(huì)影響沙門(mén)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(shí)，胃作為一個(gè)屏障可以減少腸道內(nèi)病原體的數(shù)量，這是因?yàn)榇址埏暳峡梢越档臀负托∧c的pH。相反，細(xì)粉飼料會(huì)對(duì)豬胃腸道健康產(chǎn)生負(fù)面影響。在家禽中，小顆粒飼料會(huì)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(jìn)胃腸道的發(fā)育，尤其是針對(duì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)也負(fù)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(duì)胃腸功能的負(fù)面影響。事實(shí)上，胃腸道中病原體的增殖可以增加防御反應(yīng)，同時(shí)伴隨著消化效率的降低和微量營(yíng)養(yǎng)素吸收的減少。飼料酶在提高單胃和反芻動(dòng)物飼料價(jià)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(jiǎn)而言之，飼料酶通過(guò)水解飼料底物來(lái)提高動(dòng)物生產(chǎn)性能，尤其是幼齡動(dòng)物胃腸道相對(duì)不成熟，無(wú)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(xì)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(yíng)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(jī)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(duì)腸道pH和腸細(xì)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(qiáng)度和緊密連接完整性。因此，外源酶可以通過(guò)減少腐敗微生物底物，增加有益發(fā)酵微生物底物，增強(qiáng)腸道抵御有害細(xì)菌入侵的能力來(lái)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(yíng)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(gè)現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)，相反，應(yīng)重點(diǎn)幫助動(dòng)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(xì)菌之間的相互作用是在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)展起來(lái)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(jī)制在很大程度上仍不清楚。腸道菌群會(huì)影響一些生理功能，如病原體位移、營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)、受體競(jìng)爭(zhēng)、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(xì)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(guò)促進(jìn)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(lái)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(yíng)養(yǎng)素不平衡，應(yīng)激（如熱、斷奶、運(yùn)輸、過(guò)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(gè)正常、穩(wěn)定、多樣的胃腸道微生物群及一個(gè)完整有效的胃腸道屏障才能維持最佳的胃腸功能。細(xì)菌產(chǎn)生的微生物菌群組成和代謝產(chǎn)物對(duì)維持最佳腸道健康至關(guān)重要（Rinttila和Apajalahti，2013）。在幼年動(dòng)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(shí)間的推移，胃腸道微生物菌群的組成在成年動(dòng)物中達(dá)到平衡。幼齡動(dòng)物體內(nèi)較低的微生物菌群多樣性似乎有利于向成年?duì)顟B(tài)發(fā)展。因此，日糧對(duì)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(dòng)物生產(chǎn)性能的有效營(yíng)養(yǎng)措施。

3.3 胃腸道微生物菌群的特征及功能 盡管對(duì)胃腸道微生物菌群的研究越來(lái)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(dòng)及其與宿主的相互作用是阻礙進(jìn)一步了解其組成變化的障礙之一。如在反芻動(dòng)物和豬中，估計(jì)有300～1000種獨(dú)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(guò)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(gè)層次的復(fù)雜性。事實(shí)上，由于胃腸道中存在大量未知微生物種類，有人提出對(duì)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題仍需研究，如哪些細(xì)菌在農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物腸道中第一個(gè)定植，早期胃腸道微生物菌群對(duì)健康和生產(chǎn)力有什么影響，對(duì)早期胃腸道定植細(xì)菌的動(dòng)力學(xué)研究將有助于了解驅(qū)動(dòng)微生物菌群組成和活性動(dòng)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(xì)菌定植的影響，胃腸道微生物菌群在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)、生理、健康和福利之間的關(guān)系中的角色等問(wèn)題必須采取以多學(xué)科系統(tǒng)為基礎(chǔ)的方法，上述問(wèn)題的解決在開(kāi)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(guò)幾種不同的機(jī)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(yíng)養(yǎng)因素。蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物來(lái)源于各種消化酶的消化或微生物發(fā)酵，其被腸上皮細(xì)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(zhǎng)和粘附的抗菌肽的產(chǎn)生。最后，日糧可以通過(guò)局部激活免疫細(xì)胞或促進(jìn)免疫細(xì)胞在血液中的遷移，對(duì)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(jī)械功能、體液功能、肌肉功能、神經(jīng)功能和免疫功能，同時(shí)胃腸道通過(guò)迷走神經(jīng)和激素將能量攝取和其他生理過(guò)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(gè)動(dòng)態(tài)的、功能強(qiáng)大的實(shí)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(xì)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(xì)胞因子等細(xì)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?yàn)檫@兩個(gè)屏障之間的相互作用非常復(fù)雜，對(duì)于維持腸細(xì)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(xì)胞樹(shù)突、淋巴細(xì)胞（適應(yīng)性免疫系統(tǒng)）、巨噬細(xì)胞和肥大細(xì)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(hào)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(lái)發(fā)揮這一功能（Bischoff，2011）。值得注意的是，當(dāng)動(dòng)物遇到病原體入侵時(shí)，免疫系統(tǒng)受到刺激，動(dòng)物生長(zhǎng)潛力降低。當(dāng)動(dòng)物不能正常生長(zhǎng)時(shí)，飼料效率降低，生產(chǎn)成本增加。在受到病原體入侵時(shí)，免疫系統(tǒng)會(huì)釋放促炎細(xì)胞因子，引起行為改變，如厭食癥、嗜睡、姿勢(shì)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?yàn)轱暳蠑z入量減少，同時(shí)也是機(jī)體功能代謝變化，如營(yíng)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(lái)的研究應(yīng)集中在建立一個(gè)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(wèn)題。但動(dòng)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(gè)合理的腸道健康指數(shù)。目前，對(duì)胃腸道生物標(biāo)志物濃度的短期或長(zhǎng)期變化研究很有限，因此，在人類和動(dòng)物腸道健康研究領(lǐng)域仍有一些問(wèn)題需要解決。因此，用相關(guān)營(yíng)養(yǎng)干預(yù)措施來(lái)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。