人腸道產(chǎn)丁酸細(xì)菌及其所產(chǎn)丁酸的促健康作用研究進(jìn)展

高文文，孟祥晨*

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150030）

產(chǎn)丁酸細(xì)菌作為一類重要的腸道細(xì)菌，近年來引起許多研究者的關(guān)注。目前，有不少研究已從人類腸道中分離出一些丁酸產(chǎn)生菌，并對(duì)其益生特性進(jìn)行了廣泛研究，但由于受傳統(tǒng)培養(yǎng)方式的限制，仍對(duì)這類微生物知之甚少。產(chǎn)丁酸細(xì)菌在厭氧條件下能夠發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生短鏈脂肪酸，且以丁酸為主。

丁酸又名酪酸，是一種短鏈脂肪酸，它是人腸道上皮細(xì)胞的主要營養(yǎng)物質(zhì)，人體內(nèi)超過95%的丁酸在結(jié)腸內(nèi)產(chǎn)生和吸收[1]，一定水平的丁酸能夠使結(jié)腸細(xì)胞保持穩(wěn)定，從而可防止或抑制癌變[2]，調(diào)節(jié)腸道菌群失調(diào)和治療腸易激綜合征、抗生素相關(guān)性腸炎、急慢性腹瀉等疾病[3]。在動(dòng)物中，丁酸能夠提高動(dòng)物的免疫功能，促進(jìn)動(dòng)物生長并能影響肉的品質(zhì)[4]；在反芻動(dòng)物中，瘤胃中丁酸的產(chǎn)生也與乳品品質(zhì)密切相關(guān)[5]。丁酸屬于脂肪酸，當(dāng)通過外界食物攝取時(shí)，在其到達(dá)大腸發(fā)揮作用之前就基本被吸收，因此無法在下消化道中發(fā)揮益生作用；而丁酸也是大腸中產(chǎn)丁酸細(xì)菌的主要代謝物，因此，大腸中產(chǎn)丁酸微生物對(duì)機(jī)體健康意義重大。本文根據(jù)近年來國內(nèi)外的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)綜述了從人腸道中分離篩選出的產(chǎn)丁酸細(xì)菌的種類、特點(diǎn)、與乳酸菌的互惠共生作用，以及丁酸的益生作用。

1 人腸道菌群概述

人結(jié)腸存在約1 000～1 150 種細(xì)菌，主要以嚴(yán)格厭氧的革蘭氏陽性菌為主，且具有宿主特異性[6]。每一種細(xì)菌都擁有獨(dú)特的基因組，它們能夠編碼許多人類基因組不能編碼的酶[7]，從而對(duì)人新陳代謝作出重要貢獻(xiàn)。細(xì)菌定植始于分娩之后，隨著年齡的增長，人類腸道微生物的組成逐漸發(fā)生變化[8]，進(jìn)而導(dǎo)致腸道微生物組成在不同年齡之間存在顯著差異?？梢詫⒛c道微生物生態(tài)系統(tǒng)比作一種虛擬的內(nèi)分泌器官[9]，它們與免疫系統(tǒng)類似，都能夠?yàn)樗拗魈峁I養(yǎng)并能維持機(jī)體生理平衡。通過比較健康受試者與患者的糞便微生物發(fā)現(xiàn)，腸道微生物與許多胃腸道疾病的發(fā)生有關(guān)，如炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）、腸易激綜合征（irritable bowel syndrome，IBS）、結(jié)腸癌以及抗生素相關(guān)腹瀉等。最近的研究表明，腸道微生物也與肥胖以及糖尿病的發(fā)生有關(guān)[10]。由此可見，腸道微生態(tài)系統(tǒng)對(duì)維持腸道穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，與人類健康和疾病密切相關(guān)，其中產(chǎn)丁酸細(xì)菌的作用更不容忽視。

2 腸道產(chǎn)丁酸的細(xì)菌

產(chǎn)丁酸細(xì)菌不是某一確定的種屬，而是一類能夠發(fā)酵碳水化合物、主要代謝產(chǎn)物為丁酸的細(xì)菌統(tǒng)稱。通過對(duì)人腸道微生物的廣泛研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)丁酸細(xì)菌主要分布在梭菌屬（Clostridium）、真桿菌屬（Eubacterium）以及梭桿菌屬（Fusobacterium）等中。過去受傳統(tǒng)培養(yǎng)方法的限制，人們對(duì)腸道產(chǎn)丁酸細(xì)菌知之甚少，但隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人結(jié)腸微生物的多樣性逐漸被揭示，近年來，利用分子生物學(xué)技術(shù)研究產(chǎn)丁酸的主要細(xì)菌種類已經(jīng)取得了較大進(jìn)展。

2.1 普拉梭菌

普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）是一類無芽孢、非運(yùn)動(dòng)性、具有圓形末端的革蘭氏陽性長桿菌，對(duì)氧的要求十分嚴(yán)格，即使在嚴(yán)格厭氧條件下也很難被培養(yǎng)。Faecalibacterium prausnitzii曾經(jīng)被命名為Fusobacterium prauznitzii[11]，其DNA的G＋C的摩爾分?jǐn)?shù)為47%～57%[12]。這類細(xì)菌的代謝產(chǎn)物除丁酸外，還有D-乳酸、甲酸等，并且能夠利用乙酸作為發(fā)酵碳源而產(chǎn)丁酸。雖然在嬰兒早期F. prausnitzii的豐度較低，但在健康的成人腸道中，F(xiàn). prausnitzii約占糞便總微生物的5%，是腸道中最豐富的細(xì)菌[13]，腸道pH值、氧含量等條件變化都會(huì)影響F. prausnitzii的豐度[12]。F. prausnitzii是維持腸道健康的主要微生物[14]，許多患有腸道疾病和代謝性疾病的人群，其腸道菌群中F. prausnitzii的豐度降低[15-16]。

F. prausnitzii具有免疫調(diào)節(jié)活性，Martín等[9]從健康的成人糞便中分離出10 株F. prausnitzii，這些菌株對(duì)兩種細(xì)胞模型HT-29和PBMC免疫調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有實(shí)驗(yàn)菌株都能夠抑制HT-29細(xì)胞中促炎因子白介素（interleukin，IL）-8的生成，還能促進(jìn)PBMC細(xì)胞的生長和抗炎因子IL-10的合成。Laval[17]、Miquel[18]等分別將F. prausnitzii應(yīng)用于患有不同胃腸道疾病的模型小鼠，研究F. prausnitzii對(duì)腸道疾病的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該菌在治療IBD和IBS時(shí)均起重要作用。F. prausnitzii還可以抑制腸道中某些致病菌如大腸桿菌（Escherichia coli）、志賀氏菌（Shigella）等的定植[19]。因此，F(xiàn). prausnitzii有潛力作為下一代益生菌。

2.2 丁酸梭菌

丁酸梭菌（Clostridium butyricum）最初從健康人體糞便中分離得到，并已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。它是梭菌屬中一種嚴(yán)格厭氧的革蘭氏陽性菌，在培養(yǎng)后期可能轉(zhuǎn)變?yōu)楦锾m氏陰性菌。其菌體形態(tài)為兩端鈍圓的桿狀或彎曲桿狀，因具有芽孢，菌體中間膨大呈梭狀，單個(gè)、成對(duì)或以短鏈排列，具有運(yùn)動(dòng)性，發(fā)酵葡萄糖或淀粉等碳水化合物的主要代謝產(chǎn)物為丁酸，此外還可產(chǎn)生乙酸、丙酸、淀粉酶、糖苷酶、維生素等。

一些國家主要將C. butyricum用于能源開發(fā)，生產(chǎn)丁酸和氫氣，并以甘油為底物生產(chǎn)1,3-丙二醇等[20]。此外，C. butyricum具有許多益生作用，如調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)、抗炎、抗氧化、增加機(jī)體免疫力等[21-23]；因此，中國、日本及許多歐盟國家利用C. butyricum開發(fā)藥物、食品、飼料等。廖秀冬[21]研究表明C. butyricumCGMCC8187可顯著增加小鼠肝臟和結(jié)腸黏膜中抗氧化物酶如谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶和超氧化物歧化酶等的活性，并能抑制氧化應(yīng)激。賈玲玲[22]研究發(fā)現(xiàn)，C. butyricumGGMCC0313.1能夠增加T2D小鼠模型腸道中產(chǎn)丁酸菌的數(shù)量，進(jìn)而促進(jìn)短鏈脂肪酸的產(chǎn)生以及胰高血糖素樣肽-1的分泌，同時(shí)，該菌能夠促進(jìn)胰腺中胰島素的分泌，最終達(dá)到降血糖作用。Takahashi等[23]研究表明日糧中添加C. butyricumMIYAIRI588能夠顯著提高肉雞和斷奶仔豬的生長能力，在壞死性腸炎模型肉雞中發(fā)現(xiàn)，該菌能降低壞死性腸炎的發(fā)生率和嚴(yán)重程度。目前，我國已將C. butyricum進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，未來仍需開發(fā)生物性能優(yōu)良的安全菌株，推動(dòng)C. butyricum在人和動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2.3 Butyricicoccus pullicaecorum

Butyricicoccus pullicaecorum最初是從雞糞便中分離得到的嚴(yán)格厭氧、非運(yùn)動(dòng)性的革蘭氏陽性球菌，通常成對(duì)或成短鏈狀排列，單菌落為白色、光滑的圓形，直徑為1～2 mm。其主要代謝產(chǎn)物為丁酸、H2和CO2，模式株為25-3T（＝LMG 24109T＝CCUG 55265T），DNA的G＋C的摩爾分?jǐn)?shù)為54.5%[24]。Geirnaert等[25]對(duì)菌株25-3T進(jìn)行了胃液和小腸液耐受性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明25-3T可以在pH 2和pH 3以及膽汁環(huán)境中存活并保持代謝活性，但在酸性條件下不具備培養(yǎng)性。Steppe等[26]通過小鼠口服毒性實(shí)驗(yàn)以及全基因組測序?qū)?5-3T進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)小鼠服用25-3T菌液28 d后無不良反應(yīng)，且其基因組不包含任何毒性因子，而包含有毒化合物抗性基因，因此25-3T是非致病性菌株。研究發(fā)現(xiàn)在IBD患者的糞便中Butyricicoccus菌群明顯減少，并且由于B. pullicaecorum具有較強(qiáng)的黏附能力和耐酸耐膽鹽性能，因此可以通過口服B. pullicaecorum來達(dá)到預(yù)防結(jié)腸炎的作用，其效果與Faecalibacterium prausnitzii相當(dāng)[27]。所以B. pullicaecorum有可能作為下一代益生菌用于治療IBD等腸道疾病。

2.4 羅斯氏菌屬

羅斯氏菌屬（Roseburia）是一類輕微彎桿、具有運(yùn)動(dòng)性、嚴(yán)格厭氧的革蘭氏染色不定的菌屬，在培養(yǎng)初期為革蘭氏陽性，有些菌株在培養(yǎng)后期可能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦锾m氏陰性，能夠從人與動(dòng)物糞便、瘤胃、口腔以及土壤等生境中分離得到。目前，此屬包括5 個(gè)種，它們的主要代謝產(chǎn)物均為丁酸。Barcenilla等[28]最初從健康人體糞便中分離得到菌株L1-82T，隨后Duncan等[29]將其歸類于Roseburia中的新種R. intestinalis，并將L1-82T（＝NCIMB 13810T＝DSM 14610T）定義為R. intestinalis的模式株。當(dāng)以葡萄糖作為發(fā)酵底物時(shí)，額外添加適量的乙酸能夠促進(jìn)L1-82T的生長，主要代謝產(chǎn)物除丁酸外，還包括乳酸、氫氣、二氧化碳等。而且，在培養(yǎng)基中存在乙酸的條件下，L1-82T能夠利用低聚果糖作為唯一能源[30]。研究發(fā)現(xiàn)在新生兒和出生30 d的嬰兒腸道中幾乎不存在Roseburia[31]，隨著年齡的增長，Roseburia逐漸定植，并且百歲老人腸道中Roseburia的豐度要高于不足百歲的老人[32]。

Roseburia具有許多生理功能，如免疫調(diào)節(jié)、抗炎特性、調(diào)節(jié)代謝綜合征和調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)等[33]。R. intestinalis是人腸道中最主要的微生物之一，其在IBD患者腸道中的豐度顯著降低，表明它與許多胃腸道疾病的發(fā)生有關(guān)，能夠起到有效的抗炎作用。Zhu Changxin等[34]研究表明R. intestinalis（DSMZ-14610）能夠抑制由2,4,6-三硝基苯磺酸（2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS）溶液誘導(dǎo)的結(jié)腸炎模型小鼠中細(xì)胞因子IL-17的表達(dá)，從而起到抗炎作用。

2.5 Anaerostipes

Anaerostipes是近年來發(fā)現(xiàn)的革蘭氏染色不定、有芽孢、嚴(yán)格厭氧、不運(yùn)動(dòng)、呈桿狀或彎曲桿狀的新屬，約占人類腸道菌群的2%[35]，它與Roseburia類似，都是革蘭氏染色不定菌屬。此屬為過氧化氫酶和氧化酶陰性，也不能水解明膠和脲酶，其DNA的G＋C的摩爾分?jǐn)?shù)為44.5%～46.0%[35]。目前這個(gè)屬僅包含4 個(gè)種，分別為從人糞便中分離的A. caccae、A. hadrus和A. rhamnosivorans[35-37]以及從雞糞便中分離的A. butyraticus[38]，其中A. caccae為模式種。它們的共同特點(diǎn)是能夠利用乳酸和乙酸作為碳源產(chǎn)丁酸，從而對(duì)腸道微生態(tài)發(fā)揮重要作用。但它們?cè)谛螒B(tài)學(xué)特性、代謝特性等方面呈現(xiàn)一定差異性。目前，國內(nèi)外針對(duì)此屬的研究結(jié)果相對(duì)較少。

目前太谷縣全縣50%飲用水來源于龐莊水庫，龐莊水庫主要向兩個(gè)水廠（站）供水，分別是太谷縣自來水公司在楊家莊村設(shè)立的水廠和小白供水站。主要用水區(qū)域?yàn)樘瓤h城、小白鄉(xiāng)、水秀鄉(xiāng)、胡村鎮(zhèn)。

3 產(chǎn)丁酸細(xì)菌和益生乳酸菌的共生作用

2016年12月，國際益生菌與益生元科學(xué)協(xié)會(huì)將益生元重新定義為：能夠被宿主體內(nèi)的菌群選擇性利用并轉(zhuǎn)化為有益于宿主健康的物質(zhì)[39]。與益生菌相比，益生元具有穩(wěn)定性，并且更易添加到食物中為人類所利用而發(fā)揮益生功能。大多數(shù)產(chǎn)丁酸細(xì)菌不能直接發(fā)酵某些益生元物質(zhì)，而結(jié)腸中的某些乳酸菌可將不易消化的益生元部分水解而產(chǎn)生中間代謝產(chǎn)物，如短寡糖和單糖；此外，乳酸菌也可以將某些益生元完全水解，產(chǎn)生代謝終產(chǎn)物，如乙酸和乳酸[40]，然后產(chǎn)丁酸菌再進(jìn)一步將這兩種類型產(chǎn)物作為次生基質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)丁酸。

Belenguer等[40]將青春雙歧桿菌（Bifidobacterium adolescentis）和霍氏真桿菌（Eubacterium hallii）共同培養(yǎng)在以抗性淀粉為底物的試管中，證明了E.hallii能夠利用B.adolescentis降解抗性淀粉產(chǎn)生的乳酸再進(jìn)一步形成丁酸。Falony等[30]研究發(fā)現(xiàn)，Anaerostipes caccaeDSM 14662不能降解低聚果糖，但是將其與長雙歧桿菌（Bifidobacterium longum）BB536共培養(yǎng)，并以低聚果糖作為唯一能量來源時(shí)，后者能降解低聚果糖產(chǎn)生單糖而使A.caccaeDSM14662可以生長。同樣，Moens等[41]發(fā)現(xiàn)將A.caccaeDSM14662與嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）IBB 801共同培養(yǎng)也能夠促進(jìn)菌株生長和丁酸的生成；當(dāng)培養(yǎng)基中僅以低聚果糖為碳源時(shí)，待嗜酸乳桿菌將低聚果糖全部降解為游離果糖后，A.caccaeDSM14662才能生長；但當(dāng)培養(yǎng)基中額外添加乙酸時(shí)，其可以作為電子受體，從而使A.caccaeDSM14662利用Lb.acidophilusIBB 801產(chǎn)生的乳酸作為生長底物，最終使得A.caccaeDSM14662在發(fā)酵初期便可以生長。正是微生物之間的這種共生作用使得產(chǎn)丁酸菌也可以間接發(fā)酵益生元產(chǎn)丁酸，從而對(duì)宿主產(chǎn)生健康益處。

4 主要代謝產(chǎn)物——丁酸的形成及其健康益處

4.1 丁酸形成途徑

產(chǎn)丁酸菌主要通過丁酸激酶途徑和丁酰輔酶A（coenzyme A，COA）∶乙酸COA轉(zhuǎn)移酶途徑形成丁酸，并且大多數(shù)以后者為主（圖1）。產(chǎn)丁酸細(xì)菌的代謝始于糖酵解作用所產(chǎn)生的丙酮酸，丙酮酸在丙酮酸脫氫酶作用下生成乙酰COA，然后丁酸的合成主要分為兩大步，第一大步是乙酰COA在一系列酶的催化作用下轉(zhuǎn)化為丁酰COA[42]。第二大步是丁酰COA在丁酸激酶（butyric acid kinase，BK）的作用下生成丁酸，這是丁酸產(chǎn)生的傳統(tǒng)途徑。近年來研究發(fā)現(xiàn)，從許多胃腸道中分離出的產(chǎn)丁酸菌不具有BK活性，而是在丁酰COA∶乙酸COA轉(zhuǎn)移酶的作用下利用乙酸作為碳源產(chǎn)生丁酸[43]，這是丁酸合成的另一種途徑。Duncan等[44]研究了7 種人腸道產(chǎn)丁酸菌的丁酸形成途徑，結(jié)果表明，這7 種菌都含有丁酰COA∶乙酸COA轉(zhuǎn)移酶活性，而只有一種菌具有丁酸激酶活性。Louis等[43]從人類糞便中分離38 株厭氧產(chǎn)丁酸菌，通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和酶實(shí)驗(yàn)檢測丁酸形成酶及其基因，結(jié)果顯示僅有4 株菌擁有丁酸激酶活性及相關(guān)基因，而在分離的38 株產(chǎn)丁酸菌中均檢測到了丁酰COA∶乙酸COA轉(zhuǎn)移酶活性，這更加證明了后者在人腸道產(chǎn)丁酸菌中丁酸形成中的重要性。

產(chǎn)丁酸菌除可利用葡萄糖等碳水化學(xué)物作為發(fā)酵碳源外，還可利用乙酸或者乳酸作為碳源產(chǎn)丁酸，但只有在生長培養(yǎng)基中存在葡萄糖、乳酸等碳源的情況下，額外添加的乙酸才能起到促進(jìn)微生物生長的作用[45]，具體轉(zhuǎn)化途徑見圖1。由此可推測，在人類結(jié)腸中許多微生物可將乳酸作為前體物質(zhì)產(chǎn)丁酸，在今后的研究中，可以利用腸道產(chǎn)丁酸菌能夠利用乳酸這一特性去篩選獲得其他產(chǎn)丁酸細(xì)菌。

圖 1 丁酸形成途徑Fig. 1 Formation pathway of butyrate

4.2 丁酸的益生作用

腸道中最豐富的短鏈脂肪酸包括乙酸、丙酸和丁酸等，除一小部分從飲食、內(nèi)源性蛋白或黏液和脫落的上皮細(xì)胞獲得，其他短鏈脂肪酸主要在人和動(dòng)物結(jié)腸中由腸道微生物發(fā)酵膳食纖維而來。它們幾乎能提供人所需能量的5%～10%[1]。其中最重要的短鏈脂肪酸是丁酸，在人類腸道健康和動(dòng)物生產(chǎn)等方面發(fā)揮著不可忽視的作用。

4.2.1 抗炎作用

4.2.2 抗癌作用

目前，已使用模型小鼠證明了丁酸可以預(yù)防和抑制結(jié)腸癌的發(fā)生[2]。有研究推測大量攝入膳食纖維會(huì)引起結(jié)腸中丁酸濃度增加，從而發(fā)揮抗癌作用[48]。但更多研究主要集中于人類結(jié)腸癌組織中單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1（monocarboxylate transporter1，MCT1）和Na＋偶聯(lián)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（sodium-coupled monocarboxylate transporter1，SMCT1）的活性與結(jié)腸癌發(fā)生的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)：MCT1和SMCT1的降解可以減少結(jié)腸中丁酸的攝取與代謝進(jìn)而誘發(fā)結(jié)腸癌[49]。丁酸具有抗癌作用（包括誘導(dǎo)細(xì)胞分化、凋亡以及抑制細(xì)胞增殖），但是丁酸不會(huì)抑制正常細(xì)胞的生長。丁酸對(duì)正常細(xì)胞和結(jié)腸癌細(xì)胞生長的不同作用已被描述為“丁酸悖論”[50]，這種現(xiàn)象可以由Warburg效應(yīng)來解釋。在正常結(jié)腸細(xì)胞中，首選的能量來源是丁酸，丁酸經(jīng)β-氧化生成乙酰COA，并最后經(jīng)三羧酸循環(huán)釋放大量能量。而在癌細(xì)胞中的主要能量來源是葡萄糖，并且通過低糖酵解作用為自身供能，這種作用機(jī)制不需要氧氣和線粒體參與，此時(shí)丁酸沒有被代謝生成乙酰COA，抑制了組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的活性，從而抑制組蛋白乙?；?，因此最終表現(xiàn)為丁酸作為組蛋白去乙酰化酶抑制劑在細(xì)胞核中積累[51]，而組蛋白去乙酰化酶活性的降低能夠抑制腫瘤細(xì)胞生長，所以在結(jié)腸癌細(xì)胞中丁酸表現(xiàn)出抑制細(xì)胞生長的活性。

4.2.3 對(duì)腸黏膜的作用

丁酸不但具有抗炎及抑制癌癥作用，還可以對(duì)充當(dāng)結(jié)腸防御屏障的腸黏膜產(chǎn)生積極的作用，從而增強(qiáng)結(jié)腸的防御功能。腸道黏膜上的黏液層是能夠抵制腸內(nèi)抗原的第一道防線，而丁酸可以增強(qiáng)黏液層的主要成分，如黏蛋白和三葉因子的分泌。體外研究表明，當(dāng)丁酸作為HT-29細(xì)胞的唯一能量來源時(shí)，其可調(diào)節(jié)許多編碼黏蛋白（mucoprotein，MUC）基因的表達(dá)，包括顯著上調(diào)MUC3、MUC5B、MUC5AC以及MUC2的表達(dá)[52]；因此丁酸可在轉(zhuǎn)錄水平上影響?zhàn)ひ簩拥慕M成和性質(zhì)，從而增強(qiáng)其保護(hù)作用。其次，丁酸也能夠誘導(dǎo)活性轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶、抗菌肽和熱休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）的合成。已有研究證明，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶可以促進(jìn)腸黏膜的愈合，抗菌肽（IL-37）和防御素可保護(hù)腸黏膜免受細(xì)菌的感染，HSPs可通過抑制炎癥調(diào)節(jié)劑的生成而預(yù)防炎癥[53-55]。因此，丁酸能夠間接增強(qiáng)結(jié)腸黏膜的保護(hù)作用。但丁酸對(duì)人類結(jié)腸防御屏障的作用仍需深入研究。

4.2.4 對(duì)動(dòng)物腸道發(fā)育、營養(yǎng)物質(zhì)吸收及生長的作用

據(jù)報(bào)道，腸道微生物代謝產(chǎn)生的丁酸可減少食物攝入量，降低因飲食而引起的肥胖患病率，此外，丁酸還具有多種代謝益處，如改善胰島素抗性、促進(jìn)脂肪氧化等。Lin Jing等[56]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠經(jīng)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%丁酸鈉的高脂飲食喂養(yǎng)2 d后，其食物攝入量和體質(zhì)量顯著降低。Gao Zhanguo等[57]在肥胖小鼠的高脂飲食中添加丁酸鈉，結(jié)果表明用丁酸鈉處理5 周后，肥胖小鼠的體質(zhì)量、脂肪含量和空腹血糖濃度均顯著降低，并顯著改善了小鼠胰島素耐受性。Li Zhuang等[58]將實(shí)驗(yàn)小鼠經(jīng)灌胃和靜脈注射兩種不同方式給予丁酸鹽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠僅在灌胃給藥時(shí)表現(xiàn)出食物攝入量的減少，并最終猜測丁酸在進(jìn)入體循環(huán)系統(tǒng)前就能夠抑制下丘腦中表達(dá)神經(jīng)肽Y的促食欲神經(jīng)元的活性，從而增加飽腹感。因此，建議可以通過口服途徑補(bǔ)充丁酸鹽來預(yù)防或治療肥胖以及相關(guān)代謝疾病。

基于丁酸的生物學(xué)功能，如抑制致病菌、調(diào)節(jié)免疫和炎癥反應(yīng)以及抗氧化能力等，可以將其應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖中。在畜禽飼料中可使用丁酸鹽代替抗生素作為生長促進(jìn)劑，Leeson等[4]發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%丁酸鹽的飲食，能夠在不影響肉雞飼料攝入量的情況下，顯著增加肉雞的胴體質(zhì)量和胸肉產(chǎn)量。Wu Wei等[8]在一日齡肉雞的膳食中分別補(bǔ)充0、200、400 mg/kg和800 mg/kg的丁酸鈉，實(shí)驗(yàn)表明補(bǔ)充800 mg/kg丁酸鈉顯著刺激了肉雞空腸和回腸上杯狀細(xì)胞的生長和回腸絨毛高度的增加，同時(shí)有效提高了肉雞的抗氧化能力以及肉雞腸道中毛螺菌科、瘤胃菌科的豐度。

仔豬在斷奶早期不能很好地消化和吸收營養(yǎng)成分，從而導(dǎo)致生長滯后，而采用丁酸鹽作為飼料添加劑可以緩解這種情況。Piva等[59]使用丁酸鈉（800 mg/kg）喂食斷奶仔豬，發(fā)現(xiàn)在喂食丁酸鈉的前2 周，斷奶仔豬的平均日增質(zhì)量（average daily gain，ADG）和每日采食量（daily feed intake，DFI）分別顯著增加了20%和16%，而在隨后的階段（15～35 d），喂食丁酸鈉的仔豬仍具有較高的DFI，ADG卻無明顯變化。因此，丁酸鈉能夠促進(jìn)斷奶仔豬的固體飼料攝入量，但僅在斷奶初期表現(xiàn)為促進(jìn)仔豬生長。Mazzoni等[60]分別在仔豬的哺乳期（4～28 d）和斷奶后期（29～40 d）喂食丁酸鈉（3 000 mg/kg），發(fā)現(xiàn)僅在斷奶后補(bǔ)充丁酸鈉能夠顯著增加腸內(nèi)生長抑素陽性細(xì)胞的數(shù)量，并使胃黏膜厚度顯著增加。因此，只有在仔豬斷奶后，以低劑量喂食丁酸鈉時(shí)，才可能促進(jìn)黏膜的成熟和分化，從而影響胃的形態(tài)和功能。

也有少數(shù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，丁酸可能存在某些副作用。Tarrerias等[61]研究發(fā)現(xiàn)丁酸鹽不但不能減少TNBS誘導(dǎo)的超敏反應(yīng)，相反延長了反應(yīng)時(shí)間。同樣地，Lin Jing等[56]也發(fā)現(xiàn)丁酸灌腸新生大鼠可能會(huì)抑制其體質(zhì)量增加，并使結(jié)腸濕質(zhì)量增加以及誘導(dǎo)腸黏膜損傷。但這些影響僅限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，在人體中尚未得到證實(shí)。少數(shù)研究表明：丁酸也有可能促進(jìn)肥胖、糖尿病等代謝綜合征的發(fā)生和發(fā)展[62]，但更多的體外研究則證明了丁酸對(duì)肥胖具有抑制作用。

雖然丁酸具有許多益生作用，如抗菌、抗炎、抗癌以及對(duì)腸黏膜的作用，提高生長性能（包括胴體組成），促進(jìn)腸組織發(fā)育/成熟等；但也需要考慮丁酸對(duì)腸道產(chǎn)生的可能不利影響。在過去10 年中，丁酸的生理作用主要集中于體外實(shí)驗(yàn)、模型動(dòng)物和一些臨床干預(yù)研究，在今后的研究中應(yīng)更加重視人體內(nèi)作用的研究，以闡明丁酸鹽在健康與疾病中的作用。

5 結(jié) 語

人結(jié)腸是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，其中微生物群落組成及其性狀對(duì)宿主健康影響顯著。近年來人們逐漸揭示了丁酸的生理作用，相應(yīng)地，人們也更加關(guān)注腸道中能夠產(chǎn)丁酸的微生物。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的腸道產(chǎn)丁酸菌被發(fā)現(xiàn)，尤其在聚類XIVa和IV中包含著許多重要的丁酸產(chǎn)生菌，如Roseburia和F. prausnitzii，它們廣泛定植于人類腸道，但由于這類菌生長需要比較苛刻的環(huán)境，所以可能還有許多產(chǎn)丁酸菌沒有被分離培養(yǎng)出來，這需要不斷地改進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究。此外，目前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)丁酸細(xì)菌的丁酸形成途徑主要有兩種，但這兩種途徑對(duì)于丁酸合成的貢獻(xiàn)以及調(diào)控機(jī)制還不是很清楚，而且是否還存在其他合成途徑還有待研究，隨著基因組學(xué)研究的深入，相信在不久的將來，在這方面將取得較大進(jìn)展。而且，丁酸的生理功能作用仍需要大量的人體實(shí)驗(yàn)去證實(shí)。最后，微生物代謝生成丁酸的量相對(duì)較低，要使產(chǎn)丁酸細(xì)菌能夠更好地應(yīng)用于食品、藥品或飼料等方面，仍需要采取一些如優(yōu)化發(fā)酵工藝等手段來提高其合成量，并評(píng)價(jià)這些微生物的安全性，從而達(dá)到真正地使其應(yīng)用于人類，有益于人類。