丁酸鈉和三丁酸甘油酯在養(yǎng)殖動物中的研究進展

吳 勛，譚 朋

(浙江海洋大學海洋與漁業(yè)研究所，浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江省海水增養(yǎng)殖重點實驗室，浙江舟山 316021)

為滿足人類對肉類的需要，現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)多采用集約化的養(yǎng)殖模式。集約化“快速”、“高效”和“密集”的特點，使養(yǎng)殖動物面臨復雜的生存環(huán)境和強烈的外界刺激。這些不利因素會導致養(yǎng)殖動物機體免疫應(yīng)答反應(yīng)異常、氧化應(yīng)激以及能量消耗加劇。抗生素在一定程度緩解了上述問題，但也引起病原菌抗藥性增加和產(chǎn)品藥物殘留等問題[1]。尋求安全有效的抗生素替代品是養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展的必然選擇。

丁酸作為一種短鏈脂肪酸(short chain fatty acid,SCFA)，是由腸道厭氧菌發(fā)酵膳食纖維等難消化的碳水化合物產(chǎn)生的。丁酸具有綠色安全的特點，但易揮發(fā)，半衰期短，不利于實際應(yīng)用。實際生產(chǎn)中多采用丁酸衍生物，比較常見的是丁酸鈉和三丁酸甘油酯。

1 理化性質(zhì)

1.1 丁酸鈉

丁酸鈉(sodium butyrate，SB)，是化學式為C4H7O2Na 的正丁酸鈉鹽，其分子結(jié)構(gòu)式如圖1 所示。分子量為110.09，熔點為253～255 ℃。呈白色粉末狀。有特殊的奶酪酸敗樣脂臭味。對光和熱穩(wěn)定但易吸潮且溶于水。2003 年，丁酸鈉作為新型飼料添加劑被列入《飼料添加劑品種目錄》[2]。丁酸水脂兩親，pH 4～6時不易分解，大多數(shù)畜禽的腸道pH 都在7 左右，所以丁酸鈉在畜禽消化道中容易被分解[3]。

圖1 丁酸鈉分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 Molecular structure of sodium butyrate

1.2 三丁酸甘油酯

三丁酸甘油酯(tributyrin，TB)，是化學式為C15H26O6的短鏈脂肪酸酯，其分子結(jié)構(gòu)式如圖2 所示。分子量：302.36，又稱甘油三丁酸酯，熔點為-75 ℃。透明近油狀液體。幾乎無氣味，略有脂肪香氣。易溶于乙醇等有機溶劑，難溶于水。常溫下其理化特性較為穩(wěn)定；在高溫、光照等刺激條件下，性質(zhì)幾乎不發(fā)生變化但略有刺激性氣味；遇明火或氧化劑易燃，故置于陰涼通風處密封貯存，并避免陽光直射[4]。三丁酸甘油酯由3 個丁酸分子和1 個甘油分子酯化而成。三丁酸甘油酯屬于短鏈脂肪酸酯，在胃中幾乎不被分解，在胰脂肪酶的作用下緩慢釋放成丁酸和甘油。1 g 三丁酸甘油酯可產(chǎn)生約10 mmol 丁酸。與丁酸鈉相比，三丁酸甘油酯不易被胃液分解以及代謝速度慢等特點，在飼料添加劑方面的應(yīng)用前景看好。

圖2 三丁酸甘油酯分子結(jié)構(gòu)式Fig.2 Molecular structure of tributyrin

2 丁酸的生物學功能

丁酸鈉與三丁酸甘油酯作為丁酸的衍生物，在動物的消化道中被分解為丁酸和其它物質(zhì)。它們的主要生物學功能來源于丁酸。體外研究表明，腸道上皮細胞優(yōu)先利用丁酸作為能源[5]，因此，丁酸可作為腸上皮細胞的快速能量來源[6]。作為一種短鏈脂肪酸，丁酸在進入小腸后部分以非離子彌散形式被腸黏膜細胞吸收，直接為腸黏膜上皮細胞生長和增殖分化提供能源；其余的通過門靜脈轉(zhuǎn)運至肝臟。

腸道作為動物機體重要的消化，不僅可以對食物進行消化和吸收，還是抵御外界環(huán)境刺激屏障。通常認為，動物的腸道屏障主要包括物理屏障、免疫屏障及微生物屏障[7]。腸道屏障功能受損會造成動物消化吸收功能降低和病原菌入侵，降低養(yǎng)殖動物的生長性能和健康狀況。

2.1 維持動物腸道物理屏障功能

腸道上皮不僅具有對營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的作用，還可作為重要的物理屏障，阻止外界病原菌入侵[8]。緊密連接蛋白(tight junctions,TJ)是上皮細胞間的連接蛋白，構(gòu)成了腸道上皮細胞物理屏障的基礎(chǔ)。緊密連接是多種蛋白組成復合物，主要由咬合蛋白(occludin)、閉合蛋白(claudins)以及閉合小環(huán)蛋白(zonula occludens proteins,ZO)組成，它們不僅能維持腸黏膜上皮細胞的極性，還能調(diào)節(jié)腸道屏障的通透性[9]。緊密連接蛋白可以增強腸道物理屏障功能，阻止毒素、病菌等進入，保護動物機體健康[10]。

丁酸鈉和三丁酸甘油酯增強腸道物理屏障功能與緊密連接蛋白的表達有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加三丁酸甘油酯可增加小鼠回腸和結(jié)腸中claudins 和occludin 的表達[11]。田莉等[12]亦發(fā)現(xiàn)飼料中添加丁酸鈉，可以提高草魚腸道的ZO-1，ZO-2，Occludin，Claudins-b 的基因表達水平，從而增強腸道的屏障功能。在金頭鯛Sparus aurata[13]和肉雞[14]中也有類似發(fā)現(xiàn)。上述結(jié)果表明，丁酸鈉和三丁酸甘油酯可通過增加緊密連接蛋白的表達增強動物腸道物理屏障功能。

2.2 維持動物腸道免疫屏障功能

2.2.1 促進免疫相關(guān)蛋白生成

動物的免疫力與補體因子、免疫球蛋白和抗菌肽的水平直接相關(guān)[15-16]。研究發(fā)現(xiàn)，在飲食中加入三丁酸甘油酯可顯著改善斷奶仔豬血清免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白G(IgG)以及免疫球蛋白M(IgM)含量[17]。在日糧中添加丁酸鈉增加了斷奶仔豬腸道IgA 含量[18]和血清C3、IgG 和IgM 含量[19]，以及草魚腸道溶菌酶(lysozyme)和酸性磷酸酶(alkaline phosphtase,ACP)活力、C3 和C4 含量以及hepcidin 和β-defensin1 的基因表達[20]。此外，在日糧中直接添加丁酸還可增加肉雞腸道抗菌肽Cathelicidin B1、β-defensin 9 和β-defensin 14 的基因表達[21]。

丁酸鈉和三丁酸甘油酯促進動物腸道免疫相關(guān)蛋白生成可能與免疫細胞的生長有關(guān)。動物體內(nèi)含有多種免疫細胞，如淋巴細胞、樹突狀細胞、巨噬細胞、肥大細胞等[22]，這些免疫細胞能夠分泌免疫相關(guān)蛋白[23]。丁酸鈉可以提高腸粘膜免疫細胞的數(shù)量，從而提高機體免疫能力[24]。王繼鳳等[25]發(fā)現(xiàn)丁酸鈉可增加腸道淋巴細胞、肥大細胞以及杯狀細胞的數(shù)量。而三丁酸甘油酯提高了結(jié)腸表面的杯狀細胞[26]和血液中淋巴細胞、中性粒細胞數(shù)量[27]。

2.2.2 調(diào)節(jié)炎癥相關(guān)細胞因子產(chǎn)生

炎癥反應(yīng)可以由一系列細胞因子介導，細胞因子分為促炎細胞因子和抗炎細胞因子[28]。促炎細胞因子和抗炎細胞因子的比值升高會加劇炎癥反應(yīng)[29]。在小鼠腸炎模型中，三丁酸甘油酯可以增加抗炎癥轉(zhuǎn)生長因子-β(TGF-β)和白介素-10(IL-10)的水平，降低腸道炎癥反應(yīng)[30]。脂多糖(LPS)誘導肉雞腸道損傷模型中，三丁酸甘油酯可減少十二指腸和空腸中促炎癥白介素-1β(IL-1β)和白介素-6(IL-6)的含量[31]。三丁酸甘油酯還降低飼喂高脂飲食的小鼠巨噬細胞中的腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、IL-6I 以及L-1β 的含量[32]。水產(chǎn)動物中發(fā)現(xiàn)，丁酸鈉能夠降低草魚腸道的TNF-α、干擾素-γ2(IFN-γ2)、IL-6 和IL-8[20]以及鯉魚腸道的TNFα 和IL-1β[33]的基因表達。

炎癥因子的表達受到核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)信號通路的調(diào)節(jié)[34]。核因子κB 抑制蛋白(IκBα)會被IκB激酶(IκB kinase，IKK)磷酸化，使NF-κB 脫落活化，進入細胞核后，與特定DNA 序列結(jié)合進而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄[35]。NF-κB 信號通路的激活促進炎細胞因子的轉(zhuǎn)錄[36]，而NF-κB 被抑制時，則抑制促炎因子的基因表達[37]，并上調(diào)抗炎因子的基因表達[38]。丁酸鈉能夠抑制腸道的IκB 激酶的表達[21]和細胞核中p65 的含量[39]，從而抑制NF-κB 信號通路，降低機體炎癥反應(yīng)。實驗還發(fā)現(xiàn)，丁酸可以抑制LPS 誘導的中性粒細胞中NF-κB核轉(zhuǎn)錄[40]。

2.2.3 增強機體抗氧化能力

氧化應(yīng)激指體內(nèi)氧化與抗氧化狀態(tài)失衡[30]。氧化應(yīng)激造成氧化損傷[41]，進而破壞細胞結(jié)構(gòu)完整性[42]。為了抵抗氧化應(yīng)激，動物機體產(chǎn)生一系列抗氧化酶和非酶性抗氧化物質(zhì)(如谷胱甘肽，GSH)。丁酸鈉能夠提高家豬Sus scrofa domestica 肝臟、小鼠Mus musculus 腸道以及美洲鰻鱺Anguilla rostrata 肝臟抗氧化酶活力[30,43]。三丁酸甘油酯能夠降低斷奶仔豬肝臟[44]和肉雞腸道[31]脂質(zhì)過氧化標志產(chǎn)物MDA 的含量。

核因子相關(guān)因子2(Nrf2)是參與抗氧化的重要轉(zhuǎn)錄因子[45-46]，丁酸鈉與三丁酸甘油酯提高腸道抗氧化損傷的作用機理其密切相關(guān)。Nrf2 調(diào)控多種抗氧化酶的表達，如過氧化氫酶(CAT)，谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)和超氧化物歧化酶(SOD)[47]。使用丁酸鈉孵育氧化損傷細胞可顯著上調(diào)Nrf2 表達水平，提高Nrf2 蛋白表達水平[48]，進而增強細胞抗氧化能力[49]。SONG Zhengxing,et al[29]發(fā)現(xiàn)，抗氧化酶的基因表達受Kelch 結(jié)合蛋白1(Keap1)/核因子相關(guān)因子2(Nrf2)的調(diào)節(jié)。丁酸鈉通過抑制Keap1 的表達[50]，可促進Nrf2 的入核[51-52]，啟動抗氧化基因的表達。

2.3 維持微生物屏障功能

在動物的胃腸道內(nèi)有十分龐大的種類和數(shù)量的微生物定植，這些微生物的變化對胃腸道健康緊密相關(guān)[53]。健康動物體內(nèi)的微生態(tài)菌群維持著動態(tài)的平衡，有益微生物占絕對優(yōu)勢，抑制有害菌群的增殖與粘附，從而維持腸道的正常生理功能。腸道微生物的組成受外部因素(飼料，環(huán)境及病菌等)影響[54]。水產(chǎn)動物中發(fā)現(xiàn)，攝食高蠶豆飼料的草魚Ctenopharyngodon idella 腸道中有益菌物種豐度減少,條件致病菌物種豐度增加[55]。飼喂高植物蛋白飼料，大黃魚Larimichthys crocea 腸道內(nèi)有害的變形菌門Proteobacteria 細菌豐度增加，腸道穩(wěn)態(tài)被破壞[56]。三丁酸甘油酯能夠增加菊黃東方鲀Takifugu flavidus 腸道需氧異養(yǎng)細菌和乳酸菌豐度，降低弧菌數(shù)量[57]。在禽類中發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加三丁酸甘油酯能夠增加肉雞Gallus domesticus 盲腸、十二指腸[58]及盲腸[59]有益乳酸菌豐度，減少有害菌大腸桿菌和沙門氏菌比例[60]。

丁酸鈉和三丁酸甘油酯調(diào)節(jié)腸道菌群的機制可能與氫離子累積，導致腸道pH 改變有關(guān)。丁酸鈉和三丁酸甘油酯進入腸道后分解產(chǎn)生丁酸根離子和氫離子，氫離子的不斷累積降低腸道pH，進而使得對酸堿度敏感有害菌(大腸菌桿菌和沙門氏菌等)死亡，而耐酸性有益菌(雙歧桿菌和乳酸桿菌)大量增殖[9]。

3 丁酸鈉與三丁酸甘油酯在養(yǎng)殖動物中的應(yīng)用

丁酸鈉和三丁酸甘油酯具有多種生物學功能，在腸道功能修復方面效果最為明顯。在實際養(yǎng)殖生產(chǎn)中，丁酸鈉與三丁酸甘油酯的作用效果，已經(jīng)在多種養(yǎng)殖物種身上得到驗證。表1 和表2 分別將三丁酸甘油酯和丁酸鈉對不同養(yǎng)殖動物的作用效果進行整理。

表1 三丁酸甘油酯在不同養(yǎng)殖動物中的應(yīng)用效果Tab.1 Application of tributyrin in farm animals

表2 丁酸鈉在不同養(yǎng)殖動物中的應(yīng)用效果Tab.2 Application of sodium butyrate in farm animals

4 小結(jié)與展望

綜合上述材料，丁酸鈉與三丁酸甘油酯通過增強養(yǎng)殖動物腸道的物理屏障、免疫屏障以及調(diào)整腸道菌群組成來提高養(yǎng)殖動物機體的生長性能和健康狀況。丁酸鈉和三丁酸甘油酯提高緊密連接蛋白的基因表達來增強腸道物理屏障功能；促進免疫細胞的生長有關(guān)進而提升免疫相關(guān)蛋白生成；抑制NF-κB 信號途徑，抑制炎癥；促進Nrf2 信號途徑增強抗氧化損傷能力；調(diào)節(jié)腸道pH，抑制有害菌生長，促進有益菌生長，增強微生物屏障功能。

丁酸對動物腸道的生物學功能在多種養(yǎng)殖動物上得到證實?，F(xiàn)在市場對減抗無抗的呼聲越來越高，丁酸有望成為替代抗生素的新型綠色添加劑。丁酸鈉和三丁酸甘油酯作為丁酸的衍生物，既可以彌補丁酸易分解、揮發(fā)的缺點，又可以在消化道中轉(zhuǎn)化生成丁酸，具有較好的應(yīng)用前景。它們將會在動物生產(chǎn)和動物保健等領(lǐng)域發(fā)揮更多、更廣泛的作用。