谷氨酸的腦腸反射及其對仔豬的營養(yǎng)作用

徐運杰 ， 胡鳳嬌 ， 羅振福

（1.山東和美集團有限公司，山東惠民 251700；2.唐人神集團股份有限公司，湖南株洲 412000；3.濮陽市動物衛(wèi)生監(jiān)督所，河南濮陽457000；4.湖南佳智生物科技有限公司，湖南長沙410200；5.湖南農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，湖南長沙 410128）

食物中的化學信號由全身的特殊受體檢測，這些化學受體具有確保動物營養(yǎng)健康的多種功能。在外周，味覺和嗅覺的化學感覺為潛在食物的營養(yǎng)價值提供重要信息；消化道中的其他化學感覺也參與識別營養(yǎng)物質(zhì)和刺激相關(guān)激素的釋放，有助于消化吸收。最后，化學傳感器，包括口腔和消化器官中的味覺和嗅覺傳感器，向大腦發(fā)送信息，大腦對其進行處理，并將其與存儲的信息進行比較，從而引發(fā)各種行為、生理和神經(jīng)內(nèi)分泌反應，以確保食物的正確使用。一種主要的化學感覺是味覺。在口腔中，味覺感受器已經(jīng)進化到能夠探測食物中相對較少的初級味覺的功能，其中，甜味進化為探測日糧中碳水化合物營養(yǎng)素，而咸味則探測必需的礦物質(zhì)鈉的存在，酸味可以防止攝入低pH的食物，如未熟的水果，而苦味可以防止植物中常見的有毒物質(zhì)。

近年來，第五種基本的味覺鮮味，已經(jīng)得到認可。這種味道被認為是日糧中蛋白質(zhì)和氨基酸的信號。典型的鮮味刺激是L-谷氨酸（Glu），其通常以谷氨酸鈉（MSG）的形式添加到食物中。MSG一直被用作調(diào)味品，其不僅起著感覺或味覺刺激的作用，而且在消化和食物使用中具有額外的生理作用。作為中間代謝過程中的一種基本底物，游離谷氨酸在大多數(shù)器官和組織（骨骼肌、大腦、腎臟和肝臟）中以相當高的濃度存在 （Young等，2000）。谷氨酸在能量代謝及其他氨基酸、谷胱甘肽和體蛋白的代謝中起著重要作用。在大腦中，Glu在局部由葡萄糖從頭產(chǎn)生，是一種主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，其活性調(diào)節(jié)突觸可塑性、學習、記憶、運動活動和神經(jīng)發(fā)育。Glu通過激活大腦對消化、營養(yǎng)吸收、代謝和能量穩(wěn)態(tài)等多種生理功能有促進作用。這些作用可能通過與迷走神經(jīng)傳入支功能性連接的腸腔Glu傳感器或通過口腔內(nèi)的傳入感覺神經(jīng)介導。本文從植物神經(jīng)反射的角度，論述了谷氨酸的腦腸反射及其對仔豬的營養(yǎng)作用。

1 口腔味覺刺激對植物神經(jīng)活動的調(diào)節(jié)

味覺受體的激活影響內(nèi)臟傳出神經(jīng)的各種活動和功能。唾液分泌是味覺誘發(fā)的自主反射之一（Hector等，1999）。不同刺激誘導腮腺唾液流動的相對強度為檸檬酸（酸味）＞味精（鮮味）＞氯化鈉（咸味）＞蔗糖 （甜味）＞硫酸鎂 （苦味）（Hodson等，2006）。唾液的作用不僅潤滑食物便于咀嚼和吞咽，而且啟動營養(yǎng)物質(zhì)（即碳水化合物和脂肪）的消化，因為其含有酶，如淀粉酶和脂肪酶等。此外，還有研究表明，甜味刺激（蔗糖和葡萄糖溶液）會增加大鼠胰腺和肝臟迷走神經(jīng)的傳出活動，而咸味刺激（高濃度氯化鈉溶液）則抑制這種傳出活動（Niijima等，1991a）。甜味刺激會在血糖濃度升高之前引起胰島素釋放，這一過程稱為頭期胰島素釋放（Steffens等，1976）。相比之下，甜味刺激能夠抑制胃迷走神經(jīng)傳出纖維（VGE）的活動和腎上腺、胰腺和肝臟交感神經(jīng)傳出纖維的活動，而咸味刺激則能夠加強這些活動（Niijima等，1991c）。此外，甜味信號能通過興奮迷走神經(jīng)刺激胃酸的分泌（Ikuno等，1990）。

味精溶液產(chǎn)生的鮮味能夠激活VGE和胰臟、肝臟迷走神經(jīng)纖維的傳出活動，并與胰島素分泌增加有關(guān)（Niijima 等，2000；1990、1991b）。 然而，Tonosaki等（2007）報道，味精水溶液不會引起頭期胰島素釋放。因此有必要進一步研究味精在調(diào)控胰島素分泌中的作用?？傊?，味覺能夠反射性引起唾液、胃液和胰島素的分泌，這對于能量代謝、食物消化和營養(yǎng)吸收都很重要。

2 腸道營養(yǎng)刺激對植物神經(jīng)活動的調(diào)節(jié)

在胃腸道中，各種營養(yǎng)物質(zhì)通過管腔上皮細胞探測和吸收。營養(yǎng)物質(zhì)還可調(diào)節(jié)迷走神經(jīng)傳入纖維的活動和胃腸肽的釋放，包括膽囊收縮素（CCK）、肽YY、胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）、瘦素和胃饑餓素等（Kitamura 等，2010、de Fonseka 等，2009）。 長期以來，人們認為胃迷走神經(jīng)傳入纖維僅能探測胃脹，不能探測單個營養(yǎng)素。Niijima等（2000）報道，谷氨酸能夠誘發(fā)胃的內(nèi)臟感覺。這在胃營養(yǎng)感知方面是重要的，因為這些數(shù)據(jù)表明，在胃黏膜中存在化學感知，特別是氨基酸（AA）傳感系統(tǒng)。有趣的是，在20種氨基酸中，Glu能夠單獨刺激大鼠的胃迷走神經(jīng)傳入纖維（VGA）（Uneyama等，2006）。外周麻醉劑利多卡因腔內(nèi)灌注可阻斷Glu誘發(fā)的VGA激活，表明這種反應是胃黏膜內(nèi)的一種化學反應。此外，Glu反應可以通過耗盡5-羥色胺 （5-HT）和抑制 5-HT 3型（5-HT3）受體或一氧化氮（NO）合酶而被阻斷。 Uneyama等（2006）通過腔內(nèi)灌注硝普鈉（一種NO供體）模擬傳入反應，發(fā)現(xiàn)NO供體誘導的傳入激活被5-HT3受體阻斷所消除。這一發(fā)現(xiàn)有力地支持了在NO和5-HT的刺激下，大鼠胃粘膜細胞與迷走神經(jīng)之間存在細胞間通訊的可能性。全身超過90%的5-HT分布在胃腸黏膜的腸嗜鉻細胞中，來自腸嗜鉻細胞的5-HT通過特異性識別胃腔中的Glu而發(fā)揮旁分泌功能，這與十二指腸中葡萄糖傳感系統(tǒng)的作用類似。

腸腔層營養(yǎng)物質(zhì)的傳感（感受）器是“腸傳感細胞”。營養(yǎng)感應細胞主要分布在胃竇或十二指腸黏膜，當這些細胞與管腔中營養(yǎng)物質(zhì)相互作用時，它們以內(nèi)分泌或旁分泌的方式釋放激素，通過內(nèi)分泌或迷走神經(jīng)途徑將管腔營養(yǎng)成分的信息傳遞給其他器官，包括大腦。然而，這些參與腸道營養(yǎng)感知系統(tǒng)的細胞在很長一段時間內(nèi)未被確認。與口腔味覺細胞相似的類味覺細胞分布在胃和腸黏膜中，Ho..fer等（1996）認為，這些類味覺細胞就代表了未知的傳感器細胞。隨后，隨著分子生物學技術(shù)在味覺研究領(lǐng)域的發(fā)展，人們已經(jīng)鑒定出幾種對不同氨基酸反應的味覺感受器。代謝型谷氨酸受體、鈣敏感受體和味覺受體家族1成員1（T1R1）的異二聚體和T1R3、T1R1/T1R3都與舌頭的氨基酸感覺有關(guān)，這些同樣的受體也是管腔氨基酸感受器的候選受體。盡管在胃黏膜中感知Glu的分子機制還不清楚，但胃內(nèi)輸注MSG會引起迷走神經(jīng)反射，從而增加VGE，以及迷走神經(jīng)胰腺和腹腔的傳出活動。另一種增強MSG與味覺受體結(jié)合的鮮味物質(zhì)肌苷5'-單磷酸，能夠協(xié)同增強鮮味強度，激活VGA和增加腹腔迷走神經(jīng)纖維的傳出活性 （Kitamura等，2011）。由于游離Glu與日糧蛋白質(zhì)的共存在食物中非常普遍，這表明胃中的Glu傳感系統(tǒng)有助于蛋白質(zhì)在胃中的消化，并且通過興奮迷走神經(jīng)傳入纖維，整合大腦中的營養(yǎng)信息。

相反，十二指腸內(nèi)注入氨基酸或寡肽會改變腹腔迷走神經(jīng)傳入纖維（VCA）的活動，VCA活動的改變引起植物神經(jīng)反射并調(diào)節(jié)各種內(nèi)臟功能。Niijima等（2005）報道，腸內(nèi)注入 MSG、賴氨酸和亮氨酸能夠引起VCA的興奮反應；相反，腸內(nèi)注入甘氨酸、蛋氨酸和某些其他氨基酸則抑制VCA的興奮反應。另外，腸內(nèi)注入MSG能夠?qū)е耉GE和胰腺迷走神經(jīng)傳出活動增加，賴氨酸則誘發(fā)VGE活動的長期增強，但是，腸內(nèi)輸注甘氨酸抑制了 VGE 活動 （Niijima 等，2005、2000、1991b）。Eastwood等（1998）用大鼠研究表明，十二指腸輸注蛋白質(zhì)水解物（如蛋白胨）也增加了腸系膜迷走神經(jīng)纖維的傳入活動，表明十二指腸存在氨基酸傳感器或寡肽傳感器。

3 腸道營養(yǎng)刺激后的腦活動變化

除了自主神經(jīng)反射外，攝入營養(yǎng)素的效應在前腦中進行加工處理，前腦決定食物是否好，并隨后調(diào)節(jié)采食行為。 Tsurugizawa等（2009a、2008）使用功能磁共振成像（fMRI）技術(shù)研究了大鼠大腦中哪些區(qū)域?qū)z入的營養(yǎng)物質(zhì)有反應。結(jié)果表明，胃內(nèi)灌注一定量 （60 mM）MSG顯著激活了包括杏仁核、下丘腦外側(cè)、下丘腦背內(nèi)側(cè)和內(nèi)側(cè)視前區(qū)在內(nèi)的幾個腦區(qū)域；胃內(nèi)灌注葡萄糖激活了島葉皮質(zhì)、杏仁核、伏隔核（多巴胺終末投射區(qū)域）、下丘腦外側(cè)和腹內(nèi)側(cè)。經(jīng)過反復訓練，可以增加對灌注溶液味道的偏好，這種模式被稱為條件性風味偏好（CFP）。行為學研究表明，嚙齒動物胃內(nèi)輸注碳水化合物、脂類和酒精可誘發(fā) CFP（Sclafani等，2007）。60 mM MSG胃內(nèi)輸注可誘發(fā)大鼠的CFP。盡管480 mM高滲葡萄糖水溶液能誘發(fā)CFP，但是，等能量 （60 mM）葡萄糖和等滲NaCl溶液不能誘發(fā)CFP，更高濃度的葡萄糖則會導致血糖和胰島素的升高（Uematsu 等，2010、2009）。這些結(jié)果表明，對調(diào)味液與MSG腸道輸注的偏好既不是由于熱量效應，也不是由于高滲效應誘導的。綜合分析以上腦功能成像和CFP研究結(jié)果，腦的前扣帶回皮質(zhì)、島葉皮質(zhì)、杏仁核、尾殼核、海馬和下丘腦外側(cè)等區(qū)域與CFP相關(guān)，尤其是下丘腦外側(cè)區(qū)是調(diào)節(jié)食物或液體攝入的重要區(qū)域（Tsurugizawa 等，2009a、2009b）。另外，Touzani等（2002）報道，胃內(nèi)輸注葡萄糖導致下丘腦外側(cè)部CFP降低，當細胞內(nèi)葡萄糖水平增加時，存在于下丘腦腹內(nèi)側(cè)的葡萄糖敏感神經(jīng)元被激活。還有研究表明，糖的攝入增加了大鼠伏隔核殼層區(qū)多巴胺的釋放，導致對所有的糖上癮（Mark等，1994）。另外有研究發(fā)現(xiàn)，胃內(nèi)灌注Glu并沒有激活伏隔核，腹側(cè)被蓋區(qū)神經(jīng)元的損傷沒有影響大鼠對Glu 的偏好（Shibata等，2009）。 結(jié)果表明，Glu 的攝入后效應不同于糖和脂類。

功能磁共振成像顯示，Glu和葡萄糖激活大腦的時間過程是不同的。胃內(nèi)輸注60 mM Glu，只在輸注期間引起大部分大腦迷走神經(jīng)傳入激活。相比之下，胃內(nèi)注入60 mM葡萄糖可引起持續(xù)1 h以上的長期激活。大腦中這些不同的時間和區(qū)域激活模式是由于腸道和大腦之間不同的信號通路導致的，它們對攝食后行為產(chǎn)生顯著的影響。

4 腦-腸軸調(diào)控新陳代謝的信號機制

動物攝取的食物作為胃腸道的營養(yǎng)素以自由形式被消化和吸收。營養(yǎng)物質(zhì)激活支配整個胃腸道的迷走神經(jīng)傳入纖維，然后將信息投射到腦區(qū)的孤束核（NTS），同時，胰島素和GLP-1等外周體液因子也被釋放。在胃和腸的管腔層（特別是十二指腸）表達有大量的化學感覺味覺受體和G蛋白偶聯(lián)受體。負責化學感知甜味和鮮味的T1R受體和介導化學感知苦味的味覺受體家族2（T2R）受體都在腸道中表達（Rozengurt等，2006；Dyer等，2005）。一種脂肪酸受體G蛋白偶聯(lián)受體120（GPR120）存在于口腔和胃腸道中，游離脂肪酸與他相互作用以誘導循環(huán)GLP-1的釋放（Hirasawa等，2005）。游離脂肪酸還與胃腸道中的另一個G蛋白偶聯(lián)受體GPR40相互作用，促進GLP-1的分泌 （Itoh等，2003）和CCK 的分泌（Beardshall等，1989）。 GLP-1和 CCK在包括杏仁核在內(nèi)的幾個腦區(qū)可引起c-fos陽性免疫反應（Viltart等，2006）。

電生理學研究表明，氨基酸和脂質(zhì)的胃內(nèi)和腸內(nèi)傳遞均能激活迷走神經(jīng)傳入反應，門靜脈注射氨基酸也能激活迷走神經(jīng)傳入反應 （Niijima等，1995）。迷走神經(jīng)的傳入反應對腸道營養(yǎng)信息向大腦的傳遞具有重要生理作用。有趣的是，行為學研究表明，腹腔迷走神經(jīng)切斷術(shù)消除了大鼠對胃灌注Glu 時的 CFP 反應（Uematsu 等，2010），但不影響胃灌注碳水化合物時的CFP反應 （Sclafani等，1996）。fMRI研究表明，全迷走神經(jīng)切斷術(shù)和腹迷走神經(jīng)切斷術(shù)降低了Glu誘導的NTS和下丘腦激活，而全迷走神經(jīng)切斷術(shù)對葡萄糖誘導的腦激活沒有影響，這可能與胰島素的波動相關(guān)（Tsurugizawa等，2009a）。迷走神經(jīng)切斷大鼠的fMRI研究結(jié)果與攝食后行為學研究結(jié)果一致，表明對Glu反應的內(nèi)部信號主要涉及迷走神經(jīng)，而對葡萄糖反應的內(nèi)部信號至少部分涉及胰島素。最后，動物對不同的營養(yǎng)物質(zhì)有不同的攝食后效應，導致前腦區(qū)域激活。大腦激活的時空模式可以將餐后維持體內(nèi)平衡的行為和生理效應聯(lián)系起來。

5 日糧補充谷氨酸或谷氨酰胺對仔豬的重要性

谷氨酸和谷氨酰胺是哺乳仔豬和斷奶仔豬腸上皮細胞的主要代謝燃料，其中，谷氨酰胺是動物血液和體組織中較為豐富的一種游離氨基酸。斷奶是仔豬的一個關(guān)鍵時期，因為日糧和物理環(huán)境發(fā)生了重大變化。腹瀉是斷奶期間和斷奶后較嚴重的問題之一。添加谷氨酸或谷氨酰胺，不但可以調(diào)節(jié)日糧的風味，還可以調(diào)節(jié)從液體到固體變化帶來的負面影響，并為腸道提供能量，改善腸道健康。敖翔等（2017）研究表明，在飼糧中添加1%谷氨酰胺可通過促進腸道健康發(fā)育，改善養(yǎng)分表觀消化率，從而顯著提高斷奶仔豬生長性能。與對照組相比，試驗組前期和全期的日增重分別顯著提高30.55%和23.95%，料重比分別降低12.90%和13.33%。與劉濤等（1999）的研究結(jié)果相似。汪龍梅等（2016）和王秀英等（2016）研究表明，Glu 可以緩解LPS刺激引起的斷奶仔豬肝臟能量代謝紊亂和腸道損傷。Wu等（2012）研究表明，口服Glu可改善斷奶仔豬的腸黏膜形態(tài)，Glu與N-氨基甲酰谷氨酸（NCG）聯(lián)合應用對腸上皮細胞增殖的影響優(yōu)于單獨應用Glu。Wang等（2019）研究表明，即使在低能量日糧條件下，添加0.5%～1%的谷氨酸和谷氨酰胺也能減輕斷奶應激對仔豬腸道屏障功能的損傷。Lerner等（2018）研究了MSG對保育豬生產(chǎn)性能的影響，結(jié)果表明，在整個保育期，飼料轉(zhuǎn)化率隨MSG的增加而降低，并沒有改善保育豬的生產(chǎn)性能。原因可能是隨著MSG添加量的增加 （0%、0.5%、1.0%、1.5%和 2.0%），日糧中 Na+不平衡，從而導致采食量減少。

6 結(jié)語

綜上所述，谷氨酸在鮮味和內(nèi)臟信息的感知、內(nèi)外分泌系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和興奮性神經(jīng)傳遞中起著重要的生理作用。日糧中谷氨酸也會刺激胃腸中的谷氨酸傳感器，對腸道功能產(chǎn)生局部影響。此外，通過釋放信號分子NO和5-HT，存在于腸道中的谷氨酸誘導迷走神經(jīng)傳入神經(jīng)纖維激活，進而調(diào)節(jié)大腦中的一些靶區(qū)。谷氨酸的攝食后效應也不同于葡萄糖和脂類?？傊占Z中的谷氨酸影響許多生理功能，在維持動物體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和幼小動物腸道健康方面具有廣泛的生理意義和營養(yǎng)作用。實際生產(chǎn)中，建議在哺乳仔豬、斷奶仔豬、病弱豬日糧中添加0.5%～1%的谷氨酸或谷氨酰胺，如果以谷氨酸鈉形式添加，需要注意離子的平衡。