黑水虻對(duì)豬禽腸道健康和腸道菌群影響的研究進(jìn)展

仲崇華，桂福星，曹立亭,4，郭榮富

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，昆明 650201;2.西南大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，重慶 402460;3.西南大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院，重慶 402460;4.西南大學(xué)中獸醫(yī)藥研究所，重慶 402460)

昆蟲(chóng)具有良好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，因其含有高水平的蛋白質(zhì)(60%～80%)和脂質(zhì)(31%～43%)，已被視為最有希望替代飼料動(dòng)物蛋白的來(lái)源之一，有望解決人類食品和動(dòng)物飼料蛋白質(zhì)來(lái)源的國(guó)際困境[1-4]，特別是應(yīng)對(duì)因氣候變化和人口增長(zhǎng)導(dǎo)致的全球糧食不安全的擔(dān)憂[5]。據(jù)報(bào)道，黑水虻幼蟲(chóng)粉(hermetia illucens larvae meal，HILM)是蛋白質(zhì)和能量的優(yōu)質(zhì)來(lái)源，富含大量的必需和非必需氨基酸以及飽和、單不飽和與多不飽和脂肪酸、維生素和礦物質(zhì)[6-7]。其蛋白質(zhì)含量高達(dá)47.6%，可作為飼料蛋白質(zhì)的替代品，其優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)U物轉(zhuǎn)化為飼料原料，其飼養(yǎng)所需空間小，污染治理成本低，還能夠殺滅或清除動(dòng)物體內(nèi)及糞便中的部分病原菌[8-9]，從而對(duì)動(dòng)物免疫系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響，促進(jìn)動(dòng)物健康，同時(shí)減少動(dòng)物生產(chǎn)中抗生素的使用，更有利于提高動(dòng)物機(jī)體免疫、調(diào)節(jié)腸道菌群[10]。HILM被認(rèn)為是可用于動(dòng)物飼糧的蛋白質(zhì)飼料原料的動(dòng)物級(jí)替代品。作者著重闡述了黑水虻的營(yíng)養(yǎng)特性和主要活性物質(zhì)及其對(duì)豬禽腸道健康及菌群的影響，以期為黑水虻的科學(xué)研究和在動(dòng)物生產(chǎn)中推廣應(yīng)用提供參考。

1 黑水虻的營(yíng)養(yǎng)特性及主要活性成分

1.1 黑水虻的營(yíng)養(yǎng)特性

黑水虻的生命周期可分為卵、幼蟲(chóng)、蛹和成蟲(chóng)4個(gè)階段[11]。成蟲(chóng)交配后產(chǎn)卵，蟲(chóng)卵通過(guò)動(dòng)物糞便、蔬菜廢物、廚余垃圾等作為飼養(yǎng)基質(zhì)，在適宜環(huán)境條件下孵化[12-13]，收集得到的幼蟲(chóng)和預(yù)蛹經(jīng)烘干處理即得到蛋白質(zhì)飼料原料?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有成熟的種蟲(chóng)飼養(yǎng)和幼蟲(chóng)規(guī)模養(yǎng)殖技術(shù)，具備黑水虻作為動(dòng)物飼料的生產(chǎn)規(guī)模。

黑水虻幼蟲(chóng)干物質(zhì)主要由蛋白質(zhì)(31.7%～47.6%)、脂肪(11.8%～34.3%)[14]和粗纖維、粗灰分組成，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，含多種必需氨基酸和礦物質(zhì)[15-16]。其中賴氨酸含量特別豐富(占其蛋白質(zhì)含量的6%～8%)，賴氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和蘇氨酸等的水平與豆粕相似[17]，必需氨基酸含量總體上優(yōu)于玉米蛋白粉[18]。與其他昆蟲(chóng)相比，黑水虻幼蟲(chóng)的丙氨酸、蛋氨酸、組氨酸和色氨酸含量較高，精氨酸含量較低[19]。礦物質(zhì)豐富，干物質(zhì)(DM)中鈣(5%～8%)和磷(0.6%～1.5%)含量均高于魚(yú)粉，據(jù)報(bào)道，最高的鈣磷比值為8.4[20]。因此，黑水虻具有替代畜禽常規(guī)蛋白質(zhì)飼料原料的可行性。此外黑水虻還含有比較豐富的胡蘿卜素和類胡蘿卜素，以及抗菌肽等多種生物活性物質(zhì)[21]。

1.2 黑水虻含有的主要活性物質(zhì)

抗菌肽(AMPs)是從黑水虻幼蟲(chóng)中提取的具有藥用價(jià)值的重要效應(yīng)分子，可抵御病原體入侵[22]，增強(qiáng)其自身的先天宿主免疫防御能力。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，黑水虻幼蟲(chóng)自身免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的抗菌肽具有廣譜抗菌活性[23]。Li等[24]研究證實(shí)，黑水虻防御素樣肽2(DLP2)和防御素樣肽4(DLP4)可將脾臟和腎臟中的播散性細(xì)菌負(fù)荷降低95%以上，降低血清中促炎細(xì)胞因子水平，同時(shí)增加抗炎細(xì)胞因子水平，以修復(fù)肺臟和脾臟的損傷。也有研究指出黑水虻中提取的Hill-Cec1和Hill-Cec10兩種抗菌肽可有效防止銅綠假單胞菌生物膜形成，該兩種抗菌肽有望引領(lǐng)新的抗菌藥物開(kāi)發(fā)以用于治療綠膿桿菌等革蘭氏陰性病原菌引起的機(jī)體感染[25]。

黑水虻預(yù)蛹中富含大量的脂肪，中鏈脂肪酸以月桂酸含量最高，占總脂肪酸的21%[20]，具有廣譜高效的抗病毒和抗菌活性，不僅可以成為動(dòng)物飼糧中常規(guī)蛋白質(zhì)和能量來(lái)源的替代品，還有望作為促生長(zhǎng)和調(diào)控胃腸道微生物菌群的飼料添加劑[26-28]。當(dāng)完整的幼蟲(chóng)或預(yù)蛹被用作動(dòng)物飼料中的蛋白質(zhì)來(lái)源時(shí)，黑水虻脂肪中月桂酸的抗菌作用可以提供重要的附加值[29]。由此可見(jiàn)，中鏈脂肪酸及其甘油單酯可有效替代飼料中抗生素，同時(shí)作為促進(jìn)動(dòng)物性食品安全生產(chǎn)、提高生長(zhǎng)性能和動(dòng)物福利的添加劑之一[30]。

幾丁質(zhì)是黑水虻蟲(chóng)體中天然存在的一種多糖，被認(rèn)為是自然界中最豐富的生物聚合物之一[31]。幾丁質(zhì)不易被降解，但易被小腸吸收且可被腸道微生物發(fā)酵，相關(guān)研究證實(shí)幾丁質(zhì)可以恢復(fù)腸道微生物群落的組成平衡[32-33]；此外，幾丁質(zhì)或衍生物也有抗病毒、抗腫瘤、抗菌活性[34]，因其作為病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP)結(jié)合各種抗原呈遞細(xì)胞上的模式識(shí)別受體(pattern recognition receptor，PRR)，從而促進(jìn)各種細(xì)胞因子和免疫介質(zhì)的分泌[35]。因此，在飼料中使用黑水虻可減少動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)中抗生素的使用，從而控制細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生以及降低抗生素對(duì)人類健康的不利影響[10]。

2 黑水虻對(duì)動(dòng)物腸道健康及菌群的影響

2.1 黑水虻對(duì)豬腸道健康及菌群的影響

由表1可知，在同樣的營(yíng)養(yǎng)水平條件下，黑水虻部分替代飼料蛋白能增強(qiáng)機(jī)體的免疫機(jī)能，同時(shí)可改善仔豬腸道菌群，增加腸道有益菌群。研究均發(fā)現(xiàn)腸道內(nèi)乳酸菌含量明顯增加，乳酸菌是一種有益菌，對(duì)腸道生理機(jī)能發(fā)揮健康促進(jìn)作用，它可以產(chǎn)生過(guò)氧化氫和抗菌因子(如乳酸和細(xì)菌素)，以防止致病菌的定植。同時(shí)HILM部分替代仔豬飼料中的魚(yú)粉會(huì)增加回腸和盲腸食糜中乳酸和短鏈脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)的濃度[15]，消化道中的細(xì)菌代謝物譜(氨、乳酸、生物胺和SCFA)可作為腸道健康和細(xì)菌活性的指標(biāo)，SCFA對(duì)腸道屏障具有顯著的益處[36]，丁酸鹽對(duì)于維持腸道代謝[37]，促進(jìn)上皮能量代謝和刺激免疫發(fā)育尤其重要[38]；還能降低鏈球菌和大腸桿菌的含量。大腸桿菌被認(rèn)為是誘發(fā)豬腹瀉的潛在致病菌，鏈球菌屬內(nèi)的一些細(xì)菌機(jī)會(huì)性病原體，與引起豬腹瀉有關(guān)。因此，SCFA和乳酸的增加以及大腸桿菌和鏈球菌豐度的降低表明，飼料中HILM對(duì)腸道健康有益，可提高機(jī)體抗病能力，進(jìn)而促進(jìn)斷奶仔豬的生長(zhǎng)[39-40]。此外，HILM替代飼料蛋白可調(diào)節(jié)回腸黏膜免疫，降低促炎細(xì)胞因子mRNA表達(dá)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)蛋白濃度；同時(shí)提高抗炎細(xì)胞因子和分泌型免疫球蛋白(SIgA)蛋白的mRNA表達(dá)[15,41-42]。小腸顯示出更高的中性黏蛋白比例，增加了回腸免疫細(xì)胞浸潤(rùn)[43-44]。Jin等[39]研究表明，斷奶仔豬飼糧中添加HILM可顯著增強(qiáng)腸黏膜中的白介素-10(IL-10)、封閉蛋白(occludin)和閉合蛋白3(claudin3)的表達(dá)，保護(hù)腸絨毛的完整性。

表1 黑水虻對(duì)豬腸道免疫及腸道菌群影響Table 1 Effects of Hermetia illucens on intestinal immunity and intestinal microflora in pigs

續(xù)表

2.2 黑水虻對(duì)家禽腸道健康及菌群的影響

目前，黑水虻在肉雞和蛋雞養(yǎng)殖業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，可用于替代基礎(chǔ)飼糧中的大部分蛋白，改善家禽腸道健康，并能一定程度地提高機(jī)體免疫力。相關(guān)研究證實(shí)添加20%的黑水虻活幼蟲(chóng)對(duì)蛋雞的生長(zhǎng)性能、健康狀況、行為和雞蛋質(zhì)量沒(méi)有負(fù)面影響[45]；肉雞飼糧添加5%黑水虻活幼蟲(chóng)，其脾臟指數(shù)更高，腸道形態(tài)指標(biāo)和組織病理學(xué)不受影響，對(duì)肉雞生長(zhǎng)性能和健康狀況沒(méi)有負(fù)面影響[46]；用HILM部分替代肉雞飼糧中15%豆粕也不會(huì)損害動(dòng)物生長(zhǎng)性能和健康，然而替代30%時(shí)，生長(zhǎng)性能受到抑制，回腸粗蛋白質(zhì)和氨基酸消化率降低[47]。

小腸絨毛高度(villus height，Vh)、隱窩深度(crypt depth，Cd)是衡量小腸消化吸收的重要指標(biāo)，絨毛高度與隱窩深度之比(Vh/Cd)綜合反映小腸的功能狀態(tài)，其比值下降表明黏膜受損，消化吸收能力下降。如表2所示，飼料中適量添加HILM可以增加十二指腸Vh和回腸Cd，以及Vh/Cd，同時(shí)增加空腸和全腸的長(zhǎng)度和重量[48-51]；同時(shí)也有研究指出隨著HILM添加量的增加，空腸和十二指腸的Vh以及空腸Vh/Cd則會(huì)降低[49,52]。

表2 黑水虻對(duì)家禽腸道形態(tài)及免疫的影響Table 2 Effects of Hermetia illucens on intestinal morphology and immunity of poultry

腸道內(nèi)麥芽糖酶和蔗糖酶活性代表了消化水平的高低。Cutrignelli等[51]研究表明，HILM可使肉雞十二指腸麥芽糖酶活性升高，降低堿性磷酸酶活性，回腸中麥芽糖酶和蔗糖酶活性升高，從而發(fā)揮抑制炎癥反應(yīng)，調(diào)節(jié)腸道鈣吸收和菌群平衡；相反的，也有研究報(bào)道，隨著飼糧中HILM含量的增加，蛋雞十二指腸和空腸中堿性磷酸酶水平下降，但不影響麥芽糖酶活性[52]；同時(shí)降低火雞胰蛋白酶活性，但對(duì)其粗蛋白質(zhì)、粗纖維、表觀代謝能的表觀回腸消化率系數(shù)水平?jīng)]有影響[54]。

豐富的細(xì)菌群落與健康狀況相關(guān)，而較低的細(xì)菌多樣性以及代謝、免疫和腸道保護(hù)功能的降低與多種疾病有關(guān)[55]。如表3所示，黑水虻部分替代飼料蛋白或油脂能夠增加家禽腸道有益微生物種群數(shù)量，減少有害微生物數(shù)量。研究指出添加HILM后，擬桿菌門和厚壁菌門是空腸與盲腸微生物組成中最大的細(xì)菌門類[49-50]，其在改善腸道疾病、抑制腸道有害細(xì)菌的增殖、產(chǎn)生SCFA、降低腸道pH和調(diào)節(jié)微生物組成方面發(fā)揮了重要作用，此外還增加了空腸羅姆布茨菌和毛螺菌科，羅姆布茨菌是維持宿主健康的腸道生物標(biāo)志物[56]，毛螺菌科是典型的丁酸鹽生產(chǎn)家族[57]。丁酸鹽具有各種積極特性，因?yàn)樗砹四c細(xì)胞的重要營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，刺激腸道黏蛋白的產(chǎn)生，并改善緊密連接蛋白的完整性[58]；它還參與腸黏膜內(nèi)的細(xì)胞分化和增殖，并且能夠降低炎癥反應(yīng)。研究指出，飼糧中使用黑水虻幼蟲(chóng)脂肪，同樣增加了肉雞擬桿菌屬和乳酸桿菌的相對(duì)豐度，同時(shí)減少了潛在致病菌如梭狀芽孢桿菌和棒狀桿菌[59-60]。乳酸桿菌具有很強(qiáng)的抗菌活性，通過(guò)在胃腸道中的競(jìng)爭(zhēng)性排除抑制病原體的生長(zhǎng)，可維持免疫細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)和宿主腸道健康，乳酸菌屬產(chǎn)生的乳酸鹽也可以轉(zhuǎn)化為SCFA，但是當(dāng)添加水平達(dá)到15%時(shí)，幽門螺桿菌屬增加成為特征性菌群[60]。綜上所述，飼料添加黑水虻被證明可以調(diào)節(jié)家禽的腸道微生物群，在腸道健康保護(hù)方面起到了積極的效果，這與其含有抗菌肽、幾丁質(zhì)等生物活性成分和調(diào)節(jié)機(jī)體物質(zhì)代謝有關(guān)，可進(jìn)一步探究其對(duì)機(jī)體物質(zhì)代謝的影響與腸道菌群的潛在聯(lián)系，應(yīng)用組學(xué)和現(xiàn)代分子生物學(xué)等技術(shù)研究黑水虻對(duì)動(dòng)物機(jī)體代謝和腸道功能的調(diào)節(jié)作用及分子機(jī)制。

表3 黑水虻對(duì)家禽腸道菌群的影響Table 3 Effects of Hermetia illucens on intestinal microflora of poultry

3 小 結(jié)

黑水虻作為一種環(huán)保、低飼養(yǎng)成本和高品質(zhì)的昆蟲(chóng)蛋白質(zhì)飼料原料，有望成為新型的蛋白質(zhì)飼料源。目前大量動(dòng)物試驗(yàn)證實(shí)，黑水虻替代動(dòng)物飼料中的蛋白原料，不僅能提高動(dòng)物生產(chǎn)性能、抗氧化能力、免疫力等，還有利于改善動(dòng)物產(chǎn)品品質(zhì)，特別是改善動(dòng)物腸道免疫和健康，影響腸道微生物組成及豐度；然而，黑水虻作為新型的蛋白質(zhì)飼料的飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)定及對(duì)畜禽產(chǎn)品品質(zhì)影響機(jī)制，以及其對(duì)不同動(dòng)物腸道微生物菌群的生物學(xué)效應(yīng)及作用機(jī)制的研究報(bào)道較少。因此，探索黑水虻及其活性成分對(duì)畜禽免疫力和機(jī)體健康的調(diào)節(jié)作用及其潛在應(yīng)用價(jià)值，闡明黑水虻作為畜禽飼料蛋白質(zhì)替代品的科學(xué)內(nèi)涵，將其開(kāi)發(fā)為新型的動(dòng)物飼料蛋白質(zhì)原料，以有效解決蛋白質(zhì)飼料原料不足帶來(lái)的危機(jī)，促進(jìn)畜牧養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。