丁酸鈉對魚類腸道消化吸收的影響研究進(jìn)展

李 祥，何金環(huán)，潘春梅，索江華，李 京

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，鄭州 450046)

魚類產(chǎn)品的營養(yǎng)價值較為豐富，已成為人類食品蛋白質(zhì)來源中的重要組成部分，其全球需求量大于牛肉、豬肉和家禽產(chǎn)品[1]。為獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益，養(yǎng)殖業(yè)大量應(yīng)用抗生素以提高魚類的消化率、存活率及生長性能等，而長期超量添加導(dǎo)致抗生素濫用，魚類抗病力降低，耐藥性增加及食品安全問題嚴(yán)重[2-4]。目前中國飼料工業(yè)中已全面禁止添加抗生素，抗生素替代品已成為當(dāng)前飼料養(yǎng)殖業(yè)關(guān)注的重要熱點(diǎn)。丁酸鈉能夠促進(jìn)腸道發(fā)育，維持腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)完整，改善動物的消化吸收[5-8]。丁酸鈉替代抗生素在畜禽生產(chǎn)中已有大量研究和應(yīng)用[9-13]，丁酸鈉還可用作魚類生長促進(jìn)劑[14-15]和免疫刺激劑[16-17]，因此，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中丁酸鈉替代抗生素具有廣闊的應(yīng)用前景。作者就丁酸鈉對魚類腸道消化吸收的影響進(jìn)行概述，以期為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 丁酸鈉的基本特性

研究表明，飼料中添加短鏈脂肪酸可顯著改善魚類生長性能，提高礦物質(zhì)的生物利用率，增強(qiáng)魚體健康及抗氧化和抗應(yīng)激能力[18-19]。在乙酸、丙酸和丁酸等短鏈脂肪酸的研究中，由于丁酸有助于保護(hù)魚類預(yù)防病原菌侵襲[20]，具有保護(hù)腸道健康的功能而受到越來越多的關(guān)注[21]。游離的丁酸為揮發(fā)性脂肪酸，氣味酸臭較為難聞，其適口性較差，影響動物采食，因此在生產(chǎn)中常將丁酸制備為丁酸鈉使用。丁酸鈉呈類白色或白色絨毛狀粉末，有效成分為丁酸，分子式為C4H7O2Na，分子質(zhì)量為110.09 ku，熔點(diǎn)為250～253 ℃，具有特殊的奶酪酸敗氣味，誘食效果較好，呈固態(tài)且不易揮發(fā)，在飼料加工中易于處理[22]，因此在飼料中常使用穩(wěn)定化的丁酸鈉來替代丁酸，更常添加在魚類和畜禽飼料中。丁酸鈉在pH 4.0～6.0時不易分解，飼喂后在水性環(huán)境的小腸可直接避過而進(jìn)入盲腸和結(jié)腸，在動物體內(nèi)可解離為Na+和酸根離子(CH3-CH2-CH2-COO-)，離子化的丁酸根最終代謝產(chǎn)物為CO2和酮體，可為腸黏膜細(xì)胞提供約75%的能量[23]。穩(wěn)定化的丁酸鈉主要有包被和微囊等不同劑型，穩(wěn)定化處理后不僅可確保未離解的丁酸鈉在腸道中均勻吸收[24-25]，還可防止在養(yǎng)殖水體中丁酸鈉的釋放和浪費(fèi)，更有利于保護(hù)腸道黏膜和預(yù)防疾病發(fā)生[15]。

2 魚類腸道消化吸收的影響因素

魚類腸道是行使消化吸收功能的重要部位，腸道健康對于魚類的健康養(yǎng)殖意義重大[26]。腸道作為魚類重要的分泌器官，在生理調(diào)節(jié)和物質(zhì)代謝中起著重要作用；腸道作為魚類重要的免疫組織，對魚類生長和健康具有免疫防御作用；腸道還是防止致病性病原菌入侵和阻止有毒物質(zhì)吸收的保護(hù)屏障，腸道中微生物對維持魚類機(jī)體健康也具有重要作用[27]。影響腸道消化吸收的因素非常復(fù)雜，主要包括腸道結(jié)構(gòu)和完整性、菌群平衡、免疫狀態(tài)及其相互作用等，這些因素可影響腸道的黏膜發(fā)育及損傷修復(fù)，并可影響消化吸收、器官發(fā)育、組織生長和免疫系統(tǒng)的成熟等。由于魚類飼料中常含有一些抗?fàn)I養(yǎng)因子、霉菌毒素、重金屬及酸敗油脂等有害成分，這些物質(zhì)可導(dǎo)致腸道損傷，進(jìn)而影響到魚類健康。魚類在高密度養(yǎng)殖和過量殘餌沉積等情況下造成污染惡化，同時致病的細(xì)菌、病毒、寄生蟲等都將對魚類腸道健康構(gòu)成潛在威脅，導(dǎo)致魚類炎癥等疾病發(fā)生，腸道結(jié)構(gòu)及功能完整性就會被破壞，一些細(xì)胞因子、炎癥因子及內(nèi)毒素促使腸道通透性增加，這些有毒有害成分經(jīng)過血液循環(huán)，傳輸?shù)襟w內(nèi)其他部位，造成組織器官發(fā)生病變，導(dǎo)致魚體生長減緩、產(chǎn)生疾病甚至死亡[27]。在腸道損傷后，可選擇使用丁酸鈉等添加在飼料中，以修復(fù)損傷的腸道黏膜[28-30]。

3 丁酸鈉對魚類腸道消化吸收的影響

腸道的消化吸收是將飼料降解為可運(yùn)輸和吸收的營養(yǎng)成分，在此過程中物理變化、化學(xué)變化或微生物侵襲都可導(dǎo)致腸道疾病發(fā)生。后腸中有較多未消化的養(yǎng)分存在時，細(xì)菌、真菌及病毒都會繁殖，致病微生物增殖會影響腸道消化吸收甚至導(dǎo)致死亡。 研究表明，丁酸鈉具有廣泛的生物學(xué)效應(yīng)，不僅具有保護(hù)腸道和抗菌作用，而且可提高魚類生長性能，增強(qiáng)腸道完整性，還可提高魚類對免疫應(yīng)激的抵抗力[31-33]。

3.1 丁酸鈉對魚類腸道形態(tài)的影響

魚類腸道組織形態(tài)的改善有助于提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收及魚類生長[34-35]。腸道絨毛高度和肌層厚度與消化吸收能力密切相關(guān)。 腸道絨毛高度增加，可擴(kuò)大腸道吸收的表面積，肌層厚度降低可以提高營養(yǎng)物質(zhì)的吸收效率[35]。 研究發(fā)現(xiàn)，在鯉魚(Cyprinuscarp)飼料中分別添加500、1 000和1 500 mg/kg丁酸鈉，丁酸鈉組的小腸黏膜上皮完整，腸絨毛粗壯，腸絨毛的高度、寬度、腸黏膜肌層厚度均極顯著高于對照組[36]；在低魚粉黃鱔(Monopterusalbus)飼料中添加250、500和1 000 mg/kg丁酸鈉能顯著改善腸道黏膜結(jié)構(gòu)，降低隱窩深度，提高絨毛高度/隱窩深度(VH/CD)比值[37]。在低魚粉金頭鯛(Sparusaurata)飼料中添加0.4%丁酸鈉9周后，其腸道恢復(fù)為正常健康狀態(tài)[16]；在低魚粉歐洲海鱸(Dicentrarchuslabrax)飼料中添加0.2%丁酸鈉60 d后，后段腸道炎癥反應(yīng)減輕并恢復(fù)正常形態(tài)[38]；在歐洲海鱸飼料中添加0.2%微囊丁酸鈉，腸道上皮細(xì)胞增殖加快，絨毛長度和絨毛密度增加，促進(jìn)杯狀細(xì)胞的黏液生成，從而有助于保持腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)的成熟和完整[31]；在草魚(Ctenopharyngodonidella)飼料中添加500 mg/kg丁酸鈉，腸絨毛高度顯著增加[32]；在低魚粉牡蠣(Arapaimagigas)飼料中添加0.2%丁酸鈉12周后，腸道病變改善，腸絨毛吸收表面積增大，腸道白細(xì)胞的炎癥侵潤得到減緩，腸道刷狀緣的酶活性提高[39]。在魚飼料中添加丁酸鈉改善了腸道形態(tài)和消化吸收，其主要機(jī)制在于為腸上皮細(xì)胞提供直接能量來源，可促進(jìn)腸上皮細(xì)胞的正常發(fā)育，產(chǎn)生促進(jìn)黏膜修復(fù)的酶，并對損傷的腸道黏膜加以修復(fù)。丁酸鈉還能刺激細(xì)胞內(nèi)mRNA和蛋白質(zhì)合成，加速腸上皮細(xì)胞增殖，增加絨毛高度，促進(jìn)消化吸收，改善生長性能[37]。

3.2 丁酸鈉對魚類腸道菌群的影響

魚類腸道中細(xì)菌種類繁多，其優(yōu)勢細(xì)菌為革蘭氏陰性菌，也存在革蘭氏陽性菌，菌群數(shù)量極大，淡水魚腸道細(xì)菌數(shù)量為105～108/g，而海水魚腸道內(nèi)細(xì)菌數(shù)量為106～108/g。魚類的生存環(huán)境不同，腸道菌群結(jié)構(gòu)也有較大差異[40]。在幼魚發(fā)育階段，細(xì)菌在腸道中最初定植主要取決于魚卵表面、餌料和幼魚飼養(yǎng)水體中的細(xì)菌，幼魚消化功能不健全，其營養(yǎng)主要來自于卵黃供給，當(dāng)其開始接觸到水體環(huán)境和餌料時，細(xì)菌就在腸道上皮開始定植。在魚類的生長發(fā)育過程中，腸道正常菌群發(fā)揮著重要作用，不僅要參與腸道養(yǎng)分的消化和吸收，同時還要激活自身的免疫功能，維護(hù)機(jī)體的健康。

研究發(fā)現(xiàn)，在黃鱔的低魚粉飼料中添加丁酸鈉可改變腸道菌群結(jié)構(gòu)，顯著提高菌群多樣性[37]；在金頭鯛飼料中添加丁酸鈉增加了腸道微生物菌群的多樣性，并逆轉(zhuǎn)了因飼喂高含量植物原料的飼料引起的腸道菌群變化[41]；在草魚飼料中添加粉末丁酸鈉和微囊丁酸鈉，兩種劑型的丁酸鈉都增加了乳酸桿菌的數(shù)量，降低了致病菌氣單胞菌和大腸桿菌的數(shù)量[42]；在歐洲海鱸飼料中添加0.2%微囊丁酸鈉，后段腸道中有益菌數(shù)量增加，弧菌和大腸桿菌總數(shù)降低[31]；在金頭鯛的植物飼料中添加含丁酸鈉及中鏈脂肪酸的混合物，有益菌數(shù)量增加而γ變形桿菌等致病菌的數(shù)量減少，顯著改變了腸道菌群結(jié)構(gòu)[43]；在草魚飼料中添加丁酸鈉后，腸道中有益菌(如梭菌和類桿菌)的相對豐度顯著增加[32]。以上研究表明，在魚類飼料中添加丁酸鈉，促進(jìn)了有益菌群的增殖，顯著提高了菌群多樣性。其原因可能是由于丁酸鈉以非解離的丁酸形式進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞后，解離為CH3-CH2-CH2-COO-和H+，對H+耐受性差的大腸桿菌和沙門氏菌等有害菌大量死亡，而對H+耐受性強(qiáng)的乳酸桿菌和雙岐桿菌等有益菌大量增殖。此外，CH3-CH2-CH2-COO-能破壞DNA結(jié)構(gòu)，抑制蛋白質(zhì)合成，導(dǎo)致有害菌不能進(jìn)行正常分裂，抑制腸道有害菌的生長繁殖，促進(jìn)乳酸菌等有益菌大量繁殖，使腸道內(nèi)菌群保持平衡，整個腸道維持在健康狀態(tài)[37]。

3.3 丁酸鈉對魚類腸道消化酶的影響

在魚飼料中添加丁酸鈉主要是通過刺激消化酶的分泌來改善魚類消化[44]。Tian等[42]研究報道，在草魚飼料中添加1 000 mg/kg粉末丁酸鈉和500、1 000、1 500 mg/kg微囊丁酸鈉，草魚腸道胰蛋白酶、糜蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性水平均顯著升高；Aalamifar等[45]研究發(fā)現(xiàn)，在尖吻鱸(Latescalcarifer)飼料中添加5或10 g/kg丁酸鈉后腸道總堿性蛋白酶和脂肪酶活性顯著高于對照組；Luz等[39]研究發(fā)現(xiàn)，在牡蠣飼料中添加丁酸鈉,腸道淀粉酶、脂肪酶和堿性蛋白酶活性增加；Zhou等[46]報道，在卵形鯧鲹(Trachinotusovatus)飼料中添加2.0和4.0 g/kg丁酸鈉可顯著提高腸道蛋白酶、淀粉酶、堿性蛋白酶和Na+K+-ATP酶的活性；張俊智[37]報道，在黃鱔低魚粉飼料中添加丁酸鈉后，腸道肌酸激酶(CK)和堿性磷酸酶(AKP)活力顯著上升，AKP與糖類、脂類、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收有關(guān)，可以作為魚營養(yǎng)物質(zhì)吸收能力的指標(biāo)，CK大量存在于快速生成ATP的細(xì)胞中，參與能量轉(zhuǎn)運(yùn)、ATP生成及轉(zhuǎn)化。將丁酸鈉添加于高魚粉飼料時可促進(jìn)腸道Na+K+-ATP酶活力顯著上升。Na+K+-ATP酶與小腸黏膜的吸收功能有關(guān)[37]。因此，Na+K+-ATP酶、AKP和CK均與腸道上皮細(xì)胞吸收功能密切相關(guān)。

與畜禽相比，魚類消化道較短，消化酶活性較低，飼料在腸道停留時間較短。研究魚類消化道中主要消化酶的活性及其影響因素，有助于了解魚類對不同原料成分的消化能力[47]。魚類飼料中使用的棉粕、菜粕等非常規(guī)原料，含有抗?fàn)I養(yǎng)因子及棉酚等毒性物質(zhì)，可導(dǎo)致腸道損傷。劣質(zhì)蛋白源使腸黏膜的高度顯著下降，上皮細(xì)胞界限模糊甚至脫落，腸道消化吸收受到影響，既限制了蛋白源的開發(fā)利用，又影響魚類的健康生長[48-49]，因此，保護(hù)魚類的腸道健康顯得更加重要[50]，而在低魚粉飼料中添加丁酸鈉可提高魚類腸道的吸收功能，增加消化酶的分泌，進(jìn)而促進(jìn)魚類的生長發(fā)育。

3.4 丁酸鈉對魚類腸道屏障功能的影響

魚類腸道屏障的功能是保持腸上皮細(xì)胞和細(xì)胞間連接的完整性[51]。腸黏膜屏障可有效防止腸腔內(nèi)微生物及其毒素的擴(kuò)散，同時還是防止腸道內(nèi)細(xì)菌黏附或移位的重要形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)，正常情況下由完整的腸上皮細(xì)胞、細(xì)胞間緊密連接(tight juction，TJ)與菌膜三者構(gòu)成腸黏膜上皮結(jié)構(gòu)。相鄰上皮細(xì)胞間的連接方式有多種，其中以TJ最為重要。腸上皮細(xì)胞中的閉鎖蛋白Occludin、Claudins蛋白、ZO-1(Zonula Occludens 1)蛋白相互作用形成TJ，在保證腸道黏膜屏障結(jié)構(gòu)完整中起著重要作用。此外，魚腸道屏障功能的增強(qiáng)與屏障形成TJ蛋白mRNA水平的上調(diào)密切相關(guān)，如ZO-1、Claudin-b、Claudin-c、Occluding等TJ蛋白的mRNA上調(diào)，而成孔TJ蛋白Claudin-15、Claudin-12的mRNA則下調(diào)[52-53]。魚類腸道細(xì)胞過度凋亡可能會損害腸道的細(xì)胞間完整性[54]，丁酸鈉可通過抑制c-Jun氨基末端激酶(JNK)途徑抑制細(xì)胞凋亡[55]。 Wu等[33]在草魚飼料中添加500、1 000、1 500和2 000 mg/kg微囊丁酸鈉，經(jīng)過60 d投喂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TJ蛋白ZO-1、ZO-2、Claudin-b、Claudin-c、Claudin-f、Claudin-3c、Claudin-7a、Claudin-7b和Claudin-11的mRNA水平上調(diào)，而成孔TJ蛋白Claudin-12、Claudin-15a和Claudin-15b的mRNA水平下調(diào)。Liu等[56]研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中添加0.2%丁酸鈉，大菱鲆(ScophthalmusmaximusL.)TJ蛋白Claudin-4、Occludin和ZO-1的腸道基因表達(dá)顯著上調(diào)，同時促炎細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子(TNF-α)和核因子κB(NF-κB)表達(dá)下調(diào)。由此可見，飼料中添加適量丁酸鈉可抑制魚類腸道細(xì)胞凋亡，減少腸道炎癥發(fā)生，因此丁酸鈉具有顯著改善魚類腸道屏障的功能。

魚類的腸道屏障完整性可被細(xì)菌性腸炎引起的感染所破壞[57]，也可因飼料中魚粉和魚油被過量替代而引起的炎癥過程所破壞[16]，或因長期攝入高含量豆粕的飼料導(dǎo)致腸黏膜損害而誘發(fā)腸炎所破壞[58]。研究表明，丁酸鈉可減輕腸道炎癥的發(fā)生[59]，通過抑制NF-κB-P65炎性信號通路而發(fā)揮抗炎作用，從而發(fā)揮保護(hù)腸道黏膜的作用[60]。

4 丁酸鈉對魚類生長性能的影響

丁酸鈉對魚類腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)和菌群平衡有益，可促進(jìn)腸絨毛發(fā)育，刺激消化酶分泌，改善腸道屏障結(jié)構(gòu)的完整性，提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化率和吸收率，進(jìn)而促進(jìn)魚類生長。張淞琳等[61]在美洲鰻鱺飼料中添加1 g/kg丁酸鈉，體重及飼料轉(zhuǎn)化率分別提高達(dá)37%和26%；孫浪等[62]在鯽魚(Carassiusauratus)飼料中添加2.5 g/kg丁酸鈉，顯著改善了鯽魚體增重、特定生長率和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化效率，并提高了干物質(zhì)和蛋白質(zhì)的消化率，其前腸絨毛高度提高達(dá)34.22%；鄭瑞耕[36]在鯉魚及羅非魚飼料中添加500 mg/kg丁酸鈉，顯著提高了采食量、末重、特定生長率和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化效率；Robles等[63]在金頭鯛飼料中添加3 g/kg包被丁酸鈉，提高了體重、特定生長率及飼料轉(zhuǎn)化率；Liu等[14]在鯉魚飼料中添加0.3 g/kg丁酸鈉，提高了鯉魚體重及飼料轉(zhuǎn)化率。Zhang等[64]在低魚粉黃鱔飼料中添加500 mg/kg丁酸鈉，經(jīng)8周投喂試驗(yàn)后，體重及臟器指數(shù)顯著改善，降低了料重比；唐建洲等[65]在草魚飼料中添加6 g/kg丁酸鈉，草魚的體重、特定生長率、肥滿度和絨毛高度均顯著高于對照組；王海瑞等[66]研究發(fā)現(xiàn)，黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)幼魚飼料中丁酸鈉的適宜添加量為1 150.50 mg/kg，能夠顯著降低料重比，并提高黃顙魚的生長性能。

由于魚粉資源緊缺，應(yīng)用植物蛋白部分代替魚粉已成為飼料企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。在高豆粕飼料中連續(xù)10周添加0.15%丁酸鈉，可顯著提高黃姑魚(Nibeaalbiflora)的特定生長率、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化效率及肌肉中蛋氨酸含量[67]。在大菱鲆幼魚含60%魚粉的飼料中，以植物蛋白替代50%魚粉并添加0.15%丁酸鈉投喂58 d后，干物質(zhì)和蛋白質(zhì)消化率均顯著提高，體重、特定生長率和飼料利用率均高于直接替代50%魚粉組，末重和增重率等達(dá)到了60%魚粉組的水平[68]。在以玉米蛋白粉替代30%魚粉的黃顙魚飼料中添加0.2%丁酸鈉投喂8周后，黃顙魚的體重和蛋白質(zhì)沉積率分別顯著提高了22.2%和19.5%，脂肪沉積率和飼料轉(zhuǎn)化率分別提高了21.1%和11.6%[69]。上述研究表明，在飼料中添加丁酸鈉后，可用植物蛋白原料適量替代魚粉降低飼料成本，同時還可提高魚類的生長性能。在低魚粉飼料中，丁酸鈉有助于修復(fù)抗?fàn)I養(yǎng)因子等對腸道造成的損傷，改善營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收，從而改善魚類的生產(chǎn)性能。

5 展 望

在魚類養(yǎng)殖過程中，腸道發(fā)揮著多種重要作用，如消化吸收、抵抗疾病、參與免疫、激素分泌及生理調(diào)控等。由于魚粉等優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)原料依賴進(jìn)口，資源匱乏，價格高昂，需要應(yīng)用大量豆粕、棉粕、菜粕及一些非常規(guī)原料進(jìn)行替代以降低成本，因植物性原料含有抗?fàn)I養(yǎng)因子及毒性物質(zhì)，飼料利用率較低，若此類蛋白質(zhì)原料用量過大，易造成魚類腸道黏膜損傷，從而限制了蛋白質(zhì)資源的開發(fā)利用，同時還會影響魚類的生長性能，引發(fā)魚類疾病甚至死亡[44]。作為免疫刺激劑和生長促進(jìn)劑，丁酸鈉具有綠色環(huán)保、使用安全、可替代抗生素等特點(diǎn)，可促進(jìn)魚類生長，提高免疫力和抑制病原菌，提高植物蛋白替代魚粉的效果，因此，丁酸鈉在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有廣闊的應(yīng)用前景。同時，由于魚類的消化系統(tǒng)不健全，研究的技術(shù)手段尚不完善，腸道屏障完整性的評價體系尚未建立，導(dǎo)致部分研究成果缺乏一致性，可能與魚的種類、規(guī)格、飼料組成、配方類型，以及丁酸鈉的劑型劑量、飼養(yǎng)時間及試驗(yàn)設(shè)施等不同有關(guān)。隨著研究的不斷深入，并參考畜禽的最新研究成果為魚類腸道功能研究提供指導(dǎo)，丁酸鈉對魚類腸道消化吸收作用機(jī)制的研究也必將迎來新的突破。