何榮香，唐紅艷，楊 玲，馬玉靜， 歐陽富龍，賀建華*

（1.湖南農業(yè)大學動物科學技術學院，湖南長沙 410128；2.長沙市郡德實驗學校，湖南長沙 410005）

短鏈脂肪酸（Short-Chain Fatty Acid，SCFA）包括甲酸、乙酸、丙酸、異丁酸等碳原子數少于6 個的有機羧酸。短鏈脂肪酸容易被動物后腸迅速吸收，既可以儲存能量又可以降低腸道滲透壓，并且短鏈脂肪酸對于維持大腸的正常功能和結腸上皮細胞的形態(tài)和功能具有重要作用，因此短鏈脂肪酸對動物機體有著極其重要的作用。自2018 年8 月非洲豬瘟侵襲我國以來，養(yǎng)豬業(yè)遭受巨大損失。如何防御非洲豬瘟已經成為養(yǎng)豬業(yè)首要解決的問題。經過行業(yè)一年多的了解與摸索，除了外圍加強生物安全防范與出入物資病毒核酸檢測，對豬群“營養(yǎng)冗余”以及“飲水酸化”的防非措施也頗受推崇。因此，增強豬群抵抗力以及酸化飲水的功能性添加劑也日益受到重視，而既能增加動物免疫又能酸化飲水的短鏈脂肪酸也受到行業(yè)的關注。本文就SCFA 在單胃動物機體中提高腸上皮屏障功能、促進腸道電解質平衡、調節(jié)腸道微生物、抗癌等生理功能進行綜述，為其研發(fā)和應用提供理論依據。

1 SCFA 在單胃動物腸道中發(fā)揮的生理功能及其作用機制

單胃動物腸道中的SCFA 主要是由腸道中的厭氧微生物以難消化的結構性碳水化合物（低聚糖、非淀粉多糖、抗性淀粉等）為底物通過發(fā)酵產生的。腸道微生物發(fā)酵產生的SCFA 以乙酸、丙酸、丁酸的含量最高，三者共同所占的比例高達90%～95%，其余的SCFA 僅占一小部分（5%～10%）；而異丁酸、異戊酸等支鏈SCFA 多來自蛋白質的分解[1]。消化道中的食物經小腸之后最先到達結腸，因此結腸是單胃動物腸道微生物發(fā)酵生成SCFA 的主要位置。在單胃動物各腸段中SCFA濃度有很大差異，在結腸前端濃度最高，到結腸末端時濃度明顯下降[2]。連曉蔚[3]用從糞便中分離純化的微生物進行發(fā)酵培養(yǎng)時發(fā)現，發(fā)酵過程中產生了多種SCFA，且發(fā)酵時所用的底物、菌種不同，發(fā)酵產物中的SCFA 的種類、含量、比例有較大差異，其中乙酸含量最高。趙姝嫻等[4]在仔豬飼糧中添加不同水平的葡萄糖酸，仔豬腸腔中的SCFA 含量顯著提高。由此證明，腸道微生物分解代謝產生的乙酸、丁酸可被單胃動物直接吸收利用，是機體重要的能量來源。丙酸在丙酮酸逆轉化為葡萄糖的過程中起重要作用，且此過程對脂肪的合成有抑制作用。單胃動物機體中的糖異生、 酮體以及甘油三酯合成過程均受丁酸的影響[5]。除此之外，SCFA 在保持腸黏膜的完整性、促進杯狀細胞分泌、減少促炎因子的生成以及減緩腸道慢性炎癥的病癥等方面發(fā)揮著重要的作用。更重要的是，SCFA 能通過誘導腫瘤細胞的分化和凋亡來抑制腸道腫瘤細胞的增殖[6-8]。

1.1 SCFA 維護腸上皮屏障功能

1.1.1 SCFA 對腸道黏液分泌的促進作用 單胃動物腸道營養(yǎng)物質的吸收主要發(fā)生在腸道的黏膜層，而黏液層含有大量的由黏液細胞和腸上皮分泌的凝膠狀糖蛋白。黏液既在物理方面有潤滑作用，可以緩解腸腔內容物對腸黏膜的損傷；又在化學方面有減少酸和蛋白酶對腸道黏膜的侵蝕作用；在微生物方面可為腸道菌群提供合適的生存環(huán)境，減少致病菌及有毒物質對腸道的傷害[9]。而黏液中的黏蛋白的產生與MUC基因有關，其中MUC1、MUC3、 MUC4編碼位于膜上的黏蛋白，而MUC2與大腸中分泌性黏蛋白有關。Gaudier 等[10]研究顯示，當培養(yǎng)基以葡萄糖作為碳源時，加入丁酸可以促進腸道中MUC3和MUC5的表達；當培養(yǎng)基以丁酸作為唯一碳源時，MUC3、MUC5和MUC2的表達量有大幅度提高。由此可以推測，SCFA 特別是丁酸有促進單胃動物腸道黏液分泌的作用。

1.1.2 SCFA 加強腸道屏障的完整性 單胃動物腸內能量不足會影響結腸上皮營養(yǎng)狀態(tài)，短期缺乏內會造成黏膜萎縮，長期缺乏會造成“營養(yǎng)性結腸炎”，破壞腸道屏障結構的完整性。丁亞萍等[11]試驗結果顯示，SCFA能維持全腸外營養(yǎng)（Total Parenteral Nutrtion，TPN）大鼠小腸黏膜細胞正常形態(tài)，并促進腸黏膜細胞分裂增殖，起到保護腸黏膜機械屏障的作用。SCFA 還能提高胰液中胰酶的分泌，并增加腸道細胞中葡萄糖轉運蛋白-1（SGLT-1）和葡萄糖載體-2（GLUT-2）的mRNA的表達，提高腸道細胞對葡萄糖的吸收能力[12-13]。此外，乙酸鹽可擴張腸道血管、增加腸道血流量。SCFA 對腸上皮細胞的能量供應及代謝狀況有良好的改善作用，對黏膜細胞的增殖和黏膜形態(tài)的維護也有積極作用。Dallas 等[14]在TPN 大鼠模型中，腸道無菌小鼠的腸上皮細胞會出現自噬現象，在灌服丁酸鹽后可使腸上皮恢復完整性。其原因可能是TPN 大鼠結腸細胞中丁酸代謝通路受到抑制，丁酸鹽的缺失導致β氧化、 三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化關鍵酶減少，使得ATP 生成受阻，導致AMPK 激活和p27kip1 磷酸化，最終導致細胞自噬。而丁酸可直接被結腸細胞吸收，在線粒體中經歷β氧化生成乙酰輔酶-α并進入TCA 循環(huán)，使NAD+ 還原為NADH；NADH 進入電子傳遞鏈最終產生ATP，為結腸細胞供能，從而抑制細胞的自噬。Bai 等[15]研究結果顯示，SCFA 可以通過提高ZO-1 蛋白和緊密連接蛋白occludin-5 表達量來降低腸道通透性，增強腸上皮細胞的屏障功能，減少機體對有害物質的吸收。綜上可知，SCFA 主要是通過調節(jié)腸道細胞增殖或者調節(jié)與代謝相關蛋白的表達量來提高腸道屏障的完整性。

1.2 SCFA 對腸道炎癥的抑制作用 炎癥反應時機體的內皮細胞會活化，促使E- 選擇素、ICAM-1 以及VCAM-1 等免疫細胞黏附分子基因的表達，導致白細胞黏附到血管內皮，進而向組織中轉移，最終擴大炎癥反應。Kobayashi 等[16]研究表明，SCFA 可以通過對固有免疫、適應性免疫進行調節(jié)以及影響白細胞募集反應，從而對腸道炎癥起到抑制作用。

如圖1 所示[17]， SCFA 主要通過2 種方式對固有免疫進行調節(jié)。一是促進局部炎癥反應。SCFA 通過腸上皮細胞TLRs，增強腸上皮細胞NF-κB 轉錄因子的表達，促進TNF-α的分泌，同時抑制IL-8 和白細胞趨化因子MCP-1 的產生[18]。 二是抑制腸黏膜炎癥。SCFA可促進中性粒細胞表面選擇黏附分子（L-selectin）的表達以及中性粒細胞趨化物（CINC-2αβ）的釋放，誘導中性粒細胞向炎癥部位遷移。而適應性免疫主要通過T/B 淋巴細胞分化產生效應細胞來起作用。如丁酸可以激活T 細胞上的GPR43(G-Protein-coupled Receptors )受體，提高小鼠胸腺外FOXP3+ 型Treg 的含量，從而對炎癥起抑制作用[19]。SCFA 還可促進B 細胞中漿細胞分化基因的表達，誘導B 細胞向漿細胞分化。漿細胞通過分泌IgA 來提高腸道黏膜和免疫系統(tǒng)的抗體反應，最終起到局部控制腸道微生物和炎癥的作用[20]。

圖1 SCFA 對免疫的調節(jié)

機體發(fā)生炎癥時，白細胞在抗原的刺激下從血液中大量滲出并遷移聚集到局部炎癥部位的現象稱為白細胞募集反應。當機體受到脂多糖（LPS）抗原刺激時，免疫細胞中的巨噬細胞、中性白細胞會產生大量的CINC-2 和趨化蛋白MCP-1[21]。研究表明SCFA 能夠抑制LPS 和細胞因子誘導的促炎介質（如 INF-α、IL-6 和NO）的產生，促進抗炎因子IL-10 的釋放，降低單核細胞中IL-10 的水平[22]。此外，SCFA 還能下調PPARγ轉錄因子和NF-κB 的作用，使得ICAM-1、VCAM-1的表達受到抑制，并阻滯炎癥細胞分泌IL-2、IL-6、TNF-α等炎性因子[23-27]。由此可知，SCFA 可以通過調節(jié)白細胞募集反應，來對腸道炎癥起抑制作用。

1.3 SCFA 促進腸道電解質平衡和對水的吸收 SCFA都屬于弱酸，在腸道環(huán)境中主要以離子（SCFA-）形式存在。單胃動物腸道中SCFA 的吸收主要有彌散吸收和離子交換2 種方式。彌散吸收發(fā)生在盲腸、近端結腸部位，SCFA-與H+結合后由腸上皮細胞直接吸收，進入細胞后短鏈脂肪重新離子化解離釋放出H+。在近端結腸Na+/H+發(fā)生交換（在遠端結腸則可能與K+/H+交換），把細胞內的H+泵到腸腔。離子形式的吸收過程以交換為主，其中有極少部分的SCFA 可通過細胞間隙以直接擴散的形式被吸收[28]。

在腸上皮細胞中，丁酸通過促進細胞的呼吸作用來為細胞供能，呼吸作用過程中產生CO2與水反應生成可以進一步促進Na+/H+交換。腸道細胞在吸收SCFA 的過程中，提高了腸道細胞對Na+的吸收，繼而促進了腸道細胞對水分的吸收，故推測SCFA 可能具有抗腹瀉的作用[29-30]。綜上所述，SCFA 的吸收促進了的分泌和Na+、水的吸收，在維持腸道電解質平衡中起到了重要作用。

1.4 SCFA 促進腸道微生態(tài)平衡的作用 單胃動物腸道微生物根據其在腸道中的數量以及與宿主的關系，一般分為3 類：一類是專性厭氧菌群，對腸道有營養(yǎng)和免疫調節(jié)作用；另一類是以兼性厭氧為主的菌群，在腸道微生態(tài)平衡被打破時可能會對機體造成損傷；第三類是種類和數量不固定的病原微生物，當其數量超出正常水平時則可能引起機體發(fā)生疾病[31-32]。在單胃動物機體中，大腸桿菌、葡萄球菌、鏈球菌等致病菌在腸內的適宜生長環(huán)境為pH 6.0～7.0，當 pH 低至4 時基本失活，而乳酸菌等腸道有益微生物在腸內的最適宜生長環(huán)境為pH 3.0～4.5。SCFA 在腸道內的離子化過程中，可以釋放出H+降低腸道酸堿度，酸性的腸道環(huán)境對乳酸菌等腸道有益微生物的生存具有促進作用，而抑制了葡萄球菌、大腸桿菌、 鏈球菌等致病菌的增殖[33-34]。在腸道pH 環(huán)境下，質子化形式的SCFA 有弱親脂性，可通過擴散作用進入病原微生物細胞內分解產生H+，使膜內外pH 差值縮小，從而影響細菌細胞的正常生理活動[35]。而丁酸可以通過解偶聯(lián)轉運電子來減少ATP 的生產，從而抑制細菌正常生長。綜上所述，SCFA 主要是通過釋放H+降低腸道pH 抑制有害菌來促進腸道微生態(tài)平衡。

1.5 SCFA 對癌細胞的抑制作用 細胞癌變發(fā)生與細胞基因的轉錄密切相關，細胞中的乙酰化酶（HAT）和去乙?；福℉DAC）可以通過影響染色質核心組蛋白和DNA 緊密卷曲程度來調控基因轉錄。HAT 使得核小體結構松弛，可有效提高基因的轉錄；HDAC 使DNA 與組蛋白緊密結合，抑制基因的轉錄。因此，當機體HDAC過度表達時，不利于特定基因的表達，甚至會導致腫瘤抑制基因失活，致使細胞發(fā)生癌變[36-37]。丁酸是組蛋白乙?；傅囊种苿℉DACI），可抑制細胞溶膠或細胞核中HDAC 活性，提高DNA 的轉錄，如調節(jié)T 細胞因子的表達來促進T 細胞的形成[38]。此外，丁酸可以通過抑制HDAC 作用來影響NF-κB 通路，從而調節(jié)宿主上皮細胞的免疫功能。G0 期細胞是暫不增殖細胞，在受到一定刺激時會重新進行分裂增殖。研究發(fā)現，丁酸對HDAC 的抑制作用可以增強HAT 的活性，提高組蛋白乙酰化水平來增加P21基因的表達量，使細胞周期停滯在G0 期，從而達到抑制癌細胞增殖的作用[39-40]。 Wolter等[41]研究發(fā)現，丁酸還可增強解毒酶谷胱甘肽-S- 轉移酶的活性，抑制腫瘤細胞的轉移；同時在基因水平抑制腫瘤誘導的血管生成，削弱腫瘤細胞的免疫抑制作用。

2 SCFA 在單胃動物生產中的應用

劉永祥等[42]的研究顯示，在肉仔雞飼糧中添加500 mg/kg 丁酸的基礎上，額外添加500 mg/kg 乙酸或丙酸，可以顯著提高小腸中淀粉酶和胰蛋白酶活性，減少十二指腸中大腸桿菌的數量。寇莎莎等[43]的研究發(fā)現，在飼料中添加一定量丁酸鈉后，可顯著提高仔豬日增重和平均日采食量，丁酸在斷奶應激發(fā)生時對小腸絨毛起保護作用。陳慧子等[44]研究結果顯示，生長豬盲腸灌注丙酸顯著促進了閉鎖蛋白-1（Occludin-1）、生長抑素（SST）、G 蛋白偶聯(lián)受體5A（G PRC5A）等腸道屏障與免疫功能相關基因的表達。在畜禽的實際生產中，飼料因素造成的腸道應激對動物的生產和健康狀況均會產生不利的影響。在高脂飲食誘導肥胖小鼠糖代謝紊亂的模型中，SCFA 可以有效改善肥胖小鼠血糖血脂代謝紊亂、降低小鼠肝臟組織脂肪變性以及脂肪肝的發(fā)生，降低腸道的炎性反應[45]。斷奶仔豬由于腸道發(fā)育不完全，在由母乳飼養(yǎng)轉為飼料飼養(yǎng)的過程中發(fā)生腸道應激，固體飼料對動物的腸道損傷，造成動物采食量下降、腸道免疫力下降、生長發(fā)育不良等不良反應，嚴重影響了畜禽的生長性能[46]。以上均表明，SCFA 及其衍生物對單胃動物的腸道有良好的抗炎、調節(jié)腸道菌群和各種炎癥因子的表達、為腸上皮細胞供能等生理功能，能有效緩解單胃動物腸道中的各種應激反應。

3 小 結

SCFA 因其結構及特殊的生理功能特性，具有提高腸上皮屏障功能、促進腸道電解質平衡、調節(jié)腸道微生物、抗癌等生理功能，在畜禽生產中有著廣闊的應用前景。但單胃動物機體中的SCFA 主要是在結腸中通過微生物發(fā)酵產生，對腸道前端的作用效果有限，因此在單胃動物中一般考慮在飼糧中添加。SCFA 是幾種短鏈脂肪酸的統(tǒng)稱，不同種類的SCFA 對機體的生理作用不同。近幾年關于SCFA 的研究中以丁酸居多， 其他幾種SCFA 的研究比較缺乏。乙酸、丙酸等混合有一定的增益效果，多種SCFA 混合配伍對畜牧業(yè)動物的影響將會是一個研究熱點。

非洲豬瘟席卷我國造成養(yǎng)豬業(yè)以及飼料行業(yè)的變革，功能性添加劑必將賦予新的防非使命，飲水酸化可能是一個長期過程。中短鏈脂肪酸既可以增加豬群的健康程度、抵抗炎癥，在飼料或飲水中添加能降低pH，抑制病毒，是當前一個比較理想的添加劑。隨著人們對環(huán)境保護和食品健康的日益關注，綠色健康利于動物腸道健康產品的研發(fā)成為了當今畜牧生產中亟待解決的重點和熱點問題。隨著飼料禁抗的呼聲越來越高，能替代抗生素的中短鏈脂肪酸也必將進一步引起人們的興趣。