吳 勛，譚 朋

(浙江海洋大學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316021)

為滿足人類對(duì)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(diǎn)，使養(yǎng)殖動(dòng)物面臨復(fù)雜的生存環(huán)境和強(qiáng)烈的外界刺激。這些不利因素會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)殖動(dòng)物機(jī)體免疫應(yīng)答反應(yīng)異常、氧化應(yīng)激以及能量消耗加劇?？股卦谝欢ǔ潭染徑饬松鲜鰡栴}，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(diǎn)，但易揮發(fā)，半衰期短，不利于實(shí)際應(yīng)用。實(shí)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(xué)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(diǎn)為253～255 ℃。呈白色粉末狀。有特殊的奶酪酸敗樣脂臭味。對(duì)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(shí)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(xué)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(diǎn)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(jī)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(fēng)處密封貯存，并避免陽光直射[4]。三丁酸甘油酯由3 個(gè)丁酸分子和1 個(gè)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(diǎn)，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(xué)功能

丁酸鈉與三丁酸甘油酯作為丁酸的衍生物，在動(dòng)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(xué)功能來源于丁酸。體外研究表明，腸道上皮細(xì)胞優(yōu)先利用丁酸作為能源[5]，因此，丁酸可作為腸上皮細(xì)胞的快速能量來源[6]。作為一種短鏈脂肪酸，丁酸在進(jìn)入小腸后部分以非離子彌散形式被腸黏膜細(xì)胞吸收，直接為腸黏膜上皮細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖分化提供能源；其余的通過門靜脈轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟。

腸道作為動(dòng)物機(jī)體重要的消化，不僅可以對(duì)食物進(jìn)行消化和吸收，還是抵御外界環(huán)境刺激屏障。通常認(rèn)為，動(dòng)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(huì)造成動(dòng)物消化吸收功能降低和病原菌入侵，降低養(yǎng)殖動(dòng)物的生長(zhǎng)性能和健康狀況。

2.1 維持動(dòng)物腸道物理屏障功能

腸道上皮不僅具有對(duì)營(yíng)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(xì)胞間的連接蛋白，構(gòu)成了腸道上皮細(xì)胞物理屏障的基礎(chǔ)。緊密連接是多種蛋白組成復(fù)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(xì)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(qiáng)腸道物理屏障功能，阻止毒素、病菌等進(jìn)入，保護(hù)動(dòng)物機(jī)體健康[10]。

丁酸鈉和三丁酸甘油酯增強(qiáng)腸道物理屏障功能與緊密連接蛋白的表達(dá)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(dá)[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(dá)水平，從而增強(qiáng)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(dá)增強(qiáng)動(dòng)物腸道物理屏障功能。

2.2 維持動(dòng)物腸道免疫屏障功能

2.2.1 促進(jìn)免疫相關(guān)蛋白生成

動(dòng)物的免疫力與補(bǔ)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(dá)[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(dá)[21]。

丁酸鈉和三丁酸甘油酯促進(jìn)動(dòng)物腸道免疫相關(guān)蛋白生成可能與免疫細(xì)胞的生長(zhǎng)有關(guān)。動(dòng)物體內(nèi)含有多種免疫細(xì)胞，如淋巴細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞等[22]，這些免疫細(xì)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(xì)胞的數(shù)量，從而提高機(jī)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(xì)胞、肥大細(xì)胞以及杯狀細(xì)胞的數(shù)量。而三丁酸甘油酯提高了結(jié)腸表面的杯狀細(xì)胞[26]和血液中淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞數(shù)量[27]。

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

炎癥反應(yīng)可以由一系列細(xì)胞因子介導(dǎo)，細(xì)胞因子分為促炎細(xì)胞因子和抗炎細(xì)胞因子[28]。促炎細(xì)胞因子和抗炎細(xì)胞因子的比值升高會(huì)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(zhǎng)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(dǎo)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(xì)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(dòng)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(dá)。

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

2.2.3 增強(qiáng)機(jī)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(jìn)而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性[42]。為了抵抗氧化應(yīng)激，動(dòng)物機(jī)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(biāo)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(jī)理其密切相關(guān)。Nrf2 調(diào)控多種抗氧化酶的表達(dá)，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(xì)胞可顯著上調(diào)Nrf2 表達(dá)水平，提高Nrf2 蛋白表達(dá)水平[48]，進(jìn)而增強(qiáng)細(xì)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(dá)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(dá)[50]，可促進(jìn)Nrf2 的入核[51-52]，啟動(dòng)抗氧化基因的表達(dá)。

2.3 維持微生物屏障功能

在動(dòng)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(duì)胃腸道健康緊密相關(guān)[53]。健康動(dòng)物體內(nèi)的微生態(tài)菌群維持著動(dòng)態(tài)的平衡，有益微生物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，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(dòng)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(xì)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(xì)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(jī)制可能與氫離子累積，導(dǎo)致腸道pH 改變有關(guān)。丁酸鈉和三丁酸甘油酯進(jìn)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(jìn)而使得對(duì)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(dòng)物中的應(yīng)用

丁酸鈉和三丁酸甘油酯具有多種生物學(xué)功能，在腸道功能修復(fù)方面效果最為明顯。在實(shí)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(yàn)證。表1 和表2 分別將三丁酸甘油酯和丁酸鈉對(duì)不同養(yǎng)殖動(dòng)物的作用效果進(jìn)行整理。

表1 三丁酸甘油酯在不同養(yǎng)殖動(dòng)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(dòng)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(qiáng)養(yǎng)殖動(dòng)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(dòng)物機(jī)體的生長(zhǎng)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(dá)來增強(qiáng)腸道物理屏障功能；促進(jìn)免疫細(xì)胞的生長(zhǎng)有關(guān)進(jìn)而提升免疫相關(guān)蛋白生成；抑制NF-κB 信號(hào)途徑，抑制炎癥；促進(jìn)Nrf2 信號(hào)途徑增強(qiáng)抗氧化損傷能力；調(diào)節(jié)腸道pH，抑制有害菌生長(zhǎng)，促進(jìn)有益菌生長(zhǎng)，增強(qiáng)微生物屏障功能。

丁酸對(duì)動(dòng)物腸道的生物學(xué)功能在多種養(yǎng)殖動(dòng)物上得到證實(shí)?，F(xiàn)在市場(chǎng)對(duì)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(bǔ)丁酸易分解、揮發(fā)的缺點(diǎn)，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(huì)在動(dòng)物生產(chǎn)和動(dòng)物保健等領(lǐng)域發(fā)揮更多、更廣泛的作用。