周 華 余 冰 何東亭 陳代文

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究所，動(dòng)物抗病營(yíng)養(yǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130)

碳水化合物是豬飼糧能量的主要來(lái)源，一般占飼糧組成的60%以上，其成本超飼糧成本50%[1]。碳水化合物也可以作為機(jī)體大分子物質(zhì)合成的前體物，在豬生長(zhǎng)與健康中發(fā)揮重要作用[2]。碳水化合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類(lèi)繁多，根據(jù)其化學(xué)分子聚合度(degree of polymerization,DP)，可分為單糖(DP=1)、寡糖(DP=2～9)和多聚糖(DP≥10)，而多聚糖包括淀粉和非淀粉多糖(non-starch polysaccharide,NSP)[3-4]。當(dāng)前，對(duì)碳水化合物營(yíng)養(yǎng)性與非營(yíng)養(yǎng)性生理功效的認(rèn)識(shí)仍不全面、不充分，已成為動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料科學(xué)理論與技術(shù)的短板。過(guò)去對(duì)豬碳水化合物營(yíng)養(yǎng)的研究多集中在單一種類(lèi)及添加水平上，對(duì)豬飼糧碳水化合物結(jié)構(gòu)平衡的研究鮮有報(bào)道。然而，平衡的飼糧營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)是保障動(dòng)物健康和獲得理想生產(chǎn)性能的核心條件之一。本文主要以本實(shí)驗(yàn)室前期的相關(guān)工作為基礎(chǔ)，就仔豬主要碳水化合物營(yíng)養(yǎng)及碳水化合物結(jié)構(gòu)平衡與腸道健康的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)，旨在為豬飼糧碳水化合物的科學(xué)利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 豬腸道健康的概念與意義

腸道不僅是養(yǎng)分消化吸收的主要器官，也是機(jī)體防御的重要屏障，其健康狀況影響著豬整體健康和生產(chǎn)水平。當(dāng)前，腸道健康問(wèn)題仍然是制約養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展的瓶頸，因此，深入認(rèn)識(shí)腸道健康的概念對(duì)于尋找保障豬腸道健康的營(yíng)養(yǎng)技術(shù)手段至關(guān)重要。維持正常的腸道消化吸收與屏障功能是保障豬腸道健康的關(guān)鍵。在豬腸道中，飼糧各種養(yǎng)分被分解成小分子物質(zhì)，經(jīng)腸道絨毛吸收入血液和淋巴，供機(jī)體組織利用[5]。腸道分泌的消化酶活性顯著影響?zhàn)B分利用，消化酶的分泌量可作為評(píng)判豬腸道健康的標(biāo)識(shí)。豬腸壁可分為4層，由內(nèi)向外依次是黏膜層、黏膜下層、肌層及漿膜層。成年豬的小腸黏膜層表面有許多的絨毛與皺褶，可進(jìn)一步增加腸道的吸收面積，據(jù)報(bào)道，成年豬腸道總表面積可達(dá)1 000 m2[5]。

腸道黏膜絨毛高度與其上皮細(xì)胞數(shù)量呈顯著正相關(guān)，其高度越高，成熟的上皮細(xì)胞越多，小腸吸收能力越強(qiáng)。腸道黏膜隱窩深度是細(xì)胞成熟度的反映，隱窩越淺表明上皮細(xì)胞越成熟，分泌功能越強(qiáng)[6]。豬腸道屏障主要由物理屏障、化學(xué)屏障、免疫屏障及微生物屏障4部分組成[7]。物理屏障是保證腸上皮屏障功能與選擇通透性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，緊密連接蛋白則是影響腸上皮細(xì)胞通透性大小的重要因素[8]。腸道黏膜化學(xué)屏障主要由腸道分泌的黏液、消化酶、膽汁酸與黏蛋白等物質(zhì)構(gòu)成，可避免腸黏膜受酸、堿和酶的侵蝕。腸道免疫屏障由腸上皮細(xì)胞間的免疫分子、免疫細(xì)胞及相關(guān)淋巴組織構(gòu)成，可中和腸道中的抗原，避免病原微生物侵襲進(jìn)入機(jī)體內(nèi)環(huán)境。豬腸道內(nèi)也棲息著種類(lèi)繁多、數(shù)量龐大的微生物，其中以盲腸和結(jié)腸的微生物最為豐富。腸道微生物與宿主在歷史進(jìn)化過(guò)程中形成相互依賴的共生關(guān)系，因此維持腸道微生物系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)對(duì)促進(jìn)豬腸道健康也十分重要。

2 碳水化合物對(duì)豬腸道健康的影響

2.1 淀粉

淀粉是植物碳水化合物的最主要形式，由葡萄糖單位構(gòu)成，是豬最主要能量來(lái)源[9]。淀粉按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為直鏈淀粉(amylose,AM)和支鏈淀粉(amylopectin,AP)。AM主要由葡萄糖分子經(jīng)α-(1,4)糖苷鍵形成線形直鏈多糖[3]。AP是不規(guī)則呈樹(shù)枝狀的大分子，主要由葡萄糖經(jīng)α-(1,4)和α-(1,6)糖苷鍵連接構(gòu)成[10]。研究指出，淀粉的形態(tài)、粒徑大小及AM/AP值等決定淀粉的物理化學(xué)特性[11]。AM結(jié)構(gòu)緊湊表面積小而不利于消化；但AP表面積大，利于與消化酶接觸，易被機(jī)體消化吸收。飼糧AM/AP值越低，淀粉可消化性越強(qiáng)[12]。此外，飼喂低AM/AP值的淀粉可提高仔豬空腸蔗糖酶與麥芽糖酶活性[13]。另有研究發(fā)現(xiàn)，飼喂高AM/AP值的淀粉仔豬小腸絨毛高度及絨隱比增加而凋亡率降低，且可上調(diào)腸道屏障功能相關(guān)基因表達(dá)，同時(shí)降低后腸食糜pH[14]；然而，飼糧AM與AP滿足更平衡的比例時(shí)不僅可提高仔豬養(yǎng)分消化率，還可促進(jìn)腸道形態(tài)發(fā)育[15]。碳水化合物是腸道微生物的主要底物來(lái)源，故其結(jié)構(gòu)與種類(lèi)不同，腸道微生物的響應(yīng)模式不同。豌豆淀粉AM/AP值高于小麥淀粉、玉米淀粉和木薯淀粉，采食豌豆淀粉仔豬小腸和大腸雙歧桿菌、芽孢桿菌和乳酸桿菌豐度提高，腸道大腸桿菌豐度降低[16]。飼喂高AM/AP值淀粉能夠顯著提高育肥豬回腸梭菌屬、乳桿菌屬、擬桿菌門(mén)及鏈球菌豐度[17]。飼糧淀粉AM含量增加，仔豬后腸微生物發(fā)酵底物增加，短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)產(chǎn)量提高，腸道pH降低，同時(shí)促進(jìn)后腸雙歧桿菌增殖[18]；而采食高AP/AM值淀粉，肥育豬后腸雙歧桿菌數(shù)量顯著減少，SCFAs含量也降低[19]。

2.2 纖維

飼糧纖維主要由NSP組成，是影響仔豬腸道功能的重要組分，飼糧添加纖維可提高豬回腸蔗糖酶與麥芽糖酶活性[20]。采食小麥麩纖維飼糧比玉米纖維和大豆纖維可上調(diào)腸道Toll樣受體2(TLR2)基因表達(dá)及改變腸道微生物結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)仔豬腸道屏障功能[21]，且長(zhǎng)期飼喂豌豆纖維顯著改善生長(zhǎng)豬結(jié)腸屏障與免疫功能[22]。NSP組分不同，對(duì)腸道功能產(chǎn)生的效應(yīng)不同。飼糧添加木聚糖和葡聚糖可促進(jìn)腸道屏障功能，改善微生態(tài)平衡，利于仔豬腸道健康；而添加纖維素卻未有以上促進(jìn)作用[23]。然而，添加可溶性纖維(菊粉)和不可溶性纖維(木質(zhì)纖維素)比單一纖維添加顯著促進(jìn)仔豬養(yǎng)分消化及腸道屏障功能[24]，且復(fù)合添加可溶與不可溶纖維顯著增加大鼠回腸上皮杯狀細(xì)胞數(shù)量[25]。本實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，可溶與不溶性纖維滿足適宜比例的同時(shí)且維持合理水平，可改善仔豬腸道形態(tài)發(fā)育[15]。相比玉米和大豆纖維，飼喂小麥和豌豆纖維仔豬后腸大腸桿菌數(shù)量減少，雙歧桿菌數(shù)量顯著增加[21]。采食豌豆纖維可增加生長(zhǎng)豬結(jié)腸乳酸菌數(shù)量[22]，提高后腸纖維分解菌屬、乳酸菌屬和毛螺菌屬豐度[26]。飼糧添加菊粉可增加仔豬和肥育豬后腸雙歧桿菌數(shù)量，減少大腸桿菌數(shù)量[27]。研究腸道微生物對(duì)不同NSP組分的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)飼喂葡聚糖和纖維素仔豬后腸乳酸桿菌屬等有益菌數(shù)量明顯增加，但木聚糖組仔豬腸道變形菌門(mén)等有害菌數(shù)量顯著增加[28]。

2.3 寡糖

寡糖是小分子碳水化合物，因其可作為微生物發(fā)酵底物、促進(jìn)有益菌生成而被定義為益生元[29]。飼糧添加寡糖可促進(jìn)仔豬和生長(zhǎng)肥育豬生長(zhǎng)[30-31]，提高母豬繁殖性能[32-33]。飼糧添加果寡糖可增加仔豬腸黏膜厚度，促進(jìn)上皮細(xì)胞增殖，提高丁酸產(chǎn)生量[34]。飼糧添加蘋(píng)果果膠寡糖可緩解仔豬遭受輪狀病毒引起的腸道損傷[35]。飼糧添加褐藻寡糖也顯著促進(jìn)仔豬腸道黏膜生長(zhǎng)，上調(diào)腸道屏障功能相關(guān)基因表達(dá)[36]。此外，飼糧添加果寡糖顯著增加仔豬直腸梭菌和雙歧桿菌數(shù)量，減少沙門(mén)氏菌、大腸桿菌、梭菌和志賀氏桿菌數(shù)量等[37-38]。飼糧添加纖維寡糖則可降低結(jié)腸鏈球菌和大腸桿菌豐度，提高雙歧桿菌豐度[39]。半乳寡糖和甘露寡糖均可抑制鼠傷寒沙門(mén)氏菌和致病性大腸桿菌產(chǎn)生，促進(jìn)雙歧桿菌和乳酸桿菌增殖[40-41]。

以上研究表明，飼糧AM/AP值和可溶與不溶性纖維間的比例適宜，更有利于豬的腸道健康。研究發(fā)現(xiàn)，在患糖尿病婦女飲食中提高纖維占淀粉的比例，有利于2型糖尿病人的健康[42]。在豬飼糧中淀粉占比過(guò)高而非淀粉多糖含量不足將致使后腸微生物發(fā)酵所需的底物減少，不利于后腸微生物繁殖。若豬飼糧淀粉含量不足而非淀粉多糖占比增加將導(dǎo)致飼糧能量濃度降低，抗?fàn)I養(yǎng)因子增多，不利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收和機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育。因此碳水化合物營(yíng)養(yǎng)的內(nèi)涵不應(yīng)局限于營(yíng)養(yǎng)素與營(yíng)養(yǎng)水平，維持飼糧不同種類(lèi)碳水化合物間的平衡對(duì)豬生長(zhǎng)與腸道健康也尤為重要。

3 碳水化合物平衡對(duì)豬腸道健康的影響及機(jī)制

飼糧營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)平衡的概念已得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。例如，必需氨基酸之間以及必需氨基酸與非必需氨基酸間的平衡，礦物質(zhì)元素間的適宜比例，甚至飼糧中各營(yíng)養(yǎng)要素(蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、礦物質(zhì)和維生素等)的整體平衡等，然而有關(guān)碳水化合物平衡的概念尚屬空白。本實(shí)驗(yàn)室通過(guò)研究和總結(jié)認(rèn)為，碳水化合物平衡的內(nèi)涵至少包括淀粉內(nèi)AM與AP比例的平衡，NSP間可溶性NSP與不溶性NSP比例與添加水平的平衡，以及淀粉、NSP與寡糖間的平衡等。

3.1 飼糧碳水化合物平衡模式初探

本實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，飼糧淀粉AM/AP值與NSP水平滿足合適的組合時(shí)可促進(jìn)仔豬腸道發(fā)育、消化吸收與屏障功能；然而甘露寡糖與不同AM/AP值淀粉及不同水平NSP以不同組合模式供給仔豬時(shí)，低劑量的甘露寡糖有利于提高仔豬的生長(zhǎng)性能并促進(jìn)腸道功能[15,43]。這提示了飼糧淀粉、NSP與寡糖之間存在互作，因此滿足飼糧淀粉AM/AP值、可溶性NSP與不溶性NSP的比例與水平、寡糖劑量達(dá)到平衡關(guān)系時(shí)會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)仔豬腸道功能。本實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步采用營(yíng)養(yǎng)學(xué)、分子生物學(xué)和生物信息學(xué)等研究手段，以生長(zhǎng)性能、養(yǎng)分消化率、血清生化、腸道功能及微生物結(jié)構(gòu)等為聯(lián)合效應(yīng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)飼糧碳水化合物組合滿足淀粉AM/AP值為1∶1，外源NSP復(fù)合物(菊粉與纖維素1∶1)添加3%，甘露寡糖供給400 mg/kg時(shí)，與其他組合比較，可通過(guò)上調(diào)腸道發(fā)育屏障功能基因表達(dá)、提高消化酶活性而增強(qiáng)仔豬腸道功能，且可提高后腸纖維降解菌、產(chǎn)丁酸菌及SCFAs的產(chǎn)量；同時(shí)顯著改善仔豬機(jī)體糖類(lèi)、脂肪及蛋白質(zhì)代謝和提高生長(zhǎng)性能[15]。以上研究顯示，對(duì)7～18 kg仔豬而言，飼糧碳水化合物平衡模式為AM/AP值1∶1、外源NSP復(fù)合物3%及甘露寡糖400 mg/kg，該模式更有利于仔豬生長(zhǎng)和腸道健康達(dá)到最佳狀態(tài)。

3.2 碳水化合物平衡影響豬腸道健康的微生物學(xué)機(jī)制

飲食是影響哺乳和斷奶期間仔豬腸道微生物結(jié)構(gòu)與功能的重要因素[44]。而人腸道微生物是調(diào)控代謝與健康的關(guān)鍵靶點(diǎn)；腸道微生物可編碼產(chǎn)生相關(guān)酶降解植物多糖，以單糖與寡糖進(jìn)入微生物細(xì)胞而被利用[45]?？股馗深A(yù)會(huì)破壞小鼠腸道微生物組成結(jié)構(gòu)。易誘發(fā)參與碳水化合物代謝的關(guān)鍵基因表達(dá)異常，進(jìn)而引起機(jī)體肥胖[46]。然而提高腸道微生物多樣性，可促進(jìn)嬰兒腸道利用碳水化合物的基因表達(dá)[47]。飼喂不同碳水化合物組合顯著影響仔豬腸道微生物結(jié)構(gòu)與代謝。當(dāng)飼喂碳水化合物平衡組合飼糧時(shí)，與最差組合相比，能夠顯著提高仔豬結(jié)腸厚壁菌門(mén)的豐度而明顯降低擬桿菌門(mén)的豐度，同時(shí)促進(jìn)產(chǎn)丁酸菌與丁酸的生成[15]。據(jù)報(bào)道，腸道微生物調(diào)節(jié)機(jī)體代謝尤其是糖和脂代謝的機(jī)制，主要是通過(guò)其代謝產(chǎn)物與單磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)信號(hào)途徑實(shí)現(xiàn)的[48-49]。未被豬前腸利用的碳水化合物，經(jīng)后腸微生物發(fā)酵產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物主要是SCFAs。由此推測(cè)碳水化合物平衡作用豬腸道健康受微生物影響，且可能機(jī)制與其代謝產(chǎn)物SCFAs有關(guān)。在無(wú)菌仔豬、無(wú)菌仔豬移植糞菌及無(wú)菌仔豬飼糧拌喂SCFAs試驗(yàn)中，微生物缺失顯著降低了碳水化合物平衡組合對(duì)仔豬生長(zhǎng)、消化吸收與SCFAs產(chǎn)生的效應(yīng)，表明仔豬碳水化合物平衡組合依賴腸道微生物發(fā)揮效用；同時(shí)發(fā)現(xiàn)腸道微生物結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，將損害碳水化合物平衡組合對(duì)仔豬后腸微生物與代謝的有益影響，表明仔豬碳水化合物平衡組合要依賴合理結(jié)構(gòu)的腸道微生物[50]；此外，腸道微生物介導(dǎo)仔豬碳水化合物平衡模式的機(jī)制可能與SCFAs-G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptors，GPCRs)-AMPK-乙酰輔酶A羧化酶(ACC)信號(hào)通路有關(guān)[51]。

4 小結(jié)與展望

碳水化合物數(shù)量大、種類(lèi)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尋找促進(jìn)碳水化合物高效利用的營(yíng)養(yǎng)技術(shù)非常重要。本實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，飼糧不同碳水化合物間應(yīng)滿足適宜的平衡關(guān)系，當(dāng)飼糧淀粉AM/AP值、NSP水平及寡糖劑量的組合達(dá)到平衡時(shí)可進(jìn)一步增強(qiáng)仔豬的腸道健康，而碳水化合物平衡影響豬腸道健康的機(jī)制與微生物及其代謝產(chǎn)物有關(guān)(圖1)。傳統(tǒng)的豬營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題多關(guān)注碳水化合物的能值與抗?fàn)I養(yǎng)作用，但忽視了不同種類(lèi)與結(jié)構(gòu)碳水化合物營(yíng)養(yǎng)生理效應(yīng)的差異及碳水化合物間的比例平衡。研究碳水化合物間的平衡模式有利于認(rèn)識(shí)其代謝的復(fù)雜性，同時(shí)有助于飼糧配方優(yōu)化及動(dòng)物遺傳潛力的發(fā)揮。碳水化合物平衡模式也受豬品種、生理狀態(tài)、飼養(yǎng)環(huán)境與飼養(yǎng)管理等多種因素影響。今后還需進(jìn)一步開(kāi)展系統(tǒng)研究，以建立適合不同養(yǎng)殖條件下的豬飼糧碳水化合物平衡模式。

SFCA：短鏈脂肪酸 short chain fatty acid；GPR：G蛋白偶聯(lián)受體 G-protein-coupled receptor；Glu：葡萄糖 glucose；pAMPK：磷酸化單磷酸腺苷活化蛋白激酶 phosphorylated adenosine monophosphate activated protein kinase；PGC-1α：過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1α；FA：脂肪酸 fatty acid；PYY：酪酪肽 peptide YY；Ffar2：游離脂肪酸受體2 free fatty acid receptor 2；NLRP3：NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3 NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3；IL-18：白細(xì)胞介素-18 interleukin-18；Biomarkers：生物標(biāo)記。圖1 飼糧碳水化合物平衡效應(yīng)及機(jī)制Fig.1 Effects and mechanisms of dietary carbohydrate balance