胃肠道功能在动物营养和健康方面的作用

仲伟平，张凤华，赵玉军

（开封市动物疫病预防控制中心，河南开封 475000）

最佳的胃肠功能对可持续动物生产至关重要，因为胃肠道的有效功能及其健康状况是决定动物性能（生长、泌乳、产肉/蛋及畜产品品质）的重要因素。在过去几十年里，人们通过育种手段对生长性能和繁殖性状进行高度选择，同时改善养殖环境和动物营养技术，使动物生产性能有了显著提高，但农场动物的表现是否已达到遗传/生理极限？在这种背景下，“肠道健康”的概念引起科学界的极大关注。尽管肠道健康在动物营养中是一个越来越重要的话题，但仍然缺乏一个明确的科学定义。为监测动物健康，评估任何营养干预对动物生产性能的影响，需要对胃肠健康和功能及如何评估胃肠功能作出明确定义。虽然在人类医学中肠道健康常常与“临床疾病的缺失”联系在一起，但这一定义可能不适用于农场动物，因为动物的表现可以在没有任何临床疾病迹象的情况下受到损害。因此，本综述旨在提出一个新的“肠道健康”概念，通过提供可能涉及胃肠功能和动物健康的特征来概述。

1 饲料对胃肠道健康及功能的影响

1.1 肠道健康及功能 Conway（1994）提出了肠道健康的3个组成部分，即饲料、黏膜和共生菌群。黏膜由具有特殊结构的消化上皮、内脏相关淋巴组织和覆盖在上皮上的黏液组成，其中内脏相关淋巴组织、微生物群、黏液层和宿主上皮相互作用，在胃肠道内形成复杂的动态平衡，保证消化系统高效运作。因此，我们将肠道健康定义为“微生物群和肠道处于共生平衡状态，动物福利和表现不受肠道功能障碍制约的稳态”。这一定义结合了肠道健康的主要组成部分，即日粮、胃肠道屏障的有效结构和功能、正常稳定的微生物群及饲料的有效消化吸收和有效免疫状态。

1.2 日粮组成与胃肠道功能 影响胃肠道功能和健康的因素包括纤维、胰蛋白酶抑制剂、植酸盐、凝集素、胃肠道远端未消化的蛋白质、霉菌毒素、致病性和腐烂性微生物、环境、水质和免疫程序等，这些抗营养物质可能在不同程度上损害肠道生理、组织学和功能完整性。Hoste等（2015）认为，在维持动物健康和福利的同时，使用饲料添加剂在维持动物生产性能、免疫功能、氧化还原平衡和抗炎方面具有潜力。如抗氧化剂，特别是维生素仍然是营养学家面临的一个充满挑战和活力的领域。日粮添加抗氧化剂不仅是维持动物健康和生长性能的必要条件，也是保证其产品高质量的必要条件。热应激通过氧化应激等机制损害肠上皮屏障的完整性，日粮添加硒和维生素E可以减少因热应激引起的肠道渗漏。

日粮可以通过几种不同的机制调节胃肠道中的免疫功能，如可以影响肠道微生物群的组成和代谢活性，特别是蛋白质是维持胃肠道免疫稳态的重要营养因素。蛋白质和蛋白质水解产物来源于各种消化酶对日粮蛋白质的消化，或微生物菌群的代谢，其被肠上皮细胞吸收后可以影响胃肠道的免疫能力和免疫稳态（van der Meer等，2016）。此外，日粮还可以改变胃肠道微生物菌群的组成和代谢，调节抗菌肽的产生，从而干扰病原体生长和在肠黏膜的粘附。最后，日粮还可以通过调节细胞因子的产生和肠道屏障功能对胃肠道上皮细胞产生直接影响，通过局部激活免疫细胞或促进免疫细胞在血液中的迁移，对免疫功能产生局部和全身的影响。

1.3 日粮纤维与胃肠道功能 饲料的纤维组分通常称为膳食纤维，包括一组化学成分和物理性质不同的非均质组分。粗纤维不是一个定义明确的化学实体，但在相关文献中都通过分析方法定义。粗纤维包括细胞壁、非淀粉多糖和木质素，而其他具有类似非淀粉多糖消化特性的碳水化合物是不可消化的低聚糖和抗性淀粉。根据其理化性质，粗纤维可进一步分为可溶性和不溶性两类，其对胃肠功能和动物生理有明显影响。对小肠内源酶消化具有抵抗力，在大肠中容易受到细菌发酵的影响。此外，纤维除了对胃肠道微生物菌群的影响，还可以与胃肠道所有部位的宿主黏膜相互作用，调节免疫功能（Montagne等，2003）。纤维的一个共同特征是能增加系水能力、膨胀，增加肠腔黏度，导致胃排空延迟，对小肠消化和吸收产生负面影响。未消化的纤维从小肠逸出后进入大肠，微生物菌群对可溶性和不溶性纤维进行发酵，产生短链脂肪酸，导致肠道pH下降（den Besten等，2013）。因此，平衡畜禽日粮中膳食纤维水平具有重要意义，但并非所有的纤维来源都相同，过量的纤维可能产生相反效果，而适量的纤维可以提高胃肠道功能和动物生长性能。

1.4 日粮形态与胃肠道功能 日粮形态（如结构、形式（颗粒、破碎和粉状）和粒度）对胃肠功能也有显著影响，饲料类型、大小及加工条件会影响胃肠道功能。Herrera等（2016）报道，颗粒料可以提高动物平均日采食量、日增重、饲料效率和胴体产量。在猪中，饲料颗粒大小和饲料形式不仅会影响肠黏膜形态，还会影响沙门氏菌等病原体粘附在回肠黏膜的能力（Hedemann等，2005）。当猪饲喂粗粉饲料时，胃作为一个屏障可以减少肠道内病原体的数量，这是因为粗粉饲料可以降低胃和小肠的pH。相反，细粉饲料会对猪胃肠道健康产生负面影响。在家禽中，小颗粒饲料会提高消化效率，这是由于颗粒表面积提高，与消化酶的相互作用增大（Preston等，2000）。但较大的粒度也可以促进胃肠道的发育，尤其是针对家禽肌胃。

2 胃肠道的消化吸收

胃肠道系统的主要功能是消化饲料，吸收营养物质，同时也负责维持体液和电解质平衡，清除废物。除了这些常规功能外，还必须考虑屏障功能。此外，需要考虑肠道炎症对胃肠功能的负面影响。事实上，胃肠道中病原体的增殖可以增加防御反应，同时伴随着消化效率的降低和微量营养素吸收的减少。饲料酶在提高单胃和反刍动物饲料价值方面的作用是毋庸置疑的，其作用已得到广泛综述（Meale等，2014）。简而言之，饲料酶通过水解饲料底物来提高动物生产性能，尤其是幼龄动物胃肠道相对不成熟，无法产生足够数量的内源酶，添加外源酶可以水解日粮蛋白质和细胞壁多糖，分解植酸等抗营养因子，使不溶性非淀粉多糖溶解度增加，从而提高营养利用率（Kiarie等，2013）。

外源酶被认为是抗生素可能替代品，其中主要有几种可能的机制，包括将消化部位转移到前肠段，“饿死”后肠的微生物菌群；由惰性纤维产生可发酵的寡糖，对肠道pH和肠细胞增殖产生有益影响。Cowieson和Roos（2016）研究发现了外源蛋白酶及与未消化的食物和内源性蛋白质流向肠后段相关的有益作用，减少与蛋白质抗营养物质相关的炎症作用，提高肠道拉伸强度和紧密连接完整性。因此，外源酶可以通过减少腐败微生物底物，增加有益发酵微生物底物，增强肠道抵御有害细菌入侵的能力来提高肠道稳定性。

3 胃肠道微生物区系

肠道微生物菌群代表了有益屏障功能，有益营养物质、蛋白质的合成，从日粮成分中获得能量的潜力及炎症和亚临床病理的有害影响之间的权衡。完全消除肠道微生物菌群不是一个现实的目标，相反，应重点帮助动物调节肠道微生物菌群的变化。

3.1 宿主与微生物菌群的交互作用 宿主与细菌之间的相互作用是在进化过程中发展起来的，最终形成一种共生关系，双方都能从中受益。但调节这种关系的机制在很大程度上仍不清楚。肠道菌群会影响一些生理功能，如病原体位移、营养竞争、受体竞争、抗菌因子生成、紧密连接、免疫系统发育和代谢功能等（Marchesi等，2016）。该菌群产生的多种代谢产物也刺激胃肠道中的神经内分泌细胞，因此，该菌群在内分泌调节胃肠道功能中发挥着重要作用。肠道微生物群通过促进最佳的消化、吸收、调节能量代谢、预防黏膜感染和调节免疫系统来调节宿主的稳态（Willing和Van Kessel，2010）。

3.2 影响胃肠道微生物菌群的影响 日粮组成的改变，营养素不平衡，应激（如热、断奶、运输、过度拥挤和环境卫生条件）可能是导致微生物菌群紊乱的主要障碍。因此，需要一个正常、稳定、多样的胃肠道微生物群及一个完整有效的胃肠道屏障才能维持最佳的胃肠功能。细菌产生的微生物菌群组成和代谢产物对维持最佳肠道健康至关重要（Rinttila和Apajalahti，2013）。在幼年动物中，微生物菌群的组成及其多样性可能受到环境和管理因素的影响，随着时间的推移，胃肠道微生物菌群的组成在成年动物中达到平衡。幼龄动物体内较低的微生物菌群多样性似乎有利于向成年状态发展。因此，日粮对胃肠道微生物菌群组成的调控是预防肠道健康，提高动物生产性能的有效营养措施。

3.3 胃肠道微生物菌群的特征及功能 尽管对胃肠道微生物菌群的研究越来越多，但不同微生物菌群的生物学功能往往还不清楚。胃肠道微生物菌群组成的变化、代谢活动及其与宿主的相互作用是阻碍进一步了解其组成变化的障碍之一。如在反刍动物和猪中，估计有300～1000种独特的物种存在于胃肠道中（Kong等，2010），而在家禽中这一数字要高得多，超过2200种（Qu等，2008）。微生物菌群与宿主之间的相互作用是多方面的，而且大部分未知的相互作用为这一领域的研究增加了另一个层次的复杂性。事实上，由于胃肠道中存在大量未知微生物种类，有人提出对肠道微生物系统的理解，应采用多物种相互作用的方法。

目前，有几个关键问题仍需研究，如哪些细菌在农场动物肠道中第一个定植，早期胃肠道微生物菌群对健康和生产力有什么影响，对早期胃肠道定植细菌的动力学研究将有助于了解驱动微生物菌群组成和活性动态变化的潜在因素。此外，环境因素、日粮和宿主基因对胃肠道细菌定植的影响，胃肠道微生物菌群在动物营养、生理、健康和福利之间的关系中的角色等问题必须采取以多学科系统为基础的方法，上述问题的解决在开发抗生素替代品方面提供一些必要的帮助。

4 免疫状态

4.1 日粮与胃肠道免疫功能 日粮可以通过几种不同的机制调节胃肠道中的免疫功能。如它可以影响胃肠道微生物菌群的组成和代谢活性，这是用于微生物菌群发酵底物发生变化的结果（Yeoman等，2012）。特别是日粮蛋白质似乎是维持胃肠道免疫稳态的重要营养因素。蛋白质和蛋白质水解产物来源于各种消化酶的消化或微生物发酵，其被肠上皮细胞吸收，影响胃肠道免疫能力和免疫稳态（van der Meer等，2016）。此外，日粮还可以改变微生物菌群的组成和代谢，调节干扰病原体生长和粘附的抗菌肽的产生。最后，日粮可以通过局部激活免疫细胞或促进免疫细胞在血液中的迁移，对免疫功能产生局部和全身的影响。

4.2 胃肠道屏障 Vrieze等（2010）研究表明，胃肠道与微生物菌群的相互作用，肠道调节多种屏障功能，如机械功能、体液功能、肌肉功能、神经功能和免疫功能，同时胃肠道通过迷走神经和激素将能量摄取和其他生理过程等信息反馈给中枢神经系统。胃肠道屏障的重要性在于它是一个动态的、功能强大的实体。胃肠道屏障由外部或物理屏障组成，包括血管内皮、上皮细胞和黏液层，以及内部或功能免疫屏障，包括消化分泌物、免疫分子、细胞因子等细胞产物、炎症介质和抗菌肽（Bischoff等，2014）。虽然微生物菌群可以调节胃肠道屏障，但它本身并不代表屏障功能，因为这两个屏障之间的相互作用非常复杂，对于维持肠细胞正常渗透压至关重要（Bischoff等，2014）。

4.3 胃肠道粘膜免疫系统 胃肠道黏膜免疫系统不断受到微生物菌群抗原的挑战。细胞树突、淋巴细胞（适应性免疫系统）、巨噬细胞和肥大细胞（先天免疫系统）在胃肠道微生物及其黏膜免疫系统之间的信号传递发挥关键作用。胃肠道黏膜免疫系统可以利用免疫球蛋白A、黏液和抗菌肽等来发挥这一功能（Bischoff，2011）。值得注意的是，当动物遇到病原体入侵时，免疫系统受到刺激，动物生长潜力降低。当动物不能正常生长时，饲料效率降低，生产成本增加。在受到病原体入侵时，免疫系统会释放促炎细胞因子，引起行为改变，如厌食症、嗜睡、姿势调整和感知障碍，降低平均日增重，降低肌肉中蛋白质沉积率。蛋白质沉积的降低不仅是因为饲料摄入量减少，同时也是机体功能代谢变化，如营养物质（氨基酸、维生素、矿物质）被重新分配以支持宿主的免疫防御（Johnson，2012）。

5 结论

未来的研究应集中在建立一个肠道健康生物标志物，此外还应研究肠道健康技术和方法的标准化问题。但动物学家需确定血液、粪便、尿液和呼吸中的生物标志物是否能提供一个合理的肠道健康指数。目前，对胃肠道生物标志物浓度的短期或长期变化研究很有限，因此，在人类和动物肠道健康研究领域仍有一些问题需要解决。因此，用相关营养干预措施来优化胃肠道功能是维持胃肠道微生物稳态、微生物与肠道共生、胃肠道屏障和功能完整性的关键。