丁酸钠和三丁酸甘油酯在养殖动物中的研究进展

吴 勋，谭 朋

(浙江海洋大学海洋与渔业研究所，浙江省海洋水产研究所，浙江省海水增养殖重点实验室，浙江舟山 316021)

为满足人类对肉类的需要，现代养殖业多采用集约化的养殖模式。集约化“快速”、“高效”和“密集”的特点，使养殖动物面临复杂的生存环境和强烈的外界刺激。这些不利因素会导致养殖动物机体免疫应答反应异常、氧化应激以及能量消耗加剧。抗生素在一定程度缓解了上述问题，但也引起病原菌抗药性增加和产品药物残留等问题[1]。寻求安全有效的抗生素替代品是养殖业健康发展的必然选择。

丁酸作为一种短链脂肪酸(short chain fatty acid,SCFA)，是由肠道厌氧菌发酵膳食纤维等难消化的碳水化合物产生的。丁酸具有绿色安全的特点，但易挥发，半衰期短，不利于实际应用。实际生产中多采用丁酸衍生物，比较常见的是丁酸钠和三丁酸甘油酯。

1 理化性质

1.1 丁酸钠

丁酸钠(sodium butyrate，SB)，是化学式为C4H7O2Na 的正丁酸钠盐，其分子结构式如图1 所示。分子量为110.09，熔点为253～255 ℃。呈白色粉末状。有特殊的奶酪酸败样脂臭味。对光和热稳定但易吸潮且溶于水。2003 年，丁酸钠作为新型饲料添加剂被列入《饲料添加剂品种目录》[2]。丁酸水脂两亲，pH 4～6时不易分解，大多数畜禽的肠道pH 都在7 左右，所以丁酸钠在畜禽消化道中容易被分解[3]。

图1 丁酸钠分子结构式Fig.1 Molecular structure of sodium butyrate

1.2 三丁酸甘油酯

三丁酸甘油酯(tributyrin，TB)，是化学式为C15H26O6的短链脂肪酸酯，其分子结构式如图2 所示。分子量：302.36，又称甘油三丁酸酯，熔点为-75 ℃。透明近油状液体。几乎无气味，略有脂肪香气。易溶于乙醇等有机溶剂，难溶于水。常温下其理化特性较为稳定；在高温、光照等刺激条件下，性质几乎不发生变化但略有刺激性气味；遇明火或氧化剂易燃，故置于阴凉通风处密封贮存，并避免阳光直射[4]。三丁酸甘油酯由3 个丁酸分子和1 个甘油分子酯化而成。三丁酸甘油酯属于短链脂肪酸酯，在胃中几乎不被分解，在胰脂肪酶的作用下缓慢释放成丁酸和甘油。1 g 三丁酸甘油酯可产生约10 mmol 丁酸。与丁酸钠相比，三丁酸甘油酯不易被胃液分解以及代谢速度慢等特点，在饲料添加剂方面的应用前景看好。

图2 三丁酸甘油酯分子结构式Fig.2 Molecular structure of tributyrin

2 丁酸的生物学功能

丁酸钠与三丁酸甘油酯作为丁酸的衍生物，在动物的消化道中被分解为丁酸和其它物质。它们的主要生物学功能来源于丁酸。体外研究表明，肠道上皮细胞优先利用丁酸作为能源[5]，因此，丁酸可作为肠上皮细胞的快速能量来源[6]。作为一种短链脂肪酸，丁酸在进入小肠后部分以非离子弥散形式被肠黏膜细胞吸收，直接为肠黏膜上皮细胞生长和增殖分化提供能源；其余的通过门静脉转运至肝脏。

肠道作为动物机体重要的消化，不仅可以对食物进行消化和吸收，还是抵御外界环境刺激屏障。通常认为，动物的肠道屏障主要包括物理屏障、免疫屏障及微生物屏障[7]。肠道屏障功能受损会造成动物消化吸收功能降低和病原菌入侵，降低养殖动物的生长性能和健康状况。

2.1 维持动物肠道物理屏障功能

肠道上皮不仅具有对营养物质消化吸收的作用，还可作为重要的物理屏障，阻止外界病原菌入侵[8]。紧密连接蛋白(tight junctions,TJ)是上皮细胞间的连接蛋白，构成了肠道上皮细胞物理屏障的基础。紧密连接是多种蛋白组成复合物，主要由咬合蛋白(occludin)、闭合蛋白(claudins)以及闭合小环蛋白(zonula occludens proteins,ZO)组成，它们不仅能维持肠黏膜上皮细胞的极性，还能调节肠道屏障的通透性[9]。紧密连接蛋白可以增强肠道物理屏障功能，阻止毒素、病菌等进入，保护动物机体健康[10]。

丁酸钠和三丁酸甘油酯增强肠道物理屏障功能与紧密连接蛋白的表达有关。研究发现，在日粮中添加三丁酸甘油酯可增加小鼠回肠和结肠中claudins 和occludin 的表达[11]。田莉等[12]亦发现饲料中添加丁酸钠，可以提高草鱼肠道的ZO-1，ZO-2，Occludin，Claudins-b 的基因表达水平，从而增强肠道的屏障功能。在金头鲷Sparus aurata[13]和肉鸡[14]中也有类似发现。上述结果表明，丁酸钠和三丁酸甘油酯可通过增加紧密连接蛋白的表达增强动物肠道物理屏障功能。

2.2 维持动物肠道免疫屏障功能

2.2.1 促进免疫相关蛋白生成

动物的免疫力与补体因子、免疫球蛋白和抗菌肽的水平直接相关[15-16]。研究发现，在饮食中加入三丁酸甘油酯可显著改善断奶仔猪血清免疫球蛋白A(IgA)、免疫球蛋白G(IgG)以及免疫球蛋白M(IgM)含量[17]。在日粮中添加丁酸钠增加了断奶仔猪肠道IgA 含量[18]和血清C3、IgG 和IgM 含量[19]，以及草鱼肠道溶菌酶(lysozyme)和酸性磷酸酶(alkaline phosphtase,ACP)活力、C3 和C4 含量以及hepcidin 和β-defensin1 的基因表达[20]。此外，在日粮中直接添加丁酸还可增加肉鸡肠道抗菌肽Cathelicidin B1、β-defensin 9 和β-defensin 14 的基因表达[21]。

丁酸钠和三丁酸甘油酯促进动物肠道免疫相关蛋白生成可能与免疫细胞的生长有关。动物体内含有多种免疫细胞，如淋巴细胞、树突状细胞、巨噬细胞、肥大细胞等[22]，这些免疫细胞能够分泌免疫相关蛋白[23]。丁酸钠可以提高肠粘膜免疫细胞的数量，从而提高机体免疫能力[24]。王继凤等[25]发现丁酸钠可增加肠道淋巴细胞、肥大细胞以及杯状细胞的数量。而三丁酸甘油酯提高了结肠表面的杯状细胞[26]和血液中淋巴细胞、中性粒细胞数量[27]。

2.2.2 调节炎症相关细胞因子产生

炎症反应可以由一系列细胞因子介导，细胞因子分为促炎细胞因子和抗炎细胞因子[28]。促炎细胞因子和抗炎细胞因子的比值升高会加剧炎症反应[29]。在小鼠肠炎模型中，三丁酸甘油酯可以增加抗炎症转生长因子-β(TGF-β)和白介素-10(IL-10)的水平，降低肠道炎症反应[30]。脂多糖(LPS)诱导肉鸡肠道损伤模型中，三丁酸甘油酯可减少十二指肠和空肠中促炎症白介素-1β(IL-1β)和白介素-6(IL-6)的含量[31]。三丁酸甘油酯还降低饲喂高脂饮食的小鼠巨噬细胞中的肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、IL-6I 以及L-1β 的含量[32]。水产动物中发现，丁酸钠能够降低草鱼肠道的TNF-α、干扰素-γ2(IFN-γ2)、IL-6 和IL-8[20]以及鲤鱼肠道的TNFα 和IL-1β[33]的基因表达。

炎症因子的表达受到核转录因子κB(NF-κB)信号通路的调节[34]。核因子κB 抑制蛋白(IκBα)会被IκB激酶(IκB kinase，IKK)磷酸化，使NF-κB 脱落活化，进入细胞核后，与特定DNA 序列结合进而调控基因转录[35]。NF-κB 信号通路的激活促进炎细胞因子的转录[36]，而NF-κB 被抑制时，则抑制促炎因子的基因表达[37]，并上调抗炎因子的基因表达[38]。丁酸钠能够抑制肠道的IκB 激酶的表达[21]和细胞核中p65 的含量[39]，从而抑制NF-κB 信号通路，降低机体炎症反应。实验还发现，丁酸可以抑制LPS 诱导的中性粒细胞中NF-κB核转录[40]。

2.2.3 增强机体抗氧化能力

氧化应激指体内氧化与抗氧化状态失衡[30]。氧化应激造成氧化损伤[41]，进而破坏细胞结构完整性[42]。为了抵抗氧化应激，动物机体产生一系列抗氧化酶和非酶性抗氧化物质(如谷胱甘肽，GSH)。丁酸钠能够提高家猪Sus scrofa domestica 肝脏、小鼠Mus musculus 肠道以及美洲鳗鲡Anguilla rostrata 肝脏抗氧化酶活力[30,43]。三丁酸甘油酯能够降低断奶仔猪肝脏[44]和肉鸡肠道[31]脂质过氧化标志产物MDA 的含量。

核因子相关因子2(Nrf2)是参与抗氧化的重要转录因子[45-46]，丁酸钠与三丁酸甘油酯提高肠道抗氧化损伤的作用机理其密切相关。Nrf2 调控多种抗氧化酶的表达，如过氧化氢酶(CAT)，谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和超氧化物歧化酶(SOD)[47]。使用丁酸钠孵育氧化损伤细胞可显著上调Nrf2 表达水平，提高Nrf2 蛋白表达水平[48]，进而增强细胞抗氧化能力[49]。SONG Zhengxing,et al[29]发现，抗氧化酶的基因表达受Kelch 结合蛋白1(Keap1)/核因子相关因子2(Nrf2)的调节。丁酸钠通过抑制Keap1 的表达[50]，可促进Nrf2 的入核[51-52]，启动抗氧化基因的表达。

2.3 维持微生物屏障功能

在动物的胃肠道内有十分庞大的种类和数量的微生物定植，这些微生物的变化对胃肠道健康紧密相关[53]。健康动物体内的微生态菌群维持着动态的平衡，有益微生物占绝对优势，抑制有害菌群的增殖与粘附，从而维持肠道的正常生理功能。肠道微生物的组成受外部因素(饲料，环境及病菌等)影响[54]。水产动物中发现，摄食高蚕豆饲料的草鱼Ctenopharyngodon idella 肠道中有益菌物种丰度减少,条件致病菌物种丰度增加[55]。饲喂高植物蛋白饲料，大黄鱼Larimichthys crocea 肠道内有害的变形菌门Proteobacteria 细菌丰度增加，肠道稳态被破坏[56]。三丁酸甘油酯能够增加菊黄东方鲀Takifugu flavidus 肠道需氧异养细菌和乳酸菌丰度，降低弧菌数量[57]。在禽类中发现，饲粮中添加三丁酸甘油酯能够增加肉鸡Gallus domesticus 盲肠、十二指肠[58]及盲肠[59]有益乳酸菌丰度，减少有害菌大肠杆菌和沙门氏菌比例[60]。

丁酸钠和三丁酸甘油酯调节肠道菌群的机制可能与氢离子累积，导致肠道pH 改变有关。丁酸钠和三丁酸甘油酯进入肠道后分解产生丁酸根离子和氢离子，氢离子的不断累积降低肠道pH，进而使得对酸碱度敏感有害菌(大肠菌杆菌和沙门氏菌等)死亡，而耐酸性有益菌(双歧杆菌和乳酸杆菌)大量增殖[9]。

3 丁酸钠与三丁酸甘油酯在养殖动物中的应用

丁酸钠和三丁酸甘油酯具有多种生物学功能，在肠道功能修复方面效果最为明显。在实际养殖生产中，丁酸钠与三丁酸甘油酯的作用效果，已经在多种养殖物种身上得到验证。表1 和表2 分别将三丁酸甘油酯和丁酸钠对不同养殖动物的作用效果进行整理。

表1 三丁酸甘油酯在不同养殖动物中的应用效果Tab.1 Application of tributyrin in farm animals

表2 丁酸钠在不同养殖动物中的应用效果Tab.2 Application of sodium butyrate in farm animals

4 小结与展望

综合上述材料，丁酸钠与三丁酸甘油酯通过增强养殖动物肠道的物理屏障、免疫屏障以及调整肠道菌群组成来提高养殖动物机体的生长性能和健康状况。丁酸钠和三丁酸甘油酯提高紧密连接蛋白的基因表达来增强肠道物理屏障功能；促进免疫细胞的生长有关进而提升免疫相关蛋白生成；抑制NF-κB 信号途径，抑制炎症；促进Nrf2 信号途径增强抗氧化损伤能力；调节肠道pH，抑制有害菌生长，促进有益菌生长，增强微生物屏障功能。

丁酸对动物肠道的生物学功能在多种养殖动物上得到证实。现在市场对减抗无抗的呼声越来越高，丁酸有望成为替代抗生素的新型绿色添加剂。丁酸钠和三丁酸甘油酯作为丁酸的衍生物，既可以弥补丁酸易分解、挥发的缺点，又可以在消化道中转化生成丁酸，具有较好的应用前景。它们将会在动物生产和动物保健等领域发挥更多、更广泛的作用。