短链脂肪酸在生猪产业的研究与应用

邓卓琳， 印遇龙，2， 邓近平

（1.华南农业大学动物科学学院，广东广州510642；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南长沙410125）

饲料中添加抗生素可以提高仔猪生长性能，降低腹泻率，提高抗病性，降低饲养成本。 但抗生素的残留不仅会给人类的健康带来安全隐患，还会通过动物粪便排污对环境造成破坏。 目前全球已提倡限制抗生素的使用，因此，寻找其安全替代物成为目前养殖业的发展目标。 近年来，短链脂肪酸（SCFAs）受到广泛关注，其能提高动物的生产与繁殖性能，对动物机体代谢健康产生有益影响，可以保护肠道形态，维持肠道屏障功能，提高机体免疫等， 本文就SCFAs 在猪生产上的应用及发挥作用的可能机制做综述， 旨在为其作为饲料添加剂在生产养殖上的开发及合理利用提供理论依据。

1 短链脂肪酸的吸收、代谢

短链脂肪酸为1 ～6 个碳原子的有机羧酸，是日粮中不可消化的碳水化合物在单胃动物结肠和盲肠中发酵产生的终末产物。 90% ～95%的SCFAs 为乙酸、丙酸和丁酸。 丁酸产生后，作为结肠主要的能源物质被消耗， 其他的短链脂肪酸则进入机体循环。 丙酸主要在肝脏中作为糖异生的底物被代谢，因此，在外周血液中含量很少（Cummings 等，1987）。 而乙酸则大部分都留在外周血液中。 此外，乙酸也可以穿过血脑屏障，通过中央稳态调节机制降低食欲。

在实际生产中，应用最广泛的是丁酸。 由于其具有酸臭味，直接添加会影响动物采食，而且丁酸摄入后，易在前肠段被消化代谢，很难到达后肠段发挥其作用（宋增廷等，2015）。因此，生产上常采用微囊包被或制成粉剂等形式以便储存和添加。除此之外，丙酸也常与金属离子螯合添加在饲料中。

2 SCFAs 对动物健康的影响

2.1 促进肠道发育，维护肠道屏障功能 小肠是营养物质吸收、代谢的主要场所，因此完整的小肠结构尤为重要。 小肠的绒毛高度和隐窝深度是评价小肠吸收功能的重要指标。 SCFAs 能增加小肠绒毛高度与隐窝深度的比值， 从而增加肠道与食物的接触面积， 加强对营养物质的消化利用（Hu等，2007）。 研究发现，育肥猪饲料中添加290 g/kg的涂脂丁酸钙时，并不影响肠绒毛的长度，但能通过促进空肠上皮细胞的增殖和隐窝分裂， 使皱面积增加，同时促进回肠中蔗糖酶的活性，提高肠道消化吸收能力（Claus 等，2007）。

小肠也是宿主与外界进行营养物质交换的第一道屏障。 由机械屏障、黏液屏障、微生物屏障和免疫屏障组成，其相辅相成，共同抵御外来病毒，维持健康的肠道内环境。 任何一个屏障平衡被打破，都会影响肠道健康。 因此，健康的肠道屏障对机体健康至关重要（Neunlist 等，2013）。 张俊梅等（2018）研究表明，直肠灌注10%的高浓度乙酸使仔猪肠形态和屏障功能受损，而0.1%的三丁酸甘油酯可以修复肠道损伤，维持肠上皮细胞完整性。Kotunia 等（2004）在初生仔猪奶粉中添加0.3% 的丁酸钠，发现其可通过增加肠道黏膜层厚度，加强肠道黏膜屏障功能。陈慧子等（2018）研究发现，猪盲肠灌注25 mL 2M 的丙酸可促进闭合蛋白（OCLN）等相关基因的表达， 提高肠道屏障功能，并且可显著提高肽酪氨酸-酪氨酸（PYY）、胰岛素样生长因子结合蛋白7 （IG FBR7)、ATP 合成酶5I（ATP5I)等与糖代谢和能量代谢相关基因的表达，改善动物代谢健康。 Wang 等（2018）研究显示，丁酸钠可以增加断奶仔猪的肠绒毛高度和肠绒毛高度与隐窝深度的比值，提高肠道跨上皮电阻，减少葡聚糖细胞旁通量，从而减少肠道的渗透性，加强肠道物理屏障功能。 Diao 等（2019）研究表明，断奶仔猪灌胃SCFAs 可降低肠道中pH， 减少细胞的凋亡， 并通过增加肠道中黏蛋白MUC1、MUC2的表达加强化学屏障， 通过增加肠道中乳酸杆菌数量，降低大肠杆菌数量加强微生物屏障。

丁酸钠可以通过提高OCLN 和紧密连接蛋白（ZO-1） 的表达促进肠细胞创伤修复 （Ma 等，2012），丁酸能提高密封蛋白3（claudins 3）和4 的表达，并呈剂量依赖性的降低LPS 诱导的小肠屏障完整性和紧密连接渗透性的损伤 （Yan 等，2017）。 丁酸也能阻止LPS 诱导的Akt 和4E-BP1磷酸化的下调， 提示丁酸能通过Akt/mTOR 信号通路介导的蛋白质合成提高紧密连接蛋白的表达（Yan 等，2017）。 丙酸（1 ～15 mm）或低浓度丁酸（1 ～2 mm） 均能提高肠道杯状细胞中黏蛋白MUC2 的表达，从而促进肠道黏蛋白的分泌，减少致病菌的黏附， 这一过程可能是通过AP-1 和MUC2 启动子处组蛋白的甲基化或乙酰化调控的（Burger-van Paassen 等，2009）。研究表明，短链脂肪酸能通过不同的机制改善肠道屏障功能， 促进肠道健康。

2.2 改善肠道免疫功能 肠道不仅对营养物质的消化吸收至关重要， 而且还是机体巨大的免疫器官。 短链脂肪酸可通过多种途径调节肠道的功能。 研究发现，断奶仔猪日粮中添加450 mg/kg 的丁酸钠时， 空肠黏膜肥大细胞中组胺和类胰蛋白酶的浓度降低，TNF-α 和γ-干扰素（IFN-γ）的含量降低，TNF-α 与白细胞介素-6（IL-6）的mRNA表达量也降低，这一过程可能是通过JNK 信号通路实现的（Wang 等，2018）。Xu 等（2016）通过给初生猪每日灌胃7 ～13 mL 的丁酸钠， 连续灌胃7日发现， 炎症因子IL-6、IL-8、IFN-γ、TNF-β 的表达显著降低，新生仔猪肠道内炎症反应降低。 Chen等（2018）研究表明，初生仔猪静脉注射10 mL 200 mM 的丁酸钠，连续注射7 d，可显著降低组蛋白去乙酰化酶1（HDAC1）和促炎因子IL-6、 IL-18 和TNF-α 的表达，同时增加免疫球蛋白A（IgA）的分泌， 抵抗炎症对机体带来的不良影响。 Xiong 等（2016）研究证实，仔猪日粮中添加0.2%的丁酸，可以缓解大肠杆菌造成的溶血性尿毒症和肠道炎症， 促进大肠杆菌的清除， 并且通过抑制HDACs上调多种宿主防御肽（HDPs）的含量。脂多糖（LPS）会造成细胞内炎症反应， 乳酸菌或丁酸钠可通过减少IL-6、IL-8 mRNA 表达量， 缓解炎症反应（Farkas 等，2014）。 丙酸钠可以增加炎症体紧密连接蛋白ZO-1、occludin 和E-cadherin 的表达，抑制IL-1β、IL-6 和TNF-α 表达，抑制信号传导及转录激活因子3（STAT3）的磷酸化，抑制CD68 标记的巨噬细胞浸润到结肠黏膜中， 其可能通过STAT3信号传导调节炎症反应（Tong 等，2016）。SCFAs 还可以诱导T 细胞分化成为具有调节性的T 细胞，促进IL-10 的释放， 抑制效应T 细胞的增殖和激活，从而抑制炎症反应（Lopez 等，2014）。

2.3 调节肠道微生物结构 动物小肠和大肠中都寄居着大量微生物，总量超过1013个，包含500 ～1000 个物种， 含有的基因量是机体基因量的100多倍，被看做是机体的一个重要的代谢“器官”（Xu等，2003）。 越来越多的研究表明，肠道菌群的稳定对机体维持正常的生理水平有着重要的意义。 仔猪断奶易造成肠道菌群紊乱，产生腹泻，对仔猪的生长发育带来严重不良影响。而日粮中添加0.03%的包膜丁酸钠可以通过促进肠道乳酸杆菌、 双歧杆菌的增殖，抑制大肠杆菌的增殖，维持肠道菌群的稳定性，提高饲料转化率，降低腹泻率（李虹瑾等，2017）。 生长猪盲肠灌注25 mL 2M 丙酸，每日两次，持续14 d，结果发现可以提高结肠中酪胺浓度，降低尸胺浓度，并且提高拟杆菌门丰富度，降低厚壁菌门丰富度， 普氏菌属和拟杆菌属丰富度也显著提高，但Turicibacter在属水平的丰富度降低（Zhang 等，2018）。 新生仔猪灌胃丁酸钠可显著提高肠道内菌群ACE、Chao 指数，提高菌群多样性（Chen 等，2018）。断奶仔猪饲料添加1000 mg/kg 丁酸钠可显著提高结肠中香农指数（Shannon），降低辛普森指数（Simpson），并且回肠和结肠中乳杆菌科 （Lactobacillaceae） 丰 富 度 降 低， 梭 菌 科（Clostridiaceae）丰富度增加，结肠中疣微菌科（Ruminococcaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）和拟杆菌（Bacteroidetes）丰富度增加。 肠道绒毛中谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、TNF-α 水平升高，丙二醛（MDA）水平下降，使得肠道抗氧化和免疫水平提高，并且肠道微生物结构得到调节，从而促进肠道健康，降低仔猪腹泻率（Huang 等，2015）。

此外， 日粮纤维也能通过改变肠道中SCFAs的浓度，间接调节肠道菌群。 研究表明，用34%的高抗性淀粉饲料饲喂成年母猪2 周， 盲肠和结肠中各SCFAs 的浓度均显著增加，盲肠中单羧酸转运载体（MTS）的表达也显著增加，结肠和盲肠中菌群的结构和丰度都显著改变， 其中结肠中一些潜在的致病菌γ-变形菌门， 包括大肠杆菌和Pseudomonas spp.的丰富度显著降低，而对健康有益的产丁酸菌Faecalibacterium prausnitzii丰富度增加。 结肠中发酵产生的SCFAs 可以降低肠道的pH，从而抑制致病菌的过度生长（Roy 等，2006）。因此短链脂肪酸可通过改变肠道内菌群结构，提高有益菌数量，降低致病菌数量，改善肠道健康。2.4 调节机体的代谢 大量研究表明，短链脂肪酸可调节机体代谢健康。 乙酸、丙酸、丁酸或其混合物均可降低机体体增重和体脂含量， 增加能量消耗，并提高葡萄糖耐受能力，从而抵抗日粮诱导的肥胖（Lu 等，2016）。 Jiao 等（2018）研究表明，断奶猪灌胃短链脂肪酸混合物能显著降低血清中甘油三酯（TG）、胆固醇（TC）、高密度脂蛋白（HDLC）和胰岛素含量，提高血清中瘦素水平。肝脏中总脂肪含量和TC、TG 含量也显著降低。 脂肪、肝脏和背最长肌中与脂肪酸合成有关的基因脂肪酸合酶（FAS）、乙酰CoA 羧化酶（ACC）、胆固醇调节元件结合蛋白（SREBP-1）表达下降，与脂肪分解有关基因肉碱脂酰转移酶1（cCPT-1）表达增加。 表明短链脂肪酸可降低不同组织的脂质合成， 提高脂质分解从而降低机体的脂肪沉积（Jiao 等，2018）。此外，Wu 等（2013）研究发现，生长猪饲料中添加5%的可溶性高发酵性菊粉可显著增加体重，降低盲肠中乙酸含量，提高丙酸含量，并且降低血清中胰高血糖素含量，有降低血清中TC、LDL-C 的趋势。 血清中代谢产物异亮氨酸、 赤藓糖的含量提高，而脯氨酸、鸟氨酸的含量下降。 异亮氨酸与血清TC 含量成正比，而脯氨酸与TC、TG 和LDL-C成反比。 表明日粮纤维菊粉可通过改变肠道内SCFAs 的水平，调节机体氨基酸与脂代谢，对代谢类疾病的治疗有益处。 Ma 等（2015）研究发现，梅山猪和大白猪在哺乳早期结肠和盲肠中乙酸、丙酸和挥发性脂肪酸浓度不同， 梅山仔猪的浓度大于大白仔猪。梅山仔猪肠道中脂肪酶的活性更大，更能充分的利用乳汁与饲料中的脂质， 但梅山猪血清中HLD-C 与TC 含量更高，这可能也是生长后期，梅山猪体脂沉积远大于大白猪的原因之一。

3 SCFAs 在猪生产中的应用

3.1 改善仔猪生长性能 短链脂肪酸多用于仔猪生产中，尤其是断奶仔猪，可以调节仔猪肠道菌群稳定、 肠道免疫和胃肠道消化等功能。 研究表明，日粮中添加1000 mg/kg 丁酸钠能提高断奶仔猪的平均日增重，增加饲料转化率，并降低血清中丙二醛含量，提高IFN-γ 含量，从而提高机体抗氧化能力和增强免疫机能， 降低腹泻率（Huang等，2015）。沈建明等（2010）研究表明，保育猪饲料中添加0.05%的丁酸钠， 也能提高仔猪日增重和日采食量，并增加料肉比。 陈国顺等（2012）发现，在日粮中添加300 mg/kg 的丁酸钠， 可以显著提高断奶香猪的料重比，降低断奶仔猪的腹泻率，并增加血清中白蛋白/球蛋白、IgG 和碱性磷酸酶的水平，提高机体免疫力。李虹瑾（2017）等证实断奶仔猪饲料中添加0.03%的包膜丁酸钠， 可显著降低回肠中有害菌大肠杆菌数量， 增加盲肠和结肠中有益菌乳酸杆菌和双歧杆菌数量， 降低仔猪腹泻率。 郑荷花等（2013）发现，在仔猪46 ～66 日龄时饲料中添加0.05%的丁酸钾可提高仔猪对粗蛋白质、 粗脂肪和干物质等营养物质养分消化率。Lu 等（2012）研究表明，短链脂肪酸同样可以提高初生仔猪生长性能。 初生猪哺乳期每天灌胃两次0.3%的丁酸钠溶液， 总丁酸摄入量为500 mg/d时， 能显著增加猪哺乳期及保育期和生长期平均日增重、皮下脂肪组织、背最长肌中过氧化物酶体增殖因子激活受体α（PPARα）和过氧化物酶体增殖因子激活受体共激活剂1α（PGC-1α）蛋白的表达，提高脂肪酸氧化能力，可见丁酸钠可以提高猪生长后期的胴体品质。以上研究表明，短链脂肪酸可通过提高仔猪抗氧化能力和免疫力， 调节肠道菌群等降低仔猪的腹泻率，提高其生长性能。

3.2 改善育肥猪生产性能 短链脂肪酸用于育肥猪，可以提高其生长性能和胴体品质。 育肥猪每千克日粮中添加200 μg 的丙酸铬可显著提高日增重和瘦肉率，并降低脂肪率，从而提高胴体品质和肉质（陈常秀，2009）。 日粮中添加不同剂量的粉剂丁酸钠和包膜丁酸钠对生长猪采食量没有影响，但能提高生长猪日增重， 增加饲料转化率， 其中以500 mg/kg 的包膜丁酸钠和1500 mg/kg 的粉剂丁酸钠的效果最优。 此外，添加同水平的粉剂或包膜丁酸钠时，包膜的效果优于粉剂（董冠等，2012）。3.2 改善母猪繁殖与泌乳性能 短链脂肪酸还可以提高母猪繁殖与泌乳性能， 改善其抗氧化能力等。张小东等（2012）研究表明，在母猪妊娠后期添加500 mg/kg 的微囊丁酸钠和泌乳期添加300 mg/kg 的微囊丁酸钠， 能提高母猪在此期间的平均日采食量，降低母猪哺乳期体重损失，并增加仔猪哺乳期的平均日增重。此外，岳敏等（2014）研究发现，母猪妊娠期和泌乳期饲料中添加500 mg/kg的微囊丁酸钠， 可提高母猪血清超氧化物歧化酶（SOD）的含量，降低血清丙二醛（MDA）含量，改善母猪抗氧化能力。 并且丁酸组的仔猪初生窝重、初生均重、 断奶均重和平均日增重都显著高于对照组，腹泻率显著降低，因而初生仔猪生长性能得以提高。He 等（2016）通过在第一胎母猪配种前一个月至分娩后7 d 饲料中添加500 mg/kg 的丁酸钠， 发现丁酸钠可降低母猪的返情率和初乳中甘油三酯、瘦素水平，促进仔猪采食，从而增加哺乳期仔猪的平均日增重； 丁酸钠的添加也使初乳中炎症因子肿瘤坏死因子（TNF-α）水平降低，免疫球蛋白A（IgA）的水平增加，从而降低炎症水平，提高机体免疫力。

4 结语

短链脂肪酸可以促进动物的生长发育， 调节机体代谢健康，增加抗病性及防治胃肠道疾病等。生产上应用短链脂肪酸， 比抗生素更安全， 无残留，因此也可以作为一种替代抗生素的物质，具有广阔的应用前景。 但目前短链脂肪酸在生猪产业中的应用研究比较匮乏，添加量、添加形式、添加时间等都需要进一步完善。 因此， 深入研究短链脂肪酸的效益及其作用机理， 不仅对生猪产业的发展有指导意义， 而且能为畜禽新型饲料添加剂的开发和合理利用提供理论依据。