谷氨酸的脑肠反射及其对仔猪的营养作用

徐运杰 ， 胡凤娇 ， 罗振福

（1.山东和美集团有限公司，山东惠民 251700；2.唐人神集团股份有限公司，湖南株洲 412000；3.濮阳市动物卫生监督所，河南濮阳457000；4.湖南佳智生物科技有限公司，湖南长沙410200；5.湖南农业大学动物科技学院，湖南长沙 410128）

食物中的化学信号由全身的特殊受体检测，这些化学受体具有确保动物营养健康的多种功能。在外周，味觉和嗅觉的化学感觉为潜在食物的营养价值提供重要信息；消化道中的其他化学感觉也参与识别营养物质和刺激相关激素的释放，有助于消化吸收。最后，化学传感器，包括口腔和消化器官中的味觉和嗅觉传感器，向大脑发送信息，大脑对其进行处理，并将其与存储的信息进行比较，从而引发各种行为、生理和神经内分泌反应，以确保食物的正确使用。一种主要的化学感觉是味觉。在口腔中，味觉感受器已经进化到能够探测食物中相对较少的初级味觉的功能，其中，甜味进化为探测日粮中碳水化合物营养素，而咸味则探测必需的矿物质钠的存在，酸味可以防止摄入低pH的食物，如未熟的水果，而苦味可以防止植物中常见的有毒物质。

近年来，第五种基本的味觉鲜味，已经得到认可。这种味道被认为是日粮中蛋白质和氨基酸的信号。典型的鲜味刺激是L-谷氨酸（Glu），其通常以谷氨酸钠（MSG）的形式添加到食物中。MSG一直被用作调味品，其不仅起着感觉或味觉刺激的作用，而且在消化和食物使用中具有额外的生理作用。作为中间代谢过程中的一种基本底物，游离谷氨酸在大多数器官和组织（骨骼肌、大脑、肾脏和肝脏）中以相当高的浓度存在 （Young等，2000）。谷氨酸在能量代谢及其他氨基酸、谷胱甘肽和体蛋白的代谢中起着重要作用。在大脑中，Glu在局部由葡萄糖从头产生，是一种主要的兴奋性神经递质，其活性调节突触可塑性、学习、记忆、运动活动和神经发育。Glu通过激活大脑对消化、营养吸收、代谢和能量稳态等多种生理功能有促进作用。这些作用可能通过与迷走神经传入支功能性连接的肠腔Glu传感器或通过口腔内的传入感觉神经介导。本文从植物神经反射的角度，论述了谷氨酸的脑肠反射及其对仔猪的营养作用。

1 口腔味觉刺激对植物神经活动的调节

味觉受体的激活影响内脏传出神经的各种活动和功能。唾液分泌是味觉诱发的自主反射之一（Hector等，1999）。不同刺激诱导腮腺唾液流动的相对强度为柠檬酸（酸味）＞味精（鲜味）＞氯化钠（咸味）＞蔗糖 （甜味）＞硫酸镁 （苦味）（Hodson等，2006）。唾液的作用不仅润滑食物便于咀嚼和吞咽，而且启动营养物质（即碳水化合物和脂肪）的消化，因为其含有酶，如淀粉酶和脂肪酶等。此外，还有研究表明，甜味刺激（蔗糖和葡萄糖溶液）会增加大鼠胰腺和肝脏迷走神经的传出活动，而咸味刺激（高浓度氯化钠溶液）则抑制这种传出活动（Niijima等，1991a）。甜味刺激会在血糖浓度升高之前引起胰岛素释放，这一过程称为头期胰岛素释放（Steffens等，1976）。相比之下，甜味刺激能够抑制胃迷走神经传出纤维（VGE）的活动和肾上腺、胰腺和肝脏交感神经传出纤维的活动，而咸味刺激则能够加强这些活动（Niijima等，1991c）。此外，甜味信号能通过兴奋迷走神经刺激胃酸的分泌（Ikuno等，1990）。

味精溶液产生的鲜味能够激活VGE和胰脏、肝脏迷走神经纤维的传出活动，并与胰岛素分泌增加有关（Niijima 等，2000；1990、1991b）。 然而，Tonosaki等（2007）报道，味精水溶液不会引起头期胰岛素释放。因此有必要进一步研究味精在调控胰岛素分泌中的作用。总之，味觉能够反射性引起唾液、胃液和胰岛素的分泌，这对于能量代谢、食物消化和营养吸收都很重要。

2 肠道营养刺激对植物神经活动的调节

在胃肠道中，各种营养物质通过管腔上皮细胞探测和吸收。营养物质还可调节迷走神经传入纤维的活动和胃肠肽的释放，包括胆囊收缩素（CCK）、肽YY、胰高血糖素样肽-1（GLP-1）、瘦素和胃饥饿素等（Kitamura 等，2010、de Fonseka 等，2009）。 长期以来，人们认为胃迷走神经传入纤维仅能探测胃胀，不能探测单个营养素。Niijima等（2000）报道，谷氨酸能够诱发胃的内脏感觉。这在胃营养感知方面是重要的，因为这些数据表明，在胃黏膜中存在化学感知，特别是氨基酸（AA）传感系统。有趣的是，在20种氨基酸中，Glu能够单独刺激大鼠的胃迷走神经传入纤维（VGA）（Uneyama等，2006）。外周麻醉剂利多卡因腔内灌注可阻断Glu诱发的VGA激活，表明这种反应是胃黏膜内的一种化学反应。此外，Glu反应可以通过耗尽5-羟色胺 （5-HT）和抑制 5-HT 3型（5-HT3）受体或一氧化氮（NO）合酶而被阻断。 Uneyama等（2006）通过腔内灌注硝普钠（一种NO供体）模拟传入反应，发现NO供体诱导的传入激活被5-HT3受体阻断所消除。这一发现有力地支持了在NO和5-HT的刺激下，大鼠胃粘膜细胞与迷走神经之间存在细胞间通讯的可能性。全身超过90%的5-HT分布在胃肠黏膜的肠嗜铬细胞中，来自肠嗜铬细胞的5-HT通过特异性识别胃腔中的Glu而发挥旁分泌功能，这与十二指肠中葡萄糖传感系统的作用类似。

肠腔层营养物质的传感（感受）器是“肠传感细胞”。营养感应细胞主要分布在胃窦或十二指肠黏膜，当这些细胞与管腔中营养物质相互作用时，它们以内分泌或旁分泌的方式释放激素，通过内分泌或迷走神经途径将管腔营养成分的信息传递给其他器官，包括大脑。然而，这些参与肠道营养感知系统的细胞在很长一段时间内未被确认。与口腔味觉细胞相似的类味觉细胞分布在胃和肠黏膜中，Ho..fer等（1996）认为，这些类味觉细胞就代表了未知的传感器细胞。随后，随着分子生物学技术在味觉研究领域的发展，人们已经鉴定出几种对不同氨基酸反应的味觉感受器。代谢型谷氨酸受体、钙敏感受体和味觉受体家族1成员1（T1R1）的异二聚体和T1R3、T1R1/T1R3都与舌头的氨基酸感觉有关，这些同样的受体也是管腔氨基酸感受器的候选受体。尽管在胃黏膜中感知Glu的分子机制还不清楚，但胃内输注MSG会引起迷走神经反射，从而增加VGE，以及迷走神经胰腺和腹腔的传出活动。另一种增强MSG与味觉受体结合的鲜味物质肌苷5'-单磷酸，能够协同增强鲜味强度，激活VGA和增加腹腔迷走神经纤维的传出活性 （Kitamura等，2011）。由于游离Glu与日粮蛋白质的共存在食物中非常普遍，这表明胃中的Glu传感系统有助于蛋白质在胃中的消化，并且通过兴奋迷走神经传入纤维，整合大脑中的营养信息。

相反，十二指肠内注入氨基酸或寡肽会改变腹腔迷走神经传入纤维（VCA）的活动，VCA活动的改变引起植物神经反射并调节各种内脏功能。Niijima等（2005）报道，肠内注入 MSG、赖氨酸和亮氨酸能够引起VCA的兴奋反应；相反，肠内注入甘氨酸、蛋氨酸和某些其他氨基酸则抑制VCA的兴奋反应。另外，肠内注入MSG能够导致VGE和胰腺迷走神经传出活动增加，赖氨酸则诱发VGE活动的长期增强，但是，肠内输注甘氨酸抑制了 VGE 活动 （Niijima 等，2005、2000、1991b）。Eastwood等（1998）用大鼠研究表明，十二指肠输注蛋白质水解物（如蛋白胨）也增加了肠系膜迷走神经纤维的传入活动，表明十二指肠存在氨基酸传感器或寡肽传感器。

3 肠道营养刺激后的脑活动变化

除了自主神经反射外，摄入营养素的效应在前脑中进行加工处理，前脑决定食物是否好，并随后调节采食行为。 Tsurugizawa等（2009a、2008）使用功能磁共振成像（fMRI）技术研究了大鼠大脑中哪些区域对摄入的营养物质有反应。结果表明，胃内灌注一定量 （60 mM）MSG显著激活了包括杏仁核、下丘脑外侧、下丘脑背内侧和内侧视前区在内的几个脑区域；胃内灌注葡萄糖激活了岛叶皮质、杏仁核、伏隔核（多巴胺终末投射区域）、下丘脑外侧和腹内侧。经过反复训练，可以增加对灌注溶液味道的偏好，这种模式被称为条件性风味偏好（CFP）。行为学研究表明，啮齿动物胃内输注碳水化合物、脂类和酒精可诱发 CFP（Sclafani等，2007）。60 mM MSG胃内输注可诱发大鼠的CFP。尽管480 mM高渗葡萄糖水溶液能诱发CFP，但是，等能量 （60 mM）葡萄糖和等渗NaCl溶液不能诱发CFP，更高浓度的葡萄糖则会导致血糖和胰岛素的升高（Uematsu 等，2010、2009）。这些结果表明，对调味液与MSG肠道输注的偏好既不是由于热量效应，也不是由于高渗效应诱导的。综合分析以上脑功能成像和CFP研究结果，脑的前扣带回皮质、岛叶皮质、杏仁核、尾壳核、海马和下丘脑外侧等区域与CFP相关，尤其是下丘脑外侧区是调节食物或液体摄入的重要区域（Tsurugizawa 等，2009a、2009b）。另外，Touzani等（2002）报道，胃内输注葡萄糖导致下丘脑外侧部CFP降低，当细胞内葡萄糖水平增加时，存在于下丘脑腹内侧的葡萄糖敏感神经元被激活。还有研究表明，糖的摄入增加了大鼠伏隔核壳层区多巴胺的释放，导致对所有的糖上瘾（Mark等，1994）。另外有研究发现，胃内灌注Glu并没有激活伏隔核，腹侧被盖区神经元的损伤没有影响大鼠对Glu 的偏好（Shibata等，2009）。 结果表明，Glu 的摄入后效应不同于糖和脂类。

功能磁共振成像显示，Glu和葡萄糖激活大脑的时间过程是不同的。胃内输注60 mM Glu，只在输注期间引起大部分大脑迷走神经传入激活。相比之下，胃内注入60 mM葡萄糖可引起持续1 h以上的长期激活。大脑中这些不同的时间和区域激活模式是由于肠道和大脑之间不同的信号通路导致的，它们对摄食后行为产生显著的影响。

4 脑-肠轴调控新陈代谢的信号机制

动物摄取的食物作为胃肠道的营养素以自由形式被消化和吸收。营养物质激活支配整个胃肠道的迷走神经传入纤维，然后将信息投射到脑区的孤束核（NTS），同时，胰岛素和GLP-1等外周体液因子也被释放。在胃和肠的管腔层（特别是十二指肠）表达有大量的化学感觉味觉受体和G蛋白偶联受体。负责化学感知甜味和鲜味的T1R受体和介导化学感知苦味的味觉受体家族2（T2R）受体都在肠道中表达（Rozengurt等，2006；Dyer等，2005）。一种脂肪酸受体G蛋白偶联受体120（GPR120）存在于口腔和胃肠道中，游离脂肪酸与他相互作用以诱导循环GLP-1的释放（Hirasawa等，2005）。游离脂肪酸还与胃肠道中的另一个G蛋白偶联受体GPR40相互作用，促进GLP-1的分泌 （Itoh等，2003）和CCK 的分泌（Beardshall等，1989）。 GLP-1和 CCK在包括杏仁核在内的几个脑区可引起c-fos阳性免疫反应（Viltart等，2006）。

电生理学研究表明，氨基酸和脂质的胃内和肠内传递均能激活迷走神经传入反应，门静脉注射氨基酸也能激活迷走神经传入反应 （Niijima等，1995）。迷走神经的传入反应对肠道营养信息向大脑的传递具有重要生理作用。有趣的是，行为学研究表明，腹腔迷走神经切断术消除了大鼠对胃灌注Glu 时的 CFP 反应（Uematsu 等，2010），但不影响胃灌注碳水化合物时的CFP反应 （Sclafani等，1996）。fMRI研究表明，全迷走神经切断术和腹迷走神经切断术降低了Glu诱导的NTS和下丘脑激活，而全迷走神经切断术对葡萄糖诱导的脑激活没有影响，这可能与胰岛素的波动相关（Tsurugizawa等，2009a）。迷走神经切断大鼠的fMRI研究结果与摄食后行为学研究结果一致，表明对Glu反应的内部信号主要涉及迷走神经，而对葡萄糖反应的内部信号至少部分涉及胰岛素。最后，动物对不同的营养物质有不同的摄食后效应，导致前脑区域激活。大脑激活的时空模式可以将餐后维持体内平衡的行为和生理效应联系起来。

5 日粮补充谷氨酸或谷氨酰胺对仔猪的重要性

谷氨酸和谷氨酰胺是哺乳仔猪和断奶仔猪肠上皮细胞的主要代谢燃料，其中，谷氨酰胺是动物血液和体组织中较为丰富的一种游离氨基酸。断奶是仔猪的一个关键时期，因为日粮和物理环境发生了重大变化。腹泻是断奶期间和断奶后较严重的问题之一。添加谷氨酸或谷氨酰胺，不但可以调节日粮的风味，还可以调节从液体到固体变化带来的负面影响，并为肠道提供能量，改善肠道健康。敖翔等（2017）研究表明，在饲粮中添加1%谷氨酰胺可通过促进肠道健康发育，改善养分表观消化率，从而显著提高断奶仔猪生长性能。与对照组相比，试验组前期和全期的日增重分别显著提高30.55%和23.95%，料重比分别降低12.90%和13.33%。与刘涛等（1999）的研究结果相似。汪龙梅等（2016）和王秀英等（2016）研究表明，Glu 可以缓解LPS刺激引起的断奶仔猪肝脏能量代谢紊乱和肠道损伤。Wu等（2012）研究表明，口服Glu可改善断奶仔猪的肠黏膜形态，Glu与N-氨基甲酰谷氨酸（NCG）联合应用对肠上皮细胞增殖的影响优于单独应用Glu。Wang等（2019）研究表明，即使在低能量日粮条件下，添加0.5%～1%的谷氨酸和谷氨酰胺也能减轻断奶应激对仔猪肠道屏障功能的损伤。Lerner等（2018）研究了MSG对保育猪生产性能的影响，结果表明，在整个保育期，饲料转化率随MSG的增加而降低，并没有改善保育猪的生产性能。原因可能是随着MSG添加量的增加 （0%、0.5%、1.0%、1.5%和 2.0%），日粮中 Na+不平衡，从而导致采食量减少。

6 结语

综上所述，谷氨酸在鲜味和内脏信息的感知、内外分泌系统的调节和兴奋性神经传递中起着重要的生理作用。日粮中谷氨酸也会刺激胃肠中的谷氨酸传感器，对肠道功能产生局部影响。此外，通过释放信号分子NO和5-HT，存在于肠道中的谷氨酸诱导迷走神经传入神经纤维激活，进而调节大脑中的一些靶区。谷氨酸的摄食后效应也不同于葡萄糖和脂类。总之，日粮中的谷氨酸影响许多生理功能，在维持动物体内稳态和幼小动物肠道健康方面具有广泛的生理意义和营养作用。实际生产中，建议在哺乳仔猪、断奶仔猪、病弱猪日粮中添加0.5%～1%的谷氨酸或谷氨酰胺，如果以谷氨酸钠形式添加，需要注意离子的平衡。