膳食纤维对仔猪肠道健康的影响及机制

伍 剑 ，周 盼 ，钟 铭 ，任 波 ，李 勇

（1.广西商泰生物工程有限公司，广西 南宁 530000；2.西南科技大学，四川 绵阳 621000；3.广西商大科技股份有限公司，广西 南宁 530000）

仔猪健康是养猪生产效益的重要保证。哺乳仔猪在断奶时面临着环境和营养物质来源改变的双重压力，表现出以生长率和营养物质吸收率降低、肠道功能紊乱及敏感性增加、腹泻和高死亡率为主要特征的断奶应激综合征（Aumaitre 和Corring，1978）。由断奶应激导致的仔猪胃肠道功能失调往往给养猪业带来巨大的经济损失 (Lallès et al., 2007)。随着我国农业农村部第194号公告的出台，饲料药物添加剂抗生素类已于2020年7月1日正式退出我国畜牧业的历史舞台。因此，寻找能够缓解仔猪断奶应激的安全且有效的功能性营养物质成为了猪营养研究的热点。目前，许多研究已经证实在饲粮中添加膳食纤维（Dietary fi ber，DF）是改善断奶仔猪肠道功能健康和生长性能的较为直接的方法之一，但不同DF类型之间的研究结果仍然存在很大差异。因此，文章基于DF对断奶仔猪消化能力和消化道健康、肠道微生物区系变化的影响及可能机制，探讨断奶仔猪日粮中添加DF的可行性。

1 断奶仔猪的生理及微生物群落变化

仔猪在断奶时面临着一系列的应激因素，其中最主要的应激就是营养来源从母乳直接转变为植物性的固体饲料（Guevarra et al., 2019）。在这期间，断奶仔猪常常面临着胃肠道结构和功能的改变，包括肠道微生态平衡和肠道屏障功 能（Montagne 等, 2007；Pluske等，2013）。根据Awati等（2006），仔猪的断奶变化可以分为两个阶段：一是以采食量降低和肠道结构和功能改变为特征的急性阶段；随后断奶仔猪将进入第二阶段，即适应性的成熟阶段。在急性阶段，仔猪肠道的消化酶活性下降，肠道形态学退化（包括绒毛萎缩和隐窝增生），肠道紧密连接蛋白occludin（OCLN），claudin-1（CLDN1） 和ZO-1的mRNA表达受损，免疫应答损伤和炎症因子增加（Pluske 和Williams等，1997；Hu 等，2013；Zhu等，2013；Pié等，2004）。在成熟阶段，仔猪开始适应固体饲料，肠黏膜质量增加，肠道微生物数量稳定并具备更强的发酵能力。

哺乳动物的胃肠道内定植着复杂的微生物群落，这些微生物在调控宿主营养吸收、肠道功能及免疫应答等方面具有重要作用（Kamada等， 2013）。据统计，猪结肠中细菌数量可以达到每克食糜 含1 ×1010～1×1011个（Gaskins等，2002）。断奶期间仔猪的肠道微生物和机体的免疫系统均处于一个发展阶段，仔猪在这个阶段容易受到病原菌的侵袭导致断奶腹泻的发生（Gresse等，2017）。目前的研究表明，肠道的整个微生物区系变化导致了断奶仔猪的腹泻（Dou等，2017），而非仅是个别病原菌所致。肠道微生物在这个阶段出现的失调，具体表现为微生物多样性降低和一些特定菌属相对丰度的变化，包括Lactobacillus的降低；Acetivibrio，Dialister，Oribacterium，Prevotella和Proteobacteriaceae等的 增 加(Konstantinov 等，2006；Levesque等，2014；Mach等，2015；Guevarra 等 ，2018）。而仔猪断奶时微生物群落的变化，被证实与断奶导致的肠道炎症相关。仔猪断奶时的采食量急剧下降会导致肠道炎症的发生。肠道的炎症状态会导致机体活性氧如一氧化氮（NO）的产生，NO在释放进入肠腔后会迅速被转化为硝酸根离子（NO3-）（Gresse等，2017；Zeng等，2017；Pluske等，2018），而NO3-环境有利于编码硝酸还原酶基因的Enterobacteriaceae的 生 长（Pluske等，2018）。Enterobacteriaceae的主要病原菌，包括Salmonella enterica serovarTyphimurium和Enterotoxigenic E. coli（ETEC），会进一步诱导炎症的发生并破坏仔猪肠道微生物的区系平衡（Drumo等，2015；Pollock等，2018）。在一个Salmonella Typhimurium感染的断奶仔猪模型中，Arguello 等（2018）发现仔猪回肠黏膜的某些有益菌如Bifi dobacterium和Lactobacillus的数量下降，而有害菌Citrobacter数量上升，且某些厌氧菌如Clostridium，Ruminococcus和Diallister受到明显抑制。因此，仔猪断奶时肠道炎症的发生会导致其肠道微生物区系的紊乱，有利于肠致病性菌尤其是Enterobacteriacea的生长，从而引起仔猪腹泻。

2 膳食纤维的定义及营养生理特性

1953年，Hipsley提 出DF是植物细胞壁的非可消化成分，如纤维素、半纤维素（包括非淀粉多糖 Non-starch polysaccharides，NSP）和木质素。之后，关于DF的定义出现了很多不同的解释，目前比较广泛接受的定义是由美国谷物化学家协会（American Association of Cereal Chemists，AOAC）提出的：膳食纤维是指可抵抗人小肠消化和吸收而在大肠内被部分或全部降解的植物的可食用部分或者类似的碳水化合物，包括寡糖、多糖、木质素和其他相关的植物种质。

由总膳食纤维测定法（AOAC，2007）得到的DF可分为可溶性膳食纤维（Soluble dietary fi ber，SDF）和不可溶性膳食纤维（Insoluble dietary fi ber，IDF）。由 于 物 理 化学性质的差别，不同类型的DF通常表现出差异极大的生理学效应（Hamaker等，2014）。SDF由于发酵性很强，被证实比IDF在细菌代谢上发挥更大的作用（GrÅsten等，2002）。SDF由于拥有较高的持水力和黏性，被认为可以降低胃排空速率；而IDF则被认为由于具有较低的微生物可降解性，可以增加粪便的排泄（Serena等，2008）。实际上，有很多因素可以影响DF发酵，包括DF的来源、溶解性、木质化程度、肠道通过时间及机体自身生理条件等。一般而言，SDF较IDF更加容易、快速且完全地在大肠内被发酵（Bach Knudsen等，1991）。这是因为水合特性高的DF由于在水中具有更大的延展性和分散性从而极大降低了其物理性屏障（Canbe等，2002）。Serena 等 (2008) 分 别给母猪饲喂含有低DF、高SDF和高IDF的饲粮后发现，高SDF组母猪的碳水化合物在大肠内的消失率显著高于高IDF组母猪，提示我们含有高不可溶和木质化程度较高的DF会限制营养物质在猪只大肠内的微生物可降解性（Bach Knudsen等，1991）。

DF在大肠内被固有微生物发酵的产物包括短链脂肪酸（Short chain fatty acids, SCFAs）、乳酸盐、琥珀酸盐、H2O、气体及细菌细胞体。在肠腔内pH较低或腔内SCFAs浓度较高时，SCFAs可以在肠腔内快速被吸收，据估计大约有95%～99%的SCFAs可以在达到直肠前被吸收（Von Engelhard等，1989）。而SCFAs所提供的平均净能占机体维持净能的比例，在生长育肥猪上 可 以 达 到15%～24%（Yen等，1991），在人类上可以达到5%～10%（Nordgaard等，1995）。

3 膳食纤维对断奶仔猪肠道屏障和消化功能的影响

肠道是哺乳动物营养物质消化吸收的主要场所，也是机体最重要的免疫器官。肠道屏障包括紧密连接蛋白（（ZO-1, CLDN1和 OCLN）、黏液以及免疫组分如sIgA（Salonen等，2014）。肠道屏障在猪只健康中扮演着重要角色，它能够阻止肠道细菌尤其是有害菌通过肠上皮细胞(Ulluwishewa等, 2011)。其中，紧密连接蛋白可以在两个相邻细胞的边界上形成紧密连接，以维持肠道的完整性(Li等，2012)，是机体抵抗外界有害物质侵袭的有效结构屏障（Michiels等，2011）。而黏液层由杯状细胞分泌产生，通过给肠道上皮细胞提供保护性的屏障和为微生物提供定植位点，来隔离肠腔内容物(Paturi et al., 2012)。MUC2是主要的分泌型黏蛋白，而MUC3和MUC4是由杯状细胞表达的跨膜黏蛋白(Corfi eld等, 2000)。

研究发现，添加DF，在一定程度上可以通过增加紧密连接蛋白的表达或黏液的分泌，来缓解仔猪断奶应激导致的仔猪肠道屏障损伤。Zhu等(Zhu et al., 2020)研究发现，给断奶仔猪添加0.5%的焦糊精（淀粉经过热、酸处理，表现为DF生理特性），显著增加了仔猪回肠绒毛高度以及ZO-1和CLDN-1的mRNA表达，并有效降低了仔猪的腹泻发生率。DF应用在断奶仔鼠上的研究发现，添加5%的菊粉能够增加结肠MUC3mRNA的表达和单个隐窝的杯状细胞数量，且MUC3mRNA的表达与结肠SCFAs的浓度呈显著正相关关系(Paturi et al., 2012)。由此表明，DF或其发酵产物SCFAs对断奶仔猪肠道黏蛋白的表达和结肠形态学的发育有利。

而关于不同类型DF对断奶仔猪肠道屏障的影响是否一致，目前的研究结果存在不一致性。同样给断奶仔猪分别添加总DF含量恒定（1%）但SDF（菊粉）和IDF（纤维素）比例不同的饲粮连续4周，Chen等在2019年结果显示，仅1%SDF处理同时显著增加了结肠黏膜CLDN-1、MUC2、ZO-1和OCLN的mRNA表 达(Chen et al., 2019)。有趣的是，其在2020年的研究结果则显示，同时添加SDF和IDF的两个组，即前两周-0.75%IDF+0.25%SDF-后 两 周-0.25%IDF+0.75%SDF组（CRMDF）和0.5%IDF+0.5SDF组（MDF），仔猪回肠黏膜OCLN、 CLDN-1和MUC1的mRNA表达显著上调，且这两个组的饲料转化率显著高于对照组，而MDF组仔猪在后两周的腹泻率仅为对照组的21.4% (Chen等，2020)。由此可见，SDF和IDF对断奶仔猪肠道屏障功能的改善作用可能与肠道位置有关。SDF在改善后肠（如结肠）肠道屏障功能方面更为有效，而SDF和IDF的联用则在改善前肠肠道屏障功能方面更具潜力。

实际上，IDF对前肠肠道屏障和消化能力的有益效应在其他研究中也得到了证实。例如，Pascoal等（2015）给断奶仔猪分别饲喂DF含量一致、来源不同（纤维素、大豆皮和柑橘渣）的饲粮后发现，尽管大豆皮和柑橘渣组仔猪35日龄的空肠杯状细胞数量显著高于纤维素组，但其绒毛密度则显著低于纤维素组，且纤维素组仔猪21～50日龄的平均日增重（ADG） 和平均采食量（ADFI）均较其余两组显著升高，饲料转化率较柑橘渣改善了23%（柑橘渣组仔猪的相应指标最低）。Pascoal等（2015）发现，断奶仔猪饲粮中连续9 d添加果胶（SDF）。降低了仔猪ADFI、 ADG和饲料转化率，且降低了小肠绒毛高度和隐窝深度以及小肠隐窝中的黏蛋白数量；而大豆皮组（主要为IDF）则呈现相反的效应，表现为绒毛高度和黏膜消化酶活性的升高。值得注意的是，在前述两个试验中均观察到了仔猪ADFI的降低，而低采食量被认为可以导致肠道结构的损伤（Pluske 等，1997）。这种低采食量带来的效应已经被发现可能是饲粮成分影响小肠肠黏膜完整性的直接因素。（Spreeuwenberg等， 2001； Marion等，2002；Vente-Spreeuwenberg等， 2003）。而添加SDF果胶引起仔猪采食量和体增重下降的原因可能与其较差的适口性以及食糜黏性增加引起的饱感增加有关(Hedemann 等, 2006；Watanabe 等，2010)。

当排除了采食量的影响之外，DF本身似乎也对猪只肠道屏障功能发挥着重要作用。微生物或者其发酵产物SCFAs被认为是DF改善肠道屏障功能的重要因素（Madsen等，2001；Keeney和Finlay等，2011；Pascoal 等，2015）。体 外 研 究 证实，特定细菌可以影响猪只肠道屏障的完整性，Lactobacillus增加了Caco-2 cells的OCLN、 CLDN-1的mRNA表 达（Anderson等，2010），而Escherichia coli则可以通过从上皮细胞解离紧密连接蛋白而导致紧密连接结构的破坏（Spitz等，1995；Muza-Moons等，2004）。在小鼠模型上，研究者们也发现Lactobacillus和Bifi dobacterium可以上调紧密连接蛋白CLDN-1和OCLN的mRNA表达，从而保持肠道机械屏障的完整性 (Wang等， 2014)。Dai等（2012）对 益 生 菌改善肠道屏障的分子机制进行了体内和体外研究后发现，益生菌均能够使磷酸化p38（P-p38）和磷酸化ERK（P-ERK）的表达增加，由此推断，益生菌对上皮细胞屏障的保护作用是通过激活p38 和ERK 信号途径实现的。而对于SCFAs，Matheus等（2017）的研究结果显示，饲粮中添加丁酸可以通过上调CLDN-1的mRNA表达，抑制高脂饲粮诱导的肠上皮屏障的破坏。这 与Peng等（2009）和Paturi等（2012）的研究结果一致，他们均观察到了丁酸通过增强紧密连接蛋白或黏蛋白的表达，增强肠道屏障的完整性这一情况。同时，Peng等（2009）还发现，丁酸是通过激活AMP-activatedprotein kinase（AMPK）来实现这一效应的。另外，乙酸也被证实可以通过诱导黏蛋白的分泌来防止黏蛋白缺乏小鼠炎症性肠病的发生（Kumar等，2016）。Chen等（2019）在发现SDF组仔猪结肠MUC2mRNA表达增加的同时也发现结肠SCFAs含量的升高，这是因为DF主要在后肠发酵，因此其发酵产物SCFAs在后肠的产量也是最高的。这从一定程度可以解释为何SDF在改善后肠肠道屏障功能方面更为有效。

由此可见，SDF和IDF可以通过不同的途径来影响断奶仔猪肠道屏障的完整性，且其不同的途径与DF本身的物化性质紧密相关。IDF主要通过增加断奶仔猪的采食量来改善其肠道形态和屏障完整性；而SDF则主要通过微生物及其发酵产物SCFAs来改善后肠的肠道屏障完整性，但黏性SDF可能会降低采食量从而对前肠肠道形态和屏障，甚至对于生产性能产生负面效应，因此添加时要进行科学考量。

4 膳食纤维对仔猪肠道微生物区系和短链脂肪酸产量的影响

既然DF能够通过调节微生物及其发酵产物SCFAs改善断奶仔猪肠道屏障结构和功能，那么DF对肠道微生物群落及其代谢产物SCFAs的具体影响值得我们进一步剖析。作为后肠微生物的主要能量来源，DF在单胃动物后肠发酵可以产生一系列的发酵产物，而SCFAs是最重要的产物。其中乙酸、丙酸和丁酸的含量尤其丰富，大约占结肠总SCFAs的90%～95%（RIOS-COVIAN等，2016）。DF影响猪只肠道微生物群落的途径主要有两条：一是作为能源底物选择性地增加可降解其特定细菌的增殖；二是通过其发酵产物SCFAs酸化猪只肠道环境进而抑制某些病原菌的增殖。

不同类型的DF对猪只肠道微生物群落和SCFAs的影响呈现了显著的差异性。但总的来看，DF对肠道尤其是后肠微生物群落和其代谢产物存在积极的正面效应。Zhu等（2020）发现，焦糊精的添加增加了回肠Psychrobacter和Prevotella的相对丰度。这两个菌属被证实在营养物质吸收和免疫调控方面发挥重要作用。Psychrobacter菌属下的多种菌种均被用作益生菌来改善鱼类的饲料效率、消化酶活性、免疫应答和肠道微生物多样性（Sun等，2011；Yang等，2011；Makled等，2017）；而Prevotella菌种是反刍动物牛和绵羊瘤胃和后肠的优势菌种，主要参与饲粮蛋白质和碳水化合物的发酵，来自Prevotella家族的菌种和Lactobacilli已被证实可以将植物来源的非淀粉多糖降解为SCFAs（Ivarsson等，2014；Ganzle等，2012）。而该研究还发现，产SCFAs菌属Prevotella_1、Ambiguous_taxa等的增加则可以进一步解释粪便中SCFAs含量的增加。另外，Chen等（2013）发现，麦麸纤维和玉米纤维的添加增加了回肠Lactobacillus和结肠Bifi dobacterium的数量。Chen等（2020）的研究也有类似发现。关于DF添加增加了回肠而非后肠Lactobacillus的数量的原因，可能与Lactobacillus的定植位点有关。研究证实，Lactobacillus是小肠而非结肠的优势菌种(Wang等，2010；Lin等，2011)。Chen等（2019）观察到，菊粉添加使结肠各种SCFA（乙酸、丙酸、丁酸）的含量均增加，而纤维素组仅增加了乙酸的含量。这可以从肠道微生物群落数量的变化来解释——菊粉增加丁酸含量的原因是Actinobacteria的相对丰度上升，而Actinobacteria可以产生大量丁酸（Davis 和Milner，2009）。在抵抗有害微生物方面，DF也展现了较为显著的效应。Pascoal等（2015）发现大豆皮和柑橘渣添加降低了猪只小肠E. Coli的数量。这与Halas等（2009）和Schiavon等 （2004）的研究结果一致，他们在菊粉和甜菜渣上也观察到了对E. Coli的抑制作用。

不同类型DF对断奶仔猪肠道微生物区系的差异性影响可能取决于DF本身的物理化学性质和成分的 差 异（Zhao等，2018）。IDF可能通过增加粪便体积，刺激胃肠道的蠕动降低食糜的通过时间 （Chau等，2007），从而降低胃肠道有害菌的增殖（Wilfart 等， 2007）。而SDF则可能更多通过其发酵产物SCFAs酸化肠道环境来抑制病原菌的定植，因为大多数的病原微生物倾向于在中性或碱性的生长环境（Gibson和 Wang, 1994）。而SDF的发酵产物SCFAs中含量最高的乙酸，可以抵抗包括Pseudomonas aeruginosa和Listeria monocytogenes在内的多种病原菌的定植（Gonzalez-Fandos 和Herrera 2014；Madhusudhan， 2016）。

5 小结

仔猪在断奶时经历着复杂的生理变化，其中胃肠道屏障功能损伤和肠道微生态紊乱是导致仔猪断奶死亡的主要原因。在断奶仔猪饲粮中添加DF，对仔猪肠道屏障和微生物群落具有一定的改善作用，且其发挥作用的途径跟其物理化学性质密切相关。IDF主要通过增加断奶仔猪的采食量来改善其肠道形态和屏障完整性，并通过刺激仔猪胃肠道的蠕动、降低食糜的通过时间来降低有害菌在胃肠道中的增殖。而SDF则主要通过微生物及其发酵产物SCFAs来改善后肠的肠道屏障完整性，并且酸化的肠道环境抑制了病原菌的定植，但应该注意的是黏性SDF可能会降低采食量，从而对前肠肠道形态和屏障甚至于生产性能产生负面效应，在应用时应对其添加量进行严格把关。