馮江鑫 陳代文 余 冰 何 軍 鄭 萍

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物營養(yǎng)研究所，動物抗病營養(yǎng)教育部重點實驗室，成都611130)

腸道是機體重要的消化和免疫器官，不僅決定了營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收狀況，還對機體是否能有效地抵抗致病微生物的侵襲，保障機體免疫水平、決定機體的健康狀況起到至關(guān)重要的作用。纖維具有消化率低、能值低兩大特點，在豬生產(chǎn)中，傳統(tǒng)觀點認為纖維會使飼糧的消化率降低，稀釋飼糧中營養(yǎng)物質(zhì)的水平并降低動物的生長性能。因此有大量學(xué)者研究如何使用外源酶制劑消化動物內(nèi)源酶不能消化的纖維素或半纖維素，以期降低纖維對豬生長的影響。然而，近期有越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，纖維及其代謝產(chǎn)物對豬腸道健康有不可忽視的積極作用，尤其是在調(diào)節(jié)腸道微生物和增強腸道免疫等方面。本文就纖維對豬腸道屏障的調(diào)節(jié)作用及相關(guān)機理做出綜述，以期幫助人們對纖維的深入認識和科學(xué)利用。

1 纖維的定義及理化性質(zhì)

1.1 纖維的定義

纖維廣泛存在于各種植物飼料中，具有復(fù)雜的組成成分，因此至今仍沒有一個確切且公認的定義。最早為纖維定義的是Hipsley，該學(xué)者于1953年定義纖維為“植物細胞壁中不可消化的部分”[1]。2001年美國谷物化學(xué)學(xué)會(AACC)定義纖維為在小腸中不被消化酶消化利用，但能被大腸中某些微生物發(fā)酵的可食碳水化合物及類似物的總稱。雖然歷史上不同學(xué)者對纖維的定義說法不一，但是對其作用卻有著共同的認可，即在小腸中不能被消化吸收但是可以在大腸中被微生物發(fā)酵利用的植物性物質(zhì)。

1.2 纖維的理化性質(zhì)

1.2.1 黏性

纖維的黏性對纖維功能的發(fā)揮有重要影響。纖維的黏性主要取決于纖維中多糖分子與共價鍵或非共價鍵的相互纏繞結(jié)合，其結(jié)合形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使纖維溶解后的水溶液呈現(xiàn)出一定的黏性。纖維黏性的高低主要與多糖分子量和側(cè)鏈有關(guān)，一般而言，纖維素、木質(zhì)素等不溶性纖維的黏度較低，阿拉伯木聚糖、果膠等可溶性纖維的黏度較高[2]。

1.2.2 水合作用

纖維的水合作用主要包括水溶性和持水性。纖維的水溶性是纖維分類的重要依據(jù)之一，指的是纖維與水結(jié)合形成膠狀懸濁液的能力[3]。根據(jù)水溶性的不同，纖維可分為可溶性纖維和不溶性纖維，木質(zhì)素和纖維素等屬于不溶性纖維，瓜爾膠和果膠則屬于水溶性纖維。持水性是指每單位質(zhì)量的纖維所能吸收的水分的質(zhì)量，是纖維與水結(jié)合能力大小的體現(xiàn)[4]?？扇苄岳w維與不可溶性纖維都具有較強的持水性，但是通常情況下不溶性纖維的持水性小于可溶性纖維。

1.2.3 可發(fā)酵性

纖維的可發(fā)酵性與其來源和木質(zhì)化程度有關(guān)，不同來源的纖維可發(fā)酵性不同，木質(zhì)化程度高的纖維可發(fā)酵性低。如果膠和木質(zhì)素，果膠的可發(fā)酵性很強，但木質(zhì)素卻幾乎不發(fā)酵。一般來講，纖維的木質(zhì)化程度越高，可發(fā)酵性越低。飼糧纖維不能被單胃動物內(nèi)源酶所消化，只能在大腸中被微生物發(fā)酵生成短鏈脂肪酸(SCFAs)后被利用。纖維發(fā)酵產(chǎn)生的SCFAs的總量和種類隨纖維來源的變化而變化。

2 纖維對腸道屏障功能的影響

腸道不僅是機體內(nèi)消化吸收營養(yǎng)物質(zhì)的重要場所，還是機體抵御異物的第1道防線。腸道將腸腔環(huán)境與機體內(nèi)組織環(huán)境分隔開，保護機體免受食物中抗原、病原微生物及其產(chǎn)生的有害代謝產(chǎn)物損害，是保持機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的先天性屏障。腸道屏障主要由腸道內(nèi)正常菌群、黏液層、腸道上皮和腸道免疫系統(tǒng)組成(圖1)[5]。

SIgA：分泌型免疫球蛋白A secretory immunoglobulin A。

圖1腸道屏障功能

Fig.1 Intestinal barrier function[5]

2.1 纖維對腸道內(nèi)正常菌群的影響

機體的腸道是一個非常復(fù)雜的相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，腸道內(nèi)寄居著大量的細菌，小腸內(nèi)細菌數(shù)量較少，其中十二指腸中細菌數(shù)量為103～104個/mL，回腸末端細菌數(shù)量約為108個/mL，大腸中細菌數(shù)量較多，約為1011個/mL[6]，種類在500種以上[7]。腸道微生物是腸道防御屏障的重要組成部分，對機體健康有重要作用。正常情況下，各種屬微生物在腸道內(nèi)相互制約，互相依賴，腸道微生態(tài)系統(tǒng)維持相對平衡，機體處于健康水平。飼糧纖維不僅會影響腸道內(nèi)各種屬微生物的數(shù)量、多樣性，還會對微生物的活性產(chǎn)生影響。

有研究表明，在斷奶仔豬飼糧中添加4%的麥麩可降低回腸食糜中大腸桿菌的數(shù)量，并提高乳酸菌的數(shù)量[8]。Owusu-Asiedu等[9]研究表明，與對照組相比，添加7%可溶性的瓜爾膠纖維飼糧組顯著提高了生長豬回腸中總需氧菌、總厭氧菌、乳酸菌、梭菌屬和腸桿菌的數(shù)量，添加7%不溶性纖維的纖維素飼糧組極顯著地提高了回腸中雙歧桿菌和腸桿菌的數(shù)量，總需氧菌和總厭氧菌的數(shù)量也有一定的增加。Che等[10]在育肥豬上的試驗表明，飼喂豌豆纖維飼糧可顯著提高豬結(jié)腸中乳酸菌的數(shù)量，對雙歧桿菌和大腸桿菌的數(shù)量沒有顯著影響。Chen等[11]在斷奶仔豬上的試驗表明，與對照組相比，豌豆纖維組可顯著提高結(jié)腸中乳酸菌的數(shù)量，小麥麩纖維組可顯著提高結(jié)腸中雙歧桿菌的數(shù)量；與大豆纖維組相比，豌豆纖維組和小麥麩纖維組均顯著降低結(jié)腸中大腸桿菌的數(shù)量。以上結(jié)果表明，不同類型的纖維均對腸道菌群的數(shù)量的調(diào)節(jié)作用不同，可溶性纖維較不溶性纖維而言更有利于腸道菌群數(shù)量的增加。

不溶性纖維可被部分腸道微生物利用，進而影響微生物菌群的豐度及活性。王嘉為等[12]在育肥豬飼糧中添加10%不溶性纖維——苜蓿草粉，試驗結(jié)果表明，對照組結(jié)腸中第1優(yōu)勢菌門(厚壁菌門)相對豐度為79.84%，10%苜蓿草粉組中其相對豐度提高到81.28%；對照組結(jié)腸中第2優(yōu)勢菌門(擬桿菌門)相對豐度為8.33%，10%苜蓿草粉組中其相對豐度為7.56%。Haenen等[13]研究表明，與對照組相比，飼喂添加抗性淀粉的豬結(jié)腸中普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii)和埃氏巨型球菌(Megasphaeraelsdenii)的相對豐度增加，鉤端螺旋體屬等致病性微生物數(shù)量與對照組相比有所降低。通過測量ATP濃度，發(fā)現(xiàn)飼喂高纖維飼糧的豬后腸微生物的活力提高了5～6倍。研究表明，豬的腸道微生物區(qū)系中存在高活性的纖維分解細菌和半纖維分解細菌，如白色瘤胃球菌(Ruminococcusalbus)、溶纖維丁酸弧菌(Butyrivibriospp.)、產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌(Fibrobactersuccinogenes)等[14]。這些微生物可通過自身發(fā)酵纖維獲取自身生長的能源，發(fā)酵后生成的SCFAs可被腸上皮細胞吸收利用，尤其是丁酸。

2.2 纖維對腸道黏液層的影響

腸道黏液層分外黏液層和內(nèi)黏液層，外黏液層靠近腸腔，較稀薄，是寄居在機體腸道內(nèi)的共生菌的棲息場所；內(nèi)黏液層緊貼腸道上皮，濃度高，與腸上皮細胞緊密結(jié)合在一起，形成一層屏障將細菌與腸道上皮分隔開，保護腸道免受細菌和外部機械刺激的損害。因此，黏液層受損將直接威脅腸道的健康。黏液主要由水、無機鹽和杯狀細胞與腸上皮細胞分泌的黏蛋白組成，此外，黏液中還存在腸三葉肽、分泌型免疫球蛋白A(SIgA)和一些細胞因子等[7]。黏液層不是穩(wěn)定不變的，而是受杯狀細胞合成與分泌黏蛋白的調(diào)控，處于動態(tài)平衡狀態(tài)中[15]。腸三葉因子是由杯狀細胞分泌的小分子多肽，它能與黏液中的糖蛋白結(jié)合形成穩(wěn)定的凝膠復(fù)合物，增強黏液層的防御屏障功能，減少有害物質(zhì)或機械力等因素對腸道黏膜的損傷。纖維可通過增加杯狀細胞的數(shù)量促進黏蛋白分泌，增加腸三葉因子水平，進而增強腸道屏障的功能。

Zhou等[16]研究表明，與對照組相比，高抗性淀粉可顯著提高結(jié)腸黏蛋白水平。Vila[17]研究表明，與對照組相比，玉米纖維和小麥麩纖維均可顯著提高豬回腸和結(jié)腸中黏蛋白2水平。Che等[10]研究表明，豌豆纖維飼糧組豬結(jié)腸中黏蛋白水平比對照組高16%。Chen等[18]在斷奶仔豬上的試驗表明，與對照組相比，小麥麩纖維飼糧可顯著增加回腸杯狀細胞數(shù)量和結(jié)腸三葉因子水平，豌豆纖維和大豆纖維組杯狀細胞數(shù)量與對照組相比雖沒有顯著差異，但均有不同程度的增加。

2.3 纖維對腸道上皮的影響

腸道上皮細胞可通過選擇通透性選擇性地吸收腸腔內(nèi)的物質(zhì)，是腸道黏膜屏障的重要內(nèi)容。在允許營養(yǎng)成分被吸收的同時可阻止病原微生物和其他腸腔內(nèi)的有毒害的物質(zhì)進入體內(nèi)[19]。細胞間通過緊密連接、黏附連接、間隙連接、橋粒等相連，其中由多種蛋白質(zhì)相互作用而成的緊密連接在腸道營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和抵御病原微生物過程中起重要作用，如調(diào)節(jié)上皮細胞的選擇通透性、調(diào)控細胞增殖[20]。小腸絨毛高度與隱窩深度是反映腸道通透性的重要指標，絨隱比(絨毛高度/隱窩深度)增加表明腸道黏膜功能完善，吸收能力增強[20]。張葉秋等[21]研究表明，飼糧中添加7.5%的米糠可顯著提高育肥豬空腸絨隱比。吳維達等[22]研究表明，菊粉纖維和微晶纖維均可顯著提高豬回腸絨毛高度，微晶纖維可顯著降低十二指腸的隱窩深度，菊粉纖維可顯著提高回腸的絨隱比，對十二指腸的絨隱比有增加的趨勢；與對照組相比，菊粉組和微晶纖維組均顯著增加結(jié)腸上皮杯狀細胞的數(shù)量。研究表明，小麥纖維飼糧和豌豆纖維飼糧都可顯著增加回腸和結(jié)腸上皮細胞緊密連接蛋白正閉鎖小帶蛋白1(zonula occludens 1,ZO-1)和Toll樣受體2的mRNA表達量[18]。

2.4 纖維對腸道免疫功能的影響

腸道免疫系統(tǒng)由彌散分布在腸道黏膜上皮和固有層的免疫細胞(如巨噬細胞、樹突狀細胞)、免疫分子(如SIgA和各種細胞因子)及派伊爾結(jié)等腸相關(guān)性淋巴組織組成[23]，在防御和抵制細菌、病毒和毒素的入侵中發(fā)揮重要作用。腸道免疫系統(tǒng)收到刺激后，可分泌免疫球蛋白、干擾素和白細胞介素等蛋白和因子，通過免疫調(diào)節(jié)作用維持腸道健康。其中由B細胞轉(zhuǎn)化為漿細胞產(chǎn)生，并穿過腸上皮細胞分泌至腸腔的SIgA是腸道免疫的重要內(nèi)容[24]，SIgA不僅能抵抗病毒、中和毒素及其他生物活性抗原，更重要的是在阻止細菌對上皮細胞表面的黏附中發(fā)揮重大作用。

研究表明，與對照組相比，長期飼喂豌豆纖維飼糧可顯著提高豬結(jié)腸黏膜中SIgA的含量[10]，進而增強黏膜免疫功能。在斷奶仔豬上的試驗表明，豌豆纖維組豬結(jié)腸黏膜中主要組織相容性復(fù)合體Ⅱ類和轉(zhuǎn)化生長因子-α含量顯著高于對照組[11]。纖維調(diào)節(jié)腸道免疫功能的重要途徑是通過其在后腸的發(fā)酵產(chǎn)物——SCFAs發(fā)揮作用。SCFAs可促進促炎細胞因子白細胞介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)以及抗炎細胞因子白細胞介素-10(IL-10)、趨化因子單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)的分泌[25]，以增強腸道免疫屏障功能。

3 纖維對腸道屏障的調(diào)節(jié)機理

纖維通過微生物調(diào)節(jié)腸道屏障功能是其發(fā)揮作用的重要途徑。腸道內(nèi)微生物、黏液層、腸道上皮與腸道黏膜免疫四者之間相互影響，密切相關(guān)。首先，腸道微生物代謝可以產(chǎn)生SCFAs，也可以在特定的情況下降解黏液層；其次，黏液層的變化直接關(guān)系到腸道上皮的完整性以及通透性；再次，SCFAs可以直接對腸道免疫屏障和腸道上皮細胞產(chǎn)生影響。因此，任何一個屏障功能的受損都會影響其他屏障功能的正常發(fā)揮，其相互作用關(guān)系如圖2。飼糧中纖維從2個方面對腸道微生物產(chǎn)生影響：第一是纖維本身的持水性，通過增加食糜中的含水量及減少胃腸道排空時間對微生物產(chǎn)生影響；第二是它作為某些微生物的直接或間接能量來源，增加微生物的數(shù)量、豐度以及增強微生物活性，從而提高腸道微生物屏障功能。此外，纖維可在腸道中被微生物發(fā)酵產(chǎn)生SCFAs，進而對腸道內(nèi)微生物生長和腸道的免疫功能產(chǎn)生重要的促進作用。在此過程中，不僅微生物可獲得生存所需的能量，產(chǎn)生的SCFAs還可以降低后腸內(nèi)環(huán)境的pH，促進腸上皮細胞的增殖[26]。腸道內(nèi)環(huán)境pH的降低為雙歧桿菌屬、乳酸桿菌屬等有益菌提供了適宜的生長環(huán)境[27]，促進腸道內(nèi)有益菌的生長繁殖，使有益菌成為優(yōu)勢菌群占據(jù)腸道內(nèi)大量的生存空間，從而抑制有害菌的擴增，防止病原微生物入侵定植。一般而言，可溶性纖維能夠被充分地發(fā)酵，不可溶性纖維可發(fā)酵性較低且主要在腸道后端被微生物發(fā)酵，但能增加食糜的持水力，減少腸道胃排空的時間[28]，從而降低有害菌在腸道內(nèi)產(chǎn)生毒害作用的可能性。大量的研究表明，飼糧纖維可增加腸道內(nèi)細菌的相對豐度，降低潛在致病菌的相對豐度，有利于有益菌成為腸道內(nèi)的優(yōu)勢菌群，在維持腸道健康過程中發(fā)揮重要作用。不同的纖維有著不同的離散結(jié)構(gòu)，如單糖類型、糖之間的連接的類型、構(gòu)象和構(gòu)型等，這種不同決定了纖維對微生物的選擇性刺激作用[29]。

圖2 飼糧纖維對腸道屏障的調(diào)節(jié)作用

此外，纖維還可通過微生物對黏液層產(chǎn)生影響。Desai等[30]研究表明，纖維與結(jié)腸黏液屏障之間可相互作用，在缺乏纖維的情況下，腸道內(nèi)微生物能以結(jié)腸黏液中的黏蛋白為營養(yǎng)源維持自身生長，而這必然導(dǎo)致黏液屏障遭到腐蝕性的破壞(圖3)，這些腐蝕黏液的微生物能增大腸道上皮細胞的通透性和由檸檬酸桿菌導(dǎo)致的致命性結(jié)腸炎。這說明纖維對黏液層和腸道上皮產(chǎn)生影響的過程中，微生物也起到關(guān)鍵作用。

纖維本身并不能對腸道免疫發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，但是其代謝產(chǎn)物SCFAs可直接對腸道免疫與腸上皮細胞的增殖產(chǎn)生影響。結(jié)腸上皮細胞所需能量的60%～70%都由SCFAs提供，其中丁酸的作用最為顯著[31]。研究表明，長期飼喂豌豆纖維可顯著提高斷奶仔豬盲腸食糜中乙酸、丙酸、丁酸以及總SCFAs的含量，顯著提高育肥豬盲腸食糜中乙酸和總SCFAs含量[32]。Carneiro等[33]研究表明，小麥纖維可顯著降低盲腸和結(jié)腸中的pH，同時顯著提高盲腸中乙酸和丁酸的含量，結(jié)腸中丁酸含量也顯著提高。SCFAs主要通過抑制組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)的活性和結(jié)合并激發(fā)G蛋白偶聯(lián)受體參與免疫調(diào)節(jié)。此過程主要作用載體為丁酸[34]。一般情況下，組蛋白的乙?；欣贒NA與組蛋白八聚體的解離，核小體結(jié)構(gòu)松弛，從而使各種轉(zhuǎn)錄因子和協(xié)同轉(zhuǎn)錄因子能與DNA結(jié)合位點特異性結(jié)合，激活基因的轉(zhuǎn)錄，而組蛋白去乙酰化的作用卻與之相反。在細胞核內(nèi)，組蛋白乙?；c組蛋白去乙?；^程處于動態(tài)平衡，并由組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase，HAT)和HDAC共同調(diào)控。HAT的作用是將乙酰輔酶A的乙?；D(zhuǎn)移到組蛋白氨基末端特定的賴氨酸殘基上，而HDAC則使組蛋白去乙?；?，與帶負電荷的DNA緊密結(jié)合，使染色質(zhì)致密卷曲，進而抑制基因的轉(zhuǎn)錄。研究表明，丁酸鈉作為一種HDAC抑制劑(HDACi)，在基因轉(zhuǎn)錄過程中發(fā)揮重要作用[35]。丁酸鈉可通過抑制HDAC活性進而激活腸上皮細胞中的激活蛋白1(AP-1)信號通路，從而調(diào)節(jié)白細胞介素-2(IL-2)、IL-6、白細胞介素-8(IL-8)和TNF-α等炎癥因子的釋放，達到調(diào)節(jié)腸道免疫功能的積極作用[36]。

圖3 纖維剝奪腸道微生物介導(dǎo)結(jié)腸黏液屏障降解并提高病原菌易感性的模型

G蛋白偶聯(lián)受體(GPRs)在炎癥反映中發(fā)揮重要作用，已有研究表明，丁酸鈉可通過受體GPR43與GPR41對單核細胞功能進行調(diào)節(jié)，從而發(fā)揮抗炎作用[37]。GPRs的激活可引起多種轉(zhuǎn)錄因子的活化，如環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP responseelement binding protein，CREB)、c-Jun、核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和信號傳導(dǎo)子及轉(zhuǎn)錄激活子3(signal transducer and activator of transcrip-tion3,STAT3)，這些特異性的受體影響著巨噬細胞在炎癥部位的遷移和聚集，從而加重炎癥反應(yīng)和幫助巨噬細胞對細菌等外源性物質(zhì)的識別和吞噬。研究表明，丁酸鈉可通過對GPRs發(fā)揮作用進而影響其下游通路絲裂原激活蛋白激酶的激酶(mitogen-activated protein kinase kinase，MEK)-細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)，從而促進抗菌肽LL-37的分泌，達到抑制炎癥反應(yīng)的目的[23]，此外，丁酸鈉可通過其受體GPR43有效調(diào)節(jié)T淋巴細胞的功能，顯著降低炎癥因子IL-2水平，顯著提高抗炎因子白細胞介素-4(IL-4)水平[38]，最終達到抑制炎癥反應(yīng)，保障腸道健康的目的。

4 小 結(jié)

不同的纖維對豬腸道屏障有著不同的調(diào)節(jié)作用。越來越多的試驗證明，飼糧纖維在增強腸道屏障功能、促進腸道健康方面有重要意義。此外，腸道各屏障之間相互連接緊密，相互影響。近些年，纖維在豬上的研究逐漸得到重視，但是仍存在以下問題：1)纖維對豬腸道屏障調(diào)節(jié)的機制尤其是對免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等方面仍有很大的不足；2)不同種類的纖維的使用仍缺乏較為完善且可量化的統(tǒng)一標準。

總之，繼續(xù)深入、全面、系統(tǒng)地研究纖維對豬腸道健康的改善及調(diào)節(jié)機制，對實現(xiàn)抗生素的替代、促進生豬綠色生產(chǎn)、保障食品安全以及保護環(huán)境有著重大意義。