■唐文浩 張養(yǎng)東* 鄭 楠 王加啟

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶及奶制品質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京），北京 100193；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

SCFAs具有多種重要的生物學(xué)功能。SCFAs作為一種綠色環(huán)保安全無污染的新型飼料添加劑，可部分代替抗生素的作用，本文就SCFAs在動物體內(nèi)的形成吸收代謝過程、主要的生理功能和在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用等進(jìn)行綜述，旨在為SCFAs的開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)。

1 SCFAs的理化性質(zhì)、形成轉(zhuǎn)化與吸收利用

1.1 SCFAs的理化性質(zhì)

SCFAs又稱揮發(fā)性脂肪酸，主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸等（見表1），純凈的SCFAs是無色油狀液體，有刺激氣味，相對密度為0.95～1.05，并可與水互溶，SCFAs的沸點(diǎn)為117.9～163.5℃，其中，濃度高的甲酸易結(jié)冰，甲酸由一個氫原子和一個羥基直接相連，同時具有酸和醛的性質(zhì)；乙酸中包含的乙?；?，是所有生命的基礎(chǔ)，當(dāng)乙酸與輔酶A結(jié)合后，就成為了碳水化合物和脂肪新陳代謝的中心；純丙酸是無色、有腐蝕性的液體，具有刺激性氣味，可用作酯化劑、硝酸纖維素的溶劑、食品防腐劑和防霉劑等；丁酸又稱酪酸，沸點(diǎn)為162.5℃，熔點(diǎn)-4.7℃，有難聞的酸臭味，是反芻家畜瘤胃微生物對碳水化合物分解的終產(chǎn)物之一；異丁酸是一種無色油狀液體，具有強(qiáng)烈的刺激性氣味，熔點(diǎn)-47℃，沸點(diǎn)154.5℃，能溶于乙醇、乙醚等；戊酸是一種無色透明易燃液體，具有特殊臭味，熔點(diǎn)在-33.83℃，沸點(diǎn)為186.05℃，該物質(zhì)對環(huán)境有危害，可對水體和大氣造成污染，易在大氣化學(xué)和大氣物理變化中形成酸雨；異戊酸是一種無色黏稠液體，有刺激性酸敗味，高度稀釋后則有甜潤的果香，熔點(diǎn)在-29.3℃，沸點(diǎn)176.5℃，GB/T 2760—2014[1]規(guī)定其可作為食用香料使用。

表1 SCFAs的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.2 SCFAs的形成與轉(zhuǎn)化

動物體內(nèi)SCFAs主要由攝入的食物在動物體內(nèi)轉(zhuǎn)化而來，其中一部分SCFAs來自在胃內(nèi)未被消化的碳水化合物，這些難消化的碳水化合物到達(dá)腸道，通過腸道內(nèi)厭氧菌的酵解作用產(chǎn)生SCFAs，受腸道內(nèi)菌群種類和底物的影響所產(chǎn)生的SCFAs的種類也不同。正常腸道中一般含有多種SCFAs，其中乙酸、丙酸和丁酸占大部分，其比例約為60%、20%和20%[2-3]。動物體內(nèi)SCFAs中的乙酸主要由擬桿菌、雙歧桿菌或梭狀芽孢桿菌和鏈球菌的Wood-Ljungdahl途徑產(chǎn)生，SCFAs中的丙酸主要是由厚壁菌、小類桿菌、糞球菌等菌屬產(chǎn)生，SCFAs中的丁酸則是由霍氏真桿菌和溴化瘤胃球菌屬等產(chǎn)生。

1.3 SCFAs的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)

SCFAs有保護(hù)腸黏膜、為腸道細(xì)胞提供營養(yǎng)、參與免疫調(diào)節(jié)和抗炎等作用，在動物生產(chǎn)中占重要地位。對于反芻動物來說，瘤胃內(nèi)的SCFAs含量可達(dá)90～150 mmol/L，是反芻動物重要的能量來源，其中約80%的SCFAs在反芻動物瘤胃和網(wǎng)胃內(nèi)被吸收，剩余的SCFAs主要在瓣胃和皺胃吸收。SCFAs在瘤胃內(nèi)一般以解離和非解離兩種形式存在，反芻動物可以通過瘤胃上皮細(xì)胞將一部分SCFAs吸收進(jìn)入血液，經(jīng)過糖異生作用生成葡萄糖為機(jī)體提供能量，其余部分的SCFAs被瘤胃上皮細(xì)胞吸收代謝，最終生成酮體和膽固醇，合成的酮體被單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外，被外周組織利用，但當(dāng)生酮作用過強(qiáng)時，可能會導(dǎo)致血液中酮濃度過高，導(dǎo)致動物酮病的發(fā)生[4]。

對于非反芻動物，約95%以上的SCFAs在結(jié)腸上皮細(xì)胞被吸收[5-6]，后經(jīng)由腸道上皮血管到達(dá)門靜脈轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟，進(jìn)行下一步的吸收利用，其余的SCFAs通過血液循環(huán)進(jìn)入到其他組織器官被吸收利用[7]。SCFAs在腸道內(nèi)大部分是以游離陰離子的形式存在，SCFAs在近端結(jié)腸濃度比在遠(yuǎn)端結(jié)腸濃度高50～70 mmol/L，這也與它們在腸道內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)途徑有關(guān)[8]。動物腸道對SCFAs的吸收方式有兩種，第一種是非離子形式的SCFAs以彌散方式通過腸上皮細(xì)胞被吸收，第二種是離子形式的SCFAs需要經(jīng)由特異轉(zhuǎn)運(yùn)體運(yùn)輸吸收[9]，目前研究發(fā)現(xiàn)SCFAs的主要轉(zhuǎn)運(yùn)體有兩種，第一種是單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體亞型1(MCT-1)，第二種是鈉耦聯(lián)羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(SMCT-1)。SCFAs主要的受體是G蛋白受體，G蛋白偶聯(lián)受體一般分為GPR41、GPR43和GPR109A等，在腸上皮細(xì)胞中被大量發(fā)現(xiàn)，這些受體還參與腸道運(yùn)動[10]、炎癥抑制[11]和內(nèi)分泌電解質(zhì)平衡的調(diào)節(jié)等[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，丙酸還能抑制腺嘌呤誘導(dǎo)的小鼠腎臟促炎因子和纖維化相關(guān)基因的表達(dá)，而丙酸的這些保護(hù)作用就是依賴于作為SCFAs受體的GPR41和GPR43[13]。此外，Bolognini等[14]研究發(fā)現(xiàn)嗅覺感受受體78(Olfr78)也是SCFAs的一種受體，這種受體主要分布在生物的腎臟和血管中，具有調(diào)節(jié)腎素分泌的功能，并且可以和GPR41、GPR43受體起拮抗作用，共同調(diào)節(jié)機(jī)體的血壓水平。SCFAs中丁酸作為結(jié)腸的主要供能物質(zhì)被吸收，丙酸在肝臟中充當(dāng)糖異生作用的底物被吸收代謝，丙酸是反芻動物葡萄糖的重要來源，成年反芻動物多達(dá)90%的葡萄糖是通過這種方法獲得的[15]，其他SCFAs則進(jìn)入機(jī)體其他組織或器官被利用[16]。

2 SCFAs的生理功能

2.1 SCFAs為腸道細(xì)胞提供營養(yǎng)

SCFAs的功能首先體現(xiàn)在對腸上皮細(xì)胞的營養(yǎng)效應(yīng)上。在線粒體中，SCFAs可通過羥甲基戊二酰輔酶A循環(huán)進(jìn)行β-氧化，產(chǎn)生葡萄糖，為機(jī)體提供能量[17]，動物結(jié)腸上皮細(xì)胞所需能量的70%都是來自SCFAs的能量供應(yīng)[18]。有研究表明，將SCFAs滴入去神經(jīng)化的結(jié)腸腔可增加結(jié)腸血流量和攝氧量，尤其是乙酸鹽，不僅可以通過局部作用，而且可以通過增加黏膜血流量對結(jié)腸上皮產(chǎn)生營養(yǎng)作用。在穿過結(jié)腸黏膜轉(zhuǎn)運(yùn)至門脈循環(huán)后，乙酸鹽單獨(dú)通過肝臟，并在外周血中恢復(fù)。因此，它也被再循環(huán)到內(nèi)臟血管，并可能舒張阻力動脈[19]。

2.2 保護(hù)腸黏膜屏障

2.2.1 SCFAs對腸道黏液層的促進(jìn)作用

腸黏膜的黏液層是腸道上皮細(xì)胞表面附著的一層由黏蛋白多糖組成的保護(hù)性液體，對腸道黏膜起到屏障保護(hù)作用。SCFAs可激活人體結(jié)腸細(xì)胞中的5’腺苷單磷酸(AMP)激酶，這是調(diào)節(jié)能量代謝的關(guān)鍵因素AMP激酶的活化增強(qiáng)人體結(jié)腸細(xì)胞的緊密聯(lián)接，從而增強(qiáng)腸黏膜屏障。腸黏膜屏障不僅可增強(qiáng)黏膜愈合，還可以減少腸道細(xì)菌定植和感染，降低腫瘤浸潤，細(xì)胞遷移和炎癥的可能性，維持結(jié)腸健康。SCFAs不僅可以幫助重建結(jié)腸上皮，還可以保護(hù)其免受外界傷害，例如由細(xì)菌、活性氧或免疫調(diào)節(jié)性前列腺素引起的傷害。黏液黏蛋白分泌主要受到MUC基因的影響，其中由MUC基因編碼的上皮黏蛋白2(MUC2)在健康和發(fā)炎的腸道中最突出[20]。MUC1、MUC3和MUC4基因也少量參與基因表達(dá)[21]。在缺乏葡萄糖的培養(yǎng)基中，即當(dāng)丁酸是唯一可用的能源時，MUC3、MUC5和MUC2的表達(dá)持續(xù)存在，MUC5AC的表達(dá)顯著增強(qiáng)（基礎(chǔ)水平的3.7倍），MUC2的表達(dá)顯著增加（基礎(chǔ)水平的23倍），由此推斷，SCFAs尤其是丁酸對動物腸道黏液分泌有促進(jìn)作用。研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)丁酸是細(xì)胞的主要能量來源時，丁酸能夠在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)結(jié)腸黏蛋白，從而影響其保護(hù)功能[22]。SCFAs還可以調(diào)節(jié)前列腺素（PG）的產(chǎn)生，從而刺激腸道上皮細(xì)胞中MUC2的表達(dá)，達(dá)到促進(jìn)黏液分泌的作用[23]。

2.2.2 SCFAs調(diào)節(jié)腸道屏障完整性

SCFAs還可能通過緊密連接蛋白(tight junction protein，TJP)的協(xié)同調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)上皮屏障的完整性方面發(fā)揮重要作用，而TJP本身調(diào)節(jié)著管腔和肝門系統(tǒng)之間的細(xì)胞內(nèi)分子通道。通透性增加與細(xì)菌和其細(xì)胞壁成分的移位有關(guān)，而這些抗原的移位觸發(fā)了與肥胖和胰島素抵抗相關(guān)的炎癥級聯(lián)反應(yīng)。在結(jié)腸產(chǎn)生的SCFAs中，丁酸似乎是TJP最重要的調(diào)節(jié)因子，并且已被證明通過增加緊密連接蛋白claudin-1、Zonula occludents-1(ZO-1)的表達(dá)和封閉蛋白(claudin)的再分配來增強(qiáng)腸道屏障功能[24]。在來自小鼠模型和體外系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果也表明，丁酸可改善腸道屏障的完整性[25]。丁酸鹽可以激活大腸癌細(xì)胞系(Caco-2)中的Akt/mTOR信號通路，從而增加緊密連接蛋白的產(chǎn)生，加強(qiáng)腸道完整性[26]。

2.3 抗炎作用

SCFAs是將膳食纖維和腸道菌群與腸道健康聯(lián)系起來的關(guān)鍵代謝產(chǎn)物。最近的研究表明，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物SCFAs在幾種炎性疾病的發(fā)病機(jī)理中具有顯著作用，例如關(guān)節(jié)炎、炎性腸病和傷口愈合等[27]。SCFAs有助于腸上皮細(xì)胞(IEC)的遷移，能防止結(jié)腸炎中潰瘍的形成[28]。通過改善SCFAs的產(chǎn)生可以對潰瘍性結(jié)腸炎(UC)和克羅恩病(CD)治療有一定的效果[29]?？诜∷峥梢詫?dǎo)致腸道微生物譜的改變。但是補(bǔ)充SCFAs對于葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎并不能發(fā)揮抗炎作用[30]。但根據(jù)康宇婷等[31]的研究，乙酸鹽、丙酸鹽及丁酸鹽3種SCFAs都可降低TNF-mRNA的表達(dá)，并且丙酸鹽和丁酸鹽還可以增加NR8383細(xì)胞抗炎因子的表達(dá)，促進(jìn)炎癥的恢復(fù)。根據(jù)Breuer等[32]對SCFAs的研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs的缺乏與動物和人類結(jié)腸炎有關(guān)，并對潰瘍性結(jié)腸炎有良好的改善作用。根據(jù)Rodriguez-cabezas[33]的研究表明，日糧膳食纖維補(bǔ)充改善了HLA-B27轉(zhuǎn)基因大鼠的結(jié)腸炎癥的損傷，這種改善作用與膳食纖維發(fā)酵產(chǎn)生的SCFAs的增加有關(guān)，SCFAs的增加可以抑制炎性介質(zhì)的產(chǎn)生，起到抗炎的作用。根據(jù)Canfora等[34]的研究報道，SCFAs尤其是丁酸，可以通過生成并激活抗炎性T細(xì)胞(T reg)，抑制促炎性細(xì)胞因子及其介質(zhì)的產(chǎn)生，抑制炎癥信號的傳播，使抗炎效果更顯著[35]，從而調(diào)節(jié)肥胖引起的慢性低度炎癥。乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽可能直接減少脂肪組織來源的促炎細(xì)胞因子和趨化因子的分泌。SCFAs相關(guān)脂肪組織功能的改善可以減少全身脂質(zhì)溢出和炎癥。腸道共生微生物可通過結(jié)腸中調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的擴(kuò)增影響?zhàn)つっ庖呦到y(tǒng)。共生皮膚細(xì)菌產(chǎn)生的SCFAs也可激活常駐皮膚T細(xì)胞，其活性在某些炎癥性皮膚病中會減弱。皮下注射丁酸鈉(SB)或局部應(yīng)用在半抗原致敏小鼠的耳朵上可顯著降低接觸超敏反應(yīng)。這表明SCFAs可以誘導(dǎo)T細(xì)胞，駐留的皮膚微生物可以通過下調(diào)功能來預(yù)防過度的炎癥反應(yīng)，從而在生理?xiàng)l件下保持穩(wěn)定狀態(tài)；SCFAs還可用于治療、減輕炎癥皮膚反應(yīng)。但當(dāng)系統(tǒng)性地給予高于生理水平的SCFAs時，會導(dǎo)致腎系統(tǒng)中T細(xì)胞反應(yīng)失調(diào)和誘發(fā)炎癥[36]。同時發(fā)現(xiàn)SCFAs可以將Gpr109a信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，誘導(dǎo)T細(xì)胞的分化，使結(jié)腸巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞發(fā)揮抗炎作用[37]。

但是SCFAs對宿主抗炎作用不僅有積極影響，也有消極的作用。Park等[38]發(fā)現(xiàn)口服SCFAs時會誘導(dǎo)T細(xì)胞介導(dǎo)的輸尿管炎并導(dǎo)致腎積水（簡稱醋酸鹽誘導(dǎo)性腎病，C2RD）。C2RD是由輸尿管梗阻引起的，而輸尿管梗阻又是由SCFAs引起的腎盂輸尿管連接部和輸尿管近端炎癥引起的。因此，當(dāng)系統(tǒng)性地給予高于生理水平的SCFAs時，會導(dǎo)致腎系統(tǒng)中T細(xì)胞反應(yīng)失調(diào)和組織炎癥。

3 SCFAs在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前，SCFAs在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用有良好的效果。Niwińska等[39]研究表明，犢牛日糧中添加丁酸鹽可刺激瘤胃上皮表面積的增大以及瘤胃上皮細(xì)胞對SCFAs氧化能力的發(fā)展。丁酸鹽對細(xì)胞增殖、酮體形成、細(xì)胞內(nèi)pH和能量穩(wěn)態(tài)維持及丁酸鹽代謝物向毛細(xì)血管床運(yùn)輸有關(guān)的基因、蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)錄因子的活性具有直接的積極影響。這些結(jié)果表明，外源丁酸酯是刺激瘤胃上皮細(xì)胞功能發(fā)揮的重要因素。在犢牛出生的第一個星期之內(nèi)，給予含量約為飲食DM 0.3%的丁酸鈉時更為明顯。在斷奶過渡期向犢牛補(bǔ)充丁酸，可使日糧攝入量增加800 g/d，即使在2周斷奶過渡期結(jié)束后去除丁酸補(bǔ)充劑后，攝入量仍保持增加。在犢牛日糧中添加1%的丁酸鈉，可以增加免疫力，并對犢牛的斷奶應(yīng)激有明顯的緩解作用[40]。Górka等[41-42]的研究發(fā)現(xiàn)，在犢牛開食料中添加0.3%的丁酸鈉，可以促進(jìn)犢牛瘤胃的發(fā)育速度使黏膜厚度增加，絨毛長度增長，并對養(yǎng)分的消化吸收有良好的促進(jìn)作用。Górka[43]研究也發(fā)現(xiàn)，在低水平（0.3%的干物質(zhì)）的代乳料中添加未受保護(hù)的丁酸鈉能刺激早期斷奶犢牛胃腸道的發(fā)育、瘤胃功能的完善并提高生長性能。

在圍產(chǎn)前期的奶牛日糧中添加丁酸鈉，能顯著提高奶牛的免疫能力和抗氧化能力[44]。根據(jù)Li等[45]的研究，丁酸鈉可以通過增加牛乳腺上皮細(xì)胞中的抗氧化酶活性，來改善脂多糖誘導(dǎo)的氧化損傷。另外，在日糧中添加2.9%的乙酸鈉可以增加奶牛的乳脂產(chǎn)量和濃度，提高奶牛乳脂合成的能力[46]。向奶牛日糧中添加丙酸鈣200 g/d可以明顯改善泌乳早期奶牛的能量負(fù)平衡問題，并對奶牛體重的保持有顯著的積極影響[47]。Roche等[48]也發(fā)現(xiàn)給處在圍產(chǎn)期的奶牛飼喂丙酸鹽時，可以改善奶牛能量平衡，保障奶牛的健康。另有研究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在奶牛圍產(chǎn)期日糧中添加丁酸和丙酸鈣，可以提高奶牛泌乳早期的產(chǎn)奶量，并對奶牛產(chǎn)后的恢復(fù)有一定促進(jìn)作用，可以緩解奶牛生產(chǎn)后的能量供需負(fù)平衡[49]。

4 小結(jié)

SCFAs在參與腸道細(xì)胞的供能、保護(hù)腸道上皮黏膜、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫調(diào)節(jié)、抑制炎癥發(fā)生及抗癌等方面具有重要作用。但SCFAs在動物實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用仍受很多方面的限制，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對SCFAs生理功能等機(jī)理的研究。此外，SCFAs對斷奶應(yīng)激的影響的相關(guān)研究有待進(jìn)一步深入，以便在未來更好地指導(dǎo)動物生產(chǎn)。