丁酸在猪和家禽无抗生素日粮中的应用

时间：2024-05-25

王新成

（加拿大安大略省旺伦斯汀饲料公司，安大略旺伦斯汀N0B 2N0）

为了减轻微生物对抗生素的耐药性，在世界范围内，对用于动物生产的抗生素进行了限制或者禁止使用。因此，在动物生产行业内，研究人员不断寻找抗生素的替代品或替代方案。这些产品包括：有机酸、植物提取物、益生元、益生菌以及许多饲料用的消化酶。在这些替代品当中，丁酸作为有机酸的一种，被广泛应用于无抗生素日粮当中。

人和动物体本身并不能合成丁酸，丁酸与其他短链脂肪酸（SCFA）一样，是厌氧细菌，是在人类和动物的后肠利用宿主没有消化吸收的碳水化合物发酵而产生的。

笔者就人工合成的丁酸产品，在无抗生素畜禽日粮中的作用机制进行阐述和说明，为更有效地利用丁酸提供理论依据。

1 丁酸的杀菌作用

有许多研究指出，丁酸在体外具有杀菌能力。NAMKUNG等[1]在体外评估了丁酸及丁酸甘油酯对鼠伤寒沙门氏杆菌、产气荚膜梭菌生产的影响，指出这些丁酸产品具有抗菌的功能，可以在家禽饲料中用于控制鼠伤寒沙门氏杆菌、产气荚膜梭菌。一般认为，丁酸以完整的没有解离的分子进入细菌的细胞内，可以将细菌杀死。因为丁酸的pKA值是4.82，所以一般情况下，它在体内以解离的酸根离子存在，对细菌没有杀死的能力。因此，丁酸在体内可以杀菌，没有很强的说服力。有一点需要指出，添加剂的杀菌作用和它引起的肠道微生物菌群改变是2个不同的概念。例如，日粮中营养成分的改变，可能导致宿主肠道微生物菌群的改变，但不代表它具有杀菌功能。

2 丁酸为肠道细胞提供能量，改善肠道的结构和功能

大量研究表明，丁酸可以为肠道细胞提供能量[2]，提高动物的生产性能[3-5]，增加肠黏膜的绒毛高度[6]，增强消化酶活性[4]，提高营养物质的消化率[6]，改善肠道的屏障功能[7]，提高动物的免疫力[8]。正因为丁酸可以作为肠道细胞的能量来源，所以，以上这些丁酸在肠道展现的生理功能，是容易理解的。而这些生理功能，基本上局限于肠道，是局部性的。根据目前有关科学的研究进展，丁酸的重要生理功能，很可能是由它对动物营养代谢的宏观调控来完成的。

3 丁酸与动物采食量的关系

在很多研究中，丁酸可能导致采食量下降，但许多研究人员回避了这个问题。DENBOW等[9]用食道注入的方法饲喂12周龄的公鸡，分别注入相同能量的三丁酸甘油酯、三辛酸甘油酯和三油酸甘油酯，结果表明，三丁酸甘油酯可显著降低公鸡的采食量。与食道注入的方法相比，从肝脏注入这3种甘油三酯对采食量的影响不明显。这些营养物质进入肝脏后，可能直接被氧化提供能量。而在消化道内，这些脂肪酸很可能与受体结合产生一系列生理反应，导致采食量下降。由此可见，这3种甘油三酯在肠道不仅仅是作为能量代谢的底物。

MOQUET等[10]以肉鸡为研究对象，比较了不同的丁酸产品对肉鸡消化系统及采食量的影响，结果表明，通过肌胃以后的丁酸会引起厌食反应。

钟翔等[4]研究了丁酸钠不同添加量（0、1、2 g/kg）对断奶仔猪生长性能和肠道消化酶活性的影响，结果显示，添加2 g丁酸钠处理组断奶后3、7 d仔猪的采食量均为对照组的90% 左右，但差异未达到显著水平；添加1 g丁酸钠处理组仔猪的采食量与对照组相同。可见，丁酸最佳添加量的范围比较窄小。

当然，动物的采食量与许多因素有关。例如，丁酸的添加量，丁酸产品的种类和产生工艺，动物的健康状况，还有饲料的营养成分（如粗纤维的含量、蛋白水平和能量水平）。正是因为这些因素，有的试验报告采食量下降，而有的试验报告采食量不变甚至提高。在动物的采食量改变的同时，丁酸可以使消化道容量增加和排空减慢。

当日粮中可发酵碳水化合物增加时，微生物发酵产生的短链脂肪酸（包括丁酸），可导致消化道内容物增加，这也表明食糜在消化道停留的时间延长[11]。DELGADO-AROS等[12]在人体血液中注入胰高血糖素样肽-1（GLP-1，丁酸与受体结合后肠道释放的一种激素）后，空腹和餐后胃的容积增加，同时，胃的排空延缓。

当采食量下降、胃排空变慢的时候，食物在胃内停留时间延长，在这样低酸的环境下会产生以下3种结果：第一，消化酶的作用时间延长，营养物质消化增强；第二，消化道中微生物的数量（包括有害无微生物的数量）会大幅下降，这可能是导致后肠微生物菌群改变的主要原因之一；第三，进入后肠的营养物质下降，可供微生物生长的底物减少，这可能也是导致后肠微生物减少的另一个原因。

丁酸进入肠道以后，不仅可以产生饱腹感，使胃排空变慢，而且通过激素的调控，会产生一系列复杂的生理生化反应。

4 丁酸对动物营养代谢的宏观调控功能

在动物肠道内，丁酸和游离脂肪酸受体2（FFAR2，以前为GPR43）以及游离脂肪酸受体3（FFAR3，以前为GPR41）结合，产生肠道激素胰高血糖素样肽-1（GLP-1）、胰高血糖素样肽-2（GLP-2）和酪氨酸肽（PYY）[13-14]。

对于人类和其他哺乳动物，PYY可以使其采食量下降、胃排空减慢和肠蠕动减少。GLP-1不仅可以使采食量下降、增加胃的容积、延缓胃排空，而且可以使血液中的胰岛素升高[13，15]，使体细胞和肠道细胞加快利用血液中的血糖和其他营养物质，并进入合成代谢，最后导致血液中和消化道中的营养物质减少。与GLP-1略有不同，GLP-2对胰岛素和血糖稳定的作用有限，其主要生物学功能是调节能量代谢，维护肠道黏膜的形态，维持肠道功能和结构的完整性[14]。

越来越多的研究表明，在猪和家禽的体内，这些由丁酸和其他营养物质作用而产生的肠道激素，虽然有一定的争议，但是其作用机制与人类的非常相似。

CUCHE等[16]研究表明，在猪回肠注入SCFA后，与生理盐水的对照组相比，在30～45 min内，血清中PYY的浓度明显增加，同时产生了对后肠蠕动的抑制作用。

最近有研究指出，在断奶仔猪的日粮中添加0.2% 的丁酸甘油酯，与对照组相比，血清胰岛素浓度显著增加[3]。胰岛素在血液中浓度的升高，表示动物细胞进入合成代谢，糖和其他养分（如氨基酸）的吸收增强，蛋白质进入合成代谢。

DIAO等[7]在断奶仔猪胃中注入SCFA，结果表明，与对照组相比，肠道中FFAR2和FFAR3的mRNA的表达明显增多；同时还发现，GLP-2和GLP-2R（胰高血糖素样肽-2的受体）的mRNA表达水平明显提高。尽管该研究没有观察GLP-1和PYY的水平，也没有报告仔猪的采食量，但是，以上这些结果仍然可以说明，丁酸的作用机制在猪和人体内大致相同。

AOKI等[17]结果表明，在鸡的血管内注入PYY激素，鸡的采食量明显减少，并随PYY的剂量而发生变化。这个研究表明，PYY在鸡和哺乳动物的体内功能相似，能够增加动物的饱腹感。

HONDA等[18]研究指出，在血管内注射GLP-2可抑制雏鸡的采食量。但是，哺乳动物中GLP-2的功能是促进肠道生长，增强肠道屏蔽能力[14]。可见，禽类和哺乳动物在GLP-2的功能上有一定的差别。这一点还需进一步研究证明。

SHOUSHA等[19]研究胰高血糖素样肽-1（GLP-1）和胰高血糖素样肽2（GLP-2）在禽类中的生理作用，指出腹膜内和脑室内注射GLP-1，都可使日本成年鹌鹑的采食量下降。

综上所述，丁酸在猪和鸡的体内作用机制，与丁酸在人体内的作用机制相同或者类似。即丁酸与肠道中FFAR2和FFAR3的受体结合，产生肠道激素PYY和GLP-1、GLP-2，对动物体内进行系统调控。其中，PYY可以使动物采食量下降，胃排空减慢；GLP-1可使采食量下降，胰岛素分泌增加，细胞进入合成代谢状态，肠道的营养物质得到充分的吸收和利用；GLP-2可以增加肠道功能，维持肠道的结构的健康和完整性。

5 丁酸应用广泛

近几十年，动物育种取得了重大进展，生产性能不断提高。这主要是因为经过多年来的选育，动物的采食量不断提高。而在这一选育过程中，动物可能减弱了对采食量控制的功能。所以，丁酸控制采食量的作用，就显得更为重要。

最近10 a，人们对丁酸的应用有了更深刻的了解，使其作用更加明显。例如，用包被的丁酸或者用丁酸甘油酯可以到达动物后肠，进而使其更能发挥调节作用。

另外，随着抗生素使用的减少，人们在不断寻找各种类型的抗生素替代品。丁酸在没有抗生素的情况下，通过减慢胃的排空，使微生物的数量大幅下降，更能充分发挥它的系统调节作用，对提高无抗生素日粮的性能发挥了重要的作用。

6 丁酸对动物采食量和营养代谢的调控机制

在脊椎动物的长期进化过程中，宿主及其体内的微生物形成了相利共生的机制。宿主体内的微生物利用宿主不能消化但可以发酵的碳水化合物不断繁殖。同时，在微生物的生长过程中，产生了一些代谢产物，比如乙酸、丙酸和丁酸。这些代谢产物，可以被宿主后肠细胞利用，作为重要的能量来源。微生物的生长和繁殖，应该也必须受到宿主的调节和控制。否则，微生物的过度生长，对宿主没有任何好处。宿主可以通过减少对微生物提供营养物质，达到对菌群繁殖程度的控制。因此，在相对降低采食量的同时，宿主增加自身对营养物质的消化和吸收，从而使到达后肠的营养物质减少，进而减少微生物的繁殖。

丁酸是微生物的代谢产物，是微生物繁殖程度的一个指标。因此，它可以作为宿主和微生物之间协调的信号，可以对宿主的采食量和代谢进行调控。