豬腸道微生物與機體營養代謝
營養物質在動物腸道內的代謝影響動物體的健康狀況和生產水平。因此，認識腸道內營養物質的代謝途徑是提升動物生產性能的關鍵。飼糧中營養物質首先經過動物體的胃腸道被消化吸收，在胃酸、胰蛋白酶、糜蛋白酶等消化酶和相關微生物的作用下被分解，其次再經過肝臟、腎臟的代謝作用，進入到靶細胞中沉積，從而實現畜禽的生長與發育。豬腸道內棲居著復雜多樣、種類繁多的微生物，隨著宿主細胞的進化而變化，從而形成動態的微生態平衡。腸道微生物在畜禽的健康中發揮重要作用，既影響營養物質的消化吸收和能量供給，又調控著動物體的生理機能，并且防治疾病的發生。本文主要綜述了豬腸道微生物對于營養物質代謝的影響與其調控技術。
豬在出生前胃腸道沒有細菌，出生24h內，腸道內定植了雙歧桿菌、乳酸桿菌、大腸桿菌、腸球菌等細菌。隨著日齡的增長，微生物的多樣性與豐富度隨之提高。育肥豬腸道內以厭氧菌（雙歧桿菌、乳酸菌等）為主，約占99%，少量為需氧菌或兼性厭氧菌。定植在宿主腸道內的微生物及其代謝產物能夠不同程度地影響營養物質的消化、吸收、利用。同樣，不同的膳食水平也會制約著微生物的生長與增殖。營養物質與微生物之間存在著互作機制，相互影響，共同進化，維持著腸道微生態平衡。
1腸道微生物與蛋白質代謝
1.1 腸道微生物對機體蛋白質代謝的影響
蛋白質主要在小腸部位被消化吸收，部分未被消化的蛋白質可進入大腸被微生物發酵。在機體蛋白質的代謝過程中，腸道微生物發揮重要作用。腸道菌群參與了來源于消化道和內源性蛋白質的代謝，能在一定程度上滿足腸上皮細胞對物質與能量需求。研究表明，腸道微生物具有明顯的固氮作用，減少N能量的損失。這些結果表明腸道微生物能夠調控宿主腸道蛋白質的代謝，維持能量平衡，具體的作用機制有待進一步研究。微生物對不同種類的氨基酸和肽的利用水平不同。朱偉云等體外研究表明，十二指腸、空腸、回腸腸道微生物對氨基酸的代謝效率不同，賴氨酸、蘇氨酸、精氨酸、谷氨酸、亮氨酸的代謝率>90%。異亮氨酸、纈氨酸和組氨酸次之（50%~80%），而脯氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸和色氨酸最低，低于35%。值得關注的是微生物自身代謝所產生的氨基酸不僅能夠維持機體氨基酸的代謝平衡，還能夠作為信號分子，激活mTOR通路，促進宿主細胞蛋白質的沉積，從而改善腸道內的營養水平。
1.2日糧粗蛋白質水平對腸道微生物的影響
微生物與飼糧蛋白質存在著雙向調節的作用，飼糧蛋白質也制約著宿主腸道內微生物的生長與增殖。研究表明，腸道內的乳酸桿菌無法識別和利用自身合成的氨基酸，高度依賴宿主外源供給的氨基酸，合成菌體蛋白質。因此小腸內存在著微生物與宿主之間的氨基酸競爭。小腸內的乳酸菌可吸收膳食中總氨基酸含量的3%~6%。當日糧蛋白質水平較低且在小腸被高效利用后，大腸內的微生物獲取的氨基酸減少，其生長繁殖會受到抑制。反之，高蛋白質膳食，促進腸道病原菌的定植與生長。周華等研究表明，斷奶仔豬采食高蛋白質膳食時，未被分解吸收的蛋白質就會作為腸道微生物發酵的底物，促進大腸桿菌等病原菌大量增殖，引發腸道功能紊亂，仔豬腹瀉疾病的發生。Liu等研究表明，高蛋白質日糧大鼠結腸的短鏈脂肪酸、乳酸、琥珀酸、甲酸和乙醇含量顯著增加，腸道微生物的多樣性明顯減少。Libao-Mercado等采用同位素稀釋技術進行了連續灌注后的研究，結果表明，尿素、胺類和內源性氮對生長豬腸道菌群蛋白質合成具有重要的貢獻。
此外，飼糧蛋白質在調控微生物多樣性方面發揮著重要作用，不同的蛋白質水平能夠改變腸道微生物的多樣性。王愛娜等在肉雞飼糧中分別添加發酵玉米蛋白粉5%和10%，結果表明，高蛋白粉日糧能夠降低盲腸大腸桿菌數量，增加乳酸桿菌數量。飲食中蛋白質限制則可以改變細菌群落和代謝產物，促進腸道有益細菌在回腸和結腸的定植，調控菌群的組成與多樣性。Fan等采用粗蛋白質16%、13%和10%的日糧飼喂肥育豬，結果表明，當日糧中蛋白質濃度由16%降至10%時，其腸道內微生物多樣性下降，回腸梭菌在回腸中的比例顯著下降，而大腸桿菌數量隨著蛋白質濃度的降低而增加。Cho等也有類似的發現，低水平蛋白質飼糧條件下，動物體腸道菌群組成變得簡單。日糧不同蛋白源也會影響豬腸道微生物數量和菌群多樣性。分別用棉籽粕（CSM）、豆粕（SBM）和魚粉（FM）飼喂斷奶仔豬，結果表明，其小腸內容物中的微生物組分差異比較大，棉籽粕組能夠明顯提高益生菌的比例及菌株活性，改變腸道菌群的區系。
2腸道微生物與碳水化合物的代謝
2.1 腸道微生物對碳水化合物代謝的影響
當碳水化合物被初步消化后，腸道微生物將其發酵形成乳酸鹽和短鏈脂肪酸（SCFAS），如乙酸、丙酸、丁酸和異丁酸等。研究表明，這些短鏈脂肪酸具有食欲調控作用，能夠激活游離脂肪酸受體（FFAR2），被內分泌L細胞的G偶聯蛋白受體41（GPR41）和G偶聯蛋白受體43（GPR43）識別與感應，誘導胃腸激素肽YY（PYY）和胰高血糖素樣肽（GLP-1）的合成與釋放（15、16）。PYY和GLP-1是一類飽腹感激素，能夠使動物食欲快速下降，PYY主要是通過抑制胃腸運動和胃酸分泌，延長了營養成分通過腸道時間，提高機體的飽腹感；而GLP-1則通過調控胰島素的合成，促進飽腹感。除了調控動物的食欲，短鏈脂肪酸（SCFAS）可發揮營養調控作用，刺激腸道血流量和電解質的攝取。丙酸通過血液循環運輸至肝臟部位時，可作為糖異生與脂質合成的反應底物，被肝細胞重新利用。丁酸則被腸細胞氧化利用，合成高水平的ADP與AMP，前者為細胞生長與增殖提供60%~70%的能量，調控蛋白質合成和DNA復制過程，后者則誘導糖異生基因和表皮細胞生長因子的表達，促進腸道屏障的完整性。乙酸進入到外周組織中，作為膽固醇等生理活性物質的合成原料。
2.2 日糧中碳水化合物對腸道微生物的影響
大腸中微生物降解的主要產物見附表。
不同種類的碳水化合物在腸道內被消化吸收的進程不同，進而影響微生物的活性與群落結構。營養性碳水化合物主要在十二指腸部位被消化和吸收，少量未被消化的營養性碳水化合物和結構性碳水化合物可進入大腸被微生物發酵。碳水化合物在盲腸與結腸被發酵分解為脂肪酸見附表。脂肪酸能夠改變腸道的pH，同時又是微生物的能量物質，從而改變微生物的活性及其在腸道的分布。Vernazza等研究表明，半乳糖可作為微生物的生長因子，通過促進乳酸桿菌的增殖，避免泌尿生殖道感染病原菌。Haenen等試驗表明，在公豬飼糧中添加抗性淀粉14%，其腸道內的菌群組成會發生變化，丁酸菌如普拉梭菌和埃氏巨型球的相對豐度降低，潛在性致病菌如鉤端螺旋體和變形菌的相對豐度提高。因此碳水化合物的發酵分解對腸道微生物的活性、多樣性及菌群穩態發揮著重要的生理作用。
3腸道微生物與脂類代謝
3.1 腸道微生物對脂類消化與吸收的影響
脂質作為機體內重要的儲能物質，在碳水化合物等供給不足時，被氧化利用為機體供能。脂質代謝的機制復雜，受許多因素的影響，其中腸道微生物的作用越來越受到關注。研究表明，腸道微生物是一種"內化了的環境因子"，能夠調控脂質的代謝與相關基因的表達，維持能量收支平衡。腸道微生物能把多糖和低聚糖降解為簡單的代謝產物，如短鏈脂肪酸。這些短鏈脂肪酸是機體組織及細胞的能量來源，近年來研究表明其能促進腸道不滲透性以及肝臟糖類和脂質合成代謝。Bjursell等研究表明，小鼠體內游離脂肪酸受體（GPR43）被敲除后，其變得更瘦，肝臟重量及血液總甘油三酯膽固醇的水平降低，表明腸道微生物能夠通過影響脂肪酸的代謝來調控脂質的合成。此外，腸道微生物能夠調控膽汁酸的代謝，影響到脂質的消化與吸收。膽汁酸產生于肝臟，儲藏于膽囊，是脂質分子重要的乳化劑。研究表明，腸道微生物介導膽汁酸庫的形成及次級膽汁酸在膽汁酸池中的分布，調控脂質代謝，與宿主腸道的脂質代謝機制存在內在聯系。
研究表明，腸道微生物能夠調控脂肪酸與膽汁酸的代謝，改變炎癥因子的表達量，從而影響能量代謝及與肥胖相關的代謝機制。腸道微生物對脂肪代謝的調控作用，常被認為有以下幾種：通過調節食物、脂肪儲存、脂肪生成和脂肪酸氧化來調節能量平衡；通過調節上皮通透性、腸運動和短鏈脂肪酸等消化產物的運輸來調節腸道屏障的完整性；調節胃腸肽激素分泌，通過抑制脂蛋白脂肪酶抑制劑（空腹脂肪因子）的分泌，調節肌肉和脂肪組織中甘油三酯和脂肪酸的釋放，促進脂肪的沉積；腸道細菌在不同的生理代謝狀態下，影響脂質代謝的效果不同。機體處于健康水平時，即使攝取高糖高脂類食物，平衡的腸道菌群將有助于維持腸道和系統代謝健康，預防內毒素血癥，降低肝臟損傷和外周胰島素抵抗；而機體代謝異常時，腸道內革蘭氏陰性菌相對豐度升高，誘發LPS浸潤，破壞腸屏障完整性、引起局部炎癥、肝損傷和內毒素血癥。同時，腸道微生物能夠加強腸-腦-胰島β細胞軸的正反饋調節作用，促進宿主細胞的能量儲備、脂肪積累及胰島素的頡頏效應，高脂肪和碳水化合物供應導致肥胖、脂肪肝。值得注意的是無菌小鼠不會在高脂飲食中發展肥胖，但在細菌重組后變得肥胖，相比正常鼠，無菌小鼠通過增強肝臟和肌肉PGC-1α的表達，促進脂肪分解代謝，抵制高脂肪高糖引起的肥胖。研究表明，無菌鼠比正常鼠更能抵制高糖高脂肪在機體內的累積引起的肥胖，肥胖的產生可能與擬桿菌門和厚壁菌門的相對豐度顯著下降有關。
3.1 脂質對腸道微生物的影響
脂質在單胃動物體內的代謝機制復雜，近年來研究發現其能夠調控腸道能量平衡，維持宿主健康水平。膳食脂肪能夠促進腸道梭狀芽胞桿菌、消化鏈球菌和普氏菌的定植，提高腸道微生物多樣性。研究表明，富含n-6多不飽和脂肪酸的高脂膳食促進微生物過度繁殖，抑制擬桿菌門和厚壁菌門細菌的生長與增殖。魚油補充（富含長鏈n-3多不飽和脂肪酸，如DHA和EPA）修復了微生物群，增強T免疫細胞的活性。研究表明，某些糖類，例如阿糖基木聚糖寡糖，能夠促進雙歧桿菌等菌群的增殖，調控菌群組成，改善高脂肪喂養小鼠的代謝障礙，治療高脂肪癥小鼠。糖類與脂肪均能夠通過一定的生理機制影響微生物的生長與增殖。與飲食有關的微生物群落的變化可能是間接的結果。腸道內以厭氧菌為主，厭氧菌不能直接氧化利用長鏈脂肪酸，需要氧氣的存在，而氧氣在腸道中很少。因此，研究對高脂肪飲食的反應得到腸道菌群的變化應是由腸道環境變化引起的。值得思考的是以往的膳食脂肪試驗，食物中也包括了不同種類、來源的碳水化合物，碳水化合物與脂肪代謝成分有很多相似的部分，且腸道環境也是影響微生物生長與增殖的關鍵因素，很難準確判斷出腸道微生物是受到碳水化合物還是脂肪或環境的影響，具體的作用機制有待進一步研究。
4腸道微生物的調控因子及作用機制
4.1 益生菌
微生物與宿主的關系可分以下3種，互利共生、同食共生及致病。在生產實際中，常利用生物互利共生、同食共生的關系將微生物用作飼糧添加劑，為機體提供益生功能，例如保障腸道營養健康，增強其免疫機能，阻止病原微生物侵襲，維持腸道微生態平衡等。尼氏大腸桿菌是一種常用于治療腸道感染的益生菌，Bumjo等將受試者分為兩組，一組為抗生素組，另一組為益生素組，即在抗生素中補充益生菌，發現抗生素組的功能基因家族比例比益生菌組大。特別是與對硒化合物代謝相關基因的比例在益生菌組降低，而糖核苷酸代謝相關基因均增加。表明了益生菌能夠在一定程度上改變腸道微生物的功能，減少抗生素的抗性作用，從而保證動物體的營養健康。
益生菌在動物機體內作用機制復雜，一般認為其有以下幾個方面：增強動物機體黏性蛋白的分泌功能，使黏性蛋白的分泌量增加。黏性蛋白是粘液層的重要組成成分，可阻止病原微生物的侵襲與干擾；提高腸道上皮細胞分泌抗菌素和防御素，其自身也可分泌細菌素或短鏈脂肪酸（SCFA），來抑制病原微生物的生長與繁殖及生物耗氧。芽孢桿菌等需氧型有益菌能夠定植在腸道內，消耗氧氣，造成厭氧環境，從而抑制有害病菌的生長與繁殖，促進有益菌形成致密的菌群，調節腸道微生態平衡；益生菌與有害細菌競爭腸粘膜的定植位點，爭奪營養物質，抵制病原微生物的侵襲。Ogawa等研究表明，乳酸桿菌能夠分泌乙酸和乳酸，降低動物腸道內的pH，抑制其他有害細菌的生長與繁殖。Konstantinov等的研究也取得了類似結論，降低腸道內乳酸桿菌的數量，有害病原微生物會過渡地生長與繁殖。在斷奶早期，用復合益生菌添加劑（含枯草芽孢桿菌、屎腸球菌、植物乳桿菌）飼喂仔豬，能夠明顯地增強IL-6和TNF-α的表達水平，增加豬的平均日增重和飼料轉化率，提高仔豬的免疫性能與生產性能。Bai等研究表明，益生菌還具有抗氧化功能，能夠降低動物體血清中活性氧（ROS）、羥自由基、丙二醛（MDA）等物質的含量，從而改善動物體的生產性能與產品品質。研究表明，飼糧中添加益生菌，能調控真菌桿屬與雙歧桿菌的交互作用，調節發酵產物的生成。
4.2 寡糖
寡糖亦稱低聚糖，由2~10單糖分子經糖苷鍵連接脫水縮合而成的化合物，是一種新型、環保的飼料添加劑。寡糖分為普通寡糖和功能性寡糖，后者常用作飼料添加劑。寡糖的作用機理主要與病原體競爭結合位點，病原菌（沙門桿菌、大腸桿菌、梭狀芽孢桿菌等）表面附有凝集素，能夠特異性識別腸壁細胞上的受體，從而定植在腸道表面，快速生長繁殖，使腸道發生疾病。而寡糖具有與該受體相似的結構，且和病原菌有較強的結合力，因此與病原菌競爭結合位點，致使病原菌無法黏附在腸道宿細胞上，因失去能量供給而死亡。Ma等研究表明，飼糧中添加大豆寡糖，能夠明顯改善小鼠腸道菌群組成，減少病原菌的數量，增強小鼠免疫功能。寡糖是一些益生菌（雙歧桿菌、乳酸桿菌）選擇性發酵的底物，刺激結腸中少數細菌的活性及生長，從而改善宿主健康。陳遠東等研究表明，日糧中添加低聚半乳糖（GOS）可促進小鼠乳酸桿菌及大腸桿菌的增殖，抑制腸道內腸球菌與腸桿菌的生長與繁殖，從而利于腸道菌群的穩態。此外，短鏈低聚糖與膳食纖維相似，能抵抗腸道酶消化，被微生物發酵為醋酸、丙酸、丁酸等，降低腸道pH，從而有利于益生菌的生存，這與飼糧酸化劑具有共性。Giannenas等研究表明，甘露寡糖和有機酸的聯合使用，能顯著促進育肥豬的生長，改善育肥豬腸道菌群組成和免疫應答水平。
4.3 酸化劑
酸化劑作為抗生素生長促進劑的替代品，常被廣泛地應用于動物飼料中，是一種無殘留、無抗藥性、無毒害作用的環保型添加劑。飼料酸化劑分為有機酸和無機酸兩類，常見的有檸檬酸、延胡索酸、乳酸、丙酸、乙酸、山梨酸、鹽酸、硫酸、磷酸等。飼料酸化劑能夠改變腸道內容物的pH，抑制有害微生物（大腸桿菌、葡萄球菌等）的生長與增殖，提高益生菌的含量，從而改善腸道微生物的區系效應。Ahmed等研究表明，膳食有機酸可以增加斷奶仔豬的乳酸桿菌濃度，乳酸桿菌是機體內重要的益生菌，對于維持機體的健康起到重要作用。酸化劑降低了胃腸道的pH，激活胃蛋白酶，促進營養物質的消化吸收，減少仔豬腹瀉。王海峰等研究表明，母豬飼糧中添加山梨酸，能夠提高母豬的背膘損失和日均泌乳量，改善仔豬的生產性能。呂祥娟等也有類似的研究，飼糧中添加檸檬酸，能夠增強仔豬的抗應激能力與抗氧化能力，提高仔豬的健康水平。
5小結
腸道微生物自身及其代謝產物調控著機體的生理機能與健康水平，對動物體的生長與發育至關重要。研究動物體腸道內微生物定植和演替規律，分析微生物代謝產物產生和排放的規律，揭示調控宿主腸道穩態和功能的作用機制，進而開發營養調控消化道微生物定植和腸道功能技術，將極大提高動物的生產和健康水平，防控相關疾病的發生。相信隨著科學技術進步和研究水平的不斷提高，畜禽腸道微生物與腸道健康的互作機制將逐步被揭示，也將為動物健康飼養策略的制訂、技術與產品的開發提供堅實的理論基礎。
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