丁酸钠对犊牛胃肠道发育的研究进展

摘   要:丁酸钠是一种绿色新型饲料添加剂,目前在动物饲料中应用广泛,且效果良好。作者主要介绍了丁酸钠的生物学功能、对犊牛胃肠道发育的影响及其在犊牛日粮中的应用效果。重点总结了丁酸钠促进犊牛胃肠道发育的影响机制,包括作为胃肠道组织的能量来源调控激素和生长因子的分泌,提高消化和吸收相关酶的分泌及活性,提高肠道免疫细胞保护性蛋白的分泌等。现有研究表明,日粮干物质中添加0.3%丁酸钠就能达到促进犊牛生长和胃肠道发育的效果,但具体添加水平、添加阶段和方式等尚不明确。此外,日粮粗饲料水平、精料发酵所产生的内源丁酸对外源丁酸钠的作用效果是否有影响也鲜有报道,有待进一步开展研究。


关键词:丁酸钠;犊牛;胃肠道发育


  丁酸是一种短链挥发性脂肪酸,也是丁酸钠的有效成分。游离的丁酸挥发性强、有特殊气味,且适口性差,故将它制成相对稳定的钠盐应用在生产中 。丁酸钠是丁酸盐的最常见形式,易溶于水,因此饲料中的丁酸钠可在胃中迅速解离并可能完全被胃肠道吸收 。丁酸除了能为肠道上皮细胞供能,还能刺激胃肠道细胞发育、保护肠道黏膜、调节肠道微生物菌群平衡及增强肠道免疫力等   。犊牛的胃肠道在出生时并未完全发育,特别是前胃发育不良,没有为开食料消化做好准备,在出生后的2~3周,能观察到皱胃和小肠的显著发育,出生后3~4周内,前胃可得到快速发育,此时犊牛开始愿意摄入固体饲料并进行有效的消化。然而,前胃的发育通常持续几个月,断奶前的发育状况会影响动物断奶后的生产性能和生产力 。与前胃不同,皱胃和小肠的发育对全脂奶、代乳粉及开食料等犊牛断奶前的主要营养源消化有重大影响,进而影响犊牛

早期发育,因此强化犊牛全消化道发育有利于动物的生长和健康。研究表明丁酸盐对肉鸡、仔猪、犊牛等幼畜的生产性能和胃肠道发育都有不同程度的促进作用 。此外,大量的人类医学研究还表明丁酸盐可治疗肠道疾病   。丁酸钠由于其独特的功能,已经广泛应用于幼畜饲料中,可促进其胃肠道发育,提高采食量和日增重,缩短断奶日龄和减缓断奶应激及腹泻等。作者主要对丁酸钠促进犊牛胃肠道的发育进行综述,并为今后的研究提供参考。

1  丁酸钠的生物学功能

1.1  为胃肠道上皮细胞快速提供能量来源动物消化道高达30%的维持能量来源于乙酸、

丙酸和丁酸等短链挥发性脂肪酸(SCFA ) 。丁酸比丙酸和乙酸先消耗,在瘤胃上皮通过阴离子交换和扩散作用吸收,转化为酮体给瘤胃上皮细胞供能   。被肠道吸收的丁酸,一部分作为肠黏膜上皮细胞的能源物质被消耗掉;另一部分则转运至肝脏进一步代谢,其最终代谢产物为酮体和二氧化碳。丁酸为肠上皮细胞供能的机制是通过羟甲基戊二酰辅酶 A 循环中的 β - 氧化作用进行能量代谢,先通过丁酸辅酶 A 合成酶把丁酸转化成丁酸辅酶 A (bu-tyrate- CoA),再通过一系列反应快速生成乙酰辅酶A 。丁酸是肠细胞偏爱的能量来源,且以非离子弥散性吸收,不需要载体和能量,故无需经过肝胆吸收和复杂的三羟酸循环系统,就可直接为肠上皮细胞供能,是肠上皮细胞的快速能量源 。此外,在牛体内丁酸的吸收是饱和的,若丁酸吸收量超过其代谢能力,则会影响瘤胃上皮细胞、肝脏营养代谢和外周组织营养物质的供能 。

1.2  促进胃肠道细胞的增殖、成熟及黏膜形态改善

犊牛胃肠道发育不完善,分泌消化酶和吸收营养物质的能力较弱。试验证明,丁酸钠是提高胃肠

道绒毛高度和隐窝深度的激活剂,能增加胃肠道的吸收面积。 Mentschel 等研究发现,日粮中添加丁酸提高了瘤胃乳头上皮细胞有丝分裂指数,同时细胞的增殖作用增强,乳头长度增加;可通过添加丁酸盐快速供能来更新肠道中间细胞,促进肠道发育;丁酸盐还能增加肠黏膜上皮细胞的数量,使柱状细胞更加粗壮 。赵会利等试验表明,日粮中添加1% 的丁酸钠,可使犊牛断奶前后瘤胃绒毛和小肠绒毛的高度增加,维持肠道黏膜的完整性,进而促进犊牛的胃肠道发育以及提高生长性能。基础日粮中添加 0.5% 的包被丁酸钠能很好地促进断奶羔羊的肠

道绒毛发育 。

1.3  调节胃肠道 pH 和肠道微生物菌群平衡

丁酸钠能降低胃液pH,激活胃蛋白酶原,促进营养物质消化 。其在胃中解离进入细菌细胞后,分解为氢离子和丁酸根离子,而高浓度的氢离子又能使大肠杆菌、沙门氏菌等有害菌大量死亡,耐酸性的乳酸菌等有益菌生存 。故丁酸盐可抑制病原微生物,增加有益菌群数量,进而改善肠道微生物菌群的动态平衡。 Glfi等 研究表明,日粮中添加0.17%的丁酸钠能降低猪回肠大肠杆菌的数量,显著降低肠道内沙门氏菌及其在粪中的排放。郭传珍等试验发现,在日粮中添加不同剂量(0.1 、0.2及0.4g/kg)的丁酸钠,均可降低肉鸡各段消化道的pH,提高乳酸杆菌的数量,抑制大肠杆菌的繁殖。但有关丁酸盐对犊牛胃肠道微生物菌群数量及结构直接影响的研究较少。

1.4  增强肠道免疫,缓解断奶应激

丁酸盐作为肠道细胞的能量来源可促进肠道细胞的增殖和成熟,进而维持肠黏膜上皮细胞的结构

完整,增强机械屏障作用 。王继凤 [24] 发现,丁酸钠能一定程度地增加断奶仔猪小肠上皮淋巴细胞、肥大细胞和肠黏膜杯状细胞的数量,因此丁酸钠可通过促进相关免疫细胞的增殖来强化肠道免疫屏障,进而提高肠道的免疫功能。有研究表明,丁酸钠还可通过抑制组蛋白去乙酸化酶活性提高猪内源性抗菌肽的表达,进而提高自身抗菌能力 。丁酸钠能通过提高断奶犊牛消化能力和营养状况,进而提高血清免疫球蛋白水平,提高机体免疫力,同时还可降低血清急性期蛋白和皮质醇水平,有效缓解犊牛断奶应激   。

1.5  抑制炎症反应

丁酸钠可促进肠黏膜的修复及其功能恢复,作为一种去乙酰化酶抑制剂,其能够提高组蛋白乙酰

化水平,抑制炎症细胞因子的产生和释放,进而起到抗炎作用。研究表明,丁酸钠能刺激瘤胃上皮细胞加快短链脂肪酸的吸收速率,从而缓解由高精料引起的 pH 降低效应,减轻机体炎症反应,对高精日粮导致的奶山羊肝脏细胞凋亡起调控作用 。丁酸钠对 β - 乳球蛋白等过敏细胞的增殖和炎性因子分泌具有抑制作用,表明丁酸钠可用于治疗过敏性疾病 。已经证实丁酸钠能通过抑制炎症反应降低脂多糖( LPS )诱发的乳腺炎,维护血乳屏障完整性,该结果可为丁酸钠 用 于防 治奶 牛 乳 腺 炎 提 供 参考 。此外,丁酸钠可通过调节结肠细胞氧化和代谢性应激的基因表达抑制结肠上皮细胞的凋亡,抑制核转录因子 κB ( NF - κB )的活性,减少肿瘤坏死因子 α (TNF - α )等炎症性细胞因子的产生,从而抑制肠黏膜的炎症反应,减轻腹泻 。

2  丁酸钠对犊牛胃肠道发育的影响

2.1  丁酸钠对犊牛瘤胃发育的影响

瘤胃是反刍动物消化代谢和养分吸收的重要场所。在犊牛断奶时,瘤胃所占消化道容积的比例将

从出生时的30%增加到约70% ,进而建立强大的消化系统。由于挥发性脂肪酸(包括丁酸)是犊牛出生后瘤胃上皮发育的重要营养因子,在新生犊牛营养中,促进瘤胃丁酸生成即有助于促进瘤胃上皮生长和成熟 。 Sander [ 31 ] 等将 100g/kg的丁酸钠溶液经瘤胃瘘管注入2~5周龄犊牛的瘤胃发现,此举提高了瘤胃乳头高度及瘤胃的发育程度。在成年羊中也得到相似的结果:将丁酸钠按照每天2g/kg体重注入瘤胃,连续6d ,可促进瘤胃上皮的发育 ,该结果进一步确认了丁酸钠的作用。 Górka 等 发现,在代乳粉中添加0.3%丁酸钠和开食料中添加0.3%包埋丁酸钠均能增加新生犊牛前胃重量、乳头的长度和宽度。此外,在日粮中添加丁酸钠除能促进瘤胃上皮细胞发育外,还可提高瘤胃黏膜厚度,促进胃肠道的消化吸收机能,进而提高犊牛的生长性能   。丁酸钠在代乳粉中主要通过促进肠道发育、提高养分消化能力,进而提高动物生长发育速度来间接刺激瘤胃发育,这一作用可能是由丁酸对肠道分泌调节肽的影响或丁酸对迷走神经刺激的结果,亦或是两者共同影响引起的;而在开食料中丁

酸钠则 可直 接 作 为 能 量前体物 刺 激 瘤 胃 上 皮 发育 。但考虑到通常情况下丁酸钠的补充剂量较低,则其对瘤胃发育的影响可能更多地依赖于丁酸对激素和生长因子分泌的调控而不是直接为细胞增殖供能。

2.2  丁酸钠对犊牛小肠发育的影响

小肠是养分消化和吸收的主要器官,正常的肠道形态结构是其功能的基础。研究表明,在犊牛断

奶前和断奶后的日粮中添加丁酸钠能维持肠道绒毛完整,保护肠黏膜,促进小肠绒毛生长,改善犊牛肠道结构   。丁酸钠改善犊牛肠道功能的作用机制主要有以下几个方面: ① 直接作为肠道细胞,特别是结肠细胞能量前体物,进而促进肠道上皮细胞增殖和养分吸收; ② 提高消化和吸收相关酶的分泌及活性,如丁酸钠可促进胰腺消化酶的分泌和小肠黏膜刷状缘酶的活性;③ 提高肠道免疫细胞活性和保护性蛋白的分泌,如丁酸钠可促进皱胃和大肠黏膜中蛋白质的合成和转运,提高清除细胞氧自由基的热休克蛋白( HSP27和 HSP70 )表达来保护胃肠道黏膜细胞 。实际生产中,使用代乳粉代替牛奶会减缓小肠发育,减少开食料摄入量和消化率,其原因是代乳粉缺乏牛奶所含的丁酸,然而在代乳粉中添加丁酸钠后可缓解代乳粉对犊牛肠道发育中如黏膜细胞凋亡等负面影响   。有研究表明,丁酸钠在肠道内作用位点有特异性,主要对十二指肠、空肠近端和远端的肠绒毛和黏膜有促进作用,但对空肠中部则无作用   。 Górka等 研究表明,代乳粉或开食料中补充0.3%的丁酸钠均可提高犊牛瘤胃和小肠的绒毛高度和黏膜厚度,而开食料中补充0.3%的丁酸钠则直接刺激了瘤胃发育。因此,丁酸钠的效果还取决于添加途径,一般而言在代乳粉中补充丁酸钠通常比在开食料中添加具有更显著的效果,其原因可能是:开食料中含有的淀粉可在瘤胃内发酵产生大量丁酸,这使得外源添加的丁酸钠作用不显著。

3  丁酸钠在犊牛日粮中的应用效果

考虑到生产成本,犊牛在5或6周龄时就实行断奶(全脂奶或代乳粉),这种转变需要胃肠道的快速发育,特别是瘤胃的发育 。由于开食料直接进入瘤胃,而牛奶或代乳粉通过食道沟进入皱胃和小肠,因此生产中一般在开食料或代乳粉中同时补充丁酸盐。丁酸钠在犊牛日粮中的添加方式有包埋和不包埋两种。代乳粉中主要使用不包埋的丁酸盐,而开食料中两种形式都使用。相比不包埋的丁酸盐在胃(前胃、皱胃)中迅速分解 ,包埋丁酸盐则只有小部分在胃中释放,大部分于小肠近端释放。包埋通常用于调节丁酸盐的补充效果,减缓丁酸盐在胃中的释放,其优势在于:① 使丁酸盐在肠道中分布更均匀,促进小肠更快的发育和成 熟 ;② 使丁酸盐更容易到达后肠以影响大肠的结构和功能,减少犊牛的腹泻; ③ 使丁酸盐在瘤胃内缓慢释放以充分利用,而不包埋的丁酸盐容易被瘤胃微生物利用 。但在代乳粉中添加包埋丁酸盐时,容易与液体分离而影响丁酸盐的利用效率 。此外,包埋丁酸盐比不包埋的成本高 50% 到 100% 。尽管包埋

丁酸钠在开食料中使用普遍(常见的为油脂微囊包被),但其在犊牛日粮中的应用效果还不稳定,成本也比较高,其作用机制和添加阶段尚有待进一步研究。犊牛饲料中丁酸盐的推荐用量很低。在代乳粉中添加0.3% 不受保护的丁酸盐就足以刺激胃肠道的发育,但事实上犊牛也能耐受高达3倍推荐量的补 充水平 。丁 酸 盐在开食料中 添加范 围 为0.3%~>1% 。在羔羊断奶前添加 0.3% 丁酸钠对胃肠道发育、采食量和生长性能均有促进作用,但在

断奶后该剂量不足以维持有效效应 。然而,当丁酸钠添加量高达3%时,其对犊牛采食量和平均日增重的作用与0.3%和1%的添加量组无明显差异 。与未受保护的丁酸盐相比,开食料中保护形式的丁酸盐推荐剂量非常低。日粮中添加0.3%的包埋丁酸盐对犊牛肠道发育和采食量提高的作用仅相当于添加0.1%的未保护丁酸盐 ,Wanat等 研究表明,犊牛断奶后在开食料中添加大于 0.3%的包埋丁酸盐不利于犊牛的采食量和日增重的提高。因此,丁酸盐在开食料中的添加量在断奶前后应有所不同。丁酸钠在犊牛养殖应用中也存在一些问题:① 尽管在犊牛饲料中添加包埋和不包埋的丁酸钠均对胃肠道的发育和生长性能有积极影响,且补充

0.3%就足以产生效果,但到目前为止,不同研究中报道的添加量差异较大,仍无法确定丁酸钠的最佳推荐剂量; ② 犊牛日粮中添加丁酸钠的时间长短没有明确的限定,补充时间过长会导致瘤胃过度角质化和短链脂肪酸的较低效吸收;③ 添加丁酸钠的作用效果还会受到添加形式和日龄等多种因素的影响 。此外,高精料日粮在瘤胃中发酵会产生大量丁酸,外源添加的丁酸钠对这些内源丁酸的影响尚未见报道;且日粮中粗饲料水平也可能影响丁酸钠的作用效果。

4  小 结

丁酸钠作为一种新型绿色饲料添加剂,具有促进犊牛胃肠道发育、调节肠道微生态平衡、增强肠道免疫力和提高犊牛生产性能等诸多功效,且已在犊牛养殖中得到了广泛应用并取得了显著效果。尽管如此,为了充分证明代乳粉和开食料中丁酸钠的补充效果,还需要进一步揭示其作用机制。此外,丁酸钠的添加水平、添加阶段和方式等有待进一步探讨。