Implications of butyrate and its derivatives for gut health and animal production
作者：Andrea Bedford, Joshua Gong*
Guelph Research and Development Centre, Agriculture and Agri-food Canada, Guelph, Ontario N1G 5C9, Canada
来源：Animal Nutrition 4 (2018) 151-159
DOI: 10.1016/j.aninu.2017.08.010.
翻译：肠动力研究院 梁琦
【摘要】丁酸是人和动物的大肠中的微生物发酵所产生。丁酸不仅是为结肠上皮细胞提供能量的主要营养素，而且还是调节肠道细胞和其他功能的细胞介质，包括基因表达，细胞分化，肠道组织发育，免疫调节，减少氧化应激和控制腹泻。人类医药的研究大部分集中在应用丁酸治疗肠道疾病，但丁酸在维持肠道健康方面的重要性也引起了人们将其应用于动物生产的关注，特别是作为饲料中抗生素的替代品。由于在生产过程中使用丁酸存在一定的难度（气味难闻和易于在肠道上部吸收），基于此，人们已经开发出不同形式的丁酸，例如丁酸钠和丁酸甘油酯，并已评估出对不同种类动物的肠道健康和生长性能的影响。丁酸及其衍生物通常表现出对动物生产的积极影响，包括促进肠道发育，抑制肠道病原体，减少炎症发生，提高生长性能（包括胴体组成）和调节肠道微生物群。这些益处在幼畜中更明显，并且相关文献上已报道结果上的差异。本文重点回顾了丁酸及其衍生物在动物研究上的最新发现，及其背后的作用和机制，并讨论了这些研究结果对改善动物肠道健康和动物生产的影响。此外，还引用了在丁酸领域与动物生产相关的人类医学研究的重要发现。
【关键词】丁酸；丁酸甘油酯；抗生素替代物；肠道健康；营养素；动物生产
1.前言
短链脂肪酸（SCFA）是指未消化的膳食碳水化合物通过细菌发酵在肠腔内产生的含有1-6个碳的有机脂肪酸，日粮和内源性蛋白质如脱落的上皮细胞和粘膜进入结肠也可产生SCFA（Topping和Clifton，2001）。在胃肠道（GIT）中最丰富的SCFA是乙酸，丙酸和丁酸。这些源自小肠未消化的碳源能产生SCFA可以及时供能。据估计，SCFA可以提供人类总热量需求的5％-15％（Bergman，1990）
虽然在上述三种主要的SCFA中，丁酸含量最少的，但是最重要的，因为它是结肠上皮细胞的主要代谢物质：多达90％的丁酸被结肠上皮细胞所代谢（Hamer等，2008）。结肠上皮细胞有助于机体从肠腔吸收水，钠和氯。丁酸也被证明对胃肠道和外周组织中具有积极的影响，并通过多种机制起作用，究其原因，可能是部分丁酸能够调控相关基因的表达 (Canani et al., 2011)。丁酸是一类称为组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDI）的表观遗传物质的一部分。组蛋白去乙酰化酶通过从赖氨酸残基去除乙酰基来起作用，最终形成浓缩和转录沉默的染色质。HDI阻断该作用并且可以导致组蛋白的超乙酰化，从而影响大量的基因表达 (Marks et al., 2000)。
SCFA，包括丁酸，具有抗菌活性，并已广泛用作饲料添加剂以抑制致病菌。脂肪酸及其单甘油酯也已显示能够有效抑制细菌生长 (Kabara et al., 1972; Thormar et al., 2006)。如添加到新孵出的小鸡的日粮中，丁酸则能显著性减少盲肠中的沙门氏菌的繁殖(Cox etal.,1994)。
而在Namkung等人的体外研究中（2011），研究人员测试了丁酸及其衍生物，单丁酸甘油酯以及单丁酸-，二丁酸-和三丁酸甘油酯的混合物在不同浓度下对鼠伤寒沙门氏菌和产气荚膜梭菌的抗微生物活性。他们发现丁酸抑制沙门氏菌的效果最佳，然后是单丁酸甘油酯，三丁酸甘油酯在没有添加脂肪酶的情况下抑制作用最低，并且丁酸和其甘油酯以相同的方式减少了产气荚膜梭菌的生长(Namkung et al., 2011)。体外添加丁酸钠已被证明可诱导多种鸡细胞类型中的宿主防御肽（包括b-防御素和导管素）的表达，如HD11巨噬细胞，原代单核细胞和骨髓细胞，以及空肠和盲肠外植体(Sunkara et al., 2011)。最近，Rivera-Chavez等人（2016）报道了链霉素治疗可能会损伤共生有益菌，小鼠肠腔内产生的梭菌会导致丁酸水平降低，上皮氧合作用增加，以及鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella enterica serovar Typhimurium）的增殖。 三丁酸甘油酯则可用来治疗和恢复上皮缺氧和抑制沙门氏菌的繁殖。
除了在人类健康中的潜在应用研究之外，已经对丁酸添加到日粮中对动物性能的影响进行了许多研究。丁酸应用中的一个主要问题是难以掩盖其特殊的气味。丁酸具有难闻的气味，导致其难以直接使用，并且可以阻止动物食用含有游离丁酸的饲料。此外，已经证明游离丁酸主要在GIT上部中被吸收，这意味着大部分丁酸不会到达大肠，其中包括丁酸发挥其主要功能的结肠(Pituch et al., 2013)。在这方面，已经开发并使用丁酸甘油酯，丁酸盐和不同的包被技术以便于防止丁酸在上部GIT被释放出来。
丁酸甘油酯，是由一个丁酸，两个丁酸或三个丁酸连接到甘油骨架上而组成的一类物质。在小肠中，丁酸通过脂肪酶的作用从甘油中释放出来。在这种形式下，应保护丁酸免于在GIT上部被吸收。丁酸钠是丁酸的钠盐，它可以自由添加以促进上部GIT的发育或以受保护形式（例如甘油三酯基质）缓慢释放并流向下端GIT。
作为HDI，由于它们的抗微生物活性以及对宿主免疫应答的影响，丁酸及其衍生物被认为是用于动物生产的饲用抗生素的潜在替代物，以及被寄望用于治疗人类肠炎性病。本综述将总结和重点评估以前关于丁酸及其衍生物对动物性能影响的研究，以及对人类健康的影响作为参考。此外，将讨论它们在这两个领域的未来应用，包括潜力和挑战，以及经济动物的联系。
2.丁酸在猪生产上的应用研究
断奶期是仔猪生长发育的关键时期。从液体到固体饲料的转变，环境的变化以及与新的一窝仔猪混合都会产生应激，通常会导致断奶后仔猪的生长发育滞后。导致生长滞后的一个重要因素是由于早期断奶会导致仔猪GIT无法正常发育，从而无法正确消化和吸收营养。近些年来，已研制出相应策略和饲料添加剂，包括SCFA，以缓解仔猪断奶应激 (Ravindran and Kornegay, 1993; Lalles et al., 2007; de Lange et al., 2010; Heo et al., 2013; Thacker, 2013)。
关于在断奶仔猪日粮中添加有机酸的早期研究表明，适当添加有机酸可提高仔猪生长性能，增加日粮的消化率(Falkowski and Aherne, 1984; Henry et al., 1985)。Piva等人(2002a)报道了关于丁酸在肠道代谢中的作用的进一步研究。在这项研究中，6周龄仔猪被分为2组，在喂食无抗生素的常规日粮的基础上，一组添加丁酸钠（800 mg / kg），另一组则不添加。研究结果显示，在喂食14天后，与对照组仔猪相比，饲喂丁酸钠的仔猪的ADG显著更高（P<0.05），但这种优势并未延续至第35天。相关人员推测这可能是由于丁酸盐对肠上皮细胞增殖具有一定的积极作用，这在仔猪的小肠和大肠快速发育的断奶早期具有更大的生物学价值(Sakata and Setoyama, 1997)。此外，与对照组仔猪相比，经过35天的处理喂食含有丁酸钠日粮的仔猪提高了采食量。Sakata和Setoyama（1997）的研究表明，丁酸钠可以促进仔猪对固体饲料的摄入，虽然有益效应可能不会随着时间的推移而增加仔猪生长性能，也许早期添加丁酸盐可能会增加有益效应。相同分组的后续研究发现,在32日龄断奶仔猪的日粮中添加丁酸钠，以1000,2000或3000 mg / kg的添加量饲养6周(Biagi et al., 2007)，然而在整个试验期间，在各处理组之间仔猪的生长性能，肠道形态或肠道微生物群未观察到显著性差异，研究人员推测，与之前试验相比，数据之间差异不显著的原因可能是日粮组成成分不同或肠道成熟状态具有一定差异，但在之前的研究中确实发现了仔猪生产性能方面的差异。尽管如此，在丁酸钠喂养的动物的盲肠中却观察到差异，包括盲肠pH增加，盲肠氨浓度的提高和盲肠异丁酸浓度的增加。这些结果表明，丁酸钠可以影响盲肠微生物群的活动，并可能通过大肠的能量供应来消除早期断奶的负面影响。
丁酸作用于小肠和降低胃肠道PH值在断奶仔猪中可能是有利的，以帮助刺激肠发育，提高消化能力和预防断奶后腹泻。Mallo et al. (2012)比较了包被丁酸钠和丁酸甘油酯对21日龄断奶仔猪的影响。与单丁酸甘油酯喂养的动物相比，他们观察到生长性能无差异，但在包被的丁酸钠喂养的动物的结肠中发现丁酸和VFA浓度较高，这项技术表明，包被丁酸钠比单丁酸甘油酯更容易释放丁酸，可使更多的丁酸到达远端GIT。当添加到2周龄仔猪的人造奶配方中7天时，与未添加的猪相比，丁酸钠（3,000 mg / kg）则表现出可增加仔猪空肠和回肠的隐窝深度，绒毛长度和粘膜厚度(Kotunia et al., 2004)。为进一步研究增加肠道的成熟度，Mazzoni等人（2008）在哺乳期（第4-28天），断奶（第28天）和/或断奶后期（第29至40天）向仔猪日粮中添加丁酸钠（3000mg / kg）。研究结果显示，补充丁酸钠可增加壁细胞数量。特别的，在断奶后，添加一定量的丁酸钠除了胃粘膜厚度的增加之外，也可相应增加胃粘膜中肠内分泌物和生长抑素阳性细胞的数量（Mazzoni等，2008）。先前在仔猪的盲肠中灌输丁酸钠也在其空肠，回肠，结肠和盲肠中观察到了这种粘膜厚度的增加(Kienet al., 2007)。这些研究表明：丁酸对猪GIT具有潜在的促进作用。
此外，还研究了日粮中添加三丁酸甘油酯对断奶仔猪的生长发育，肠道发育和免疫功能的影响。含有甜味剂（乳酸，3,000 mg / kg）的三丁酸甘油酯（10,000 mg / kg）已被证明，从断奶（第28天）开始添加到第42天，仔猪的平均日增重会有所提高(Piva et al., 2002b)。
宫内生长发育不良（IGR）是动物生产中的常见问题，也是人类健康中公认的问题，即胎儿在子宫内部发育异常缓慢，导致妊娠，分娩和分娩后出现健康问题(Wang et al.,2008)。当添加到患有IGR的仔猪的日粮中时，与未补充IGR的仔猪相比，三丁酸甘油酯显示出改善体重，以及增加脾脏和小肠发育(Dong et al., 2016)。此外，三丁酸甘油酯添加剂则显示出能够减少促炎细胞因子的表达并改善结肠中的紧密连接形成，这些均有益于肠道健康(Tugnoli et al., 2014)。最近，HOU等人报道（2014），在猪溃疡性结肠炎模型的研究中，添加三丁酸甘油酯（1000 mg / kg）能够减轻肠道损伤，究其原因可能是三丁酸甘油酯通过抑制细胞凋亡，促进紧密连接形成和激活EGFR信号传导。这些结果支持了先前讨论的丁酸用于治疗人类肠道疾病的益处。三丁酸甘油酯似乎是缓解消化功能障碍，以及介导免疫反应和提高猪生长性能的一种选择。
公猪异味是指在烹饪或食用非阉割雄性猪的猪肉时闻到或吃到令人不快的气味和味道。它是由这些猪的脂肪中雄甾烯酮和粪臭素的积累引起的：雄甾酮是在睾丸中产生的，而粪臭素是由肠道细菌产生的，然后被吸收(Deslandes et al., 2001)。粪臭素形成增加与细胞凋亡的碎片有关。肠道丁酸已被证明可以减少细胞凋亡，这就需要我们去进一步确定丁酸是否对粪臭素形成和组织积累有影响(Hass et al., 1997; Mentschelet al., 2001)。Barrows饲喂含有抗性马铃薯淀粉的日粮，这种基质已知会增加结肠中丁酸的形成，结果显示丁酸显著性增加，同时结肠细胞凋亡率降低(Govers et al., 1999;Topping and Clifton, 2001; Claus et al., 2003)。结果，粪便和血浆中的粪臭素减少了以及脂肪组织中粪臭素的浓度低于检测限度（0.8 ng / g），与对照猪相比显着降低（167 ng / g）(Claus et al., 2003)。这些数据表明丁酸可以减轻公猪异味并改善猪肉的感官品质。
对单丁酸甘油酯的早期研究揭示了与动物生产相关的独特功能。1-丁酰基甘油（单丁酸甘油酯）是由脂肪细胞分泌的简单脂质，在鸡胚绒毛尿囊膜实验中测试时显示出能够促进血管生成的活性 (Dobson et al., 1990;Wilkison et al., 1991)。单丁酸甘油酯的生物合成与与血流变化相关的脂肪分解紧密相关(Ailhaud et al., 1992)。此外，合成的单丁酸甘油酯显示出与脂肪细胞衍生因子单丁酸甘油酯相同的生物活性谱(Wilkison and Spiegelman, 1993)。膳食来源或三丁酸甘油酯降解产生的2种单丁酸甘油酯，α-甘油单酯和b-甘油单酯，从小肠吸收而被运输进入血液。在新血管的发育中，吸收的单丁酸甘油酯可以刺激内皮细胞的生长，这是在正常或病理条件下促进任何新组织发育所必需的。因此，尤其是当肠道中有伤口或上皮细胞损伤时，单丁酸甘油酯可通过促进经济动物血管活性物质的发育从而刺激肠组织生长。尽管如此，还需要进一步的研究来确定单丁酸甘油酯对家禽和猪的潜在影响。
3.主要益处和在各种经济动物中的影响
在动物生产中补充丁酸及其衍生物的主要共同点是它们能够促进GIT的生长发育，包括改善形态和促进细胞增殖，这将有益于动物肠道健康。这些结果的改善通常与观察到的动物生长性能的增加有关，包括胴体组成的变化，虽然它可能取决于动物的年龄。因此，早期补充可能观察到的改善的机会更大。
丁酸添加剂已经显示出减轻患者肠炎性疾病的潜力，最显著的是通过抑制NF-κB来抑制炎症途径。尽管丁酸衍生物在动物生产饲料中的应用主要是起辅助治疗作用，并非用于疾病治疗，但在肉鸡和断奶仔猪中也观察到相应的抗炎效应，这是饲料中抗生素替代品的预期性质之一。在使用经济动物的研究中，丁酸作为抗生素替代品的意愿显然是强烈的。不仅使用丁酸衍生物作为抗生素的直接替代物的研究中效果尤其明显，而且用丁酸喂养的动物也具备一定的抑制病原微生物的作用。
4.结论
到目前为止，丁酸及其衍生物在动物生产饲料中所取得的成绩已经为未来的研究以及应用的延伸奠定了基础。研究中报道的丁酸具有各种有益作用，如抗菌和抗炎活性，提高生长性能（包括胴体组成）和促进肠组织发育/成熟，以及调节免疫反应和肠道微生物群，这就使得丁酸及其衍生物有潜力发展成为对经济动物有用的添加剂，并作为动物生产的饲料中抗生素的替代品。虽然丁酸对人类健康应用的益处显示其在治疗疾病方面有着可观前景，例如IBD，但不同形式的丁酸对多种经济动物的积极作用表明其能够成为畜牧生产的多样化产品。基于丁酸对幼畜的益处似乎更明显，在未来的研究中，重要的是最大限度地发挥丁酸及其衍生物促进幼龄动物和成年动物生长发育的潜力。
Abstract
Butyrate is produced by microbial fermentation in the large intestine of humans and animals. It serves as not only a primary nutrient that provides energy to colonocytes, but also a cellular mediator regulating multiple functions of gut cells and beyond, including gene expression, cell differentiation, gut tissue development, immune modulation, oxidative stress reduction, and diarrhea control. Although there are a large number of studies in human medicine using butyrate to treat intestinal disease, the importance of butyrate in maintaining gut health has also attracted significant research attention to its application for animal production, particularly as an alternative to in-feed antibiotics. Due to the difficulties of using butyrate in practice (i.e., offensive odor and absorption in the upper gut), different forms of butyrate, such as sodium butyrate and butyrate glycerides, have been developed and examined for their effects on gut health and growth performance across different species. Butyrate and its derivatives generally demonstrate positive effects on animal production, including enhancement of gut development, control of enteric pathogens, reduction of inflammation, improvement of growth performance (including carcass composition), and modulation of gut microbiota. These benefits are more evident in young animals, and variations in the results have been reported. The present article has critically reviewed recent findings in animal research on butyrate and its derivatives in regard to their effects and mechanisms behind and discussed the implications of these findings for improving animal gut health and production. In addition, significant findings of medical research in humans that are relevant to animal production have been cited.
Keywords：Butyrate； Butyrins； Antibiotic alternatives； Gut health； Nutrition Animal production
Conclusion
The work completed thus far with butyrate and its derivatives in feed for animal production has laid a foundation for future studies, as well as for the extension of application. The various reported beneficial effects, such as antimicrobial and anti-inflammatory activities, enhancement of growth performance (including carcass composition) and gut tissue development/maturation, and modulation of immune response and intestinal microbiota, grant butyrate and its derivatives the potential to develop into valuable supplements across species and as an alternative to in-feed antibiotics for animal production. Although the benefits in human health applications show its promise in the treatment of disease, such as IBD, the positive effects of different forms of butyrate on multiple food-producing animal species demonstrate its ability to be a diverse product for livestock production. Given that the benefits appear to be more evident in young animals, it is important to maximize the potential of butyrate and its derivatives from young to adult animals.
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