日粮纤维调控猪肠道健康机制的研究进展

林光智 车东升 刘 博 高 阳

（吉林农业大学动物科学技术学院吉林省动物营养与饲料科学重点实验室动物生产及产品质量安全教育部重点实验室，吉林长春130118）

我国作为世界养猪大国，猪饲料需要量巨大，而且猪饲料原料主要为高能量高蛋白的“玉米+豆粕”型日粮，这种单一性较高的氮素排放导致我国养猪产业面临着饲料资源短缺、饲料成本升高、猪健康水平下降，环境胁迫压力大等问题。而近年已有报道指出猪饲粮中添加适量的日粮纤维（Dietary fiber，DF）可通过维持肠道生理（调节肠道蠕动节律、控制肠道排空等）、改善肠道稳态（菌群平衡、发酵代谢物）等方式，间接调控猪机体的营养代谢和免疫功能，从而促进猪健康生产[1-2]。此外，为解决饲料资源短缺问题，富含纤维的植物副产物被广泛的应用在猪生产中，并具有良好的饲喂效果，在一定程度上促进了生猪产业“节粮、健康、减排”的良性发展[3]。本文从日粮纤维调节日粮营养物质在猪肠道内的吸收效率，促进肠道发育，增强猪肠道免疫功能，改善猪肠道内环境，阐述日粮纤维调控猪肠道健康的机制。

1 日粮纤维与肠道健康

1.1 日粮纤维的理化性质

近年来，关于日粮纤维的定义一直具有争议性，这种争议性体现在日粮纤维既不是单一的化合物，也不是一组具有相关性的化合物，且不同的纤维类型可能对动物的生理功能和健康产生不同的作用，同时以不同饲料原料为基质的情况下，日粮纤维的水平和结构对于动物的作用也不尽相同，甚至存在争议[4]。经过几十年的研究，国际食品法典委员会公布了被多个国家所接受的膳食纤维定义（本文探讨对象为猪，故为日粮纤维），该定义为:对内源酶（人和动物）有抗性的，并且具有三个或三个以上的单体单元的可食用的碳水化合物聚合物[5]。然而此定义并未考虑非碳水化合物类化合物，如木质素、单宁、蜡和角蛋白等[6]。而在猪玉米-豆粕型日粮中，通常以NDF、ADF和CF 参数评价纤维组成，但此方法仅能评价部分纤维素、半纤维素和果胶等成分，并未以日粮纤维的特性（水合性、黏度、发酵性）考量[7-8]，忽略了日粮纤维的潜在价值，影响纤维合理利用，所以在考虑日粮纤维的营养及功能时，更应考虑结构的精确化。关于化学结构和水溶性及发酵性（分为良好发酵、部分发酵、欠发酵）的指标[9]，大部分可溶性日粮纤维（如阿拉伯木聚糖、多聚果糖、菊粉等）发酵性良好，不可溶性日粮纤维（如角质、软木质）发酵性不好，详细参数见表1。

表1 日粮纤维化学组分及生理特性

1.2 肠道健康

肠道不仅是动物消化和吸收食物的主要场所，同时是动物抵御各种病原体、毒素和有氧自由基的屏障系统。因此，健康的肠道对于维持猪的生产性能至关重要。近年大量报道详细阐述了肠道健康的内容，它包括完整的肠道黏膜结构，维持内环境稳态平衡的微生物群落以及健全的肠道免疫系统[3，17，21]。其中，物理屏障（上皮细胞、细胞紧密连接、黏液）和化学屏障（胃酸、胆汁酸、蛋白水解酶、溶菌酶、抗菌蛋白和黏多糖等）在维持肠道屏障功能、抑制微生物种群移位及全身性免疫反应激活等具有重要作用。免疫屏障（免疫细胞、淋巴细胞、巨噬细胞、树突细胞和淋巴组织）和生物屏障（微生物群落及代谢物）在提供肠道保护、耐受性以及稳态等方面发挥作用。总之，肠道的屏障系统间的相互作用和动态平衡，共同维持着肠道健康[22]。

对于猪而言，日粮纤维的结构、聚合度、溶解度、支链数量以及化学修饰等，都不同程度地影响了其肠道的pH 值，食糜黏度、胆汁酸分布和排空速度以及发酵产物的浓度。其中，支链较多的日粮纤维，由于其膨胀性较高，可为微生物降解酶提供了更大的接触表面积，促使微生物的分解，产生较多的短链脂肪酸（改善肠道免疫），而线性聚合物或高直链淀粉类日粮纤维，由于其黏性较高，肠道食糜易成团，微生物降解酶接触面积少，所以发酵缓慢[19，21]。不溶性日粮纤维与可溶性日粮纤维相比，虽然发酵性较差，SCFA 产量低，降低食糜黏度，提高胃排空速度，但不溶性的日粮纤维的阿魏酸含量通常是可溶性日粮纤维的100 倍左右[21]，因为阿魏酸能促进清除有氧自由基酶的产生，所以不溶性日粮纤维可间接的促进肠道健康。因此，日粮纤维的结构，可溶性日粮纤维与不可溶性比例，对于提高猪肠道健康具有博弈性，关于日粮纤维结构的精确化对提高猪肠道健康的调控机制的研究，对于猪的健康和高效生产具有重要意义。

2 日粮纤维对猪肠道消化代谢功能发育的影响

传统营养学观点认为，日粮纤维是猪日粮中抗营养成分，日粮纤维会降低日粮营养物质在猪胃肠道的利用率。猪肠道上皮细胞包括吸收细胞（原代细胞）、潘氏细胞（分泌溶菌酶）、杯状细胞（分泌黏蛋白）、内分泌细胞（分泌胃肠激素）、M 细胞（向淋巴细胞传递抗原），细胞间通过紧密连接、间隙连接、桥粒连接排列形成绒毛和隐窝。所以，绒毛和隐窝可以反映出肠道功能状态。基于不同日粮纤维源的理化性质产生的机械刺激和化学刺激（黏性增加猪饱腹感-机械刺激，发酵性影响肠道pH值-化学刺激），可刺激猪肠道上皮细胞的增殖和分化，促进猪肠道黏膜的发育，进而调控猪肠道消化吸收功能[23]。

2.1 日粮纤维对猪肠道形态发育的影响

肠道黏膜形态是猪消化吸收日粮中营养物质的重要前提。通过观测猪肠道绒毛长度与隐窝深度比值，反映猪肠道功能状态；绒隐比值升高，反映猪肠道黏膜功能，营养物质吸收能量增强。Saqui等[24]研究表明，与饲喂玉米-豆粕型日粮相比，生长猪日粮中分别添加豆秸、DDGS 和大豆壳都能提高猪肠道绒毛长度。在饲喂豆秸和DDGS处理组中，日粮纤维可以通过增加生长猪杯状细胞数量和提高吸收营养物质受体基因和转运蛋白的表达来调节肠道分化。Kraler等[25]研究表明，在仔猪日粮中添加麦麸150 g/d，饲喂42 d。与不添加麦麸日粮相比，日粮中添加麦麸的仔猪绒毛长度和杯状细胞数都高于对照组。但有些研究表明，高水平可溶性日粮纤维会增加猪肠道食糜黏度，导致绒毛细胞丢失率增加，使猪肠道绒毛萎缩[26]。不同试验结果差异的原因，可能与猪日粮纤维源、日粮纤维水平和饲喂阶段有关。

长期饲喂不同纤维源的日粮可增加猪肠道长度和肠容积。张叶秋等[27]研究表明，生长猪日粮中添加米糠，可以增加大肠占全肠道的相对比重。Len 等[28]研究表明，仔猪日粮中以米糠、红薯藤粉、木薯渣粉为纤维源饲喂仔猪63 d，仔猪小肠重量和长度都显著高于对照组。关于日粮纤维影响猪肠道容重的原因，可能由于日粮纤维降低日粮能量浓度，使猪肠道内营养处于负平衡。由于猪营养需要，猪处于代偿生理状态，猪会短时间内增加采食量，且日粮中可溶性纤维会增加食糜黏性，大量未消化食糜堆积在肠道内，肠道长时间处于负荷状态，进而影响猪肠道容积。有些研究认为，日粮纤维通过在肠道内被微生物发酵产生的SCFAs，降低了肠腔内环境pH 值，有利于刺激细胞分裂从而促进细胞增殖[23]。SCFAs 可以增加肠道细胞生长相关基因和蛋白表达，增加肠道上皮细胞生长激素的分泌，进而促进肠道上皮细胞的增殖，这些猪肠道代偿性生理反应，可能是猪肠道形态变化的原因。此外，日粮纤维中低聚半乳糖通过增加肠道黏膜分泌物，如高尔基磺基转移酶的基因和蛋白质表达量，直接调节杯状细胞功能，从而增强黏膜屏障功能[29]。

2.2 日粮纤维对猪肠道内环境的影响

日粮纤维可以影响猪肠道内pH值、消化酶活、黏蛋白分泌和氧气含量。日粮纤维成分改变猪肠道内食糜的流体状态，向远端肠道流动过程中逐步吸水膨胀，由于肠道内神经压力感受器，可促进肠道内消化酶的分泌[30]。刁慧[31]研究表明，猪日粮中添加甜菜渣可以增加空肠内乳糖酶的活性和分泌量。日粮纤维通过影响食糜黏性，可以改变肠道盐酸的分泌，进而改变肠道内pH 值。Gao 等[32]在生长猪十二指肠和回肠末端安装肠瘘，进行实时观测猪肠道内食糜状态。研究表明，不同日粮纤维源饲喂生长猪，可以提高猪十二指肠和粪便pH 值，肠道内食糜从近端向远端流动，食糜黏度和持水力都有所提高。日粮中添加小麦麸可显著降低生长猪肠道内pH 值。有研究报道，日粮纤维能够调节进入后肠道蛋白质与碳水化合物的比例[33]。淀粉是猪肠道内被微生物快速发酵的底物，由于日粮纤维改变肠道内食糜状态，大量未消化淀粉进入猪后肠道，经过微生物快速发酵，产生大量SCFAs。SCFAs通过调节肠道内pH值，增加猪肠道内有益微生物菌群的定殖，降低猪肠道内致病菌群的繁殖。此外，SCFAs通过调节肠黏膜杯状细胞对黏蛋白分泌，黏蛋白有细菌的黏附位点，可以与肠内致病菌群竞争肠上皮黏附位点，较少致病菌群对肠道损伤，促进猪肠道内稳态[34]。结肠用丁酸作为β-氧化过程产能底物，为肠上皮提供能量。并且，此过程需要消耗氧气，可以增加丁酸菌群的增加，减少兼性厌氧致病菌的繁殖。

3 日粮纤维对猪肠道微生物及其代谢产物的影响

日粮纤维通过促进猪肠道内有益微生物繁殖，限制致病微生物的定植和毒性，有助于维持猪肠道内稳态。目前研究认为日粮纤维调控猪肠道内微生物群落结构，主要有以下方面:①日粮纤维的理化性质可以改变微生物对食糜的发酵时间、发酵表面积以及食糜内C与N元素比例，从微生物的营养物质比例和分解时间调控，进而影响微生物在肠道的繁殖和定殖；②肠道微生物可合成大量碳水化合物酶，用于降解糖类复合物，使多糖生成可发酵的单糖。微生物分泌碳水化合物酶根据分解糖苷键不同分为糖苷键水解酶和多糖裂解酶。由于微生物分解糖苷键的碳水化合物酶不同，不同日粮纤维源的添加，可以选择性促进分泌分解该类纤维碳水化合物酶的微生物增殖，进而成为微生物群落中的优势菌群。③部分微生物利用其他微生物发酵日粮纤维的产物，通过“互利共生”达到自身繁殖目的[35]。

日粮纤维的发酵主要集中在消化道后端，适宜的日粮纤维水平，可以减少蛋白质在后肠的堆积（纤维增加食糜碳水化合物比例，即C源），适宜的C与N的比例，可以减少致病菌的繁殖，增加以C 源和N 源为营养素的有益菌群（乳酸菌）的增殖，降低致病菌群与有益菌群的竞争能力，从而影响有益微生物在后肠的定植[36]。Beckmann等[37]研究表明，通过在猪日粮中添加β-葡聚糖，可以影响猪肠道内乳酸杆菌、双歧杆菌和其他丁酸细菌的增殖。此外，双歧杆菌和乳酸杆菌能改善猪肠上皮屏障功能，通过在猪日粮中添加低聚果糖，可以增加猪盲肠中乳酸杆菌和双歧杆菌数量，进而能够调节猪肠内胰高血糖素样肽（GLP-2）的分泌，从而改善猪肠道屏障功能；并且乳酸杆菌和双歧杆菌在猪肠道内有黏附性，干扰细菌病原体在猪肠道上皮的黏附作用[38]。Jiao 等[39]研究表明，仔猪日粮中添加3.0 g/kg 纤维寡糖可以增加双歧杆菌、乳酸菌的数量；降低致病菌（如猪链球菌、大肠杆菌）的数量。Zhang等[40]报道，仔猪饲喂苜蓿草粉，可以提高屎肠球菌的丰度；降低致病菌（如猪链球菌）的丰度。Mu等[41]研究表明，仔猪日粮中分别添加纤维素、麦麸和苜蓿。在远端结肠黏膜中，纤维素日粮与苜蓿日粮相比，增加了梭状芽孢杆菌簇XIVa的丰度。由上可知，日粮纤维的摄入有利于肠道益生菌定植，竞争性抑制有害菌群滋生。

日粮纤维在盲肠和结肠中被厌氧微生物发酵后产生的一系列代谢产物，其中SCFAs为最主要的代谢产物。Högberg 等[42]研究表明，在日粮中添加高水平的阿拉伯木聚糖，发现猪后肠产生更高比例的丁酸。结肠中的普雷沃菌属负责产生丁酸。Ivarsson 等[43]报道，日粮中添加阿拉伯糖，猪回肠中丙酸盐的比例增加，表明小肠中摄入阿拉伯糖与丙酸盐的产生呈正相关。Che等[44]研究表明，在仔猪日粮中添加黄芪纤维，增加肠道乙酸、丙酸、丁酸及总SCFAs 浓度。由上可知，猪日粮中不同纤维源和纤维组成，可以增加特定菌群的丰度。特定菌群丰度的增加，可以降低致病菌在猪肠道的定植。以日粮纤维为发酵底物的菌群，在猪不同肠段中，会增加不同SCFAs 的含量。总体上，日粮纤维与SCFAs产量成正相关。

4 日粮纤维调节猪肠道免疫机制

肠道内有数万亿个复杂的微生物群落，包括细菌、古细菌、病毒和真核生物。这些微生物及其代谢活动和产物统称为微生物群。日粮纤维对猪肠道免疫的调控，主要通过微生物群与不同的肠上皮受体结合，而受体在促进肠道内稳态和调节炎症反应中起着基础作用。猪肠道免疫细胞主要分为适应性免疫细胞和先天性免疫细胞，猪肠道免疫细胞主要分布于肠道上皮下边的肠固有层。猪肠道内先天性免疫细胞包括树突状细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和先天性淋巴细胞，适应性免疫细胞主要为T 细胞和B细胞[22]。

4.1 日粮纤维与微生物对猪肠道免疫系统的影响

日粮纤维选择性调控肠道微生物群是影响猪肠道免疫发育和免疫能力的重要因素之一。肠道微生物通过诱导先天性免疫系统中模式识别受体（PRRs,Pattern recognition receptor）的信号通路，进而影响猪肠道免疫系统的发育。PRRs主要存在于猪肠上皮细胞、固有层树突状细胞和巨噬细胞内，PRRs具有检测微生物群和微生物相关分子模式作用。PRRs诱导细胞内信号,激活编码促炎细胞因子的基因，抗凋亡因子和抗菌肽[45-46]。研究表明，通过在猪日粮中添加低聚果糖，可以增强双歧杆菌与PRRs的作用，调控猪肠道免疫细胞免疫因子的分泌量，如促进树突状细胞释放IL-10 细胞因子和减少T 细胞产生IFN-γ因子[47]。此外，某些纤维组分自身具有抗菌作用，直接抑制病原微生物在肠道内的繁殖，而不依赖于宿主免疫[48]。

肠道微生物群提供的保护机制目前已知包括病原体的直接和间接对抗，主要是对宿主细胞上营养物质和结合位点的竞争，以及增强健康肠道的免疫和上皮屏障功能。此外，微生物对病原体的直接颉颃作用包括体内产生抗菌和抗病毒分子，这些分子可以限制病原体的定植、生长、存活和毒力[49]。Le 等[50]研究表明，在妊娠母猪日粮中添加短链低聚果糖，可增加仔猪回肠细胞因子IFN-γ和IL-4分泌，并且增加盲肠杯状细胞数量，提高了血清和回肠黏膜IgA 含量。Che等[51]仔猪长期摄入豌豆纤维，增加仔猪肠内乳酸菌含量。基因芯片结果显示，饲喂豌豆纤维日粮可抑制77%与结肠癌、免疫应答和脂质代谢有关的基因，这些基因与IgA 产生的肠道免疫网络等信号途径有关，结果表明长期摄入豌豆纤维可以通过改变结肠屏障、结肠免疫和代谢相关蛋白或基因的表达来改善结肠功能。He 等[52]研究表明，在生长猪日粮中添加燕麦麸，可以增加结肠中普氏菌、丁酸杆菌和链球菌相对丰度。燕麦麸降低猪盲肠IL-8 mRNA 表达，以及结肠IL-8、NF-κB、TNF-α的表达。由上可知，日粮纤维有助于仔猪抗炎基因的表达，降低仔猪患结肠病风险。

4.2 日粮纤维与微生物代谢产物对猪肠道免疫系统的影响

日粮纤维在猪肠道内被微生物分解，主要产生代谢产物为SCFAs（乙酸、丙酸、丁酸）。SCFAs 是猪肠道健康重要的促进剂和免疫应答调节因子。SCFAs调节猪肠道内免疫能力与猪肠道G 蛋白偶联受体（GPR41、GPR43、GPR109）密切相关[53]。研究表明，丁酸通过刺激的GPR109a信号转导途径，增加肠道内效应T 细胞的成熟，促进肠上皮T 细胞分泌IL-10[53]。SCFAs 可以抑制免疫细胞中的组蛋白脱乙酰酶（HDACs）活性，抑制核转录因子NF-κB的基因表达，促进抗炎细胞分泌[54]。SCFAs介导的HDAC抑制除了可以减少促炎机制外，还可以促进免疫反应。SCFAs对HDAC的抑制增强了B细胞分化和IgA类转换所需基因的乙酰化。GPR41 可以激活诱导细胞内Ca2+的释放并减少细胞内的cAMP[55]。GPR43也能激活诱导细胞内Ca2+释放，降低cAMP，增加结肠上皮细胞ATP（以cAMP的底物）的产生。丁酸盐体外激活GPR109a可诱导结肠癌细胞凋亡，降低正常结肠细胞系NF-κB的表达。丁酸盐作用于GPR109a受体，使巨噬细胞释放IL-10 和结肠上皮IL-18 诱导结肠癌Treg 分化[56]。由上可知，SCFAs 与G 蛋白偶联受体结合，介导肠道免疫相关细胞的分化，调节免疫基因的表达。

此外，SCFAs 影响原始T 细胞分化为Treg、Th1和Th17，提高猪肠道内免疫功能。如:醋酸盐可以抑制T细胞组蛋白去乙酰化酶HDAC9活性，刺激Foxp3的转录，促进猪肠道内T 细胞分化Treg[57]。乙酸和丁酸通过HDAC 抑制和激活mTOR 核糖体蛋白S6 激酶合成途径，促进Th1 和Th17 细胞的诱导，影响免疫细胞的分化[58-59]。

Zhang 等[60]研究表明，用丙酸钠直接灌注猪盲肠瘘中，增加了类杆菌的数量，减少了厚壁菌的数量。qPCR 结果显示丙酸钠可上调NF-κB 和IL-18 的表达，而与炎症过程相关的其他基因表达无显著差异。Wang 等[61]研究表明，在仔猪阶段饲喂低聚半乳糖，结肠总SCFAs 浓度上升，影响NF-κB 和aAPK 信号通路的磷酸化，促进仔猪结肠中炎性细胞因子（IL-8和IL-10）和紧密连接蛋白（ZO-1和Claudin）的基因表达。

5 小结与展望

猪肠道健康水平是维持猪生产的关键。日粮纤维在猪营养上具有益生元的作用，通过其发酵特性，可以特异性调节肠道微生物及其代谢产物。日粮纤维-微生物-肠道免疫三者互作，是日粮纤维促进猪肠道健康的合理途径。此外，对日粮纤维的定性和定量加入猪日粮中，靶向性调控猪肠道微生物环境，加强日粮纤维对猪肠道免疫发育，还需要大量试验研究。日粮纤维在提高猪肠道健康水平的研究，对实现无抗饲养和猪生产领域的绿色可持续发展具有十分重要的现实意义。