新型饲料添加剂--丁酸钠

长期以来,饲用抗生素在保障动物健康、促进动 物生长、提高饲料利用率等方面效果明显,给畜禽生 产带来了巨大的经济效益。但随着人民生活水平的提 高和健康意识的加强,饲用抗生素所带来的抗药性和 药物残留等问题也日益受到人们的重视,于是各国政 府纷纷出台措施严格控制抗生素作为饲料添加剂应 用。因此,开发抗生素替代品成为饲料添加剂研究的 热点。

短链脂肪酸(SCFA)包括乙酸、丙酸和丁酸,其中 起主要作用的是丁酸。主要来自大肠中厌氧杆菌对碳 水化合物和蛋白质的酵解作用,是结肠上皮细胞能量 的主要来源(Pryde等,2002)。丁酸具有水、脂两亲的特 性,偏重于亲脂,pH值在4～6时不易被分解,动物摄 食后大部分能避过酸性环境的小肠,直接进入盲肠和 结肠继续发挥作用。作为一种生物调节剂,丁酸在维 持细胞的分化和结肠上皮的完整性、提高动物生产性 能方面发挥着重要作用。因其具有游离性和挥发性的 特点,饲料生产中将其制成相对稳定的钠盐———丁酸 钠。丁酸钠具有无污染、无有害残留和独特的营养生 理功能等特点而逐渐成为热门的抗生素替代品之一。

1、丁酸钠的结构与理化性质

丁酸钠产品呈白色至类白色,可吸湿性的粉末, 似绒毛状,具有特殊的奶酪酸败样气味,易溶于水,水 溶液pH值呈碱性。本品在常规贮存和搬运条件下,处 于室温和密封状态下稳定,但勿与性质相反的物质、 粉尘、过热物品、强氧化剂混存。本品可能产生的有害 分解产物有一氧化碳、二氧化碳、氧化钠、过敏性和有 毒的烟尘与气体,也有可能导致中枢神经系统抑制、 眼和皮肤过敏、消化道和呼吸道应激。

饲料级丁酸钠与化工级丁酸钠具有明显的区别 (见表1)。动物口腔粘膜细柔,感受能力强,若用低价、 低质的化工级丁酸钠作为诱食剂时能引起动物粘膜 灼伤,导致采食量下降,甚至拒食。因此,日粮配制一 定要严把原料品质关。

2、丁酸钠的营养生理功能

2.1作为肠道细胞的能量来源

研究发现,SCFA能够为结肠提供能量,是肠细胞 偏爱的能量源,且在肠腔内极易吸收。其中丁酸是结 肠粘膜上皮细胞的主要能量来源,约占SCFA耗氧所产能量的70%,为动物提供了高达30%的维持能 (Basson等,1996)。丁酸先于丙酸和醋酸被消耗,结 肠产生的丁酸约70%～90%被结肠细胞代谢消耗掉 (Cook等,1998)。

在肠上皮细胞的丁酸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,首先是通过 丁酸辅酶A合成酶把丁酸转化成丁酸辅酶A(bu- tyrate-CoA),然后通过一系列反应快速生成乙酰辅酶 A进行能量代谢(Schrǒder等,1997)。

乙酸、丙酸、丁酸被结肠粘膜上皮细胞吸收,可被 转运至肝脏进一步代谢或被结肠粘膜上皮细胞用 作能源消耗。研究发现,培养的游离结肠上皮细胞, 75%的氧消耗来自丁酸盐的氧化(Scheppach等,1994)。 若丁酸是唯一可利用能源时,可完全被结肠粘膜利 用。体外研究表明:当葡萄糖、谷氨酰胺等作为呼吸能 源时,结肠上皮细胞首先利用丁酸(Roediger,1982)。 几乎所有的丁酸都能被肠上皮细胞吸收,同位素示踪 法试验发现,丁酸能进入总血液循环。几乎所有的体 组织都能代谢丁酸,丁酸在外周组织能被迅速氧化,用 于脂肪合成,也可以进入乳腺合成乳脂(Bergmann等, 1990)。

因此,丁酸盐和其它初级短链脂肪是结肠上皮细 胞的主要呼吸燃料,结合丁酸非离子弥散性吸收为主 的特点,丁酸无需经过肝胆吸收和复杂的三羟循环系 统,可以直接为肠上皮细胞提供能量,是肠上皮细胞 的快速能量源。

2.2改善小肠形态,促进小肠消化吸收功能

小肠粘膜上皮细胞是执行消化吸收功能的最主 要细胞。一方面,肠上皮细胞的纹状缘含有许多酶,参 与营养物质的消化;另一方面,食物在肠上皮细胞的 肠腔面或肠腔内被消化分解,营养成分被主动吸收或 简单扩散。经肠上皮细胞的肠腔面进入细胞内,除一 部分供给该细胞自身使用外,大部分从细胞基侧面以 主动转运或扩散的方式释放,进入固有层的毛细血 管。因此,粘膜上皮细胞结构的完整性是执行消化吸 收功能的基本保证(王子旭等,2003)。

Galfi等(1990)给生长猪饲喂含0.17%丁酸钠的日 粮发现,丁酸钠增加了回肠微绒毛长度。罗海祥(2006) 研究表明,在断奶仔猪日粮中添加0.1%丁酸钠可显著 降低21 d断奶仔猪的十二指肠的隐窝深度(P<0.05), 比对照组降低了42.12%,对绒毛高度的影响不显著 (P>0.05),但绒毛高度与隐窝深度的比值(VH/CD)比对 照组提高了57.79%(P<0.05),丁酸钠显著降低了绒毛 宽度(P<0.05),比对照组低了20.42%;添加0.1%丁酸钠 组的肠粘膜厚度比对照组低了9.28%,没有达到显著 水平(P>0.05);对空肠绒毛高度和隐窝深度的影响不显 著(P>0.05),但有提高绒毛高度与隐窝深度比值(VH/CD) 的趋势(0.05<P<0.1),比对照组提高了21.56%。在断奶 仔猪日粮中添加0.1%丁酸钠可显著降低28日龄断奶仔 猪回肠的隐窝深度(P<0.05),比对照组降低36.12%,对绒 毛高度的影响不显著(P>0.05),但显著影响绒毛高度 与隐窝深度的比值(VH/CD)(P<0.05),比对照组提高了 73.16%;丁酸钠显著降低了绒毛宽度(P<0.05),比对照 组低了16.06%,添加0.1%丁酸钠组的肠粘膜厚度比 对照组高出了15.31μm(P>0.05)。

Hu等(2007)给鸡饲粮中添加不同水平(500、1 000、 2 000 mg/kg)的丁酸钠发现,500 mg/kg和1 000 mg/kg 的丁酸钠能显著增加十二指肠粘膜的DNA、RNA和 蛋白质浓度(P<0.05),但对结肠DNA、RNA和蛋白质浓 度无作用。试验还发现绒毛高度与隐窝深度的比值随 着丁酸钠的增加而成线性增加(P<0.05)。他认为绒毛高 度与隐窝深度的比值对消化道作用更为有效,因为浅 的隐窝深度和长的绒毛高度是维持消化道功能的最 佳比率。

但也有不一致的报道,G.Biagi等(2007)给断奶 仔猪分别饲喂1 000、2 000、4 000 mg/kg的丁酸钠产 品(有效含量为85%),结果表明,丁酸钠对小肠粘膜 的形态结构影响不大,但能增加盲肠的酸度。他认为 造成这种不一致的结论可能在于取样时间太晚,因为 小肠粘膜样品是在试验结束后(断奶后6周)采集的, 该时期的小猪消化道已经发育完全,所以对试验结果 有一定影响。

2.3维持肠粘膜上皮细胞的正常形态,增强免疫功能 肠粘膜机械屏障由肠粘膜上皮细胞、上皮细胞侧 面的细胞连接、上皮基膜和上皮表面的细胞衣组成。 它们构成了机体免疫系统的第一道防线。因此,肠粘 膜上皮细胞结构的完整性与肠粘膜机械屏障功能,乃 至机体的免疫功能有密切关系(Reynolds等,1996;殷 彦君等,2002)。

丁酸钠能抑制结肠上皮细胞的凋亡,诱导结肠癌 细胞凋亡,抑制NF-kB的活性,减少TNF-α等炎症 性细胞因子的产生和释放,抑制肠粘膜的炎症反应。 这些作用有利于结肠炎的愈合,减少细菌或食物抗原 跨粘膜迁移,减轻腹泻。Sauer等(2007)研究发现,丁酸 的抗肠炎功能与其调节结肠细胞氧化和代谢性应激 的基因表达有关。

有试验报道,丁酸灌肠剂能促进细胞增殖,降低 肠道粘膜的损害并能治疗由肠炎引起的腹泻(Schep- pach等,1996;Claus等,2006)。Kanauchi等(1999)给大 鼠口服和心脏注射丁酸后,用光学显微镜观察其对肠 屏障功能的影响,结果发现,心脏注射组显著降低了 肠粘膜的损害和渗透性(P<0.05)。

王继风等(2005)在仔猪日粮中添加1 g/kg丁酸钠 后发现,仔猪空肠和结肠的粘膜上皮完整,肠绒毛更 为粗壮;粘膜吸收细胞呈高柱状,排列整齐,游离面有 明显的纹状缘;杯状细胞呈高脚杯状,散在柱状细胞 之间,试验组细胞数量比抗生素组增多1.4～1.7倍。表 明丁酸钠具有维持肠粘膜上皮细胞结构完整性,进而 促进断奶仔猪小肠消化吸收的作用,并优于抗生素。 李芙燕等(2006)在饲料中加入丁酸钠,可显著增加十 二指肠、空肠以及回肠的肥大细胞数量,分别比对照 组增加了19.7%、27.2%和30.7%。章亮等(2006)试验结 果表明,添加丁壮素(丁酸钠)组空肠上皮内淋巴细胞 数量比对照组提高29.3%,表明肠道局部免疫水平得 到提高,增强了动物的抗病能力。Manzanilla等(2006) 在断奶仔猪上研究发现,0.3%的丁酸钠能增加结肠表 面的杯状细胞数量。有试验发现,饲喂丁酸盐的肉鸡 可以有效抵抗21日龄由于球虫攻击引起的应激反 应,且在幼鸡的盲肠中存在未离解的丁酸盐与病原体 控制有关。

2.4维护胃肠道内有益微生物菌丛

动物胃肠道存在着大量的微生物,当其中的双歧 杆菌、乳酸菌等有益菌占优势时能够抑制大肠杆菌等 有害菌在肠道内的附着和增殖,从而减少消化道疾病 的发生(Meng等,1998)。可见肠道微生态的平衡对于 宿主的健康有着极为重要的意义(Floch等,2001)。 丁酸盐可以抑制病源微生物(沙门氏杆菌、大肠 杆菌、梭状芽孢杆菌等)的生长,增加有益菌群数量(乳 酸杆菌、粪链球菌等),改善肠道微生物菌群,起到部 分替代抗生素的作用。

众所周知,丁酸是有机酸(C1-C7)的一种。由于有 机酸具有不同的化学结构,有机酸的抗菌机制是相当 复杂的,但它们具有相似的作用机制。研究发现,挥发 性有机酸和非挥发性有机酸及无机酸的抗菌效果存 在明显差异,挥发性有机酸(甲酸、丙酸、丁酸)具有较 好的杀菌作用,直接扩散进入细胞内,通过降低胞内 pH值,抑制某些大分子的代谢,破坏病原菌细胞膜的 完整性,从而达到杀菌作用。挥发性有机酸盐(如丁酸 盐)尽管不能降低病原菌细胞间质的pH值,不能以酸 的形式渗透进入病原菌细胞内发挥杀菌作用,但也具 有抗菌作用,其作用强弱依赖于有机酸盐的溶解性。 如挥发性有机酸的钠盐全溶于水,而钙盐只有部分可 溶,因而体外抑菌试验中,丁酸钠的抑菌效果要比甲 酸钙和丙酸钙的强,此外有机酸的二价盐体外抑菌效 果优于饱和度高的有机酸盐。

Brul等(1999)总结了有机酸的作用模式:破坏细 菌细胞膜;抑制细菌的基础代谢功能;调节细菌内的 pH值和有毒阴离子在细菌内的聚集。研究认为,仅非 解离的有机酸(非离子化)才能产生明显的抗菌效果, 解离形式的有机酸即使是很大的浓度也没有理想的 抗菌效果(Presser等1997),非解离的有机酸能经过 被动扩散通过细菌的细胞壁,进入细胞后,由于胞内 的pH值接近于7,高于有机酸的解离度,有机酸解 离,胞内pH值下降。有些细菌就是不能够耐受这种跨 膜的pH值梯度而受到抑制,因为胞内的H+的增加, H+就要依赖于ATP酶将H+泵出细菌细胞内,而这一过程是耗能的,所以细菌会衰竭而死。但是,Canib等 (2002)报道,在没有明显降低胃肠道pH值的情况下有 机酸有较强的杀菌作用。有机酸除可通过降低肠道 pH值而影响微生物外,阴离子还具有独特的杀菌功 能。大量阴离子在胞内积聚,从而改变胞内的渗透压 而造成细菌中毒,如糖酵解和核酸合成的停止、酶解 反应受阻(脱羧酶和过氧化氢酶等)等(Canibe等,2001)。 考虑到肠道内的pH值条件,Russell等(1992)认为, 有机酸对微生物的作用主要是通过其阴离子而实现 的。有机酸的抗菌效果随着有机酸碳链的增长和不饱 和度的增加而增强(Foegeding等,1991)。

有研究表明,在暴露于短链脂肪酸的肠炎沙门 氏菌鼠伤寒血清变种存活试验中,丁酸盐和戊酸盐 可以起到最有效的杀菌作用。虽然在幼龄鸡远端小 肠和盲肠中短链脂肪酸的水平迅速降低,但是,到15 日龄左右时,短链脂肪酸水平增加。除了杀菌活性 外,Galfi等(1990)报道丁酸钠能维护胃肠道内有益 微生物菌丛。

M.Castillo等(2006)给早期断奶仔猪日粮添加3 种(0.04%的阿维霉素、0.3%丁酸钠和0.03%植物提取 物)添加剂,观察它们对胃肠道微生物的定植、代谢活 动以及微生物结构群落的影响,结果发现,所有添加 剂组增加了微生物(如乳酸杆菌)的数量,与对照组相 比,中药提取物组和丁酸钠组显著增加了乳酸杆菌与 肠道细菌的比率(lactobacilli:enterobacteria ratio)。采用 PCR-RELP(限制性片段长度多态性)法测定空肠内菌 群生态学变化发现,0.3%的丁酸钠使菌群结构发生了 最大的变化并显著高于其它2种添加剂组。

G.Biagi等(2007)在体外发酵试验中使用不同剂 量(60、120和240 mmol/l)的丁酸钠发现,它能影响盲 肠微生物系统,极显著降低了总的产气量(P<0.01),同 时它也降低了产气频率。在体内试验中,丁酸钠对盲 肠和空肠的乳酸杆菌、梭菌属、大肠杆菌无显著影响, 但极显著增加了盲肠pH值和异丁酸浓度(P<0.01)。 pH值的增加能抑制病源微生物(沙门氏杆菌、大肠杆 菌、梭状芽孢杆菌等)的生长,减少动物腹泻。

2.5其它作用

除了上述明显的作用特点以外,丁酸钠还有其它 作用:①丁酸钠具有特征性气味,能诱导动物采食。断 奶后幼畜对日粮中母源性物质仍然保留依赖性。猪奶 干物质中含有超过3.8%的丁酸盐,因此,丁酸钠在仔 猪教槽料和反刍动物代乳料中的作用尤为明显(章亮 等,2006)。②改善结肠血液循环,有利于肠道术后创 口愈合(Cook等,1998;李雄彪等,2006)。③丁酸钠能增 加葡萄糖甙(脂)酰鞘氨醇的合成,防治结肠细胞编程 性死亡,抑制肠粘膜的炎症反应。调节结肠上皮细胞 抗菌肽(cathelicidin)mRNA的表达,有利于降低肠道 疾病发生率。减少细菌或食物抗原跨粘膜迁移,有利 于结肠炎的愈合和降低腹泻率(张孝卫等,2005;Mototeru 等,2007;Markus Schwab等,2007)。④刺激胰腺分泌, 增加胰高血糖素和胰岛素水平,进一步刺激结肠上皮 细胞的生成。胰消化酶水平也得到提高,肠腔内乳糖、 麦芽糖和蔗糖浓度大幅提升(H.Sano等,1995)。⑤葡 萄糖的跨膜转运是细胞利用葡萄糖的主要限速步骤。 目前研究表明,这一过程依靠细胞膜上葡萄糖运载体 (GT)来完成。Takano等(1988)研究表明,在培养液中 加入丁酸钠,能显著增加猪肾脏细胞葡萄糖运载体 mRNA的表达。

3、丁酸钠在动物生产中的应用

3.1应用效果

3.1.1在猪上的应用效果

Galfi等(1990)在猪断奶后饲喂含丁酸钠的日粮, 结果表明,试验组猪日增重提高了23.5%,日采食量 增加了8.9%,由于提高了饲料转化率,实际的饲料消 耗减少了11.8%。Piva等(2002)利用20头8周龄仔猪 [(9.2±1.4)kg]研究丁酸钠对断奶仔猪生产性能影响, 结果表明,在仔猪日粮中添加丁酸钠0.8 g/kg,提高了 仔猪的平均日增重20%和采食量16%(P<0.05)。 郭小华等(2005)选取28日龄健康、体重一致的断 奶仔猪108头,分为3个处理组:丁酸钠组(基础日粮+ 0.1%丁酸钠)、抗生素组(基础日粮+60 mg/kg盐霉素)、 复合组(基础日粮+0.1%丁酸钠+60 m/kg盐霉素),结果 发现仔猪日粮中添加丁酸钠可以提高营养物质的表 观消化率。罗海祥(2006)在断奶仔猪日粮中添加0.1% 丁酸钠可显著提高断奶仔猪的平均日增重(P<0.05), 降低料重比,在断奶仔猪的日粮中添加0.1%丁酸钠 可以降低仔猪腹泻率,尤其是断奶后7 d效果显著 (P<0.05)。Manzanilla等(2006)给早期断奶仔猪日粮 添加0.3%丁酸钠得到了类似的结果。

3.1.2在鸡上的应用效果

Nollet等(2005)研究了不同剂量的丁酸钠(0、50、 100、250、500 mg/kg)对蛋鸡生产性能的影响,结果发现,随着丁酸钠剂量的增加,蛋鸡产蛋率不断提高,料 蛋比逐渐降低,但对蛋重没有影响。

Pinchasov等(1989)研究发现,与丙酸盐等其它有 机酸盐不同,丁酸盐不限制采食量。李凯年(2006)报 道,饲喂0.2%丁酸盐对肉鸡采食量无不良影响,且 0.2%丁酸钠组肉鸡体重最高;在整个42 d肉鸡生长 期中,饲喂0.4%丁酸盐甘油酯对肉鸡的生产性能没 有副作用。

Hu等(2007)给鸡饲粮中添加不同水平(500、1 000、 2 000 mg/kg)的丁酸钠发现,500、2 000 mg/kg的丁酸 钠能显著增加0～21日龄的鸡体重(P<0.05);日粮添 加丁酸钠对0～42日龄肉仔鸡饲料报酬(FCR)的影 响呈正二次回归方程反应(P<0.05),与对照组相比 2 000 mg/kg丁酸钠能显著提高饲料转化率。

3.1.3在反刍动物上的应用效果

王星所等(1996)用3种SCFA钠盐溶液灌注皱 胃,观察其对山羊血清胃泌素水平的影响,结果表明: 向皱胃内灌注乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠盐溶液后,血 清胃泌素水平显著升高。李祥(2000)等研究挥发性脂 肪酸灌注对山羊血浆胃动素水平的影响表明,灌注挥 发性脂肪酸可以提高山羊血浆胃动素水平。瘤胃内输 注乙酸、丙酸、丁酸后的血浆胃动素水平极显著高于 对照组(P<0.01),皱胃输注丙酸或丁酸后的血浆胃动 素水平显著高于对照组(P<0.05)。刘记强等(2006)也得 到类似的结论。 Dirksen等(1995)研究指出,瘤胃发酵终产物会 影响瘤胃乳头的生长。研究表明,丁酸能刺激瘤胃上 皮发育,幼龄反刍动物瘤胃上皮的发育主要依赖碳水 化合物发酵所产生的SCFA,相比之下,大体积纤维性 饲料的刺激并不重要。根据试验结果学者们推测,随 采食量增加,瘤胃上皮组织的代谢强度增加,而其中 乙酸、丙酸代谢量无显著变化,仅有丁酸代谢量增加 接近显著水平,认为采食量增加引起的丁酸产量增加 可能刺激了瘤胃上皮代谢,使瘤胃乳头增生和瘤胃组 织重量增加。

Iriki等(2007)给哺乳小牛瘤胃内注射不同剂量(0、 22、44 g)的丁酸,观察其对血浆中血管加压素和酮体 浓度的影响发现,丁酸组增加了血浆中酮体浓度并成 剂量依赖性,且其持续时间长达4 h;同时丁酸组的血 管加压素浓度也显著增加,且在15 min～2 h内,44 g 剂量组血浆中血管加压素的浓度显著高于22 g剂 量组(P<0.05)。这说明丁酸可能有助于提高肝的生 酮作用。

3.2丁酸钠应用的注意事项

目前,丁酸钠在动物生产上的应用方式主要是在 动物饲料中添加丁酸钠产品(丁壮素、佳宝育、肠益 健)。Nollet等(2005)注意到,动物饲粮中添加500 mg/kg 丁酸钠就可显著提高鸡生产性能,可见丁酸钠具有极 高的效率。但对于其添加剂量应视动物种类、年龄、生 理状况、饲养环境和饲养管理方式等不同而有所差 异。如果添加量不足则无法体现其效果达不到生产要 求。不同的研究中丁酸钠的添加剂量差异较大,丁酸钠 在肉鸡和蛋鸡饲粮中的添加剂量为500～2 000 mg/kg (Nollet等,2005;Hu等,2007),而在猪饲粮中的添加 剂量为0.1%~0.17%(郭小华等,2005;Galfi等,1990)。 丁酸钠在动物饲粮中的添加剂量不同可能与丁酸钠 产品性状、肠道微生物发酵产生的SCFA,尤其是丁酸 的含量、畜禽品种有关,但其适宜添加剂量还有待于 大量的试验研究来确定。

4结语

丁酸钠作为一种新型的饲料添加剂因其独特的 营养生理特性而日益成为最具潜力的动物保健品和 抗生素替代品。然而,丁酸钠的研究历史还很短暂,且 在畜禽上应用的报道还较少,尚有许多问题没有被认 知。因此丁酸钠未来在动物营养上的研究发展方向应 是:①针对丁酸钠在猪、鸡和反刍动物等畜禽上的应 用进行系统研究,了解其对动物营养生理、肠道微生 态、免疫机能等的影响;②对丁酸钠影响动物肠道菌 群、营养物质代谢和免疫机能的确切机制作进一步研 究,为丁酸钠的合理应用提供依据;③进一步进行大 规模试验,以确定不同纯度丁酸钠产品在不同动物饲 料中的适宜添加剂量,为在饲料工业中合理使用丁酸 钠提供参考。