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腸道是食物消化和吸收的重要場所, 其消化吸收功能直接決定了養分利用的效率, 從而影響機體的生長, 腸黏膜還作為機體重要屏障抵御微生物和有害物質的入侵。此外, 肝臟是動物代謝的中樞性器官, 其代謝穩態被破壞后可導致代謝綜合征的發生。益生菌是指一種通過提高腸道微生態平衡而對宿主機體有益的活性微生物飼料添加劑。常見的益生菌有植物乳桿菌、嗜熱鏈球菌、屎腸球菌、雙歧桿菌和枯草芽孢菌等。益生菌作為微生態制劑已在畜禽、水產養殖中廣泛應用, 其促生長作用效果及相關機理漸漸成為近年來的研究熱點。眾多研究表明益生菌能提高畜禽生產性能, 其促生長機理與改善腸道菌群的平衡和腸黏膜結構、提高營養物質消化吸收和代謝、增強腸黏膜免疫功能、抑制病原菌感染以及維持腸道健康等密切相關。本文總結了近年來益生菌影響動物營養物質消化吸收及肝臟代謝功能的相關研究進展。

1.1 益生菌對腸道消化吸收酶的影響

小腸是營養物質消化吸收的主要場所, 飼糧中營養物質包括碳水化合物、蛋白質、脂肪等進入腸道后在微生物和多種消化酶的作用下進行細胞外消化, 消化終產物由腸上皮細胞上的各種轉運載體吸收進入血液。營養物質的消化吸收不良會引起一系列疾病, 如腹瀉、便秘、腹部脹大或疼痛。富集在小腸近端的菌群具有對膽汁酸與低p H的耐受能力, 從而利用食物中的營養物質促進其消化吸收。有研究表明, 腸道中的某些微生物因富含淀粉酶、蛋白酶等基因從而可分解碳水化合物與蛋白質。眾多研究表明, 給不同動物飼喂益生菌均可顯著提高結腸與盲腸中雙歧桿菌屬、乳桿菌屬和鏈球菌屬的數量。因此, 益生菌可通過改善腸道菌群結構促進營養物質的消化。另外, 在飼糧中添加益生菌可提高動物腸道內容物中消化酶活性, 包括水產動物、禽類和豬。黃其永研究發現哺乳仔豬胰消化酶活性隨著日齡的增加而呈上升趨勢, 并證實了德氏乳桿菌 (活菌數≥5×10⁸CFU/mL) 能夠調節胰腺脂肪酶和蛋白酶mRNA表達, 進而促進消化酶的合成與分泌, 使動物采食量增加, 說明益生菌能夠通過調節酶基因轉錄水平或消化酶活性來促進動物對營養物質的消化。

養分吸收過程是食物的消化產物、水和電解質等通過消化管黏膜上皮細胞進入血液和淋巴的過程。在消化道各段, 食管沒有吸收功能, 胃黏膜僅能吸收酒精和少量的水分, 大腸一般也只能吸收水分和無機鹽。因此, 小腸是養分吸收的主要場所。小腸上皮細胞吸收轉運營養物質的機制共有4種:被動轉運、膜轉運、載體偶聯轉運和細胞旁路通路轉運。多糖和寡糖需先在消化酶的作用下形成二糖, 再經二糖酶 (乳糖酶、蔗糖酶和麥芽糖酶) 分解成單糖后才能被吸收。益生菌可增加腸黏膜中消化吸收相關酶活性。飼糧中添加芽孢桿菌和乳酸桿菌 (6×10⁶CFU/g) 均有效緩解脂多糖 (LPS) 刺激導致的仔豬空腸乳糖酶活性的降低和回腸蔗糖酶活性的升高。Dubey等研究發現, 氧化偶氮甲烷處理小鼠2周導致其中毒后, 口服益生菌GS4 (1.1×10⁹CFU/mL) 可以顯著緩解中毒導致的腸黏膜蔗糖酶和乳糖酶活性的降低, 并修復腸絨毛刷狀緣結構。Barrenetxe等研究表明, 飼喂干酪乳桿菌和雙歧桿菌 (10⁸CFU/mL) 均顯著提高了小鼠麥芽糖酶、蔗糖酶和氨基肽酶N的活性, 增加腸上皮對單糖和小肽的吸收。

脂肪的吸收過程與糖和蛋白質的吸收有著較大差異, 其在脂肪酶作用下可形成脂肪酸和3-磷酸甘油酯, 與膽鹽作用后形成混合微膠粒, 然后以彌散方式通過微絨毛間隙進入吸收細胞, 最后形成乳糜微粒經淋巴管輸送到機體。關于益生菌對脂肪吸收的影響研究鮮有報道, 但Ueda等通過檢測血清甘油三酯水平發現, 口服乳酸片球菌均降低了甘油三酯的水平, 這與Wang等的研究結果一致, 說明益生菌具有減少脂肪積累的作用效果, 潛在的機制可能是由于乳酸片球菌抑制了腸道對脂肪的吸收, 或增強了脂肪分解的通路。

其他諸如堿性磷酸酶 (AKP) 、Na⁺/K⁺-ATP酶和γ-谷氨酰轉肽酶 (γ-GT) 等也參與營養物質吸收和轉運。其中, AKP在維持腸內穩態、屏障功能和保護宿主健康方面起關鍵作用, 飼糧和腸道微生物均能夠影響AKP的表達及其活性。Na⁺/K⁺-ATP酶對于維持Na⁺依賴性轉運載體如鈉葡萄糖共轉運載體1 (SGLT1) 介導的葡萄糖轉運尤為重要。γ-GT主要參與細胞中氨基酸和小肽的攝取和轉運。飼糧中添加芽孢桿菌或乳酸桿菌可改善LPS刺激導致的十二指腸和空腸黏膜AKP活性的降低, 有效緩解腸道損傷, 改善腸道健康;飼糧中添加益生菌可提高肉雞回腸黏膜Na⁺/K⁺-ATP酶mRNA表達量和空腸、回腸γ-GT活性, 進一步說明益生菌可促進腸道對小肽的吸收。

1.2 益生菌對腸道吸收轉運載體的影響

以上被消化分解成的小分子營養物質需被腸道及其他組織中相應的轉運載體轉運到細胞內后才能被機體利用。在腸道中, 轉運載體主要有小肽轉運載體[寡肽轉運蛋白1 (Pep T1) ]、氨基酸轉運載體[L型氨基酸轉運載體1 (LAT1) 、丙氨酸/絲氨酸/半胱氨酸/蘇氨酸轉運載體1 (ASCT1) 、中性氨基酸轉運載體1 (B⁰AT1) 和興奮性氨基酸轉運載體1 (EAAC1) 等]以及葡萄糖轉運載體[SGLT1和葡萄糖轉運載體2 (GLUT2) 等]。有研究表明, 益生菌可促進以上轉運載體的表達, 如枯草芽孢桿菌顯著提高肉雞回腸黏膜中Pep T1mRNA表達量, 復合乳桿菌制劑 (添加量為0.1%) 能顯著提高熱應激肉雞小腸內鈉葡萄糖共轉運載體4 (SGLT4) 及正常條件下GLUT2、葡萄糖轉運載體5 (GLUT5) 和SGLT4基因表達量。另有研究發現, 大腸桿菌K88可使豬腸上皮細胞葡萄糖轉運載體SGLT1、氨基酸轉運載體y⁺LA T1、堿性氨基酸轉運載體1 (CAT1) 和丙氨酸/絲氨酸/半胱氨酸/蘇氨酸轉運載體2(ASCT2) mRNA的表達顯著下調, 而飼喂1×10⁸CFU的植物乳桿菌能顯著抑制這一現象。以上研究均表明益生菌可通過提高轉運載體的表達促進營養物質轉運。

1.3 益生菌對腸上皮結構的影響

腸道所含有的巨大表面積不斷受到來自飲食的某些抗原和微生物的攻擊, 并且它是抵抗這種侵略的第一道防線, 腸道形態結構的完整性不僅是維持腸黏膜屏障功能的形態學基礎, 更是腸道發揮正常功能的必備條件。腸黏膜細胞在不斷更新的同時伴隨著細胞的增殖與凋亡屬于機體正常現象。但是, 異常的細胞凋亡則會使腸道功能失調, 進而出現腸壁壞死、腸腔出血等疾病。近年來的研究都發現, 益生菌不僅緩解外界刺激導致的腸道細胞凋亡, 還促進了腸癌細胞的凋亡。如丁酸梭菌 (1×10⁸CFU/mL) 通過下調細胞凋亡因子或凋亡蛋白caspase-3的基因表達, 顯著抑制大腸桿菌誘導的雞胚腸道細胞凋亡, 羅伊氏乳桿菌通過下調caspase-3的蛋白表達顯著緩解LPS導致的腸道細胞凋亡;乳酸菌與人結腸癌細胞HT-29共培養后發現促凋亡蛋白——B淋巴細胞瘤-2 (Bcl-2) 相關X蛋白 (Bax) 與凋亡抑制因子Bcl-2蛋白表達量比值大于1, 表明乳酸菌可促進HT-29細胞凋亡, 另有試驗發現乳酸菌還能促進Caco-2細胞凋亡, 這提示益生菌可通過調節細胞凋亡來維護腸道結構的完整性, 恢復腸道正常生理功能。

腸道屏障的另一個重要組成是細胞間的連接復合體——緊密連接。它是由跨膜蛋白組成的多蛋白復合體, 封住相鄰上皮細胞間的空隙, 并存在于頂膜附近, 例如閉合蛋白claudin、occludin及其家族, 胞質骨架蛋白如閉鎖小帶蛋白ZO-1等。肉雞飼養試驗發現, 酵母菌和芽孢桿菌 (1×10⁹CFU/kg) 均使occludin、claudin的mRNA表達量提高, 這與Eun等和Endo等的研究結果一致。另有研究發現, 無論是經熱應激、病原菌處理還是正常肉雞, 在飼糧中添加益生菌不僅緩解了應激導致的絨毛高度的降低、隱窩深度的增加、絨隱比的減少、腸上皮電阻的下降等, 還使正常組的盲腸絨毛高度和隱窩深度增加。此外, 二胺氧化酶 (DAO) 是一種細胞內酶, 主要存在于小腸黏膜的上層絨毛中。腸黏膜和血漿DAO活性是反映腸黏膜上皮細胞結構修復和損傷及其通透性的重要標志。竇茂鑫研究發現, 經過LPS刺激的仔豬血漿DAO活性升高, 而腸黏膜DAO活性降低, 表明小腸黏膜細胞受損, 通透性增加, 飼糧中添加芽孢桿菌制劑和乳酸桿菌制劑均使得腸黏膜和血漿中DAO活性降低, 表明益生菌可以緩解LPS刺激引起的腸黏膜損傷, 維護腸道功能的完整性。然而, 也有報道表明益生菌對腸道形態的作用并不明顯。

2益生菌對肝臟代謝的作用

肝臟是人體代謝的中樞性器官, 經腸道吸收后的營養物質經肝臟分解代謝后轉運至各個靶器官和組織, 以供吸收利用, 從而促進機體的生長發育。肝臟對于糖代謝、脂代謝、氨基酸代謝穩態的維持起到了主要的作用。肝臟中的糖原代謝酶能夠使肝臟感知到血糖的含量從而儲存或動員糖原以達到外周血的需要, 機體內糖代謝途徑主要有糖酵解、糖異生和磷酸戊糖途徑, 在此過程中, 磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶、葡萄糖-6-磷酸酶等是極其重要的代謝酶。而存在于肝臟的氨基酸代謝酶如谷草轉氨酶、谷丙轉氨酶和乳酸脫氫酶在肝臟中的活性較高, 是反映肝功能的重要指標。此外, 在脂肪合成與脂肪酸氧化過程中, 脂肪合成酶、肉毒堿棕櫚酰轉移酶1和乙酰輔酶A羧化酶是其關鍵酶。

肝臟蛋白質組學分析表明, 屎腸球菌 (活菌數>10⁶CFU/g) 上調了肉仔雞中肝臟氨基酸代謝相關蛋白——甜菜堿高半胱氨酸甲基轉移酶 (BH-M T) 、胱硫醚-γ-裂解酶 (CTH) 和谷草轉氨酶1 (GOT1) 的蛋白表達, 表明屎腸球菌增強了肉仔雞氨基酸代謝的速率, 為蛋白質的合成提供了大量的原料。益生菌混合制劑 (植物乳桿菌和彎曲乳桿菌) 或單獨使用能降低飼喂高脂高膽固醇飼糧小鼠的肝臟脂肪合成過程的相關酶及其基因的表達;在給小鼠及SD大鼠飼喂高糖飼糧時, 鼠李糖乳桿菌或格式乳桿菌與高糖飼糧混合組顯著增加高糖飼糧飼喂小鼠或SD大鼠脂肪酸氧化相關酶的基因表達量, 顯著降低脂肪合成相關酶乙酰輔酶A羧化酶的基因表達, 說明益生菌可以減少肝臟脂肪積累。還有研究發現, 一種從黏液層中分離的益生菌能夠降低飼喂高脂飼糧小鼠肝臟中葡萄糖-6-磷酸酶基因的表達, 增加脂肪酸氧化相關酶基因的表達, 從而減少糖異生作用, 控制脂肪沉積, 緩解高脂飼糧引起的高血糖癥, 維持糖代謝穩態。

機體糖代謝主要涉及糖的消化吸收、葡萄糖的攝取及分解、糖原的合成與分解以及糖異生等環節。血液中甘油三酯、總膽固醇和游離脂肪酸等脂類物質是動物機體脂類物質代謝水平的重要指標。此外, 膽堿酯酶是反映肝臟合成功能的一類水解酶, 膽堿酯酶活性升高可能意味著脂肪肝及脂肪性肝炎性疾病的發生。有研究發現, 添加乳酸桿菌 (活菌數>1×10⁶CFU/g) 使肉雞血清膽堿酯酶活性極顯著降低, 血清肌酸激酶、脂肪酶和乳酸脫氫酶活性顯著提高, 血清甘油三酯和總膽固醇水平有所降低, 表明益生菌改善了機體脂類代謝。飼糧中添加約1×10⁸CFU/g的益生菌 (枯草芽孢桿菌和乳酸桿菌) 使正常蛋白試驗組青腳麻雞血清中甘油三酯水平下降、高密度脂蛋白和膽固醇水平上升, 說明益生菌有一定的降脂作用。陳麗艷研究發現, 飼糧中添加一定水平的乳酸桿菌制劑可提高肉仔雞血清中總蛋白 (TP) 水平, 降低非蛋白氮水平, 說明乳酸桿菌可顯著提高肉仔雞蛋白質沉積。崔艷紅等報道飼喂益生菌復合發酵料顯著提高了仔豬血清中葡萄糖和TP水平, 顯著降低血清尿素氮水平。張勇在大鼠試驗證明了提前攝入4×10⁹CFU/mL的益生菌——干酪乳桿菌Zhang (L.casei Zhang) 能預防高果糖水誘導產生的高胰島素血癥, 持續飼喂4周能改善其高胰島素水平。血清谷草轉氨酶和谷丙轉氨酶是氨基酸代謝轉化過程中重要的酶, 也是檢驗肝臟功能的一個重要指標。丁酸梭菌可以顯著緩解大鼠非酒精性脂肪肝引起的谷丙轉氨酶活性的升高, 一定程度上降低了肝臟損傷。以上結果表明, 益生菌能促進脂肪和糖代謝、提高蛋白質的沉積、緩解肝臟損傷, 具體機制可能是益生菌先作用于腸道菌群, 改變了細菌分泌酶的活性表達, 并調節了碳水化合物等代謝的信號通路。