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。