短链脂肪酸在水产养殖中的应用研究进展
[摘要]短链脂肪酸(SCFAs)，也称为挥发性脂肪酸，是肠道菌群通过发酵膳食纤维产生的有益代谢物，可以为动物提供能量，促进肠胃机能，调节机体免疫功能，调整肠道菌群平衡。目前，其在水产上的研究及应用还较少，本文概述了SCFAs作为一种有效饲料添加剂在水产养殖领城的应用，以及对高糖高脂所导致的生长下降、肠道炎症、代谢功能紊乱等方面的作用。
[关键词]短链脂肪酸；生长；肠道炎症；糖代谢；脂代谢
短链脂肪酸(SCFAs)是一种由碳含量低于6个碳原子组成的有机物质，主要由膳食纤维、抗性淀粉、低聚糖等难消化糖发酵而成，具有重要的生物学意义和生理功能。鱼类肠道中最丰富的是乙酸(SA)、丙酸(SP)、丁酸(SB)及其盐类(Tran 等，2020)。乙酸可被宿主吸收利用，作为宿主的能量基础，起着至关重要的作用，每天供给机体10%的能量；丙酸被吸收到血液，在肝内进行代谢，由丙酮转变为葡萄糖，并能阻止油脂生成；丁酸可用于上皮细胞，调节机体的代谢和生理功能(朱滔等，2022)。
1 短链脂肪酸的作用机理
机体肠道含有大量微生物，称为肠道微生物群，微生物结构和功能的改变与各种疾病的发病机制有关，SCFAs主要发生在远侧的小肠和结肠，而不易消化的糖类则被一些细菌如假杆菌、厚壁菌、放线菌等所利用，产生SCFAs进而影响宿主的能量稳态(Chakraborti等，2015)。SCFAs可影响机体的许多器官和组织的生理功能，不但能促进和维持肠道健康，而且还参与免疫调节。SCFAs作为肠道微生物组和免疫系统之间通信的中介，产生的信号通过游离脂肪酸受体在免疫细胞中转移(Ratajczak等，2019)，通过G蛋白偶联受体(GPCRs)的活化从而导致细胞增殖或分化，或是通过抑制组蛋白去乙酰化酶(HDAC)来调节免疫反应(王可鑫等，2020；Daniela等，2019；Renato等，2011)。SCFAs不但是肠道内的主要能源，其还可以与细胞表面的GPCRs结合并激活相关的肠道免疫反应，从而调节肠道稳态(赵越等，2022；Corrêa-Oliveira等，2016)。Frost等(2014)发现，SCFAs对宿主代谢也具有有利的作用，乙酸钠通过改变下视丘中控制食欲的神经肽的表达，并激活 TCA循环，从而减少食欲；丙酸钠对肠内糖异生有活化作用，从而促进代谢(Filipe等，2014)；丁酸钠可以通过增加棕色脂肪中两种相关产热蛋白(过氧化物酶体增殖γ-lα共激活受体和蛋白质-1解偶联)的表达，增加能量消耗和脂肪氧化来减轻体重(Dallas等，2011)。
2 短链脂肪酸在水产养殖上的应用
2.1 改善水产动物的生长
糖类或脂类作为能源物质，其能够为鱼提供能量，减少饲料中的蛋白质摄入量，从而节约蛋白质，还可减少水体污染(Hu等，2014)。但是，一些鱼类对糖的利用能力较低，饲料过高水平的糖不仅会引起代谢紊乱，增加机体肥满度，导致腹部脂肪堆积及生长性能下降(Wu等，2021)，还会引起氧化应激，对线粒体功能造成不良影响，抑制先天免疫以及一系列的代谢综合征(Lin等，2018)，这在对黄颡鱼(张丽等，2021)、吉富罗非鱼(冯婧昀，2020)、团头鲂(蒋阳阳，2012)的研究中均有发现。
目前，SCFAs及其盐通常被认为是安全的，在饲料工业中可用作抗菌剂(钟颂石等，2022；Hoseinifar等，2017)。Safari等(2017)报道，随着饲料中丙酸钠水平的升高，鲤促生长因子(IGF-1)和生长激素(GH)的转录水平显著上调，说明丙酸钠对其生长产生有益作用。Sheikhzadeh等(2021)进行50d的喂养试验发现，饲料5g/kg丙酸钠使金鱼终末体重和特定生长率显著提高，在白鲸鲟(Ahmadifar等，2022)、里海白鱼(Hoseinifar等，2016)也得到了相似的结果。同样地，乙酸钠处理后的膳食日粮喂养鲤鱼发现，其IGF-1和GH表达也显著增加(Roghieh等，2020)。补充适当水平的乙酸钠可促进卵形鲳鲹幼鱼的生长和采食量，且最佳补充量为1423.67mg/kg(Xun等，2022)。Bruno等(2016)在膳食日粮中添加不同浓度的丙酸钠和丁酸钠发现，对虾的终末体重均有所增加，饲喂 2%丁酸盐对虾的饵料效率和成活率均高于对照组。Monier等(2022)研究发现，日粮纳米丁酸钠显著改善了尼罗罗非鱼的生长性能，其最佳水平为1.0～2.5mg/kg。Liu等(2017)证实，将0、500、1000、2000、3000mg/kg丁酸钠加入草鱼基础饲料中后，1000mg/kg组和2000mg/kg组的特定生长率显著增加，3000mg/kg组的最低，说明适当补充丁酸钠可以提高草鱼幼鱼的生长性能。Ke等(2022)在石斑鱼上也得到了相似的结果。所有这些研究表明，适当水平的SCFAs可以改善水生动物的生长性能。但是，杜艺(2019)在松浦镜鲤上的研究得到了相反的结果，添加丁酸梭菌和丁酸钠对其生长性能没有显著影响，这可能与鱼的种类、年龄、饲料成分和添加剂的添加剂量有关。
2.2 调节肠道菌群肠黏膜屏障功能
完整、通透能力强，是肠道健康的重要组成部分。肠道屏障受损表现为肠道菌群数量发生变化，肠壁的通透性增加导致内毒素直接通过肠壁进入血管(Potrykus等，2022；杨俊英等，2021)。SCFAs通过对肠道中微生物成分的改变，促进有益菌的生长，抑制有害菌的生长来调节肠道菌群的平衡(张亚琨等，2023)。肠道微生物菌群组成和相对丰度受到影响，会导致鱼类对致病菌的抵抗力降低，免疫性能低下(刘寒等，2018；许霄霄，2017)。SCFAs被认为是调节膳食纤维和肠道微生物群从而改善健康的有益参与者，是肠道上皮细胞的重要能源，其可以促进上皮细胞的生长和分化，保持肠道黏膜的机械屏障(蒙丹丽等，2018；Sivaprakasam等，2016)。研究表明，SCFAs能使胃肠道pH下降，对大肠杆菌等有害菌产生抑制或杀灭，促使有益菌的繁殖，从而使动物肠道内的微生物发生变化(陈福等，2019)。日粮中添加中短链脂肪酸甘油酯可显著增加乳杆菌属、布劳特氏菌属、柔嫩梭菌属等的丰度，从而增加肠道SCFAs的含量(张萌，2020)。日粮中适当水平的丁酸钠增加了草鱼幼鱼肠道中有益乳酸杆菌的数量，并减少了有害气单胞菌和大肠杆菌的数量(Tian等，2017)。Liu等(2019)发现，饲粮中加入丁酸钠显著提高了变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteriota)的相对丰度，降低了拟杆菌属的相对丰度，说明丁酸钠对肠道微生物群发挥有益作用。此外，与对照组相比，用含丁酸钠的饲料喂养欧洲鲈，其肠道总微生物量呈减少趋势，且弧菌属(Vibrio)接近于零，鲈鱼的健康状况和肠道功能得到了明显改善(Elham等，2020)。在斑马鱼日粮中添加乙酸钠可通过降低邻单胞菌(革兰氏阴性杆菌，水产动物潜在的病原体)的相对丰度对肠道健康产生积极影响(Zhang等，2020)。
2.3 对糖、脂代谢的影响
SCFAs作为脂肪酸家族的成员之一，为水产动物脂质合成提供了底物，同时乙酸钠、丙酸钠能够刺激脂质积累，具有抗脂解活性(Hong等，2005)。刘宇(2018)发现，日粮添加乙酸钠会促进胰岛素分泌，进而使脂肪蓄积增加。作为宿主的能量来源之一，理论上增加内源性SCFAs的合成，可促进能量储存，导致肥胖症的增加，但一些研究证实，SCFAs可能对肥胖相关的代谢紊乱有改善的作用(刘倩等，2018)。在水产动物上的研究结果表明，SCFAs的添加降低了鱼体血清总蛋白及胆固醇的含量，并通过抑制鱼体腹腔脂肪和肝胰脏脂肪积累来缓解脂肪沉积(晏显芳等，2021)。目前关于SCFAs对糖脂代谢的研究主要针对于陆生动物，水产中的研究较少。
SCFAs主要依赖于GPCRs受体发挥作用，其激活的GPCRs受体主要为GPR43、GPR41、GPR109a。SCFAs通过与其受体结合在各种细胞中充当信号分子，GPCRs是由横跨7个跨膜的单个多肽链形成的受体，可以与细胞外的各种配体结合以调节多种生理反应(伏春燕，2017)。SCFAs通过激活GPR43来刺激胰高葡萄素样蛋白-1(GLP-1)分泌，以及降低胰高血糖素的产生(Barrera等，2011)。GPR43作为一种能量速率传感器，对机体的能量平衡、新陈代谢环境具有重要意义(Hara等，2014)。在水产动物上关于GPR43和糖代谢的研究还很罕见，刘宇(2018)发现，饲料中添加乙酸钠会促进斑马鱼摄食和胰岛素分泌，但并未发现乙酸钠添加对糖异生和糖酵解水平的显著性影响。但是幼鲤饲料中添加0.5%和1%乙酸钠经肠道吸收并转运到肝胰腺后，可以有效调节包括糖酵解、糖异生、糖原合成和糖原分解在内的糖代谢途径(Feng等，2022)。腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)是肝脏糖代谢的重要调节通路，研究发现丙酸钠可以通过激活AMPK来减弱葡萄糖6-磷酸酶(G6Pase)和磷酸烯醇式丙酮酸羧酸激酶(PEPCK)这两种糖异生关键酶的基因表达，从而降低葡萄糖异生作用(Hiroki等，2019)。
2.4 缓解肠道炎症
短链脂肪酸(SA、SP、SB)除了可以防止饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗之外，还与抗炎、能量代谢疾病有很大的关系(杨东明等，2019；Lin 等，2012)。喂食高碳水化合物饲料之后的尼罗罗非鱼体重增加，但对细菌的耐药性很差，白细胞介素1β(IL-1β)、白细胞介素-12(IL-12)、肿瘤坏死因子(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)炎症因子显著升高，添加乙酸钠后，最终体重没有呈现显著性增加，但能够显著提高鱼体对细菌的抗性，在一定的剂量下，乙酸钠能抑制p38蛋白激酶(p38MAPK)和核转录因子(NF-κB)的活性，从而减轻高糖血症所致的肠黏膜炎症反应(Li等，2020)。Sun等(2022)研究发现，高豆粕饮食中添加丙酸钠可缓解幼年大菱鲆的炎症症状，提高抗感染能力。饲料中添加丁酸钠通过上调肠道紧密连接蛋白基因的表达，下调TNF-α和NF-κB基因表达来缓解高豆粕日粮引起的肠道损伤，还可以通过核转录E-2-相关因子2(Nrf2)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)和肌球蛋白轻链激酶(MLCK)信号通路增强草鱼幼鱼肠道的物理屏障(Liu等，2019；Wu等，2018)。可见，SCFAs可通过p38MAPK和NF-KB等信号通路来缓解肠道炎症，维持肠道健康。
3 小结
