膳食营养素及饲料添加剂对猪肠道微生物群的影响研究进展_赵怀宝.pdf

肠精灵论坛NO.06 2023101饲料研究 FEED RESEARCH膳食营养素及饲料添加剂对猪肠道微生物群的影响研究进展赵怀宝（北京都润科技有限公司，北京 100081）摘要：肠道微生物群有助于宿主肠道发挥多种生理功能，对改善猪的肠道健康、提高猪的生产性能具有重要作用。肠道微生物具有很强的可塑性，易受饮食、抗生素的摄入、病原体感染、宿主状况、外界环境等因素的影响。饮食的变化是影响肠道微生物群的主要因素。很多营养素和饲料添加剂具有调控猪肠道微生物的结构组成、促进肠道健康的作用。调节日粮营养素水平、补充饲料添加剂是猪生产中常用干预肠道微生物方法之一。文章综述膳食营养素和饲料添加剂（益生菌、益生元、酶制剂和植物生物素等）对猪肠道微生物群的影响，为其在猪生产中的应用提供参考。关键词：猪；肠道微生物群；营养素；饲料添加剂中图分类号：S 828 文献标识码：A 文章编号：1002-2813（2023）06-0101-06 Doi：10.13557/ki.issn1002-2813.2023.06.021Research progress on effect of dietary nutrients and feed additives on intestinal microflora of pigsZHAO Huai-baoAbstract:The gut microbiota helps host gut to perform a variety of physiological functions,which plays an important role in improving the intestinal health and performance of pigs.Intestinal microbiota has strong plasticity,which is readily changeable by diet,ingestion of antibiotics,infection by pathogens and other host-and environmental-dependent events.The change of diet is the main factor affecting intestinal microbiota.Many nutrients and feed additives can regulate the structural composition of intestinal microbiota,promoting intestinal health in pigs.Adjusting dietary nutrient level and supplementing feed additives is one of the commonly used methods to intervene intestinal microorganisms in pig production.The paper reviews the effect of dietary nutrients and some feed additives(probiotics,prebiotics,enzymes and phytobiotics)on intestinal microbiota in pigs,to provide reference for its application in pig production.Key words:pigs;intestinal microbiota;nutrients;feed additives猪具有容纳复杂且动态的微生物群落的能力。宿主与共生微生物群之间相互依存，相互影响，宿主为肠道微生物群提供适宜的生存环境和营养（宿主或宿主的饮食）；反之，肠道微生物群有助于宿主肠道多种生理功能，如保护性功能（病原体置换、营养竞争、生产抗菌物质）、结构性功能（保护上皮屏障、调节免疫系统）和代谢性功能（发酵不易消化的膳食残渣，合成维生素）1。肠道微生物群具有很强的可塑性，易受宿主遗传（如性别、日龄、免疫状态等）和环境应激（如温度、湿度、抗生素的摄入、饮食的变化、病原体的感染等）的影响而发生变化，进而对猪肠道健康产生影响2。饮食是影响猪从泌乳期到育成期肠道菌群的最重要因素3。通常情况下，肠道菌群会随饮食的变化而发生显著变化。研究表明，饮食改变可在24 h内引起机体盲肠微生物群的变化4。但微生物的改变对宿主是否有益，主要取决于变化的微生物的丰度和独特性和产生的代谢物5。很多膳食营养素和功能性饲料添加剂，如益生菌、酸化剂、酶制剂、精油等均能够调控猪肠道微生物的结构组成，进而促进肠道健康。饮食结构和营养水平会随猪生长阶段的不同而发生改变，因此在生产中调节饲料营养素水平和（或）补充饲料添加剂（益生菌、益生元、植物生物素等）是促进机体肠道微生物群平衡的重要手段之一。本文综述膳食营养素和饲料添加剂（益生菌、益生元、酶制剂和植物生物素）对猪肠道微生物群的影响，为其在猪生产中的应用提供参考。1膳食营养素与猪肠道微生物群之间的关系猪从出生到出栏需要约6个月，至少需要更换5种不同配方日粮。每个阶段的日粮配方所用的原料和营养水平存在很大差异，在更换日粮的过程中会造成机体肠道菌群的变化，从而影响猪的生产性能。目前，关于膳食蛋白质和膳食纤维对猪肠道菌群的影响研究较多。作者简介：赵怀宝，博士，研究方向动物营养与生理调控。收稿日期：2022-09-28肠精灵论坛NO.06 2023102饲料研究 FEED RESEARCH1.1膳食蛋白质对猪肠道微生物群的影响大多数日粮蛋白质在小肠中被消化和吸收，而未消化的蛋白质进入大肠被微生物发酵利用。小肠中的微生物也具有发酵蛋白质的能力，但效率较低。小肠中酵解蛋白质的主要细菌有克雷伯菌属（Klebsitella spp.）、大肠杆菌（E.coli）、链球菌属（Streptococcus spp.）、溶糊精琥珀酸弧菌（Succinivibrio dextrinosolvens）、光冈菌属（Mitsuokella spp.）和 解 脂 厌 氧 弧 菌（Anaerovibrio lipolytica）等6。但大肠中的蛋白酵解菌主要为拟杆菌属（Bacteroides）、丙酸杆菌属（Propionibacterium）、链球菌属（Streptococcus）、梭杆菌属（Fusobacterium）、梭菌属（Clostridium）和乳酸杆菌属（Lactobacillus）7。日粮中过量的粗蛋白可通过提高氮利用率以及食糜pH值影响肠道微生物群，进而利于蛋白水解细菌和潜在病原体的增殖8。Chen等9研究表明，生长猪日粮中粗蛋白的水平从18%降低至15%时，回肠食糜中有害菌（链球菌）的丰度显著降低，而有益菌（乳酸杆菌和双歧杆菌）的丰度显著增加。小肠中蛋白质发酵能力的增强可能会降低宿主对蛋白质的吸收效率，从而降低氨基酸的消化率。补充易消化的蛋白质有助于降低肠内蛋白质的发酵，进而有利于调节肠道菌群。Ortman等10评估了两种优质蛋白源微生物强化的豆粕（MSBM）和鱼粉（FM）对21日龄断奶仔猪回肠微生物群的影响，试验分为玉米-豆粕基础日粮组（NEG组，阴性对照组）、基础日粮+FM组（POS 组，阳 性 对 照 组）、基 础 日 粮+MSBM 组（MSBM组），在仔猪断奶后第07 d的日粮中添加7.5%的FM或MSBM，而第821 d的日粮中添加5.0%的FM和MSBM，发现NEG组、POS组、MSBM组的乳杆菌相关 序 列 含 量 最 高，平 均 相 对 丰 度 分 别 为 64.00%、59.90%、41.80%；与MSBM组相比，NEG组、POS组嗜淀粉乳杆菌（Lactobacillus amylovorus）含量更丰富；与NEG 组 相 比，POS 组 和 MSBM 组 约 氏 乳 杆 菌（Lactobacillus johnsonii）的丰度更高；而德氏乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii）在MSBM组中丰度最高（POS组、NEG 组和 MSBM 组分别为 1.9%、3.3%和 11.3%），表明不同的蛋白质补充剂能够在一定程度上改变断奶猪回肠食糜中乳酸杆菌属特定成员，但对菌群的多样性无影响。Iakhno等11研究发现，使用酵母替代日粮中40%的粗蛋白，保育猪回肠和结肠食糜中的微生物群获得重塑。氨基酸的利用也会影响微生物群的发酵，进而影响肠道健康。色氨酸可被肠道微生物群代谢，产生吲哚-3-乙酸（IAA）。IAA是芳烃受体（AHR）的配体，AHR具有抑制肠道炎症和增强屏障功能的作用12。1.2膳食纤维对猪肠道微生物群的影响断奶后日粮中粗纤维的含量是影响猪机体健康的重要抗营养因子之一。未成熟的肠道无法有效分解纤维，因此在保育猪养殖中纤维的副作用更大。猪的肠道自身不能产生降解非淀粉多糖（NSP）的内源酶，但肠道微生物群可产生与NSP水解相关的各种酶13，以促进肠道消化。NSP中的可溶部分可增加食糜的黏度，降低消化率，改变肠腔内的环境14，进而影响食糜通过率、养分利用率和氧气扩散，为潜在病原体创造有利环境15。NSP 聚合物可影响肠道微生物群。长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）、普氏菌（Prevotella copri）、平常拟杆菌（Bacteroides plebeius）和拟杆菌（Bacteroides sp.）主要利用可溶性阿拉伯木聚糖生产寡糖、SCFA和乳酸；而罕见小球菌（Subdoligranulum sp.）和卵形布劳特氏菌（Blautia obeum）主要利用寡糖16。与外源性补充阿拉伯低聚木糖（AXOS）不同，通过体内酶分解获得的AXOS能够影响管腔和黏膜相关微生物群17。1.3膳食脂肪对猪肠道微生物群的影响膳食脂肪是引起肠道微生物群变化的主要因素。高脂肪饮食通过改变肠道微生物的组成干扰能量摄入和支出的平衡，对肠道微生物群的结构产生长期影响18。研究表明，高脂饮食可增加厚壁菌门的比例，降低拟杆菌门的比例。饲喂高脂日粮的猪肠杆菌科细菌数量明显增加，而饲喂低脂肪日粮的猪乳酸杆菌、双歧杆菌和普拉斯尼茨氏菌的数量显著增加19。不同类型的膳食脂肪对猪肠道微生物也具有很大影响。Yang等18研究发现，与大豆油和包被棕榈油相比，饲喂棕榈油的仔猪十二指肠、空肠和盲肠中的蛋白杆菌数量增加，空肠中的厚壁菌数量减少；而包膜棕榈油有助于提高棕榈油的消化率，对补充棕榈油引起的微生物干扰具有恢复作用。膳食脂肪的成分对肠道微生物群也具有一定影响，如拟杆菌的变异与膳食饱和和不饱和脂肪酸的比例有关20。2功能性饲料添加剂与猪肠道微生物群之间的关系很多功能性饲料添加剂，如益生菌、合生元、酶制剂等均能够直接或间接影响肠道微生物群的组成和丰度，进而影响动物肠道健康。2.1益生菌对猪肠道微生物群的影响益生菌在养猪业生产中的应用较多，能够促进猪机体的健康与生长。益生菌的作用机制与宿主微生物群直接相关，包括竞争营养物质和肠黏膜上的黏附位点，促进乳酸、短链脂肪酸（SCFA）以及抗菌物质产生，进而增强肠道屏障功能以及调节免疫系统16。益生菌产生的乳酸和SCFA能够改变肠腔中的微环境，利于有益菌（耐低pH值）增殖。肠道较低的pH值和有益菌繁殖会抑制病原体的生长21。益生菌产生的抗菌物质也有助于抑制病原体的增殖22。益生菌可以影响免疫系统，进而改变肠道微生物群的组成23。对宿主表现出有益的共生微生物通常被认为是益生菌。芽 孢 杆 菌 属（Bacillus spp.）、乳 杆 菌 属（Lactobacillus）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）和肠球菌属（Enterococcus）是益生菌产品中常用的产乳酸菌。肠精灵论坛NO.06 2023103饲料研究 FEED RESEARCHShin等24研究表明，仔猪日粮（泌乳期到断奶后4周）添加1.25109 CFU/kg植物乳杆菌（L.plantarum）显著增加了粪便微生物群的多样性和丰富度，促进乳酸菌生长，提 高 韦 荣 球 菌 科（Erysipelotrichaceae）、螺 旋 体 科（Spirochaetaceae）和克里斯滕森菌科（Christensenellaceae）的相对丰度，降低普雷沃菌科（Prevotellaceae）的丰度；补充植物乳杆菌可增加仔猪血清免疫球蛋白G（IgG）含量，下调与免疫系统相关的基因表达。Zhang 等25研究表明，日粮添加芽孢杆菌（Bacillus）能够显著增加猪回肠与黏膜相关的梭状芽孢杆 菌（Clostridium）、乳 酸 杆 菌（Lactobacillus）和Turicibacter的丰度，上调转录因子Atoh1基因的表达，促进杯状细胞增殖。更多的杯状细胞增加了黏蛋白-2（MUC2）的分泌，从而保持了肠道屏障功能。因此，在评估益生菌对宿主健康的影响时，应考虑肠道微生物群的平衡。需要注意粪便微生物群的变化可能与小肠的免疫调节无关26。酵母作为益生菌广泛应用于猪生产，具有调节保育猪肠道微生物群、增强小肠健康的作用27-28。在补充益生菌前，应先评估肠道微生物群的状态。Suez等29研究发现，在抗生素治疗后，给机体补充益生菌可能会干扰肠道微生物群的恢复。也有研究表明，宿主基因表达和基线微生物群能够影响外源益生菌在机体肠黏膜中的定植30。益生菌调节肠道微生物群中的作用是通过优化微生物群的健康有效地预防与疾病相关的菌群失调，而不是在菌群破坏后促进恢复。因此膳食补充益生菌时，应该同时考虑宿主特征和肠道基础微生物群。2.2益生元对猪肠道微生物群的影响益生元主要包括各种寡糖类物质或称低聚糖。研究表明，寡糖可以促使肠道微生物群向在免疫系统中发挥重要作用的物种上转变，这种转变也会影响肠道微生物代谢物的产生和分布31。补充低聚糖产生的微生物代谢产物可影响肠道细胞增殖32，紧密连接蛋白的表达33，黏液层以及调节免疫反应34。此外，寡糖可通过结合肠道细胞上的特定碳水化合物受体直接影响免疫系统，从而改变屏障功能和免疫反应33。2.2.1甘露寡糖对猪肠道微生物群的影响甘露寡糖（MOS）是由甘露糖链组成的非消化性碳水化合物，含有MOS的饲料添加剂主要来自酿酒酵母。MOS促进肠道健康的一种机制是MOS先与肠道特定的微生物结合，然后通过粪便排出体外，在此过程间接影响免疫系统。Fouhse等35研究表明，日粮添加800 mg/kg富含甘露聚糖的酵母衍生物可显著增加仔猪盲肠食糜中光球 菌（Mitsuokella）的 相 对 丰 度 和 降 低 粪 球 菌（Coprococcus）和罗斯氏菌（Roseburia）的相对丰度，显著改善肠道组织形态完整性和上调空肠与免疫调节相关的基因表达。Browne等36研究发现，酵母的甘露聚糖（蛋白含量为16 g/L）通过减少大肠杆菌的黏附降低肠细胞（体外）中TNF-和TLR4的基因表达。Yu等37研究表明，MOS具有增强肠道完整性的作用，其通过调节断奶仔猪盲肠食糜中的微生物群和降低大肠杆菌K88+感染引起的炎症反应实现。此外，MOS可通过刺激与免疫反应相关的基因表达直接影响免疫系统38。2.2.2低聚木糖对猪肠道微生物群的影响低聚木糖（XOS）是一种来自木聚糖水解后的功能性碳水化合物，具有调节肠道微生物群和宿主的免疫系统的功能。XOS能够刺激特定细菌增殖，这些细菌通常与促进宿主健康有关39。微生物发酵XOS的能力因XOS来源不同而存在差异性40。Pan等41研究发现，日粮添加100 g/t XOS 能够显著增加生长肥育猪结肠中乳酸杆菌（Lactobacillus）、瘤胃球菌（Ruminococcus）、粪球菌（Coprococcus）和罗斯氏菌（Roseburia）的丰度以及SCFA 含量，显著降低大肠杆菌（E.coli）和棒状杆菌（Corynebacterium）的丰度以及1,7-庚二胺含量。1,7-庚二胺是一种与氨基酸脱羧基有关的生物胺，Pan等41研究提示，XOS抑制氨基酸的脱羧可能与减少蛋白水解细菌有关。Yin等42研究表明，日粮添加0.01%XOS可显著提高 断 奶 仔 猪 结 肠 微 生 物 多 样 性，增 加 链 球 菌（Streptococcus）和Turicibacter丰度。通过功能预测，微生物的变化可能涉及碳水化合物代谢、细胞运动、细胞过程和信号传导、脂质代谢以及其他氨基酸的代谢。此外，XOS还可以直接影响免疫系统。Nabarlatz等43研究发现，杏仁壳来源的 XOS 具有直接的免疫调节活性。Hansen等33研究表明，XOS改善肠道屏障功能与大鼠的微生物群无关。2.3后生元对猪肠道微生物群的影响发酵物包含微生物、无活力细胞、培养基、发酵底物和代谢物等44。发酵产物和微生物提取物包括无活力的细胞、生物胺、SCFA、细胞壁结构以及通过益生菌发酵产生促进健康影响的化合物，称为后生元45。在猪生产中常见的后生元有酵母培养物、酵母细胞壁提取物和乳酸菌发酵物。Xiong等46研究发现，来自酿酒酵母发酵的后生元和水解细胞壁（1.2 g/kg饲料）可显著增加断奶仔猪十二指肠和回肠黏膜中的IgA水平。但Kim等47研究表明，日粮添加0.2%酵母细胞壁（后生元）可降低保育猪空肠黏膜中病原菌的丰度和IgA含量。由于后生元酵母水解细胞壁对猪免疫反应的研究结果不同，未来需要进一步研究。2.4酶制剂对猪肠道微生物群的影响酶制剂对肠道菌群的影响与肠腔内底物理化性质的变化、益生元和生物活性化合物的释放有关17,48。非淀粉多糖酶（NSP酶）具有降解底物释放的寡糖的能力，有助于提高肠道微生物群对膳食纤维的利用能力，进而增加肠道中SCFA的产量。饲料中常用的NSP酶主要有木聚糖酶、-葡聚糖酶和-甘露聚糖酶。木聚糖酶通过水肠精灵论坛NO.06 2023104饲料研究 FEED RESEARCH解木聚糖，可降低食糜的黏度，进而改变肠腔内容物的理化特性，提高宿主对养分的利用率49。肠腔内产生的寡糖和环境的变化能够选择性地增加纤维降解菌的丰度50。Petry等17研究表明，在高纤维日粮（含30%玉米麸皮）中添加100 mg/kg木聚糖酶能够改变猪回肠黏膜相关微生物群；PICRUST2预测分析显示，高纤维日粮添加木聚糖酶主要增加回肠黏膜中与阿拉伯木聚糖降解和木糖代谢相关酶、阿魏酸酯酶和SCFA生成相关的酶的基因表达。市售的木聚糖酶中通常含阿魏酰酯酶，该酶能够释放与木聚糖交联的酚类化合物51。阿魏酸是植物细胞壁中的主要酚类化合物，是一种有效的抗氧化剂，可直接影响宿主的抗氧化状态52。研究表明，阿魏酸具有抗生素特性，能够通过抑制猪粪便中产肠毒素大肠杆菌（ETEC）K88和F18+的生长方式调节肠道微生物群53。-甘露聚糖酶在猪的肠道中也发挥重要作用，具有降低免疫反应、调节肠道微生物群的功能。Jang等54研究发现，日粮中添加-甘露聚糖酶能够降低断奶仔猪盲肠食糜中大肠杆菌的数量以及改善空肠的组织形态。考虑到植物细胞壁成分的复杂性以及释放的寡糖和生物化合物的多样性，补充多种酶制剂可表现更佳的协同作用。Li等55报道，日粮添加多糖复合酶包括0.01%木聚糖酶（190 000 BXU/g）、0.001%-葡聚糖酶（2 320 000 BU/g）和0.01%果胶酶（560 PE/g）能够恢复断奶仔猪因ETEC感染而破坏回肠和结肠的微生物群稳态。植酸能够降低宿主和肠道微生物对钙和磷的利用率。在日粮中添加植酸酶可为宿主和肠道微生物代谢提供更多可利用的磷和钙。饲喂较高有效钙和磷水平的日粮可以调节保育仔猪黏膜相关微生物群，表现为胃黏膜中的乳酸杆菌（Lactobacillus）、回肠黏膜中的弗氏柠檬酸杆菌（Citrobacter freundii）和结肠黏膜中的普雷沃氏菌（P.copri）的丰度增加56。上述结果提示，植酸酶调节肠道微生物群与提高肠道中有效磷和钙的水平有关。Klinsoda等57研究表明，日粮添加500 FTU/kg植酸酶改变了保育仔猪回肠中沿消化道-黏膜-淋巴结轴的微生物群。此外，Metzler-Zebeli 等58研究发现，日粮补充650 U/kg植酸酶增加了生长育肥猪粪便中梭状芽孢杆菌科（Clostridiaceae）和瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）的丰度。2.5植物生物素对猪肠道微生物群的影响植物生物素是植物源性的天然生物活性复合物，如精油、酚类化合物和树脂等。植物生物素已在动物饲料中广泛应用，其主要通过增强肠道健康和调节肠道微生物群促进生长性能59。精油（EO）源自植物的提取物，是一类主要的植物生物素，具有明显的抗菌活性。EO的抗菌机制与改变细胞壁和细胞质膜结构、增加细胞通透性和降低毒力功能有关60。Man等61通过体外分析不同EO对金黄色葡萄球菌、粪肠球菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌的抑菌活性时发现，牛至油、百里香油和柠檬油是最活跃的EO，原因是这些油中的萜烯和萜类化合物含量很高。Cheng等62研究表明，低蛋白高氨基酸日粮添加250 mg/kg 10%牛至精油（OEO）能够降低生长育肥猪回肠大肠杆菌的数量，改善肠道形态、抗氧化能力和生长性能。在妊娠后期和哺乳期饲喂含OEO的饲料，母猪后代的生长性能和健康状况得到明显改善，原因可能与母猪后代的粪便微生物群的变化有关63，表现 为 螺 旋 体 科（Spirochaetaceae）、消 化 链 球 菌 科（Peptostreptococcaceae）、瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）、丹 毒 菌 科（Erysipelotrichacea）和 毛 螺 菌 科（Lachnospiraceae）的丰度显著增加。腰果壳中的强心酚和漆树酸对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均显示出抗菌活性64。腰果壳产品可通过直接杀死细菌或通过调节将进一步与微生物群相互作用的宿主免疫系统调节肠道微生物群。Moita等65研究表明，日粮中添加不同剂量的腰果壳产品（0.50、0.75、1.00、1.50 g/kg）能够降低空肠黏膜螺旋杆菌科的相对丰度，增加北乳杆菌的相对丰度，进而改善保育猪的肠道健康和空肠黏膜相关微生物群的组成。3结论肠道微生物对猪的健康和生长具有重要作用。利用肠道微生物的可塑性对改善肠道菌群平衡、促进肠道健康具有实际价值。在生产中，利用膳食营养素和功能性饲料添加剂调控猪肠道微生物，有助于缓解断奶、环境变化等应激因素对猪生长的不利影响，保障高效生产。功能性饲料添加剂，如植物生物素对肠道微生物群的调节可以通过抗菌活性和特定的微生物群的变化表征。因此，使用饲料添加剂在特定水平上调节微生物群时，应考虑现有微生物群落，保证干预后的微生物群更利于机体健康。参考文献1 Celi P,Cowieson A J,Fru-Nji F,et al.Gastrointestinal functionality in animal nutrition and health:New opportunities for sustainable animal productionJ.Animal Feed Science and Technology,2017,234:88-100.2 Jang K B,Purvis J M,Kim S W.Supplemental effects of dietary lysophospholipids in lactation diets on sow performance,milk composition,gut health,and gut-associated microbiome of offspringJ.Journal of Animal Science,2020,98(8):skaa227.3 Wang X,Tsai T,Deng F,et al.Longitudinal investigation of the swine gut microbiome from birth to market reveals 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