丁酸是由碳水化合物在结肠或瘤胃中被微生物发酵后产生的一种短链脂肪酸。乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸，在维持并改善胃肠道的形态和菌群平衡等方面发挥重要的作用。关于丁酸的研究主要集中在分子、细胞以及组织水平的作用效果。丁酸通过激活信号通路、调节相关基因的表达，从而促进上皮细胞增殖分化、免疫细胞活化、免疫因子分泌，最终对肠道屏障、免疫功能及菌群平衡产生重要影响。文章综述丁酸在肠道发育、肠道屏障、抗氧化、免疫功能以及肠道菌群等方面的作用机理和使用效果，探讨丁酸对脂肪沉积和乳脂合成的作用，以期为深入研究丁酸在动物养殖中的应用提供参考。1丁酸在动物体内的代谢1.1丁酸的产生胃肠道中产生的短链脂肪酸的浓度和种类受微生物组成、底物类型的影响。瘤胃、盲肠、结肠由于存在大量细菌等微生物，是动物体内发酵产生丁酸的主要位点。低聚糖、抗性淀粉、非淀粉多糖等是能够被微生物利用产生短链脂肪酸的碳水化合物。丁酸主要由厚壁菌门的细菌代谢抗性淀粉产生，生成路径有3种[1]：第一条路径是通过两个乙酰辅酶A合成丁酰辅酶A，转化为丁酸。第二条路径是某些肠道微生物可以利用乳酸盐、乙酸盐为底物合成丁酸。第三条路径是微生物通过赖氨酸途径转化为氨基酸，合成丁酸。丁酸等短链脂肪酸主要在单胃动物大肠中产生，但因反刍动物瘤胃中含有微生物，大量短链脂肪酸在瘤胃中生成、吸收并被利用。1.2丁酸的吸收丁酸的吸收受pH值以及在此pH值环境中存在形式的影响。丁酸是弱酸，pKa值为4.82。饲粮中添加的丁酸盐产品，在单胃动物胃pH值为2~4情况下，大部分以丁酸分子形式存在；在反刍动物瘤胃中或进入肠道后，食糜pH值逐渐升高至7左右，大部分的丁酸以丁酸根离子的形式存在。丁酸的吸收机理为：脂溶性被动吸收，丁酸以完整分子形式经细胞膜直接吸收；可以在近肠端与Na+-H+交换耦联，在远端结肠与K+-H+交换耦联；丁酸还可以通过细胞间隙直接扩散[2]。丁酸及丁酸盐在胃中偏酸的环境下，大部分处于未解离的形式，在胃部或小肠上端被迅速吸收，极少进入后肠[3]。1.3丁酸的代谢丁酸被吸收进入瘤胃、肠道上皮细胞后，其大部分在上皮细胞内就被代谢，部分通过血液到达肝脏后被利用[4]。丁酸是结肠上皮细胞、瘤胃上皮细胞[5]的主要能量来源。体外培养结肠上皮细胞的试验表明，丁酸的氧化占75%的氧气消耗[3]。丁酸的氧化代谢非常快，可以快速供能给上皮细胞。Hoverstad等[6]使用同位素标记发现，可以在24 h内从人呼出的二氧化碳中回收50%~80%短链脂肪酸中的碳同位素。瘤胃中短链脂肪酸的代谢情况也基本相同。Sehested等[7]发现，瘤胃上皮细胞对丙酸和丁酸的代谢率高达78%、95%。Kristensen等[8]也说明丁酸在瘤胃上皮细胞中大部分会被代谢。表明丁酸是后肠道和瘤胃上皮细胞最重要的能量来源之一[9]。一头60 kg的猪吸收的挥发性脂肪酸可以满足其维持能量需要的30%[10]。丁酸在上皮细胞中被酰基辅酶A作用生成乙酰辅酶A，一部分直接进入三羧酸循环，氧化供能；另一部分在上皮细胞中转化为β-羟基丁酸，再被转运进入血液[11]。进入门静脉血中丁酸碳的85%~90%以β-羟丁酸和乙酰乙酸形式存在[12]。2丁酸的生理作用丁酸的作用效果除代谢后产生能量外，更重要的是作为信号分子调节动物机体的各种功能。丁酸作为信号分子产生作用的途径有两条：一是通过激活细胞膜表面的游离脂肪酸特异性受体，也就是G蛋白耦联受体（GPR），主要是GPR41、GPR43、GPR109A，这三种受体主要在肠上皮细胞、肠内分泌细胞、脂肪细胞、免疫细胞中表达，主要作用在调节肠道分泌、脂质代谢和免疫反应；另一条途径是进入细胞内可以抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）活性[13]，从而对肠道免疫系统和肠道炎症等发挥调节作用[14-15]。组蛋白去乙酰化酶是一类对染色体结构修饰、基因表达调控发挥重要的蛋白酶。丁酸通过抑制组蛋白去乙酰化酶活性，增加细胞内组蛋白的乙酰化程度，修饰相关基因表达，抑制肿瘤细胞增殖，诱导细胞分化和（或）凋亡。丁酸在细胞内还可以通过激活AMPK、NF-κB等路径产生作用[16]，最终表现在肠上皮组织[1]、脂肪代谢[17]、肠内分泌[18]、免疫功能[19]等方面。2.1丁酸对动物胃肠道形态以及肠道屏障的影响肠道形态结构是动物消化吸收的结构基础。肠道绒毛高度的提高表明肠道上皮细胞增殖分化速度加快，从而提高机体对营养物质的消化吸收能力。丁酸被吸收进入肠上皮细胞，通过一系列生化反应，如组蛋白乙酰化、细胞增殖相关基因上调等，从而促进上皮细胞的分化增殖[20]。Park等[21]研究发现，丁酸显著提高肠道上皮细胞周转率。彭志鹏等[22]、张雅丽等[23]研究发现，丁酸能够显著促进瘤胃上皮细胞的生长，且主要通过胰岛素样生长因子-Ⅰ通路发挥作用。日粮中添加丁酸可以显著增加瘤胃上皮细胞的有丝分裂指数、促进生长激素受体和短链脂肪酸转运蛋白的mRNA表达。研究发现，丁酸钠能够显著提高断奶仔猪[24]、肉鸡[25]、断奶羔羊[26-27]、断奶犊牛[28]、黄鳝[29]、肉兔[30]、鱼类[31]小肠各段绒毛高度、绒毛高度/隐窝深度，小肠黏膜结构更完整，排列更整齐，微绒毛结构更清晰。丁酸钠能够显著改善在脂多糖攻毒下断奶羔羊绒毛排列紊乱、脱落和水肿的现象[26]。肠道屏障是动物体重要的免疫屏障，肠道上皮细胞屏障的完整性是动物健康的重要保障。黏蛋白、水、电解质等组成的黏液屏障是肠道机械屏障的重要组分，可以将细菌与肠道黏膜分开，阻止病原微生物的黏附和侵入。丁酸可以提高黏蛋白相关基因和紧密连接蛋白的表达，是维护肠道屏障的重要因素。研究发现，丁酸能够显著提高肠道中黏蛋白MUC2[32]、MUC3、MUC5[33]mRNA的表达。丁酸还可以显著提高小肠杯状细胞的数量[24]，小肠杯状细胞是分泌黏蛋白的主要细胞。紧密连接是肠道上皮细胞之间的主要连接方式，其功能是能够防止胃肠腔中的毒素、抗原、病毒、细菌等通过细胞与细胞之间的间隙进入体内，从而维持肠道屏障的完整性。紧密连接蛋白包括咬合蛋白（Occludin）、Claudins、ZO蛋白[34]。研究发现，小鼠回肠在丁酸钠作用下肠黏膜组织紧密连接蛋白ZO-1蛋白和封闭蛋白的表达显著提高，说明肠黏膜屏障功能得到明显改善[35]。彭宇等[32]在肉鸡中的研究发现，包被丁酸钠和三丁酸甘油酯均能够显著提高空肠、盲肠中连接黏附分子2（JAM2）、闭合小环蛋白-1（ZO-1）、黏蛋白2（MUC2）的mRNA相对表达量。冯文倩等[36]发现，丁酸钠可以通过激活GPR109A受体和Akt信号通路显著提高回肠上皮细胞IPI-2I中Claudin-3蛋白的表达。上皮细胞通透性是评价肠道屏障完好的重要标准。丁酸钠能够降低脂多糖攻毒下断奶羔羊血清中D-乳酸含量和二胺氧化酶活性，说明丁酸钠能够降低肠道通透性[26]。在断奶仔猪上D-乳酸水平和二胺氧化酶活性的降低也证明了这一点[37-40]。跨上皮电阻（TER）值也是反映上皮细胞通透性的指标。岳雷等[35]研究发现，丁酸钠灌注可以显著提高新生小鼠回肠组织跨上皮电阻值，表明丁酸钠能够提高肠道上皮的完整性。2.2丁酸对动物抗氧化能力、免疫功能的影响抗氧化能力是机体应对应激的一种主要方法，目的是清除氧自由基对于机体正常生理反应的影响。肉鸡日粮中添加丁酸可以显著提高血清中超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、过氧化氢酶（CAT）活性，降低丙二醛（MDA）含量[41]。在大菱鲆幼鱼[42]、犊牛[43]、高产奶牛[44]、黄颡鱼[45]、乳鸽[46]、断奶仔猪[47]、断奶羔羊[48]中也发现同样的作用效果，抗氧化能力的提高，丙二醛（抗氧化终产物）水平的降低表明动物能够更好地清除氧自由基，应对各种应激。丁酸可以显著之前小肠黏膜的免疫功能，如免疫细胞的数量增多、免疫球蛋白的分泌。王继凤[24]研究发现，丁酸钠可以显著提高小肠黏膜杯状细胞、小肠上皮内淋巴细胞和肥大细胞数量，且断奶仔猪肠道黏膜免疫球蛋白A阳性细胞含量显著提高[38]。肠黏膜表面的免疫主要有潘氏细胞分泌的抗菌肽和由浆细胞分泌的分泌型IgA（sIgA）。潘氏细胞分泌的抗菌肽，如α-防御素、β-防御素等，是宿主防御肽的一种，是先天性免疫系统的重要组成成分，具有广谱的抗菌、抗病毒作用。陈想等[48]研究表明，羔羊日粮中添加包被丁酸钠除能够降低白细胞介素-6和肿瘤坏死因子含量，显著提高十二指肠、空肠、回肠中β-防御素基因的表达。孙健等[49]在猪小肠上皮细胞的研究也得到同样的结果。研究发现，丁酸可以显著提高禽[50]、猪[51]宿主防御肽基因以及牛乳腺上皮细胞内源性抗菌肽基因[52]的表达。丁酸还可以促进结肠黏膜B细胞分泌型IgA的表达[53]。三丁酸甘油酯可以显著提高哺乳仔猪回肠黏膜中分泌型IgA和IgG水平[54]。细胞因子是由多种组织细胞（主要为免疫细胞）分泌的具有调节免疫细胞、参与炎症反应等功能的一类糖蛋白或者多肽物质，包括干扰素（IFN）、肿瘤坏死因子（TNF）、白细胞介素（IL）等。研究发现，丁酸钠能够显著降低内毒素攻毒小鼠促炎因子INF-α、IFN-γ mRNA的表达，提高抗炎因子IL-4和IL-10 mRNA的表达[55]。包膜丁酸钠可以显著降低断奶羔羊血清、肝脏中肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-2、白细胞介素-6的含量[48]，甚至降低在脂多糖攻毒下断奶羔羊的促炎因子的水平[26]。丁酸钠显著降低断奶犊牛血清中白细胞介素-6和TNF-β水平[28]。铜蓝蛋白是急性感染的特征指标，在受创伤、产生炎症时增高。鞠婷婷等[41]发现，肉鸡日粮中添加丁酸钠可以显著降低LPS攻毒后血浆中铜蓝蛋白和白细胞介素-6的水平。免疫球蛋白能够与抗原特异性结合，是机体特异性免疫系统的重要组成成分。丁酸通过抑制组蛋白去乙酰化酶的活性，诱导B细胞的活化，进而促进免疫球蛋白的合成[56]。孙寒雪等[46]发现，乳鸽日粮中添加包被丁酸钠可以显著提高血清中IgA、IgG、IgM的水平。三丁酸甘油酯可以显著提高黄羽肉鸡血清中IgG含量[57]。丁酸钠、包被丁酸钠可以显著提高蛋鸭血清IgG、IgA、IgM水平[58]。丁酸（丁酸钠、三丁酸甘油酯）能够显著提高断奶仔猪血清IgA、IgG、IgM含量[38,40]。丁酸能够显著提高肉鸡中新城疫的抗体滴度[58-59]，说明丁酸提高动物机体应对抗原时的免疫能力。2.3丁酸对动物肠道菌群的影响菌群平衡是肠道中多种微生物之间会保持在一定比例范围。正常菌群在肠道上皮细胞定植，会形成物理屏障，还通过竞争性占位、养分竞争、分泌代谢物等作用协助机体抵御病原微生物的侵袭。在多样性高的、复杂的菌群中，细菌之间的相互作用更强，菌群具有更强的自生稳定性，能够更好地抵抗肠道环境的变化[60]。在一些特殊时期（断奶、病原菌感染、应激等），动物体内原有的肠道菌群平衡受到日粮、环境等多重因素的影响，双歧杆菌等有益菌的生存受到威胁，而大肠杆菌等条件性致病菌容易大量增殖，最终导致腹泻率显著提高。肠道中存在的共生菌主要包括拟杆菌、梭菌、双歧杆菌、乳杆菌等，条件性致病菌主要包括大肠杆菌、肠球菌，外来致病菌主要包括沙门氏菌、致病大肠杆菌等。断奶仔猪日粮中添加包膜丁酸钠可以显著降低回肠中大肠杆菌的数量，并且盲肠和结肠中乳杆菌和双歧杆菌的数量显著增加[61]。肉鸡日粮中添加三丁酸甘油酯可以显著降低盲肠中大肠杆菌数量，增加盲肠乳酸菌数量[62]。周腊枚等[47]研究发现，丁酸钠可以显著提高乳杆菌属丰度，粪便中大肠杆菌数显著降低，乳酸杆菌和双歧杆菌数显著提高[63]。丁酸钠可以显著提高蛋雏鸡盲肠中拟杆菌属、梭菌的数量，盲肠Shannon指数也显著提高[64]。研究发现，丁酸甘油酯可以显著提高盲肠中厚壁菌门、拟杆菌、梭菌和乳杆菌的数量[32]。Shannon指数是一种反映肠道菌群多样性的指数，数值越大，菌群越多样。丁酸还可以显著提高断奶仔猪、生长育肥猪肠道微生物群落的丰度[65-67]。可能的机理是未解离形式的丁酸可以穿透细菌的细胞膜，分解为丁酸根离子和氢离子，随着胞内氢离子浓度的提升，抑制有害菌增殖，而耐酸性较好的乳酸菌等有益菌得以存活。因此，丁酸能通过选择性抑制有害菌，改善肠道菌群平衡进而减少断奶腹泻。2.4丁酸的其他生理作用丁酸还能够促进肠道电解质平衡[68]，减少脂肪沉积[17]，促进乳脂合成[69]。丁酸通过上调脂肪酸合成相关酶（乙酰辅酶A羧化酶、脂肪酸合成酶）基因的表达以及乳脂合成相关转录调控因子基因的表达，从而促进乳脂合成。王二红等[70]研究发现，丁酸可以提高哺乳母猪乳汁中乳脂和乳蛋白的含量。Chang等[71]研究发现，丁酸钠通过降低哺乳山羊乳腺细胞的凋亡，提高乳产量以及乳中脂肪、粗蛋白、乳糖的含量。成基[72]研究发现，丁酸钠通过激活GPR41以及其下游信号通路促进奶牛乳腺上皮细胞合成乳脂。β-羟丁酸（丁酸的代谢产物）可以上调奶牛乳腺上皮细胞内乳蛋白合成相关基因的表达量[73]，促进奶牛乳汁中乳脂肪的含量[74]。3结论丁酸作为短链脂肪酸可以被上皮细胞分解产生能量，作为底物被乳腺组织利用从头合成脂肪酸，还可以作为信号分子调节机体营养物质代谢和生理功能。国内外关于丁酸在分子机理、细胞水平、组织水平上均有深入的研究，且其在消化系统、免疫系统和肿瘤防治中产生的效果被广泛认可，在实际生产中的应用也逐渐从猪、禽推广至反刍、水产、其他经济动物中。丁酸在猪、禽、牛、羊等动物的饲料中添加均可以促进肠道发育，调节机体免疫功能，表明丁酸的作用机理在不同畜种中可能几乎相同，可以推测丁酸在猫、狗、驴、貂、其他水生动物中也具有一定的使用效果。丁酸对脂肪代谢和乳脂合成的作用还需要进一步深入研究，指导丁酸在畜牧生产中的实践应用，如提高畜产哺乳期生产力、生产低脂健康畜产品等。