CJ希杰集团： 功能性氨基酸可以提升猪和鸡的肠道健康
前言肠道是摄取、消化和吸收营养物质的主要器官，以支持动物生长发育，同时还会过滤掉毒素、有害微生物和日粮抗营养因子，以保护机体免受有害物的侵害。
猪和鸡的生理结构特殊，容易发生消化不良和消化道疾病，尤其是在消化道发育不成熟的幼年时期。为减弱消化道疾病对猪鸡生长性能的影响，常在猪鸡饲料中添加抗菌药物，以提高动物的消化能力。随着动物耐药性和环境问题的出现，抗生素已不允许添加到动物饲料中，因此需要使用非抗菌药策略来提高动物的肠道健康状态。氨基酸是肠道粘膜细胞的主要能量底物，而肠粘膜限制了肠道屏障蛋白质的组成，所以氨基酸可以调节动物免疫反应和氧化应激。
图1 动物肠道功能
本文主要包括两个方面内容：一是猪和鸡肠道健康的关键组成和相关指标（图1），二是总结功能性氨基酸保护和恢复猪和鸡肠道健康的潜力（图2-3），以改善猪和鸡的肠道健康。
图2鸡肠道健康功能、指标及相关联的氨基酸
图 3 仔猪肠道健康功能、相关指标及相关联氨基酸
1、肠道健康的四大功能及指标
消化粘膜组织被单层上皮细胞覆盖，并随隐窝底部干细胞介导的细胞而不断更新。在沿隐窝-绒毛轴不断前移期间，上皮细胞分化为吸收性（肠细胞）和分泌型（杯状细胞、潘氏细胞和肠内分泌细胞）细胞。肠道的两个主要功能为：营养作用（如分泌消化酶和激素、吸收营养物质）和肠道功能屏障（形成紧密连接蛋白，分泌抗菌肽和粘液）。小肠粘膜的复杂组织与肠腔内的微生物菌群建立共生关系，参与宿主碳水化合物消化、免疫系统调节和对抗病原体过程。
1.1、上皮屏障和消化吸收功能
肠道营养物质的消化吸收功能是通过消化酶和营养物质转运蛋白的协同作用来实现的。这些消化吸收能力与肠道上皮的面积直接相关。而肠道上皮面积是绒毛高度和绒毛高度与隐窝深度之比的函数，所以绒毛高度和隐窝深度是肠道吸收能力的关键指标。疾病和应激引起的微绒毛萎缩，可能会导致绒毛顶端分泌酶的减少，从而导致消化能力降低。
覆盖在单层肠上皮细胞的黏液层是肠道的第一道物理屏障。肠道粘液由杯状细胞分泌的糖蛋白组成，形成类似凝胶状物质，可以阻止毒素或病原体与肠道上皮直接接触。所以杯状细胞数量、黏液层的厚度和编码黏蛋白的基因表达水平是肠道屏障功能的关键指标。
此外，上皮细胞脱落和快速更新（3-5天）是另一种通过限制病原体对上皮细胞粘附的保护机制。而受损肠细胞的更新主要受到高蛋白质周转率和细胞增殖所影响。细胞凋亡指标为caspase-3，低表达量表明肠细胞凋亡减少。细胞增殖指标有增殖细胞核抗原（增强DNA聚合酶活性的蛋白质）、有丝分裂指数（经历有丝分裂的细胞数与细胞总数的比值）和鸟氨酸脱羧酶（参与多胺合成第一步的蛋白质）活性。
肠道屏障功能依赖于上皮细胞顶端的紧密连接组织，而紧密连接组织是由跨膜蛋白组成的多蛋白复合物，如封闭蛋白、claudins（claudin-1、claudin-2和claudin-3）、三纤维素、连接粘附因子（如ZO-1，ZO-2，ZO-3）。这些因子的丰度程度与肠道通透性的降低直接相关，肠道屏障功能的破坏会增加肠道通透性，出现腹泻和肠瘘综合征。
总之，肠道消化和屏障功能的指标有：绒毛高度、紧密连接的基因表达和蛋白质水平、杯状细胞或/和黏蛋白的丰度、消化酶活性、营养转运蛋白、细胞增殖、腹泻发生率、肠道通透性和细胞凋亡。
1.2肠道免疫适应性
肠道物理屏障功能由先天免疫和后天免疫组成，这是机体抵抗病原体入侵的另外两条防线。肠道也是机体重要的免疫器官，主导炎症反应过程。通过增加合成细胞因子、急性期蛋白和免疫细胞增殖所需的能量和营养，炎症激活机体免疫反应，进而对抗病原体入侵或者修复组织损伤。因此，过度的免疫反应是炎症水平与机体病原体之间的不平衡，导致能量和营养的过度和不必要的使用。
在没有应激和高分泌免疫球蛋白的情况下，机体处于合适的免疫水平下，其相关指标是低水平血液促炎细胞因子（TNF-a, IFN-g, IL-1, IL-4, IL-6, IL-8）含量和/或低表达量肠粘膜基因。分泌性IgA是肠道面膜防御的关键成分，是适应性免疫反应的指标。免疫适应性的另外一个关键指标与粘膜中的淋巴细胞增殖及其表型有关。
总之，动物肠道免疫指标有：免疫球蛋白浓度、细胞因子浓度和淋巴细胞增殖。
1.3氧化应激稳态
当抗氧化防御系统不能平衡活性氧的产生时，动物就会发生氧化应激。在这种情况下，活性氧可能导致包括脂质、蛋白质和脱氧核糖核苷酸在内的大分子改变，造成细胞和组织损伤。在有氧代谢过程中细胞线粒体产生活性氧，多由先天免疫的细胞（如粒细胞和巨噬细胞）和上皮细胞合成。在肠道中，活性氧生成酶是分别由上皮细胞和中性粒细胞产生的NOX1和DUOX2。
抗氧化系统依赖于抗氧化分子的作用，包括维生素（如维生素E和维生素C）、氨基酸代谢物（如谷胱甘肽）以及酶，如超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化氢酶 (CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶 (GSH-Px) 等酶的作用和血红素加氧酶 (HO-1)，HO-1的表达受转录因子核因子红细胞2因子2(Nrf2) 的控制。热休克蛋白HSP70参与清除非功能性和潜在有害蛋白，在氧化应激中发挥一定作用。肠道粘膜中抗氧化因子浓度和抗氧化酶活性都可以作为评估蛋白状态的指标。
总之，检测肠道水平氧化应激的指标为：总谷胱甘肽浓度、抗氧化酶活性或表达量、抗氧化能力、丙二醛浓度和氧化型谷胱甘肽浓度。
1.4、微生物平衡
在猪和肉鸡中，健康机体肠道有500多种细菌，还有真菌和原生动物。在盲肠和结肠中，微生物种类基本上属于厚壁菌门（梭菌属、肠球菌属、乳杆菌属和乳球菌属）和拟杆菌属（包括拟杆菌属和普氏菌属）。这些细菌和宿主处于体内平衡，也保护了肠道健康。实际上，共生细菌通过竞争营养物质和粘附位点合成短链脂肪酸或抗菌肽，阻止了致病细菌的过度生长。与微生物失调定义相反，微生物平衡意味着“细菌种群丰富多样，有益菌（乳杆菌、双歧杆菌、产脂肪酸菌）数量增加，致病菌（如产肠毒素的大肠杆菌、弯曲杆菌和肠炎沙门氏菌）繁殖受阻”。
总之，肠道微生物平衡的指标有：微生物群落多样性、有益菌丰度、寄生虫数量和有害菌丰度。
2、氨基酸对猪和鸡肠道健康的影响
2.1、仔猪早期断奶和腹泻
在集约化养猪场中，仔猪通常在2-5周龄断奶，此时仔猪肠道和免疫系统发于还不成熟。早期断奶时，仔猪被迫与母猪分离，并在新环境中与不同仔猪混养。这些环境变化会给仔猪产生不同程度地应激，从而减少水和饲料的摄入，对仔猪肠道健康产生负面影响。据文献报道，仔猪在断奶后，肠道出现绒毛萎缩、隐窝增生和杯状细胞数量减少的症状。断奶仔猪肠道出现跨上皮细胞膜阻力增加、消化酶活性降低、促炎细胞因子上调和营养吸收减少的现象。由于抗氧化酶的活性或基因表达降低，肠道氧化应激指标也有所增加。上述这些变化都会降低宿主消化和吸收营养的能力，最终导致仔猪断奶后腹泻的发生。
此外，断奶后自出肠道的蛋白质含量和蛋白质合成量都增加，这都说明仔猪需要更多营养物质支持这一时期的组织发育。断奶时，氨基酸代谢能力改变，如肠细胞内源精氨酸合成能力减弱，这可能导致精氨酸的缺乏。大肠杆菌的细菌感染是断奶仔猪腹泻的主要致病细菌，这种感染诱导了全身的炎症反应，仔猪进而减少了采食量，调节氨基酸、肠道和机体代谢。有两项报告研究表明，大肠杆菌感染的仔猪对色氨酸的需求量增加。在不良卫生条件下断奶应激会诱发全身炎症反应，影响机体色氨酸代谢。在无抗日粮的仔猪饲养试验也观察到苏氨酸类似的结果。最近一项研究显示，由细胞内毒素诱导的免疫刺激导致了机体谷胱甘肽合成量的增加及含硫氨基酸--半胱氨酸和甲硫氨酸血浆浓度的降低。
上述研究结果表明，断奶应激可能增加仔猪对氨基酸的需求，补充精氨酸、甲硫氨酸、色氨酸和苏氨酸有益于断奶仔猪的生长发育。
2.2氨基酸在肠道稳态中的作用
如上所述，氨基酸在维持仔猪肠道健康具有重要的生理作用，在没有应激的条件下，氨基酸可以增强肠道健康；在有应激的条件下，机体可以快速修改受损的组织。如氨基酸帮助断奶仔猪和球虫病应激的肉鸡恢复肠道功能并回到肠道稳态。我们将氨基酸恢复上述肠道4大功能的文献列于图2和3中。
关于氨基酸对于肠道健康上的研究，仔猪的研究文献多于肉鸡。大多数肉鸡研究集中在精氨酸、谷氨酰胺和苏氨酸上，而仔猪研究则集中在更广泛的氨基酸上。两种物种相同点在于，大多数研究使用了高剂量的氨基酸补充剂（0.5%~1.0%），这导致了氨基酸水平远远高于猪和鸡的生长建议量。
研究显示，对仔猪肠道功能效果显著的是天冬氨酸、精氨酸、半胱氨酸、谷氨酸或谷氨酸钠和谷氨酰胺，对肉鸡有效的是精氨酸、谷氨酰胺、苏氨酸和色氨酸。这些氨基酸参与了猪和鸡肠道健康的功能，其功能包括：氨基酸是功能性物质和蛋白质的能量来源和前体物质；调节基因表达和蛋白质磷酸化；还可以作为微生物组调节剂。
2.3氨基酸是功能性物质和蛋白质的能量来源和前体物质
一些氨基酸可以作为肠道上皮的能量来源，因此被认为是有利于肠道发育和屏障功能。实际上，大部分日粮谷氨酸和谷氨酸盐（>90%）在转化为α-酮戊二酸后，进而三羧酸循环为肠细胞生长提供能量来源。因此，在仔猪饲料中添加天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸-谷氨酰胺和味精的原因，均与肠内细胞能量利用率的增加有关，具体表现为较高的肠内细胞ATP水平、腺苷酸能量电荷和较低的腺苷酸：三磷酸腺苷比例。类似地，鸡肠细胞体外实验证明，谷氨酸和谷氨酰胺作为ATP生产底物的作用，故谷氨酸是最有效的能量来源。
氨基酸对肠道健康的重要性还依赖于蛋白质中特定氨基酸的丰度，如，苏氨酸是黏蛋白中不可或缺的、含量最为丰富的氨基酸，是肠道上皮细胞发挥屏障功能的关键氨基酸。氨基酸是多种功能性分子的前体物质，比如甘氨酸、谷氨酸和半胱氨酸三种氨基酸组成的谷胱甘肽（GSH），可以机体清除氧自由基而提高抗氧化能力。给仔猪饲喂无含硫氨基酸的日粮时，仔猪肠道谷胱甘肽的浓度降低了50%。
2.4氨基酸可以调节基因调节和蛋白质磷酸化
除了能量、功能性物质和蛋白质的前体物之外，氨基酸还是细胞信号分子，细胞中氨基酸浓度可以通过改变基因表达和蛋白质磷酸化直接调节一些代谢途径。给仔猪饲喂补充亮氨酸和谷氨酸盐的饲料，可以增加肠细胞mTOR的磷酸化水平。而mTOR是蛋白质合成的主要调节剂，其下游靶标位于肠道的不同部位。与上述结果相似的是，精氨酸和BCAA增加了轮状病毒感染仔猪空肠段p70S6k的磷酸化水平，而p70S6k也是mTOR的下游靶点。
此外，增加甘氨酸水平可以触发猪肠道IPEC-1细胞的细胞增殖、蛋白质合成、mTOR/4EBP-1/p70S6k的磷酸化水平。额外补充精氨酸可以增加肉鸡空肠酶激活相关的基因（如mTOR和RP6KB1）mRNA表达，以减轻鸡球虫疫苗注射期间肉鸡肠粘膜的损坏。类似地，含硫氨基酸可以控制肝脏中基因Nrf2的表达，Nrf2转录因子可以控制抗氧化还原缓冲酶的表达，以及其他活性氧清除系统（如甲硫氨酸亚砜还原酶）的产生。
2.5氨基酸是微生物菌群的调节剂
仔猪肠道内容物体外培养的单一菌株和混合菌株的研究表明，氨基酸可以影响细菌的新陈代谢和增殖，进而调节肠道微生物菌群的分布，这方面的研究主要集中在色氨酸和精氨酸上。如给断奶仔猪补充0.4%色氨酸，仔猪空肠乳酸杆菌和XI梭菌数量增加。同样地，精氨酸和亮氨酸增加了育肥猪结肠细菌素数量，减少了芽孢杆菌和埃希式杆菌的数量。而精氨酸还能增加母猪粪便中拟杆菌科和拟杆菌属的数量。
给产气荚膜梭菌攻毒的肉鸡补充精氨酸，肉鸡肠道损伤减弱，回肠微生物群区域正常化分布。此外，在面临2小时运输压力的肉鸡中，增加色氨酸可以增加有益菌（肠球菌、双歧杆菌和乳杆菌）的数量，并减少了盲肠微生物致病菌（梭菌、肠杆菌）的数量，表明说明色氨酸对肠道微生物平衡有积极作用。
肠道微生物将氨基酸代谢后释放出大量代谢物，这些生物活化物是微生物群与宿主之间的关键中间体。与碳水化合物类似，氨基酸可以作为主要SCFA的前体物，如肠道健康调节剂乙酸盐和丁酸盐。肠道微生物对氨基酸的分解代谢也产生胺和多胺，如腐胺、多胺和5-氨基戊酸酯。各个氨基酸的代谢物及对肠道的作用如图4所示。
图4 氨基酸代谢物对肠道功能作用
基于众多文献研究，氨基酸是能量和功能性物质的前体、信号分子和微生物菌群的调节剂。因此，补充晶体氨基酸是一项有效促进猪和鸡肠道健康的策略。
参考文献：Chalvon-Demersay, Tristan, et al. "Functional Amino Acids in Pigs and Chickens: Implication for Gut Health." Frontiers in Veterinary Science 8 (2021): 496.
来源：CJ希杰BestAmino，作者：Tristan C.D.等
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