《The Journal of Nutrition》：Short-Chain Fatty Acids in Livestock and Aquatic Animals: Metabolic Divergence, Physiological Functions, and Product Development
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肠道微生物群在家畜、家禽及水生动物的消化道中定殖，形成庞大而复杂的微生物群落，并与宿主维持着 intricate（精密的）且相互依存的互作关系。短链脂肪酸（SCFAs）作为肠道微生物群产生的一类主要代谢产物，在这些动物的肠道健康、免疫调节和能量代谢中发挥关键作
肠道微生物群在家畜、家禽及水生动物的消化道中定殖，形成庞大而复杂的微生物群落，并与宿主维持着 intricate（精密的）且相互依存的互作关系。短链脂肪酸（SCFAs）作为肠道微生物群产生的一类主要代谢产物，在这些动物的肠道健康、免疫调节和能量代谢中发挥关键作用。近年来，随着对肠道微生物群及其代谢产物在动物健康中重要性的认识不断深入，SCFAs 的多样化生理功能逐渐被揭示。本综述总结了 SCFAs 的主要类型及其产生、吸收、代谢命运、生理功能和潜在机制，重点阐述了不同物种间的代谢差异。此外，综述还强调了游离 SCFAs 在实际应用中的局限性，包括挥发性、不稳定性及快速吸收等问题，尤其在水产养殖系统中更为突出。同时，综述也总结了 SCFAs 产品开发的最新进展，包括物理、化学及物理-化学联合改性策略，以阐明提高其稳定性、肠道靶向递送及生物效能的方法。总体而言，本综述为 SCFAs 的生理功能与技术发展提供了整合视角，并突出了其在动物生产系统中可持续应用的潜力。
2. SCFAs的生物合成与分类
微生物源性的SCFAs（主要包括乙酸、丙酸和丁酸）主要通过两种途径生成：一是膳食中SCFAs前体物质的摄入，包括可溶性膳食纤维（如寡糖、果胶和β-葡聚糖）、特定食物（如芸豆、燕麦麸和发酵乳制品）以及外源添加剂（特别是菊粉等益生元物质）；二是肠道微生物群对未消化碳水化合物的发酵，包括抗性淀粉（存在于豆类和冷却土豆中）、非淀粉多糖（如纤维素和半纤维素）以及其他难消化成分（如菊粉型果聚糖和阿拉伯木聚糖）。在家畜、家禽和水生动物中，SCFAs同样通过消化道中膳食纤维的厌氧微生物发酵产生，如单胃动物后肠或反刍动物瘤胃中的植物多糖，以及水生动物肠道中的非淀粉多糖。
由于进化背景、采食习性、生存环境以及由此产生的胃肠道形态和微生物群落组成存在显著差异，SCFAs的类型、比例、空间分布和代谢途径表现出明显的物种特异性特征。陆生家畜和家禽通常具有分隔化和专门化的消化系统，而水生动物的胃肠道相对较短且结构简单。相应地，陆生家畜与水生动物之间的肠道微生物群组成和功能组织也存在显著差异。陆生家畜（尤其是反刍动物）依赖专门的发酵室和高效的纤维降解微生物群产生高浓度的SCFAs作为主要能量来源；而水生动物产生的SCFAs总量较低（10-40 mmol/kg），以乙酸丰富、丁酸贫乏为特征，尽管其在能量代谢中的作用有限，但这些SCFAs（特别是丁酸）对于维持肠道免疫稳态和上皮屏障功能仍至关重要。
3. SCFAs的吸收与代谢处置
3.1 SCFAs的吸收
在家畜和家禽中，SCFAs的吸收主要依赖于肠上皮细胞膜上的单羧酸转运系统，其中单羧酸转运蛋白1（MCT1/SLC16A1）和钠偶联单羧酸转运蛋白（SMCT1/SLC5A8）最为重要。在瘤胃或单自己的生活和家禽盲肠、结肠等发酵活跃区域，相对较低的肠腔pH条件下，非解离型（HSCFA）可通过被动扩散进入上皮细胞，而解离型（SCFA?）则主要通过MCT1介导的质子偶联共转运或SMCT1介导的钠偶联共转运进入细胞。由于丁酸具有更高的脂溶性和对MCT1的强亲和力，其被优先摄取并通过线粒体β-氧化快速用于能量产生。
在水生动物中，由于其肠道结构相对简单，微生物发酵主要在后肠进行，SCFAs的产量和多样性通常低于反刍动物，其吸收机制也表现出不同特点。鱼后肠中非解离型HSCFAs仍可通过被动扩散进入上皮细胞，但由于肠道微生物组成差异、发酵强度较弱以及肠道转运时间较短，载体介导的主动或易化转运（如MCT1和SMCTs）对整体SCFAs吸收的贡献可能相对有限，导致SCFAs的局部利用效率低于家畜和家禽。
3.2 SCFAs的代谢处置
3.2.1 宿主利用与宿主-微生物群互作
SCFAs作为连接膳食营养、肠道微生物群与宿主代谢的关键代谢界面，其生理浓度通过双向的宿主-微生物互作动态维持。宿主对SCFAs的利用主要发生在三个相互关联的层面：能量供应、代谢调控和信号转导。
在SCFAs中，丁酸作为肠道上皮细胞的主要能量来源，为哺乳动物结肠提供约60%-70%的能量需求。上皮细胞对丁酸的高效利用建立了维持肠道屏障完整性所需的能量基础。相比之下，乙酸和丙酸较少在肠道上皮代谢，而是进入全身循环，主要支持肝脏和骨骼肌等外周组织的氧化代谢。丙酸通常被认为是肝脏中重要的糖异生底物，尤其在反刍动物中对葡萄糖稳态具有重要贡献。乙酸主要参与胆固醇和长链脂肪酸的合成，从而调控宿主脂质代谢。丁酸可进一步在肝脏中代谢为β-羟基丁酸，作为脑和心脏等肝外组织的替代能源。
除了代谢功能外，SCFAs还作为信号分子激活G蛋白偶联受体（如FFAR2/3和GPR109A），刺激胰高血糖素样肽-1（GLP-1）和肽YY（PYY）等肠道激素的释放，这些激素是调控食欲、胰岛素敏感性和能量稳态的关键调节因子。丁酸进一步作为组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂，上调肿瘤抑制基因、强化上皮屏障完整性并抑制炎症反应。SCFAs（特别是丁酸）促进调节性T细胞（Treg）分化并抑制NF-κB介导的促炎信号通路，从而减轻局部和全身炎症。
物种间SCFAs利用存在显著差异。在哺乳动物中，肠道上皮细胞广泛氧化丁酸作为主要局部能量来源；而鱼类表现出显著较低的肠道SCFAs利用率，丁酸利用率仅为20%-40%。在水生物种中，相当部分的SCFAs经门静脉转运至肝脏，参与脂质和糖原合成，或被导向骨骼肌进行氧化。
3.2.1.1 能量供应与糖脂稳态维持
SCFAs通过多种信号通路调控骨骼肌能量代谢。具体而言，SCFAs可提高细胞内AMP水平并升高骨骼肌中的AMP/ATP比值，通过结合GPR41或GPR43或激活过氧化物酶体增殖物激活受体δ（PPAR-δ）激活AMP活化蛋白激酶（AMPK）通路，进而促进PGC-1α
1的磷酸化和激活，增强脂肪酸摄取与氧化以及葡萄糖摄取与糖异生，同时抑制脂肪生成和糖酵解。
3.2.1.2 免疫调节与肠道健康维护
微生物衍生的SCFAs在结肠 readily 被吸收，参与修复受损的肠道上皮。具体而言，乙酸和丙酸通过激活上皮细胞的G蛋白偶联受体GPR43增强肠道屏障功能，上调紧密连接蛋白并增强细胞间黏附，从而降低肠道通透性，防止病原体和毒素的易位。在免疫调节中，乙酸通过激活巨噬细胞和中性粒细胞上的GPR43，促进抗炎巨噬细胞表型，减少促炎细胞因子释放，并限制过度的中性粒细胞募集。丙酸通过上皮细胞的GPR43增强肠道上皮完整性，促进Treg分化以抑制过度免疫激活。丁酸除作为结肠细胞的主要能量来源外，还通过上调紧密连接蛋白增强上皮屏障，激活G蛋白偶联受体并抑制HDAC，促进T细胞非依赖性的免疫球蛋白A（IgA）分泌。
3.2.1.3 神经调节与神经系统功能优化
肠道与大脑通过肠-脑轴进行双向通讯。SCFAs可通过两种主要途径影响中枢神经系统：一方面通过体液途径进入全身循环并部分穿越血-脑屏障；另一方面通过调节从肠道到大脑的迷走神经信号发挥作用。丁酸尤其显示出神经系统抗炎特性，通过降低促炎细胞因子水平减轻神经炎症。GPR41作为主要SCFA受体，在肠神经系统中高表达，其激活调节神经免疫反应和神经信号转导。
3.2.2 肠道微生物利用与互作
肠道微生物群在厌氧发酵膳食底物产生SCFAs方面发挥核心作用。肠道生态系统内的微生物互作，特别是交叉喂养机制，对高效SCFAs产生至关重要。SCFAs产生降低肠腔pH，抑制病原菌生长并促进有益厌氧微生物。氢消耗微生物帮助维持支持持续微生物发酵的厌氧肠道条件。
4. SCFAs在畜禽及水生动物中的生理作用及其机制
4.1 生长性能的提升
研究表明，SCFAs能显著提高家畜、家禽和水生动物的生产性能。在家畜中，直接饲粮添加丁酸钠、乙酸钠和丙酸钠等可改善生长性能、饲料转化效率和抗氧化能力。在家禽中，SCFAs（特别是丁酸钠、乙酸钠、丙酸钠和甲酸钠）的补充可增强肉鸡和鹌鹑的生长性能、肠道屏障功能和产蛋性能。在水生动物中，饲粮添加乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠也显著促进生长性能、改善肠道健康和调节肝脏代谢状态。
SCFAs增强动物生产性能的机制包括四个方面：消化环境调控方面，SCFAs降低胃肠道pH，促进胃蛋白酶原激活并刺激胰蛋白酶分泌，从而改善蛋白质消化率；肠道形态优化方面，丁酸刺激肠道上皮细胞增殖，增加绒毛高度并上调紧密连接蛋白，降低肠道通透性；能量代谢调控方面，丙酸作为糖异生前体提高肝脏葡萄糖输出，乙酸通过乙酰辅酶A合成酶促进脂质沉积；通过微生物群-肠-脑轴，SCFAs激活GPR41/43受体，刺激GLP-1和PYY分泌，并抑制HDAC活性，最终调控瘦素敏感性。SCFAs的作用具有剂量依赖性，丁酸在0.5-1.0 g/kg添加量时表现出最佳促生长效果，而更高剂量（>2.0 g/kg）可能降低采食量。
4.2 肠道健康的增强
SCFAs作为肠道微生物群的关键代谢产物，通过多种途径调控屏障功能，在维持肠道稳态中发挥重要作用。丁酸作为肠道上皮细胞的主要能量来源，支持细胞增殖和修复，其关键机制是抑制HDACs，增加组蛋白乙酰化，增强编码紧密连接蛋白基因（如occludin、ZO-1、claudins）的转录。SCFAs还刺激杯状细胞分泌黏液，形成抵御病原体的保护屏障，特别是丁酸激活GPR43等上皮受体并转录上调黏蛋白基因（如MUC1、MUC2）。此外，SCFAs通过释放H?降低肠道pH，抑制病原菌生长并刺激胰酶分泌，创造酸性环境抑制病原菌同时促进有益微生物，维持菌群平衡。作为强效免疫调节剂，SCFAs直接调控免疫细胞的分化、募集和激活，丁酸通过G蛋白介导的信号增强先天肠道免疫，通过HDAC抑制减轻过度炎症反应，促进调节性T细胞（Treg）分化，分泌IL-10等抗炎细胞因子。
4.3 抗氧化作用
SCFAs在家畜和水生动物中发挥显著抗氧化作用，主要通过激活内源性抗氧化酶系统、抑制脂质过氧化、调控Keap1-Nrf2信号通路、促进线粒体生物发生和功能以及抑制促炎信号通路实现。SCFAs显著提高超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）等关键抗氧化酶活性，有效清除过量活性氧（ROS）。其核心机制在于激活Keap1-Nrf2信号通路，促进Nrf2核积累，增强组蛋白H3K9乙酰化，推动Nrf2与抗氧化反应元件（AREs）结合，进而驱动下游抗氧化和II相解毒酶的转录。同时，SCFAs通过AMPK增强线粒体生物发生和改善代谢效率，从源头减少ROS产生，并间接通过抑制NF-κB等促炎通路发挥抗氧化作用。
4.4 骨骼健康的改善
SCFAs对骨骼健康的影响主要涉及三个互补机制：增强矿物质吸收、双向调控骨代谢以及预防炎症引起的骨丢失。SCFAs（特别是丁酸）降低肠道pH，显著提高钙和磷等矿物质的溶解度和吸收效率——在pH 5.5-6.0范围内，钙溶解度可比中性条件提高3-5倍。SCFAs还通过激活G蛋白偶联受体（如GPR43）和抑制HDACs调控骨代谢，刺激成骨细胞分化和骨基质合成，同时抑制NF-κB信号，减少TNF-α、IL-6等促炎细胞因子释放，降低破骨细胞分化和骨吸收活性。在水生动物中，pH降低对外骨骼矿化尤为有益，甲酸盐和乙酸盐还有助于调节血液和血淋巴pH，促进钙在表皮沉积并加速新壳形成。
5. SCFAs产品开发进展
5.1 物理改性
物理方法的核心原理是在SCFAs周围构建物理屏障，使其与外部环境隔离，直至到达目标消化部位。主要包括包被技术和吸附载体技术的优化。
脂质包被技术以"固体微粒封装"为原理，使用高熔点脂肪、氢化植物油或天然蜡作为包被基质，通过喷雾冷却或流化床包被等工艺将液态SCFAs均匀封装形成核壳结构固体微粒。技术进展包括包被材料多元化（从单一氢化植物油发展为棕榈硬脂、食品级蜂蜡和单双甘油脂肪酸酯的复合脂质体系）、工艺参数精准控制（入口温度精确维持在包材熔点+5-10°C，雾化压力0.3-0.5 MPa动态调节，冷却风速2-3 m/s，实现微粒粒度分布变异系数≤8%、膜厚偏差±0.5 μm以内），以及靶向释放设计（使用50-60°C熔点的脂质材料，实现"前消化道保护、后消化道释放"）。吸附载体技术利用硅胶、天然沸石粉、蒙脱石和坡缕石等惰性多孔载体材料，通过范德华力和毛细作用等物理吸附机制固定SCFAs。工艺突破包括真空吸附或高压浸渍（0.8-1.2 MPa）将吸附率提升至80%以上，载体相对负载量达50-60%。
5.2 化学改性
5.2.1 成盐技术
成盐技术通过SCFAs（甲酸、丙酸、丁酸等）与金属离子（Na?、K?、Ca2?）或铵离子的化学反应转化为相应盐形式（甲酸钠、丙酸钙、丁酸钠等）。SCFA盐显著降低固有气味和刺激性，挥发性极低且流动性良好，在高温高压的制粒和挤压加工条件下保持稳定。其效果取决于在动物消化道内的解离能力，需要酸性条件释放游离酸以发挥抗菌和菌群调节功能，因此在不同动物中的应用效果存在差异：反刍动物和猪等胃酸充足的物种效果较好，而鸡等消化道较短、胃酸相对较低的物种需要调整用量或配合使用。
5.2.2 酯化技术
酯化技术通过将SCFAs与甘油或其他醇类共价连接形成SCFA酯（如丁酸甘油酯、丙酸甘油酯），实现更精确的分子修饰。这些酯化化合物作为前药，共享膳食脂肪的消化吸收途径，在胃中抵抗过早降解，到达肠道后被特定肠脂酶逐步水解释放SCFAs和甘油，实现靶向、定位释放。该技术在精准度和生物利用度方面优于成盐产品，但复杂的合成工艺和高生产成本限制了其大规模应用，目前主要用于高价值水产动物和优质畜禽品种的养殖。
5.3 物理-化学联合策略
5.3.1 盐基包被技术
盐基包被技术通过对SCFA盐进行二次包被（使用脂质或肠溶聚合物材料），构建双层"核-壳"保护结构。该技术有效解决了常规盐基产品在动物胃中过早解离的问题，确保活性化合物在远端肠道的有效浓度。在家畜生产中，包被丁酸钠防止活性化合物在嗉囊和前胃过早释放；在水产养殖中，适应不同水产动物多样化的消化环境，实现精准肠道释放，提高肠道绒毛结构和饲料转化效率。
5.3.2 协同复合酸化剂技术
协同复合酸化剂技术通过科学组合不同pKa值的SCFAs（甲酸、丙酸、丁酸等）与其他有机酸（富马酸、柠檬酸、乳酸）或植物精油（芹菜素、百里香酚、肉桂醛），结合统一包被工艺，实现"酸化+抗菌+抗氧化"的多功能定位。该技术根据畜禽和水产动物的消化生理特点进行定制化设计：猪用复合酸化剂以低pKa SCFAs（甲酸、丙酸）为主，配合柠檬酸和芹菜素；禽用产品富集丁酸并与百里香酚等精油结合；反刍动物产品考虑瘤胃发酵动态，添加丙酸钙调节丙酸/乙酸比例；水产产品则根据草食 adaptation 的碱性肠道或肉食鱼类的酸性肠道进行差异化配方。
5.3.3 pH敏感聚合物包被技术
pH敏感聚合物包被技术采用在低pH条件下不溶、在高pH环境（中、下肠道）中溶解的聚合物（如丙烯酸树脂、羟丙甲纤维素酞酸酯、醋酸纤维素酞酸酯），实现pH触发释放。该技术在畜禽高端领域（种猪、种禽、有机畜禽）应用相对成熟，确保SCFAs绕过胃部在中、下肠道精准释放。在水产养殖中仍处于早期阶段，需根据淡水鱼、海水鱼、甲壳类等复杂多样的胃肠pH环境精确选择聚合物材料和包被厚度，预计5-10年内有望成为高端SCFAs水产产品的主流技术。
