综述：从能量底物到守护者：短链脂肪酸在动物肠道健康中的双重作用

《Animal Nutrition》：From energy substrate to guardian: the dual roles of short-chain fatty acids in gut health of animals

　　

短链脂肪酸（SCFA），主要为乙酸、丙酸和丁酸，由动物肠道内不可消化膳食成分经厌氧微生物发酵产生。这些代谢产物是重要的能量底物，但其影响远不止于能量供应，还延伸至肠道和全身稳态。本综述总结了SCFA在胃肠道健康中的产生、转运及生理作用。短链脂肪酸由厌氧微生物发酵产生，但单胃动物与反刍动物的主要底物和产生部位存在差异。在单胃动物中，SCFA主要来源于后肠对膳食纤维的发酵；而在反刍动物中，瘤胃内微生物对饲料碳水化合物的分解是主要来源。其吸收和转运依赖被动扩散及涉及单羧酸转运蛋白（MCT）、钠偶联单羧酸转运蛋白（SMCT）和阴离子交换蛋白的载体介导机制。在肠黏膜内，SCFA调节能量代谢、上皮屏障完整性、微生物组成和免疫稳态。其分子靶点包括G蛋白偶联受体（GPCR）和AMP活化蛋白激酶（AMPK），同时还能抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）。这些信号输入下游级联反应，涉及丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白-信号转导与转录激活因子3（mTOR–STAT3）和核因子κB（NF-κB）通路。通过这些机制，SCFA增强紧密连接组装，刺激黏蛋白和防御素分泌，抑制病原体扩张，并促进有益微生物定植。它们还促进调节性T细胞（Treg）分化和抗炎细胞因子产生，有助于维持黏膜免疫平衡。总之，SCFA同时作为代谢中间体、表观遗传调节因子和免疫介质，将微生物发酵与宿主生理相偶联。理解其多面作用为改善动物胃肠道健康和生产性能的营养策略和微生物调控提供了新见解。

1. Introduction（引言）

短链脂肪酸（SCFA）含有一至六个碳原子，主要通过动物胃肠道内微生物发酵膳食成分产生。由于其分子量低、挥发性高、沸点低，也被称为挥发性脂肪酸（VFA）。体内产生的主要SCFA为乙酸、丙酸和丁酸，而甲酸、戊酸、己酸及支链脂肪酸如异丁酸、2-甲基丁酸和异戊酸则产生较少。SCFA与多种生理和病理过程相关，不仅作为能量底物，还参与调节肠道局部及肝脏、肺脏、生殖道和大脑等远处部位的免疫功能。在动物研究中，SCFA支持断奶前后犊牛的胃肠道发育，例如日粮补充异丁酸可提高干物质采食量和平均日增重，降低饲料转化率，并增加瘤胃乳头长度和宽度。丁酸钠补充可促进肠绒毛发育，调节紧密连接蛋白表达，增强MUC基因转录，并通过组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制和信号转导与转录激活因子3（STAT3）激活诱导潘氏细胞防御素产生。此外，SCFA抑制病原菌并促进有益微生物定植，同时驱动调节性T细胞（Treg）分化和白细胞介素-10（IL-10）分泌，发挥抗炎作用。本综述重点关注SCFA在动物胃肠道健康中的产生、转运和功能意义，特别关注单胃动物与反刍动物之间的差异。

2. The production and transportation of SCFA（SCFA的产生与转运）

2.1. The production of SCFA（SCFA的产生）

2.1.1. Production of SCFA in Monogastric Animals（单胃动物中SCFA的产生）

在猪和家禽等单胃动物中，SCFA的产生主要依赖于后肠中的微生物发酵。家禽的SCFA主要在盲肠产生，猪则在盲肠和近端结肠。主要SCFA——乙酸、丙酸和丁酸——由糖酵解细菌发酵不可消化碳水化合物产生，甲酸、戊酸、己酸以及2-甲基丁酸和异戊酸等支链脂肪酸则产生量较少。支链脂肪酸来源于支链氨基酸的分解代谢。可消化碳水化合物在口腔、胃和小肠中被酶分解为单糖后直接吸收，而膳食纤维、植物细胞壁多糖和抗性淀粉等不可消化碳水化合物到达结肠后作为微生物发酵底物，最终生成SCFA。关键微生物类群包括拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria）。其中，拟杆菌门主要产生乙酸和丙酸，厚壁菌门是肠道中主要的丁酸生产者。

2.1.2. Production of SCFA in ruminants（反刍动物中SCFA的产生）

与单胃动物不同，反刍动物具有四室胃，微生物发酵主要发生在瘤胃。瘤胃是碳水化合物发酵的主要部位，后肠（尤其是盲肠和结肠）也有额外发酵。纤维素被微生物纤维素酶水解为纤维二糖，再进一步转化为葡萄糖；半纤维素被降解为戊糖；果胶被多聚半乳糖醛酸酶水解，释放半乳糖醛酸及相关产物。这些底物随后被牛和羊的瘤胃微生物发酵产生SCFA。瘤胃微生物群落的组成影响SCFA产生模式：梭菌目（Clostridiales）成员是重要的丁酸生产者，而普雷沃氏菌属（Prevotella）对膳食碳水化合物产生乙酸有显著贡献。普雷沃氏菌还可利用半纤维素、淀粉和蛋白质生成琥珀酸、丙酸和乙酸。其他菌群如Paraprevotellaceae和Candidatus可将半纤维素衍生的单体转化为乙酸和丁酸，Trichomillillaceae与丙酸产生相关。膳食纤维先被糖苷水解酶等微生物酶水解为单糖（主要是戊糖和己糖），随后经磷酸戊糖途径等转化为SCFA。

2.1.3. Biosynthetic Mechanisms of Common SCFA（常见SCFA的生物合成机制）

尽管反刍动物和单胃动物在产生部位、主要底物来源和SCFA相对比例上存在差异，但SCFA生物合成的主要途径大致保守。乙酸主要通过两条途径产生：一是碳水化合物代谢中丙酮酸转化为乙酰辅酶A，随后生成乙酸；二是Wood-Ljungdahl途径，产乙酸菌在厌氧条件下利用CO₂和H₂或甲酸合成乙酸。丙酸主要通过琥珀酸途径产生，该途径常见于拟杆菌门和一些厚壁菌门成员，包括Negativicutes；此外还有1,2-丙二醇途径和丙烯酸途径，但贡献相对有限。丁酸主要由碳水化合物发酵产生的乙酰辅酶A形成，谷氨酸、赖氨酸和4-氨基丁酸等氨基酸也能贡献丁酸产生。丁酰辅酶A转化为丁酸的两条主要途径为磷酸转丁酰酶/丁酸激酶（PTB/BUK）途径和丁酰辅酶A辅酶A转移酶途径，后者是许多肠道共生菌中丁酸形成的主要途径。

2.2. The transportation of SCFA（SCFA的转运）

SCFA从胃肠道吸收通过被动扩散和载体介导转运相结合的方式。在生理pH下，SCFA以解离形式（SCFA^-）和未解离形式（HSCFA）存在。未解离形式主要通过被动扩散穿过上皮膜，而解离形式主要通过离子交换蛋白和膜载体转运。单羧酸转运蛋白（MCT）介导H⁺偶联的SCFA转运，其中MCT1、MCT2和MCT4直接参与SCFA及相关代谢物转运。在反刍动物中，MCT1主要表达于瘤胃上皮基底层；在单胃动物中，MCT1分布于结肠上皮细胞的顶膜和基底侧膜，MCT4主要位于基底侧膜。钠偶联单羧酸转运蛋白（SMCT），特别是SMCT1和SMCT2，提供SCFA摄取的额外途径。SMCT1介导电生性转运，Na⁺:SCFA化学计量比为2:1，SMCT2主要作为电中性转运蛋白。两者均定位于肠上皮细胞顶膜。此外，下调腺瘤（DRA）蛋白作为阴离子交换蛋白，可促进SCFA^-/HCO₃^-交换。钠氢交换蛋白