藻类生物质及藻源制剂调控畜禽肠道微生物、宿主分子通路与生物加工创新的研究进展

《Veterinary Sciences》：Algal Biomass and Algal-Derived Preparations in Livestock Nutrition: Gut Microbiota Modulation, Host Molecular Pathways, and Bioprocess Innovations

　　

藻类生物质及藻源制剂在畜禽营养中的应用日益受到关注，因其具有调节肠道微生物群的潜力，而肠道微生物群在动物健康、免疫及生长性能中发挥关键作用。本综述主要聚焦微藻和蓝藻制剂，同时兼顾与畜禽饲喂相关的部分大型藻类，且不局限于海洋来源。在这篇叙述性综述中，研究人员总结了藻类关键组分（如多糖、多不饱和脂肪酸及类胡萝卜素）的理化性质与生物学活性的最新进展。研究人员评估了潜在有益菌（包括乳杆菌属（Lactobacillus）和双歧杆菌属（Bifidobacterium））变化的相关证据，以及对特定致病菌（包括沙门氏菌（Salmonella）和致病性大肠杆菌（Escherichia coli）菌株）的抑制作用证据。研究人员还探讨了这些化合物、微生物短链脂肪酸（SCFA）和胆汁酸代谢与宿主免疫及生长反应之间的潜在关联。本综述讨论了藻类生物质及藻源制剂在畜禽生产中的实际应用，重点关注添加水平与安全性评估。研究效果依据来源生物、制剂及动物模型进行评价，而非假定不同藻类群体具有相同效应。此外，本综述还指出了当前面临的挑战和未来研究方向，以促进藻类资源在可持续畜牧业中的高效利用。本综述甄别了支持特定饲喂应用的证据，并区分了观察到的动物反应与提出的作用机制。

1. 1.
   引言

畜禽胃肠道内栖息着复杂且动态的微生物群落，在维持宿主健康、促进营养物质消化吸收以及调节免疫应答中发挥关键作用。肠道微生物群有助于肠道屏障稳态，并影响营养利用、疾病易感性和生长性能。肠道微生物群落失调与营养利用受损、感染易感性增加以及反刍动物和单胃畜禽免疫应答失调相关。历史上，抗生素被广泛用于畜禽生产以促进生长、预防疾病和治疗。然而，抗菌药物耐药性和动物源性产品中抗生素残留问题促使监管和公共卫生措施减少食品动物中抗生素的常规使用。因此，益生菌、益生元、合生元及其他生物活性制剂等营养策略日益受到关注。在此背景下，藻类生物质因其多样化的营养和生化组成而受到关注。微藻和蓝藻通常生长迅速、生物质产量高，但其经济竞争力仍依赖于培养或发酵、采收及下游加工技术。藻类饲料资源含有多种生物活性化合物，包括多糖、藻胆蛋白、类胡萝卜素以及二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）等长链多不饱和脂肪酸。这些化合物具有抗菌、抗炎、免疫调节和益生元活性，可能有助于维持肠道微生物平衡、肠道功能和宿主免疫应答。然而，藻类生物质的生化组成因物种而异，并受培养、采收和加工条件影响。此外，许多藻类化合物的消化率、生物利用度、胃肠道转化及微生物介导代谢仍未被充分表征。肠道微生物群落还受多种相互作用因素影响，包括日粮、宿主背景、环境条件和管理措施。热应激尤其与肠道微生物组成改变、肠道屏障完整性受损、免疫应答紊乱及营养转运减少相关。本综述使用“藻类生物质及藻源制剂”作为涵盖全生物质、加工组分、提取物和分离化合物的描述性总称，不暗示监管分类。文献筛选采用针对性关键词检索和引文追踪，优先考虑明确来源生物和制剂并报告与畜禽饲喂相关结局的同行评议研究。

1. 2.
   藻类饲料资源的主要生物活性化合物及其理化性质

2.1. 藻类多糖的结构特征与益生元潜力

藻类合成结构多样的多糖，可能以胞内储存化合物、细胞壁组分或胞外聚合物形式存在。这些聚合物的单糖组成、分子量、分支模式和硫酸化程度差异显著。体外研究表明，纯化的蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）多糖可抵抗模拟上消化道消化，随后被粪便微生物发酵，产生乙酸和丙酸。另一项体外分级研究显示，中性和酸性多糖组分在可发酵性及对细菌类群和代谢物的影响上存在差异。然而，仔猪试验测试的是5%全小球藻（Chlorella vulgaris）生物质，而非分离多糖，其反应不能特异归因于多糖组分。当前证据支持特定分离小球藻多糖的结构依赖性发酵，但未确立全小球藻生物质通过其多糖组分发挥作用，或藻类制剂普遍增加体内微生物多样性和SCFA产量。

2.2. 多不饱和脂肪酸的抗菌与免疫调节作用

微藻和饲料相关破囊壶菌是长链omega-3多不饱和脂肪酸的重要来源，尤其是EPA和DHA。游离EPA和DHA在体外条件下对多种食源性细菌具有抗菌活性，其抗菌作用可能涉及细菌膜结构和功能的扰动。EPA和DHA还通过多种机制调节宿主炎症反应，包括改变细胞膜磷脂组成、激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）、抑制核因子κB（NF-κB）活化以及产生促炎症消退脂质介质。猪肠道上皮细胞证据表明，EPA和DHA可通过PPARγ依赖和非依赖机制保护紧密连接完整性。这些发现支持EPA和DHA的免疫调节潜力，但未确立其作为畜禽抗生素替代品的有效性。

2.3. 类胡萝卜素和藻胆蛋白的抗氧化活性

某些微藻和蓝藻是抗氧化色素的重要来源，包括虾青素、β-胡萝卜素等类胡萝卜素以及藻蓝蛋白等藻胆蛋白。这些化合物可通过直接清除活性氧、抑制脂质过氧化和增强内源性抗氧化防御发挥抗氧化作用。在热应激肉鸡中，雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）来源虾青素增加了细胞保护基因（SOD2、GPX3、TXN）及上皮完整性相关基因（CLDN1、MUC2）的表达。在肉鸡中，钝顶节旋藻（Arthrospira platensis）提取的藻蓝蛋白改善了抗氧化指标并降低了丙二醛浓度。这些肉鸡研究提供了所测试虾青素和藻蓝蛋白制剂抗氧化相关反应的直接证据。

1. 3.
   藻类生物质及藻源制剂对畜禽肠道微生物群落的影响

3.1. 潜在有益菌群的变化

藻类生物质和分离多糖组分可能通过提供微生物可及碳水化合物底物影响肠道微生物组成和发酵。在肉鸡中，日粮添加0.25–1.0%螺旋藻（钝顶节旋藻）在测试范围内剂量依赖性增加盲肠乳杆菌数量。在断奶仔猪中，日粮添加5%小球藻改变了粪便细菌群落并增加了包括乳杆菌在内的特定类群丰度，但挥发性脂肪酸浓度未一致增加。在肉鸡中，卵内给予小球藻多糖也改变了盲肠微生物群落、预测微生物代谢通路和发酵代谢物。乳杆菌丰度增加是所引用的日粮螺旋藻和小球藻研究中的共同观察结果，但发酵反应不太一致。

3.2. 致病菌的竞争性排斥与直接抑制

藻类生物质和提取物可能通过直接抗菌活性和间接调节有益微生物群来限制肠道病原体。体外筛选显示，某些微藻提取物优先抑制特定革兰氏阳性菌，亚油酸、油酸、EPA和DHA被鉴定为候选抗菌成分。体外研究还显示，海洋微藻湛江等鞭金藻（Isochrysis galbana）支持罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）生长，发酵组合比单一组分更有效减少粘附侵袭性大肠杆菌对肠上皮细胞的粘附和侵袭。这些研究支持选择性抗菌和抗粘附活性，但有益菌丰度增加本身不构成竞争性排斥或抗生素等效保护的证据。

3.3. 肠道微生物代谢物的重塑

日粮藻类及其分离多糖组分可能改变肠道微生物的代谢活性，包括SCFA的产生。在肉鸡中，卵内给予小球藻多糖改变了盲肠微生物群落和预测代谢通路，并增加了丙酸浓度，提供了明确藻类多糖调节肠道微生物发酵的直接证据。然而，当前畜禽研究未显示藻类补充后丁酸一致增加。肠道微生物还参与初级胆汁酸的解离和转化，产生多种次级胆汁酸，其中一些通过法尼醇X受体（FXR）等受体发出信号。然而，藻类硫酸多糖特异性促进脱氧胆酸产生或通过FXR信号降低脂肪肝风险的直接证据仍不足。

1. 4.
   藻类生物活性化合物影响畜禽肠道健康的潜在宿主通路

4.1. TLR和NLR相关信号的可能参与

藻类生物活性化合物可能调节先天免疫信号，但其效应方向取决于生物活性化合物、剂量、炎症背景和实验模型。在辐射诱导急性肠道损伤小鼠模型中，藻蓝蛋白减轻肠道损伤，与肠道微生物群调节和TLR4/MyD88/NF-κB信号通路减弱相关。极大螺旋藻（Spirulina maxima）提取物抑制了鼠和人巨噬细胞中LPS诱导的NLRP3炎症小体活化。在低蛋白日粮肉鸡中，添加100 g/kg钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）逆转了循环促炎细胞因子、NLRP3表达和细菌易位至肝脏的增加。这些干预在测试条件下修饰了炎症反应，但未确定直接受体结合作为共同机制。

4.2. 肠道屏障功能影响的证据

肠道屏障完整性对维持肠道稳态至关重要。肉鸡研究表明，日粮添加小球藻增加了紧密连接蛋白occludin和抗菌肽禽β-防御素5的表达。在热应激肉鸡中，虾青素补充上调了上皮完整性相关基因（CLDN1、LOX、MUC2）及细胞保护基因。在沙门氏菌攻毒肉鸡中，虾青素改善了回肠形态和抗氧化能力，并增加了ZO-1和MUC2表达。这些肉鸡研究在屏障相关标记方面趋同，但标记表达和形态学不能与通透性或粘液分泌的直接测量互换。

4.3. IGF-1和微生物群–肠–脑信号在生长调控中的潜在参与

藻类补充可影响营养利用、肠道生理，并在某些日粮条件下影响生长性能。在断奶仔猪中，日粮添加5%小球藻增加了十二指肠绒毛高度并改变多种细菌类群丰度，但未显著影响平均日增重或饲料转化率。在肉鸡中，钝顶螺旋藻提取物改善了最终体重、体重增加和饲料转化率，但血清IGF-1浓度在各处理间无显著差异。SCFA可通过游离脂肪酸受体（尤其FFAR2）刺激肠道L细胞分泌胰高血糖素样肽-1。在小鼠中，GLP-2增加了肠道IGF-1表达和分泌。微生物群依赖性神经信号在生物学上合理，但尚未在饲喂藻类制剂的畜禽中得到直接证明。

1. 5.
   藻类生物质及藻源制剂在畜禽生产中的应用效果与挑战

5.1. 猪和家禽研究的证据：剂量和产品依赖性反应

螺旋藻对猪和家禽生产的影响受添加水平、动物年龄、日粮配方、氨基酸平衡和加工或酶策略的强烈影响。在断奶仔猪中，日粮添加1%螺旋藻增加了总能消化率，但未显著改善生长性能。另一项研究中，断奶前后口服螺旋藻减少了断奶后腹泻发生并增加了哺乳期体重增加。日粮添加10%螺旋藻降低了最终体重和平均日增重，损害了饲料转化，伴随食糜粘度增加和粗蛋白消化率降低。在肉鸡中，15%日粮螺旋藻通过增加食糜粘度降低了体重增加并恶化了饲料转化。在肉鸡中，日粮添加2%富含DHA的微藻增加了胸肌n-3多不饱和脂肪酸。添加4%富油破囊壶菌（Aurantiochytrium acetophilum）降低了体重增加、饲料效率和胸肌重量并增加了脂质氧化。日粮添加10%小球藻未损害肉鸡生长并改善了肉色黄度、类胡萝卜素含量和嫩度。在蛋鸡中，1–3%纳米绿球藻（Nannochloropsis limnetica）剂量依赖性增加蛋黄EPA和DHA，2–3%添加改善了产蛋率。

5.2. 反刍动物的特殊考虑

藻类在反刍动物日粮中的使用受瘤胃生物氢化限制，该过程将部分EPA和DHA转化为更饱和脂肪酸。瘤胃保护或包被制剂可改善这些脂肪酸的过瘤胃递送。高添加水平的富含DHA裂殖壶菌（Schizochytrium）可改变瘤胃微生物群落，包括产琥珀酸丝状杆菌（Fibrobacter succinogenes）等纤维分解菌。红藻杉藻属（Asparagopsis taxiformis）积累溴仿，一种卤代甲烷类似物，可抑制古菌产甲烷的末端步骤。在肉牛中，日粮添加杉藻属减少了45–68%的甲烷产量，在低饲草日粮条件下高达80%。

5.3. 商业可行性、产品稳定性与成本效益考虑

藻类生物质及藻源制剂用于畜禽饲喂的商业可行性取决于生产成本、产品稳定性和批次一致性。生物质采收、脱水和干燥是主要成本驱动因素，生物质回收约占某些生产系统总生产成本的20–30%。喷雾干燥过程中的热暴露可能降低藻蓝蛋白等热不稳定色素的稳定性。虾青素在高温、氧气暴露和光照条件下易降解，而微囊化可改善其储存保留。成本效益评估应平衡潜在动物反应与培养、加工、稳定化、配方和质量控制的额外成本。

1. 6.
   当前研究局限与未来方向

6.1. 活性成分体内代谢和递送机制不明确

关于藻类活性成分的胃肠道命运和生物利用度的证据仍然有限。微藻复杂的细胞壁结构可限制胞内蛋白质、脂质、色素和其他生物活性物质的释放。未来研究可结合标记藻类成分示踪、代谢组学、微生物群落测序和单细胞成像。荧光聚糖探针已用于直接可视化肠道细菌对多糖的摄取。

6.2. 重金属积累与代谢干扰

长期藻类补充的安全性需要仔细评估，特别是金属污染和过量脂质摄入方面。微藻可吸附有毒元素并胞内积累。砷、镉和铅等元素的积累因物种、环境浓度、pH和培养条件而异。风险管理应优先考虑菌株选择、无污染物培养系统和常规批次检测。

1. 7.
   藻类生物活性物质的潜在宿主内在分子反应

7.1. 藻类生物活性物质和微生物代谢物相关的潜在表观遗传调控

藻类补充可能通过微生物代谢物影响肠上皮基因调控。日粮添加三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）增加了小鼠肠道乙酸、丙酸和丁酸产生。丁酸作为HDAC抑制剂，增强Foxp3位点调控区的组蛋白H3乙酰化，促进结肠调节性T细胞分化。虾青素在培养的人前列腺细胞中表现出表观遗传活性，但尚未在肠上皮细胞或畜禽模型中得到证实。目前最强机制证据涉及非畜禽模型中的丁酸依赖性组蛋白调控。

7.2. 肠道干细胞活性和上皮更新的潜在调节

肠上皮由隐窝基部的Lgr5阳性肠道干细胞持续更新。丁酸不应被视为ISC增殖的普遍促进剂。当上皮损伤破坏空间屏障时，丁酸可通过HDAC抑制和FOXO3依赖性转录调控抑制干细胞和祖细胞增殖。纯化EPA已被证明通过GPR120-LSD1-WNT信号通路促进ISC增殖和分化及结肠上皮再生。日粮微藻改善了肉鸡肠道形态计量和断奶仔猪绒毛高度与隐窝深度比。

7.3. 通过肠–肝和肠–脂肪轴的潜在系统性代谢调节

微生物发酵产生的丙酸是肝糖异生的重要底物。丁酸已被证明通过LKB1-AMPK-Insig通路抑制小鼠和肝细胞模型中的肝脂肪生成。藻类EPA和DHA可能影响脂肪组织代谢，但其作用具有背景依赖性。在培养脂肪细胞中，DHA增加了PPARγ表达和脂联素分泌。在饲喂高能日粮的绵羊中，日粮添加裂殖壶菌改变了肝脏和肌肉脂肪酸谱及脂质代谢相关基因表达。

1. 8.
   用于畜禽饲喂的藻类生物质及藻源制剂生产加工技术进展

8.1. 培养和采收的技术进展

先进光生物反应器，特别是平板和气升式构型，可改善光分布、气体传质和培养混合。两阶段培养特别适用于雨生红球藻。异养和混养培养可减少对光照的依赖并实现较高生物质密度。采收仍是主要生产瓶颈。电絮凝–浮选可提供快速生物质浓缩，但需考虑电极消耗、金属残留和操作条件。磁分离是另一种有前景的方法。

8.2. 细胞壁破碎和生物活性化合物提取的技术进展

许多微藻坚硬且组成多样的细胞壁限制了胞内蛋白质、脂质、色素和其他生物活性化合物的释放和生物利用度。高压均质和珠磨在微拟球藻（Nannochloropsis gaditana）中实现了超过95%的细胞破碎。脉冲电场处理利用膜电穿孔促进细胞组分释放，同时限制热暴露。酶辅助处理可在相对温和条件下降解易感细胞壁组分。超临界CO₂以乙醇为共溶剂，在实验室规模下实现了雨生红球藻破碎细胞中虾青素的高回收率。水相两相提取提高了C-藻蓝蛋白纯度。

1. 9.
   结论

所综述的研究支持藻类生物质及藻源制剂在畜禽营养中的几种不同应用。选定的富脂制剂可丰富动物产品中的n-3脂肪酸，而杉藻属在测试条件下减少了肉牛肠道甲烷。选定的家禽研究还报告了抗氧化指标改善和上皮完整性标记的变化。产品组成、添加水平、加工和日粮配方影响益处与不利效应之间的平衡。机制解释应区分直接测量的动物反应与提出的因果通路。实际饲喂决策应将表征明确的制剂与既定目标相匹配，并评估预期益处以及性能、稳定性和安全性。