益生元改善猪肠道屏障功能的研究进展

Progress on improving function of intestinal barrier in pigs with prebiotics

摘要

目的 总结益生元的定义、作用机制及在生猪肠道屏障功能方面的影响，为益生元在生猪肠道健康方面的开发和应用提供参考。 方法 综述益生元的定义及作用机制，讨论益生元对生猪肠道物理屏障、免疫屏障、微生物屏障和化学屏障功能的影响。 结果 益生元可以被肠道微生物群选择性发酵，改善肠道紧密连接蛋白表达，调节肠道免疫因子表达，影响短链脂肪酸的合成，促进肠道有益菌的生长和活性，抑制肠道病原微生物的繁殖，促进生猪肠道屏障功能改善。 结论 益生元在生猪饲料中具有广阔的应用前景，但其对不同生长阶段生猪的改善作用还需要进一步研究，使其在生猪生产中展现出更大的潜力。

Abstract

Objectives The definition, mechanism of action, and effects of prebiotics on improving the function of intestinal barrier in pigs were summarized to provide references for the development and application of prebiotics in the intestinal health of pigs. Methods The definition and mechanism of action of prebiotics were reviewed. The effects of prebiotics on the physical, immune, microbial and chemical barriers of pig intestines were discussed. Results Prebiotics can be selectively fermented by the gut microbiota, improve the expression of tight junction proteins in the intestine, regulate the expression of intestinal immune factors, affect the synthesis of short chain fatty acids, promote the growth and activity of beneficial bacteria in the intestine, inhibit the proliferation of pathogenic microorganisms in the intestine to enhance the improvement of the function of intestinal barrier in pigs. Conclusion Prebiotics have broad application prospects in feed for pigs, but its effects on improving pigs at different stages of growth still need further research to demonstrate greater potential in farming pigs.

关键词

益生元 / 猪 / 肠道屏障 / 肠道微生物 / 免疫水平

Key words

prebiotics / pigs / intestinal barrier / gut microbiota / immune level

生猪养殖在我国农业生产中占据重要地位。作为保障民生的基础性产业，猪只健康成长直接关系到肉类产品的质量和安全性，进而影响着人类的食品安全和营养健康。肠道健康是保障猪只健康和生产性能的关键因素，而肠道屏障功能的维护则是肠道健康的核心^[1]。益生元作为1种能够促进有益菌生长、抑制有害菌繁殖的非消化性食物成分，在维护和增强猪肠道屏障功能方面展示出巨大的潜力。通过与肠道微生物的相互作用，益生元不仅能够改善肠道微生态平衡，还能够对肠道上皮细胞的功能产生积极影响，从而增强肠道屏障的完整性和防御能力^[2]。当前，抗生素替代品研发需求迫切。益生元作为绿色饲料添加剂的典型代表，在改善猪肠道屏障功能方面展现出显著潜力，但现有研究在作用机制解析、精准应用策略等方面仍存在理论缺口。本文概述了益生元的定义、分类及其对肠道屏障的作用机制和益生元对猪肠道屏障影响的研究进展，以期为益生元的深入理解及广泛应用提供参考。

1 益生元的定义和分类

益生元定义自1995年被Gibson提出以来不断更新。2007年被联合国粮农组织和世界卫生组织（FAO/WHO）专家定义为非活性食物成分，通过调节肠道菌群带来健康益处，其定义不断深入和明确^[3-4]。2016年，国际益生菌与益生元科学协会（ISAPP）对益生元重新定义为1种被宿主微生物有选择性地利用并带来健康益处的物质，新定义扩展了益生元的概念，指出益生元包括非碳水化合物，并且应用部位及类型不局限于胃肠道和食物^[5]。益生元根据结合在一起的糖单体数量，可分为：双糖、低聚糖（3~10个单体）和多糖^[4]。双糖包括乳果糖、海藻糖、异麦芽酮糖等^[6-7]；低聚糖包括低聚果糖（fructooligosaccharides，FOS）、低聚半乳糖（galactooligosaccharides，GOS）、低聚异麦芽糖（isomaltooligosaccharides，IMO）、低聚木糖（xylooligosaccharides，XOS）、甘露低聚糖（manno-oligosaccharide，MOS)、低聚半乳糖（transgalactooligosaccharides，TOS）和大豆低聚糖（soybean oligosaccharides，SBOS）等；多糖包括菊粉、纤维素、半纤维素和果胶等。当前研究较多的是低聚糖^[4]，其他物质如多酚和多不饱和脂肪酸也可能具有益生效果^[2]。

2 益生元对肠道屏障的作用机制

随着现代微生物组学、酶工程和基因工程技术等发展，益生元已经不仅仅局限于自然界中，还可以通过生物合成方法进行生产^[7]。益生元的添加主要是被肠道微生物群选择性发酵利用，促进动物肠道有益菌的生长和代谢功能，改善肠道屏障功能。

2.1 调节肠道微生物群落

肠道微生物群对猪群营养物质消化吸收和肠道健康至关重要，其在不同肠段具有区室化特征，小肠到大肠微生物多样性和物种丰度呈指数级增加^[8]。小肠是营养物质消化吸收部位，其中吸收细胞、杯状细胞、肠内分泌细胞等细胞类型沿着小肠差异分布，造成了小肠特异性的微生物群结构，小肠中微生物数量为10~10⁸ CFU/mL，主要由厚壁菌门、变形菌门、放线菌门和拟杆菌门等组成；大肠由于其独特的功能、储存能力和生理作用，相对于小肠会有更大的微生物丰度及多样性，微生物数量达10¹⁰~10¹² CFU/mL，厚壁菌门和拟杆菌门相对丰度较高^[9]。肠道微生物群落趋向性改变可能会诱导特定疾病，如pks+大肠埃希菌等与结直肠癌相关^[10]，营养不良与健康婴儿的粪菌移植实验也显示微生物群落在营养不良中有因果作用^[11]。所以抑制病原菌生长、促进微生物群落成熟和健康对肠道微生态稳定至关重要。益生元可被肠道有益菌如双歧杆菌、乳酸菌等选择利用，促进其生长和代谢活动^[12]，分解产物乳酸、短链脂肪酸等能降低肠道pH，抑制如大肠杆菌、沙门氏菌等有害菌生长^[13]，正向调节肠道微生物群落组成结构，促进肠道健康。比如菊粉可促进肠道有益微生物生长，抑制病原菌及其他有害微生物的生长^[14]，FOS能增加肠道中双歧杆菌数量及短链脂肪酸含量，刺激结肠IgA分泌，减少促炎细胞因子表达以改善肠道屏障功能^[15]，GOS可改善肠道微生物群结构，提高拟杆菌门、双歧杆菌和乳酸杆菌的相对丰度，缓解小鼠肥胖相关代谢紊乱^[16]，XOS增加了肠道乳酸杆菌和双歧杆菌数量以及乙酸、丙酸和总短链脂肪酸等浓度，改善了断奶仔猪的生长性能^[17]。

2.2 改善肠道屏障功能

益生元通过促进肠道内有益菌的生长和活性，利用有益菌分泌的天然抗菌物质、对病原菌的拮抗作用以及竞争性抑制，有效阻止致病微生物的定植与生长。其主要功能依赖于肠道微生物群对益生元发酵后产生的代谢产物，如短链脂肪酸乙酸、丙酸、丁酸等，这些物质不仅能为肠道提供能量，降低肠道环境的pH值以抑制病原体生长^[4,18]，还能促进宿主对镁、钙等矿物质的吸收^[19]，进而增强动物肠道的微生物屏障和化学屏障功能。研究表明，短链脂肪酸对肠道发育和免疫功能具有关键作用，益生元的添加能够增加短链脂肪酸含量，从而强化肠道物理屏障和免疫屏障^[20]。短链脂肪酸通过游离脂肪酸受体FFAR2和FFAR3发挥作用，例如介导乙酸和丙酸的抗炎效果^[21]；同时，其还能调节肠道紧密连接蛋白的表达，改善肠道通透性，维持肠上皮屏障的完整性^[22]，增加黏蛋白表达以修复受损黏液层^[23]，并且直接作用于中性粒细胞，减少活性氧和髓过氧化物酶的产生，激活核转录因子-κB（nuclear factor-kappa B，NF-κB）以提高免疫应答，增强抗感染能力^[24]。总之，益生元通过促进有益菌的生长和代谢活动，增加短链脂肪酸产生，抑制病原微生物生长繁殖，增强肠道上皮细胞紧密连接，调节肠道免疫反应等，进而改善肠道物理屏障、免疫屏障、微生物屏障和化学屏障功能。

3 益生元对猪肠道屏障的作用机制

肠道屏障是维护猪肠道健康和预防疾病的关键，其遭到破坏易引发肠道疾病及全身性炎症，是集约化养殖的一大挑战^[25]。益生元在猪日粮中的应用主要为低聚糖，如甲壳低聚糖（chitooligosaccharides，COS）、FOS、GOS等。益生元对猪肠道屏障的影响如表1所示。研究表明，益生元可促进消化酶和短链脂肪酸的产生，降低肠道pH值，改善肠道化学屏障功能；促进肠道紧密连接蛋白的表达，提高小肠绒毛高度（villus height，VH），使肠道二胺氧化酶（diamine oxidase，DAO）升高而血浆DAO降低，表明肠黏膜通透性得到改善，改善了肠道物理屏障功能；激活肠道免疫系统，调节免疫因子表达，如促进分泌性IgA（sIgA）、pBD-2分泌，抑制NF-κB表达，从而改善肠道免疫屏障功能；促进有益菌如乳酸杆菌、双歧杆菌等的生长，抑制有害菌如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等的繁殖，优化肠道菌群结构，改善猪肠道微生物屏障功能。因此，益生元作为相对稳定的饲料添加剂，能够改善猪肠道屏障功能。

4 结语与展望

益生元是一种有效的饲料添加剂，对改善猪肠道健康具有重要作用。通过合理选择和应用益生元，可以提高猪的生产性能和福利，促进畜牧业可持续发展。尽管益生元应用前景广阔，但仍面临一些挑战，如益生元最佳剂量、长期应用的安全性评估等。未来的研究还需要关注益生元的个体差异，深入探究不同品种、不同生长阶段的猪对益生元的需求和反应，实现个性化的营养管理；探索新兴益生元、寻找低成本的原料来源、改进生产工艺等；将益生元与其他营养策略（如益生菌、其他抗生素替代品等）结合，探究其协同效应，提高养殖效率和可持续性；深入探究益生元与肠道微生物群的互作关系及如何影响肠道屏障及宿主健康。未来益生元在提高猪肠道屏障功能和整体健康方面的潜力将得到进一步的挖掘与利用，为养殖业的可持续发展做出重要贡献。

参考文献

[1] WANG B， WU G Y， ZHOU Z G，et al.Glutamine and intestinal barrier function[J].Amino acids，2015，47(10)：2143-2154.

[2] SANDERS M E， MERENSTEIN D J， REID G，et al.Probiotics and prebiotics in intestinal health and disease：from biology to the clinic[J].Nature reviews gastroenterology & hepatology，2019，16(10)：605-616.

[3] 高世阳，王艺如，王彦波.益生元在养殖业中的应用研究[J].饲料研究，2011，34(5)：21-23.

[4] MARKOWIAK P， ŚLIŻEWSKA K.Effects of probiotics，prebiotics，and synbiotics on human health[J/OL].Nutrients，2017，9(9)：1021[2025-03-23].

[5] GIBSON G R， HUTKINS R， SANDERS M E，et al.Expert consensus document：The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on the definition and scope of prebiotics[J].Nature reviews gastroenterology & hepatology，2017，14(8)：491-502.

[6] 金利群，沈骥冬，柳志强，异麦芽酮糖醇的生理活性及生物合成研究进展[J].食品科学技术学报，2023，41(6)：9-19.

[7] 张子龙，赵雯，黄小玉，稀有糖类益生元研究进展[J].食品工业科技，2023，44(1)：439-446.

[8] 武真邑，刘辉，秦士贞，猪肠道菌群调控营养物质代谢的研究进展[J].中国畜牧杂志，2022，58(10)：77-82.

[9] MARTINEZ-GURYN K， LEONE V， CHANG E B.Regional diversity of the gastrointestinal microbiome[J].Cell host & microbe，2019，26(3)：314-324.

[10] 谭慜韬，王亚菁.高脂饮食诱导肠道菌群紊乱在结直肠癌发生发展中的作用[J].江苏预防医学，2023，34(6)：700-704.

[11] BLANTON L V， CHARBONNEAU M R， SALIH T，et al.Gut bacteria that prevent growth impairments transmitted by microbiota from malnourished children[J/OL].Science，2016，351(6275)：10.1126[2025-03-23].

[12] 高江涛，梁馨文，张凯旋，五种不同益生元对七种肠道有益菌及有害菌的体外作用[J].食品工业，2022,43 (10):160-165.

[13] 邬玮航，周洋，李杜慧，益生元对家禽沙门氏菌抑制作用的研究现状与展望[J].养殖与饲料，2019，18(9)：58-59.

[14] 朱峰，陈景垚，蓝蔚青.菊粉的功能特性与开发利用研究进展[J].包装工程，2019，40(1)：34-39.

[15] COSTA G T， VASCONCELOS Q D J S， ARAGÃO G F.Fructooligosaccharides on inflammation，immunomodulation，oxidative stress，and gut immune response：a systematic review[J].Nutrition reviews，2022，80(4)：709-722.

[16] LI Y， HUANG J， ZHANG S L，et al.Sodium alginate and galactooligosaccharides ameliorate metabolic disorders and alter the composition of the gut microbiota in mice with high-fat diet-induced obesity[J].International journal of biological macromolecules，2022，215：113-122.

[17] PANG J M， ZHOU X J， YE H，et al.The high level of xylooligosaccharides improves growth performance in weaned piglets by increasing antioxidant activity，enhancing immune function，and modulating gut microbiota[J/OL].Frontiers in nutrition，2021，8：764556[2025-03-23].

[18] 李道明，王瑛，陈超，芽孢杆菌几种重要抗菌脂肽研究进展[J].生物工程学报，2022，38(5)：1768-1783.

[19] DEMIGNÉ C， JACOBS H， MOUNDRAS C，et al.Comparison of native or reformulated chicory fructans，or non-purified chicory，on rat cecal fermentation and mineral metabolism[J].European journal of nutrition，2008，47(7)：366-374.

[20] 石炳钊，康萍，朱惠玲，脂肪酸平衡在仔猪生产中的应用研究进展[J].动物营养学报，2024，36(1)：33-39.

[21] BOLOGNINI D， TOBIN A B， MILLIGAN G，et al.The pharmacology and function of receptors for short-chain fatty acids[J].Molecular pharmacology，2016，89(3)：388-398.

[22] CHEN G X， RAN X， LI B，et al.Sodium butyrate inhibits inflammation and maintains epithelium barrier integrity in a TNBS-induced inflammatory bowel disease mice model[J].eBioMedicine，2018，30：317-325.

[23] LIANG L P， LIU L， ZHOU W Y，et al.Gut microbiota-derived butyrate regulates gut mucus barrier repair by activating the macrophage/WNT/ERK signaling pathway[J].Clinical science，2022，136(4)：291-307.

[24] FUSCO W， LORENZO M B， CINTONI M，et al.Short-chain fatty-acid-producing bacteria：key components of the human gut microbiota[J/OL].Nutrients，2023，15(9)：2211[2025-03-23].

[25] CITI S.Intestinal barriers protect against disease[J].Science，2018，359(6380)：1097-1098.

[26] JIAO L F， KE Y L， XIAO K，et al.Effects of cello-oligosaccharide on intestinal microbiota and epithelial barrier function of weanling pigs[J].Journal of animal science，2015，93(3)：1157-1164.

[27] YANG C M， FERKET P R， HONG Q H，et al.Effect of chito-oligosaccharide on growth performance，intestinal barrier function，intestinal morphology and cecal microflora in weaned pigs[J].Journal of animal science，2012，90(8)：2671-2676.

[28] LIU P， PIAO X S， KIM S W，et al.Effects of chito-oligosaccharide supplementation on the growth performance，nutrient digestibility，intestinal morphology，and fecal shedding of Escherichia coli and Lactobacillus in weaning pigs[J].Journal of animal science，2008，86(10)：2609-2618.

[29] WANG J， WANG S X， LIU H，et al.Effects of oligosaccharides on the growth and stress tolerance of Lactobacillus plantarum ZLP001 in vitro，and the potential synbiotic effects of L.plantarum ZLP001 and fructo-oligosaccharide in post-weaning piglets1[J].Journal of animal science，2019，97(11)：4588-4597.

[30] LIU J B， CAO S C， LIU J，et al.Effect of probiotics and xylo-oligosaccharide supplementation on nutrient digestibility，intestinal health and noxious gas emission in weanling pigs[J].Asian-Australasian journal of animal sciences，2018，31(10)：1660-1669.

[31] LE BOURGOT C， LE NORMAND L， FORMAL M，et al.Maternal short-chain fructo-oligosaccharide supplementation increases intestinal cytokine secretion，goblet cell number，butyrate concentration and Lawsonia intracellularis humoral vaccine response in weaned pigs[J].British journal of nutrition，2017，117(1)：83-92.

[32] ALIZADEH A， AKBARI P， DIFILIPPO E，et al.The piglet as a model for studying dietary components in infant diets：effects of galacto-oligosaccharides on intestinal functions[J].British journal of nutrition，2016，115(4)：605-618.

[33] YU E， CHEN D W， YU B，et al.Alteration of porcine intestinal microbiota in response to dietary manno-oligosaccharide supplementation[J/OL].Frontiers in microbiology，2022，12：811272[2025-03-23].

[34] TIAN S Y， WANG J， YU H，et al.Effects of galacto-oligosaccharides on growth and gut function of newborn suckling piglets[J/OL].Journal of animal science and biotechnology，2018，9：75[2025-03-23].

[35] WAN J， JIANG F， XU Q S，et al.New insights into the role of chitosan oligosaccharide in enhancing growth performance，antioxidant capacity，immunity and intestinal development of weaned pigs[J].RSC advances，2017，7(16)：9669-9679.

[36] ZHANG Z Y， ZHANG G， ZHANG S，et al.Fructooligosaccharide reduces weanling pig diarrhea in conjunction with improving intestinal antioxidase activity and tight junction protein expression[J/OL].Nutrients，2022，14(3)：512[2025-03-23].

[37] SCHOKKER D， FLEDDERUS J， JANSEN R，et al.Supplementation of fructooligosaccharides to suckling piglets affects intestinal microbiota colonization and immune development[J].Journal of animal science，2018，96(6)：2139-2153.

[38] PAN J， YIN J， ZHANG K，et al.Dietary xylo-oligosaccharide supplementation alters gut microbial composition and activity in pigs according to age and dose[J/OL].AMB express，2019，9(1)：134[2025-03-23].

[39] CHANG M N， ZHAO Y， QIN G X，et al.Fructo-oligosaccharide alleviates soybean-induced anaphylaxis in piglets by modulating gut microbes[J/OL].Frontiers in microbiology，2018，9：2769[2025-03-23].