腸道與動物的健康

匯軒產業知識 2020/07/10

腸道是動物最主要消化及吸收攝入營養分的場域。哺乳動物的消化道可以由幾個部分組成,包含口腔、咽喉、食道、胃、小腸、盲腸、大腸及肛門等(如下圖一);而家禽另有嗉囊、肌胃及泄殖腔等構造(如下圖二)。經過動物所分泌之消化液及腸道中微生物降解後的小分子營養物質會在小腸被吸收,並作為動物生產的營養來源。當動物面臨環境的壓力或是病原菌時,腸道可能會因此失衡。為了解決這些問題,我們整理了腸道與動物健康之間的關聯,並提供幾個潛在的解決方案。

圖一、豬隻消化道型態。This figure is adapted from Philip I Hynd (2019).
圖二、雞隻消化道型態。This figure is adapted from Philip I Hynd (2019).

腸道的組成

動物在攝入食物後,澱粉與蛋白質分別在口腔及胃中進行初步的降解,而脂質類的養分則在十二指腸中受到膽鹼的乳化送往小腸,最後在小腸進行後續的消化與吸收。小腸可以被簡單分為腸腔、黏膜層、絨毛及肌肉層等結構。

  • 腸腔:腸腔是腸道中的空腔,用以暫存食糜或讓食糜通過。配合腸道肌肉層的蠕動,腸腔中的食糜可以被充分混合。若食糜沒有被妥善的混勻,可能會導致食糜產生厭氧的不流動水層並增加有害菌的數量。
  • 黏膜層:黏膜層位在腸腔與腸道上皮細胞之間,由絨毛旁腺窩中的杯狀細胞所分泌,為一種具有黏彈性的蛋白質結構。黏膜層最主要的功能在於阻絕病原菌與腸道上皮細胞直接接觸,並將可以吸收的小分子養分過濾至腸道上皮細胞中。
  • 絨毛:絨毛上的腸道上皮細胞會透過擴散作用或具有專一性的養分通道攝入營養分,並將其轉移至乳糜管及微血管中。攝入養分的速率與絨毛的表面積成正相關。

在整個養分吸收的過程中,動物的腸道扮演了極為重要的角色。若動物因為病原菌、熱緊迫或不合適的飼料組成等因素造成腸道中任一功能降低或喪失將可能導致腸道發炎或壞死。然而,我們無法透視動物體內的狀況,只能透過飼料採食量來判斷動物的狀況。甚至,在嚴重的情況下,腸道的損傷可能導致動物猝死。

腸道微生物相

腸道微生物的組成與動物的健康息息相關。最近的研究指出,腸道微生物的組成可能跟動物的食慾、體組成、抗氧化能力、炎症反應、腸道健康乃至於情緒都有相關。當腸道中微生物的組成越為複雜、有益菌越多且有害菌越少時,腸道菌相將越能保持平衡。

  • 乳酸菌:大部分的乳酸菌被歸類在益生菌的類別,與其他微生物不同,乳酸菌可以分泌大量的乳酸並降低環境中的pH值。藉此,乳酸菌能夠排擠其他有害菌的生存空間並增強腸道中碳水化合物酵素的作用,使纖維的利用效率能進一步地提高。
  • 病原菌:腸道中常見的病原菌乃大腸桿菌(E. coli)、沙門氏菌(Salmonella spp.)及產氣莢膜梭菌(Clostridium perfringens)等。雖然並非所有的大腸桿菌都有害,但其大部分為伺機菌或病原菌。這些病原菌會破壞腸道上皮細胞並導致下痢。此外,其也會與宿主競爭養分並降低飼料效率。
  • 厚壁菌門(Firmicutes) vs.擬桿菌門(Bacteroidetes):最近幾年,因為微生物鑑定的技術愈發成熟,所以兩大類的微生物—厚壁菌門及擬桿菌門—被利用來作為動物健康評比的指標之一。厚壁菌在較為肥胖、食用較多動物性來源飼料的動物中有較高的比例;反之,擬桿菌的數量與攝入纖維含量有關,並在較為精瘦的動物中相對較多。

由上述可知,微生物的組成及其種類與動物的健康有關,並可以影響動物的體組成。腸道中微生物的主要能量來源為動物攝入的食物及宿主本身脫落的腸道上皮細胞。因此,透過改善飼料的組成可以改善動物的腸道菌相組成。

下痢與發炎因子

下痢是指腸腔中滲透壓過高致使大量水分從腸道上皮細胞轉移至腸腔的過程。主要的原因有三; 藥物或毒素干擾; 腸道上皮細胞壞死; 腸腔中未吸收的營養分濃度過高(營養性下痢)。當腸道受到病原菌的侵襲時,致病菌透過釋放毒素(例如: 霍亂弧菌)導致腸道中氯離子失衡而產生下痢;或直接攻擊腸道上皮細胞(例如:腸道出血性大腸桿菌O157:H7)而使其受損。

甫離乳仔豬常發生營養性下痢的情況,其原因為腸道中未被利用的營養分太多,導致腸腔滲透壓過高且微生物紊亂的問題。營養性下痢會導致飼料浪費、降低豬隻生長表現及小豬育成率。因此,在動物的飼糧中添加適量的有機酸或惰性纖維(不可發酵纖維)可以改善營養性下痢的狀況。

維持腸道健康與平衡

綜上所述,動物腸道與其健康有相當大的關連。降低有害因子(有害菌的數量)與增加有益因子(腸道屏障的強度或養分吸收的效率)可以提高動物腸道的健康。

  • 酵素:酵素被廣泛應用於動物飼料中,可以提高動物對飼料的利用效率。碳水化合物類酵素可以協助降解原先動物無法自行分解的纖維,並產生更多的益生質供腸道的益生菌生長,這些酵素包含木聚醣酶、纖維素酶及葡聚醣酶等。蛋白酶依其最適作用pH值可分為中性、酸性及鹼性蛋白酶等,其可以提高動物對飼料中蛋白質的利用率,並減少氨氣的排出。而酵素中產值最高,使用量最多的植酸酶則可以降解植物來源的植酸,提高動物對鈣磷等礦物質及胺基酸的利用效率,並可以促進動物的生產表現。諸如此類的酵素可以提高飼料原料的利用效率並降低不可吸收或不可分解的飼料原料在腸道中受到有害微生物發酵的機率。

  • 有機酸:有機酸可以透過飼料或飲水方式添加,主要的功能可以分為降低黴菌毒素危害、抗菌及維持腸道上皮細胞健康三種。 丙酸鈣可以藉由抑制黴菌的生長來抑制黴菌毒素的產生;而單月桂酸甘油酯及二甲酸鹽的協同作用可以破壞細菌細胞壁並使有害微生物死亡;有機酸能提供動物腸道上皮細胞約20-30%的能量,其中丁酸可以增強腸道上皮細胞的健康並降低腸道的發炎反應,而乙酸及丙酸則可以調節動物的食慾並作為能量使用。於飲水中添加有機酸除了可以達到上述效果外,同時也可以抑制輸水管線中生物膜的形成,達到一舉兩得的功效。

  • 纖維:除了於飼料或飲水中直接使用有機酸外,補充飼料中的纖維含量也可以增加腸道中有機酸濃度。透過動物腸道(尤其是盲腸)發酵後,部分的纖維可以被降解成有機酸並使腸道酸化。此外,於飼糧中添加惰性纖維也可以降低動物下痢的機率並將定殖於腸道中的有害菌排除。

結論

腸道機能的健全性與動物的健康息息相關。因此在動物飼料中使用有機酸、酵素或惰性纖維可以降低動物腸道中的病原菌並穩定動物的腸道菌相。透過功能性飼料添加物,可提升動物的生產性能並降低環境緊迫帶來的負面影響。

參考資料
  • Chuang, W.Y.; Liu, C.L.; Tsai, C.F.; Lin, W.C.; Chang, S.C.; Shih, H.D.; Shy, Y.M.; Lee T.T. 2020. Evaluation of waste mushroom compost as a feed supplement and its effects on the fat metabolism and anti-oxidant capacity of broilers. Animals. 10, 445.
  • Desai, M.S.; Seekatz, A.M.; Koropatkin, N.M.; Stappenbeck, T.S.; Martens, E.C. 2016. A Dietary fiber-deprived gut microbiota degrades the colonic mucus barrier and enhances pathogen susceptibility. Cell. 167, 1339-1353.
  • Hynd, P. I. 2019. Animal nutrition from theory to practice. CSIRO publishing.


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