《Journal of Animal Science and Biotechnology》：Integrated gut metagenomic and muscle proteomic analysis reveals the role of dietary fermented extruded brewers’ spent grain in enhancing pork quality through the gut-muscle axis
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本研究旨在探究发酵挤压啤酒糟（fermented extruded brewers' spent grain, FEBSG）对生长育肥猪肌肉品质的影响及其调控机制。啤酒糟（brewers' spent grain, BSG）是啤酒酿造的主要副产物，中国年产量约
本研究旨在探究发酵挤压啤酒糟（fermented extruded brewers' spent grain, FEBSG）对生长育肥猪肌肉品质的影响及其调控机制。啤酒糟（brewers' spent grain, BSG）是啤酒酿造的主要副产物，中国年产量约200万吨，富含动物所需营养素，是一种经济有效的饲料原料。然而，高水分含量和高纤维导致的抗降解性限制了其大规模应用。研究人员前期研究表明，挤压预处理联合益生菌固态发酵可破坏BSG的抗降解屏障结构，改善其消化率和营养价值。随着经济增长和生活水平提高，优质猪肉需求日益增长，但集约化养殖追求生产力和瘦肉率对猪肉品质造成负面影响。营养调控，特别是发酵饲料的应用，已成为改善动物性能和产品品质的有效策略。本研究通过整合肠道宏基因组学和肌肉蛋白质组学，旨在阐明FEBSG如何通过调控肠-肌轴（gut-muscle axis）及激活AMPK/PGC-1α/TFAM信号通路来改善猪肉品质，同时提出减少豆粕（soybean meal, SBM）依赖的可持续饲料策略。研究采用60头杜洛克×长白×大白杂交猪（52.25±2.10 kg），随机分为5组，以FEBSG替代0、5%、10%、15%和20%的SBM，试验期10周。
本研究发表于《Journal of Animal Science and Biotechnology》，旨在探讨发酵挤压啤酒糟（FEBSG）替代豆粕（SBM）对生长育肥猪生长性能、胴体性状及肌肉品质的调控效应，并基于肠-肌轴（gut-muscle axis）机制解析其作用原理。
**研究背景与问题提出**
猪肉作为全球广泛消费的动物性蛋白来源，其品质评价涵盖感官品质、肉色、营养价值、pH值、肌内脂肪及风味物质含量等复杂性状。消费者选购时关注肉色、新鲜度、瘦肉率及滴水损失等视觉指标，食用时则重视滋味、嫩度和多汁性。然而，集约化养殖模式追求生产效率和瘦肉产量，导致猪肉品质下降，难以满足市场需求。营养调控是改善畜产品品质的重要途径，发酵饲料因其含有益生菌及其生物活性代谢物，可促进动物生长、增强免疫功能、提高养分吸收和饲料效率。啤酒糟（BSG）作为啤酒酿造的主要副产品，中国年产量约200万吨，富含营养素且具有成本优势，但其高水分含量和高纤维导致的抗降解性限制了其饲料化利用。前期研究表明，挤压预处理联合益生菌固态发酵可有效破坏BSG的抗降解结构，提升其营养价值。此外，肠道微生物与宿主骨骼肌之间的相互作用——即肠-肌轴——日益受到关注，肠道微生物产生的短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）、氨基酸等活性代谢物可调控宿主代谢、炎症反应、线粒体功能及肌纤维组成。然而，益生菌发酵农业副产物改善猪肉品质的具体机制尚不明确。在此背景下，研究人员开展本项研究，以期为缓解人畜争粮矛盾、开发可持续饲料策略提供理论依据。
**研究设计**
研究人员采用60头110日龄、体重52.25±2.09 kg的杜洛克×长白×大白三元杂交猪（公母各半），随机分配至5个处理组，分别用FEBSG替代基础饲粮中0%（对照组）、5%、10%、15%和20%的SBM，试验期10周。FEBSG由挤压啤酒糟与10%小麦麸混合基质，接种枯草芽孢杆菌（Bacillus safensis SCYA3、Bacillus subtilis SCYA6）与热带假丝酵母（Candida tropicalis SCYA4）复合菌剂（3:2:1），34°C厌氧发酵7天制得。试验结束后，每组选取6头猪屠宰采样，采集结肠食糜用于微生物组学和挥发性脂肪酸分析，采集背最长肌（longissimus thoracis, LT）用于品质测定、组织学分析、蛋白质组学及相关分子检测。
**主要技术方法**
研究采用的主要关键技术包括：（1）TMT标记定量蛋白质组学技术，用于比较20% FEBSG组与对照组肌肉蛋白质表达差异；（2）全基因组鸟枪法宏基因组测序技术，基于Illumina PE150平台分析结肠微生物群落组成及功能，使用Megahit进行序列拼接，MetaGeneMark进行基因预测，KEGG和CAZymes数据库进行功能注释；（3）电子舌系统（Alpha MOS）进行滋味特性评价；（4）组织化学染色（H&E）与免疫荧光技术（慢肌MyHC和快肌MyHC抗体标记）分析肌纤维类型与密度；（5）实时荧光定量PCR检测肌纤维类型转化及线粒体生物发生相关基因表达；（6）气相色谱法测定结肠挥发性脂肪酸含量；（7）Mantel检验和相关性分析整合多组学数据。
**研究结果**
**生长性能与胴体性状**：与对照组相比，20% FEBSG显著提高终末体重、平均日采食量和平均日增重，降低料肉比（P<0.05）；15%和20% FEBSG显著提高胴体重、眼肌面积和肌内脂肪含量，降低滴水损失和剪切力（P<0.05）。
**肉品质**：15%和20% FEBSG组肉色红度值（a
*）和肌内脂肪含量显著升高，滴水损失显著降低；20% FEBSG组烹饪损失和剪切力显著降低，大理石纹评分显著提高（P<0.05）。
**氨基酸、滋味特性与脂肪酸组成**：15%和20% FEBSG组风味相关氨基酸含量显著升高（P<0.05）；电子舌分析显示15%和20% FEBSG组鲜味和甜味特征改善。15%和20% FEBSG组油酸（C18:1n9c）、单不饱和脂肪酸（monounsaturated fatty acid, MUFA）、多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid, PUFA）及n-6 PUFA含量显著升高（P<0.05），15% FEBSG组PUFA/SFA比值显著高于对照组。
**肌纤维特征与类型转化**：10%、15%和20% FEBSG组肌纤维直径显著减小、密度显著增加（P<0.05）；MyHC I和MyHC IIa mRNA表达水平显著上调，20% FEBSG组MyHC IIb mRNA表达显著下调（P<0.05）。免疫荧光结果显示15%和20% FEBSG组快肌纤维比例显著降低、慢肌纤维比例显著升高（P<0.05）。代谢酶活性方面，15%和20% FEBSG组乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase, LDH）活性显著降低，SDH活性显著升高（P<0.05）。
**AMPK信号通路与线粒体生物发生相关基因表达**：15%和20% FEBSG组过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha, PGC-1α）、AMP活化蛋白激酶α1（AMP-activated protein kinase α1, AMPKα1）、沉默信息调节因子1（sirtuin 1, SIRT1）、线粒体转录因子A（mitochondrial transcription factor A, TFAM）及核呼吸因子1（nuclear respiratory factor 1, NRF-1）基因表达显著上调（P<0.05）。
**肌肉蛋白质组学分析**：TMT定量蛋白质组学分析鉴定出69个差异表达蛋白，其中18个上调、51个下调。上调的肌钙蛋白C（TNNC1）、肌钙蛋白T（TNNT3）及琥珀酸脱氢酶（SDHA）与肉色和嫩度相关；组蛋白去乙酰化酶4（HDAC4）下调。KEGG通路富集分析显示差异表达蛋白主要集中在氨基酸生物合成、谷胱甘肽代谢、AMPK信号通路、PPAR信号通路及肌动蛋白细胞骨架调控等通路。
**结肠宏基因组学分析**：20% FEBSG组较对照组Unigenes数量显著增加，PCoA分析显示两组细菌群落组成显著分离，α多样性指数（observed_species和Chao1）显著升高。在门水平上，厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）为优势菌群；在属水平上，梭菌属（Clostridium）、普雷沃氏菌属（Prevotella）、巴通体属（Bartonella）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）、粪杆菌属（Faecalibacterium）和乳杆菌属（Lactobacillus）丰度显著富集。功能注释显示碳水化合物代谢和氨基酸代谢相关通路活跃。
**短链脂肪酸分析**：20% FEBSG组结肠食糜中乙酸（acetic acid, AA）、丁酸（butyric acid, BA）和异丁酸（isobutyric acid, IBA）含量显著升高（P<0.05）。
**多组学相关性分析**：Mantel检验显示菌群α多样性与pH
24h、剪切力、肌内脂肪等肉品质性状相关。优势菌属与差异表达蛋白、挥发性脂肪酸、肌纤维特征及AMPK/PGC-1α/TFAM信号通路关键基因存在显著相关性。TNNC1、SDHA、TNNT3与MyHC IIa和PGC-1α正相关，与MyHC IIb和USP5负相关；BA与TNNC1、MyHC IIa、PGC-1α、SIRT1和NRF-1正相关，与BAG5和MyHC IIb负相关。
**讨论部分总结**
研究人员在讨论中指出，FEBSG替代SBM可改善生长育肥猪的生长性能和胴体性状，这与微生物发酵饲料降解抗营养因子、改善肠道健康的机制相符。在肉品质方面，20% FEBSG显著改善肉色、大理石纹、嫩度和风味物质组成，这归因于益生菌代谢产物的生物活性作用。肌纤维特征分析表明，FEBSG通过减小肌纤维直径、增加纤维密度、促进慢肌纤维类型转化（MyHC I和MyHC IIa上调、MyHC IIb下调）来改善肌肉保水性、嫩度和肉色，这一过程与SDH活性升高和LDH活性降低所反映的氧化代谢增强一致。
在分子机制层面，FEBSG激活AMPK/PGC-1α/TFAM信号通路，促进线粒体生物发生和慢肌纤维发育。蛋白质组学揭示的差异表达蛋白——如TNNC1、TNNT3作为肉色和嫩度的潜在标志物，SDHA作为线粒体功能关键亚基，以及HDAC4通过调控PGC-1α影响肌肉代谢——共同参与了品质调控。这些蛋白富集的AMPK、PPAR等信号通路进一步印证了肌肉代谢和品质的调控网络。
肠-肌轴机制方面，宏基因组学揭示FEBSG显著富集SCFAs产生菌——梭菌属、普雷沃氏菌属、乳杆菌属等。这些菌群代谢产生的乙酸、丁酸等SCFAs可磷酸化激活AMPK，进而激活下游PGC-1α和SIRT1，驱动线粒体生物发生和慢肌纤维转化。多组学相关性分析证实了优势菌属、SCFAs、差异表达蛋白与肌纤维特征及AMPK信号通路之间的关联，形成了"菌群-SCFAs-肌肉信号-品质改善"的完整调控链条。
**研究结论**
本研究证实，在生长育肥猪饲粮中用FEBSG部分替代SBM可改善生长性能、胴体性状和肉品质。综合评估表明，20% FEBSG为最佳添加水平。机制上，饲粮添加FEBSG通过肠-肌轴激活肌肉AMPK/PGC-1α/TFAM信号通路，促进线粒体生物发生、肌肉发育、肌纤维类型转化和肌肉代谢，从而改善猪肉品质。该研究为理解益生菌发酵农业副产物改善猪肉品质的机制提供了重要证据，同时提出的饲料配方为缓解人畜争粮矛盾、减轻豆粕资源紧张提供了新思路。
