一、化學(xué)益生素的定義
   
化學(xué)益生素一詞譯自“Probiotics”,也稱前生素、益生元等,是一種非消化性食物成分,到達(dá)后腸后可選擇性地為大腸內(nèi)的有益菌降解利用,卻不為有害菌所利用。它包括多種物質(zhì),如含氮多糖或寡糖、輔酶、某些氨基酸和維生素,甚至包括半纖維素和果膠等。但現(xiàn)在研究和應(yīng)用較多的為寡糖類物質(zhì),如低聚果糖(FOS)、甘露低聚糖(MOS)及異麥芽低聚糖(GOS)等,其中以甘露寡聚糖的研究最為深入。

    二、甘露寡聚糖的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)方法
   
MOS是由幾個(gè)甘露糖分子或甘露糖與葡萄糖通過(guò)α-12、α-13、α-16糖苷鍵組成的寡聚糖,目前廣泛使用的產(chǎn)品是通過(guò)發(fā)酵法從富含MOS的酵母細(xì)胞壁中提取的葡甘露聚糖蛋白復(fù)合物,約含30%的葡萄糖和30%的甘露糖。但由于受原材料來(lái)源、產(chǎn)量及雜質(zhì)含量的影響,以微生物細(xì)胞壁為原料來(lái)提取葡甘露寡聚糖受得率較低、過(guò)程較復(fù)雜等因素的限制。
   
魔芋是葡萄糖和甘露寡聚糖以2：3摩爾分子比例結(jié)合的多糖類物質(zhì)。其分子量在100萬(wàn)以上,是由β-1,4鍵結(jié)合而成的復(fù)合多糖,約50～60個(gè)糖分子單位出現(xiàn)一次分支。因此可以以魔芋為原材料,采用專一性酶技術(shù)制備功能性飼料添加劑-葡甘露寡聚糖,這樣為生產(chǎn)葡甘露寡聚糖提供了一種價(jià)廉、易得的原料。中科院微生物所研制的利用堿性β-甘露糖酶生產(chǎn)甘露寡聚糖,該項(xiàng)技術(shù)利用嗜堿菌的特殊機(jī)制及極端酶的特點(diǎn),用新的方法篩選分離了產(chǎn)生堿性β-甘露聚糖酶的嗜堿菌株,完成了菌種鑒定與系統(tǒng)發(fā)育分析、酶的生產(chǎn)條件、酶的純化與特性、酶基因的克隆表達(dá)與序列分析、酶的高產(chǎn)菌株選育、甘露寡糖的組分、結(jié)構(gòu)及生理功能分析,以及酶和甘露寡糖的工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)等涉及多學(xué)科的系統(tǒng)工程,結(jié)合極端菌及極端酶的特性,以新的方法解決了酶的堿、鹽、熱穩(wěn)定性、酶活力、寡糖生成率等本領(lǐng)域的多項(xiàng)難題,首次實(shí)現(xiàn)了極端β-甘露聚糖酶以及甘露寡糖的生產(chǎn)及應(yīng)用。

    三、甘露寡聚糖的作用機(jī)理
    1.促進(jìn)腸道內(nèi)有益菌群優(yōu)勢(shì)相的形成
田允波等(1999)指出,一般情況下,豬、雞腸道內(nèi)優(yōu)勢(shì)種群為厭氧菌(占99%以上,而需氧菌和兼性厭氧菌只占1%),其中主要是擬桿菌、雙歧桿菌及乳酸桿菌等。在正常情況下,動(dòng)物腸道內(nèi)菌群保持著動(dòng)態(tài)平衡,且微生物種群中的有益菌群對(duì)整個(gè)種群起決定作用;但由于現(xiàn)代的集約化飼養(yǎng),動(dòng)物應(yīng)激因素的刺激,會(huì)使原來(lái)的優(yōu)勢(shì)種群發(fā)生更替,而添加寡聚糖的目的就是為了恢復(fù)優(yōu)勢(shì)種群,使動(dòng)物處于正常生理狀態(tài)。
   
動(dòng)物分泌的消化酶如淀粉酶只消化α-1,4糖苷鍵,對(duì)于其它的鍵幾乎不起作用。甘露寡聚糖由于含有極少量的α-1,4糖苷鍵,因而不被動(dòng)物本身利用,而只被有益菌選擇性地利用,如乳酸桿菌、雙岐桿菌、梭狀芽孢桿菌等。同時(shí),由于甘露寡聚糖在這些酶的作用下被消化分解產(chǎn)生的丙酸、丁酸等VFA明顯增加,降低了腸道內(nèi)的pH值,從而抑制了對(duì)酸度敏感的大腸桿菌、沙門氏菌等有害菌的生長(zhǎng)。體外試驗(yàn)還表明,乳酸桿菌、雙岐桿菌等能產(chǎn)生細(xì)菌素類的物質(zhì),這些物質(zhì)對(duì)病源菌有抑制作用;Conway等發(fā)現(xiàn),從仔豬消化道中分離出的多種乳酸桿菌都能產(chǎn)生高分子代謝產(chǎn)物,它們可抑制一系列革蘭式陽(yáng)性和陰性病原體的生長(zhǎng)。此外,乳酸桿菌等有益菌對(duì)病原微生物有屏障作用,他們?cè)谀c道中通過(guò)磷壁酸與腸粘膜上皮細(xì)胞的相互作用密切結(jié)合,與其他的厭氧菌一起共同占據(jù)腸粘膜表面,形成一個(gè)生物學(xué)屏障,阻止致病菌、條件致病菌的定植和入侵,從而被競(jìng)爭(zhēng)性地排泄出體外。
    2.降低病原菌的致病力
   
Abraham和Sharon的研究表明,微生物病原性的第一步是結(jié)合在消化道粘膜表面。由于外源病原菌是在腸道內(nèi)大量繁殖后直接作用或通過(guò)產(chǎn)生毒素而導(dǎo)致動(dòng)物發(fā)病。因此,這種結(jié)合是許多外源性細(xì)菌病的促發(fā)因素。Morgan的研究表明,病原菌細(xì)胞表面或絨毛上具有類丁質(zhì)結(jié)構(gòu)(植物凝血素質(zhì)),它能識(shí)別動(dòng)物腸壁細(xì)胞上的“特異性糖類”受體,并易與受體結(jié)合,在腸壁上發(fā)育繁殖,導(dǎo)致腸道疾病的發(fā)生。糖結(jié)構(gòu)的多變性是決定結(jié)合作用的關(guān)鍵。由于病原菌的的結(jié)合受體具有特異性,因此,當(dāng)腸道中存在一定量的與這些病原菌結(jié)合受體結(jié)構(gòu)相識(shí)的MOS時(shí),MOS會(huì)競(jìng)爭(zhēng)性地與病原菌結(jié)合,而減少病原菌與腸粘膜上皮細(xì)胞結(jié)合的機(jī)會(huì),使其得不到所需的營(yíng)養(yǎng)而饑餓,甚至引起死亡,從而失去致病力。Mirelman(1980)進(jìn)行了MOS截取病原菌的試驗(yàn),用MOS可以截取50%以上的致病菌;Pusztai的試驗(yàn)也表明,用特定的糖來(lái)結(jié)合細(xì)菌的類丁質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)或用特定的類丁質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)合腸粘膜上皮細(xì)胞表面的糖質(zhì)或糖蛋白殘基,都可達(dá)到阻止細(xì)菌與粘膜的結(jié)合。
    3.結(jié)合吸收外源性病原菌
   
許多病原菌的細(xì)胞表面含有鍵合碳水化合物的蛋白質(zhì),稱為外源凝集素。它們可與消化道低聚糖結(jié)構(gòu)的受體結(jié)合,并附著在消化道粘膜表面,從而導(dǎo)致病原菌在腸道內(nèi)大量繁殖后直接作用或產(chǎn)生毒素而導(dǎo)致病變。MOS可與外源凝集素結(jié)合,從而破壞細(xì)胞的識(shí)別,進(jìn)而使病原菌不致于吸附到腸壁上;MOS又有不被消化道內(nèi)源酶分解的特點(diǎn),因此,MOS可攜病原菌通過(guò)腸道,防止病原菌在腸道內(nèi)繁殖。Oyofo(1989)報(bào)道,MOS同病原菌外源凝集素上的活性域結(jié)合后,它們就會(huì)失活,從而失去同腸粘膜上的MOS受體位點(diǎn)結(jié)合能力。Ofek(1977)報(bào)道,外加的MOS可同時(shí)與上皮細(xì)胞的MOS受體結(jié)合,當(dāng)MOS達(dá)一定濃度時(shí),可使腸道上皮的MOS受體位點(diǎn)飽和,即使病原菌已附在腸粘膜上皮上,MOS也可將它吸附下來(lái),即MOS可競(jìng)爭(zhēng)吸附病原菌。
    4.調(diào)節(jié)機(jī)體免疫系統(tǒng),提高動(dòng)物免疫力
   
消化道免疫占動(dòng)物免疫系統(tǒng)的很大部分,因而能對(duì)消化道起到很好的保護(hù)作用。大約體內(nèi)3/4的免疫細(xì)胞分布在腸淋巴組織(GALT)內(nèi),GALT可以提供特異性和非特異性免疫防護(hù)作用:由于巨噬細(xì)胞具有吞噬和殺滅侵入體內(nèi)的病原微生物的作用,所以非特異性免疫系統(tǒng)在動(dòng)物早期的抵抗細(xì)菌過(guò)程中至關(guān)重要,MOS可以顯著激活豬、狗和大鼠等巨噬細(xì)胞的活性。消化道內(nèi)特異性免疫反應(yīng)是由抗體(IgA)系統(tǒng)完成,而腸道粘膜內(nèi)的IgA抗體是通過(guò)阻止細(xì)菌或有毒物質(zhì)在小腸上皮細(xì)胞的附著和定植來(lái)實(shí)現(xiàn)其防御功能的。另外,腸道粘膜內(nèi)的IgA抗體還可通過(guò)其自身產(chǎn)生的抗體細(xì)胞毒素直接殺滅細(xì)菌。Savage(1996)報(bào)道,甘露寡糖可顯著提高火雞血清IgA、IgG的水平。
   
Lotter(1996)報(bào)道,口服甘露寡糖能顯著提高哺乳仔豬植物凝集素和淋巴細(xì)胞的轉(zhuǎn)化率、白細(xì)胞的吞噬能力。Cotter等(1997)觀察到日糧中添加甘露寡聚糖后,雞肉垂對(duì)PHA的反應(yīng)顯著加強(qiáng),并顯著提高雞血清SOD和GSH-Px活性;Yoshida等(1995)報(bào)道,甘露寡聚糖能顯著提高鯰魚(yú)的細(xì)胞活性;Savage等(1996)報(bào)道,火雞飼喂甘露寡聚糖后膽汁分泌IgA增多,血液IgG水平顯著上升。Spring
等(1998)和Carra(1998)分別報(bào)道,甘露寡聚糖可增強(qiáng)仔豬和狗的細(xì)胞免疫和體液免疫功能;邵良平等(1999)也研究了不同劑量的甘露寡聚糖對(duì)雞血液中細(xì)胞免疫的影響(表1)。

表1 不同劑量甘露寡聚糖對(duì)雞血液細(xì)胞吞噬功能和PHA淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率的影響(%)
寡聚糖的添加量 數(shù)量(只) 白細(xì)胞吞噬率 PHA淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率
    0g/kg         15     23.6±1.647     43.8±1.814
    2g/kg         15     25.3±1.974     47.1±3.071
    4g/kg         15     27.6±0.966     47.8±2.251

    四、甘露寡聚糖在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)中的應(yīng)用
    1. MOS在養(yǎng)禽業(yè)中的應(yīng)用
   
MOS提高肉雞的日增重及飼料轉(zhuǎn)化率,從而提高其經(jīng)濟(jì)效益。T.Plyons(1994)在肉仔雞的育雛、生長(zhǎng)雞等階段分別添加了MOS,結(jié)果表明,與對(duì)照組(飼糧中不添加MOS)相比,試驗(yàn)組經(jīng)濟(jì)效益約提高5%;甘露寡聚糖對(duì)肉鴨生產(chǎn)性能的影響,研究(宋勇,2002)表明:日糧中添加甘露寡聚糖可顯著提高肉鴨的日增重,其中以0.1%的添加量效果最好;此外MOS對(duì)禽蛋組分也有一定的影響。Stanley等(1996)報(bào)道,添加了甘露寡聚糖的實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相比,雞蛋中膽固醇量降低了20.1%。
   
MOS對(duì)火雞的生長(zhǎng)性能影響十分明顯。據(jù)Olsen(1995)報(bào)道,MOS對(duì)火雞具有提高體增重及降低淘汰率的作用;Savage及Zakrzewska(1997)試驗(yàn)指出,MOS也有提高中火雞生產(chǎn)性能的作用。其原因可能在于MOS可使火雞小腸絨毛變長(zhǎng)及雞小囊變淺,對(duì)家禽而言,腸維持所需的蛋白和能量較多,快速生長(zhǎng)肉雞的合成蛋白質(zhì)的12%用于消化道,腸絨毛變長(zhǎng)意味著增大了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收面積,雞小囊變淺說(shuō)明組織代謝變慢以及新組織需要減少,組織代謝變慢就意味著維持所需的營(yíng)養(yǎng)減少,動(dòng)物生產(chǎn)效率提高(Spring
等,1996)。
   
MOS可明顯改善飼料品質(zhì),由于MOS可通過(guò)物理吸附或直接與霉菌毒素結(jié)合,并不破壞毒素的化學(xué)結(jié)構(gòu),因此飼料成分不受影響。Trenholm(1998)的研究表明,MOS可結(jié)合玉米赤霉烯酮;Raju(1998)模擬肉雞消化道體外試驗(yàn)表明,MOS對(duì)黃曲霉毒素、玉米赤霉烯酮和豬曲霉毒素的結(jié)合率分別為88.5%,51.6%和26.4%。Mahesh等(1996)體外試驗(yàn)表明,高劑量的MOS與硅酸鈣鈉鹽對(duì)家禽飼料中AF結(jié)合率均高于80%。
    2.甘露寡聚糖在仔豬上的應(yīng)用
   
由于成年單胃動(dòng)物的胃腸道微生物區(qū)系一經(jīng)建立就難以改變,因此許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,甘露寡聚糖對(duì)生長(zhǎng)肥育豬的作用不大,但對(duì)腸道微生物區(qū)系尚未健全的仔豬作用很大,并能部分或完全取代抗生素。Bolduan(1997)報(bào)道,在5周齡斷奶仔豬日糧中添加0.2%Bio-Mos(生物性甘露低聚糖)可有效控制仔豬腹瀉。
Peter等(1998)研究了MOS對(duì)仔豬免疫系統(tǒng)的影響,其結(jié)果表明,當(dāng)以胰膽汁、腸系膜及血清中IgA、IgG和IgM為衡量標(biāo)準(zhǔn)時(shí),飼喂MOS的無(wú)菌仔豬膽汁中Ig水平差異不顯著(p
>0.05)但實(shí)驗(yàn)組(飼喂添加MOS飼料的常規(guī)仔豬)的血清及腸粘膜中的Ig量顯著高于對(duì)照組,此外,MOS還可顯著提高無(wú)菌動(dòng)物腸粘膜及血清中Ig水平。
   
MOS可增強(qiáng)淋巴細(xì)胞對(duì)細(xì)胞素的釋放。Peter等(1998)的研究表明,添加MOS可提高仔豬血液中白細(xì)胞介素2(IL-2)的水平,增強(qiáng)T淋巴細(xì)胞功能和小腸原始淋巴細(xì)胞的活性。此外,MOS還可促進(jìn)激活的淋巴細(xì)胞釋放IFY-γ細(xì)胞素,I-FY-γ可促使巨噬細(xì)胞、體液及蛋白質(zhì)移向感染部位并激活巨噬細(xì)胞,從而使其能殺死吞噬的病原菌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,MOS還可增強(qiáng)小腸內(nèi)白細(xì)胞的吞噬能力,以進(jìn)一步增強(qiáng)其抗病源菌的能力。這對(duì)微生物區(qū)系未建立的仔豬來(lái)講尤為重要。
   
MOS可提高仔豬的日增重及飼料轉(zhuǎn)化率。據(jù)Vander(1997)報(bào)道,用MOS處理1～49日齡的仔豬,結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相比飼料轉(zhuǎn)化率提高約5%,日增重提高約7%。Dvorak(1998)在有、無(wú)抗生素存在的情況下添加MOS,均可提高斷奶仔豬的日增重。
    3.MOS在幼齡反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用
   
成年反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)存在大量的降解碳水化合物的酶,因而對(duì)成年反芻動(dòng)物應(yīng)用MOS作用不大。研究表明,MOS可提高初生犢牛的增長(zhǎng)速度、降低胃腸道疾病的發(fā)生率。Newman等(1993)在1～35日齡的出生犢牛的飲水中添加MOS,實(shí)驗(yàn)組的生長(zhǎng)速度與對(duì)照組相比提高8%,同時(shí)采食量提高約10%,差異顯著(p<0.05)。D.Dildey等(1997)在1～56日齡的幼齡犢牛的牛奶中添加MOS(其中1～5日齡添加量為4g/d,6～56日齡添加量為2g/d),實(shí)驗(yàn)組(攝食添加MOS的奶犢牛)平均日增重顯著高于對(duì)照組(p<0.05)同時(shí),實(shí)驗(yàn)組耗用的藥費(fèi)也大大降低。進(jìn)一步研究表明,其生長(zhǎng)速度的提高與初生犢牛腹瀉病的減少有關(guān)。

    五、影響甘露寡聚糖作用效果的因素
    1.甘露寡聚糖的生產(chǎn)
   
目前所使用的寡聚糖產(chǎn)品大多為混合物且來(lái)源不同,產(chǎn)品中含有不同的寡糖、同種寡糖的不同聚合度,但糖、多糖及非糖類物質(zhì)等可能是造成試驗(yàn)結(jié)果不一致的主要原因。葡甘露寡糖和葡甘露聚糖的區(qū)別就是很好的例證。高聚合度的葡甘露聚糖以粘附病原菌為主,而葡甘露寡糖以增殖有益菌(雙歧桿菌)為主。
    2.甘露寡聚糖的添加量
   
甘露寡聚糖對(duì)腸道細(xì)菌所起的增殖、排阻、免疫功能必須有一定的濃度。如果添加量不足,則起不到明顯的效果;如果添加量過(guò)度,則不但增加飼料成本,起不到增加有益菌增殖、提高免疫的效果,甚至還可能造成腹瀉。
    3.日糧的組成
   
飼料中天然存在的寡聚糖對(duì)甘露寡聚糖的添加量和添加效果可產(chǎn)生一定的影響。在常用的飼料原料中,玉米中的非消化型寡糖(NDO)含量很低,大麥、小麥、大豆產(chǎn)品中含有大量的NDO如棉籽糖和水蘇糖。因此,大麥、小麥、豆餅中寡聚糖的“掩蓋效應(yīng)和稀釋效應(yīng)”可能對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有影響(Gabert等,1994)。同時(shí),天然飼糧中含有微生物,這給寡聚糖的有效作用發(fā)揮創(chuàng)造了條件;在無(wú)微生物的飼糧條件下,寡聚糖難以發(fā)揮其增加有效菌和抑制有害菌的效果或者效果不明顯,這與腸道中的微生物與飼糧的供給有關(guān)。
    4.飼養(yǎng)環(huán)境
   
在良好的飼養(yǎng)條件下,日糧中添加甘露寡聚糖可能無(wú)顯著效果,只有當(dāng)生產(chǎn)性能受腸道因素影響較大時(shí),他們才表現(xiàn)出顯著的促生長(zhǎng)作用(Cole,1991;Ravindran和Kornegay,1993;Rosen,1995)。Nakamura(1988)在不同飼養(yǎng)環(huán)境下給仔豬添加0.3%的寡聚糖試驗(yàn)表明:在實(shí)際生產(chǎn)廠,仔豬體增重13%,而在有嚴(yán)格衛(wèi)生條件的飼養(yǎng)場(chǎng),仔豬體增重僅為4%。這說(shuō)明寡聚糖的添加效果受環(huán)境衛(wèi)生條件的影響。
    5.其它因素
   
和飼料中其他營(yíng)養(yǎng)因素一樣,動(dòng)物對(duì)寡聚糖的添加有一個(gè)適應(yīng)期,Houdijk等(1998)報(bào)道,在斷奶仔豬日糧中添加FOS,發(fā)現(xiàn)前三周對(duì)生長(zhǎng)有抑制作用,但后三周有促進(jìn)作用,彌補(bǔ)了前三周帶來(lái)的損失。原因可能和腸道細(xì)菌的適應(yīng)性有關(guān)。甘露寡聚糖的這方面報(bào)道未見(jiàn)發(fā)表。
    (參考文獻(xiàn)略)