低聚木糖的生產(chǎn)及其對動物腸道功能的影響

陳 帆

（四川省洪雅縣畜牧獸醫(yī)局，四川 洪雅 620360）

近年來，人們對低聚糖的生產(chǎn)與應(yīng)用研究越來越多，已有多種低聚糖投入了工業(yè)生產(chǎn)并應(yīng)用于保健食品和飼料添加劑中，低聚木糖是其中的一種。與其他低聚糖相比，低聚木糖具有增殖雙歧桿菌、用量小、耐酸、耐熱、降低水分活度和防止凍結(jié)等特點(diǎn)。

1 低聚木糖概述

功能性低聚木糖主要是由2～7個木糖通過β－1，4糖苷鍵連接而成的低聚糖，其有效成分主要為木二糖和木三糖。其中木二糖的甜度為蔗糖的40%，含量為50%的低聚木糖產(chǎn)品的甜度約為蔗糖的30%，甜味純正，類似蔗糖。低聚木糖漿液的黏度很低，且隨溫度升高而迅速下降。在自然界中，竹筍等天然植物中含有少量的低聚木糖。另外，一部分植物半纖維素在人體大腸內(nèi)也可以被分解轉(zhuǎn)化為低聚木糖。

2 低聚木糖的生產(chǎn)

目前，低聚木糖一般以富含木聚糖的農(nóng)業(yè)廢料如玉米芯、蔗渣、棉籽殼、麩皮及農(nóng)作物秸稈等為原料，這些原料中含有豐富的木聚糖半纖維，來源廣泛，價格低廉，通過合理開發(fā)，充分利用，可以減少污染，變廢為寶。在這些原料中，又以玉米芯中的木聚糖含量最高，所以在實(shí)驗(yàn)和工業(yè)化生產(chǎn)中，以玉米芯作為原料的居多。低聚木糖的制備主要采用多糖降解的方法，一般可分為以下四種：酸水解法；熱水抽提（包括蒸汽爆破）法；微波降解法；酶水解法。酸水解、高溫蒸煮、熱水抽提（包括蒸汽爆破）等方法條件劇烈，木聚糖的降解速度和程度難以控制，常伴隨劇烈的副反應(yīng)，產(chǎn)物成分復(fù)雜、色澤重，低聚糖的提取精制工藝繁瑣且要求高，產(chǎn)品得率低，不利于生產(chǎn)。在工業(yè)化生產(chǎn)中，現(xiàn)在一般采用的是先以蒸煮法提取木聚糖，再加酶水解提取低聚木糖。低聚木糖的酶法生產(chǎn)過程包括以下幾步：木聚糖的提取，酶解，低聚木糖的分離和純化。

常用的木聚糖的提取方法主要有以下兩種：（1）堿法提取。堿處理主要是用NaOH或KOH處理纖維質(zhì)原料，通常所用堿的濃度為2%～18%，其濃度視植物材料而異，一般為10%。木聚糖溶于堿液，濾去不溶物，用酸中和后再用一定體積的95%乙醇沉淀，離心取沉淀，冷凍干燥，即得到木聚糖。（2）蒸煮法提取。在高溫下作用，木聚糖自身含有的乙?；撀湫纬梢宜?，使體系pH值降低，從而使木聚糖β－1，4糖苷鍵在較高溫度下發(fā)生斷裂，發(fā)生自水解，木聚糖分子量降低，溶解度增大。

低聚木糖的主要功能性成分是木二糖和木三糖。在酶法生產(chǎn)低聚木糖的過程中，要獲得木二糖與木三糖含量高的低聚木搪產(chǎn)品，木聚糖的水解相當(dāng)重要。對酶解過程有重大影響的因素有水解溫度、時間、pH值及酶用量等。據(jù)報道，不同來源的木聚糖酶在溫度為50℃左右，pH值大約在5～6之間效果較好。水解時間與酶用量有關(guān)，加酶量大，水解時間短，反之，時間延長。酶解后的水解液除了含有低聚木糖外，還含有木糖、葡萄糖等單糖，此外還有酶蛋白、果膠、色素等雜質(zhì)。需要經(jīng)過復(fù)雜的凈化過程才能得到純度較高的低聚木糖。水解液處理過程主要包括除雜、脫色、脫鹽、濃縮及干燥等。

3 低聚木糖對動物腸道功能的影響

3.1 對腸道菌群的影響

3.1.1 動物腸道菌群的特點(diǎn) 畜禽腸道中存在大量的微生物，它們對腸道組織的形態(tài)、功能和營養(yǎng)物質(zhì)的代謝有極大影響。建立良好的腸道微生物區(qū)系，有助于提高動物生產(chǎn)性能及飼料轉(zhuǎn)化率。正常情況下，腸道菌群在數(shù)量、種類以及定植部位上保持平衡，當(dāng)該種平衡遭到破壞時，就會抑制畜禽的生長，使動物對疾病敏感。藥物特別是廣譜性抗菌藥物，在殺滅病原菌的同時，也會抑殺人類和動物胃腸道內(nèi)的有益菌群，造成機(jī)體內(nèi)菌群失調(diào)，從而誘發(fā)消化功能紊亂。因此如果能創(chuàng)造條件，調(diào)整腸道內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)，使腸道內(nèi)雙歧桿菌等有益菌處于一種優(yōu)勢狀態(tài)，將對動物健康十分有利，從而提高動物的生產(chǎn)性能和降低飼養(yǎng)用藥量。

目前，動物體內(nèi)雙歧桿菌等有益菌的增殖方法主要有：在飼料中添加微生態(tài)制劑（益生素）和攝入功能性低聚糖使其在腸道內(nèi)自然增殖。但是微生態(tài)制劑在保存和飼用方面會受到空氣、胃酸、膽汁及抗生素等因素的影響，無法達(dá)到應(yīng)有的效果。而人工培養(yǎng)的雙歧桿菌與動物腸道內(nèi)的天然菌群是否具有同樣的功效以及對動物的遺傳是否會有影響也是一個未知數(shù)。因此，通過攝入功能性低聚糖來促使腸內(nèi)雙岐桿菌的自然增殖更切實(shí)可行，安全可靠。目前，在動物營養(yǎng)中研究較多的功能型低聚糖主要有低聚果糖（FOS）、低聚異麥芽糖、低聚甘露糖（MOS）、低聚乳糖（GAS）、低聚木糖（XOS）等。

3.1.2 增殖有益菌 低聚木糖對腸道內(nèi)雙歧桿菌有高選擇性的增殖效果。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，除青春雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌和長雙歧桿菌外，大多數(shù)腸道細(xì)菌對低聚木糖的利用都很差，兩歧雙歧桿菌對低聚木糖的轉(zhuǎn)化率與對葡萄糖的相近。低聚木糖對雙歧桿菌的增殖作用高于其他功能性低聚糖，它具有添加量少而對雙歧桿菌增殖效果好的特點(diǎn)。有研究表明，低聚木糖對雙歧桿菌的增殖效果是其他寡聚糖的20倍以上。蔣正宇等（2005）在飼料中添加0.02%低聚木糖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可顯著提高肉雞空腸的乳酸菌數(shù)（19.89%），而且低聚木糖與抗生素及益生菌聯(lián)用均有效地促進(jìn)了空腸乳酸菌的增殖。Hsu等（2004）在飼料中添加XOS和FOS飼喂大鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)均顯著降低了盲腸的pH值和增加了雙歧桿菌的數(shù)量，而且XOS的效果優(yōu)于FOS，但對產(chǎn)氣莢膜桿菌的數(shù)量影響不大。人的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，人體每天食用0.7g低聚木糖，14d后，雙歧桿菌所占比例由8.5%提高到17.9%，21d后，雙歧桿菌所占比例提高到26.2%。其添加量為目前在養(yǎng)殖業(yè)中廣泛應(yīng)用的低聚異麥芽糖的1/20，為低聚果糖的1/7至1/10。因此，低聚木糖作為飼料添加劑具有添加量少、成本低而養(yǎng)殖效益高的優(yōu)點(diǎn)。

3.1.3 抑制有害菌 有研究表明,寡聚糖在增殖雙歧桿菌等有益菌的同時，還通過其發(fā)酵產(chǎn)物來抑制其他病原菌的繁殖。關(guān)于低聚木糖的報道比較少。Sisak（1994）研究表明，日糧中添加0.1%MOS后，仔雞盲腸、屠體中沙門氏菌的檢出率極顯著低于對照組。但有報道表明，在肉仔雞日糧中添加0.375%FOS，對沙門氏桿菌污染的抵抗作用很小。

腸道有益菌利用寡聚糖類物質(zhì)大量增殖，形成微生態(tài)競爭優(yōu)勢，同時通過兩個方面來抑制有害菌的增殖。其一是產(chǎn)酸抑制。腸道有益菌如雙歧桿菌，通過對低聚木糖等寡聚糖的酵解，產(chǎn)生乙酸、L（+）－乳酸和甲酸等短鏈脂肪酸（SCFA），從而降低腸道環(huán)境中的pH值，抑制致病菌和腐敗菌增殖。其二是競爭作用。研究表明:微生物致病的第一步是結(jié)合在消化道的腸黏膜表面，然后再繁殖，進(jìn)而導(dǎo)致動物生?。˙eachey，1981；Roerts，1984；Ofek 和 Sharon，1990）。Morgan（1992）認(rèn)為這種結(jié)合是特異性的，其機(jī)理為細(xì)菌細(xì)胞壁表面蛋白（如植物凝血素）與動物腸黏膜上皮細(xì)胞表面糖脂或糖蛋白的糖殘基結(jié)合。Pusztai（1991）通過實(shí)驗(yàn)演示證明，用特定糖來結(jié)合細(xì)菌的植物凝血素，或用特定植物凝血素來結(jié)合腸黏膜上皮細(xì)胞表面糖脂或糖蛋白的糖殘基，都可以阻止細(xì)菌與腸黏膜的結(jié)合。當(dāng)腸內(nèi)有一定量的寡聚糖時，植物凝血素與之結(jié)合，減少細(xì)菌與腸黏膜結(jié)合的機(jī)會，甚至將巳與植物凝血素結(jié)合的腸黏膜細(xì)胞的糖基部分置換出來，這樣就使腸道致病菌不能結(jié)合到腸黏膜細(xì)胞上，從而降低或失去致病力。此外，低聚木糖對病原菌有較強(qiáng)的吸附力，如大腸桿菌、腸炎門氏菌、肺炎克雷伯氏菌、嗜水氣單胞菌等都能吸附到低聚木糖上，由于低聚木糖不被腸道中的消化酶所降解，因此可以攜帶附著的病原菌通過腸道排出體外，達(dá)到防止腹瀉的目的。

3.2 對腸道組織形態(tài)的影響 日糧中添加寡聚糖后，盲腸丁酸濃度上升，SCFA含量上升，pH值降低，盲腸總重及盲腸壁重增加。結(jié)腸細(xì)胞生長的營養(yǎng)物質(zhì)主要來源于細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA，而丁酸氧化提供了結(jié)腸組織生長所需能量的70%。因此寡糖可能是通過腸道細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA來促進(jìn)黏膜細(xì)胞增殖的。黨國華（2004）通過在日糧添加0.01%、0.02%低聚木糖，發(fā)現(xiàn)可顯著提高21日齡肉仔雞的回腸、盲腸和直腸的相對長度，0.02%低聚木糖還顯著提高了40日齡肉仔雞的盲腸和直腸的相對重量和相對長度。此外，添加低聚木糖后對肉仔雞空腸的形態(tài)結(jié)構(gòu)沒有明顯影響，但有提高盲腸絨毛高度、腸壁厚度和絨毛高度/隱窩深度比（V/C）以及降低隱窩深度的趨勢。

XU等（2002）研究發(fā)現(xiàn)，在生長豬日糧中添加FOS，可以使空腸黏膜上的絨毛高度、絨毛高度與隱窩深度比值均顯著大于對照組。Iji等（2001）在肉雞日糧中添加0.1%MOS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)0.5%MOS可使肉雞空腸絨毛顯著增長，0.3%和0.5%MOS能顯著增加回腸黏膜重；0.1%MOS的空腸黏膜勻漿物中的蛋白質(zhì)/DNA比率、回腸勻漿物中蛋白質(zhì)/RNA比率和RNA/DNA比率均顯著高于對照組。

3.3 對腸道酶的影響 研究表明，寡聚糖添加劑不僅能促進(jìn)動物腸道上皮細(xì)胞的生長，還能提高腸道內(nèi)源酶的活力。不過關(guān)于低聚木糖的研究卻比較少見。Xu等（2002）研究發(fā)現(xiàn)，在生長豬日糧中添加FOS可使小腸內(nèi)容物中總蛋白酶、胰蛋白酶和淀粉酶活力顯著增高，但對脂肪酶活力和胰腺中各種消化酶活力的影響均不顯著。Iji等（2001）在肉雞日糧中添加0.1%MOS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)MOS可使空腸麥芽糖酶、堿性磷酸酶及氨基肽酶顯著上升，而回腸消化酶活力不受影響。黨國華（2004）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，XOS有提高肉仔雞小腸總蛋白酶和淀粉酶活性的趨勢，其中0.02%XOS可顯著提高40日齡肉仔雞十二指腸內(nèi)容物中總蛋白酶和淀粉酶的活性；XOS對十二指腸和空腸內(nèi)容物中脂肪酶的活性沒有明顯影響。

4 有待研究的問題

低聚木糖的生產(chǎn)工藝需要進(jìn)一步研究，以降低其生產(chǎn)成本，擴(kuò)大應(yīng)用；低聚木糖在不同飼料中的添加劑量，不同的研究者有不同的結(jié)果，需要對此作系統(tǒng)的研究；低聚木糖的作用機(jī)制，還需要進(jìn)一步探討；通過酶法生產(chǎn)低聚木糖，需要加強(qiáng)對能特異性降解木聚糖成低聚木糖的木聚糖酶的研究，盡快尋找特異的生產(chǎn)菌株。

5 應(yīng)用前景

低聚木糖作為添加劑應(yīng)用于飼料工業(yè)中，具有增強(qiáng)動物免疫力，提高飼料轉(zhuǎn)化率，提升動物生產(chǎn)性能和產(chǎn)品品質(zhì)的功效。近些年來，由于生物酶工程和分離技術(shù)得到了迅速發(fā)展，低聚木糖的生產(chǎn)成本大幅度降低，使得其在相對廉價的飼料中的應(yīng)用成為可能。在已開發(fā)出的十幾種低聚糖產(chǎn)品中，低聚木糖是最受眾人矚目的一種低聚糖，是市場上附加值最高、價格最貴的一個品種之一。我國具有豐富的玉米芯、甘蔗渣及農(nóng)作物秸稈等富含半纖維素類自然資源的農(nóng)林廢棄物，長期以來未受到充分重視和開發(fā)利用，如能將其制備成高附加值的低聚木糖，不僅會促進(jìn)我國低聚糖工業(yè)的發(fā)展，加快無公害飼料添加劑的開發(fā)，還可以處理農(nóng)林廢料，變廢為寶，保護(hù)環(huán)境。因此，對低聚木糖的研究開發(fā)具有十分重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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