菊粉的生理功能及其在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

陳佳億 陳鳳鳴 歐淑琦 趙玉蓉

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙410128)

菊粉是植物中儲備性多糖，主要來源于植物，如大麗花塊莖、菊苣和菊芋的根部[1-2]，但也可以從某些細(xì)菌或真菌中獲得。大量的研究表明菊粉在平衡腸道微生物、調(diào)節(jié)免疫、調(diào)控機(jī)體脂質(zhì)代謝和氧化還原系統(tǒng)等方面有著重要的作用，可作為脂肪、糖的替代品以及益生元[3]，但目前其主要應(yīng)用于食品和制藥行業(yè)[4-5]。在Web of Science中檢索“Inulin”后分析發(fā)現(xiàn)，動物學(xué)研究方向文獻(xiàn)僅占所有文獻(xiàn)(10 650篇)的1.36%，因此菊粉在畜牧生產(chǎn)中的研究尚處于起步階段。隨著抗生素濫用問題的日益嚴(yán)重及畜產(chǎn)品安全意識的不斷增強(qiáng)，“無抗”養(yǎng)殖將是必然的趨勢，而菊粉因其天然、無毒副、具有提高免疫力及抗氧化等重要作用，因而具備作為綠色植物源性添加劑的發(fā)展?jié)摿?。但目前菊粉在畜禽生產(chǎn)中的添加量及其作用機(jī)理尚不明確。因此，本文就菊粉的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)菊粉的主要生理功能及其在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用，以期為其進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供理論參考。

1 菊粉的理化性質(zhì)及其提取工藝

1.1 理化性質(zhì)

菊粉是一類天然果聚糖的混合物。果聚糖是果糖單體通過β-(2,1)-糖苷鍵連接而成并以葡萄糖單體終止的碳水化合物。菊粉分子約由31個β-D-呋喃果糖和1～2個吡喃菊糖殘基聚合而成，其聚合度(degree of polymerization,DP)為2～100。β-構(gòu)型使得菊糖型果聚糖不能被具有α-糖苷鍵特異性的單胃動物的消化酶水解，但是可被微生物降解[6]。菊粉可以被內(nèi)切菊粉酶和外切菊粉酶水解。外切菊粉酶從鏈的非還原端去除末端果糖殘基，而內(nèi)切菊粉酶作用于內(nèi)部鏈接[7-8]。菊粉水解后生成果糖和少量葡萄糖，DP少于10的菊粉稱為果寡糖(FOS)[9]。菊粉的DP影響其重要的物理性質(zhì)，如溶解性、熱穩(wěn)定性、甜味度和益生元活性等。菊粉的DP不僅取決于植物的來源、收獲時間及其收獲后貯存的條件，其提取工藝對DP也有很大的影響[8]。菊粉的分子式表示為GFn[3]，其中G為終端葡萄糖單位，F(xiàn)代表果糖分子，n代表果糖單位數(shù)。菊粉的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。菊苣來源的菊粉是一種白色粉末，呈透明狀，無味，長鏈菊粉和FOS的甜度分別為蔗糖的10%[10]和30%～50%[11]。通常情況下，菊粉的溶解度隨著DP的增加而降低。標(biāo)準(zhǔn)菊粉在室溫下的溶解度僅為10%，而FOS在室溫下的溶解度約為80%[12]。Wada等[13]研究報道了3種不同DP的菊粉在各溫度下的溶解度變化，其中各溫度下酶合成的菊粉溶解度最高，其次是DP=10～12的菊粉，最后是DP=23～25的菊粉。

圖1 菊粉的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.2 提取工藝

目前工業(yè)生產(chǎn)中，菊粉主要從菊芋和菊苣中提取。菊芋具有許多理想的生長性狀，如耐寒耐旱、抗風(fēng)沙、耐鹽堿、繁殖力強(qiáng)、抗病蟲害高等，可以在沙地和海灘耕種，近年來被認(rèn)為是工業(yè)生產(chǎn)果糖和菊粉原料的重要來源之一[14]。從菊苣根部提取菊粉的工藝主要有傳統(tǒng)水浸提法和超聲輔助提取法，包括提取水溶性組分、純化和干燥3個步驟。在提取水溶性組分時通常是將切割或磨碎的菊苣根在水中煮沸，而水的pH、固液比以及沸騰的時間等條件都會影響提取菊粉的DP[8,15]。菊粉的純化則是利用提取物中不同DP的溶解度差異來完成的，最終從菊苣根中提取的菊粉含量可以達(dá)到10%[16]。肖仔君等[17]得出用水浸提法從菊芋中提取菊粉的最佳條件為：提取時間100 min，浸提溫度85 ℃，料液比1∶15。除傳統(tǒng)水浸提法外，超聲輔助提取法也已經(jīng)用于高產(chǎn)菊粉的提取，該方法的主要影響因素包括超聲振幅、溫度和時間。從牛蒡根提取菊粉時，振幅及振幅時間的提高均會提高菊粉產(chǎn)量，但是溫度對其影響不大，最佳提取條件為：超聲處理時間25 min，超聲振幅83.22%，溫度36.76 ℃[18]。需要注意的是，超聲波會使菊粉分子碎片化，使其化學(xué)組成發(fā)生變化。后又有學(xué)者提出了一種從菊芋莖塊中提取菊粉的新方法，確保菊粉提取量(每100 g塊莖提取16.39 g菊粉)比傳統(tǒng)水浸提法高出約14%[19]。該方法是將莖塊用加壓水洗滌以去油，自然烘干，在80 ℃下用熱水處理10 min以使多酚氧化酶失活，然后將其懸浮于蒸餾水中，經(jīng)過3次切塊和萃取，最后對產(chǎn)生的過濾液進(jìn)行澄清[19]。

2 菊粉的生理功能

2.1 作為益生元的益生效應(yīng)

通常情況下，腸道微生物中乳酸桿菌和雙歧桿菌等有益菌對保護(hù)機(jī)體健康有著重要的作用。菊粉能夠增加結(jié)腸中雙歧桿菌和乳酸桿菌的數(shù)量和提高其活性等[20]，從而保護(hù)腸道健康，這種作用被稱為益生效應(yīng)。文獻(xiàn)中最普遍的思路是通過形成短鏈脂肪酸(SCFAs)的間接機(jī)制來解釋菊粉型益生元的作用。菊粉和FOS在后腸道發(fā)酵產(chǎn)生SCFAs(如乙酸、丁酸和丙酸)，使得腸道pH降低，從而刺激有益菌的增殖[21-22]。SCFAs不僅為宿主提供能量來源，還具有多種作用，如調(diào)節(jié)腸上皮細(xì)胞的增殖、分化和遷移，影響脂質(zhì)代謝和糖代謝等。此外，SCFAs對維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定以及影響腸黏膜屏障起到關(guān)鍵作用。Rebolé等[23]在肉雞飼糧中添加10 g/kg菊粉時，觀察到盲腸中乳桿菌的數(shù)量增加；在提高菊粉添加水平達(dá)到20 g/kg時，小腸遠(yuǎn)端部分和盲腸中雙歧桿菌和乳桿菌的數(shù)量增加。菊粉調(diào)節(jié)腸道微生物菌群的作用受菊粉自身的DP影響。Zhu等[24]發(fā)現(xiàn)FOS干預(yù)治療小鼠腸道微生物效果好于菊粉，可能的原因是由于FOS和菊粉在被腸道微生物利用之前都要水解成單糖，而具有低聚合度的果聚糖經(jīng)歷相對快速的微生物發(fā)酵，而長鏈果聚糖更耐發(fā)酵并且在胃腸道經(jīng)歷的時間更長[25]。Patterson等[26]研究報道，短鏈和長鏈的菊粉能夠不同程度地影響腸道菌群的生長和活性。研究報道，短鏈和長鏈菊粉以50∶50的比例混合在發(fā)揮益生效應(yīng)方面具有很好的優(yōu)勢，減少了有害氣體的產(chǎn)生，同時增強(qiáng)了益生效應(yīng)[27]。

2.2 免疫調(diào)節(jié)作用

目前對于菊粉發(fā)揮免疫作用機(jī)制的研究多集中在2個方面：一方面，菊粉作為配體與Toll樣受體2(TLR2)和Toll樣受體4(TLR4)結(jié)合，刺激巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞等免疫細(xì)胞發(fā)揮作用，從而實現(xiàn)免疫調(diào)節(jié)的作用；另一方面，其發(fā)酵產(chǎn)物(SCFAs、H2)可作為信號傳導(dǎo)分子，影響腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)活性和核因子-κB(NF-κB)信號傳導(dǎo)途徑。Vogt等[28]證明菊粉型果聚糖可通過TLR2調(diào)節(jié)人外周血單核細(xì)胞(HPBM)的活性，較低DP菊粉型果聚糖增加HPBM中白細(xì)胞介素-10(IL-10)與白細(xì)胞介素-12(IL-12)的分泌。有研究報道，在大鼠腸上皮細(xì)胞中，低聚糖通過激活TLR4并參與NF-κB信號傳導(dǎo)來增強(qiáng)免疫應(yīng)答，從而產(chǎn)生非益生效應(yīng)[29]。Capitán-Caadas等[30]也指出，在大鼠單核細(xì)胞中，益生元低聚糖通過激活TLR4直接調(diào)節(jié)促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生。Huang等[31]研究表明，在肉雞飼糧中添加5～10 g/kg的菊粉會顯著改善肉雞21日齡的免疫功能，但是在后期(42日齡)改善效果不如前期，可能的原因是前期肉雞腸道及免疫功能發(fā)育不完善，此時添加菊粉效果更加顯著。

2.3 調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝作用

菊粉在腸道中的發(fā)酵產(chǎn)物SCFAs中，除部分丁酸鹽作為能量來源被結(jié)腸細(xì)胞代謝利用外，其余的被運(yùn)送到肝臟，丙酸鹽主要作為糖原異生的前體[32]，而醋酸鹽和丁酸鹽主要參與脂質(zhì)的生物合成[33-34]。除了作為底物之外，SCFAs還可以作為信號分子被特定的G蛋白偶聯(lián)受體(GPRs)感知并參與調(diào)節(jié)脂質(zhì)和葡萄糖代謝[35]。大鼠飼糧中添加低聚果糖導(dǎo)致血清磷脂、甘油三酯和極低密度脂蛋白(VLDL)含量的顯著降低。這主要是通過降低肝臟中脂肪生成酶、蘋果酸酶、ATP檸檬酸裂合酶、乙酰輔酶A羧化酶、葡萄糖-6-磷酸1-脫氫酶等脂肪酸合成酶的活性來介導(dǎo)的[36-37]。Beylot等[38]認(rèn)為，大鼠試驗的研究結(jié)果已經(jīng)清楚地證明了菊粉會降低甘油三酯的含量，較合理的解釋是：菊粉型果聚糖可減少脂肪生成酶在肝臟表達(dá)并降低其活性，從而減少脂肪酸和甘油三酯的合成。Kim等[39]研究報道，菊粉通過增加膽汁酸的分泌和抑制3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A(HMG-CoA)還原酶(與膽固醇合成相關(guān)的限制酶)的活性來降低大鼠血液中膽固醇的含量。Yusrizal等[40]在肉雞飼糧中添加菊粉(10 g/kg)，發(fā)現(xiàn)血清膽固醇含量顯著降低。Sang-Oh等[41]試驗發(fā)現(xiàn)2個試驗組(微囊化菊粉添加量分別為250、300 mg/kg)蛋雞血液總膽固醇和甘油三酯的含量比對照組顯著降低。但Velasco等[42]報道指出，菊粉的添加不會導(dǎo)致血清膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)和高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)含量的降低。Dewulf等[43]在喂食高脂肪飲食的小鼠中發(fā)現(xiàn)，與皮下脂肪組織中GPR43表達(dá)強(qiáng)相關(guān)的體脂肪增加，而補(bǔ)充菊粉可以減少GPR43的表達(dá)和脂肪的增加。不過也有人認(rèn)為菊粉型果聚糖導(dǎo)致甘油三酯代謝的差異性改變，這取決于飼糧的類型[44]。而菊粉對血清膽固醇含量的降低作用則存在很多爭議性，這仍待進(jìn)一步研究。

2.4 促進(jìn)礦物質(zhì)吸收作用

研究表明，菊粉添加到畜禽飼料中對鈣、磷、鋅、銅和鐵的吸收代謝有積極影響。Chen等[45]研究報道，在蛋雞飼糧中添加低聚果糖和菊粉增加了血清鈣含量，并顯著增加了脛骨中總灰分、鈣和磷含量。Ortiz等[46]也同樣證明，在肉仔雞飼糧中添加菊粉后鈣、鋅和銅的保留率分別提高了18.4%、35.5%和46.6%，而對鎂和鐵的保留率無顯著影響。目前關(guān)于菊粉對提高礦物質(zhì)吸收的機(jī)制有較多種說法：菊粉在腸道中產(chǎn)生SCFAs和有機(jī)酸，造成腸道pH降低從而增加了礦物質(zhì)的溶解度，SCFAs還可能通過離子交換系統(tǒng)影響鈣的吸收[47]。此外，菊粉通過腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)物對腸細(xì)胞起到增殖作用，從而增加腸道吸收表面積，增加鈣結(jié)合蛋白的表達(dá)，釋放骨調(diào)節(jié)因子[48]。Yasuda等[49]和Tako等[50]研究均表明，菊粉通過影響腸上皮細(xì)胞中鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、相關(guān)酶和鐵蛋白編碼基因的表達(dá)以及其對炎癥相關(guān)基因的抑制，進(jìn)而對鐵代謝產(chǎn)生積極影響。研究表明，菊粉對機(jī)體礦物質(zhì)的吸收利用受多種因素的影響，如動物的年齡、生理階段等。當(dāng)動物處于快速增長發(fā)育階段或者雌激素分泌不足、動物對鈣的需求更高時，菊粉的添加效果更明顯。在發(fā)育期雄性大鼠試驗中，5%～10%菊苣菊粉添加到飼糧中顯著增強(qiáng)了大鼠全身骨礦物質(zhì)含量(BMC)和骨密度(BMD)[51]。青春期女性給予FOS和菊粉3周，發(fā)現(xiàn)鈣吸收增加了18%[52]。另有研究報道，飼糧中添加適量的菊粉可顯著增加豬紅細(xì)胞中血紅蛋白含量(MCH)和紅細(xì)胞比容(PCV)(MCH是機(jī)體中鐵含量的有效評估指標(biāo))，但隨著添加量的增加，對MCH和PCV出現(xiàn)負(fù)面效應(yīng)[20]。

3 菊粉在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

以上研究表明，菊粉型果聚糖對豬的腸道健康具有多種有益效果，而菊粉在家禽生產(chǎn)中也已得到廣泛關(guān)注。在肉雞飼糧中添加菊粉可以激活涉及免疫過程的基因和途徑，從而調(diào)節(jié)肉雞的免疫能力[58]。Sang-Oh等[59]在肉雞飼糧中添加微膠囊化菊粉和抗生素進(jìn)行對比，喂食微膠囊化菊粉組血清中免疫球蛋白G(IgG)、免疫球蛋白M(IgM)和免疫球蛋白A(IgA)的含量顯著增加，0.20和0.25 g/kg微膠囊化菊粉組肉雞血清中IgG含量分別比對照組提高155.6%和168.5%，分別比0.08 g/kg阿維霉素組提高125.1%和135.5%。此外，Nabizadeh等[60]發(fā)現(xiàn)肉雞飼糧中添加5～10 g/kg菊粉導(dǎo)致總抗綿羊紅細(xì)胞(SRBC)和IgG含量顯著增加。有學(xué)者還指出，菊粉還可能通過刺激丁酸鹽和黏蛋白的產(chǎn)生而潛在地改善腸道健康[24]。Huang等[31]的研究表明，菊粉添加量為5和10 g/kg時增加了21和42日齡肉雞盲腸內(nèi)容物的IgA含量；菊粉添加量為10和15 g/kg時增強(qiáng)了21和42日齡肉雞空腸中黏蛋白mRNA的表達(dá)。然而，關(guān)于菊粉對家禽生長性能影響的文獻(xiàn)報道結(jié)果不一。Ortiz等[46]在肉仔雞飼糧中添加5～20 g/kg菊粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，肉仔雞的生長性能和腸道(十二指腸、空腸、回腸和盲腸)的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)均無顯著變化。同樣，也有其他學(xué)者發(fā)現(xiàn)菊粉添加到禽類飼糧中對生長性能沒有產(chǎn)生顯著影響[61-62]。相反，Rebolé等[23]試驗發(fā)現(xiàn)，在第1階段(7～21 d)，添加10和20 g/kg菊粉組肉仔雞的體重增加顯著高于對照組，添加10 g/kg菊粉組肉仔雞試驗全期(7～35 d)總體重也顯著增加。菊粉對家禽生長性能影響方面的報道不盡相同，可能是多種因素造成的，如菊粉產(chǎn)品質(zhì)量、添加水平、家禽的品種以及飼養(yǎng)環(huán)境等。

4 小 結(jié)

綜上所述，菊粉具有多種生理功能，有助于平衡畜禽腸道微生態(tài)、抑制病原微生物、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫力等。但目前關(guān)于菊粉對畜禽生長性能的作用出現(xiàn)不同的研究結(jié)果，這可能與菊粉作為一種益生元，其有效性依賴于試驗動物、添加量以及添加持續(xù)的時間等因素有關(guān)，故在全球“無抗養(yǎng)殖”的步伐走得越來越快的今天，迫切需要進(jìn)一步研究菊粉在各種畜禽生產(chǎn)中的適宜添加量、對不同畜禽品種的作用效果和作用機(jī)制，以為菊粉在畜牧業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及畜禽的綠色養(yǎng)殖提供理論基礎(chǔ)。