膳食纖維的理化功能特性及甘薯膳食纖維在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

喬漢楨 ，劉佳文，王 迪，尚亞飛，劉 珍，黃 進(jìn)，趙銀麗，王金榮*，管武太

（1.河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510642）

甘薯屬塊莖類作物，又名山芋、番薯、紅薯和紅苕等，富含膳食纖維和多種功能性營養(yǎng)物質(zhì)，主要用于食品工業(yè)、飼料工業(yè)和輕化工業(yè)。甘薯主要作為淀粉的生產(chǎn)原料，在加工過程中會產(chǎn)生大量甘薯渣，由于甘薯渣水分含量高，容易腐敗變質(zhì)，不僅污染環(huán)境，同時由于甘薯渣中含有豐富的膳食纖維，亦會造成資源浪費(fèi)[1]。因此，合理有效開發(fā)甘薯渣的再利用價值，不僅可以減少污染，還可以提高甘薯的經(jīng)濟(jì)附加值。

甘薯渣（以干重計(jì)）中淀粉含量為43%～61%，膳食纖維含量為16%～27%，在膳食纖維中纖維素占26%～36%、果膠占9%～23%[2]。膳食纖維是指不能被機(jī)體小腸消化酶消化和吸收，但可以部分或完全在大腸中發(fā)酵的植物性碳水化合物，主要包括木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、果膠和抗性淀粉等[3]。近年來，膳食纖維在動物日糧中的研究與應(yīng)用成為動物營養(yǎng)研究的熱點(diǎn)，尤其是在膳食纖維改善畜禽腸道環(huán)境和平衡菌群方面的研究已有諸多報道，同時很多研究證明了膳食纖維對動物的生產(chǎn)性能具有積極的影響[4-6]。本文對膳食纖維的理化特性、功能性研究以及甘薯膳食纖維在動物營養(yǎng)中的應(yīng)用等方面進(jìn)行綜述，為甘薯膳食纖維的研究和功能性產(chǎn)品的開發(fā)及應(yīng)用提供參考。

1 膳食纖維的理化特性

膳食纖維雖然是由普通的單糖分子組成，但由于這些單糖分子組合形成了大分子結(jié)構(gòu)，因此膳食纖維具有獨(dú)特的理化特性，直接影響了膳食纖維的生理功能。

1.1 水合特性 膳食纖維的分子結(jié)構(gòu)富含親水基團(tuán)，因此具有一定的持水力、保水力和膨脹力。膳食纖維的來源、制備工藝以及顆粒粒徑的不同等都會影響膳食纖維的水合特性，其中顆粒粒徑的影響最大。研究發(fā)現(xiàn)，在一定粒徑范圍內(nèi)（1 127～550 μm），隨著膳食纖維粒徑減小，膳食纖維親水集團(tuán)暴露，比表面積增大，持水力、保水力和膨脹力均表現(xiàn)出增加的趨勢；隨著膳食纖維粒徑進(jìn)一步減?。?50～390 μm），膳食纖維孔洞坍塌，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，對水分的吸附能力降低，導(dǎo)致膳食纖維持水力、保水力和膨脹力降低[7]。

膳食纖維的水合特性是衡量膳食纖維功能質(zhì)量的重要指標(biāo)，與不溶性膳食纖維相比，可溶性膳食纖維在降低血壓和血脂、改善血糖、調(diào)整機(jī)體胃腸道功能方面更具優(yōu)勢[8]。膳食纖維進(jìn)入腸道后，其中暴露的親水基團(tuán)會與水分結(jié)合膨脹，表現(xiàn)出吸水性與溶脹性。水合后的膳食纖維可增加食糜黏度，減緩胃排空，增加飽腹感，從而減少采食[9]。同時，膳食纖維的水合特性使其在通過動物腸道的過程中吸收水分，加快腸道食糜排空速度，縮短有毒物質(zhì)在腸道內(nèi)的滯留時間，減少便秘發(fā)生[10]。

1.2 吸附作用 膳食纖維主要通過分子表面的活性基團(tuán)以物理吸附形式吸附膽固醇、葡萄糖和膽汁酸等有機(jī)分子，從而抑制胃腸道對其吸收[11]。膳食纖維能夠與脂質(zhì)形成纖維-乳糜微粒復(fù)合體，阻礙脂質(zhì)的乳化與擴(kuò)散，抑制機(jī)體對食糜中脂質(zhì)和膽固醇的吸收和利用，最終使得血液中膽固醇含量降低[12]。膳食纖維還可通過減緩胃排空速率、形成物理屏障來阻礙腸道上皮細(xì)胞對食糜中葡萄糖和脂質(zhì)的吸收[8]。膳食纖維可以在胃腸道消化過程中通過吸附作用促進(jìn)膽汁酸的排泄以及抑制膽汁酸在腸道的吸收，從而阻止膽汁酸誘導(dǎo)的上皮細(xì)胞及其DNA 的損傷。膳食纖維對膽汁酸的阻滯能力受膳食纖維粒徑及其在腸道滯留時間的影響，隨著粒徑變小，膳食纖維比表面積和電荷密度增大，導(dǎo)致膳食纖維對膽汁酸的阻滯能力增強(qiáng)[13]。此外，腸道內(nèi)的一些有毒有害物質(zhì)也可以被膳食纖維吸附。例如，膳食纖維對重金屬離子（Pb2+、Hg2+、Cd2+等）有吸附作用，使得重金屬離子隨糞便排出體外，且腸道環(huán)境更有利于吸附[14-16]。當(dāng)小鼠日糧中Pb 添加量為20、100、200 mg/kg 時，添加5%的膳食纖維可以顯著降低機(jī)體血液中的Pb 濃度，在脾臟、骨骼和腎臟部位也表現(xiàn)出明顯的Pb 清除能力；日糧中膳食纖維添加量超過10%后，小鼠各器官中Pb濃度并未持續(xù)降低[14]。

1.3 陽離子交換作用 陽離子交換能力是膳食纖維的一種重要物理特性，反映了膳食纖維表面結(jié)合金屬離子的能力，與黏土礦物吸附土壤中陽離子的機(jī)制大致相同。膳食纖維結(jié)構(gòu)中含有一些重要的側(cè)鏈基團(tuán)，主要包括木質(zhì)素的酚基、果膠、半纖維素中的弱糖醛酸以及葡萄糖醛酸木聚糖的羧基，整體呈現(xiàn)一個弱酸性陽離子交換樹脂的作用，可與陽離子進(jìn)行可逆交換[12,17]。陽離子交換能力高的膳食纖維通過形成阻礙脂質(zhì)擴(kuò)散或吸收的纖維-微膠粒復(fù)合體，導(dǎo)致脂質(zhì)擴(kuò)散減慢，進(jìn)而阻礙脂質(zhì)的乳化，最終使得脂質(zhì)和膽固醇不能被機(jī)體有效地吸收和利用，血液中膽固醇含量降低[12]。

2 膳食纖維的生理功能

2.1 改善腸胃功能，預(yù)防便秘 圍產(chǎn)期母豬由于糞便在腸腔內(nèi)蓄積干結(jié)，通常會導(dǎo)致便秘，危害腸道健康[18]。膳食纖維能夠改善腸道菌群數(shù)量，預(yù)防并減少胃腸疾病的發(fā)生。由于膳食纖維具有吸水溶脹作用，能夠加快消化道中糞便的運(yùn)輸速度，使腸道內(nèi)的糞便停留時間減少，降低糞便中有害物質(zhì)與腸道壁的接觸時間，從而達(dá)到清潔腸道作用，同時可以形成黏液，增加腸道的潤滑性，預(yù)防便秘[19]。妊娠期母豬攝入含有2.2%魔芋粉的基礎(chǔ)日糧后，便秘發(fā)生率降低20%，且糞便評分提高，糞便形態(tài)從干結(jié)變?yōu)檎?，表明在圍產(chǎn)期腸道變得更加活躍、健康。與此同時，膳食纖維也可抑制腸道致病性梭菌增殖，增加乳酸菌數(shù)量，改善腸道健康，從而有益于母豬泌乳期的健康及生產(chǎn)性能[18]。

2.2 控制體重 因膳食纖維具有水合特性，進(jìn)入腸道后可吸收大量水分膨脹，增強(qiáng)攝食者飽腹感，減少攝入其他高熱量食物，從而達(dá)到控制體重的效果。Ju 等[20]以高脂日糧誘導(dǎo)的肥胖大鼠為模型，在大鼠日糧中添加30%甘薯，發(fā)現(xiàn)甘薯膳食纖維可通過減少大鼠體重、降低體脂沉積、調(diào)節(jié)血脂等方面顯著改善營養(yǎng)性肥胖大鼠體內(nèi)脂代謝紊亂的狀態(tài)，同時能夠顯著降低血液丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶、乳酸脫氫酶和肌酸酐水平，表明甘薯膳食纖維對大鼠肝腎具有保護(hù)作用。

2.3 抗癌作用 近年來，許多研究都證實(shí)了膳食纖維對多種癌癥的不同發(fā)展階段都有作用，其抗癌機(jī)理主要是膳食纖維獨(dú)特的理化特性能夠促進(jìn)機(jī)體排毒、調(diào)節(jié)膽固醇和激素、消炎以及調(diào)節(jié)腸道菌群的功能[21-23]。Encarnacao 等[22]研究發(fā)現(xiàn)，膳食纖維可通過腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生丁酸，丁酸是結(jié)腸重要的能量來源（70%～90%），可通過激活谷胱甘肽硫基轉(zhuǎn)移酶，過度誘導(dǎo)Wnt 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)而促使結(jié)腸癌細(xì)胞凋亡和細(xì)胞周期停滯。膳食纖維的攝入與直腸癌的風(fēng)險呈負(fù)相關(guān)，成人每天攝入24 g 膳食纖維，直腸癌發(fā)病率可降低30%[24]。

2.4 調(diào)節(jié)血糖、血脂、血壓作用 膳食纖維的梯度黏合作用、機(jī)械隔離作用和網(wǎng)孔吸附作用可以延緩和抑制機(jī)體對攝入食物中膽固醇的吸收。增加飲食中可溶性膳食纖維含量，可以明顯降低機(jī)體血液中總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇的濃度，從而減少和預(yù)防高血脂和高血壓等疾病[25]；同時，膳食纖維還能延緩葡萄糖的吸收，提高機(jī)體耐糖的程度，避免進(jìn)食后血糖急劇上升[17,26]。

2.5 抗氧化功能 膳食纖維可以有效清除動物體內(nèi)OH-等自由基，抑制脂質(zhì)的過氧化達(dá)到延緩衰老的作用。Fang 等[27]研究發(fā)現(xiàn)，攝入不同來源膳食纖維（茶葉、甘薯和麥麩纖維）均可顯著提升大鼠的自由基清除能力以及酶類和非酶類抗氧化能力，有效增強(qiáng)機(jī)體抗氧化防御體系。

3 甘薯膳食纖維在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 甘薯膳食纖維在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用 日糧中添加膳食纖維有助于仔豬腸道發(fā)育，減少仔豬斷奶應(yīng)激；增強(qiáng)肥育豬后腸發(fā)酵，減少糞氮的排放量；減少妊娠母豬的限飼應(yīng)激和便秘的發(fā)生，改善母豬的繁殖性能，母豬產(chǎn)后易發(fā)生便秘，添加膳食纖維可以減少便秘的發(fā)生。因此膳食纖維在豬的不同生產(chǎn)階段中作用不同[5-6,18]。

在玉米-豆粕型生長豬日糧中，以2%、4%和6%的甘薯渣替代等比例玉米，生長豬的采食量、日增重和耗料增重比均呈有所提高，IGF-1 和生長激素的分泌增加，對生長豬機(jī)體骨骼生長和肝臟正常生理功能無負(fù)面影響[28]。利用甘薯混渣（m莖葉:m根塊=7:3）替代10%～20% 的玉米-豆粕型基礎(chǔ)日糧，對生長豬的生長性能、屠宰性狀和肉品質(zhì)均沒有影響[5]。因此，利用甘薯渣替代日糧中部分玉米或直接替代部分日糧對豬生長性能和屠宰品質(zhì)并無負(fù)面影響，且能夠降低成本。但是由于甘薯渣中蛋白質(zhì)含量較少（＜2%），飼喂過多，會引起仔豬蛋白質(zhì)攝入不足，能氮比過高，從而影響仔豬生長，一般母仔豬日糧中甘薯渣添加比例應(yīng)低于20%[29]，并與蛋白飼料合理搭配使用。由于甘薯膳食纖維的水合特性，母豬限飼時添加甘薯渣可增加母豬飽腹感，達(dá)到限制母豬能量攝入的目的；在妊娠母豬日糧中添加甘薯渣可增加腸道中的乳酸含量，從而有益于腸道菌群的協(xié)調(diào)，減小腸道的感染壓力，避免母豬因饑餓引起竄欄、撕咬等應(yīng)激反應(yīng)而導(dǎo)致流產(chǎn)[30]。

3.2 甘薯膳食纖維在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用 飼料中的膳食纖維可促進(jìn)家禽胃腸道運(yùn)動與發(fā)育，刺激消化酶分泌，提高養(yǎng)分消化率與生產(chǎn)性能[31]。在蛋雞的玉米-豆粕型日糧中，以2%、4%和6%甘薯渣等比例替代玉米，對蛋雞的產(chǎn)蛋率、蛋黃顏色和哈氏單位沒有影響，料蛋比呈上升趨勢，而蛋殼厚度和強(qiáng)度隨甘薯渣添加水平的提高逐步增強(qiáng)，對動物機(jī)體骨骼生長和肝臟正常生理功能無負(fù)面影響[32]。甘薯中的膳食纖維具有抗菌和益生作用，能夠促進(jìn)雞的腸道健康，甘薯塊根在肉雞飼糧中添加30% 以內(nèi)對肉雞生長性能均無負(fù)面影響[4]。家禽的腸道菌群結(jié)構(gòu)及多樣性受日糧影響，腸道微生物在家禽消化與健康方面發(fā)揮重要作用[33]。目前關(guān)于甘薯膳食纖維在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用研究十分有限，還需開展大量相關(guān)研究工作。

3.3 甘薯膳食纖維在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用 甘薯渣是優(yōu)良的反芻動物飼料，肉牛飼料中以50% 和100% 的甘薯渣替代白酒糟，對肉牛的生產(chǎn)性能和養(yǎng)分表觀消化率無顯著影響，對肉牛胴體和牛肉品質(zhì)無不良影響，但血漿中鈣含量分別顯著提高了3.35% 和6.28%，說明肉牛日糧中添加甘薯渣促進(jìn)了日糧中鈣的吸收[34]。日糧中甘薯渣添加量為10%和20%時，西雜閹公育肥牛平均日采食量、初始體重、屠宰率和胴體產(chǎn)肉率與對照組差異均不顯著，試驗(yàn)組育肥牛血清中甘油三酯、總膽固醇、高密度脂蛋白和低密度脂蛋白含量顯著低于基礎(chǔ)日糧組，通過下調(diào)育肥牛背最長肌脂肪酸合成相關(guān)基因（SREBP-1、FAS、ACC和PPARγ）表達(dá)以及上調(diào)脂肪分解相關(guān)基因（HSL和CPT-1）的表達(dá)，減少背最長肌肌內(nèi)脂肪沉積[35]。陳宇光等[36]用5 kg 的鮮甘薯渣替代基礎(chǔ)日糧中苜蓿干草飼喂奶牛1 個月，發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)奶期日糧中添加鮮甘薯渣對產(chǎn)奶量和牛奶乳成分（乳脂、乳蛋白、乳糖、乳固形物和非脂固形物）均無顯著影響，表明甘薯渣可以短時間內(nèi)部分替代優(yōu)質(zhì)干草解決冬季飼草短缺的問題。有關(guān)甘薯渣對肉、奶牛營養(yǎng)生理作用的研究報道也較少，甘薯渣對肉、奶牛生產(chǎn)性能、免疫功能、牛肉品質(zhì)、產(chǎn)奶量等影響有待進(jìn)一步研究。

3.4 甘薯膳食纖維在其他動物中的應(yīng)用 王中華等[37]研究表明，飼料中添加10%和15%的酸化紅薯粉渣飼喂肉兔，肉兔腸胃pH 降低，生長性能和免疫器官指數(shù)提高。甘薯膳食纖維飼喂小鼠可增加小鼠盲腸中雙歧桿菌和乳酸桿菌數(shù)量，抑制大腸桿菌和沙門氏菌的增殖，從而阻止大腸桿菌或沙門氏菌引起的腹瀉[38]，此外，在基礎(chǔ)日糧中添加15% 的甘薯渣和甘薯膳食纖維能影響大鼠的整體代謝，包括脂質(zhì)代謝、糖原分解和糖酵解途徑、能量代謝、蛋白質(zhì)生物合成和腸道菌群代謝[39]。

4 小 結(jié)

甘薯渣產(chǎn)量大、價格低廉、功能突出，直接飼喂甘薯渣對動物腸道健康和生產(chǎn)性能均有一定的改善作用，而膳食纖維是甘薯渣的主要活性成分。甘薯膳食纖維具有較好的水合特性、吸附特性以及陽離子交換能力，對調(diào)節(jié)腸道健康、調(diào)節(jié)血糖血脂、抗癌、抗氧化等方面都具有一定功效。目前市場上尚未見有商業(yè)化甘薯膳食纖維產(chǎn)品，其在畜禽生產(chǎn)中也尚未見應(yīng)用，而在小鼠研究中則表現(xiàn)出較明顯改善腸道菌群、保護(hù)腸道健康的功效。

目前，國內(nèi)外對甘薯膳食纖維的研究與應(yīng)用相對小麥麩皮、豆渣、果渣膳食纖維等較少，其多糖組分及其構(gòu)型尚不明確，在體內(nèi)的益生機(jī)制尚不清楚，因此，在未來的研究中還需要針對以下重點(diǎn)問題展開研究：①深入研究甘薯膳食纖維組分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)型，解析甘薯膳食纖維結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系；②加強(qiáng)甘薯膳食纖維在動物不同生長階段中的應(yīng)用研究，探索最適的添加水平與飼糧配方；③加強(qiáng)對甘薯膳食纖維生理功能及其作用機(jī)制的深層次研究。

隨著人們對膳食纖維與動物健康關(guān)系的認(rèn)知不斷加深，膳食纖維作為功能性飼料添加劑將越來越受重視，將其合理應(yīng)用于及動物生產(chǎn)中，不僅可以有效減少甘薯膳食纖維資源的浪費(fèi)，同時可以提高甘薯的經(jīng)濟(jì)價值，帶來良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。