日糧中木聚糖、低聚木糖和木聚糖酶對單胃動物腸道健康和生長性能的影響(續(xù)1)

張相鑫 譯自，2021，11(3)：609

靳文廣 校 王晶晶 審 孟祥光 制圖表

3 低聚木糖的生產(chǎn)

低聚糖是由α 或β 糖苷鍵將單糖連接組成的短鏈聚合物。低聚木糖是一種新興的益生元，通過對木質(zhì)纖維素材料進行化學(xué)和/或酶促反應(yīng)而產(chǎn)生。在用木質(zhì)纖維素材料生產(chǎn)低聚糖的預(yù)處理階段，大量不溶性半纖維素從纖維素微纖絲表面分離，并降解為大量可溶性低聚糖。低聚糖的數(shù)量和結(jié)構(gòu)取決于預(yù)處理方法以及提取過程的嚴重程度。低聚木糖的生產(chǎn)方法有很多種，首先通過將木質(zhì)纖維素材料在水或蒸汽中加熱進行自水解、利用無機酸稀溶液進行化學(xué)處理、直接酶水解或利用化學(xué)分餾等方法分離木質(zhì)纖維素材料中的木聚糖，然后通過酶水解將木聚糖轉(zhuǎn)化為低聚木糖。

Nabarlatz 等和Yang 等證明，通過蒸汽和酸處理提取木聚糖可產(chǎn)生大量單糖及其脫水產(chǎn)物。蒸汽自水解或降解木聚糖可通過木聚糖的脫乙?；黾右宜岬漠a(chǎn)量，反之又可水解木質(zhì)纖維素材料中存在的半纖維素。盡管自水解提取方法避免了腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的使用，這對消費者來說是有利的，但該工藝需要能夠在高溫下操作的特殊設(shè)備，并且會產(chǎn)生大量不需要的副產(chǎn)物。通過水或蒸汽處理形成的化合物種類很多，包括單糖、乙酸、母液中的木質(zhì)素餾分、糠醛、無機成分和蛋白質(zhì)衍生產(chǎn)品。自水解液的精制必須通過去除單糖和非糖成分來完成，以獲得盡可能高濃度的低聚木糖產(chǎn)品。乙醇、2-丙醇和丙酮已用于溶劑萃取和沉淀來精制低聚木糖；這些化合物有助于去除自水解液中的非糖成分，并產(chǎn)生溶劑可溶的餾分，包括酚類和萃取衍生化合物以及精制的水溶性餾分。純度和回收率不僅取決于所用溶劑的類型，還取決于所用木質(zhì)纖維素材料的類型，因為這些決定了低聚木糖的取代方式和非糖成分的存在。乙醇的純化效果好，但回收率低。利用自水解生產(chǎn)低聚木糖的方法可用于很多飼料和生物原料，如玉米芯、大麥殼、啤酒糟、稻殼、玉米纖維、硬木和軟木。

堿性或稀酸性介質(zhì)也可通過水解用于生產(chǎn)低聚木糖。生產(chǎn)低聚木糖最常用的酸是稀硫酸(0.1～0.5 M)。酸的濃度、溫度和反應(yīng)時間可決定所生產(chǎn)的低聚木糖的聚合度分布，而單糖的產(chǎn)量由木質(zhì)纖維素材料中木聚糖的結(jié)構(gòu)和組成決定。使用酸水解生產(chǎn)低聚木糖的優(yōu)點是工藝簡單且快速。Akipinar 等報道，稀酸水解的反應(yīng)時間僅需幾分鐘，而使用酶水解產(chǎn)生相同低聚木糖轉(zhuǎn)化率則需要數(shù)小時。但是，酸水解的缺點是低聚物的產(chǎn)量比單糖低，并且會產(chǎn)生糠醛等不需要的副產(chǎn)物。去除這些副產(chǎn)物的方法有膜分離法和吸附色譜法。

可使用NaOH、KOH 和Ca(OH)2等堿性化合物或這些化合物的混合物，從木質(zhì)纖維素材料中提取木聚糖，然后通過具有低外切木聚糖酶和/或β-木糖苷酶活性的木聚糖酶將木聚糖轉(zhuǎn)化為低聚木糖。利用酶水解生產(chǎn)低聚木糖的原料有棉花稈、玉米秸稈、小麥秸稈、燕麥秸稈、山毛櫸木和硬木。與自水解提取相比，酶水解的優(yōu)點是產(chǎn)生的不需要的單糖和其他副產(chǎn)物產(chǎn)量低，而且不需要特殊的設(shè)備。不過，與自水解或酸水解相比，酶水解的反應(yīng)時間較長。

研究人員最近對益生元產(chǎn)業(yè)在科學(xué)研究和食品應(yīng)用方面產(chǎn)生了興趣，這促進了益生元分類的不斷發(fā)展。Gibson 等認為，益生元是一種選擇性發(fā)酵成分，可以使胃腸道微生物區(qū)系的組成和/或活力發(fā)生特定變化，從而產(chǎn)生益處。木二糖的特征在于其結(jié)構(gòu)中有兩個木糖殘基；木三糖有三個木糖殘基，以此類推。在低聚木糖生產(chǎn)中，木糖殘基的數(shù)量通常從2到10 不等，木聚糖的來源和提取方法會影響低聚木糖的聚合度、單糖和連接類型。這些變化可能會對低聚木糖的益生元活性產(chǎn)生很大影響，因為Okazaki 等證明，聚合度對動物腸道中雙歧桿菌的活力有顯著影響。與較長鏈的低聚木糖相比，木二糖和木三糖對雙歧桿菌的生長更有效。這很重要，因為低聚木糖混合物的成分差異很大，在發(fā)酵方面可能有不同的劑量要求和選擇性。

4 低聚木糖對動物腸道健康和生產(chǎn)性能的影響

豬和家禽的胃腸道中含有大量的免疫組織，占機體免疫細胞總數(shù)的70%以上。除了防止毒素和潛在病原體對腸道的有害影響外，胃腸道存在如此大量免疫細胞對選擇性吸收營養(yǎng)物質(zhì)至關(guān)重要。常用術(shù)語“腸道健康”是一個復(fù)雜而全面的定義，由五個不同的領(lǐng)域組成：(1)營養(yǎng)均衡的飼料，為動物提供所需的全部營養(yǎng)物質(zhì)和能量；(2)強健的黏膜層，保持腸道完整性；(3)適當?shù)拿庖叻磻?yīng)；(4)腸道運動和神經(jīng)內(nèi)分泌功能；(5)平衡的腸道微生物區(qū)系，維持穩(wěn)定健康的腸道環(huán)境。胃腸道的物理屏障包括上皮細胞、細胞間緊密連接和黏液；化學(xué)和免疫屏障包括溶酶體和蛋白水解酶等分泌物以及胃酸。結(jié)構(gòu)屏障內(nèi)的緊密連接蛋白在兩個腸細胞之間形成密封，有助于調(diào)節(jié)腸道通透性。腸黏膜免疫調(diào)節(jié)通常由單層上皮細胞控制，這些上皮細胞是腸腔內(nèi)容物和富含淋巴細胞的固有層之間的屏障。這些上皮細胞可以通過模式識別受體識別抗原和細菌脂多糖，并通過局部腸道免疫細胞分泌的各種趨化因子和細胞因子做出反應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)屏障的破壞被稱為滲透性過高或腸漏綜合癥。

當腸道健康受到免疫刺激成分和/或外源性多糖的威脅時，動物的飼料效率和生產(chǎn)性能就會受到影響，最終導(dǎo)致經(jīng)濟效益下降。添加低聚糖有助于減少免疫反應(yīng)刺激，減輕日糧纖維源中的聚合物對動物腸道健康造成的不利影響。低聚木糖能抵抗唾液水解以及胃和胰腺分泌物催化的水解，從而通過小腸進入豬的結(jié)腸或家禽的盲腸，為微生物發(fā)酵提供底物。木聚糖的低聚糖和多糖形式在功能上區(qū)別在于，低聚木糖不會形成交聯(lián)，并且不會刺激免疫受體。因此，可以推測，低聚木糖可能有助于減少對單胃動物免疫反應(yīng)的刺激，從而限制與維持免疫反應(yīng)相關(guān)的代謝成本。表3 列出了近年來關(guān)于添加低聚木糖對豬和家禽生產(chǎn)性能和健康影響的研究。

宿主和腸道微生物不斷相互作用，從而調(diào)節(jié)宿主的各種生理反應(yīng)和功能。幾項研究表明，木聚糖衍生的功能性低聚糖可以改變單胃動物腸道中的微生物生態(tài)。在一項研究中，Okazaki 等將不同聚合度的低聚木糖(聚合度為1 的木糖、聚合度為2 的木二糖、聚合度為3 的木三糖)和其他糖類的混合物，與青春雙歧桿菌(Bifidobacterium adolescentis)、嬰兒雙歧桿菌(Bifidobacterium infantis)和長雙歧桿菌(Bifidobacterium longum)以及其他微生物一起進行體外發(fā)酵。該研究報道，青春雙歧桿菌可以很好地利用木二糖和木三糖。青春雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌和長雙歧桿菌可以大量利用以木二糖組成為主的低聚木糖。除發(fā)酵乳酸桿菌外，其他乳酸桿菌只能少量利用低聚木糖。研究還發(fā)現(xiàn)，葡萄球菌和大腸桿菌沒有將低聚木糖作為能源，但能很好地利用葡萄糖，而大多數(shù)梭狀芽孢桿菌不能利用低聚木糖。然后，用低聚木糖在人類上進行的體內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，在補充低聚木糖后(2 g/d)的第2 周，雙歧桿菌的數(shù)量從10% (補充低聚木糖前) 增加到32%。此外，補充低聚木糖還降低了糞便的pH，并使糞便的含水量保持在正常范圍內(nèi)，這都有助于為腸道建立一個適合的環(huán)境。

此外，一項試驗研究了豬糞便微生物對不同低聚糖的發(fā)酵特性。該試驗評估的低聚糖包括短鏈、中鏈和長鏈低聚果糖以及水蘇糖、棉子糖、反式低聚半乳糖、葡寡糖、甘露寡糖和低聚木糖。該研究報道，低聚木糖在發(fā)酵8 h 和12 h 時產(chǎn)生的pH 最低，其次是葡寡糖。這些數(shù)據(jù)表明，與測試的其他低聚糖相比，大腸中的細菌可能能更好地利用低聚木糖底物。此外，在所有測試的低聚糖中，低聚木糖發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸總濃度最高。產(chǎn)生短鏈脂肪酸的重要性不容低估，因為短鏈脂肪酸在豬的總維持能量中所占比例達到28%。在人類上進行的一項研究表明，補充低聚木糖4 周后，高劑量(2.8 g/d) 組腸道中的雙歧桿菌數(shù)量比基準增加了21%，補充8 周后比基準增加了17%。該研究還報道，高劑量組中脆弱擬桿菌(B.fragilis) 的數(shù)量增加；然而，乳酸桿菌的數(shù)量沒有增加。在細菌屬水平上，補充高劑量低聚木糖的受試者體內(nèi)糞桿菌屬(Faecalibacterium spp.) 和阿克曼菌屬(Akkermansia spp.)的細菌數(shù)量顯著增加。糞桿菌屬細菌可以產(chǎn)生丁酸，已知在腸道內(nèi)具有抗炎特性。阿克曼菌屬細菌是一種黏蛋白降解菌，可以改善腸道健康。Jaskari 等和Van Laere 等研究發(fā)現(xiàn)，來源于燕麥的低聚木糖不僅能被雙歧桿菌發(fā)酵，還能被擬桿菌屬(Bacteroides spp.)、嗜酸乳桿菌(Lactobacillus acidophilus)、肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae) 和梭菌屬(Clostridium spp.) 的細菌發(fā)酵，而且低聚木糖作為底物時可促進這些細菌適度增殖。

Pan 等評估了日糧中添加低聚木糖對生長育肥豬體內(nèi)微生物活力和濃度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在生長育肥階段添加100 g/t 低聚木糖會增加乳酸桿菌的相對豐度，提高短鏈脂肪酸和生物胺的水平。100 g/t 低聚木糖組生長育肥豬腸道中乙酸、丙酸和短鏈脂肪酸的水平顯著高于未添加組生長育肥豬腸道中的；該研究認為，某些細菌(如乳酸桿菌)在短鏈脂肪酸的產(chǎn)生中起著關(guān)鍵作用。Azad 等證明，與添加抗生素(0.04 kg/t 維吉尼霉素和0.2 kg/t 黏菌素)相比，添加低聚木糖顯著提高了豬體內(nèi)有益菌的相對豐度，如糞球菌屬、乳桿菌屬、羅氏菌屬和瘤胃球菌屬的細菌，此外，還提高了腸腔中短鏈脂肪酸的濃度，他們的結(jié)論是這有利于腸道健康。在一項相似的研究中，Liu 等研究了日糧中添加益生菌或低聚木糖對斷奶仔豬營養(yǎng)物質(zhì)消化率、有害氣體排放和腸道健康的影響。結(jié)果顯示，連續(xù)28 d 添加200 mg/kg 的低聚木糖可提高斷奶仔豬的平均日增重(17%)，改善料肉比(14%)，此外還能降低糞便中NH3的濃度。相反，Yin 等報道，日糧中添加低聚木糖對斷奶仔豬的生長性能和生化參數(shù)沒有影響，但顯著提高了腸道微生物區(qū)系的α 多樣性。作者將生長性能的差異部分歸因于研究中使用低劑量的低聚木糖(0.01%)，并建議進一步研究以確定用于斷奶仔豬的最佳劑量。

Madhukumar 等評估了雙歧桿菌屬、乳酸桿菌屬和片球菌屬中不同的菌株利用鷹嘴豆皮和麥麩中低聚木糖的能力。研究表明，所有試驗的菌株都能很容易地利用低聚木糖；這是由培養(yǎng)液的濁度，木聚糖酶、木糖苷酶和阿拉伯糖苷酶活性，干細胞質(zhì)量和短鏈脂肪酸產(chǎn)量增加而得出的結(jié)論。在所試驗的微生物中，短乳桿菌NDRI 菌株RTS 和戊糖片球菌NCDO 813 能更有效地利用麥麩和鷹嘴豆皮中的低聚木糖。在這兩種菌株之后的是青春雙歧桿菌NDRI 236、兩歧雙歧桿菌ATCC 29521、兩歧雙歧桿菌NCDO 2715、戊糖片球菌ATCC 8081和植物乳桿菌NDRI 184。這些發(fā)現(xiàn)與之前的研究一致，表明雙歧桿菌屬細菌能有效發(fā)酵低聚木糖。雙歧桿菌屬和乳酸桿菌屬等有益菌可以產(chǎn)生能降解碳水化合物和發(fā)酵非消化性低聚糖的酶；通過發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可為宿主提供能量，并有助于腸道酸化。發(fā)酵引起的短鏈脂肪酸產(chǎn)量增加還會降低腸道pH，這會促進有益微生物增殖，從而抑制潛在致病菌的增殖。

Lin 等進行了一項隨機對照試驗，以評估補充低聚木糖(1.2 g/d)6 周后對健康人類志愿者糞便微生物的益生作用。結(jié)果表明，補充低聚木糖顯著增加了糞便中雙歧桿菌、乳酸桿菌的數(shù)量，并減少了產(chǎn)氣莢膜梭菌的數(shù)量，但對厭氧細菌的總數(shù)沒有影響。產(chǎn)氣莢膜梭菌是有害菌，因為它是一種機會致病菌，能導(dǎo)致食物中毒和壞死性腸炎。Uzal 等認為，產(chǎn)氣莢膜梭菌數(shù)量減少的原因是短鏈脂肪酸產(chǎn)量增加，從而導(dǎo)致腸道pH 降低。Hsu 等評估了日糧中添加低聚木糖和低聚果糖對雄性大鼠盲腸微生物群區(qū)系、盲腸pH、盲腸重量、血脂水平的影響，以及對結(jié)腸癌病變前的抑制作用。這些研究人員發(fā)現(xiàn)，與對照組大鼠相比，日糧中添加60 g/kg 低聚木糖或低聚果糖35 d 后顯著增加了大鼠腸道雙歧桿菌的數(shù)量，降低了盲腸pH；與添加低聚果糖組的大鼠相比，添加低聚木糖組大鼠結(jié)腸壁和盲腸壁的相對重量更重，雙歧桿菌的數(shù)量更多。他們認為，盲腸和腸壁重量增加是因為短鏈脂肪酸產(chǎn)量增加導(dǎo)致上皮細胞增殖正?；?。Howard 等獲得了與上述研究一致的結(jié)果，并指出日糧中添加低聚木糖增加了大鼠盲腸壁密度，這是由于上皮細胞增殖增強。Tomomatsu 等報道，低聚果糖在人類上的有效日劑量為3.0 g/d，但低聚木糖僅為0.7 g/d，這表明低聚木糖可能比低聚果糖更有效。補充低聚木糖還可以改善腸道功能、鈣吸收和脂質(zhì)代謝，同時降低心血管疾病和結(jié)腸癌的發(fā)生率。研究表明，與低聚果糖相比，低聚木糖在巴氏滅菌過程中更耐高溫，可在更低的pH 下進行高壓滅菌，而低聚果糖在較高溫度和較低的pH 下更容易降解。這意義重大，因為從理論上講，低聚木糖應(yīng)比低聚果糖對常見的飼料加工工藝(如膨化和制粒)更加耐受，更易儲存。

未完，待續(xù)。