一種新飼料添加劑
——纖維寡糖

肖志海 宋 娟 胡彩虹

（1.云南省紅河州農(nóng)業(yè)環(huán)保工作站，云南紅河 661199；2.浙江大學(xué)飼料科學(xué)研究所動物分子營養(yǎng)學(xué)教育部重點實驗室，浙江杭州 310058）

1949年，Stokstad和Jukes證明抗生素具有促生長和預(yù)防疾病的作用[1]，從此抗生素正式進(jìn)入飼料添加劑的行列。抗生素通過減少有害微生物的繁殖，從而促進(jìn)動物健康。之后，隨著人民生活水平的提高和健康意識的加強，飼用抗生素所引起的藥物殘留、抗藥性等問題也日益受到人們的重視。因此，世界許多先進(jìn)國家對抗生素的使用提出限制，歐盟于2006年1月起全面禁止食品動物使用抗生素促生長飼料添加劑。我國新的飼料添加劑管理條例（168號公告）也對抗生素添加劑的使用做出了規(guī)定和限制。基于這一現(xiàn)狀，尋找無污染、無殘留、安全有效的新型綠色抗生素替代品已成為當(dāng)今飼料添加劑研究的熱點之一。

纖維寡糖（cello-oligosaccharide,COS）是一種新型的功能性寡糖，由2～7個吡喃型葡萄糖單元通過β-1,4鍵連接在一起。植物纖維素是自然界最豐富、最廉價的可再生資源，是制備纖維寡糖理想的原料。農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈、甘蔗渣和苜蓿殘渣等均是豐富的纖維素來源，利用其生產(chǎn)纖維寡糖，具有較高的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1 纖維寡糖的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)

1.1 纖維寡糖的結(jié)構(gòu)

纖維寡糖（cello-oligosaccharide,COS）是由2～7個吡喃型葡萄糖單元通過β-1,4鍵連接在一起的一類寡糖物質(zhì)，是纖維素降解過程中得到的以纖維二糖、纖維三糖、纖維四糖、纖維五糖、纖維六糖為主的低聚糖的通稱[2]。由于構(gòu)成纖維寡糖的單體只有葡萄糖，因此纖維寡糖也叫葡寡糖。纖維寡糖的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 纖維寡糖的理化性質(zhì)

不同聚合度的纖維低聚糖理化性質(zhì)十分接近，幾乎不溶于有機溶劑，熱穩(wěn)定性低，在波長大于200 nm時沒有紫外吸收，無熒光特性，無揮發(fā)性，不含有帶電荷基團(tuán)。只有n≤4的低聚糖可溶于水，n≥5的低聚糖在水中溶解度很小或不溶[3]。

2 纖維寡糖的制備方法

目前獲得纖維寡糖的方法主要有合成法和分解法。

纖維寡糖的生產(chǎn)方法主要是微波合成法。劉云等[4]用微波固相合成法對葡寡糖的合成工藝及其優(yōu)化進(jìn)行了探索。但合成法制備纖維寡糖的操作都非常復(fù)雜、耗時長、且對儀器設(shè)備要求高，因此目前主要是采用分解法降解多糖生成纖維寡糖。

分解法主要有化學(xué)分解法和酶解法。李嘉喆等[5]研究了鹽酸催化下甲酸水解棉花制取纖維寡糖的過程，通過對生產(chǎn)條件的優(yōu)化，纖維寡糖的得率達(dá)到8.35%。另有研究證明，用甲酸溶液水解竹漿纖維，通過高效液相色譜法檢測，其水解產(chǎn)物中含有聚合度2～5的纖維寡糖[6]。但酸解法制備纖維寡糖存在反應(yīng)條件不易控制、酸的揮發(fā)產(chǎn)生危險性、需要有酸的中和以及中和酸產(chǎn)生的鹽會對后續(xù)分離純化產(chǎn)生影響、有機試劑的回收等問題。因此很難應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)中。

隨著酶工程技術(shù)的發(fā)展，酶法降解天然纖維素類物質(zhì)是近年來新興的制備纖維寡糖的方法。石波等在利用小麥秸稈制備纖維寡糖的研究方面取得重要進(jìn)展。劉沙沙等[7]報道，β-葡聚糖酶解經(jīng)過堿處理的小麥秸稈粉生成纖維寡糖，在最佳反應(yīng)條件下，小麥秸稈總轉(zhuǎn)化率達(dá)到55.57%，纖維二糖得率為148.15 mg/g小麥秸稈，且得到纖維寡糖為較高純度、聚合度為2～5的單一聚合度纖維寡糖，可作為標(biāo)準(zhǔn)品使用。

3 纖維寡糖的營養(yǎng)生理功能

3.1 對生長性能的影響

纖維寡糖能夠促進(jìn)動物采食量及對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，促進(jìn)動物生長。Hasunuma等[8]報道，基礎(chǔ)日糧添加纖維寡糖可提高斷奶至90日齡犢牛的日增重和飼料轉(zhuǎn)化率。Otsuka等[9]研究發(fā)現(xiàn)，纖維寡糖試驗組斷奶仔豬在飼養(yǎng)2周后，其體重與對照組無顯著差異，但在飼養(yǎng)4周后，纖維寡糖試驗組仔豬的體重顯著提高，這說明纖維寡糖對動物生長性能的效果需要一定的時間才能體現(xiàn)。徐露蓉等[10]的研究也發(fā)現(xiàn)，生長豬飼糧中添加0.2%和0.3%纖維寡糖，飼喂42 d后使生長豬平均日增重分別提高了7.51%和6.39% （P＜0.05），料重比分別降低了5.93%和5.19%（P＜0.05），且以0.2%纖維寡糖作用效果較佳。Otsuka等認(rèn)為，纖維寡糖對動物的生長促進(jìn)作用歸功于纖維寡糖可促進(jìn)動物的日采食量。然而，這一觀點僅通過一個間接指標(biāo)來證明，即添加纖維寡糖使斷奶仔豬血液尿素氮濃度升高，說明仔豬蛋白質(zhì)采食量增加，從而推測纖維寡糖提高了斷奶仔豬的日采食量。筆者認(rèn)為，纖維寡糖對動物生長性能的影響主要是由于纖維寡糖在腸道內(nèi)的益生作用，促進(jìn)了腸道的消化吸收功能，但其具體機理仍需進(jìn)一步探討。

3.2 對腸道菌群的影響

體外試驗表明，纖維二糖可影響瘤胃微生物中有機酸的產(chǎn)生[11]，這些有機酸能下調(diào)腸道pH值，促進(jìn)腸道內(nèi)乳酸菌和雙歧桿菌等有益菌的生長，有效抑制大腸桿菌等有害菌的生長，維持腸道健康。此外，纖維寡糖作為雙歧桿菌和乳酸桿菌的特異性營養(yǎng)機質(zhì)，能促進(jìn)單胃動物腸道內(nèi)有益微生物菌群的形成，增加動物機體對外源性病原菌的低抗作用。徐露蓉等[10]發(fā)現(xiàn)，纖維寡糖可在斷奶仔豬腸道中選擇性地促進(jìn)乳酸菌和雙歧桿菌等有益菌的快速繁殖。Song等[12]的結(jié)果也提示，纖維寡糖可促進(jìn)肉雞盲腸中乳酸菌增殖，抑制大腸桿菌和梭菌增殖，改善腸道菌群而改善肉雞腸道健康，發(fā)揮潛在益生作用。另有研究表明，纖維寡糖對病原菌有一定的抑制作用，如纖維二糖能抑制李斯特菌[13]。此外，筆者推測纖維寡糖對腸道菌群的調(diào)控可能是由于纖維寡糖具有排出致病菌的作用。寡糖的結(jié)構(gòu)與細(xì)菌結(jié)合腸黏膜的配體結(jié)構(gòu)（如I型菌毛）相似，可與細(xì)菌競爭腸黏膜上的受體，減少細(xì)菌在腸黏膜上的附著[14-15]。

3.3 對腸道生長發(fā)育的影響

纖維寡糖的攝入可以使動物腸道組織形態(tài)發(fā)生改變。纖維寡糖發(fā)酵產(chǎn)生的丁酸是結(jié)腸粘膜的主要能源物質(zhì)，可以使隱窩深度細(xì)胞密度及盲腸壁重增加，刺激上皮細(xì)胞的生長[16]。Otsuka等[9]也報道，在斷奶仔豬日糧中添加纖維寡糖有提高盲腸中丁酸和異戊酸等短鏈脂肪酸的趨勢。Uyeno等[17]的實驗結(jié)果顯示，犢牛飼喂纖維寡糖增加了丁酸的含量。Song等[12]報道，熱應(yīng)激肉雞飼糧中添加纖維寡糖，使肉雞絨毛高度變長，絨毛高度與隱窩深度比值上升，緩解了熱應(yīng)激引起的肉雞腸上皮組織形態(tài)受損。另外，纖維寡糖可與致病菌競爭腸黏膜上的結(jié)合位點，減少毒素等對腸絨毛的影響。

3.4 對腸上皮屏障功能的影響

腸道屏障完整的腸道屏障概念包括3個部分：機械屏障（物理屏障）、生物屏障、免疫屏障[18-19]。機械屏障是由完整的腸道上皮和上皮細(xì)胞間的細(xì)胞連接共同構(gòu)成。它主要通過腸上皮細(xì)胞緊密連接、腸蠕動、分泌胃腸黏液以及各種消化酶等來發(fā)揮屏障作用，在保護(hù)機體免受食物抗原、微生物及其產(chǎn)生的有害代謝產(chǎn)物的損害保持機體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定方面起重要作用。徐露蓉等[10]報道，纖維寡糖顯著提高了豬結(jié)腸上皮細(xì)胞跨膜電阻（P＜0.05），顯著降低了腸上皮對熒光素異硫氰酸酯－葡聚糖的通透性（P＜0.05）。Song等[12]的研究也發(fā)現(xiàn)，飼喂添加纖維寡糖的基礎(chǔ)日糧，可顯著提高熱應(yīng)激肉雞結(jié)腸上皮細(xì)胞跨膜電阻。纖維寡糖能夠改善結(jié)腸黏膜屏障功能，其原因可能是因為纖維寡糖能促進(jìn)結(jié)腸腸道內(nèi)雙歧桿菌等有益菌的大量增殖，而有益菌代謝產(chǎn)生的丙酸、丁酸等是腸上皮細(xì)胞的主要能源，能夠保護(hù)結(jié)腸黏膜屏障結(jié)構(gòu)免受各種應(yīng)激的損傷，其機理有待進(jìn)一步研究。纖維寡糖的添加，減少了病原菌在腸黏膜上的附著，也可能是纖維寡糖減小動物腸黏膜通透性的一個原因。

3.5 對機體免疫機能的影響

纖維低聚糖進(jìn)入機體促生雙歧桿菌后，可以起到提高機體免疫的作用。劉云等[4]報道，纖維寡糖具有清除機體自由基，提高小鼠的抗氧化能力及免疫功能。纖維寡糖提高機體免疫機能的作用機理尚不清楚，筆者猜測這一作用主要歸功于纖維寡糖的益生作用。纖維低聚糖發(fā)酵后產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可以抑制外源致病菌和腸內(nèi)固有腐敗細(xì)菌的生長繁殖，減少由這些細(xì)菌產(chǎn)生的各種毒素，從而降低腸道中內(nèi)毒素的含量，使血液中的內(nèi)毒素和氨含量下降，減輕肝臟分解毒素的負(fù)擔(dān)。此外，纖維寡糖在腸道內(nèi)促進(jìn)雙歧桿菌的生長，雙歧桿菌的細(xì)胞壁成分和胞外分泌物可增強免疫細(xì)胞的活性，促使腸道免疫蛋白A（IgA）漿細(xì)胞的產(chǎn)生，激活巨噬細(xì)胞和T、B淋巴細(xì)胞，提高天然殺傷細(xì)胞（NK）的殺傷力，從而殺滅侵入體內(nèi)的細(xì)菌和病毒。

4 纖維寡糖在畜牧業(yè)中的應(yīng)用前景

纖維素是自然界中最豐富的有機聚合物，自然界中每年約產(chǎn)生1 011～1 012 t，是地球上數(shù)量巨大的可再生資源[2]。我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，每年都產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)以及食品、飼料初級加工后的副產(chǎn)物，如玉米和小麥秸稈、甘蔗渣、豆渣、果皮、苜蓿提取蛋白后的殘渣等。雖然這些天然纖維素類物質(zhì)已在多個領(lǐng)域被人類開發(fā)應(yīng)用，但是由于其自身化學(xué)結(jié)構(gòu)的限制，每年仍有大量的纖維素類物質(zhì)未被利用或者被當(dāng)做廉價飼料處理[20]。采用新技術(shù)、新方法將其加工成可高效利用的纖維寡糖產(chǎn)品具有十分重要的意義。

纖維寡糖作為功能性寡糖家族中重要的一員可應(yīng)用于食品、飼料添加劑和生物農(nóng)藥等領(lǐng)域，不僅能影響動物生產(chǎn)性能、改善腸屏障功能、提高機體免疫，還具有無毒、無污染、無殘留、環(huán)境相容性好等優(yōu)點，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但由于酸水解法、化學(xué)合成法等方法制備纖維寡糖具有產(chǎn)品組分復(fù)雜、工藝操作繁瑣、寡糖得率低等缺點，使纖維寡糖的規(guī)模化生產(chǎn)難于實現(xiàn)。隨著酶工程技術(shù)的發(fā)展，采用酶技術(shù)規(guī)模化生產(chǎn)纖維寡糖成為可能。利用酶水解小麥秸稈生成纖維寡糖，既可降低功能性纖維寡糖生產(chǎn)成本，也可使大量農(nóng)業(yè)廢料變廢為寶，保護(hù)環(huán)境，減少生物資源的浪費，使小麥秸稈得到充分利用，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會價值。

纖維寡糖的制備已獲得重大進(jìn)展，但纖維寡糖作為一種新型添加劑的作用以及其作用機理仍有許多未知之處，有待今后的研究加以證明。