殼寡糖的生物學(xué)功能及其在畜禽營(yíng)養(yǎng)中的應(yīng)用

許　翔，李呂木，張民揚(yáng)（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，合肥　230036）

殼寡糖的生物學(xué)功能及其在畜禽營(yíng)養(yǎng)中的應(yīng)用

許翔，李呂木*，張民揚(yáng)
（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，合肥230036）

摘要：殼寡糖是一種新型綠色飼料添加劑。研究表明，殼寡糖具有調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)環(huán)境、提高機(jī)體免疫力的性能，而且還具有抗菌、抗氧化、抗腫瘤、改善動(dòng)物生長(zhǎng)等多種生理功能。此外，因其水溶性好，易被機(jī)體吸收，應(yīng)用前景廣闊。文章從抗氧化、抗腫瘤、免疫功能等方面對(duì)殼寡糖的生物學(xué)功能進(jìn)行綜述，并闡述了其在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：殼寡糖；免疫功能；腸道微生物；畜禽營(yíng)養(yǎng)

殼寡糖（chitosan oligosaccharide，COS）又名低聚殼寡糖，學(xué)名是β-1, 4-寡糖-葡萄糖胺，是由2～10個(gè)氨基葡萄糖以β-1, 4糖苷鍵連接而成的含有氨基的低聚糖。殼寡糖是通過甲殼素脫乙酰化的產(chǎn)物殼聚糖的降解獲得的高端衍生物。殼寡糖是多糖中唯一帶正電荷的小分子物質(zhì)，并具有穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)，也是自然界中唯一的堿性寡糖。殼寡糖本身具有良好的生物相容性，能生物降解，且其代謝產(chǎn)物無毒、無抗原，組織相容性好，而且相對(duì)分子質(zhì)量小，水溶性好，吸收率高，是一種新型的綠色飼料添加劑[1]。殼寡糖具有抗氧化、調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)環(huán)境、提高機(jī)體免疫力的性能，而且還有抗菌、抗腫瘤、改善動(dòng)物生長(zhǎng)性能等多種生理功能[2]。本文從其抗氧化、抗腫瘤、增強(qiáng)免疫等方面對(duì)其生物學(xué)功能進(jìn)行綜述，并闡述其在畜禽營(yíng)養(yǎng)中的應(yīng)用。

1　殼寡糖的生物學(xué)功能

1.1抗氧化作用

自由基是機(jī)體產(chǎn)生的損害機(jī)體組織與細(xì)胞的有害化合物，具有強(qiáng)氧化性，能導(dǎo)致疾病的產(chǎn)生和機(jī)體衰老。生物體內(nèi)存在的自由基有超氧陰離子自由基、羥自由基和脂類過氧化物自由基等。殼寡糖能夠激活體內(nèi)抗氧化酶，增強(qiáng)機(jī)體對(duì)自由基的清除作用[3-4]。Kim等發(fā)現(xiàn)，殼寡糖對(duì)羥自由基、超氧自由基等具有清除作用，可通過激活肝臟抗氧化防御體系清除自由基，進(jìn)而降低其氧化破壞作用[5]。殼寡糖還能夠降低血清中谷草轉(zhuǎn)氨酶（AST）、谷丙轉(zhuǎn)氨酶（ALT）及肝臟組織中的丙二醛（MDA）含量，進(jìn)而提高肝臟的抗氧化活性[6]。此外，殼寡糖在細(xì)胞水平上也表現(xiàn)出較明顯的抗氧化性，能夠清除細(xì)胞內(nèi)自由基，并抑制由自由基導(dǎo)致的細(xì)胞氧化損傷；有效保護(hù)胚胎干細(xì)胞等細(xì)胞免受氧化損傷，并對(duì)其導(dǎo)致的肝損傷的臨床治療也非常有效[7]。在人的臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞中，一定劑量的殼寡糖還能夠抵抗過氧化氫，進(jìn)而增加超氧化歧化酶（SOD）和谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-px）的含量，抑制由過氧化氫引起的體內(nèi)活性氧（ROS）的產(chǎn)生[8]。另外在人表皮層纖維細(xì)胞中，用一定劑量的殼寡糖處理能夠抑制由紫外線誘導(dǎo)的ROS產(chǎn)生和細(xì)胞DNA損傷，進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激造成的損傷[9]。

1.2抗腫瘤作用

腫瘤主要是由外界環(huán)境中的各種刺激和機(jī)體內(nèi)部某些潛在因素相互作用而產(chǎn)生的，使得原癌基因活化成為癌基因或抑癌基因失活所致。殼寡糖能夠抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)，誘導(dǎo)LH-7腫瘤細(xì)胞的凋亡[9]。研究表明，殼寡糖0.8 mg·mL-1可以通過增加凋亡蛋白Bax的表達(dá)來抑制肝癌細(xì)胞的增殖并促進(jìn)其凋亡，且呈劑量依賴性[10]。其還能降低抗凋亡基因Bcl-2的表達(dá)，提高Bax/Bcl-2通路，誘導(dǎo)肉瘤細(xì)胞的凋亡，表明殼寡糖可以顯著降低瘤重以及腫瘤的發(fā)生率[11]。殼寡糖的抗腫瘤作用主要表現(xiàn)在：其可以抑制與細(xì)胞周期有關(guān)的cyclinD1 mRNA的表達(dá)，從而抑制腫瘤細(xì)胞的增殖；還可以抑制抗凋亡蛋白Bcl-2和bcl-xl mRNA的表達(dá)而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡，且前者的作用強(qiáng)于后者[12]。由此可知，殼寡糖主要是通過調(diào)節(jié)機(jī)體腫瘤相關(guān)基因的表達(dá)來實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的。

1.3增強(qiáng)免疫的作用

通過殼寡糖刺激機(jī)體，可以促進(jìn)腹膜滲出液細(xì)胞數(shù)量的增加，激活巨噬細(xì)胞，并直接殺傷病原微生物，清除突變和凋亡細(xì)胞，繼而提高機(jī)體的免疫防御力，還能促進(jìn)巨噬細(xì)胞、細(xì)胞因子IL-13、 TNF-O和IL-18的基因表達(dá)[13]。而這些細(xì)胞因子又可以反饋激活巨噬細(xì)胞和NK細(xì)胞，形成網(wǎng)絡(luò)狀的反饋調(diào)節(jié)關(guān)系，從而較大地增強(qiáng)機(jī)體的免疫功能。灌服殼寡糖還能夠增強(qiáng)單核巨噬細(xì)胞的吞噬功能和遲發(fā)性超敏反應(yīng)，并降低膿毒癥小鼠的死亡率，能減輕內(nèi)毒素對(duì)肝肺等器官的損害和功能的影響，提高小鼠抗體生成能力以及脾臟和胸腺指數(shù)，從而增強(qiáng)機(jī)體的免疫力[14-16]。但對(duì)于成年家禽來說，免疫器官在其成年后就會(huì)退化，故又無法改變成年雞的脾臟指數(shù)。另外，殼寡糖能夠激活T淋巴細(xì)胞，在增加T淋巴細(xì)胞殺傷活性的同時(shí)又促進(jìn)巨噬細(xì)胞激活因子釋放，進(jìn)一步激活巨噬細(xì)胞，使得T淋巴細(xì)胞與巨噬細(xì)胞相互作用來加強(qiáng)機(jī)體的免疫功能。因此認(rèn)為殼寡糖殺傷活性的產(chǎn)生主要是激活T淋巴細(xì)胞與巨噬細(xì)胞相互作用加強(qiáng)的結(jié)果。研究表明，殼寡糖還可以顯著提高一氧化氮的產(chǎn)生，而一氧化氮是巨噬細(xì)胞活性氮代謝途徑的效應(yīng)物質(zhì)，殼寡糖正是通過提高一氧化氮的產(chǎn)生進(jìn)而達(dá)到提高巨噬細(xì)胞免疫作用的效果[17]。殼寡糖還可以提高血清新城疫抗體效價(jià)和補(bǔ)體C3含量，增強(qiáng)抵抗傳染病的能力[18]。除此之外，殼寡糖能通過體液免疫提高機(jī)體的免疫能力，通過促進(jìn)脾臟CD4+T細(xì)胞的增殖，啟動(dòng)機(jī)體免疫應(yīng)答[19]。還可增加血清IgG、IgA和IgM的濃度，進(jìn)而增強(qiáng)體液免疫功能。

1.4調(diào)節(jié)腸道菌群

腸內(nèi)微生物菌群對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)和健康起著重要的作用。由于殼寡糖的特殊結(jié)構(gòu)，使其成為自然界唯一大量存在的帶正電荷的糖類，在酸性環(huán)境下殼寡糖的游離氨基能夠質(zhì)子化，能夠與病原菌表面的膜結(jié)合，使其細(xì)胞質(zhì)流失并干擾病原菌與腸壁的結(jié)合能力，促進(jìn)病原菌隨糞便排出體外。殼寡糖能通過刺激腸道的生長(zhǎng)與發(fā)育，調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)小腸微絨毛的生長(zhǎng)，增大小腸的吸收面積及腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而改善生長(zhǎng)能力和產(chǎn)品品質(zhì)，提高飼料的利用率，同時(shí)單位面積內(nèi)的腸黏膜堿性磷酸酶（AKP）活性也增強(qiáng)[20-21]。當(dāng)適量的殼寡糖進(jìn)入動(dòng)物腸道后，有益菌群能將其分解產(chǎn)生大量的揮發(fā)性脂肪酸，為雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益菌所利用，使其大量增殖；同時(shí)還能分解產(chǎn)生一些抗菌類物質(zhì)，能有效殺滅大腸桿菌和沙門氏菌等有害菌，從而達(dá)到提高機(jī)體免疫力、降低腸道pH、產(chǎn)生B族維生素、分解致癌物質(zhì)、促進(jìn)蛋白質(zhì)吸收，維持微生物群落的動(dòng)態(tài)平衡[22]。因此腸道菌群的平衡對(duì)動(dòng)物機(jī)體的免疫和生產(chǎn)性能至關(guān)重要。由此可以看出，殼寡糖對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能的影響主要?dú)w功于其能夠改善腸道結(jié)構(gòu)，增加小腸絨毛面積，從而提高對(duì)飼料的利用率，進(jìn)而提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能。

1.5抗菌作用

殼寡糖結(jié)構(gòu)中最主要的特征基團(tuán)是氨基，這些氨基被證明在抑菌作用中起到了重要作用。最被廣泛接受的一種作用機(jī)理是認(rèn)為殼寡糖能改變細(xì)胞膜的滲透性，從而阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞或引起細(xì)胞組分的流失，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。在酸性條件下，殼寡糖分子中的游離氨基質(zhì)子化，質(zhì)子化銨能與細(xì)菌帶正電的細(xì)胞膜作用，干擾細(xì)菌細(xì)胞膜功能，造成細(xì)菌體內(nèi)細(xì)胞質(zhì)流失，對(duì)細(xì)菌和微生物的生長(zhǎng)有抑制作用[23]。其抗菌活性與菌種及濃度有關(guān)，且隨濃度加大其抗菌活性增強(qiáng)，高濃度時(shí)具有殺菌作用。研究發(fā)現(xiàn)，殼寡糖對(duì)大腸埃希氏菌和金黃色葡萄球菌的最低抑制濃度為0.3%，對(duì)副傷寒甲沙門氏菌、宋內(nèi)志賀菌的最低抑制濃度為0.1%[24]。并且殼寡糖對(duì)大腸桿菌、鏈球菌等腸道有害菌有明顯的抑制作用，而對(duì)雙歧桿菌和乳酸桿菌有明顯的促進(jìn)作用[25-26]。其作用機(jī)制為：對(duì)于革蘭氏陽性菌，殼寡糖結(jié)構(gòu)上帶正電荷的氨基基團(tuán)與細(xì)菌表面上帶負(fù)電荷的物質(zhì)如脂多糖蛋白質(zhì)等相互作用形成疏水聚合物，阻礙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，最終抑制致病微生物代謝活動(dòng)；對(duì)于革蘭氏陰性菌，殼寡糖通過擴(kuò)散作用滲透進(jìn)入細(xì)胞核與DNA結(jié)合干擾特定基因轉(zhuǎn)錄抑制其生長(zhǎng)[27-28]。研究表明，殼寡糖的抑菌、殺菌作用還與相對(duì)分子質(zhì)量大小有關(guān)，相對(duì)分子質(zhì)量越小的殼寡糖越容易進(jìn)入細(xì)胞壁的空隙結(jié)構(gòu)內(nèi)，干擾細(xì)胞新陳代謝，達(dá)到殺菌目的[29]。

1.6降血脂、降血壓作用

殼寡糖作為殼聚糖酸解或酶解產(chǎn)物，具有調(diào)節(jié)血清中葡萄糖和血脂的作用[30]。劉含亮等就在殼寡糖對(duì)虹鱒血清生化指標(biāo)的研究中表示，殼寡糖組能夠降低血清中甘油三酯、膽固醇和葡萄糖的含量[31]。對(duì)膽固醇的降低表現(xiàn)在降低低密度脂蛋白膽固醇水平，而提高高密度脂蛋白膽固醇水平，同時(shí)增加甘油三酯和總膽固醇排泄量，有效抑制胰脂肪酶活性達(dá)87%[32-33]。另外，殼寡糖還能減少腸道對(duì)脂質(zhì)的吸收，從而改善脂類代謝，將多余的脂肪排出體外。血脂保持在較低水平時(shí)有助于防治高血脂疾病的發(fā)生，在一定程度上也提高了機(jī)體的免疫力。在動(dòng)物體內(nèi)“三高”會(huì)導(dǎo)致很多疾病，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氯離子是導(dǎo)致高血壓的罪魁禍?zhǔn)祝鴼す烟蔷哂姓姾傻奶匦?，可以與氯離子結(jié)合并將其排出體外。此外，殼寡糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)與肝素有類似之處，具有15%～45%肝素活性，能夠活化血管細(xì)胞、降低外周血管阻力，從而減少脂類在血管壁的沉積達(dá)到調(diào)節(jié)血壓的作用，還能夠降低血清中的尿素氮含量，提高蛋白質(zhì)沉積率，降低尿素在腎臟中的沉積，從而減少腎臟尿素中毒的可能性，同時(shí)添加殼寡糖還能夠影響血清中免疫球蛋白、生長(zhǎng)激素和谷草、谷丙轉(zhuǎn)氨酶的含量[6]。綜上所述，殼寡糖對(duì)動(dòng)物血清生化指標(biāo)的影響主要是通過調(diào)節(jié)甘油三酯、膽固醇、葡萄糖的水平來實(shí)現(xiàn)的，表明殼寡糖具有降血脂、降血壓的作用。除此之外，殼寡糖還可以通過減少肝臟肌糖原分解，減輕肝臟、肌肉組織的胰島素抵抗，使血糖濃度下降[34]。

2　殼寡糖在畜禽營(yíng)養(yǎng)中的應(yīng)用

對(duì)肉仔雞、蛋雞、仔豬的諸多研究表明，殼寡糖能夠改善機(jī)體的腸道微生態(tài)結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)性能，提高機(jī)體抗氧化性，降低血清中膽固醇、甘油三酯等含量，同時(shí)能夠增強(qiáng)機(jī)體的免疫功能，吸收性好且無毒[35]。因此殼寡糖能夠作為綠色添加劑添加到飼料中。

2.1雞

日糧中添加殼寡糖100～150 mg·kg-1可提高肉用仔雞回腸的消化性能，且干物質(zhì)、鈣、磷、粗蛋白質(zhì)和所有氨基酸的回腸消化率也得以提高，從而提高其生產(chǎn)性能和飼料效率[36]。除此之外，還能使肉仔雞日增重和日采食量提高，腹部脂肪下降，而且隨著其濃度增加，肉色黃度降低，胸肌和腹肌中的飽和脂肪酸含量下降，肉品質(zhì)得到改善[37]。殼寡糖還能影響雞組織器官中礦物質(zhì)元素的含量。殼寡糖對(duì)肉仔雞胸肌中除P元素含量減少外，Ca、Zn、Fe和Mn含量均提高，腿肌中Ca、P、Zn、Fe和Mn各元素也均有所增加，并且能使腸壁變薄，提高消化器官功能，增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。一定水平的殼寡糖還能作為肉雞日糧中抗生素的替代品，游金明等在研究殼寡糖與金霉素對(duì)肉仔雞生長(zhǎng)性能的對(duì)比效應(yīng)時(shí)，得出肉仔雞日糧中添加殼寡糖100、150 mg·kg-1獲得了與金霉素相似或更好的日增重、日采食量和飼料轉(zhuǎn)化效率[38]。此外，對(duì)于蛋雞來說，飼糧中添加殼寡糖還能夠提高飼糧消化利用率，從而提高產(chǎn)蛋率、蛋重、蛋殼質(zhì)量和免疫力，因此可以作為提高蛋雞健康和改良蛋品質(zhì)的新型添加劑[39]。殼寡糖還可以提高雞蛋的哈夫單位，哈夫單位可以直接反映雞蛋的新鮮度，而新鮮度又與雞蛋的抗氧化性有關(guān)，因此可以推測(cè)殼寡糖能夠提高雞蛋的抗氧化性[29]。

2.2豬

殼寡糖在豬日糧中的添加可以降低脂肪的消化率，從而減少豬的脂肪沉積，提高瘦肉率[22]。還可以顯著降低仔豬保育期的死淘率，改善飼料轉(zhuǎn)化率，提高飼料中干物質(zhì)、鈣、粗蛋白質(zhì)及磷的消化率；并促進(jìn)礦物質(zhì)元素吸收和貯存，增加了背最長(zhǎng)肌中Cu、心肌中Zn以及脾臟中Mn的含量，此外降低了脾臟、胃以及腎組織中Ca和Mg的含量，血清中Cu、Zn、Mn和Ca的含量均有增加的趨勢(shì)。連國琦等探討了殼寡糖作為環(huán)江香豬飼料添加劑的可行性，研究發(fā)現(xiàn)，在21日齡斷奶仔豬飼糧中添加殼寡糖0.5%，仔豬回腸中的乳酸桿菌和鏈球菌數(shù)量顯著增加（P<0.05），盲腸中雙歧桿菌和乳酸桿菌數(shù)量顯著增加（P<0.05），大腸桿菌和鏈球桿菌數(shù)量顯著降低（P<0.05），說明殼寡糖能夠在一定程度上改善仔豬腸道菌群，維持腸道健康，并可提高仔豬的抗病能力[26, 40]。飼料中添加殼寡糖0.1%～0.3%，還能促進(jìn)豬淋巴細(xì)胞的增殖及抗體生成，提高豬的免疫力[41]。另外，在仔豬日糧中添加一定量的殼寡糖也可使斷奶仔豬的平均日增重、平均日采食量和肉料比得到顯著改善（P<0.05），并且可以使仔豬腹瀉率顯著下降（P<0.05），主要原因可能其通過抑制大腸桿菌致病菌的定植改善了腸道菌群結(jié)構(gòu)，從而提高了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化率，并且同時(shí)添加一定量的卵磷脂和殼寡糖會(huì)降低豬肉中膽固醇的含量[42,45]。研究發(fā)現(xiàn)，在豬日糧中添加殼寡糖250 mg·kg-1能降低回腸中乳酸桿菌和大腸桿菌數(shù)量，降低乳酸和戊酸濃度，增加十二指腸和空腸腸絨毛高度和腸隱窩深度，從而改善對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收[43]。除此之外，飼糧中添加殼寡糖能改善仔豬整個(gè)機(jī)體蛋白質(zhì)的合成代謝，主要是因?yàn)闅す烟强商岣咦胸i堿性磷酸酶活性，降低血漿尿素氮濃度，而血清中的堿性磷酸酶與脂肪、糖類和蛋白質(zhì)的吸收運(yùn)輸合成等過程密切相關(guān)，說明仔豬對(duì)日糧蛋白質(zhì)的利用能力增強(qiáng)[26]。

3　小結(jié)

殼寡糖資源豐富，毒副作用小，應(yīng)用廣泛，對(duì)促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)發(fā)育、免疫等方面有很好的效果，其開發(fā)前景是十分廣闊的。目前，關(guān)于殼寡糖免疫調(diào)節(jié)作用機(jī)制的研究已達(dá)分子水平，但其生物學(xué)功能的作用機(jī)制還有待更深入的研究。另外，殼寡糖目前的生產(chǎn)工藝還不夠完善，且生產(chǎn)成本較大，限制了殼寡糖的廣泛應(yīng)用。相信隨著研究的不斷拓寬和深入，生產(chǎn)工藝的不斷完善將大幅推動(dòng)殼寡糖在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用。

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前沿科技摘編

Research Progress on Biological Function of Chitosan Oligosaccharide and Application in Livestock Nutrition

XU Xiang, LI Lvmu*, ZHANG Minyang
（College of Animal Science and Technology, Anhui Agriculture University, Hefei 230036, China）

Abstract:Chitosan oligosaccharides is a new green feed additive. Studies shows that chitosan oligosaccharides have function on anti-oxidant, regulating intestinal micro-ecological environment, improving immunity, anti-bacte?rial, anti-tumor, improving animal growth performance and other biological functions. In addition, because of its good water solubility and can easily be absorbed by the body, it has broad application scenarios. Therefore, Its bio?logical function from its anti-oxidation, anti-tumor, immune function and application in livestock nutrition were summarized in this paper.

Key words:chitosan oligosaccharides; immune function; intestinal microflora; livestock nutrition

*通訊作者：研究員，博士生導(dǎo)師，E-mail: llm56@ahau.edu.cn。

作者簡(jiǎn)介：許翔（1992-），男，安徽蕪湖人，碩士研究生，研究方向?yàn)閯?dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料科學(xué)。

收稿日期：2015-05-21

中圖分類號(hào)：S831.5；Q538

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-0084（2015）06-0031-06