水蘇糖的理化特性及其在動物生產(chǎn)上的應(yīng)用

趙歆昀 劉吉喆 楊桂芹

(沈陽農(nóng)業(yè)大學畜牧獸醫(yī)學院，沈陽 110866)

水蘇糖屬于α-低聚半乳糖，主要存在于唇形科、豆科、玄參科等多種植物中，特別是唇形科水蘇屬的植物草石蠶。水蘇糖的制備方法目前主要有物理提取法和酶法。以毛葉地筍、澤蘭、草石蠶等為原料，采用物理提取法提取出的水蘇糖含量一般在20%～70%[1]。以草石蠶為原料，采用生物提純和工業(yè)色譜分離技術(shù)制備的水蘇糖純度高達90%以上[2]。以大豆及其加工副產(chǎn)品為原料生產(chǎn)的大豆低聚糖中，水蘇糖含量一般在18%～71%。GB/T 22491—2008對大豆低聚糖的定義中，純度為75%的大豆低聚糖一般含水蘇糖18%、棉籽糖6%和蔗糖24%。張閃閃等[3]通過酵母發(fā)酵大豆?jié)饪s蛋白乳清，提取的水蘇糖純度達90%。水蘇糖也是大豆低聚糖的主要功能性組分[4]。近年來，我國對水蘇糖的研究逐漸增多，除了原有的食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域外，水蘇糖在動物生產(chǎn)上的應(yīng)用也越來越引起人們的廣泛關(guān)注。

1 水蘇糖的分子結(jié)構(gòu)和理化特性

水蘇糖是由1分子α-葡萄糖、1分子β-果糖和2分子α-半乳糖，以半乳糖(α1→6)-半乳糖(α1→6)-葡萄糖(α1→2β)-果糖方式連接組成，因此又被稱為四糖[5]。水蘇糖的分子式為C24H42O21，相對分子質(zhì)量為666.59，分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示。經(jīng)X單晶衍射測定認為，水蘇糖屬于單斜晶系，通過氫鍵堆積成三維層狀結(jié)構(gòu)[5-6]，如圖2所示。

圖1 水蘇糖的分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 Molecular structure formula of stachyose

純凈的水蘇糖為白色粉末，其甜度是蔗糖的22%，口感清爽，沒有異味。水蘇糖結(jié)晶為結(jié)合4分子水的細小晶體，易溶于水，溶解度為130 g(20 ℃)，不溶于乙醚、乙醇等有機溶劑，熔點為101 ℃，在真空中加熱可失去結(jié)晶水。無水水蘇糖的熔點為167～170 ℃，保濕性和吸濕性均小于蔗糖，沒有還原性。郭美麗等[7]在一系列毒理試驗中證明水蘇糖是安全無毒的。

2 水蘇糖在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

由于人類和單胃動物消化系統(tǒng)中缺乏消化α-1,6-糖苷鍵的消化酶，因而水蘇糖可直接進入消化道后端，被腸道雙歧桿菌及少數(shù)乳酸桿菌酵解和利用。因此，水蘇糖等非消化寡糖又被稱作膳食纖維或益生元[8]。美國、日本和歐洲等發(fā)達國家對水蘇糖的開發(fā)和利用已十分廣泛，隨著水蘇糖生產(chǎn)技術(shù)的成熟及應(yīng)用的推廣，其發(fā)展前景也逐步受到我國的關(guān)注與重視?，F(xiàn)如今，我國與水蘇糖有關(guān)的專利有153項，其中有關(guān)于水蘇糖生產(chǎn)技術(shù)的專利有29項，關(guān)于水蘇糖檢測技術(shù)的專利有2項，其余均為水蘇糖的應(yīng)用專利[1]。

圖2 水蘇糖的X單晶衍射結(jié)構(gòu)Fig.2 X-ray crystal structure and the atomic numbering scheme of stachyose[5]

2.1 調(diào)整腸道菌群平衡

Hayakawa等[9]研究表明，含23%及純化后含71%水蘇糖的大豆低聚糖，能被人腸道雙歧桿菌有效利用，顯著提高了糞便中雙歧桿菌的數(shù)量。羅予等[10]以大豆低聚糖、水蘇糖、棉籽糖和蔗糖為基質(zhì)配制培養(yǎng)液，分別接種人糞便青春雙歧桿菌和大腸埃希菌，發(fā)現(xiàn)水蘇糖是促雙歧桿菌生長的主要因素。舒國偉等[11]研究表明，在乳酸菌培養(yǎng)基(MRS)中添加0.8%、1.0%的水蘇糖均能顯著加速人兩歧雙歧桿菌BB01的生長。雙歧桿菌除了在腸道內(nèi)能優(yōu)先利用非消化寡糖外，在多種非消化寡糖共同存在的條件下，還能優(yōu)先消耗水蘇糖，因此水蘇糖能直接定向增殖雙歧桿菌[12]。

2.2 提高機體免疫功能

由于水蘇糖分子中的α-1,6-半乳糖結(jié)構(gòu)，在配合基接收器交感反應(yīng)的分子機制基礎(chǔ)上，參與免疫、病原體和細胞之間的吸附等生物過程，使水蘇糖具有預(yù)防病原體感染、中和毒素和調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的功能[13]。用水蘇糖(以每10 g體重0.2 mL的量)對小鼠每天灌胃1次，連續(xù)30 d后測定得出，小鼠體液免疫功能及單核巨噬細胞功能均為陽性[14]。另外，水蘇糖在雙歧桿菌的作用下，能分解產(chǎn)生提高人體免疫力的多重免疫功能因子，具有提高人體免疫力的功能。

2.3 緩解便秘和防治腹瀉

水蘇糖屬于小分子水溶性膳食纖維，到達大腸后優(yōu)先被雙歧桿菌利用，產(chǎn)生大量的短鏈脂肪酸，如乙酸、丙酸和正丁酸等[15]。據(jù)報道，103名便秘患者每天通過服用含5 g水蘇糖的沖劑，排便狀況獲得改善，腸道功能得到增強[16]。同時，水蘇糖分子中有大量的羥基，在腸道中能很好地吸收水分，有緩解腹瀉的作用[17]。此外，水蘇糖還具有保護肝臟、抑癌、抑制特異性皮炎、抗關(guān)節(jié)炎、防止齲齒、預(yù)防結(jié)腸炎、排鉛、降血壓和降血脂、抗氧化和抗衰老等功能[18]。

3 水蘇糖在家禽生產(chǎn)上的應(yīng)用

3.1 水蘇糖對家禽腸道菌群的影響

Pacifici等[19]研究表明，人工注射5%、10%的水蘇糖到孵化至第17天雞胚的羊膜腔中，繼續(xù)孵化至第21天(出孵)，結(jié)果表明，水蘇糖或棉籽糖對雞胚腸道菌群、鐵的生物學利用率和腸黏膜組織形態(tài)功能均具有有益的作用。水蘇糖可被肉仔雞盲腸內(nèi)的雙歧桿菌及少數(shù)乳酸桿菌酵解和利用，其發(fā)酵速度在大豆低聚糖中僅次于棉籽糖[20]。易中華[21]研究表明，飼糧中添加1.0%的水蘇糖制劑顯著增加了肉仔雞盲腸食糜中雙歧桿菌和乳酸桿菌的數(shù)量，顯著降低了盲腸食糜中大腸桿菌和沙門氏菌的數(shù)量。Lan等[22]以14日齡肉仔雞盲腸菌為接種物，體外發(fā)酵大豆低聚糖，結(jié)果表明，與大豆低聚糖和棉籽糖相比，水蘇糖具有最大的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率，顯著抑制了大腸埃希氏菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌的生長。楊桂芹等[23]研究表明，添加1.0%的水蘇糖顯著提高了肉仔雞體外盲腸內(nèi)容物培養(yǎng)液中菌群的豐富度，并促進了布勞特氏菌屬、副擬桿菌屬和路氏乳桿菌屬細菌的增殖。

水蘇糖在雙歧桿菌發(fā)酵的作用下，在腸道中產(chǎn)生大量的短鏈脂肪酸，使腸道內(nèi)pH顯著下降，在此環(huán)境下能抑制有害菌增殖，調(diào)整腸道微生態(tài)平衡。但Jiang等[24]報道，水蘇糖除在初始階段對肉仔雞盲腸內(nèi)的丁酸鹽濃度有顯著影響外，在其余方面并沒有積極影響。而易中華[22]在研究中發(fā)現(xiàn)，在飼糧中添加水蘇糖制劑顯著增加了肉仔雞盲腸食糜中乙酸和短鏈脂肪酸的濃度以及丁酸占短鏈脂肪酸總量的摩爾百分比，隨著水蘇糖添加量的增加，回腸和盲腸中食糜pH呈下降的趨勢；另外，添加0.5%的水蘇糖制劑能夠有效地降低腸道內(nèi)揮發(fā)性鹽基氮的含量，從而能抑制早期肉仔雞腸道腐敗菌的增殖。

3.2 水蘇糖對家禽消化器官和腸黏膜組織形態(tài)的影響

腸道多胺、表皮生長因子、短鏈脂肪酸和pH等因素都影響著家禽消化道形態(tài)結(jié)構(gòu)，這些因素中大多受飼糧中營養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)節(jié)，而非消化寡糖屬于重要的調(diào)節(jié)物之一[25]。易中華等[26]研究表明，添加水蘇糖不同程度地增加了肉仔雞消化器官的絕對重量，尤其以盲腸和結(jié)直腸的增加效果最為明顯；添加0.5%的水蘇糖制劑顯著提高了肉仔雞十二指腸、空腸和回腸的絨毛高度，顯著降低了空腸和回腸的隱窩深度，提高了空腸和回腸的絨毛高度/隱窩深度。

3.3 水蘇糖對家禽生產(chǎn)性能和營養(yǎng)物質(zhì)消化率的影響

水蘇糖是一種非消化寡糖，因其特有的功能性和非消化性，使其對動物的消化生理和營養(yǎng)物質(zhì)代謝都有重要的影響，從而也影響各種營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，最終影響動物的生產(chǎn)性能。Jiang等[24]研究表明，添加1.2%水蘇糖的飼糧與正常豆粕飼糧相比，肉仔雞對飼糧中營養(yǎng)物質(zhì)的消化率沒有顯著區(qū)別，但隨著水蘇糖添加量的增加，肉仔雞對飼糧中營養(yǎng)物質(zhì)的消化率稍有降低。易中華[21]研究表明，添加0.5%的水蘇糖制劑對飼糧營養(yǎng)物質(zhì)的表觀利用率有著不同程度的提高，而添加2.0%的水蘇糖制劑時，營養(yǎng)物質(zhì)的表觀利用率卻顯著降低，其中鈣、磷、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維受飼糧水蘇糖添加量的影響較大，其主要原因是高劑量的水蘇糖加快了飼糧在消化道的流動速度。

在肉仔雞飼糧中添加水蘇糖會導(dǎo)致肉仔雞平均日增重和飼料利用率降低，隨著水蘇糖添加量的增加，肉雞生長呈線性遞減和二次增長趨勢[24]。易中華等[27]研究表明，水蘇糖對肉仔雞生長性能的影響存在劑量反應(yīng)關(guān)系，低劑量(0.5%)表現(xiàn)為輕微的促進作用，高劑量(2.0%)則表現(xiàn)為抑制作用，而且生長前期劑量反應(yīng)程度強于生長后期。

3.4 水蘇糖對家禽免疫功能的影響

汪莉等[28]研究表明，包括水蘇糖在內(nèi)的一些低聚糖可促進蛋雛雞的胸腺、法氏囊等免疫器官的發(fā)育，減少氨氣(NH3)、硫化氫(H2S)等糞便臭氣物質(zhì)的排放量。飼糧中添加0.5%的水蘇糖制劑有增加18日齡肉仔雞脾臟指數(shù)的趨勢，可顯著提高18日齡肉仔雞血清免疫球蛋白A(IgA)含量，但顯著降低了36日齡肉仔雞的脾臟指數(shù)[29]。因此，水蘇糖可以作為免疫促進劑，可提高動物的免疫功能，其免疫調(diào)節(jié)作用可能主要是通過調(diào)節(jié)動物腸道微生態(tài)的途徑來實現(xiàn)[30]。

4 水蘇糖在豬生產(chǎn)上的應(yīng)用

4.1 水蘇糖對豬腸道菌群的影響

水蘇糖在豬腸道中發(fā)揮的作用機理與在肉仔雞上相同，其效果也比較相似。Krause等[31]首次報道了在體外條件下水蘇糖可完全被斷奶仔豬后腸微生物發(fā)酵，同時這個發(fā)酵過程會由于飼糧中高水平乳糖的添加而加速。Zhang等[32]研究表明，飼糧添加1.0%的水蘇糖可以顯著增加豬回腸中乳酸桿菌以及盲腸和結(jié)腸中雙歧桿菌數(shù)量，顯著減少結(jié)腸中細菌數(shù)量，顯著增加了回腸、盲腸和結(jié)腸中揮發(fā)性脂肪酸的含量。但高劑量的水蘇糖會使空腸、回腸、盲腸和結(jié)腸中乳酸菌和雙歧桿菌的數(shù)量下降[33]。

4.2 水蘇糖對豬生產(chǎn)性能和營養(yǎng)物質(zhì)消化率的影響

豆粕中的棉籽糖和水蘇糖被認為是單胃動物的抗營養(yǎng)因子，主要由于其在動物后腸發(fā)酵，對代謝能的提供沒有正向作用[34]。Smiricky等[35]研究也表明，水蘇糖和棉籽糖降低了豬對飼糧氮和氨基酸的消化率，并隨著添加量的增加，干物質(zhì)消化率呈顯著的線性下降。研究發(fā)現(xiàn)，在含有水蘇糖的飼糧中添加α-半乳糖苷酶可消除這一負面影響[36]，因為該酶可在仔豬的小腸將80%的水蘇糖水解，進而顯著提高了飼糧α-半乳糖的消化率。雖然水蘇糖在豬營養(yǎng)物質(zhì)消化率方面存在負效應(yīng)，但與正常豆粕飼糧相比，在無豆粕飼糧中添加1.0%的水蘇糖對仔豬的生產(chǎn)性能產(chǎn)生沒有顯著影響，但顯著降低了斷奶仔豬的腹瀉率，不過當添加量達到2.0%時，斷奶后前2周仔豬的生產(chǎn)性能顯著下降[32]。這說明水蘇糖對仔豬生產(chǎn)性能影響的劑量效應(yīng)非常明顯，同時也說明水蘇糖的抗營養(yǎng)性主要表現(xiàn)在營養(yǎng)物質(zhì)消化率上。

5 水蘇糖在水產(chǎn)等其他動物生產(chǎn)上的應(yīng)用

蔡英華[37]表明，牙鲆攝食率隨著飼料中水蘇糖含量的升高而顯著升高，但飼料干物質(zhì)和蛋白質(zhì)的表觀消化率有降低的趨勢。飼料添加水蘇糖、棉籽糖或二者聯(lián)合添加后，大西洋鮭魚的體重和生長速度介于全魚粉飼料和豆粕替代部分魚粉飼料之間，其對蛋白質(zhì)和脂肪的消化率沒有產(chǎn)生顯著影響[38]。與全魚粉飼料相比，飼料中添加300 g/kg的豆粕顯著降低了幼齡異育銀鯽的生長性能，但添加與豆粕中等量的水蘇糖、棉籽糖或水蘇糖+棉籽糖，并沒有顯著改變8周試驗期內(nèi)幼魚的生長狀況和腸道形態(tài)[39]。水蘇糖對異育銀鯽的體成分組成及腸道菌群數(shù)量也無顯著影響[40]。另外，水蘇糖在一定程度上可提高異育銀鯽的非特異性免疫功能[41]，現(xiàn)在已有添加水蘇糖的功能性飼料(專利產(chǎn)品)用于防治草魚赤皮病[42]。Hu等[43]研究表明，飼料中添加1.25%的水蘇糖顯著提高了幼齡大菱鲆的生長性能、飼料利用率和消化酶活性，添加1.25%和5.00%的水蘇糖顯著提高了與消化有關(guān)的腸纖維素分解菌的豐度，增強了幼齡大菱鲆的腸黏膜屏障功能。但添加量(2.5%～5.0%)的水蘇糖也會導(dǎo)致大菱鲆采食量增加、飼料效率降低，當添加量達到5.0%時，雖然增加了大菱鲆腸道內(nèi)的有益菌數(shù)量，同樣也增加了一些潛在致病菌的數(shù)量[44]。由此可見，水蘇糖對同一種動物不同功能(生長、消化、腸黏膜屏障等)的影響，其劑量效應(yīng)存在差異。

除雞、豬和魚以外，水蘇糖應(yīng)用到家蠶、獼猴和小鼠等動物上也都表現(xiàn)出了正向效應(yīng)。陳傳杰等[45]研究表明，家蠶飼糧中添加0.50%的水蘇糖顯著提高了家蠶蟲蛹統(tǒng)一生命率、全繭量、繭層量、繭層率。李海芳[46]研究表明，在獼猴飼糧中添加水蘇糖后，腸道內(nèi)乳酸桿菌的數(shù)量增加，大腸桿菌的數(shù)量降低；飼喂水蘇糖6周后，獼猴排便正常，糞便外觀黃色，呈疏松條狀，表明水蘇糖改善了獼猴的腸道功能；另外，飼糧中添加水蘇糖后也顯著提高了獼猴的免疫力和抗病力。Li等[47]在研究中發(fā)現(xiàn)，含55.3%水蘇糖、25.8%棉籽糖和9.7%毛蕊花糖的大豆寡糖制劑促進了小鼠腸道內(nèi)有益菌的增殖，抑制了病原菌的增殖，顯著促進了腸蠕動和排泄。魏艷等[48]研究表明，水蘇糖-植物乳桿菌合生元能顯著提高免疫力低下小鼠的特異性細胞免疫、體液免疫和非特異性免疫功能，提高血清中部分免疫因子水平，增強小鼠的免疫功能。通過對Ⅱ型糖尿病大鼠(模型)進行水蘇糖喂養(yǎng)4周試驗發(fā)現(xiàn)，水蘇糖會通過改變大鼠腸道菌群mRNA的表達而影響腸道菌群平衡[49]。竇江麗等[50]研究表明，添加50、100 μg/mL的水蘇糖能顯著提高兔體外培養(yǎng)的中性粒細胞的活力，同時也顯著提高了對中性粒細胞吞噬金黃色葡萄球菌的能力。

可見，目前對水蘇糖在動物生產(chǎn)上的研究主要集中在其對家禽、豬、魚等動物的腸道菌群、消化能力和免疫能力等方面：1)同對人類腸道內(nèi)環(huán)境和腸道菌群的作用相似，水蘇糖對調(diào)整雞、豬、魚、獼猴和鼠等動物的腸道菌群平衡具有一定的正向作用；2)水蘇糖可不同程度地增加動物的消化器官重量，改善小腸絨毛形態(tài)，增強腸黏膜的屏障功能；3)水蘇糖具有預(yù)防病原體感染、中和毒素和調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的功能。有關(guān)水蘇糖對家禽、豬和水產(chǎn)動物腸道菌群、消化能力和免疫功能影響的主要研究結(jié)果如表1所示。

6 小 結(jié)

水蘇糖來源于天然植物，安全性高，應(yīng)用范圍廣。合理應(yīng)用水蘇糖能顯著改善動物胃腸道菌群平衡，增強動物體免疫力，但對動物的生產(chǎn)性能作用不大，劑量效應(yīng)也非常明顯。在動物生產(chǎn)上的應(yīng)用還存在很多問題，如成本問題，水蘇糖來源、添加水平及基礎(chǔ)飼糧中水蘇糖含量等對其效應(yīng)的影響差異，飼糧添加水蘇糖后對動物產(chǎn)品品質(zhì)、糞便臭氣化合物含量等潛在生理功能的影響還需進一步研究，特別是分子水平上的作用機制還需進一步探索。我國對水蘇糖的研究起步較晚，但水蘇糖的開發(fā)和應(yīng)用正在日益受到重視，隨著水蘇糖制備成本的降低，相信隨著對水蘇糖研究的深入，水蘇糖的應(yīng)用范圍會不斷擴大，市場前景將更為寬廣。