低聚殼聚糖在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

■丁 科 徐倩倩 夏文銳 鄒曉庭 盧建軍*

（1.浙江大學(xué)飼料科學(xué)研究所 教育部動物分子營養(yǎng)學(xué)重點實驗室，浙江杭州310058；2. 浙江匯能生物股份有限公司，浙江嘉興314422）

殼聚糖又稱脫乙酰甲殼素，是由天然存在于甲殼類動物體內(nèi)的殼多糖經(jīng)過脫乙酰方法而得。自19世紀(jì)50 年代末，法國人Rouget 首先發(fā)現(xiàn)并得到殼聚糖后，這種天然高分子的優(yōu)良性能被各行各業(yè)廣泛關(guān)注，針對其理化性質(zhì)的研究深受國內(nèi)外研究人員的青睞。研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖具有降血脂、抗腫瘤、抑制病源微生物等生物學(xué)功能，但因其本身分子量高達(dá)上百萬，可溶于稀酸但不可溶于水等一些普通溶劑，其開發(fā)應(yīng)用受到極大的限制[1-2]。將高分子殼聚糖通過物理、化學(xué)、酶解等方法進(jìn)一步降解可得到甲殼素的高級衍生物——低聚殼聚糖。低聚殼聚糖不僅具有高分子殼聚糖所具有的生物學(xué)功能，而且因其相對分子量小，溶解性好，還具有殼聚糖大分子所不具備的獨特的生理功能，例如調(diào)節(jié)腸道菌群、增強(qiáng)機(jī)體免疫力和抗氧化功能、改善動物生產(chǎn)性能以及提高動物產(chǎn)品品質(zhì)等作用[3]。因此，低聚殼聚糖在醫(yī)藥、環(huán)保、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有獨特的應(yīng)用價值。

目前，畜牧行業(yè)市場競爭日益激烈、“飼料禁抗”已列出具體時間表。在禁抗的大環(huán)境下，各種抗生素替代品不斷被開發(fā)出來。低聚殼聚糖作為一種新型綠色添加劑，不僅來源天然，資源豐富，無毒無害，而且生物活性高，可被生物降解，不會在動物體內(nèi)殘留，因此在畜牧生產(chǎn)中備受青睞[4]。研究表明，低聚殼聚糖能促進(jìn)斷奶仔豬、雞、鴨、福瑞鯉等動物的生長性能[5-8]。本文將從促進(jìn)動物生長性能、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、提高抗氧化性能和免疫性能等四方面闡明低聚殼聚糖在動物體內(nèi)的作用機(jī)制，并闡述其在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用，以期為推廣低聚殼聚糖應(yīng)用于家禽飼料提供參考依據(jù)。

1 低聚殼聚糖的作用機(jī)制

1.1 低聚殼聚糖促進(jìn)動物生長性能的作用機(jī)制

低聚殼聚糖是一種功能性糖，不能被胃酸破壞，到達(dá)腸道被有益細(xì)菌利用。其通過促進(jìn)有益菌群生長繁殖，改善腸道內(nèi)環(huán)境，從而提高飼料消化率及動物生產(chǎn)性能。研究分析了日糧補(bǔ)充低聚殼聚糖對肉雞腸道菌群的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低聚殼聚糖可以增加盲腸中乳酸菌相對數(shù)量，同時減少大腸桿菌相對數(shù)量，這可能是低聚殼聚糖能夠提高肉仔雞采食量和營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的原因之一[9]。在動物腸道內(nèi)以乳酸菌和雙歧桿菌為代表的益生菌群，對機(jī)體健康具有生物屏障、營養(yǎng)作用、免疫增強(qiáng)、改善腸道功能等多種重要的生理功能。益生菌群的大量定植能抑制有害菌群的生長，抵制病原菌的感染。低聚殼聚糖對雞腸道乳酸菌的影響研究結(jié)果表明：21 日齡雞群，低劑量低聚殼聚糖組和高劑量低聚殼聚糖組與空白對照組比較，對乳酸菌的增殖效果均顯著，但高、低2組之間差異不顯著；42 日齡時，只有高劑量的低聚殼聚糖組對乳酸菌增殖效果顯著。試驗說明，在飼料日糧中添加一定量的低聚殼聚糖能夠提高雞腸道內(nèi)乳酸菌群的數(shù)量[10]。另外，給肉雞灌喂雞白痢沙門氏菌，在4、7、14 日齡和21日齡時檢測肉雞盲腸中沙門氏菌數(shù)量，結(jié)果顯示，低聚殼聚糖組顯著低于空白對照組，在21日齡時顯著低于抗生素組。在生產(chǎn)指標(biāo)上，低聚殼聚糖組肉雞平均日增重顯著高于空白對照組，且優(yōu)于抗生素組的效果，這是由于低聚殼聚糖抑制了沙門氏菌的增殖，體外試驗結(jié)果也證明了這一點。此結(jié)果也可能與低聚殼聚糖具備直接促進(jìn)動物生長功能有一定關(guān)系[11]。有研究指出，肉雞生長性能的提高是由于低聚殼聚糖吸收后增加腸道絨毛高度和促進(jìn)腸上皮細(xì)胞的增殖引起的[12]。

低聚殼聚糖對肉雞前期的改善效果優(yōu)于后期，這可能是因為低聚殼聚糖通過改善腸道微生態(tài)平衡促進(jìn)動物生長，而幼齡動物消化免疫器官發(fā)育不完全，腸道菌群易失調(diào)，易感染發(fā)病或處于亞健康狀態(tài)，此時低聚殼聚糖能很好的發(fā)揮調(diào)節(jié)平衡菌群的作用，起到防病治病的作用。但隨著動物日齡的增加，消化系統(tǒng)逐漸發(fā)育完善，低聚殼聚糖的作用相對減弱。推測低聚殼聚糖促進(jìn)動物生長性能是通過改善腸道菌群結(jié)構(gòu)和腸道形態(tài)的作用機(jī)制。

1.2 低聚殼聚糖調(diào)節(jié)動物脂質(zhì)代謝的作用機(jī)制

研究表明，進(jìn)入消化系統(tǒng)的低聚殼聚糖可與膽固醇（CHO）等脂類物質(zhì)結(jié)合，形成的絡(luò)合物具有強(qiáng)疏水性，不會被胃酸分解，也不能被消化系統(tǒng)吸收，最后與膽固醇等脂類物質(zhì)一起排出，從而起到降低膽固醇的效果[13]。低聚殼聚糖還能夠與膽汁酸結(jié)合，膽汁酸的減少可促進(jìn)肝臟中的膽固醇進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成膽汁酸，從而降低血液中膽固醇的含量[14]。

重要的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控脂肪細(xì)胞的分化，其中CCAAT 增強(qiáng)子結(jié)合蛋白（C/EBPs）、固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1（SREBP1）和過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）是三個重要的關(guān)鍵調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子[15]。添加低聚殼聚糖可下調(diào)小鼠成纖維細(xì)胞C/EBPs和PPARγ的表達(dá)，降低脂肪分化過程中瘦素和脂聯(lián)素的含量，從而起到抑制前脂肪細(xì)胞分化的效果[16]。同樣，研究小鼠成纖維細(xì)胞的試驗發(fā)現(xiàn)，低聚殼聚糖在抑制C/EBPs、SREBP1、PPARγ因子表達(dá)的同時，還可顯著抑制脂肪酸結(jié)合蛋白、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、蘋果酸脫氫酶和甘油-3-磷酸脫氫酶等脂質(zhì)代謝關(guān)鍵蛋白的表達(dá)[17]。由此推測，低聚殼聚糖降低血脂的機(jī)制可能是通過降低膽固醇及抑制前脂肪細(xì)胞分化實現(xiàn)的。

1.3 低聚殼聚糖提高動物抗氧化性能的作用機(jī)制

機(jī)體受到氧化應(yīng)激時，氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡，活性氧自由基和活性氮自由基的積累，造成機(jī)體大分子（如DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等）的損傷[18]。越來越多的研究表明天然碳水化合物具有較好的清除自由基的能力。低聚殼聚糖在各體內(nèi)外實驗中都表現(xiàn)出較高的抗氧化應(yīng)激能力。并且，低聚殼聚糖清除自由基的能力與劑量、脫乙酰程度均成顯著正相關(guān)，和分子量呈顯著負(fù)相關(guān)效應(yīng)[19-20]。研究證明低聚殼聚糖可通過抑制細(xì)胞內(nèi)自由基的生成、改善內(nèi)源性抗氧化劑活力和抑制上皮細(xì)胞凋亡等途徑降低機(jī)體內(nèi)自由基的積累，從而減弱H2O2誘導(dǎo)的ECV304 細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷[21]。在動物體內(nèi)試驗方面研究發(fā)現(xiàn)，飼料日糧中添加100 mg/kg和150 mg/kg的低聚殼聚糖，能顯著提高42 日齡肉雞血清過氧化氫酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性，增強(qiáng)機(jī)體抗氧化能力[22]。飼料日糧中添加一定量的低聚殼聚糖可提升斷奶仔豬空腸中谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）和回腸內(nèi)過氧化氫酶（CAT）基因mRNA 的表達(dá)[23]。低聚殼聚糖還可以與游離的金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成大分子絡(luò)合物，減少機(jī)體因金屬離子誘導(dǎo)的氧化性損傷[24]。通過以上研究推測，低聚殼聚糖的抗氧化作用機(jī)制可能是通過直接清除體內(nèi)自由基、提高抗氧化酶和與金屬離子絡(luò)合等途徑實現(xiàn)的。

1.4 低聚殼聚糖增強(qiáng)動物免疫功能的作用機(jī)制

免疫可分為非特異性免疫和特異性免疫。免疫增強(qiáng)劑可通過增強(qiáng)吞噬細(xì)胞（巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞）活性提高非特異性免疫功能，還可通過與淋巴細(xì)胞（T 細(xì)胞和B 細(xì)胞）特異性受體結(jié)合，提高機(jī)體特異性免疫功能。而T淋巴細(xì)胞的激活，可進(jìn)一步激活巨噬細(xì)胞，促進(jìn)干擾素、白介素等細(xì)胞因子的分泌，通過反饋調(diào)節(jié)增強(qiáng)機(jī)體的免疫功能[25]。

研究表明，巨噬細(xì)胞的遷移性使其可在第一時間接觸、識別進(jìn)入機(jī)體的抗原，隨后以吞噬或者受體介導(dǎo)的方式將抗原攝入，發(fā)揮免疫作用。報道指出低聚殼聚糖可以顯著提高小鼠巨噬細(xì)胞的遷移活性[26]。隨后，研究發(fā)現(xiàn)，低聚殼聚糖提高了巨噬細(xì)胞內(nèi)一氧化氮（NO）濃度，而NO正是巨噬細(xì)胞活性氮代謝途徑的效應(yīng)物質(zhì)，推測低聚殼聚糖通過提高NO 的產(chǎn)生激活巨噬細(xì)胞；同時，該研究證明低聚殼聚糖通過與巨噬細(xì)胞表面TLR4 結(jié)合，介導(dǎo)一氧化氮合酶（iNOS）mRNA的表達(dá)和NO的生成[27]。研究通過飼喂小鼠1%低聚殼聚糖兩周后，同樣發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞的iNOS 基因表達(dá)上調(diào)，同時顯著增加了腫瘤壞死因子TNF-α和白介素IL-1β的含量，從而提高了巨噬細(xì)胞的吞噬能力[28]。巨噬細(xì)胞TNF-α和IL-1β的分泌與低聚殼聚糖呈顯著劑量依賴效應(yīng)，但添加甘露糖后，該效應(yīng)受到明顯抑制，由此推測低聚殼聚糖可能是由甘露糖受體介導(dǎo)激活巨噬細(xì)胞分泌細(xì)胞因子[29]。此外，低聚殼聚糖結(jié)構(gòu)中的氨基可直接被免疫系統(tǒng)識別，在一定程度上可以激活巨噬細(xì)胞，而巨噬細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子又參與到細(xì)胞免疫，同時刺激抗體的產(chǎn)生，增強(qiáng)體液免疫[7]。

由此可見，低聚殼聚糖的免疫調(diào)節(jié)作用是通過動物機(jī)體特異性免疫和非特異性免疫系統(tǒng)協(xié)同作用的結(jié)果。

2 低聚殼聚糖在家禽生產(chǎn)中的研究

2.1 低聚殼聚糖對家禽生長性能的影響

生長性能的提高能縮短上市日齡，節(jié)約飼料成本，提高產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，在畜禽生產(chǎn)中非常重要。研究比較低聚殼聚糖和抗生素分別飼喂肉仔雞的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加0.015%的低聚殼聚糖可顯著提高肉仔雞日增重，飼料轉(zhuǎn)化率，鈣、磷、粗蛋白質(zhì)和氨基酸等營養(yǎng)成分的利用率，且該劑量促生長效果與添加抗生素的效果相當(dāng)[30]。由此可見，在肉雞飼料中添加適宜水平的低聚殼聚糖可用作抗生素的替代品。另有研究也表明，在肉仔雞飼料中添加500～1 000 mg/kg的低聚殼聚糖可顯著提高其生產(chǎn)成績，且低聚殼聚糖具有無毒無殘留的特性，對肉仔雞肉品質(zhì)無不良影響[31]。在對北京鴨生長性能和血清生化指標(biāo)的影響研究中發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)日糧中添加低聚殼聚糖對北京鴨的生長性能、飼料轉(zhuǎn)化率等雖無顯著影響，但可提高血清中蛋白含量，降低血清尿素、尿酸、膽固醇的含量[32]。在對產(chǎn)蛋雞的研究中發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)蛋期日糧中添加300、600 mg/kg 和900 mg/kg 的低聚殼聚糖組的產(chǎn)蛋率分別比空白對照組提高了4.52%、2.99%和4.08%[33]。

2.2 低聚殼聚糖對家禽肌肉品質(zhì)的影響

研究表明，低聚殼聚糖可減少肉仔雞腹部脂肪沉積，降低肉色黃度，增加肌肉中不飽和脂肪酸含量，改善了肌肉的品質(zhì)[34]。添加低聚殼聚糖的處理組的雞肉在亞油酸、多不飽和脂肪酸含量上和對照組相比顯著增加[35]。飽和脂肪酸攝入過多，血液中膽固醇含量增加，容易引發(fā)動脈血管疾病。而多不飽和脂肪酸是人體的必需脂肪酸或半必需脂肪酸，具有保持細(xì)胞膜的相對流動性，降低膽固醇和甘油三酯，提高血液微循環(huán)等作用。因此，飽和脂肪酸的降低和多不飽和脂肪酸的提高改善了肌肉品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，21日齡時，試驗組胸肌和腿肌重量及器官指數(shù)、胸肌纖維直徑均差異不顯著；42 日齡時，試驗組胸肌和腿肌重量顯著升高，腿肌器官指數(shù)極顯著升高；21 日齡和42 日齡試驗組胸肌纖維直徑增大,肌纖維間結(jié)締組織減少,橫斷面肌原纖維排列緊密、結(jié)構(gòu)清晰。結(jié)果顯示，在肉雞生長后期，低聚殼聚糖能明顯增加肌肉重量及占比，改善動物肌肉纖維，從而提高肌肉品質(zhì)[36]。

2.3 低聚殼聚糖對家禽蛋品質(zhì)的影響

禽蛋中的蛋白質(zhì)和氨基酸含量和比例適合人體生理需要且易吸收，營養(yǎng)價值高，是人們常用的畜產(chǎn)品之一。在蛋雞日糧中添加0.01%和0.02%的低聚殼聚糖可顯著增加蛋重、蛋黃顏色和哈氏單位，呈劑量依賴效應(yīng)，但對產(chǎn)蛋量和蛋殼品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)無顯著影響[37]。在蛋雞飼料中添加2%和3%的低聚殼聚糖可顯著降低蛋黃中膽固醇、軟脂酸、硬脂酸含量，顯著增加蛋黃中油酸的含量[38]。膽固醇和飽和脂肪酸的降低，油酸等不飽和脂肪酸的提高能減少心血管疾病的發(fā)生。在產(chǎn)蛋期飼料中添加20 mg/kg低聚殼聚糖后，蛋雞脂類分解酶的活性升高，且這種降脂作用隨著飼喂時間的延長逐漸消失，但對雞蛋中膽固醇含量和蛋品質(zhì)無影響[39]。通過給蛋雞飼糧中添加200 mg/kg 不同分子量的低聚殼聚糖，結(jié)果顯示，不同分子大小的低聚殼聚糖添加組均能提高蛋雞雞蛋品質(zhì)，分子量為3 000 Da 的低聚殼聚糖還可減少血清中甘油三酯和葡萄糖的含量，但對血清中膽固醇含量無顯著影響。試驗第21、42 日齡，添加600、900 mg/kg 低聚殼聚糖組的雞蛋哈氏單位分別比對照組提高了6.87%、6.69%和6.47%、6.60%[25]。

2.4 低聚殼聚糖對家禽免疫功能的影響

低聚殼聚糖能提高動物免疫功能，減少疾病的發(fā)生，提高動物的健康水平。研究表明，在日糧中添加低聚殼聚糖能夠增強(qiáng)肉仔雞的免疫功能，特別是對肉仔雞的特異性體液免疫功能具有一定促進(jìn)作用[40]。禽類參與機(jī)體的體液免疫和細(xì)胞免疫的主要免疫器官是胸腺、法氏囊和脾臟。免疫器官的相對重量或絕對重量是衡量家禽免疫機(jī)能的重要指標(biāo)，正常狀態(tài)下免疫器官的相對重量越高，機(jī)體體液免疫機(jī)能和細(xì)胞免疫機(jī)能越強(qiáng)。據(jù)報道，低聚殼聚糖對肉仔雞法氏囊、胸腺、脾臟等免疫器官的發(fā)育有明顯促進(jìn)作用[6]。

白細(xì)胞包括嗜酸性粒白細(xì)胞、嗜堿性粒白細(xì)胞、嗜中性粒白細(xì)胞、單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞，在機(jī)體中擔(dān)負(fù)著吞噬異物、阻止病原體侵入的功能，其數(shù)量和比例變化可以反映機(jī)體的免疫功能狀態(tài)。在肉雞日糧中添加40 mg/kg 的低聚殼聚糖能明顯增加21日齡和42日齡肉雞單核細(xì)胞和異嗜性粒細(xì)胞的比例，降低了21日齡肉雞嗜堿性粒細(xì)胞比例；而添加抗生素組也增加了肉雞單核細(xì)胞和異嗜性粒細(xì)胞比例，但增加效果明顯不及低聚殼聚糖添加組，試驗結(jié)果表明，低聚殼聚糖可通過改變動物血液中不同種類白細(xì)胞的比例提升動物機(jī)體血液免疫功能[41]。

血清免疫球蛋白含量通常被用來反映動物機(jī)體的體液免疫功能。通過研究比較低聚殼聚糖和抗生素對肉仔雞免疫功能的影響，發(fā)現(xiàn)低聚殼聚糖顯著增加了血清中IgA、IgG 和IgM 的含量，其效果與抗生素?zé)o明顯差異，因此，該研究者認(rèn)為低聚殼聚糖可作為家禽生產(chǎn)中抗生素的有效替代品[30]。腸道黏膜不僅是消化、吸收營養(yǎng)物質(zhì)的場所，同時還是機(jī)體最重要的免疫器官。腸道中的微生物種群結(jié)構(gòu)、有機(jī)酸濃度和飼料中抗原因子等因素能直接影響腸道黏膜的免疫功能[42]。低聚殼聚糖能降低肉雞腸道內(nèi)沙門氏菌、大腸桿菌等有害菌群的數(shù)量，提高雙歧桿菌、乳酸菌等有益菌群的數(shù)量。添加低聚殼聚糖能提高14日齡肉雞空腸黏膜分泌型SIgA 及十二指腸和空腸黏膜IgG含量[43]。

3 展望

低聚殼聚糖作為一種綠色飼料添加劑，來源天然，資源豐富，在多領(lǐng)域有應(yīng)用前景。在飼料禁抗的大環(huán)境下，低聚殼聚糖因其降血脂、抗氧化、抑病菌、提高免疫力等功能具有可部分替代抗生素的潛質(zhì)。另外，在家禽的科學(xué)研究上，低聚殼聚糖作為添加劑的應(yīng)用研究主要集中于肉雞養(yǎng)殖上，缺乏在蛋雞和肉鴨上的研究，亟待更全面的探索，為推廣低聚殼聚糖應(yīng)用于家禽飼料提供理論依據(jù)。