低聚木糖對(duì)家禽腸道健康影響的研究進(jìn)展

胡紅偉，閆凌鵬，麻嘯濤，陳茹茹，任 帥，楊亞奇

（山西大禹生物工程股份有限公司，山西 運(yùn)城 044600）

自20 世紀(jì)50 年代以來，抗生素生長(zhǎng)促進(jìn)劑（AGPs）由于具有促生長(zhǎng)和預(yù)防動(dòng)物疾病的功能，作為藥物飼料添加劑廣泛應(yīng)用于畜禽生產(chǎn)領(lǐng)域，隨著抗生素的廣泛使用，產(chǎn)生一系列負(fù)面作用，如細(xì)菌耐藥性及藥物殘留等問題。歐盟2006 年全面禁止AGPs 用作飼料添加劑。2012 年，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局獸藥中心頒布的“工業(yè)指南”中強(qiáng)調(diào)抗生素僅能用于動(dòng)物疾病的治療，嚴(yán)禁用于促生長(zhǎng)。因此，無抗環(huán)保的飼料添加劑是未來研究的趨勢(shì)。

許多科研工作者通過大量試驗(yàn)尋找抗生素的替代品，如益生元、益生菌及植物提取物。益生元是不能被消化的組分（寡糖），能夠到達(dá)腸道后端，作為腸道微生物的底物被發(fā)酵產(chǎn)生能量、代謝產(chǎn)物及微量元素被機(jī)體利用[1]。低聚木糖（XOS）作為益生元的一種，是由多個(gè)木糖組成的寡聚糖，分子式為C5nH8n+2O4n+1，通過水解木聚糖獲得[2-4]。低聚木糖是一種非消化性寡糖，能夠顯著促進(jìn)消化道雙歧桿菌及乳酸菌增殖，同時(shí)作用劑量小、性質(zhì)穩(wěn)定，近年來被廣泛的應(yīng)用于食品、飼料及醫(yī)藥領(lǐng)域[5]。2013年發(fā)布的《飼料添加劑品種目錄》將低聚木糖歸入多糖和寡糖類別，主要適用動(dòng)物為雞、豬及水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物。本文介紹了低聚木糖的理化性質(zhì)、家禽腸道微生物組成和腸道微生物與家禽健康，綜述了低聚木糖對(duì)家禽腸道健康的影響。

1 低聚木糖的理化性質(zhì)

低聚木糖分子由2～6個(gè)D-木糖以β-1,4糖苷鍵連接而成的碳水化合物，低聚木糖的成分為木糖、木二糖、木三糖以及少量木四糖以上的木聚糖，其中木二糖和木三糖是低聚木糖主要的功能性成分，含量越高，低聚木糖質(zhì)量越好，生理活性越強(qiáng)。低聚木糖固體為乳白色粉末，易溶于水，甜味性質(zhì)與砂糖相似，是砂糖甜度的40%?；谔厥獾睦砘再|(zhì)，低聚木糖被歸為非消化性寡糖，耐熱及耐酸的性能較強(qiáng)，在pH 2.5～8.0條件下，加熱1 h幾乎未被破壞，在120 ℃加熱1 h 仍很穩(wěn)定，37 ℃放置2 個(gè)月，幾乎未破壞和損失。低聚木糖體外消化實(shí)驗(yàn)證實(shí)，低聚木糖在唾液的殘留率為100%，而在胃液、胰液及小腸黏膜液的分別為99.9%、99.8%及99.6%，可見，消化道消化液對(duì)低聚木糖的利用率幾乎為零[6]。

低聚木糖廣泛存于食物中，如水果、蔬菜、蜂蜜、牛奶等，或者富含低聚糖的植物，如甘蔗渣、竹子、玉米芯、大麥秸稈、麥麩和棉花秸稈。許多研究者提到的低聚木糖聚合度達(dá)到20[7-8]。木聚糖的多糖鏈上除了有木糖單元外，還有很多側(cè)鏈基團(tuán)，如6-D-木吡喃糖醛酸或其4-O-甲基衍生物、乙?；鶊F(tuán)或呋喃阿拉伯糖基基團(tuán)，因此，水解后的木糖可以得到具有分枝的低聚木糖。低聚木糖化學(xué)鍵的交叉連接決定了其生理功能的多樣性，低聚木糖的化學(xué)及生物學(xué)特性見附表[9]。

表1 低聚木糖的化學(xué)及生物學(xué)特性

2 家禽腸道微生物的組成

動(dòng)物腸道內(nèi)定植著種類豐富的細(xì)菌群體，細(xì)菌通過影響腸道形態(tài)、營(yíng)養(yǎng)、發(fā)病機(jī)理和免疫反應(yīng)來影響動(dòng)物健康。腸道環(huán)境與特定的微生物種類密切相關(guān)的觀點(diǎn)已經(jīng)被廣泛認(rèn)同，例如在盲腸中，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌為嚴(yán)格厭氧菌，包括梭菌（Clostridiaceae）和擬桿菌（Bacteroides），而兼性或微耗氧的乳酸菌（Lactobacillus）、鏈球菌（Streptococcus）及腸球菌（Enterococcus）構(gòu)成了回腸微生物群體。動(dòng)物的消化道在出生之前是一個(gè)無菌的環(huán)境，出生后來源于母體的微生物及環(huán)境中的微生物很快占據(jù)了消化道，關(guān)于腸道微生物種屬的組成和定植率的相關(guān)研究仍處于初級(jí)階段。相關(guān)研究表明，環(huán)境在動(dòng)物早期腸道微生物的形成中起了重要作用[10]。

雞的消化道寄居者非常復(fù)雜的微生物群體，總共有來自100 多個(gè)屬的600 多種細(xì)菌。總的來說，雞腸道微生物中厚壁菌門（Firmicutes）占主要比例，其次是兩個(gè)小門，變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）。另外，放線菌門（Actinobacteria）、無壁菌門（Tenericutes）、藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria）和梭桿菌門（Fusobacteria）在家禽腸道中的含量非常低。細(xì)菌群體組成會(huì)因其所在消化道位置的不同而發(fā)生改變，嗉囊、砂囊、十二指腸和空腸有相似的微生物組成，主要是乳酸菌屬的細(xì)菌，部分鳥類乳酸菌的含量高達(dá)99%，嗉囊中的乳酸菌種類更多，空腸菌群主要由唾液乳桿菌（L.salivarius）和鳥乳桿菌（L. aviarius）組成。與十二指腸和回腸相比，空腸的微生物種類組成更加豐富，但是不穩(wěn)定，空腸的微生物主要由乳酸菌、分節(jié)絲狀菌（Candidatus Arthromitus）、腸球菌（Enterococcus）、大腸桿菌（Escherichia coli/Shigella）和梭菌（Clostridium Ⅺ）組成[11-12]。盲腸中的微生物數(shù)量和種類是雞消化道中最多的，比其他所有消化道細(xì)菌的總和多，盲腸是細(xì)菌發(fā)酵非消化性碳水化合物的主要區(qū)域，也是病原微生物定植的主要位點(diǎn)，雞有兩個(gè)盲腸，有相似的微生物組成[13]。盲腸的微生物組成主要是梭菌屬的細(xì)菌，其次是乳酸菌和瘤胃球菌屬的細(xì)菌；梭菌綱的細(xì)菌主要分為3 個(gè)主要的科，分別為梭菌科（Clostridiaceae）、毛螺旋菌科（Lachnospiraceae）、瘤胃菌科（Ruminococcaceae）[14]。盲腸中還含有很多未知及未分類的細(xì)菌，在種的水平下，脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）、彎曲乳桿菌（L.crispatu s）、約式乳桿菌（L. johnsonii）、唾液乳桿菌（L.salivarius）和羅伊氏乳桿菌（L.reuteri）組成盲腸微生物約40%的組分。動(dòng)物糞便樣品是研究腸道菌群的有效手段，乳桿菌科（Lactobacillaceae）、消化鏈球菌科（Peptostreptococcaceae）、梭菌科（Clostridiaceae）、腸桿菌科（Enterobacteriaceae）是糞便中所含微生物的常見科類，蛋雞的糞便微生物比肉仔雞的更加復(fù)雜。

雞的腸道菌群可被分成4 個(gè)類群，被稱作腸道型（enterotype），與人類微生物組存在的三種腸道型類似，人類的腸道型與長(zhǎng)期的飲食類型、基因、年齡、性別及體重指數(shù)等相關(guān)，關(guān)于雞的腸道型研究較少，有相同腸道型的雞，同樣孵化、同樣飲食以及生長(zhǎng)環(huán)境條件一致的雞仍存在個(gè)體差異，這主要?dú)w因于現(xiàn)代的工業(yè)家禽生產(chǎn)方式，所有的雞都在無菌環(huán)境下孵化和飼養(yǎng)，不能得到母源的細(xì)菌，周圍環(huán)境的細(xì)菌是影響腸道微生物變化的主要原因。

相關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)，雞腸道微生物受日糧、性別、背景基因型、雞舍條件、飼喂限制和養(yǎng)殖密度的影響[15]。此外，隨著家禽日齡的增加，微生物組的復(fù)雜性會(huì)相應(yīng)增加，某些細(xì)菌會(huì)逐漸消失，一些細(xì)菌會(huì)存在于家禽的整個(gè)生長(zhǎng)周期中。硬壁菌（Firmicutes）在雛雞腸道中占優(yōu)勢(shì)，擬桿菌（Bacteroidetes）在7 個(gè)月以上的成年雞腸道中占優(yōu)勢(shì)。Videnska 等研究蛋雞從孵化到60 周齡的盲腸微生物變化，發(fā)現(xiàn)第1周占高度優(yōu)勢(shì)的菌群為腸桿菌科（Enterobacteriaceae）細(xì)菌；第2～4 周，毛螺菌科（Lachnospiraceae）和疣嶶菌科（Ruminococcaceae）的細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)；第2 到6 個(gè)月盲腸主要微生物為厚壁菌，擬桿菌大量死亡；＞7 個(gè)月的成年雞，厚壁菌與擬桿菌的比例維持在恒定的狀態(tài)[16]。

3 腸道微生物與家禽健康

腸道益生菌是抵御病原菌的主要屏障，腸道微生物與宿主相互關(guān)系的紊亂是腸道菌群失調(diào)的主要原因。雞感染產(chǎn)氣莢膜梭裝芽孢桿菌（Clostridium perfringens）、艾美球蟲（Eimeria）、腸炎沙門氏菌（Salmonella Enteritidis）后，顯著改變了盲腸微生物組成[17-19]。雞腸道微生物能夠調(diào)節(jié)腸道腸道基因的表達(dá)、T 細(xì)胞介導(dǎo)的免疫和加速腸道免疫系統(tǒng)的成熟。而且，腸道微生物之間以及腸道微生物與宿主之間相互影響，改變寄主的生理功能。乳桿菌、瘤胃球菌及梭菌能夠提高生產(chǎn)性能[20]。在雞的盲腸中，梭菌屬細(xì)菌集群Ⅳ和XIVa 是主要的丁酸產(chǎn)生菌，能促進(jìn)家禽生長(zhǎng)。丁酸不僅是腸道上皮細(xì)胞的重要能源，還能通過作用細(xì)胞激素抑制炎癥反應(yīng)。宏基因組分析盲腸微生物，發(fā)現(xiàn)200多種非淀粉多糖降解酶及與短鏈脂肪酸生產(chǎn)相關(guān)的路徑，短鏈脂肪酸不僅能為家禽提供能量，還能降低腸道pH，抑制病原菌生長(zhǎng)，促進(jìn)礦物質(zhì)的吸收。

4 低聚木糖對(duì)家禽腸道健康的影響

4.1 抑制有害菌，促進(jìn)腸道益生菌的增殖，調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)

由于獨(dú)特的理化性質(zhì)，低聚木糖不能被產(chǎn)氣莢膜梭菌、大腸桿菌、沙門氏菌等腸道有害菌利用，同時(shí)低聚木糖可競(jìng)爭(zhēng)性與病原菌的外源凝集素結(jié)合，減少病原菌對(duì)腸黏膜的吸附作用，使其因營(yíng)養(yǎng)缺乏而死亡，同時(shí)激活機(jī)體免疫能力，增強(qiáng)對(duì)病原菌的抵抗力。

低聚木糖選擇性地促進(jìn)腸道內(nèi)乳球菌、乳桿菌及雙歧桿菌等益生菌的生長(zhǎng)，益生菌發(fā)酵低聚木糖產(chǎn)生乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸既可以降低腸道pH，又可以為家禽腸道供能，同時(shí)加速腸道蠕動(dòng)，防止食物在家禽腸道過度發(fā)酵產(chǎn)生有害物質(zhì)。腸道中乳酸菌、雙歧桿菌等益生菌的大量增殖，與病原菌競(jìng)爭(zhēng)腸黏膜活性位點(diǎn)，抑制病原菌生長(zhǎng)，同時(shí)益生菌代謝過程中釋放部分消化酶，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)吸收。

范程瑞等在體外狀態(tài)下，研究了不同粒度低聚木糖大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌3種常見畜禽致病菌的抑菌性能，發(fā)現(xiàn)不同粒度低聚木糖均有抑菌效果[21]。張洪文等研究低聚木糖添加對(duì)種肉雞腸道微生物的影響，結(jié)果表明，試驗(yàn)組大腸桿菌數(shù)目顯著低于對(duì)照組，乳酸桿菌數(shù)目顯著高于對(duì)照組[22]。Digantkumar 等在體外條件下利用青春雙歧桿菌（Bifidobacterium adolescentis）、兩歧雙歧桿菌（Bifidobacterium bifidum）、發(fā)酵乳桿菌（Lactobacillus fermentum）和嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）發(fā)酵低聚木糖，結(jié)果顯示，雙歧桿菌屬細(xì)菌比乳桿菌屬細(xì)菌生長(zhǎng)速度更快[23]。低聚木糖的降解需要β-葡聚糖酶、α-葡萄糖醛酸苷酶、α-L-阿拉伯呋喃糖酶、乙酰木聚糖酯酶和木聚糖酶等多種酶組成的酶系，雙歧桿菌屬細(xì)菌具有以上多種酶系，而乳酸菌屬細(xì)菌分泌β-葡聚糖酶的能力不足，限制了乳酸菌的生長(zhǎng)；雙歧桿菌分解的水解酶系在腸道中發(fā)揮作用，可以降解上消化道不能消化的低聚糖，同時(shí)產(chǎn)生短鏈脂肪酸，降低腸道pH。

Mohsen 等對(duì)添加低聚木糖日糧的AA 肉仔雞進(jìn)行腸炎沙門氏菌（Salmonella Enteritidis）攻毒實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，與感染對(duì)照組（PC）相比，飼喂低聚木糖試驗(yàn)組（XOS 組）盲腸沙門氏菌減少10 倍，乳酸菌（Lactobacillus）、羅斯氏菌（Roseburia）和梭菌（Clostridium）的相對(duì)豐度顯著增加，但沒有改變盲腸微生物的多樣性；添加低聚木糖顯著減少了盲腸集合淋巴樣組織中白細(xì)胞介素6（IL-6）、脂多糖誘導(dǎo)的腫瘤壞死因子α（LITAF）等促炎細(xì)胞因子的表達(dá)[24]。該研究與Thibodeau 等日糧中添加有機(jī)酸用空腸彎曲桿菌（Campylobacter jejuni）研究結(jié)果一致[25]。Mohsen等通過高通量測(cè)序測(cè)定回腸及盲腸樣品的V1-V3 區(qū)16S rRNA 基因序列，分析不同劑量低聚木糖對(duì)肉仔雞腸道微生物的影響，發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌的相對(duì)豐度發(fā)生了改變，整體微生物多樣性未受到影響，高劑量添加的低聚木糖（2g·kg-1）增加了盲腸中乳酸菌和乳酸、丙酸等短鏈脂肪酸的比例；相關(guān)關(guān)系分析表明，盲腸乳酸菌的相對(duì)豐度與盲腸乙酸濃度成正相關(guān)，回腸中丙酸桿菌的濃度與丙酸鹽的濃度成正相關(guān)[26]。De Maesschalck 等在小麥型日糧中添加低聚木糖，證實(shí)低聚木糖能夠顯著增加肉仔雞結(jié)腸中乳酸菌的數(shù)量以及盲腸中梭菌集群XIVa 數(shù)量，而且結(jié)腸中編碼丁酸生產(chǎn)過程中關(guān)鍵酶的基因拷貝、丙酰CoA、乙酰CoA 的數(shù)量顯著增加；在種水平上，結(jié)腸中彎曲乳桿菌（Lactobacillus crispatus）和盲腸中丁酸厭氧桿菌（Anaerostipes butyraticus）明顯增加，通過體外發(fā)酵實(shí)驗(yàn)證實(shí)彎曲乳桿菌與丁酸厭氧桿菌具有互利共生關(guān)系，彎曲乳桿菌可以發(fā)酵低聚木糖產(chǎn)生乳酸，而丁酸厭氧桿菌可以以乳酸為底物生產(chǎn)丁酸，丁酸能提高腸道對(duì)病原菌的非特異性免疫能力，增加腸道上皮細(xì)胞的完整性[27]。Loredana 等給肉仔雞飼喂由長(zhǎng)雙歧桿菌PCB133（Bifidobacterium longum PCB133）和低聚木糖組成的合生元，研究該合生元對(duì)肉仔雞空腸彎曲桿菌（Campylobacter jejuni）的影響，1 日齡的肉仔雞感染空腸彎曲桿菌M1 菌株，分別在第1 天（C 組）和第14 天（B 組）飼喂合生元，對(duì)照組不添加合生元（A 組），各組分別在第10、20、30、39 天取盲腸內(nèi)容物，通過實(shí)時(shí)PCR 測(cè)定盲腸內(nèi)容物DNA提取物，結(jié)果表明，C組的空腸彎曲桿菌的數(shù)目顯著低于A 組與B 組（P＜0.05），各處理盲腸雙歧桿菌屬細(xì)菌數(shù)目差異不顯著，說明早期添加該合生元效果較好，因?yàn)槿庾须u生長(zhǎng)初期，腸道微生物發(fā)育不健全，對(duì)環(huán)境更加敏感[28]。

4.2 提高家禽腸黏膜免疫功能，改善腸道組織形態(tài)

腸道是家禽消化吸收的部位，也是機(jī)體最重要的免疫器官，腸黏膜覆蓋在腸道表面，具有多種生理功能，腸黏膜是機(jī)體防御外來有害物質(zhì)的重要屏障，主要由三道防線組成，第一道防線為腸道菌群，腸道菌群附著在腸黏膜的外表面，有效避免有害菌的定植；第二道防線為淋巴細(xì)胞分泌的免疫球蛋白，抑制病原菌；第三道防線為腸道中的免疫細(xì)胞，如B淋巴細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞等。

Min 等在1 日齡Cobb48 肉仔雞日糧中添加由枯草芽孢桿菌、低聚木糖和甘露寡糖組成的合生元，研究其對(duì)肉仔雞腸道組織形態(tài)和腸黏膜免疫球蛋白lgA 的影響，結(jié)果顯示，在21～42 日齡階段，添加該合生元可以顯著增加十二指腸、空腸和回腸的絨毛高度及絨毛高度和隱窩深度的比值（VH/VC）（P＜0.05），同時(shí)顯著增加腸黏膜lgA 抗體的含量（P＜0.05），說明該合生元促進(jìn)了腸絨毛的發(fā)育及l(fā)gA 抗體的分泌[29]。分泌性免疫球蛋白lgA 在腸黏膜免疫防御中發(fā)揮重要作用，lgA 的缺乏可導(dǎo)致細(xì)菌的過度生長(zhǎng)，改變細(xì)菌黏附力及轉(zhuǎn)移能力[30]。Toloei 等認(rèn)為，IgA 能刺激體液免疫產(chǎn)生更多抗體，覆蓋在腸黏膜表面，保護(hù)小腸絨毛免受損壞[31]。Ding 等研究了低聚木糖對(duì)28周齡White Lohmann 產(chǎn)蛋雞空腸絨毛高度及絨毛高度隱窩深度比值（VH/VC）的影響，結(jié)果表明，空腸絨毛高度與VH/VC值隨著日糧中與低聚木糖添加量的增加成線性正相關(guān)關(guān)系，并且空腸的相對(duì)長(zhǎng)度隨著低聚木糖添加量的增加而顯著增加（P＜0.05）[32]。低聚木糖在腸道內(nèi)發(fā)酵可以產(chǎn)生丁酸，丁酸為腸黏膜提供能量，可能是改善腸道組織形態(tài)的原因[33]。

5 結(jié)論與展望

目前，低聚木糖對(duì)家禽腸道菌群影響的相關(guān)研究仍處于初級(jí)階段，低聚木糖的添加引起腸道菌群的改變菌種研究局限于門和屬的水平，關(guān)于微生物種水平的相關(guān)研究鮮有報(bào)道，所以不能精確的描述腸道菌群的變化。同時(shí)，目前大部分研究主要集中于雙歧桿菌屬、乳酸菌屬的腸道菌群變化，并認(rèn)為益生菌主要存在于這兩個(gè)屬。事實(shí)上，存在于其他屬的細(xì)菌對(duì)腸道健康也有可能是有益的，丁酸梭菌（C.butyricum）和普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）這兩個(gè)梭菌屬成員，對(duì)腸道健康是有益的；而某些乳酸菌和雙歧桿菌有可能誘導(dǎo)代謝活動(dòng)、免疫反應(yīng)和黏膜屏障功能上的改變[34]。目前研究一直認(rèn)為低聚木糖到達(dá)盲腸后，被盲腸中的土著菌代謝成的短鏈脂肪酸發(fā)揮生理功能，而其他代謝產(chǎn)物如膽汁酸和多胺等物質(zhì)的作用則研究較少。未來通過宏基因組結(jié)合代謝物譜，能更好地研究腸道菌群的代謝途徑以及低聚木糖在代謝途徑中所起的作用。