非淀粉多糖在豬腸道菌群調(diào)控中的研究進展

楊立杰 曾祥芳 譙仕彥

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院 動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193）

日糧中纖維水平過高，將影響能量及蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的消化率，降低飼料轉(zhuǎn)化效率［1-2］。然而，纖維在動物營養(yǎng)調(diào)節(jié)方面的研究結(jié)果存在不一致性。近期研究表明，日糧中適宜的纖維水平，對促進畜禽腸道功能發(fā)育及其微生態(tài)平衡具有積極作用［3-6］。纖維源及其中非淀粉多糖（Non-starch polysaccharides，NSP）組分含量的差異，是導(dǎo)致其應(yīng)用效果呈現(xiàn)多樣性的重要原因，亦是其功能性評價成敗的關(guān)鍵［7-8］。眾多研究表明，日糧纖維可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)［9-11］，減少斷奶仔豬腹瀉，進而提高生產(chǎn)性能［12］，是促生長型抗生素的理想替代物［13-14］。而NSP作為膳食纖維的重要組成部分，其組分對于纖維的功能性反饋及其發(fā)揮的程度都至關(guān)重要。另有報道顯示，NSP對豬腸道菌群正面調(diào)控效應(yīng)的體現(xiàn)，主要與腸道微生物對NSP的利用形式及其代謝產(chǎn)物密切相關(guān)［15］。豬腸道微生物通過自身糖苷酶的分泌，降解NSP結(jié)構(gòu)中的β或α糖苷鍵，從而產(chǎn)生單糖和寡糖供微生物利用［16］。此外，日糧NSP可為豬后腸段微生物提供良好的培養(yǎng)基質(zhì)［17-18］，同時發(fā)酵產(chǎn)生的乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸（Short chain fatty acid，SCFA）可通過降低腸道pH以抵御感染及致病菌的侵襲［19-21］。

綜上所述，腸道菌群調(diào)控的機制探索，已成為整個微生物研究最活躍的熱點之一。然而纖維對豬腸道菌群調(diào)控機制闡釋才剛剛開始，許多問題亟待解決。由此，重新定位并積極探索NSP對豬腸道菌群的調(diào)控機制，無疑是對NSP與菌群間對話機制深入認識的重中之重。

1 NSP的構(gòu)成及其評價體系

1.1 NSP的構(gòu)成

作為高等植物細胞壁的主體，纖維的組成復(fù)雜多樣，作用和功能各不相同，主要由NSP和木質(zhì)素組成。其中NSP的占比可高達90%以上［22］，主要包括纖維素、半纖維素、寡聚糖、抗性淀粉及果膠類等（圖1），是纖維中相對容易被動物消化的類型。根據(jù)NSP是否具有溶解于水或弱堿溶液的特性，又可分為可溶性非淀粉多糖（Soluble nonstarch polysaccharides，SNSP）和不可溶性非淀粉多糖（Insoluble non-starch polysaccharides，INSP）。

圖1 植物碳水化合物的組成

纖維素主要由葡萄糖通過β-（1，4）糖苷鍵彼此鏈接而成，而NSP中的非纖維素部分則由不同的單糖通過 β-（1，4）、β-（1，3）、β-（2，1）及 α-（1，6）等糖苷鍵異構(gòu)性連接而成，是目前發(fā)現(xiàn)異構(gòu)型及締合分子最多的物質(zhì)之一（圖2）。

1.2 NSP評價體系

以往報道中，研究者普遍采用粗纖維（Crude fiber，CF）、中性洗滌纖維（Neutral detergent fiber，NDF）及酸性洗滌纖維（Acid detergent fiber，ADF）等作為評價日糧纖維水平的參考指標。然而，近幾年隨著精準營養(yǎng)及新舊動能轉(zhuǎn)換行動的倡導(dǎo)，合理開發(fā)并利用“纖維”，這一地球上儲量最多的可再生資源，便成為了當前科技工作者亟待解決的首要任務(wù)。原始的纖維評價體系，已遠遠無法適應(yīng)當前精準營養(yǎng)的需求。

CF評價體系中，酸性洗滌劑和堿性洗滌劑的處理，將分別使得樣品中半纖維素和木質(zhì)素含量大量損失，而半纖維素中的阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖、甘露聚糖等作為其主要組成部分，均具有可溶于水的特性，亦屬于可溶性NSP范疇。因此，在評價含可溶性纖維較多的原料時，使得CF檢測值遠低于真實值。報道表明，《中國飼料成分及營養(yǎng)價值表（27版）》中，NY/T 1級豆粕中CF含量為5.9%（風干基礎(chǔ)），而在黃慶華［8］的研究中顯示，豆粕中僅NSP含量就已達到20.3%（風干基礎(chǔ)，水分以10%計），相似的結(jié)果在Choct等［23］的研究中也得到了證實。此外，在NDF和ADF體系中，研究者盡管能夠?qū)w維含量進行相對客觀的評價，但對纖維組分構(gòu)成，仍不能進行進一步檢測，且在檢測過程中果膠等可溶性纖維的損失，難以避免。由此，“酶-氣相色譜-比色-重量法”應(yīng)運而生。該法將NSP酶解后，酸性條件下水解為單糖，中性糖衍生為糖醇乙酸酯，糖醛酸在酸性條件下經(jīng)3，5-二甲基酚顯色后定量，可對纖維及其組分的實際含量進行準確測定，是揭開纖維研究黑匣子的重要研究手段。20%［29-31］。NSP被后豬腸段微生物利用，同時產(chǎn)生乙酸、丙酸和丁酸等SCFA被腸上皮細胞吸收利用。研究表明，豬體內(nèi)丁酸主要被結(jié)腸上皮細胞吸收，而丙酸、戊酸等被吸收入血后進入肝臟進行丙酸糖異生過程，乙酸則被肌肉和脂肪組織利用［32-33］。此外，有研究表明，日糧NSP可以通過參與激活腸道中相關(guān)通路進行腸道免疫和代謝的調(diào)控，且其對機體的影響包括但不僅限于其自身的能量供應(yīng)［34］。

圖2 纖維素及半纖維素的構(gòu)成

2 NSP的營養(yǎng)學(xué)功能

豬自身不具備分泌纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶的能力，因此日糧NSP不能被豬自身分泌的消化酶降解，而主要依賴于腸道微生物的發(fā)酵和非酶水解作用［24］，其發(fā)酵程度與日糧中ADF水平呈負相關(guān)［25-26］。隨著日齡的增加，豬大腸內(nèi)具有NSP降解能力的菌群數(shù)量逐漸增加，對日糧NSP的降解能力亦將逐步提高［27］。研究表明，生長豬腸道內(nèi)的NSP分解菌數(shù)量約為1×108CFU/g，而成年母豬大腸中的NSP分解菌數(shù)量是生長豬的6倍［28］。

豬后腸道微生物以日糧NSP作為主要碳源并最終將其轉(zhuǎn)化為SCFA，為宿主提供所需總能量的5%-

3 NSP對豬腸道微生物組成及代謝的影響

3.1 NSP研究的必要性

近年來，隨著醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)Ψ逝?、糖尿病與日糧纖維及腸道菌群間互作關(guān)系的深入研究，日糧NSP及其代謝產(chǎn)物與腸道菌群間關(guān)系的探討備受眾多研究者青睞［35-38］。研究表明，NSP在調(diào)節(jié)動物腸道菌群結(jié)構(gòu)、抑制病源微生物的定植及維持腸道健康等諸多方面日益體現(xiàn)出不可替代的作用［39-41］。NSP及木質(zhì)素的構(gòu)成、來源及其對動物代謝的影響，見表1。豬腸道微生物菌群數(shù)量及豐度，依賴于日糧結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)素變化［42-45］，其中NSP是其后腸段微生物的主要能量來源［46］。日糧中不同含量的NSP被豬攝入后，隨食糜進入后腸段被微生物利用，對豬后腸段微生物菌群結(jié)構(gòu)及其代謝活性造成可逆性影響，從而改變菌群代謝產(chǎn)物［47］。對于豬腸道微生物而言，NSP是除木質(zhì)素外唯一一種幾乎不受上消化道及前腸段干擾，組分幾近無損作用于腸道菌群的營養(yǎng)素，推測可嘗試作為腸道微生物區(qū)系調(diào)控的標志性營養(yǎng)素進行深入探究。近期眾多研究中，多采用微晶纖維素及羧甲基纖維素作為日糧纖維源，研究其對動物腸道健康的影響［8，48］。以上兩種纖維素，組成單糖均為葡萄糖，盡管能夠在一定程度上說明纖維素對機體的影響，但由于忽略了纖維中NSP及其組分含量和比例的多樣性，故結(jié)論并不嚴謹。

表1 纖維亞型的構(gòu)成、來源及功能［49-52］

3.2 NSP對斷奶仔豬及生長育肥豬腸道菌群的調(diào)控

斷奶應(yīng)激是促使仔豬腸道菌群建立穩(wěn)態(tài)及多樣性的重要階段，而不合理的營養(yǎng)調(diào)控無疑是導(dǎo)致仔豬腹瀉的始作俑者。研究表明，日糧中NSP可黏附于腸黏膜表面，對外源病菌的吸附和定植起到一定的防御作用［53］。此外，不同腸段微生物具備定向選擇NSP并利用其不同組分的能力，所以可根據(jù)NSP類型及其組分的不同，對豬腸道菌群結(jié)構(gòu)進行調(diào)控［54］。

根據(jù)溶解性，NSP可分為INSP和SNSP。其中，SNSP最早可在回腸被微生物開始利用，而INSP卻能夠為直至大腸末端的微生物提供培養(yǎng)基［55］，提示NSP對豬腸道微生物的調(diào)控，不僅與NSP來源及含量有關(guān)，還與INSP/SNSP，甚至NSP組分密切相關(guān)。SNSP可在后腸菌群的作用下迅速發(fā)酵并產(chǎn)生SCFA，且不同NSP源產(chǎn)生的SCFA種類和濃度完全不同。而INSP可縮短食糜在腸道中的停留時間，促進腸蠕動，減少糞便在體內(nèi)的滯留時間，是營養(yǎng)素調(diào)控腸道健康及菌群結(jié)構(gòu)的重要手段［56-57］。研究表明，日糧中添加10%小麥麩，可顯著提高斷奶仔豬回腸乳酸桿菌和結(jié)腸中雙歧桿菌的數(shù)量，降低腹瀉率［58］。另有報道表明，選擇大豆皮為NSP源，使得豬回腸段乳酸桿菌數(shù)量顯著降低，而盲腸中大腸桿菌數(shù)量顯著升高［59］。推測原因除了大豆皮NSP高于小麥麩外（56.7%＞30.6%），也與兩者INSP/SNSP（小麥：26.5∶4.1；大豆皮 ：48.3∶8.4）有關(guān)［60］。此外，小麥麩中NSP主要以阿拉伯木聚糖為主，而大豆皮中NSP主要為半乳甘露聚糖和果膠［61］，暗示NSP組分的不同是兩者發(fā)揮不同功能性的重要潛在原因之一。另有報道顯示，高NSP水平日糧能夠顯著增加腸道中具有高效纖維分解能力的菌群豐度［62］。SNSP可通過增加食糜黏稠性，影響機體消化功能［63-64］。同時，腸道厭氧環(huán)境使其蠕動遲緩，為后腸段微生物提供了穩(wěn)定的發(fā)酵環(huán)境［65］。龔敏［66］試驗表明，日糧中小麥NSP的含量對斷奶仔豬回腸、結(jié)腸、盲腸中雙歧桿菌、乳酸桿菌、大腸桿菌及鏈球菌數(shù)量影響并不顯著。而小麥日糧中木聚糖酶的添加使雙歧桿菌和乳酸桿菌數(shù)量呈現(xiàn)出一定的升高趨勢，大腸桿菌及鏈球菌呈現(xiàn)降低趨勢。提示斷奶仔豬腸道發(fā)育不完善，NSP酶缺乏，可能是導(dǎo)致日糧中小麥NSP難以發(fā)揮功能性的重要原因，推測育肥豬日糧中添加適宜劑量的NSP，預(yù)期將獲得積極效應(yīng)，這在高陽等［67］的研究中得到證實。豬育肥階段腸道發(fā)育完善，菌群相對穩(wěn)定，當采食高NSP日糧時，腸道菌群需要一定時間進行自我調(diào)整，以抵御原有微生物區(qū)系的冗余特性并適應(yīng)新的發(fā)酵基質(zhì)。有研究表明，育肥豬飼糧中添加50%苜蓿，其后腸道微生物總數(shù)呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，且具有纖維素高效降解能力的菌屬比例不斷增加［68］。采用不同纖維類型及玉米粉碎粒度作為自變量，對育肥豬日糧進行處理后，支鏈及直鏈淀粉酶在試驗第1天出現(xiàn)，而木聚糖酶等相關(guān)NSP酶在試驗第7天才開始出現(xiàn)［69］，提示豬腸道菌群對日糧NSP的反饋，是一個相對緩慢的過程。

3.3 NSP對妊娠母豬腸道菌群的調(diào)控

在非洲豬瘟疫情的影響下，我國能繁母豬存欄量驟減，生豬價格翻倍，對民眾的生活造成了一定的影響。全面的認識NSP在母豬營養(yǎng)調(diào)控中的作用并合理利用，對于指導(dǎo)生產(chǎn)和提高其生產(chǎn)性能具有重要的意義。母豬后腸段具有龐大的微生物群（1×1010-11CFU/g），是生長豬的6-7倍，且食糜在其后腸段滯留時間長（20 h左右），因而母豬對NSP的利用具有相較于生長豬更大的潛力。妊娠期母豬腸道微生物區(qū)系的健康穩(wěn)定，是提高仔豬成活率及生產(chǎn)效率的有力保障。前人研究大多集中高NSP特別是高INSP日糧對緩解妊娠母豬便秘具有積極的作用［70-71］，而對NSP在母豬妊娠階段腸道微生物區(qū)系的調(diào)控卻罕有報道。研究表明，母豬可通過乳汁和糞便等母源微生物的垂直傳遞，影響仔豬粘膜微生物的定植，且表現(xiàn)出空間生態(tài)位點的選擇特異性［72］。另有報道表明，經(jīng)健康人類糞菌移植后的無菌小鼠，飼喂低NSP日糧后，腸道菌群多樣性顯著降低，此時改用高NSP日糧進行飼喂，可在一定程度上恢復(fù)原有的菌群結(jié)構(gòu)。低NSP水平日糧持續(xù)飼喂3代后，高NSP日糧對其菌群結(jié)構(gòu)的恢復(fù)效應(yīng)大幅度降低［73］。提示隨著世代間母子傳遞，微生物的冗余特性逐漸降低直至消亡，預(yù)示著妊娠期母豬高NSP型飲食干預(yù)，在新生仔豬腸道菌群多樣性的早期建立方面具有重要意義。此外，一項來自斯坦福大學(xué)的研究表明，抗生素使用后，人體微生物菌群具有很強的自我恢復(fù)能力，而不同的抗生素使用后，小鼠腸道菌群的反應(yīng)具有共性。值得一提的是，低NSP日糧會加重腸道菌群的失衡，延緩環(huán)丙沙星使用后的恢復(fù)，而高NSP日糧可加快菌群的恢復(fù)，提示高NSP日糧對于緩解抗生素對腸道菌群的負面影響具有積極作用［74］。

4 展望

迄今為止，國內(nèi)外有關(guān)日糧NSP在動物上的應(yīng)用研究多側(cè)重于不同來源及濃度NSP的飼喂效果及其對表觀指標的影響。盡管近年來部分研究對日糧NSP與腸道健康的關(guān)系進行了探討，但多集中于菌群數(shù)量及其代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)方面，缺乏宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組等現(xiàn)代微生物技術(shù)研究手段。此外，目前有關(guān)NSP調(diào)控豬腸道菌群的核心微生物，以及該微生物群在NSP調(diào)控腸道健康中的貢獻及機制尚不十分明確。因此，深入認識日糧NSP組分的營養(yǎng)作用，探討豬腸道微生物與NSP及其組分間的對話機制，消除或緩解NSP對機體的不利影響，充分發(fā)揮其積極作用，對促進動物健康、提高飼料的有效能值以及緩解我國飼料資源短缺局面大有裨益。