陳茂深,劉華濤,曹永
1.江南大學(xué)未來食品科學(xué)中心(無錫 214122);2.山東帥克寵物用品有限公司(臨沂 276300)
犬是最具有代表性的寵物,和人類相處的時間最早可追溯至公元前14 000年[1]。哈士奇是世界上最古老的犬種之一,最早人們以其作為交通工具拉雪橇,由于其獨(dú)特的外形和性格,近年來成為廣受歡迎的寵物犬。幼犬階段是犬一生中營養(yǎng)需求最重要的階段,選擇的犬糧成分應(yīng)適合該階段犬的營養(yǎng)需求。幼犬糧一般易于消化吸收,營養(yǎng)水平較高,如幼犬吃成犬糧容易造成營養(yǎng)不良等問題。研究表明當(dāng)日糧中的鈣和磷分別占到0.8%和0.67%時,就可以保證犬骨骼的健康成長[2]。犬糧中的纖維素對于維持犬腸道健康具有非常重要的作用,適量的纖維素水平使犬糞便成型較好。
益生元由GR.Gibson等提出,是指一種不可被消化的碳水化合物,通過選擇性的刺激一種或少數(shù)菌落中細(xì)菌的生長而對寄主產(chǎn)生有益的影響,進(jìn)而改善宿主健康[3]。許多研究證實(shí)益生元對腸道菌群有調(diào)控作用,通常有益于雙歧桿菌和乳酸桿菌的增殖,抑制大腸桿菌的生長[4]。國內(nèi)關(guān)于益生元對犬腸道作用的研究比較少,而國外研究的方面主要是益生元對腸道菌群、氨及其他蛋白代謝產(chǎn)物、短鏈脂肪酸、糞便質(zhì)量、營養(yǎng)物質(zhì)消化率和免疫等的影響。但這些研究基本上都是針對于成犬,而關(guān)于益生元對幼犬的研究并不十分清楚。
依據(jù)AAFCO對生長犬營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)確定幼犬犬糧的基礎(chǔ)配方。在此基礎(chǔ)上將低聚果糖、菊粉和甘露寡糖3種益生元添加到基礎(chǔ)犬糧中,考察益生元的添加量對保留率的影響。采用體外模擬發(fā)酵試驗(yàn)比較3種益生元對哈士奇幼犬腸道菌群、短鏈脂肪酸和發(fā)酵液pH的影響,比較其作用效果,選定合適的益生元添加到犬糧中,以期為國內(nèi)生產(chǎn)含益生元的幼犬犬糧提供理論指導(dǎo)。
雞胸肉(雨潤食品有限公司);雞肉粉、豆粕、魚粉、玉米粉、米粉、微量元素、礦物質(zhì)、山梨酸鉀、食鹽、磷酸氫鈣(無錫糧油市場);大豆油(中糧集團(tuán));低聚果糖、菊粉、甘露寡糖[量子高科(中國)生物股份有限公司];石油醚、濃硫酸、濃硝酸、高氯酸、鹽酸、氫氧化鈉、高錳酸鉀(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);蔗果三糖標(biāo)準(zhǔn)品、蔗果四糖標(biāo)準(zhǔn)品、蔗果五糖標(biāo)準(zhǔn)品、甘露糖標(biāo)準(zhǔn)品(sigma公司);BBL瓊脂培養(yǎng)基(青島日水生物技術(shù)有限公司);EMB瓊脂培養(yǎng)基(中國國藥集團(tuán)上?;瘜W(xué)試劑公司);乳酸、乙酸、丙酸、丁酸標(biāo)準(zhǔn)品[盈芯生物科技(上海)有限公司]。
FMHE72-20/40雙螺桿擠壓膨化機(jī)(湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司);DFY-200搖擺式高速萬能粉碎機(jī)(溫嶺市林大機(jī)械有限公司);XMTA馬弗爐(上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠);K1160凱氏定氮儀(蘇省宜興市科教儀器研究所);UV-2800紫外可見分光光度計(jì)(上海尤尼柯儀器有限公司);E2695高效液相色譜儀[沃特世科技(上海)有限公司];YJ-1340超凈工作臺(蘇州凈化設(shè)備廠);DG250厭氧培養(yǎng)箱(英國惠特利科學(xué)有限公司);DGG-9123A隔水式恒溫培養(yǎng)箱(上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司);MG48-PCR儀(上海谷寧儀器有限公司);LDZH-100LS立式壓力蒸汽滅菌器(上海申安醫(yī)療器械廠)。
1.3.1 犬糧配方設(shè)計(jì)方法
參照美國動物飼糧管理協(xié)會AAFCO設(shè)定的關(guān)于生長犬營養(yǎng)成分的標(biāo)準(zhǔn)值及市售犬糧的營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)確定粗蛋白和粗脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn),各原料主要成分通過查閱中國食品成分表得到,原料價(jià)格由市場調(diào)查獲得,運(yùn)用規(guī)劃求解的方法得出犬糧的配方。
1.3.2 顆粒犬糧加工方法
將原料粉碎過篩后混合均勻,用擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓膨化。擠壓膨化參數(shù):五段機(jī)筒溫度分別為70,90,110,130和140 ℃,進(jìn)水量20%。將膨化后的犬糧通過100 ℃的鼓風(fēng)干燥機(jī),干燥后趁熱涂油,冷卻后將犬糧密封包裝。
1.3.3 犬糧主要營養(yǎng)成分的測定方法
采用GB/T 6432—2018《飼料中粗蛋白的測定》、GB/T 6433—2006《飼料中粗脂肪的測定》、GB/T 6434—2006《飼料中粗纖維的含量測定》、GB/T 6435—2014《飼料中水分的測定》、GB/T 6436—2018《飼料中鈣的測定》、GB/T 6437—2018《飼料中總磷的測定》和GB/T 6438—2007《飼料中粗灰分的測定》測定犬糧中各營養(yǎng)成分。
低聚果糖、菊粉和甘露寡糖3種益生元添加量均分別為0,0.25%,0.50%,0.75%和1.00%,按1.3.2的方法進(jìn)行犬糧加工。將擠壓后的犬糧粉碎,根據(jù)傅博強(qiáng)等[5]和李仁勇等[6]的方法并稍加改動。首先對1.2~1.5 g樣品進(jìn)行脫脂處理,用乙腈定容至25 mL,取1.5 mL并用0.45 μm有機(jī)濾膜過濾,所得濾液通過HPLC測定犬糧中益生元的含量。根據(jù)結(jié)果,按照式(1)計(jì)算不同添加量的益生元經(jīng)擠壓后的保留率。
1.5.1 試驗(yàn)動物和飼喂條件
3只哈士奇幼犬,犬齡均為4個月,體重6 kg左右/只,犬飼喂在江南大學(xué)醫(yī)學(xué)院動物實(shí)驗(yàn)中心,溫度維持在22 ℃,光照時間7:00~23:00。每只犬單獨(dú)喂養(yǎng),自由飲水,飼喂時間為每天的早8點(diǎn)和晚8點(diǎn),飼喂周期14 d。試驗(yàn)期間統(tǒng)一飼喂不含益生元的基礎(chǔ)犬糧,在第14天取幼犬糞便進(jìn)行試驗(yàn)。
1.5.2 糞便稀釋液的制備
取2.5 g新鮮幼犬糞便于滅菌后的裝有玻璃珠的錐形瓶中,加入50 mL無菌生理鹽水搖勻,按5 000 r/min離心10 min取上清液。
1.5.3 接種培養(yǎng)
取1 mL糞便稀釋液加入9 mL生理鹽水中充分稀釋,依次連續(xù)稀釋至10-6。選擇2個合適的稀釋度,其中大腸桿菌選擇的是10-3和10-4,雙歧桿菌和乳酸桿菌選擇的10-5和10-6。每個稀釋度取100 μL進(jìn)行平板涂布。
雙歧桿菌:BBL選擇培養(yǎng)基,在37 ℃下厭氧培養(yǎng)48 h。乳酸桿菌:LBS選擇培養(yǎng)基,在37 ℃下厭氧培養(yǎng)48 h。大腸桿菌:EMB選擇性培養(yǎng)基,在37 ℃下需氧培養(yǎng)24 h[7]。
1.5.4 菌種鑒定
挑取BBL、LBS和EMB培養(yǎng)基中純化3次的典型菌落進(jìn)行液體培養(yǎng)12 h,液體培養(yǎng)基采用MRS肉湯+0.05%半胱氨酸鹽酸鹽。取菌液2 mL至EP管,按1 000 r/min離心2 min,棄上清得菌體。加入200 μL SDS裂解液,于80 ℃水浴30 min,加入酚-氯仿200 μL于裂解液中,顛倒混勻后按1 200 r/min離心10 min,取200 μL上清液。加入400 μL冰乙醇重懸沉淀,按1 200 r/min離心3 min,棄上清,常溫倒置30 min至2 h以上。7.50 mL ddH2O重溶沉淀以備PCR,PCR反應(yīng)體系如表1所示。
表1 細(xì)菌16S rDNA 50 μL PCR反應(yīng)體系
16S rDNA的PCR擴(kuò)增:以提取的基因組DNA為模板,正向引物為27F:AGA GTT TGA TCC TGG CCT CA 20,反向引物為1492R:GGT TAC CTT GTT ACG ACT T 19,擴(kuò)增片段長度為1 500 bp。PCR反應(yīng)條件:預(yù)變性94 ℃,4 min;變性94 ℃,45 s,退火55 ℃,45 s,延伸72 ℃,1 min,共30個循環(huán)。由生工生物工程(上海)有限公司完成DNA的測序工作。登陸美國國家生物信息技術(shù)中心(NCBI)網(wǎng)站,將已知序列與所測序列對比得出結(jié)果[8]。
體外模擬腸道發(fā)酵參照Olano-Martin等[9]的方法,對照組不加益生元,試驗(yàn)組分別添加1%的低聚果糖、菊粉和甘露寡糖,每組設(shè)2個平行。將溶解后的培養(yǎng)基分裝于試管中,于115 ℃滅菌20 min,每個試管分裝9 mL,取1 mL糞便稀釋液接種于培養(yǎng)基中,于37 ℃厭氧發(fā)酵。
在發(fā)酵的第0,第6和第24小時取1 mL發(fā)酵液,加入9 mL生理鹽水充分稀釋,依次進(jìn)行連續(xù)稀釋至10-7。取1 mL的10-5,10-6和10-73個稀釋度的稀釋液于3種培養(yǎng)基中培養(yǎng)計(jì)數(shù)。其中,6 h檢測益生元短時間的作用效果,24 h檢測益生元長時間的作用效果。
將每個時間段的發(fā)酵液于常溫按12 000 r/min離心7 min,去除菌體。取上清液,過0.45 μm膜,用反相高效液相色譜法測定發(fā)酵液中的乳酸、乙酸、丙酸、丁酸的濃度。
HPLC條件[10]:色譜柱為反相C18柱,流動相為0.02 mol/L KH2PO4-甲醇(98︰2,V/V),檢測波長215 nm,流速1.0 mL/min,進(jìn)樣體積20 μL。
于第0,第6,第12,第18和第24小時取發(fā)酵液用pH計(jì)測pH。
使用Origin Pro 8和Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、繪制和數(shù)學(xué)擬合。使用SPSS 23.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析,P<0.05 時,在統(tǒng)計(jì)學(xué)上差異顯著。
2.1.1 營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)及原料的確定
犬糧配方的制作主要參照AAFCO對生長犬制定的飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn),如表2所示。原料的選擇方面參照市場上常用的配方原料。市售犬糧的主要原料選擇普遍采用肉類+骨粉+谷物的模式。這是因?yàn)殡m然肉類是一種非常優(yōu)質(zhì)的蛋白原料,但實(shí)際成本偏高,而骨粉在成本上要低于鮮肉,并且蛋白含量高,二者結(jié)合既可以保證犬的營養(yǎng)需求,同時也考慮了經(jīng)濟(jì)效益。在肉類方面大多選擇雞肉,但也有一些高端犬糧選擇采用更高品質(zhì)的羊肉和牛肉。骨粉的選擇包括雞肉粉、鴨肉粉等;谷物方面主要是小麥粉、玉米粉和米粉等。最終選擇將雞肉、雞肉粉、豆粕和魚粉作為原料中的蛋白質(zhì)來源。因?yàn)殡u肉是一種優(yōu)質(zhì)的肉類原料,其蛋白含量高,約20%,并且氨基酸種類豐富,易于消化吸收。雞肉粉是將分割出胸肉之后雞的剩余部分加工而成的蛋白質(zhì)飼料原料,粗蛋白含量在65%~73%,粗脂肪含量9%~10%,總體營養(yǎng)指標(biāo)與魚粉不相上下[11]。豆粕是大豆經(jīng)提取豆油后的副產(chǎn)品,其蛋白含量豐富,達(dá)43%,各種氨基酸含量豐富且比較平衡,特別是一些必需氨基酸的含量較高,價(jià)格較其他蛋白飼料便宜,是一種常用的飼料來源[12]。雖然豆粕中含有一些抗?fàn)I養(yǎng)因子,但經(jīng)擠壓機(jī)的高溫高壓擠壓之后可以消除這些不利因素,但添加量不宜太多,否則會影響適口性。魚粉與其他蛋白飼料相比,是一種優(yōu)質(zhì)的動物蛋白飼料,粗蛋白含量≥65%,具有營養(yǎng)成分齊全和含量均衡的優(yōu)點(diǎn),另外魚粉的礦物質(zhì)和維生素含量也特別豐富,其中鈣和磷的含量最高,并且比例適宜,一般可達(dá)1.4︰1~2︰1[13]。谷物作為犬碳水化合物的來源,提供一定的能量和纖維素,一定量的淀粉可使犬糧更好糊化。犬糧中常用的谷物通常包括小麥、玉米和大米,由于小麥含有過敏原,可能會導(dǎo)致幼犬過敏,所以選擇玉米和大米作為谷物來源。纖維不能被消化,也不能提供能量,但可以加快犬消化和排便的速度,纖維過少會導(dǎo)致便秘,但太多也會影響腸道健康,纖維主要靠玉米皮來提供。鈣磷的補(bǔ)充除了靠魚粉之外,主要由磷酸氫鈣提供。礦物質(zhì)和維生素用市售的預(yù)混料補(bǔ)充,其具體含量見表3。
表2 AAFCO營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)(犬)
表3 預(yù)混料成分含量表(礦物質(zhì)與維生素)
2.1.2 犬糧配方的制作及營養(yǎng)物質(zhì)的測定
設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)配方結(jié)果如表4所示。犬糧蛋白原料來源為雞肉、雞肉粉、魚粉和豆粕,谷物原料來源為玉米粉和米粉,纖維原料來源為玉米皮。
表4 犬糧配方及其營養(yǎng)物質(zhì)含量 單位:%
通過查閱《中國飼料成分及營養(yǎng)價(jià)值表》確定各添加物的營養(yǎng)成分含量,并確定它們的市場價(jià)格,利用Excel規(guī)劃求解,限定各營養(yǎng)成分的最低標(biāo)準(zhǔn)和最高標(biāo)準(zhǔn),以成本的最小值作為目標(biāo)單元格,完成犬糧配方的最低成本優(yōu)化。同時為保證犬糧的質(zhì)量,將雞肉的添加量限制在不低于10%。
配方制定好后,按照配方混合原料進(jìn)行擠壓,將擠壓之后的犬糧進(jìn)行主要營養(yǎng)成分的檢測(表4)。由表4的結(jié)果可知,最終制定的犬糧主要營養(yǎng)成分均高于AAFCO推薦的標(biāo)準(zhǔn)。
在確定犬糧基礎(chǔ)配方后,為制造一種可以改善犬腸道健康的功能性犬糧,還需加入益生元這一功能成分。由于益生元的價(jià)格較高,考慮到成本問題,將益生元的最高添加量設(shè)定為1.00%,具體添加量分別為0.25%,0.50%,0.75%和1.00%。由于犬糧的制備過程包括物料的粉碎、擠壓膨化和干燥等過程,可能會對益生元造成損失,因此試驗(yàn)探討3種益生元的添加量對保留率的影響。
在原料混合過程中,分別添加低聚果糖、菊粉和甘露寡糖粉末,添加量設(shè)計(jì)為0.25%,0.50%,0.75%和1.00%,考察3種益生元的添加量對其保留率的影響。
如圖1所示,3種益生元的保留率并不隨添加量的變化而顯著變化,說明在一定范圍內(nèi)益生元的添加量對其保留率沒有顯著的影響。其中,低聚果糖的保留率都維持在較高水平,都在90%左右。菊粉和甘露寡糖的保留率比低聚果糖低,約75%。說明犬糧制粒過程中雖然這些低聚糖很穩(wěn)定,但也會有些損失,其中低聚果糖的保留率最高。
圖1 益生元添加量對其保留率的影響
試驗(yàn)選擇傳統(tǒng)的平板計(jì)數(shù)法,使用BBL、LBS和EMB這3種選擇性培養(yǎng)基對糞便中3種主要腸道菌群(雙歧桿菌1、乳酸桿菌和大腸桿菌)進(jìn)行篩選計(jì)數(shù),為了對3種篩選的菌群進(jìn)行進(jìn)一步確定,采用分子生物學(xué)的方法鑒定其菌屬。DNA所測序列與已知序列的比對結(jié)果如表5所示。
表5 菌種鑒定結(jié)果 單位:%
結(jié)果表明,3種培養(yǎng)基可將雙歧桿菌、乳酸桿菌和大腸桿菌篩選出來,為后續(xù)試驗(yàn)中利用這3種培養(yǎng)基進(jìn)行平板計(jì)數(shù)提供條件。
在體外發(fā)酵的第0,第6和第24小時取發(fā)酵液測定其雙歧桿菌、乳酸桿菌和大腸桿菌的菌落數(shù)。糞便發(fā)酵液的測定結(jié)果如表6所示。
表6 不同樣品體外發(fā)酵對哈士奇幼犬腸道菌群數(shù)量的影響 單位:lg CFU/mL±SD
表6反映3種益生元對哈士奇幼犬腸道菌群的不同作用效果,在發(fā)酵6 h后,試驗(yàn)組與對照組相比雙歧桿菌菌群數(shù)量沒有顯著增加,試驗(yàn)組間雙歧桿菌數(shù)量也無明顯差異;發(fā)酵24 h后,所有試驗(yàn)組雙歧桿菌數(shù)量都顯著高于對照組。其中,低聚果糖組由4.86 lg CFU/mL上升到8.24 lg CFU/mL,菊粉組上升到8.51 lg CFU/mL,甘露寡糖組上升到8.47 lg CFU/mL。對于乳酸桿菌,發(fā)酵6 h后,試驗(yàn)組與對照組相比菌群數(shù)量都顯著增加,各試驗(yàn)組間菌群數(shù)量無顯著性差異;發(fā)酵24 h后低聚果糖和菊粉組乳酸桿菌數(shù)量顯著高于對照組,而甘露寡糖組與對照組相比菌群數(shù)量無顯著差異。其中,低聚果糖組由4.21 lg CFU/mL上升到8.05 lg CFU/mL,菊粉組上升到8.23 lg CFU/mL。大腸桿菌組在發(fā)酵6 h后,對照組與試驗(yàn)組相比菌群數(shù)量無顯著性差異;發(fā)酵24 h后,有且僅有低聚果糖組的大腸桿菌在顯著低于對照組,為7.71 lg CFU/mL。
在體外發(fā)酵的第0,第6和第24小時取發(fā)酵液用高效液相色譜法測定發(fā)酵液中乳酸、乙酸和丙酸濃度。3種益生元對哈士奇體外發(fā)酵過程中產(chǎn)酸的變化分別如表7所示。
表7 不同樣品體外發(fā)酵過程中短鏈脂肪酸濃度的變化 單位:mmol/L
發(fā)酵6 h后,相較于對照組,僅有低聚果糖組的乳酸顯著降低,為18.65 mmol/L。發(fā)酵24 h后,試驗(yàn)組與對照組相比,乳酸濃度顯著增加,其中低聚果糖組的乳酸濃度增加最多。乙酸組發(fā)酵6 h后,試驗(yàn)組與對照組無顯著性差異;發(fā)酵24 h后試驗(yàn)組與對照組相比乙酸濃度均顯著增加,其中甘露寡糖組增加最多,由11.69 mmol/L上升到15.88 mmol/L。對于丙酸組,發(fā)酵的24 h內(nèi)試驗(yàn)組與對照組間均無明顯規(guī)律。哈士奇幼犬糞便發(fā)酵液中低聚果糖組在發(fā)酵24 h內(nèi)中乳酸濃度先減少后增加的原因可能是,乳酸在產(chǎn)生過程中可被其他共生的細(xì)菌轉(zhuǎn)化為乙酸或丙酸等短鏈脂肪酸[14],但這些共生的細(xì)菌對低pH比較敏感,隨著pH的下降,這些細(xì)菌的活性被抑制,導(dǎo)致乳酸的含量又逐漸增加[15]。
3種益生元對哈士奇幼犬體外發(fā)酵過程中總短鏈脂肪酸的濃度變化結(jié)果如表8所示??偠替溨舅?乳酸+乙酸+丙酸。發(fā)酵24 h后,與其他組相比,低聚果糖組產(chǎn)生的總短鏈脂肪酸最多,由31.81 mmol/L增加到59.92 mmol/L。
表8 不同樣品體外發(fā)酵過程中總短鏈脂肪酸濃度變化 單位:mmol/L
在一定程度上,發(fā)酵液pH的高低反映腸道菌群的致酸效果,3種益生元體外發(fā)酵過程中哈士奇幼犬糞便發(fā)酵液pH隨時間變化的結(jié)果如圖2所示。
圖2 發(fā)酵過程中pH的變化情況
隨著發(fā)酵時間的增加,各組發(fā)酵液的pH均在下降。在0~6 h內(nèi)發(fā)酵液的pH下降速度較快,且對照組下降速度小于所有試驗(yàn)組,低聚果糖組下降速度最快,由pH 7.42降至pH 6.33。在6~12 h內(nèi)發(fā)酵液pH值下降的速度減緩,其中對照組的pH幾乎沒有變化,而低聚果糖組和菊粉組的pH仍保持一個較快的速度下降;24 h后低聚果糖組的pH降至最低,pH從7.42降至4.31,菊粉組次之,從pH 7.46降至pH 4.88。與腸道菌群的產(chǎn)酸結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液pH與短鏈脂肪酸并沒有明顯相關(guān)性。原因是pH除了與短鏈脂肪酸濃度有關(guān)外,還與酸產(chǎn)生、吸收和利用的相對速率及在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的其他物質(zhì)有關(guān)[16]。
在改進(jìn)犬糧配方的基礎(chǔ)上,考察添加不同量益生元時,犬糧經(jīng)擠壓制粒后益生元保留率的變化,并通過體外發(fā)酵試驗(yàn)比較3種益生元對哈士奇幼犬腸道的益生作用,結(jié)果表明:隨添加量的變化,3種益生元的保留率基本不變,其中低聚果糖保留率達(dá)到最高,約為90%;3種益生元均能不同程度促進(jìn)哈士奇幼犬的腸道健康,其中只有低聚果糖可以顯著地抑制大腸桿菌的增長,參考其保留率和價(jià)格,選擇添加低聚果糖添加到幼犬犬糧更具有工業(yè)指導(dǎo)意義。