益生元菊粉在动物生产中的应用
菊粉作为一种饲料添加剂,具有功能多、资源丰富及提取工艺简便等特点[1]。菊粉以不同的形式存在于多种植物的碳水化合物中。1804年,德国科学家Rose首次从植物土木香的根部提取出菊粉,并将其称为“特殊物质”。1818年,Thomson将其命名为“菊粉”。菊粉的主要成分是一类结构相似的果聚糖,果聚糖是果糖残基(Frucan,F)之间以β-2,1-糖苷键连接且末端连有一个葡萄糖残基(Glu-cose,G)的直链结构多糖,是最简单的一类果聚糖。菊粉的结构式可用GFn表示,低聚果糖则表示为Fm和/或GFn,其中“G”为末端的葡萄糖单位,“F”代表果糖分子,“n”代表果糖单位数,“m”代表果糖的数量单位。菊粉的“n”大于2小于60[2]。菊粉是一种生物多糖,以能量的形式储存于上万种植物中[3],据报道,超过36000种植物中都含有菊粉。目前,菊粉主要从菊苣的根部提取,提取的菊粉链长度范围从2到60,平均聚合程度为10。低聚果糖是由2~8个果糖分子单位末端连接一部分葡萄糖所组成的,哺乳动物的消化酶主要断裂菊粉或低聚果糖中的β-2,1-糖基链。
1菊粉对动物生产性能的影响
1.1猪
Farnworth等[4]研究发现,在断奶仔猪日粮中添加1.5%的比例为7∶15∶37的寡果三糖、寡果四糖和寡果五糖(菊粉包含寡果糖)混合物,可显著提高仔猪日增重。王中华等[5]在断奶仔猪日粮中分别添加1.0%、1.5%和2.0%的菊粉,各试验组平均日增重与对照相比分别提高10.4%、13.3%和6.9%(P<0.05)。顾宪红等[6]研究表明,在日粮中添加适量的菊粉可以提高仔猪的日增重、日采食量和饲料报酬,其中以1.5%的添加量效果最好,且有降低料重比的趋势[7]。
1.2家禽
饲料中添加不同含量的菊粉对蛋雏鸡和肉仔鸡的生产性能及免疫机能均具有重要影响。李海英等[8]研究表明,在商品白羽肉鸡基础日粮中添加不同水平的菊粉,其生产性能指标和免疫器官指数等均与添加抗生素组相近。综合考虑,在基础日粮中添加1.0%的菊粉,可替代抗生素在商品白羽肉鸡日粮中添加使用。在蛋鸡日粮中添加菊苣提取物或菊粉,能够显著降低鸡蛋胆固醇的含量和盲肠有害菌(大肠杆菌)的数量,且不影响蛋鸡生产性能和鸡蛋品质[9]。此外,在雏鸡饲粮中添加不同水平的菊粉,能够改善雏鸡肠道内的微生物种群,促进有益菌的生长,抑制有害菌的孳生,从而提高雏鸡成活率[9]。
1.3其他动物
在犬的日常饮食中添加浓度为7.0%(W/W)的菊粉,对干物质的消化率无影响,但有机物、粗蛋白质和脂肪的消化率均降低[10]。盲肠是兔体内主要的发酵场所,为了维持体内肠道微生物区系的平衡,需要足够量的碳水化合物(益生元菊粉)。为了改善兔肠道微生态环境并降低死亡率,一些欧洲国家的养殖场通常在兔饲料中添加1~3g/kg的低聚果糖或菊粉[11-12]。
2菊粉的作用机制
菊粉对动物机体的作用主要包括调节肠道内微生物区系的组成和功能、抑制肠内有害菌的生长、促进肠胃功能、增强免疫机能、抑制脂类物质合成、促进矿物质吸收、预防癌症等。
2.1调节肠道微生物群落
菊粉能够显著降低结肠前段和后段的大肠杆菌数量,并且显著增加肠道益生菌,如双歧杆菌、乳酸杆菌及厌氧总菌数量,提高双歧杆菌活力,进而调节动物肠道微生物群落的组成和功能[13]。肠道益生菌能够发酵某些不易被消化的碳水化合物,降低肠道的pH值,产生短链脂肪酸,有助于排除病原体,刺激机体产生免疫球蛋白。此外,菊粉还能够降低肠道的电势,从而间接地阻止病原菌在肠道内的孳生。在7日龄海兰褐蛋雏鸡日粮中添加0.1%的果寡糖,能够在一定程度上增加雏鸡的平均日增重,显著降低料肉比,并显著提高雏鸡盲肠中双歧杆菌和乳酸杆菌的数量[14]。菊粉能使人结肠中的双歧杆菌增殖5~10倍,同时还能抑制潜在有害菌的生长,对便秘及由滥用抗生素造成的腹泻具有显著的改善作用[15]。体外试验研究发现,提取自菊苣根的低聚果糖能够显著增加乳杆菌和粪肠球菌的活菌数[16]。
2.2增强机体免疫功能
菊粉能够通过改善动物肠道微生物区系的组成和功能,来调节免疫系统和宿主防御系统的功能,通过竞争排斥、排除肠道病原体[17]。菊粉可提高动物体内白细胞介素-2(IL-2)的含量,从而增强免疫细胞的活性,诱导T淋巴细胞产生免疫干扰素,进而活化辅助性细胞(Th)以增强免疫应答,促使B淋巴细胞发生增殖反应,成为抗体分泌细胞[1]。菊粉还能够通过促进大肠内双歧杆菌和乳酸杆菌的增值,改善肠道微生态,进而激活肠淋巴组织,增加肠系膜淋巴结中的抗体分泌量,提高机体的免疫力[7]。研究表明,饲粮中添加适量的菊粉,能够显著提高21日龄肉仔鸡血清中的IgG含量和42日龄肉仔鸡血清中的IgA、IgG和IgM含量,其中以1.0%和1.5%的添加量效果最佳[18]。仔猪日粮中添加适量的菊粉,能够提高断奶仔猪的脾脏指数、胸腺指数和血清免疫球蛋白水平[5]。
2.3抑制脂类物质合成
菊粉能够显著降低动物、患者和健康人群的血胆固醇和脂肪(甘油三酯)水平[19],其作用机理为:①双歧杆菌可将菊粉发酵成短链脂肪酸,特别是乙酸盐/丙酸盐。乙酸盐是胆固醇前体,而丙酸盐是肝胆固醇合成的抑制剂,能够抑制胆固醇的合成;②菊粉能够吸收肠内脂肪,使消化道食糜黏度变大而从消化道排出,进而降低血脂水平;③菊粉能够促进双歧杆菌增殖,而双歧杆菌可以生成烟酸,烟酸可以抑制与脂肪合成相关的激素的分泌[20]。
2.4促进矿物质吸收
矿物质元素是动物营养中的一大类无机营养素。菊粉作为一种可溶性膳食纤维,能够促进肠道对矿物质的吸收,如可增加动物对钙、镁、铁、锌等在胃肠道的吸收,增强对骨的矿化作用。在对肉鸡和种鸡的研究中发现,菊粉对动物机体的矿物平衡表现出积极的影响,特别是钙、磷和锌[19]。大量研究表明,菊粉能够提高大肠中矿物质的吸收率,增强矿物质在骨骼中的沉积。其原理是菊粉在消化道中能够结合金属离子,形成菊粉—矿物质复合物,在发酵过程中该复合物降解,释放出金属离子,促进机体对金属离子更加有效地吸收。此外,菊粉经肠道微生物发酵后所产生的挥发性脂肪酸,能够使结肠pH值降低1~2个单位,肠道中H+增加,可使更多的矿物质得以溶解,从而提高了矿物质的利用率。菊粉在盲肠中被发酵,产生短链脂肪酸,使肠道pH值下降,进而增加了矿物质的可溶部分。Le等[21]研究表明,由于丁酸的增加,盲肠黏膜上的隐窝变浅,此时低聚果糖提高矿物质的溶解度尤为显著,刺激了细胞中的H+和Ca2+的交换。Freitas等[22]在患有缺铁性贫血的大鼠饲粮中添加菊粉,发现其可增加肠道对铁的吸收。此外,植酸具有抑制机体吸收矿物质的作用,而菊粉能够促进大肠中的细菌分泌植酸酶,有效分解植酸,从而减弱其对矿物质吸收的影响[23]。
2.5减少致癌物质产生
某些肠道微生物产生的代谢产物,如亚硝胺、苯酚、吲哚和苷配基等,具有致癌作用。研究表明,菊粉可降低肠道内致癌物质的生成[24]。汤锋等[25]研究表明,菊粉对亚硝酸根离子在胃液中合成亚硝酸铵类物质具有阻断作用,从而能够预防胃癌的发生。在动物饲粮中添加菊粉,能够使肠道微生物菌落中的双歧杆菌和乳酸杆菌含量升高,减少有害细菌数量,进而创建一个不适合有害细菌生长和增殖的微生态环境,从而减少或消除致癌物质。
3展望
菊粉已在欧美国家得到广泛应用,如在医药、保健品和食品工业等领域。菊粉的物理化学性质及其在上消化道不被人体酶消化的特征使其成为有效的口服药物载体[26]。我国对菊粉的开发研究工作起步相对较晚,加工的产品只能作为原料出口。而国外则通过精制加工,制成相关产品,又返销中国。因此,在我国开发新的菊粉分离纯化技术,加快菊粉的应用研究,提高产品附加值显得尤为重要。将菊粉开发为成熟的功能性饲料添加剂,应从降低菊粉的生产成本,深入阐明其作用机制,进一步开发菊粉作为饲料添加剂等方面着手。
(1.沈阳工学院生命工程学院,邓紫艳,,龙淼;2.沈阳农业大学畜牧兽医学院,龙淼)
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