劉事奇, 賀宇佳, 沈煜政, 李柏珍, 伍樹松*
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南長沙 410128;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,湖南長沙 410128)
甘露寡糖(MOS)又稱甘露低聚糖、葡甘露寡聚糖,其是從酵母培養(yǎng)細(xì)胞壁中提取的一類抗原活性物質(zhì),廣泛存在于多種微生物細(xì)胞壁內(nèi),以及田菁膠、魔芋粉、瓜兒豆膠等植物的種子和塊莖中。有研究發(fā)現(xiàn),MOS具有多種生物學(xué)活性,可增強(qiáng)動(dòng)物免疫、調(diào)節(jié)糖脂代謝和維持腸道健康,并具有促生長和抗氧化等作用 (Wang等,2018;李玉欣,2015)。MOS安全無毒,并具有低熱、穩(wěn)定等良好的理化性質(zhì),與其他添加劑產(chǎn)品聯(lián)用不會(huì)產(chǎn)生不良作用,國內(nèi)外已將其作為添加劑廣泛應(yīng)用于食品和動(dòng)物飼料中(趙曉峰,2008)。本文通過綜述MOS制備方法、生理功能及其在畜禽生產(chǎn)中的研究進(jìn)展,以期為進(jìn)一步探索其在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。
MOS屬寡糖的一類,由幾個(gè)甘露糖分子或甘露糖和葡萄糖主要通過α-1,2糖苷鍵、α-1,3糖苷鍵、α-1,6 糖苷鍵、β-1,4 糖苷鍵或 β-1,3 糖苷鍵連接而成(姚喜梅,2011)。不同來源的MOS理化性質(zhì)有所區(qū)別,MOS易溶于水,不溶于有機(jī)溶劑,和有機(jī)溶劑共存可產(chǎn)生沉淀或結(jié)晶。MOS有一定黏度,且黏度與溫度成反比關(guān)系,另外,當(dāng)pH為1.5~3時(shí),黏度上升;pH為3~9時(shí),黏度比較穩(wěn)定(陳小瑛,2017)。某些分子量為20~2000萬的MOS具有一定凝膠方面的作用 (楊華等,2005)。MOS結(jié)構(gòu)性質(zhì)較穩(wěn)定,含有大量不能被淀粉酶水解的化學(xué)鍵,以多糖混合物的形式存在(梁永等,2013)。
目前MOS的主要制備方法有:(1)降解法,如酶降解法、氧化酸化降解法、超聲波降解法和輻照改性降解法等;(2)合成法,如微波固態(tài)合成法。由于合成法成本高、技術(shù)難度大,目前工業(yè)生產(chǎn)MOS多采用降解法。
2.1 降解法 多糖在190℃條件下可發(fā)生自動(dòng)水解(Carvalheiro等,2004),通過電離輻射如 c射線、微波和水熱處理可發(fā)生解聚(Devin等,2010;Singh 等,2009)。弱酸(H2SO4)可將含羞草種子的半乳甘露聚糖水解成 MOS(Joana等,1995);強(qiáng)堿(NaOH)可水解解聚植物細(xì)胞壁的甘露聚糖,用強(qiáng)酸(HCl)進(jìn)一步中和可以生產(chǎn)甘露寡糖(Mia等,1995)。降解法制備MOS分為制備甘露聚糖和降解甘露聚糖兩步。李潁等(2015)采用熱水浸提法制備葡萄酒泥酵母甘露聚糖,最優(yōu)提取工藝條件為:料液比 1∶23(g/mL)、浸提溫度 124 ℃、浸提時(shí)間5 h、浸提次數(shù)3次,甘露聚糖得率為14.27%。甘露聚糖的降解方法因其來源不同而有所差異,劉紫征(2016)采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),酶解(β-甘露聚糖酶)制備MOS的最佳反應(yīng)條件為:降解溫度50℃、降解pH 5.5、反應(yīng)時(shí)間2 h、酶底比150 U/g,目標(biāo)MOS得率為65.72%。陳小瑛 (2017)通過正交試驗(yàn),確定從廢棄酵母制備MOS的最佳工藝條件為:木瓜蛋白酶濃度2.25‰、酶解時(shí)間6 h、堿溫度45℃、堿解時(shí)間5.5 h和液堿物質(zhì)的量濃度0.5 mol/L;通過平行中試測(cè)得MOS平均得率為2.14%,平均含量為40.96%。
2.2 合成法 以單糖或雙糖為底物,微波固態(tài)合成低聚糖反應(yīng)速度快,合成產(chǎn)率高且清潔無污染。李新明(2008)發(fā)現(xiàn),以甘露糖和葡萄糖為反應(yīng)物微波固態(tài)合成MOS的最適反應(yīng)條件為:微波功率1000 W、微波處理時(shí)間4 min、引發(fā)劑添加量15%、催化劑添加量3%,合成產(chǎn)率為86.50%。高效液相色譜分析初產(chǎn)物MOS成分:單糖占13.50%,二糖占3.82%,三糖占7.56%,四糖占6.84%,五糖占4.77%,六糖占5.54%,七糖及以上占57.97%。
3.1 抗氧化 反應(yīng)性活性氧簇(ROS)作為機(jī)體內(nèi)最常見的自由基,包括超氧離子(O2-)、羥自由基(·OH)和單線態(tài)氧等,自由基過多會(huì)對(duì)機(jī)體造成危害。細(xì)胞內(nèi)游離的Fe2+與·OH反應(yīng)生成ROS(徐文哲,2018),F(xiàn)e2+的沉積可導(dǎo)致氧化應(yīng)激。MOS具有清除自由基的作用(和智坤等,2013)。楊學(xué)山等(2015)通過體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),MOS 對(duì)·OH、O2-、二銨鹽 (ABTS+·)、1,1-二苯 基-2-三硝 基苯 肼(DPPH)自由基和螯合Fe2+均具有良好的清除效果。李新明(2008)經(jīng)動(dòng)物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),MOS通過增加過氧化氫酶(CAT)、超氧化物岐化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、Na+-K+-ATP酶的活性和谷胱甘肽(GSH)的含量,增強(qiáng)小鼠總抗氧化能力(T-AOC)。丙二醛(MDA)是脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物,具有細(xì)胞毒性,MDA的含量可反映脂質(zhì)過氧化及氧化應(yīng)激水平 (Quan等,2014)。郭云貴等(2010)研究表明,MOS可顯著降低三黃雞血清、肝臟、心肌和肌肉MDA含量。因此MOS作用機(jī)制可能是通過自身的理化性質(zhì)與細(xì)胞中的自由基等反應(yīng)(張帥,2018),起到清除自由基的作用,發(fā)揮抗氧化功能;另一方面,MOS可激活體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng),提高抗氧化酶活性和抗氧化物含量,并抑制脂質(zhì)過氧化,進(jìn)而維持機(jī)體抗氧化平衡。
3.2 免疫調(diào)節(jié) MOS本身為抗原活性物質(zhì),具有一定免疫原性,可誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答(李國輝等,2017),并且能作為外源抗原的佐劑與某些毒素、病毒和真菌細(xì)胞表面結(jié)合(寇慶等,2012),以增強(qiáng)機(jī)體對(duì)抗原的免疫應(yīng)答或改變免疫應(yīng)答類型,從而增強(qiáng)動(dòng)物機(jī)體的細(xì)胞和體液免疫。MOS除了具有輔劑和抗原特性,還能和免疫細(xì)胞表面蛋白質(zhì)受體發(fā)生反應(yīng),干預(yù)淋巴結(jié)和黏膜固有層記憶細(xì)胞上的信號(hào)系統(tǒng)以發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用 (陳小兵等,2005),并可以通過激活補(bǔ)體系統(tǒng)提高天然抗感染免疫的功能(熊阿玲,2014)。
3.2.1 提高非特異性免疫和特異性免疫 一方面,MOS通過提高免疫器官指數(shù)和促進(jìn)天然免疫相關(guān)基因表達(dá)(熊阿玲,2014),提高機(jī)體非特異性免疫功能;另一方面,MOS可促進(jìn)T、B淋巴細(xì)胞增殖、提高 CD4+/CD8+比值(李新明,2008),激活Toll樣受體(TLR)信號(hào)通路關(guān)鍵分子(段緒東,2013),進(jìn)而提高機(jī)體特異性免疫。研究表明,MOS可顯著提高小鼠吞噬細(xì)胞吞噬指數(shù)、紅細(xì)胞計(jì)數(shù)、胸腺指數(shù)和50%CH50的含量,增強(qiáng)動(dòng)物體的非特異性免疫(沈文康等,2015)。MOS能不同程度地上調(diào)肉雞組織天然免疫相關(guān)基因AvBD9、TLR2、TLR4和Cath-B1的表達(dá),通過提高肉雞組織TLRs表達(dá)并由TLRs介導(dǎo)上調(diào)p-防御素和Cathelicidins等抗菌肽表達(dá)而提高肉雞天然免疫防御功能(熊阿玲,2014)。李新明(2008)研究表明,動(dòng)物經(jīng)衰老造模后,組織各項(xiàng)免疫指標(biāo)顯著下降,MOS可顯著提高衰老小鼠的肝臟、腎臟、脾臟和胸腺指數(shù)以及血清中免疫球蛋白IgA、IgG和IgM水平;在刀豆蛋白A(ConA)刺激下,MOS使胸腺T細(xì)胞的增殖指數(shù)和脾臟淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率顯著提高,從而提高衰老模型小鼠的體液免疫和細(xì)胞免疫水平。另外,MOS一方面可激活TLR信號(hào)通路關(guān)鍵分子,提高仔豬空腸組織免疫反應(yīng)的靈敏性,另一方面可通過抑制腸系膜淋巴結(jié)中TLR信號(hào)通路的過度激活,最終改善仔豬的腸道免疫(段緒東,2013)。
3.2.2 抗炎癥 炎癥是損傷因子誘導(dǎo)機(jī)體所發(fā)生的防御反應(yīng)。一般情況下,炎癥反應(yīng)是由外源性物質(zhì)和組織損傷產(chǎn)物誘發(fā),并伴隨著促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生、免疫細(xì)胞的募集和活化以及自由基的產(chǎn)生。白細(xì)胞介素(IL)為免疫因子,包括 IL-2、IL-4、IL-10等,可下調(diào)炎癥介質(zhì)因子促進(jìn)機(jī)體免疫反應(yīng)(Liang 等,2012)。 Che等(2013)研究發(fā)現(xiàn),MOS可提高血清IL-10含量和白細(xì)胞、淋巴細(xì)胞數(shù)量,降低機(jī)體炎癥反應(yīng)的強(qiáng)度。在葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的急性結(jié)腸炎小鼠模型中,MOS使結(jié)腸黏蛋白2表達(dá)正常化并減弱促炎細(xì)胞因子IL-1α,IL-1β,IL-6 和單核細(xì)胞趨化蛋白 (MCP)-1以及Toll樣受體TLR4和NLRP3炎性小體的局部表達(dá)。MOS保護(hù)作用可能是通過局部巨噬細(xì)胞直接介導(dǎo)的,在脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的小鼠巨噬細(xì)胞(RAW264.7)模型中,MOS 可以抑制 IL-1α、IL-1β、IL-6和粒細(xì)胞集落刺激因子(G-SCF)的產(chǎn)生(Szilamer等,2016)。 可見,MOS 通過調(diào)節(jié)非免疫和免疫基因表達(dá),可促進(jìn)免疫因子產(chǎn)生,進(jìn)而發(fā)揮抗炎功效。
絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)和核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF)是調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)的重要下游信號(hào)傳導(dǎo)通路(Kim等,2006)。炎性介質(zhì)過量可使NF-κB活化,使其脫離抑制蛋白-κB(IκB),并進(jìn)入細(xì)胞核誘導(dǎo)炎性介質(zhì)基因的表達(dá),從而加重炎癥反應(yīng)(Joel等,2002)。而 MAPKs家族蛋白 ERK、JNK 和p38調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)時(shí)是針對(duì)NF-κB的調(diào)節(jié)介質(zhì)(Matthew 等,2014)。 據(jù) Zhou 等(2015)報(bào)道,MOS可顯著降低LPS與小鼠巨噬細(xì)胞RAW 264.7細(xì)胞表面的結(jié)合以及LPS誘導(dǎo)的TLR4和分化簇(CD)14的表達(dá);顯著抑制 LPS誘導(dǎo)的 RAW 264.7細(xì)胞 NF-κB和 MAPKs的激活途徑,MOS通過阻斷NF-κB和MAPKs的激活而減少LPS引起的炎癥反應(yīng)。另外,MOS通過抑制由LPS誘導(dǎo)的腫瘤壞死因子 (TNF)-α和干擾素 (IFN)-γ的增加(Pourabedin等,2016),發(fā)揮抗炎功能。
3.3 調(diào)節(jié)微生物菌群和維持腸道健康 有研究發(fā)現(xiàn),MOS在體外具有良好的抑菌效果(Bozkurt等,2016;杲龍,2016)。MOS通過促進(jìn)乳酸桿菌產(chǎn)生乳酸來降低pH,從而有效地抑制致病性大腸桿菌的生長(杭蘇琴,2007)。在沙門氏菌(或大腸桿菌)與Caco-2細(xì)胞的黏附和抑制黏附試驗(yàn)中,MOS具有抑制沙門氏菌和大腸桿菌黏附的作用,且濃度為0.0005~0.005 mol/L時(shí)MOS對(duì)沙門氏菌的抑制存在劑量效應(yīng),抑制黏附效果為:α-甘露二糖>β-甘露二糖≥甘露葡二糖(杲龍,2016)。
腸道作為機(jī)體內(nèi)最大的免疫隔室,具有預(yù)防黏膜感染和調(diào)節(jié)微生物定植等功能 (Mehmet等,2010)。MOS可增加腸道中雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益菌數(shù)量(劉紫征,2016),減少大腸桿菌等有害菌數(shù)量(劉衛(wèi)東等,2011),并提高腸道微生物的多樣性(Hang等,2012),進(jìn)而改善腸道菌群組成。王洪善等(2018)研究發(fā)現(xiàn),MOS能夠選擇性地調(diào)節(jié)一些微生物,顯著提高艾克曼菌、乳酸菌和雙歧桿菌等益生菌的相對(duì)豐度。另外,MOS可修復(fù)腸道損傷,維持腸道健康。李玉欣(2015)研究發(fā)現(xiàn),在大腸桿菌攻毒試驗(yàn)中,MOS降低未攻毒時(shí)腸道黏膜中TLR4和IL-1β的mRNA表達(dá)量,增加大腸桿菌攻毒后上皮細(xì)胞間淋巴細(xì)胞和杯狀細(xì)胞數(shù)量,MOS通過調(diào)節(jié)腸道黏膜細(xì)胞因子的基因表達(dá)和改變腸道免疫細(xì)胞數(shù)量來提高機(jī)體局部免疫反應(yīng),進(jìn)而維持腸道健康。緊密連接是腸黏膜上皮細(xì)胞之間主要連接方式,對(duì)維持腸黏膜屏障機(jī)械結(jié)構(gòu)的完整和正常功能具有重要作用(陳婷,2016)。最重要的三種緊密連接蛋白是ZO-1、Occludin和Claudins(Zhang 等,2015)。 吳士(2017)研究發(fā)現(xiàn),MOS對(duì)腸上皮細(xì)胞具有一定修復(fù)功能,與LPS損傷組相比,MOS使Caco-2細(xì)胞活性顯著上調(diào),IL-6、TNF-α、IL-1β mRNA 表 達(dá) 顯 著 下 調(diào) ,Claudin-1、ZO-1、MUC-2 mRNA 表達(dá)顯著上調(diào),ZO-1蛋白表達(dá)上調(diào),這表明MOS能對(duì)LPS引起的Caco-2細(xì)胞損傷進(jìn)行修復(fù)。
3.4 調(diào)節(jié)糖脂代謝 MOS具有調(diào)節(jié)糖脂代謝的功效。在高脂(HFD)小鼠模型中,MOS可降低肝臟和血清甘油三酯(TG)水平,顯著增加糞便TG含量以及排泄的脂肪含量(Izumi等,2006)。高啟禹等(2012)通過腹腔注射四氧嘧啶構(gòu)建糖尿病小鼠模型發(fā)現(xiàn),MOS可顯著降低小鼠的TG、血糖和膽固醇 (CHO)的水平,而高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)水平顯著升高,且高劑量的MOS降糖脂效果優(yōu)于低劑量。腸道中的短鏈脂肪酸以乙酸、丙酸和丁酸為主。乙酸、丙酸和丁酸可通過調(diào)節(jié)宿主的能量攝取和消耗來控制體重(Dinesh等,2017),并有助于減輕高脂飲食造成的體重增長(Den等,2015)。王洪善等(2018)研究發(fā)現(xiàn),MOS能夠顯著提高正常及高脂飲食小鼠盲腸中乙酸、丙酸和丁酸的含量,有效減緩高脂飲食造成的小鼠體重增長,提高小鼠腸道菌群脂代謝的能力。Silvia等(2015)研究發(fā)現(xiàn),MOS可促使機(jī)體優(yōu)先保留長鏈多不飽和脂肪酸(LC-PUFA),降低作為β-氧化底物的脂肪酸水平,借以改變肝臟和肌肉脂肪酸成分,這與肝臟中去飽和酶基因表達(dá)降低有關(guān)。此外,MOS可通過影響腸相關(guān)淋巴組織相關(guān)參數(shù)和調(diào)節(jié)肌肉和肝臟中的脂質(zhì)代謝來促進(jìn)LC-PUFA積累以及β-氧化。 瘦素是一種主要由脂肪細(xì)胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì),其可通過抑制饑餓來調(diào)節(jié)能量平衡。Wang等(2018)研究發(fā)現(xiàn),HFD小鼠瘦素基因轉(zhuǎn)錄水平顯著升高,而添加MOS使瘦素基因轉(zhuǎn)錄水平顯著降低,進(jìn)而抑制HFD小鼠的體重增加和脂肪蓄積;另外,MOS可通過降低HFD小鼠脂聯(lián)素基因轉(zhuǎn)錄水平來減輕HFD誘導(dǎo)的胰島素抵抗和葡萄糖不耐受。
4.1 在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用 在豬生產(chǎn)中,MOS具有促進(jìn)生長、改善飼料報(bào)酬、增強(qiáng)動(dòng)物免疫、提高抗體效價(jià)和改善肉品質(zhì)等作用 (Porntrakulpipa等,2016;Su 等,2016)。Zhao 等(2012)研究發(fā)現(xiàn),添加0.1%MOS不僅能顯著改善斷奶仔豬的生長性能,還能顯著提高干物質(zhì)和氮的消化率,顯著降低仔豬的腹瀉率。另外,有報(bào)道指出MOS并不能改善動(dòng)物的生長性能(Hrvoje等,2016)。中和抗體是具有吸附穿入功能的病毒表面抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的抗體。Porntrakulpipat等 (2016)研究表明,400 ppm MOS能有效增強(qiáng)PRRS特異性抗體,但不適用于中和抗體;800 ppm MOS可顯著增強(qiáng)中和抗體。由此可見,在母豬飼料中添加MOS有助于增強(qiáng)母豬PRRS疫苗接種作用。綜上所述,對(duì)于MOS促生長作用報(bào)道趨于正效果,但其作用機(jī)制需進(jìn)一步探究。近幾年國內(nèi)外MOS在豬中的研究報(bào)道見表1。
表1 甘露寡糖在豬生產(chǎn)中的主要研究與應(yīng)用
4.2 在家禽中的應(yīng)用 在肉雞生產(chǎn)中,MOS可促進(jìn)LUM、LYZ和APOA1等與腸道健康密切相關(guān)的基因表達(dá),進(jìn)而調(diào)節(jié)腸道的免疫反應(yīng)和保護(hù)動(dòng)物免受腸道致病細(xì)菌的毒害,來維持肉雞腸道健康(Xiao等,2012)。 武威等(2017)研究發(fā)現(xiàn), 50、75 mg/kg MOS可顯著提高肉仔雞的體重和采食量,其中50 mg/kg MOS顯著改善了飼料報(bào)酬;MOS還可顯著提高 CAT、SOD活性,GSH-Px活性、T-AOC有提高趨勢(shì),MOS適宜添加量為50 mg/kg。宋新磊等(2018)研究發(fā)現(xiàn),MOS可顯著提高肉雞血液IgA和IL-2的含量,可增強(qiáng)機(jī)體免疫力。此外,MOS具有一定緩解肉雞熱應(yīng)激作用(Sohail 等 ,2010)。 在 蛋 雞 研 究 中 ,Zaghini 等(2005)研究表明,MOS具有吸附降解黃曲霉毒素B1(AFB1)的能力,可降低 AFB1在胃腸道的吸收量。Bozkurt等(2016)研究發(fā)現(xiàn),蛋雞日糧中添加MOS可顯著改善其產(chǎn)蛋量、蛋重及飼料報(bào)酬,提高抗氧化能力,并減少盲腸后段致病菌數(shù)量。綜上所述,家禽飼糧中添加適量MOS具有改善生長性能、增強(qiáng)免疫及提高抗氧化能力等多種生理功能,但MOS的作用機(jī)制有待深入研究。近幾年國內(nèi)外MOS在家禽中的研究報(bào)道見表2。
表2 甘露寡糖在家禽生產(chǎn)中的主要研究與應(yīng)用
4.3 在反芻動(dòng)物中的應(yīng)用 MOS在反芻動(dòng)物中的研究相對(duì)較少。肖宇(2012)研究發(fā)現(xiàn),MOS可顯著降低山羊瘤胃pH;顯著降低血清MDA含量和谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)活性,顯著提高血清中球蛋白和血清磷含量;顯著提高21 d時(shí)血清IgA、7 d和14 d血清IgM的含量,MOS具有改善山羊瘤胃發(fā)酵參數(shù)和增強(qiáng)免疫的作用。謝欣明等(2018)發(fā)現(xiàn),MOS可改善蒙古羊生長性能和免疫性能。MOS可提高犢牛ADG和飼料報(bào)酬,提高血清中免疫球蛋白含量和糞便中雙歧桿菌數(shù)量,降低糞便中大腸桿菌數(shù)量 (金亞東等,2016)。郭婷婷等(2017)報(bào)道,MOS可顯著提高奶牛瘤胃中總的揮發(fā)酸及氨態(tài)氮的含量,其中瘤胃液中乙酸含量極顯著增高;乳脂率顯著提高,乳中體細(xì)胞數(shù)降低。Westland等(2017)研究發(fā)現(xiàn),MOS可顯著提高奶牛初乳重,具有改善生長性能的作用。
甘露寡糖作為一種新型飼料添加劑,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于飼料行業(yè)。但在應(yīng)用過程中仍有一些問題還未解決,這制約了其在養(yǎng)殖業(yè)中的推廣應(yīng)用。今后應(yīng)加大甘露寡糖在動(dòng)物體內(nèi)的作用機(jī)制;動(dòng)物不同階段甘露寡糖的添加方式及其適宜添加量;甘露寡糖與其他飼料添加劑聯(lián)用的作用效果;甘露寡糖與動(dòng)物腸道菌群之間的互作等方面的研究。隨著研究的不斷深入和相關(guān)作用機(jī)制的進(jìn)一步明確,甘露寡糖將得到更加合理和廣泛的應(yīng)用,并更大限度地發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。