王文文 王 園* 尹 娜 齊景偉

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)草食家畜飼料工程技術(shù)研究中心，呼和浩特010018)

在當(dāng)前“禁抗”和“減抗”的背景下，天然產(chǎn)物的開發(fā)和應(yīng)用成為熱點。阿魏酰低聚糖(feruloyl oligosaccharides,FOs)是由阿魏酸羧基與低聚糖羥基通過酯鍵聯(lián)接而成的一種阿魏酰衍生物[1]。阿魏酸大量存在于農(nóng)作物(小米、小麥以及玉米)加工副產(chǎn)品糠麩中，其主要通過酯鍵與多糖、木質(zhì)素交聯(lián)構(gòu)成植物細胞壁。據(jù)報道，通過酸、酶以及發(fā)酵處理可以使糠麩中的部分糖苷鍵斷裂，進而獲得FOs[2-3]。FOs同時具有阿魏酸和低聚糖的生理功能，如抗氧化、調(diào)節(jié)免疫、抑制蛋白非酶糖基化反應(yīng)及益生等[4]，因此具備開發(fā)成為功能性飼用添加劑的潛力。本文將對FOs的結(jié)構(gòu)與組成、生理功能及其在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用前景進行綜述。

1 FOs的制備

利用物理法、化學(xué)法、生物酶法和微生物發(fā)酵法處理麥麩、玉米皮和米糠等原料可獲得FOs[5]。物理法是采用機械方式(微波、超聲波和高溫蒸煮等)降解；化學(xué)法是利用化學(xué)試劑(草酸、三氟乙酸和鹽酸等)水解；生物酶法是利用酶制劑(木聚糖酶、纖維素酶和崩潰酶等)酶解；微生物發(fā)酵法是利用菌株自身產(chǎn)生的酶(淀粉酶、蛋白酶和半纖維素酶等)酶解。但是，物理法、化學(xué)法和生物酶法存在產(chǎn)量低、降解率高、廢液產(chǎn)量大以及工藝復(fù)雜等問題，目前主要采用微生物發(fā)酵法制備FOs。FOs的制備如表1所示。Rose等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在180 ℃的條件下微波處理玉米皮10 min，F(xiàn)Os的得率為4.77%。物理法易造成FOs分解，使其得率下降。Schooneveld-Bergmans等[7]利用氫氧化鈣和氫氧化鋇處理小麥麩皮也可獲得FOs，其得率為3%，此法存在化學(xué)物質(zhì)殘留問題。Yuan等[8]的研究結(jié)果顯示，木聚糖酶酶解小麥麩皮制備FOs的最佳條件為：溫度42 ℃，pH 5.2，時間35 h，木聚糖酶添加量4.8 g/L，其產(chǎn)量可達1.5 mmol/L。然而，生物酶法制備FOs會產(chǎn)生大量廢水，增加生產(chǎn)成本。此外，郝希然[9]對制備FOs的發(fā)酵菌種進行了篩選，發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、地衣芽孢桿菌D3(BacilluslicheniformisD3)和釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)發(fā)酵小麥麩皮獲得的FOs產(chǎn)量最高，可達1 309.46 nmol/g。微生物發(fā)酵法制備FOs得率高，不會產(chǎn)生廢液，極大地降低了生產(chǎn)成本。

表1 FOs的制備

2 FOs的結(jié)構(gòu)與組成

FOs既含有疏水的阿魏酰基團，又含有親水的低聚糖基團，可溶于水，耐酸且耐高溫。通過氣相色譜分析FOs的單糖組成，發(fā)現(xiàn)其主要由葡萄糖、阿拉伯糖、木糖、半乳糖和甘露糖組成[10]。FOs的主鏈是以β-1,4-糖苷鍵連接的D-木聚糖，側(cè)鏈是α-L-呋喃型阿拉伯糖殘基，而阿魏酸則通過酯鍵與阿拉伯糖殘基上的O-5位相連。FOs的種類由糖基化單糖的組成和數(shù)量、阿魏酸連接的糖殘基的種類和連接位置以及阿魏酸的含量和種類決定。據(jù)文獻報道，利用不同提取方法獲得的FOs種類也有所不同，主要有阿魏酰阿拉伯糖、阿魏酰阿拉伯糖基木糖、阿魏酰阿拉伯糖基木二糖、阿魏酰阿拉伯糖基木三糖及阿魏酰阿拉伯糖基木四糖[6,11-12]，參照文獻[12-18]總結(jié)了不同種類FOs的結(jié)構(gòu)，詳見表2。研究發(fā)現(xiàn)，在麥類作物中有一種高度阿魏酰化且分子質(zhì)量低的阿拉伯木聚糖，其阿拉伯糖與木糖的比例接近1∶1。在這種FOs中，一些木糖殘基在C-2(高阿魏?；?和C-3(非阿魏?；?位置被阿拉伯糖取代[19-20]。如果FOs中的阿拉伯糖與木糖的比例和阿魏酸含量較高，所形成的溶液也具有較高的黏度，且更易溶于水[21-22]。

表2 不同種類FOs的結(jié)構(gòu)

續(xù)表2結(jié)構(gòu)Structures名稱Name物質(zhì)來源Source參考文獻ReferencesO-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-[5-O-(反式-阿魏酰)-α-L-呋喃型阿拉伯糖基]-(1→3)-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-吡喃型木糖O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-O-[5-O-(trans-feruloyl)-α-L-arabinofuranosyl]-(1→3)-O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-D-xylopyranose阿魏酰阿拉伯糖基木三糖小麥麩皮Rhodes等[16]、袁小平[17]O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-[5-O-阿魏酰-α-L-呋喃型阿拉伯糖基-(1→3)]-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-吡喃型木糖 O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-D-[5-O-(feruloyl)-α-L-arabinofuranosyl-(1→3)]-O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-D-xylopyranose阿魏酰阿拉伯糖基木四糖小麥麩皮Lequan等[18]、袁小平[17]

3 FOs的消化吸收

目前，關(guān)于FOs的體外降解研究較多，而體內(nèi)消化吸收機制研究較少。體外試驗發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Os的完全降解需要阿魏酸酯酶和非淀粉多糖降解酶(主要是木聚糖酶和α-L-阿拉伯糖苷酶)的協(xié)同作用[23-24]。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，大鼠的小腸和大腸都存在阿魏酸酯酶，且大腸中的阿魏酸酯酶活性更高，可能是大腸中分泌阿魏酸酯酶的微生物(雙歧桿菌和乳酸桿菌)更豐富[25-27]。但是，Andreasen等[27]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Os被大鼠腸道微生物發(fā)酵后，并沒有被機體消化，而是全部被排出。由此可推斷，F(xiàn)Os的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾乎不能被單胃動物消化吸收。

4 FOs的生理功能及其作用機制

FOs不能被降解吸收，而是作為一種益生元，發(fā)揮抗氧化、調(diào)節(jié)免疫、促進有益菌增殖、抑制有害菌增殖(競爭黏附位點和營養(yǎng)物質(zhì)及生成揮發(fā)性脂肪酸)及優(yōu)化腸道菌群結(jié)構(gòu)等作用，進而改善動物機體健康狀況[28-29]。

4.1 抗氧化

在動物機體遭受高溫、嚴寒、通風(fēng)不良等環(huán)境應(yīng)激時，會產(chǎn)生大量自由基，破壞氧化-抗氧化系統(tǒng)的平衡，進而導(dǎo)致自由基積累，損害動物健康，引起生產(chǎn)性能下降甚至死亡。FOs因其具有阿魏酰基團，表現(xiàn)出良好的抗氧化活性。體外研究發(fā)現(xiàn)，從小麥麩皮中提取出4種不同聚合度的FOs均具有清除1,1-二苯基苦基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH)自由基、超氧化物自由基和羥自由基的活性，且效果優(yōu)于游離阿魏酸[11]。張麗娜[30]采用生物酶法制備FOs，發(fā)現(xiàn)其可減少由高糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激肝細胞中活性氧(reactive oxyen species，ROS)的生成量，說明其具有一定的抗氧化活性。另外，F(xiàn)Os可緩解由過氧化氫誘導(dǎo)的人淋巴細胞氧化應(yīng)激，保護DNA免受過氧化氫的損傷[31]。體內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，利用微生物發(fā)酵法制備FOs，將其灌胃給由敵草快誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激模型大鼠，可提高氧化應(yīng)激大鼠肝臟和回腸中核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2 p45-related factor 2,Nrf2)mRNA和蛋白的表達水平以及谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、過氧化氫酶(catalase,CAT)及超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)這3種抗氧化酶的mRNA表達水平，提高抗氧化功能，進而發(fā)揮氧化防御作用[32]。Wang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，在杜寒雜交羔羊飼糧中添加100～200 mg/kg FOs可提高其日增重和飼料轉(zhuǎn)化效率，增加血漿中總抗氧化能力(total antioxidant capacity，T-AOC)和還原型谷胱甘肽(reduced glutathione,GSH)的含量，提高抗氧化酶GSH-Px、CAT及SOD的活性。綜上所述，F(xiàn)Os的抗氧化作用機制包括：1)作為氫質(zhì)子或電子供體，與自由基結(jié)合，終止自由基鏈式反應(yīng)；2)維持動物細胞線粒體的正常功能，減少ROS的生成；3)激活核因子E2相關(guān)因子2-抗氧化反應(yīng)元件(nuclear factor erythroid 2 related factor 2-antioxidant response element,Nrf2-ARE)抗氧化信號通路，誘導(dǎo)抗氧化酶的表達，進而緩解氧化應(yīng)激。

4.2 免疫調(diào)節(jié)

FOs也可作為一種免疫調(diào)節(jié)劑，通過促進細胞因子釋放、介導(dǎo)與免疫相關(guān)的信號通路及激活免疫細胞等方式調(diào)控動物機體的免疫功能。Yu等[34]利用出芽短梗霉菌發(fā)酵麥麩制備FOs，發(fā)現(xiàn)其可增加免疫力低下的荷瘤小鼠的胸腺指數(shù)和脾臟指數(shù)，且可促進γ-干擾素(interferon-γ，INF-γ)和白細胞介素-3(interleukin-3，IL-3)的分泌，進而提高其免疫力。此外，從大米和玉米皮中提取的FOs同樣具有調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)的作用，其中大米麩皮FOs通過增加Toll樣受體-4(Toll-like receptor-4，TLR-4)和Toll樣受體-2(Toll-like receptor-2,TLR-2)下游信號分子細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)、p38絲裂原激活蛋白激酶(p38-mitogen-activated protein kinases p38MAPK)和Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinases,JNK)的磷酸化，誘導(dǎo)樹突細胞成熟，發(fā)揮抗病毒感染的作用[35]；而玉米皮FOs可提高小鼠血清半數(shù)溶血值和吞噬細胞的吞噬率[36]。免疫調(diào)節(jié)是機體的一種防御機能，在動物抵御病原體入侵過程中發(fā)揮著重要作用。FOs調(diào)節(jié)免疫的可能機制包括：1)促進免疫器官生長；2)誘導(dǎo)細胞因子分泌；3)通過識別樹突細胞表面的模式識別受體TLR-4和TLR-2，從而激活絲裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)信號通路，誘導(dǎo)樹突細胞成熟；4)誘導(dǎo)吞噬細胞成熟、分化和增殖，進而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用。

4.3 益生

FOs不能被宿主內(nèi)源酶消化，但其可被腸道微生物利用，進而發(fā)揮益生作用。體外試驗發(fā)現(xiàn)，將FOs(生物酶法制備)作為碳源加入到培養(yǎng)基中，兩歧雙歧桿菌F-35大量增殖，且其菌體生長量與FOs的濃度呈正相關(guān)，說明FOs對雙歧桿菌具有較強的增殖效果[37]。此外，F(xiàn)Os可提高產(chǎn)生乙酸和乳酸等短鏈脂肪酸的產(chǎn)量，降低腸道pH[38-39]。FOs還具有抑菌作用。體外抑菌試驗發(fā)現(xiàn)，木聚糖酶水解麥麩制備的FOs對金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、沙門氏菌有抑制作用，而對藤黃微球菌及酵母菌沒有抑制作用[40]。FOs除了可以在體外促進有益菌的增殖和抑制有害菌的增殖外，還可通過發(fā)揮抗氧化作用調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)。氧化應(yīng)激會改變動物腸道菌群結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大腸桿菌(Escherichiacoli)和腸球菌屬(Enterococcus)的數(shù)量增加，而乳酸桿菌屬(Lactobacillus)的數(shù)量減少[41]。Ou等[42]研究表明，以FOs飼喂大鼠，可增加其腸道細菌多樣性，增加乳酸桿菌屬和瘤胃球菌屬(Ruminococcus)的相對豐度，降低梭菌屬(Clostridia)和綠膿桿菌屬(Turicibacter)的相對豐度。FOs發(fā)揮益生作用的可能機制主要包括2個方面：一方面，F(xiàn)Os通過促進有益菌的增殖和短鏈脂肪酸的產(chǎn)生，從而抑制病原菌的增殖；另一方面，F(xiàn)Os通過調(diào)控動物腸道菌群結(jié)構(gòu)，維持腸道微生態(tài)的平衡，進而發(fā)揮益生作用。

5 FOs在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

FOs作為一種功能性低聚糖，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)領(lǐng)域。然而，在飼料工業(yè)領(lǐng)域，對糠麩類飼料的綜合利用遠遠不足，常將其作為廉價的副產(chǎn)物直接用于飼糧中，造成了資源的浪費。近年來，科研人員加大了對糠麩類飼料的研發(fā)。目前，F(xiàn)Os的提取、分離及純化技術(shù)已發(fā)展成熟，其生產(chǎn)成本大幅度下降。此外，F(xiàn)Os相較于黃芪多糖、白術(shù)多糖、姜黃素及枸杞多糖等抗生素替代品，具有原材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低及產(chǎn)量高等優(yōu)點。在集約化養(yǎng)殖模式下，飼養(yǎng)管理措施(去勢、免疫及斷奶)、飼糧結(jié)構(gòu)變化和活動空間減少均會引起氧化應(yīng)激。在氧化應(yīng)激狀態(tài)下，動物體內(nèi)產(chǎn)生大量自由基，一者會破壞免疫細胞降低免疫力；二者清除自由基會消耗機體儲備，導(dǎo)致生長和生產(chǎn)性能下降；三者氧化應(yīng)激會改變腸道菌群結(jié)構(gòu)，損傷腸道。FOs因含有阿魏酰和低聚糖基團，有多種生理功能，具有替代抗生素的潛力，這已在模式動物的研究上得到了證實。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Os可通過p38MAPK/磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)-Nrf2/Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1)-肌腱纖維肉瘤蛋白K(masculoaponeurotic fibrosarcoma K,MafK)途徑緩解偶氮二異丁基脒鹽酸鹽[2,2′-azobis (2-methylpropionamide) dihydrochloride，AAPH]誘導(dǎo)的氧化損傷，促進肝臟、腎臟及心臟中Ⅱ期抗氧化酶SOD、CAT和GSH-Px的轉(zhuǎn)錄，并可增加抗氧化物質(zhì)GSH的含量[43]。本課題組研發(fā)的發(fā)酵麩皮多糖中含有不同聚合度的FOs[44]，在抗炎、調(diào)控腸道菌群及提高免疫力方面均有作用。在敵草快引起的炎癥狀態(tài)下，灌胃發(fā)酵麩皮多糖可以降低大鼠血漿和肝臟組織中炎性因子腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、白細胞介素-2(interleukin-2，IL-2)和白細胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)的含量[45]。此外，利用Illumina-HiSeq高通量測序技術(shù)分析發(fā)酵麩皮多糖對SD大鼠盲腸菌群結(jié)構(gòu)的影響時發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵麩皮多糖可降低擬桿菌門中普氏菌屬9(Prevotella_9)的相對豐度，增加厚壁菌門中瘤胃球菌屬1(Ruminococcus_1)和糞球菌屬1(Coprococcus_1)的相對豐度[46]。Ruminococcus_1和Coprococcus_1都屬于短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌，其代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸可以作用于免疫細胞，通過影響細胞因子釋放參與免疫調(diào)節(jié)，在腸道抵御致病菌的過程中發(fā)揮作用[47]。由此可推斷，F(xiàn)Os通過調(diào)控腸道菌群結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，從而提高動物抗病力，減少抗生素在生產(chǎn)中的用量。

6 小結(jié)與展望

隨著“禁抗”“減抗”時代的來臨，尋找開發(fā)無毒無害的抗生素替代品已成為熱點。FOs作為一種功能性低聚糖，具有多種生理功能，且其來源廣泛，在動物生產(chǎn)中應(yīng)用前景廣闊，有替代抗生素的潛力。然而，F(xiàn)Os的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)于其多種生理功能的分子機制需進行更深入的探索，并且可能還存在一些潛在的生理功能需要進一步開發(fā)和研究。此外，還應(yīng)該對FOs在動物機體內(nèi)的吸收代謝進行探索，以便更好地應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。