一种新饲料添加剂——纤维寡糖

肖志海 宋 娟 胡彩虹

（1.云南省红河州农业环保工作站，云南红河 661199；2.浙江大学饲料科学研究所动物分子营养学教育部重点实验室，浙江杭州 310058）

1949年，Stokstad和Jukes证明抗生素具有促生长和预防疾病的作用[1]，从此抗生素正式进入饲料添加剂的行列。抗生素通过减少有害微生物的繁殖，从而促进动物健康。之后，随着人民生活水平的提高和健康意识的加强，饲用抗生素所引起的药物残留、抗药性等问题也日益受到人们的重视。因此，世界许多先进国家对抗生素的使用提出限制，欧盟于2006年1月起全面禁止食品动物使用抗生素促生长饲料添加剂。我国新的饲料添加剂管理条例（168号公告）也对抗生素添加剂的使用做出了规定和限制。基于这一现状，寻找无污染、无残留、安全有效的新型绿色抗生素替代品已成为当今饲料添加剂研究的热点之一。

纤维寡糖（cello-oligosaccharide,COS）是一种新型的功能性寡糖，由2～7个吡喃型葡萄糖单元通过β-1,4键连接在一起。植物纤维素是自然界最丰富、最廉价的可再生资源，是制备纤维寡糖理想的原料。农业废弃物如秸秆、甘蔗渣和苜蓿残渣等均是丰富的纤维素来源，利用其生产纤维寡糖，具有较高的环境效益和经济效益[2]。

1 纤维寡糖的结构与理化性质

1.1 纤维寡糖的结构

纤维寡糖（cello-oligosaccharide,COS）是由2～7个吡喃型葡萄糖单元通过β-1,4键连接在一起的一类寡糖物质，是纤维素降解过程中得到的以纤维二糖、纤维三糖、纤维四糖、纤维五糖、纤维六糖为主的低聚糖的通称[2]。由于构成纤维寡糖的单体只有葡萄糖，因此纤维寡糖也叫葡寡糖。纤维寡糖的结构如图1所示。

1.2 纤维寡糖的理化性质

不同聚合度的纤维低聚糖理化性质十分接近，几乎不溶于有机溶剂，热稳定性低，在波长大于200 nm时没有紫外吸收，无荧光特性，无挥发性，不含有带电荷基团。只有n≤4的低聚糖可溶于水，n≥5的低聚糖在水中溶解度很小或不溶[3]。

2 纤维寡糖的制备方法

目前获得纤维寡糖的方法主要有合成法和分解法。

纤维寡糖的生产方法主要是微波合成法。刘云等[4]用微波固相合成法对葡寡糖的合成工艺及其优化进行了探索。但合成法制备纤维寡糖的操作都非常复杂、耗时长、且对仪器设备要求高，因此目前主要是采用分解法降解多糖生成纤维寡糖。

分解法主要有化学分解法和酶解法。李嘉喆等[5]研究了盐酸催化下甲酸水解棉花制取纤维寡糖的过程，通过对生产条件的优化，纤维寡糖的得率达到8.35%。另有研究证明，用甲酸溶液水解竹浆纤维，通过高效液相色谱法检测，其水解产物中含有聚合度2～5的纤维寡糖[6]。但酸解法制备纤维寡糖存在反应条件不易控制、酸的挥发产生危险性、需要有酸的中和以及中和酸产生的盐会对后续分离纯化产生影响、有机试剂的回收等问题。因此很难应用到工业化生产中。

随着酶工程技术的发展，酶法降解天然纤维素类物质是近年来新兴的制备纤维寡糖的方法。石波等在利用小麦秸秆制备纤维寡糖的研究方面取得重要进展。刘沙沙等[7]报道，β-葡聚糖酶解经过碱处理的小麦秸秆粉生成纤维寡糖，在最佳反应条件下，小麦秸秆总转化率达到55.57%，纤维二糖得率为148.15 mg/g小麦秸秆，且得到纤维寡糖为较高纯度、聚合度为2～5的单一聚合度纤维寡糖，可作为标准品使用。

3 纤维寡糖的营养生理功能

3.1 对生长性能的影响

纤维寡糖能够促进动物采食量及对营养物质的消化吸收，促进动物生长。Hasunuma等[8]报道，基础日粮添加纤维寡糖可提高断奶至90日龄犊牛的日增重和饲料转化率。Otsuka等[9]研究发现，纤维寡糖试验组断奶仔猪在饲养2周后，其体重与对照组无显著差异，但在饲养4周后，纤维寡糖试验组仔猪的体重显著提高，这说明纤维寡糖对动物生长性能的效果需要一定的时间才能体现。徐露蓉等[10]的研究也发现，生长猪饲粮中添加0.2%和0.3%纤维寡糖，饲喂42 d后使生长猪平均日增重分别提高了7.51%和6.39% （P＜0.05），料重比分别降低了5.93%和5.19%（P＜0.05），且以0.2%纤维寡糖作用效果较佳。Otsuka等认为，纤维寡糖对动物的生长促进作用归功于纤维寡糖可促进动物的日采食量。然而，这一观点仅通过一个间接指标来证明，即添加纤维寡糖使断奶仔猪血液尿素氮浓度升高，说明仔猪蛋白质采食量增加，从而推测纤维寡糖提高了断奶仔猪的日采食量。笔者认为，纤维寡糖对动物生长性能的影响主要是由于纤维寡糖在肠道内的益生作用，促进了肠道的消化吸收功能，但其具体机理仍需进一步探讨。

3.2 对肠道菌群的影响

体外试验表明，纤维二糖可影响瘤胃微生物中有机酸的产生[11]，这些有机酸能下调肠道pH值，促进肠道内乳酸菌和双歧杆菌等有益菌的生长，有效抑制大肠杆菌等有害菌的生长，维持肠道健康。此外，纤维寡糖作为双歧杆菌和乳酸杆菌的特异性营养机质，能促进单胃动物肠道内有益微生物菌群的形成，增加动物机体对外源性病原菌的低抗作用。徐露蓉等[10]发现，纤维寡糖可在断奶仔猪肠道中选择性地促进乳酸菌和双歧杆菌等有益菌的快速繁殖。Song等[12]的结果也提示，纤维寡糖可促进肉鸡盲肠中乳酸菌增殖，抑制大肠杆菌和梭菌增殖，改善肠道菌群而改善肉鸡肠道健康，发挥潜在益生作用。另有研究表明，纤维寡糖对病原菌有一定的抑制作用，如纤维二糖能抑制李斯特菌[13]。此外，笔者推测纤维寡糖对肠道菌群的调控可能是由于纤维寡糖具有排出致病菌的作用。寡糖的结构与细菌结合肠黏膜的配体结构（如I型菌毛）相似，可与细菌竞争肠黏膜上的受体，减少细菌在肠黏膜上的附着[14-15]。

3.3 对肠道生长发育的影响

纤维寡糖的摄入可以使动物肠道组织形态发生改变。纤维寡糖发酵产生的丁酸是结肠粘膜的主要能源物质，可以使隐窝深度细胞密度及盲肠壁重增加，刺激上皮细胞的生长[16]。Otsuka等[9]也报道，在断奶仔猪日粮中添加纤维寡糖有提高盲肠中丁酸和异戊酸等短链脂肪酸的趋势。Uyeno等[17]的实验结果显示，犊牛饲喂纤维寡糖增加了丁酸的含量。Song等[12]报道，热应激肉鸡饲粮中添加纤维寡糖，使肉鸡绒毛高度变长，绒毛高度与隐窝深度比值上升，缓解了热应激引起的肉鸡肠上皮组织形态受损。另外，纤维寡糖可与致病菌竞争肠黏膜上的结合位点，减少毒素等对肠绒毛的影响。

3.4 对肠上皮屏障功能的影响

肠道屏障完整的肠道屏障概念包括3个部分：机械屏障（物理屏障）、生物屏障、免疫屏障[18-19]。机械屏障是由完整的肠道上皮和上皮细胞间的细胞连接共同构成。它主要通过肠上皮细胞紧密连接、肠蠕动、分泌胃肠黏液以及各种消化酶等来发挥屏障作用，在保护机体免受食物抗原、微生物及其产生的有害代谢产物的损害保持机体内环境的稳定方面起重要作用。徐露蓉等[10]报道，纤维寡糖显著提高了猪结肠上皮细胞跨膜电阻（P＜0.05），显著降低了肠上皮对荧光素异硫氰酸酯－葡聚糖的通透性（P＜0.05）。Song等[12]的研究也发现，饲喂添加纤维寡糖的基础日粮，可显著提高热应激肉鸡结肠上皮细胞跨膜电阻。纤维寡糖能够改善结肠黏膜屏障功能，其原因可能是因为纤维寡糖能促进结肠肠道内双歧杆菌等有益菌的大量增殖，而有益菌代谢产生的丙酸、丁酸等是肠上皮细胞的主要能源，能够保护结肠黏膜屏障结构免受各种应激的损伤，其机理有待进一步研究。纤维寡糖的添加，减少了病原菌在肠黏膜上的附着，也可能是纤维寡糖减小动物肠黏膜通透性的一个原因。

3.5 对机体免疫机能的影响

纤维低聚糖进入机体促生双歧杆菌后，可以起到提高机体免疫的作用。刘云等[4]报道，纤维寡糖具有清除机体自由基，提高小鼠的抗氧化能力及免疫功能。纤维寡糖提高机体免疫机能的作用机理尚不清楚，笔者猜测这一作用主要归功于纤维寡糖的益生作用。纤维低聚糖发酵后产生的短链脂肪酸可以抑制外源致病菌和肠内固有腐败细菌的生长繁殖，减少由这些细菌产生的各种毒素，从而降低肠道中内毒素的含量，使血液中的内毒素和氨含量下降，减轻肝脏分解毒素的负担。此外，纤维寡糖在肠道内促进双歧杆菌的生长，双歧杆菌的细胞壁成分和胞外分泌物可增强免疫细胞的活性，促使肠道免疫蛋白A（IgA）浆细胞的产生，激活巨噬细胞和T、B淋巴细胞，提高天然杀伤细胞（NK）的杀伤力，从而杀灭侵入体内的细菌和病毒。

4 纤维寡糖在畜牧业中的应用前景

纤维素是自然界中最丰富的有机聚合物，自然界中每年约产生1 011～1 012 t，是地球上数量巨大的可再生资源[2]。我国作为一个农业大国，每年都产生大量的农业以及食品、饲料初级加工后的副产物，如玉米和小麦秸秆、甘蔗渣、豆渣、果皮、苜蓿提取蛋白后的残渣等。虽然这些天然纤维素类物质已在多个领域被人类开发应用，但是由于其自身化学结构的限制，每年仍有大量的纤维素类物质未被利用或者被当做廉价饲料处理[20]。采用新技术、新方法将其加工成可高效利用的纤维寡糖产品具有十分重要的意义。

纤维寡糖作为功能性寡糖家族中重要的一员可应用于食品、饲料添加剂和生物农药等领域，不仅能影响动物生产性能、改善肠屏障功能、提高机体免疫，还具有无毒、无污染、无残留、环境相容性好等优点，具有良好的经济效益和社会效益。但由于酸水解法、化学合成法等方法制备纤维寡糖具有产品组分复杂、工艺操作繁琐、寡糖得率低等缺点，使纤维寡糖的规模化生产难于实现。随着酶工程技术的发展，采用酶技术规模化生产纤维寡糖成为可能。利用酶水解小麦秸秆生成纤维寡糖，既可降低功能性纤维寡糖生产成本，也可使大量农业废料变废为宝，保护环境，减少生物资源的浪费，使小麦秸秆得到充分利用，具有重要的经济和社会价值。

纤维寡糖的制备已获得重大进展，但纤维寡糖作为一种新型添加剂的作用以及其作用机理仍有许多未知之处，有待今后的研究加以证明。