膳食纤维的理化功能特性及甘薯膳食纤维在动物生产中的应用

乔汉桢 ，刘佳文，王 迪，尚亚飞，刘 珍，黄 进，赵银丽，王金荣*，管武太

（1.河南工业大学生物工程学院，河南郑州 450001；2.华南农业大学动物科学学院，广东广州 510642）

甘薯属块茎类作物，又名山芋、番薯、红薯和红苕等，富含膳食纤维和多种功能性营养物质，主要用于食品工业、饲料工业和轻化工业。甘薯主要作为淀粉的生产原料，在加工过程中会产生大量甘薯渣，由于甘薯渣水分含量高，容易腐败变质，不仅污染环境，同时由于甘薯渣中含有丰富的膳食纤维，亦会造成资源浪费[1]。因此，合理有效开发甘薯渣的再利用价值，不仅可以减少污染，还可以提高甘薯的经济附加值。

甘薯渣（以干重计）中淀粉含量为43%～61%，膳食纤维含量为16%～27%，在膳食纤维中纤维素占26%～36%、果胶占9%～23%[2]。膳食纤维是指不能被机体小肠消化酶消化和吸收，但可以部分或完全在大肠中发酵的植物性碳水化合物，主要包括木质素、纤维素、半纤维素、果胶和抗性淀粉等[3]。近年来，膳食纤维在动物日粮中的研究与应用成为动物营养研究的热点，尤其是在膳食纤维改善畜禽肠道环境和平衡菌群方面的研究已有诸多报道，同时很多研究证明了膳食纤维对动物的生产性能具有积极的影响[4-6]。本文对膳食纤维的理化特性、功能性研究以及甘薯膳食纤维在动物营养中的应用等方面进行综述，为甘薯膳食纤维的研究和功能性产品的开发及应用提供参考。

1 膳食纤维的理化特性

膳食纤维虽然是由普通的单糖分子组成，但由于这些单糖分子组合形成了大分子结构，因此膳食纤维具有独特的理化特性，直接影响了膳食纤维的生理功能。

1.1 水合特性 膳食纤维的分子结构富含亲水基团，因此具有一定的持水力、保水力和膨胀力。膳食纤维的来源、制备工艺以及颗粒粒径的不同等都会影响膳食纤维的水合特性，其中颗粒粒径的影响最大。研究发现，在一定粒径范围内（1 127～550 μm），随着膳食纤维粒径减小，膳食纤维亲水集团暴露，比表面积增大，持水力、保水力和膨胀力均表现出增加的趋势；随着膳食纤维粒径进一步减小（550～390 μm），膳食纤维孔洞坍塌，网状结构被破坏，对水分的吸附能力降低，导致膳食纤维持水力、保水力和膨胀力降低[7]。

膳食纤维的水合特性是衡量膳食纤维功能质量的重要指标，与不溶性膳食纤维相比，可溶性膳食纤维在降低血压和血脂、改善血糖、调整机体胃肠道功能方面更具优势[8]。膳食纤维进入肠道后，其中暴露的亲水基团会与水分结合膨胀，表现出吸水性与溶胀性。水合后的膳食纤维可增加食糜黏度，减缓胃排空，增加饱腹感，从而减少采食[9]。同时，膳食纤维的水合特性使其在通过动物肠道的过程中吸收水分，加快肠道食糜排空速度，缩短有毒物质在肠道内的滞留时间，减少便秘发生[10]。

1.2 吸附作用 膳食纤维主要通过分子表面的活性基团以物理吸附形式吸附胆固醇、葡萄糖和胆汁酸等有机分子，从而抑制胃肠道对其吸收[11]。膳食纤维能够与脂质形成纤维-乳糜微粒复合体，阻碍脂质的乳化与扩散，抑制机体对食糜中脂质和胆固醇的吸收和利用，最终使得血液中胆固醇含量降低[12]。膳食纤维还可通过减缓胃排空速率、形成物理屏障来阻碍肠道上皮细胞对食糜中葡萄糖和脂质的吸收[8]。膳食纤维可以在胃肠道消化过程中通过吸附作用促进胆汁酸的排泄以及抑制胆汁酸在肠道的吸收，从而阻止胆汁酸诱导的上皮细胞及其DNA 的损伤。膳食纤维对胆汁酸的阻滞能力受膳食纤维粒径及其在肠道滞留时间的影响，随着粒径变小，膳食纤维比表面积和电荷密度增大，导致膳食纤维对胆汁酸的阻滞能力增强[13]。此外，肠道内的一些有毒有害物质也可以被膳食纤维吸附。例如，膳食纤维对重金属离子（Pb2+、Hg2+、Cd2+等）有吸附作用，使得重金属离子随粪便排出体外，且肠道环境更有利于吸附[14-16]。当小鼠日粮中Pb 添加量为20、100、200 mg/kg 时，添加5%的膳食纤维可以显著降低机体血液中的Pb 浓度，在脾脏、骨骼和肾脏部位也表现出明显的Pb 清除能力；日粮中膳食纤维添加量超过10%后，小鼠各器官中Pb浓度并未持续降低[14]。

1.3 阳离子交换作用 阳离子交换能力是膳食纤维的一种重要物理特性，反映了膳食纤维表面结合金属离子的能力，与黏土矿物吸附土壤中阳离子的机制大致相同。膳食纤维结构中含有一些重要的侧链基团，主要包括木质素的酚基、果胶、半纤维素中的弱糖醛酸以及葡萄糖醛酸木聚糖的羧基，整体呈现一个弱酸性阳离子交换树脂的作用，可与阳离子进行可逆交换[12,17]。阳离子交换能力高的膳食纤维通过形成阻碍脂质扩散或吸收的纤维-微胶粒复合体，导致脂质扩散减慢，进而阻碍脂质的乳化，最终使得脂质和胆固醇不能被机体有效地吸收和利用，血液中胆固醇含量降低[12]。

2 膳食纤维的生理功能

2.1 改善肠胃功能，预防便秘 围产期母猪由于粪便在肠腔内蓄积干结，通常会导致便秘，危害肠道健康[18]。膳食纤维能够改善肠道菌群数量，预防并减少胃肠疾病的发生。由于膳食纤维具有吸水溶胀作用，能够加快消化道中粪便的运输速度，使肠道内的粪便停留时间减少，降低粪便中有害物质与肠道壁的接触时间，从而达到清洁肠道作用，同时可以形成黏液，增加肠道的润滑性，预防便秘[19]。妊娠期母猪摄入含有2.2%魔芋粉的基础日粮后，便秘发生率降低20%，且粪便评分提高，粪便形态从干结变为正常，表明在围产期肠道变得更加活跃、健康。与此同时，膳食纤维也可抑制肠道致病性梭菌增殖，增加乳酸菌数量，改善肠道健康，从而有益于母猪泌乳期的健康及生产性能[18]。

2.2 控制体重 因膳食纤维具有水合特性，进入肠道后可吸收大量水分膨胀，增强摄食者饱腹感，减少摄入其他高热量食物，从而达到控制体重的效果。Ju 等[20]以高脂日粮诱导的肥胖大鼠为模型，在大鼠日粮中添加30%甘薯，发现甘薯膳食纤维可通过减少大鼠体重、降低体脂沉积、调节血脂等方面显著改善营养性肥胖大鼠体内脂代谢紊乱的状态，同时能够显著降低血液丙氨酸转氨酶、乳酸脱氢酶和肌酸酐水平，表明甘薯膳食纤维对大鼠肝肾具有保护作用。

2.3 抗癌作用 近年来，许多研究都证实了膳食纤维对多种癌症的不同发展阶段都有作用，其抗癌机理主要是膳食纤维独特的理化特性能够促进机体排毒、调节胆固醇和激素、消炎以及调节肠道菌群的功能[21-23]。Encarnacao 等[22]研究发现，膳食纤维可通过肠道菌群发酵产生丁酸，丁酸是结肠重要的能量来源（70%～90%），可通过激活谷胱甘肽硫基转移酶，过度诱导Wnt 信号转导而促使结肠癌细胞凋亡和细胞周期停滞。膳食纤维的摄入与直肠癌的风险呈负相关，成人每天摄入24 g 膳食纤维，直肠癌发病率可降低30%[24]。

2.4 调节血糖、血脂、血压作用 膳食纤维的梯度黏合作用、机械隔离作用和网孔吸附作用可以延缓和抑制机体对摄入食物中胆固醇的吸收。增加饮食中可溶性膳食纤维含量，可以明显降低机体血液中总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇的浓度，从而减少和预防高血脂和高血压等疾病[25]；同时，膳食纤维还能延缓葡萄糖的吸收，提高机体耐糖的程度，避免进食后血糖急剧上升[17,26]。

2.5 抗氧化功能 膳食纤维可以有效清除动物体内OH-等自由基，抑制脂质的过氧化达到延缓衰老的作用。Fang 等[27]研究发现，摄入不同来源膳食纤维（茶叶、甘薯和麦麸纤维）均可显著提升大鼠的自由基清除能力以及酶类和非酶类抗氧化能力，有效增强机体抗氧化防御体系。

3 甘薯膳食纤维在动物生产中的应用

3.1 甘薯膳食纤维在养猪生产中的应用 日粮中添加膳食纤维有助于仔猪肠道发育，减少仔猪断奶应激；增强肥育猪后肠发酵，减少粪氮的排放量；减少妊娠母猪的限饲应激和便秘的发生，改善母猪的繁殖性能，母猪产后易发生便秘，添加膳食纤维可以减少便秘的发生。因此膳食纤维在猪的不同生产阶段中作用不同[5-6,18]。

在玉米-豆粕型生长猪日粮中，以2%、4%和6%的甘薯渣替代等比例玉米，生长猪的采食量、日增重和耗料增重比均呈有所提高，IGF-1 和生长激素的分泌增加，对生长猪机体骨骼生长和肝脏正常生理功能无负面影响[28]。利用甘薯混渣（m茎叶:m根块=7:3）替代10%～20% 的玉米-豆粕型基础日粮，对生长猪的生长性能、屠宰性状和肉品质均没有影响[5]。因此，利用甘薯渣替代日粮中部分玉米或直接替代部分日粮对猪生长性能和屠宰品质并无负面影响，且能够降低成本。但是由于甘薯渣中蛋白质含量较少（＜2%），饲喂过多，会引起仔猪蛋白质摄入不足，能氮比过高，从而影响仔猪生长，一般母仔猪日粮中甘薯渣添加比例应低于20%[29]，并与蛋白饲料合理搭配使用。由于甘薯膳食纤维的水合特性，母猪限饲时添加甘薯渣可增加母猪饱腹感，达到限制母猪能量摄入的目的；在妊娠母猪日粮中添加甘薯渣可增加肠道中的乳酸含量，从而有益于肠道菌群的协调，减小肠道的感染压力，避免母猪因饥饿引起窜栏、撕咬等应激反应而导致流产[30]。

3.2 甘薯膳食纤维在家禽生产中的应用 饲料中的膳食纤维可促进家禽胃肠道运动与发育，刺激消化酶分泌，提高养分消化率与生产性能[31]。在蛋鸡的玉米-豆粕型日粮中，以2%、4%和6%甘薯渣等比例替代玉米，对蛋鸡的产蛋率、蛋黄颜色和哈氏单位没有影响，料蛋比呈上升趋势，而蛋壳厚度和强度随甘薯渣添加水平的提高逐步增强，对动物机体骨骼生长和肝脏正常生理功能无负面影响[32]。甘薯中的膳食纤维具有抗菌和益生作用，能够促进鸡的肠道健康，甘薯块根在肉鸡饲粮中添加30% 以内对肉鸡生长性能均无负面影响[4]。家禽的肠道菌群结构及多样性受日粮影响，肠道微生物在家禽消化与健康方面发挥重要作用[33]。目前关于甘薯膳食纤维在家禽生产中的应用研究十分有限，还需开展大量相关研究工作。

3.3 甘薯膳食纤维在反刍动物生产中的应用 甘薯渣是优良的反刍动物饲料，肉牛饲料中以50% 和100% 的甘薯渣替代白酒糟，对肉牛的生产性能和养分表观消化率无显著影响，对肉牛胴体和牛肉品质无不良影响，但血浆中钙含量分别显著提高了3.35% 和6.28%，说明肉牛日粮中添加甘薯渣促进了日粮中钙的吸收[34]。日粮中甘薯渣添加量为10%和20%时，西杂阉公育肥牛平均日采食量、初始体重、屠宰率和胴体产肉率与对照组差异均不显著，试验组育肥牛血清中甘油三酯、总胆固醇、高密度脂蛋白和低密度脂蛋白含量显著低于基础日粮组，通过下调育肥牛背最长肌脂肪酸合成相关基因（SREBP-1、FAS、ACC和PPARγ）表达以及上调脂肪分解相关基因（HSL和CPT-1）的表达，减少背最长肌肌内脂肪沉积[35]。陈宇光等[36]用5 kg 的鲜甘薯渣替代基础日粮中苜蓿干草饲喂奶牛1 个月，发现在产奶期日粮中添加鲜甘薯渣对产奶量和牛奶乳成分（乳脂、乳蛋白、乳糖、乳固形物和非脂固形物）均无显著影响，表明甘薯渣可以短时间内部分替代优质干草解决冬季饲草短缺的问题。有关甘薯渣对肉、奶牛营养生理作用的研究报道也较少，甘薯渣对肉、奶牛生产性能、免疫功能、牛肉品质、产奶量等影响有待进一步研究。

3.4 甘薯膳食纤维在其他动物中的应用 王中华等[37]研究表明，饲料中添加10%和15%的酸化红薯粉渣饲喂肉兔，肉兔肠胃pH 降低，生长性能和免疫器官指数提高。甘薯膳食纤维饲喂小鼠可增加小鼠盲肠中双歧杆菌和乳酸杆菌数量，抑制大肠杆菌和沙门氏菌的增殖，从而阻止大肠杆菌或沙门氏菌引起的腹泻[38]，此外，在基础日粮中添加15% 的甘薯渣和甘薯膳食纤维能影响大鼠的整体代谢，包括脂质代谢、糖原分解和糖酵解途径、能量代谢、蛋白质生物合成和肠道菌群代谢[39]。

4 小 结

甘薯渣产量大、价格低廉、功能突出，直接饲喂甘薯渣对动物肠道健康和生产性能均有一定的改善作用，而膳食纤维是甘薯渣的主要活性成分。甘薯膳食纤维具有较好的水合特性、吸附特性以及阳离子交换能力，对调节肠道健康、调节血糖血脂、抗癌、抗氧化等方面都具有一定功效。目前市场上尚未见有商业化甘薯膳食纤维产品，其在畜禽生产中也尚未见应用，而在小鼠研究中则表现出较明显改善肠道菌群、保护肠道健康的功效。

目前，国内外对甘薯膳食纤维的研究与应用相对小麦麸皮、豆渣、果渣膳食纤维等较少，其多糖组分及其构型尚不明确，在体内的益生机制尚不清楚，因此，在未来的研究中还需要针对以下重点问题展开研究：①深入研究甘薯膳食纤维组分、结构与构型，解析甘薯膳食纤维结构与功能的关系；②加强甘薯膳食纤维在动物不同生长阶段中的应用研究，探索最适的添加水平与饲粮配方；③加强对甘薯膳食纤维生理功能及其作用机制的深层次研究。

随着人们对膳食纤维与动物健康关系的认知不断加深，膳食纤维作为功能性饲料添加剂将越来越受重视，将其合理应用于及动物生产中，不仅可以有效减少甘薯膳食纤维资源的浪费，同时可以提高甘薯的经济价值，带来良好的社会效益和经济效益。