低聚异麦芽糖在畜牧业中的应用研究进展

邓近平 王 浩 李发财 梁希德

（1.华南农业大学动物科学学院广东省动物营养调控重点实验室，广东广州510642；2.岭南现代农业科学与技术广东省实验室茂名分中心，广东茂名525000；3.保龄宝生物股份有限公司，山东德州251200）

近现代以来，抗生素作为饲料添加剂使用，有效改善了畜禽的生长性能，大幅度促进了畜牧业的发展，但近些年来，规模化养殖场抗生素滥用情况严重。畜产品中抗生素的残留及耐药菌的产生严重威胁人们的食品安全及人类的健康。近年来各国已逐渐禁止饲料中抗生素的添加，我国农业农村部第194 号公告《药物饲料添加剂退出计划和相关管理政策》，于2020 年正式禁止抗生素作为饲料添加剂生产及使用。因此，在后抗生素时代如何开发天然抗生素替代物作为饲料添加剂成为近年来的研究热点。功能性寡糖虽不直接被动物机体吸收，但可作为益生元调控机体肠道菌群稳态，还可作为信号分子调控机体免疫机能[1]。而低聚异麦芽糖（isomaltooligosaccharide，IMO）作为寡糖类替抗新型绿色饲料添加剂，具有耐热稳定、无污染、无残留等较好的理化特性。与其他低聚糖和抗生素替代品相比，不仅解决了细菌耐药性及抗生素残留的问题，还克服了其他替抗产品在加工、贮存、使用禁忌等方面的弊端[2]。低聚异麦芽糖作为一种潜在的抗生素替代物，近年来在畜牧生产中的应用逐渐受到重视。

1 低聚异麦芽糖的开发及应用现状

低聚异麦芽糖又称为分支低聚糖，主要包括异麦芽糖、异麦芽三糖和异麦芽四糖、潘糖等。它是一种由2～5个葡萄糖残基以α-1,6糖苷键结合而形成的一种低聚糖，其分子结构中同时也包含有α-1,3和α-1,4糖苷键，是我国开发最早、需求量最大的功能性低聚糖之一[3]。

低聚异麦芽糖最早由日本昭和产业于1985年率先推广进入市场。在我国，由山东保龄宝生物股份有限公司于1997 年率先实现工业化生产[4]。目前国内市场中低聚异麦芽糖商品有IMO-50和IMO-90两种，其区别为低聚异麦芽糖含量不同。据国标GB/T 20881—2007规定：IMO-50含有的低聚异麦芽糖应占总干物质50%以上，其中异麦芽糖、潘糖和异麦芽三糖（三种物质简称为“三糖”）应占总干物质35%以上；IMO-90 中低聚异麦芽糖占总干物质90%以上，其中三糖应占总干物质45%以上。

低聚异麦芽糖作为一种重要的功能性低聚糖，具有良好的加工性质，由于具有调控机体胃肠道稳态、提高机体免疫系统功能等多种生理功能，在中国、日本、美国及英国等多个国家已获准作为食品成分进行使用，在食品、医药、畜牧等多个领域应用广泛，在国内已于2012 年正式获准作为饲料添加剂进行使用。

2 低聚异麦芽糖的理化特性及生产工艺

2.1 低聚异麦芽糖的理化特性

低聚异麦芽糖具有较好的甜度、稳定性、溶解性及适口性。低聚异麦芽糖糖浆为无色或淡黄色的黏稠液体，糖粉为无定形白色粉末，黏度低，流动性较好，在酸、热条件下都极为稳定，在pH 值2～10 范围内，120 ℃的高温下长时间不会分解，具有较强的稳定性和良好的加工性能[5]。在20 ℃时，溶解度可达80%，适于在饲料中进行添加使用。低聚异麦芽糖甜度约为蔗糖的40%～50%，具有良好的保湿性和较高的渗透压，因此加工的成品有湿润、细腻、柔软的特征，有较好的适口性[6]。

2.2 低聚异麦芽糖的生产工艺

低聚异麦芽糖的制备方法主要有三种，目前国内外采用的经典方法是以淀粉为原料，采用淀粉酶系多酶协同法转化，经液化、糖化、转苷及分离纯化得到。具体流程：首先将淀粉调浆为pH 值6.0、含有30%淀粉的淀粉乳，淀粉乳在α-淀粉酶作用下于105 ℃处理2 h 进行液化，液化淀粉使用真菌α-淀粉酶处理，糖化生成麦芽糖浆，此后在55 ℃于pH 值6.0 条件下，使用α-葡萄糖苷酶进行糖基转换生成低聚异麦芽糖粗品，最后经过滤、脱色、脱盐及浓缩等工艺除去糖浆中的蛋白质、杂质和离子，得到成品。

但经典生产工艺存在工序多、时间长、工艺参数控制困难、难以连续化生产等缺点，且国内α-葡萄糖苷酶来源及品质不稳定，使用的α-葡萄糖苷酶主要依赖进口，因此国内外学者近年来致力于酶催化生产低聚异麦芽糖的研究。酶催化法主要通过细菌、酵母菌及霉菌等微生物分泌的α-葡萄糖苷酶使麦芽糖转苷产生低聚异麦芽糖，但大多微生物源的葡萄糖苷酶活力较低，因此目前的研究大多集中在通过构建基因工程菌提高α-葡萄糖苷酶活性。如陈桂光等[7]以GXM-3 黑曲霉为出发菌株诱变的D-597突变株可将糖浆中低聚异麦芽糖含量提高37.2%，发酵周期缩短40 h。林永贤等[8]诱变选育的AL7黑曲霉突变株可将产酶量提高4.18倍。

第三种方法是利用蔗糖和麦芽糖混合液在葡聚糖蔗糖基酶的作用下发生转化反应。该方法特异性高，可合成只含有α-1,6糖苷键的低聚糖，但原料和酶成本都较高，不适于工业化生产[9]。

3 低聚异麦芽糖的生物学功能

3.1 维系肠道菌群稳态

低聚异麦芽糖作为一种低聚糖，其最主要功能即为被肠道益生菌代谢利用，抑制有害菌增殖。多篇研究报道，低聚异麦芽糖可被双歧杆菌、乳酸菌和拟杆菌等作为营养物质代谢，但大肠杆菌等病原菌对其难以利用[10]，且由于低聚异麦芽糖的水分活度为0.75，而多种细菌及霉菌在水分活度低于0.8 时均难以存活，因此IMO 可使双歧杆菌等益生菌在动物肠道中占有优势。由于肠道有害细菌酶及毒素的减少，也改善了机体肝脏的解毒负担，从而使肝脏能量平衡倾斜于营养代谢，从而促进动物生长。随处理时间的延长，机体肠道短链脂肪酸如乙酸、丙酸及异丁酸的含量也逐渐增加，降低肠道pH 值，进一步抑制有害菌增殖，并降低有害代谢物如吲哚、氨气等的产生，以及刺激肠道的蠕动[11]。

3.2 免疫调节作用

低聚异麦芽糖还可作为免疫调节因子调控机体免疫机能。补体C3 和C4 是参与动物机体防御功能及维持机体免疫平衡的重要糖蛋白，在抵抗病原菌感染及调控炎症反应方面发挥关键作用。低聚异麦芽糖可通过与酵母细胞壁的协同作用提高血清C3水平[12]。免疫球蛋白是介导体液免疫的主要抗体，抗体水平在一定程度上反映机体对疾病的抵抗能力。研究发现，在断奶仔猪[13]、蛋鸡[14]及海鲑鱼[15]中，低聚异麦芽糖可提高机体血浆IgG、IgM 等免疫球蛋白水平，改善机体免疫机能。在青年乌鸡[16]和海鲑鱼[15]中的研究发现，低聚异麦芽糖还可通过提高血浆白细胞及单核细胞等免疫细胞数量提高机体细胞免疫功能。

3.3 吸附病原菌

与糖受体有关的病原菌通过肠上皮细胞表面的外源凝集素与动物肠道壁细胞或绒毛膜表面特异性结合，从而黏附在肠壁。低聚异麦芽糖结构与病原菌在胞膜上的受体相似，可竞争性的与病原菌表面的类丁质结构结合，阻止病原菌黏附于肠上皮细胞。低聚异麦芽糖不能被消化道内源酶分解，因此与病原菌结合的低聚异麦芽糖通过肠道被排出体外，从而抑制病原菌在肠道的定殖[17]。肉鸡日粮添加低聚异麦芽糖可显著抑制Escherichia coliO78 在盲肠的定殖，但其可能通过吸附作用促进病原菌排出，以及促进益生菌增殖竞争性抑制病原菌两条途径共同发挥作用[18]。

4 低聚异麦芽糖在畜牧生产中的应用

4.1 低聚异麦芽糖在生猪养殖中的应用

在断奶仔猪日粮添加21 d 0.06%低聚异麦芽糖可显著提高机体抗氧化能力，降低血清丙二醛(MDA)水平，提高血清超氧化物歧化酶(SOD)水平，添加0.1%低聚异麦芽糖可提高仔猪血清IgM 水平[13]。断奶仔猪日粮添加6 g/kg 或10 g/kg 的低聚异麦芽糖可显著提高断奶仔猪日增重及日采食量，添加10 g/kg的低聚异麦芽糖可显著提高盲肠、空肠及回肠乳酸菌和双歧杆菌数量，降低大肠杆菌数量[19-20]。断奶仔猪日粮添加0.5%的低聚异麦芽糖可将断奶10 d 后腹泻率降低13.61%[21]。与添加500 mg/kg 金霉素相比，断奶仔猪日粮添加0.1%低聚异麦芽糖可显著提高日增重7.53%，料重比下降5.23%，腹泻率降低3.91%，经济效益提高约6.5%[21]，暗示日粮低聚异麦芽糖可在断奶仔猪日粮中替代一定量的抗生素。

低聚异麦芽糖作为益生元促进益生菌增殖是其发挥功能的关键作用机理，文献表明低聚异麦芽糖与益生菌同时添加，可发挥较好的协同作用，妊娠85 d母猪日粮添加0.5%低聚异麦芽糖、0.02%的枯草芽孢杆菌及0.02%的地衣芽孢杆菌可显著提高仔猪初生重、脐静脉血生长激素水平及仔猪总抗氧化能力，显著降低脐静脉血低密度脂蛋白胆固醇及总胆固醇含量[22]。

依据目前国内外的研究报道，在生猪养殖中，断奶仔猪日粮添加0.1%的低聚异麦芽糖可替代500 mg/kg的金霉素；0.6%的低聚异麦芽糖可显著抑制断奶仔猪腹泻，提高断奶仔猪生长性能；母猪日粮0.5%的低聚异麦芽糖与益生菌协同使用可提高母猪繁殖性能，并提高初生仔猪抗氧化能力。

4.2 低聚异麦芽糖在家禽养殖中的应用

1 日龄艾维茵肉雏鸡日粮添加0.2%低聚异麦芽糖，可显著提高肉雏鸡平均日增重（ADG），降低料重比（F/G），提高盲肠乳酸杆菌水平，降低盲肠大肠杆菌水平，且作用效果优于500 mg/kg 的金霉素，由此可见低聚异麦芽糖可替代1 日龄雏鸡日粮中一定含量的金霉素[23]。1 日龄雏鸡日粮0.5 g/kg 的低聚异麦芽糖与2×108CFU/g 的芽孢梭状杆菌、2.06×108CFU/g M7 丁酸梭菌、2×108CFU/g 的K34 植物乳酸杆菌配伍使用35 d，可显著提高第1 周及第4 周体重，并显著降低禽流感致病性大肠杆菌（APEC 078）感染后的死亡率及肝脏和脾脏载菌量[18]。7 日龄海兰褐蛋雏鸡日粮添加0.3%的低聚异麦芽糖可显著提高1～3 周的平均日增重，显著降低料重比，且作用效果与20 mg/kg 的杆菌肽锌和4 mg/kg 黏杆菌素相当，处理21 d 可显著降低回肠及盲肠大肠杆菌水平，提高双歧杆菌及乳酸杆菌数量[24]。

在产蛋鸡日粮中添加0.1%～0.2%的低聚异麦芽糖可显著提高产蛋鸡的平均蛋重、产蛋率、日产蛋量和料蛋比，改善鸡蛋的蛋白高度和哈夫单位，显著降低盲肠大肠杆菌数量，提高乳酸杆菌和双歧杆菌数量，但添加0.8%的低聚异麦芽糖反而生产性能较差，低聚异麦芽糖剂量从0 增加至0.4%可逐渐提高蛋鸡血清抗氧化能力，0.2%～0.8%的添加量均可显著提高机体免疫力[14]。肉鸭日粮添加0.1%低聚异麦芽糖显著降低料重比，日增重提高3.8%，提高血清胆固醇、白蛋白及总蛋白浓度，降低血清尿素氮水平，说明低聚异麦芽糖可能通过促进肝脏蛋白质及脂肪的合成，增加蛋白质及脂肪的同化作用，从而提高生长速度[25]。1 日龄樱桃谷肉鸭日粮添加0.1%低聚异麦芽糖40 d，可显著提高日增重，降低料重比，提高肉鸭生长性能，提高血清总蛋白、白蛋白及超氧化物歧化酶水平，促进蛋白质沉积，提高机体抗氧化能力[26]。

目前的研究表明，肉雏鸡日粮添加0.2%低聚异麦芽糖可替代500 mg/kg的金霉素，提高日增重，降低料重比，改善盲肠菌群稳态；0.5%的低聚异麦芽糖与益生菌协同使用可缓解大肠杆菌感染导致的肉鸡死亡，抑制肠道大肠杆菌移位；蛋鸡日粮添加0.2%低聚异麦芽糖可提高产蛋率、蛋品质，降低料蛋比；肉鸭日粮添加0.1%低聚异麦芽糖可替代0.01%金霉素，提高日增重，降低料重比。

4.3 低聚异麦芽糖在水产动物生产中的应用

布朗里海鲑鱼（Caspian Brown Trout）日粮添加2 g/kg的低聚异麦芽糖及1 g/kg的芽孢杆菌持续7周，可显著提高体重、饲料转化率及存活率，并通过提高机体白细胞、单核细胞、中性粒细胞及免疫球蛋白含量从而提高机体免疫力[15]。日粮通过125～500 mg/ml不同浓度的低聚异麦芽糖处理，可剂量依赖性地提高斑马鱼肠道蠕动次数，促进消化液分泌并提高消化道的消化吸收能力[27]。日粮添加0.2%或0.6%低聚异麦芽糖对罗非鱼生长性能无显著影响，但均显著提高罗非鱼成活率，提高血清溶菌酶及补体活力[28]。中华鳖日粮添加0.3%低聚异麦芽糖对机体免疫功能无影响，但可通过与0.1%酵母细胞壁的协同作用，提高血清中补体C3的含量[12]。

在水产动物中，0.2%低聚异麦芽糖与益生菌配伍使用可提高布朗里海鲑鱼生长性能和免疫机能，降低死亡率；0.2%低聚异麦芽糖可提高罗非鱼成活率；0.3%低聚异麦芽糖可与酵母细胞壁协同作用提高中华鳖的免疫机能。

5 小结与展望

综上所述，低聚异麦芽糖是一种稳定性高、配伍性好、无污染、无残留的高效益生元，在饲料中添加可通过维系肠道菌群稳态，提高机体免疫机能及抗氧化能力，清除病原菌，提高畜禽生产性能，是无抗饲料配方的理想选择。虽然低聚异麦芽糖可在断奶仔猪及雏鸡中替代一定量的抗生素，但抗生素替代是一个系统工程，单一产品往往不能达到理想的效果，低聚异麦芽糖作为一种高效益生元，其主要功能仍为促进益生菌增殖，调控机体肠道菌群稳态，因此，与益生菌配伍使用的协同效果可能是低聚异麦芽糖未来在畜牧生产中的应用研发重点方向之一。