寡聚糖及其在猪饲料中的应用-

1、养猪,(1:26,2000Swi ne Production营养与饲料寡聚糖及其在猪饲料中的应用石宝明单安山(东北农业大学动物营养研究所,哈尔滨150030摘要寡聚糖作为饲料添加剂已经成为动物营养研究的新热点。本文就寡聚糖的种类、作用机理、在猪饲料中的应用效果、影响因素以及取代抗生素的重要地位进行全面综述,并对未来的研究领域进行探讨和展望。关键词寡聚糖猪作用机理应用效果影响因素研究展望寡聚糖(O ligosacchar ides又称低聚糖或寡糖,是指210个单糖通过糖苷键连接形成直链或支链的一类糖。早在60年代就有报道,寡聚糖可作为免疫增强剂使用。日本率先将寡聚糖用于食品工业,其目的不是为了营

2、养,而是为了保健作用。80年代中后期,随着微生态学理论的发展,人们对肠道有益菌的功能日趋重视,同时发现一些寡聚糖能选择性刺激肠道有益菌的生长繁殖而不能被大部分有害菌利用。受此启发,日本又首先把这种糖类物质开发成饲料添加剂产品,但由于其价格昂贵而未被受到重视。90年代中后期,迫于来自人类健康和环境保护的压力,抗生素替代品的研究日愈受到重视。寡聚糖由于具有无污染、无残留、功能奇异而成为人们所期望的焦点。1994年,日本生产的1 3该糖类物质用作饲料添加剂,40%的日本猪饲料中都添加了这类物质。目前,这类产品在亚洲、加拿大、欧洲的生产和使用都呈上升势头,且价格已下降到饲料业可接受的范围。我国动物营养

3、界从90年代中后期才接触到这类添加剂,但国家非常重视。1998年11月,国家科技部专门设立了一个200万元的项目,从事该添加剂的研究。国内一些企业也看好这类产品的应用前景,珠海溢多利公司运用酶工程手段,开发、生产出了国产寡聚糖类产品溢康素。可见,寡聚糖作为一种功能性饲料添加剂,扩展了传统上碳水化合物仅作为能源物质的功能,成为动物营养研究的新动向。1寡聚糖的种类及生产由于组成寡聚糖的单糖分子种类、分子间结合位置及结合类型不同,其种类很多,在自然界达数千种以上。目前,在动物营养中所研究的寡聚糖主要是指不能被人和其它单胃动物自身分泌的酶分解,但能对机体微生物区系、免疫等功能有影响的特殊糖类物质。主要

4、产品有以下几种。1.1甘露寡糖(M annan O ligosacchar ides,MOSMOS是几个甘露糖分子或甘露糖与葡萄糖通过-1,2、-1,3、-1,6糖苷键组成的寡聚糖,目前所使用的产品是通过发酵法从富含MOS的酵母细胞壁中提取的葡甘露聚糖蛋白复合物,约含30%的葡萄糖和30%的甘露糖。1.2果寡糖(Fructooligosacchar ides,F OSF OS是在蔗糖分子上以-1,2糖苷键结合几个(n8D-果糖所形成的寡聚糖,目前应用于饲料添加剂的主要产品是分别在蔗糖分子上连结1个D-果糖、2个D-果糖、3个D-果糖形成的果寡三糖(GF2、果糖四糖(GF3、果寡五糖(GF4,它

5、们在自然界以较高浓度存在于大麦、小麦、黑麦、马铃薯、莴苣、香蕉、菊芋、洋葱等植物及酵母中(Ba iley等,1991;徐秀容等,1999。天然存在的F OS是由微生物或植物中具有果糖转移活性的酶作用而产生的,目前制备得到的果寡糖是将微生物中-呋喃苷酶或果糖转移酶作用于蔗糖而制备获得(江波,1997。1.3-寡葡萄糖(-Glucooligosacchar ides,-G OS-G OS也称异麦芽寡糖(Iso ma lto oligosacchar ides,其中至少含有一个通过-1,6糖苷键结合的异麦芽糖,其它的葡萄糖分子可以通过-1,2、-1,3、-1,4糖苷键组成寡聚糖。-G OS可由-转葡

6、萄糖苷酶催化麦芽糖和麦芽糖糊精而生成。Amarakone等(1984发现在底物中葡萄糖浓度很高时,使用葡萄糖淀粉酶和支链淀粉酶催化淀粉水解时能催化-1,6糖苷键的合成(杨曙明,1999。因此,-G OS可以以多种含淀粉的粮食为原料,如玉米、碎米、山芋、木薯等以及各类淀粉为原料本文第一作者为在读硕士生,第二作者为教授、博士生导师。来生产(周中凯,1999。目前的商品异麦芽糖是以麦芽糖为主要成分的淀粉糖化物经转移酶作用后的异麦芽糖(iso ma ltose、异麦芽三糖(iso ma ltotr iose和盼乐糖(panose的混合物,异麦芽糖的含量为55%以上(张庆蕴等,1998。1.4寡乳糖(G

7、a lactooligosacchar ides,GASGAS是由几个半乳糖通过-1,6糖苷键结合在蔗糖的葡萄糖上而成的寡聚糖。可由乳糖合成或从富含植物中提取GAS。1.5寡木糖(Xylooligosacchar ides,X OSX OS是几个D-木糖或其它五碳糖或六碳糖与D-木糖4位羟基生成的寡聚糖。通过木聚糖酶降解植物可获得X OS,但内源性木聚糖酶的效价受到木聚糖中存在的阿拉伯糖侧链的影响。1.6-寡葡萄糖(-Glucoolicosacchar ides,-G OS-G OS是葡萄糖通过-1,6或-1,4糖苷键组成的寡糖。通过-葡萄糖苷酶催化浓葡萄糖溶液(70%,可聚合成-G OS。-

8、G OS也可以从酵母细胞壁中提取(D r itz等,1995。1.7低聚焦糖(Sucrose ther ma l oligosacchar idescaram el,ST OCST OC是用加热法从蔗糖合成的蔗果三糖混合物,其中含有所有的天然的蔗果三糖和三种新的-果糖异构物。1.8反式半乳寡糖(Tran s-ga lacto-oligosacchar ides,T OST OS由半乳糖-(半乳糖n-半乳糖构成(n=14,通过-1,6、-1,4、-1,3糖苷键连接。T OS在常规饲料中很少被发现,可能在酸乳酪中存在(Toba等,1983。Burva ll等(1979报道可以通过乳糖的反式半乳糖苷

9、获得。1.9大豆寡糖大豆寡糖是包含在大豆中的寡聚糖的总称,其主要成分为蔗糖、棉籽糖和水苏糖,此外还有微量的阿拉伯糖。大豆寡糖分子主要由-半乳糖苷组成。2寡聚糖的消化和代谢哺乳动物对碳水化合物的消化主要限制于-1,4糖苷键,其产生的内源性消化碳水化合物的酶如唾液淀粉酶、胰淀粉酶对其它糖苷键的分解能力较弱或不能分解(杨曙明,1999。除了由淀粉降解产生的麦芽糖或低聚糊精外,其它寡糖由于其结构中-1,4糖苷键的比例小,因此,在很大程度上不被哺乳动物消化,故称为非消化性寡糖(Non-d igestible O ligocchar ides, NDO s。已在离体或体内实验中显示,许多工业生产的寡聚糖如

10、F OS、GAS等基本上能抵抗胃酸和消化酶的降解。Kaneko等(1992用小肠液体外培养-G OS,结果仅小部分降解。Tokonaga等(1989用14C标记的F OS 饲喂无菌家鼠后8小时,无14CO2产生,而同样条件下的有菌家鼠则有大于50%的F OS被以14CO2的形式从粪便中释放出来。揭示家鼠消化道内微生物分解了F OS。因此寡聚糖基本上不被小肠吸收而直接进入小肠后部、盲肠、结肠和直肠。吴天星(1998通过对大鼠的试验也证实了这个结果。单胃动物消化道后部寄生着大量微生物,既能产生切断多聚糖或低聚糖末端糖苷键的酶,也能产生水解聚合链中间各种糖苷键的酶,因此能消化寡糖,其消化过程是:ND

11、O单糖乳酸和丙酮酸挥发性脂肪酸(VFA、二氧化碳和水。此外,Oku等(1983对鼠体内静脉注射14C标记的F OS,此F OS不经任何分解而随尿迅速排出,说明F OS 不能在机体组织中代谢。3寡聚糖的作用机理3.1选择性促进有益菌的增殖体外实验表明,大多数寡聚糖可作为肠道有益菌如双歧杆菌、乳酸杆菌的碳源,而梭状芽孢杆菌、真杆菌、肠杆菌或大肠杆菌等有害菌对其不能利用或代谢利用率很低(见表1、2。这是因为双歧杆菌等有益菌能产生消化寡聚糖的酶,如双岐杆菌产生的能消化寡聚糖的、-半乳糖苷酶和、-葡萄糖苷酶的活性明显高于其它菌(杨桂萍,1999,而大多数有害菌不能产生这些酶或酶活性很低。Tanaka等(

12、1983的体外试验表明,寡果糖能被所有的试验性双歧杆菌和某些乳酸杆菌、拟杆菌、链球菌以及肠细菌所利用。M ckeellar等(1993对19种血清型双歧杆菌进行体外培养,发现这19种双歧杆菌都能在不同程度上利用寡果糖。表1MOS对各种病原菌和有益菌生长的影响病原菌作用有益菌作用大肠杆菌抑制长双歧杆菌促进鼠伤寒沙门菌抑制干酪乳酸菌促进肉毒羧菌抑制嗜酸乳酸菌促进生孢梭菌抑制德氏乳酸菌促进资料引自Sp iegel等(1994。一些体内试验也验证了这个结果。M a thew等(1993、Russell等(1996分别报道了半乳寡糖和果寡糖能促进仔猪肠道双歧杆菌等有益菌的增殖,但Farnworth等(1

13、992、Gabert等(1994、Orban等(1997分别报道了F OS、T OS、ST OC对肠道菌群没有影响。有益菌群的功能包括防止有害菌感染、合成维生素、从未消化的营养物质中获取能量以及抑制肠道腐败物质的产生,提高免疫力等。在饲料中加入某些非消化性寡聚糖可以影响正常菌群的组成和活性,因而加强了有益菌这方面的功能(Houd ijk等,1998。3.2阻止病原菌定植,促进其随粪便的排泄研究表明,肠道病原菌必须首先与肠粘膜粘接才能定植和繁殖而致病。而粘接是通过细菌表面外原凝3第1期石宝明单安山寡聚糖及其在猪饲料中的应用集素与上皮细胞特异性寡糖受体相结合(Beachey, 1981;Rober

14、ts,1984;F iron等,1987;Na than等,1993。表2各种菌在离体时对寡聚糖代谢利用强度细菌名称葡萄糖-G OS FOS或X OS 青春双歧杆菌+好动物双歧杆菌+好长双歧杆菌+好短双歧杆菌+好嗜酸乳芽孢杆菌+好干酪乳芽孢杆菌+发酵乳芽孢杆菌+加氏乳芽孢杆菌+产气真杆菌+差粘液真杆菌+差念珠真杆菌+差大肠杆菌+差粪链球菌+肺炎杆菌+屎链球菌+沙门氏菌差丁酸梭状芽孢杆菌+差尸毒梭状芽孢杆菌+差梭状羧菌+差难辨梭状芽孢杆菌+差无害羧菌+差副腐败梭状芽孢杆菌+差产气荚膜梭状芽孢杆菌+差多枝梭状芽孢杆菌+差二路拟杆菌+好脆弱拟杆菌+好中间拟杆菌+好卵形类杆菌+好多形类杆菌+好单形类杆

15、菌+好死亡羧杆菌+差坏死羧杆菌+差变形羧杆菌+差资料引自W ada(1990。表3能附着于甘露寡糖的细菌菌株阳性菌株数测试菌株数大肠杆菌54118肠炎沙门氏菌44伤寒沙门氏菌46鼠伤寒沙门氏菌413摩氏变形菌1111肺炎克雷伯氏菌1516多种柠檬酸细菌3636粘质杀雷氏菌1212嗜水气单胞菌57资料引自M irel man,1980。现已证实,大多数肠道病原菌具有对甘露糖特异结合的外源凝集素(见表3。当含有寡糖的饲料进入动物体内后,胃肠道中的致病菌就会与之结合,从而不能在肠壁表面定植(Ewi ng and Cole,1994。这样,它们就会随食靡一道排出体外,从而保护了动物免遭这些致病菌的侵害

16、。Pusz-ta i等(1991通过演示证明,用特定的糖来结合细菌都可达到阻止细菌与肠粘膜结合,并把这一过程称为化学益生。Ba iley(1991用体外培养法检验了20种沙门氏菌对寡果糖的利用情况,结果发现,当以寡果糖作为培养基中唯一碳水化进行了体外培养,其结果同Ba iley 一致。H idaka等(1986报道,埃希氏大肠杆菌等多种致病菌不能利用寡果糖。体外实验还表明,粘连在上皮细胞上的大肠杆菌碰到MOS后可在30分钟内脱落下来,但葡萄糖和半乳糖则对附着的细菌无用。根据这种化学益生原理,许多学者进行了寡聚糖对肠道有害菌群影响的试验。M a thew等(1993在哺乳仔猪回肠末端安装漏管,经

17、7天恢复期后于28日龄断奶,并口服K88+大肠杆菌(2×109个,在0、2、4、6、8和10日收集回肠内容物,结果表明,饲喂1%半乳寡糖组与对照组相比,肠道中总大肠杆菌、K88+大肠杆菌浓度显著降低(P<0.05。Bunce等(1995报道了果寡糖能减少用大肠杆菌攻毒7日龄仔猪所引起的腹泻率。D r itz等(1995也报道了-葡聚糖提高了用链球菌攻毒的断奶仔猪的生产性能和存活率。此外,断奶仔猪饲喂寡聚糖还可使病原体停止向胃壁深层侵袭,阻止病灶的建立(卢建军,1999。3.3刺激免疫反应佐剂和免疫调节效应是免疫刺激的两个组成部分。Sharon和lis(1993研究表明,寡聚糖能

18、与一定毒素、病毒、真核细胞的表面结合而作为这些外源抗原的佐剂(Adjuvan ts,能减缓抗原的吸收时间,增加抗原的效价。寡聚糖作为佐剂的效用可加强细胞和体液免疫性(L e Garrec,1986。寡聚糖也具有抗原特性,能够产生特异性的免疫应答。此外,含甘露糖的寡聚糖也可通过刺激肝脏分泌能与甘露糖结合的蛋白,这种糖蛋白可结合侵入机体的细菌,也可与细菌荚膜相粘结并触发一连串的补体而影响免疫系统(Janeway,1993。3.4寡聚糖的能量效应此外,尽管寡聚糖在小肠段不被消化吸收,但在大肠可被双歧杆菌等肠内细菌发酵利用,产生短链脂肪酸,一部分被大肠粘膜上皮细胞吸收利用转换成能量;一部分被转运到肝脏

19、,转化为肝脏细胞的能量。这种能量的吸收率与个体“肠内菌群”的差别有关,计算起来比较困难,但一般的6碳糖代谢生成式基本如下: 34.5C6H12O648醋酸+11丙酸+5丁酸+23.75甲烷+34.25CO2+10.5H2O。通常认为,醋酸、丙酸、丁酸能被较好地利用,其能量值为14.57KJ g、20.93KJ g、25.11KJ g。经六碳糖代谢经路生成的短链脂肪酸的平均能量大约为11.30KJ g,这些能量约为单糖直接吸收产生能量的68%(李雪驼等,1997。在上述机制或其它机制的作用下,寡聚糖对动物机体生理产生了一些重要影响。Goodlad等(1983、Oku等(1984试验发现F OS不

20、能被大鼠利用而使盲肠和直肠肠腔容积增大,因而产生了与果胶、纤维素、麦麸相似的作用。H idaka和E ida(1988发现F OS能减少大鼠肠道腐败物质的产生,同时增加粪中固醇的排泄量,他们认为可能是F OS像膳食纤维一样对肠道胆淄醇和胆酸产生吸附,使寄主不能寄生。Howard等(1996在出生仔猪的试验中发现,饲料中加入3g d低聚果糖后,仔猪盲肠、结肠粘膜细胞密度与标记细胞增4养猪2000殖均比对照组快,并有防止肠粘膜上皮萎缩的作用。试验表明,在摄入寡聚糖期间,动物排出粪便的pH值一般要比摄入前后低0.5个单位,并且粪便中的醋酸、丙酸和丁酸等有机酸的含量大幅度提高,而粪便中氨和硫化氢的含量

21、大幅度下降(周中凯,1999;卢建军, 1999。日粮中非消化性寡聚糖的存在将增加水和电解质的负荷(W igg i n s,1984。此外,产生的VFA增加了渗透压,加速了蠕动和转移时间(Ruckebusch,1981,这将减少结肠中水和电解质的重吸收,导致粪中干物质的含量降低。Houd ijk(1998试验表明饲喂含非消化性寡聚糖的仔猪粪便中干物质含量比对照组低。4寡聚糖在猪饲料中的应用研究表明,仔猪到821日龄肠道内就可形成一个定型的菌群,约含1013个微生物,分别来自400个不同的细菌类型(Tanncok,1988。何明清(1983指出,正常情况下猪鸡肠道内优势菌群为厌氧菌(占99%以上

22、,而需氧菌及兼性厌氧菌只占1%,其中主要是双歧杆菌、乳酸杆菌、拟球菌和消化球菌等。在动物体内已建立起来的微生物区系,虽然相当稳定,但仍受应激或日粮等因素的影响,气温急剧变化、高温、高湿、干燥等气候现象,密饲、通风不良、长途运输等饲养环境,以及饲料突变、营养缺乏、饲喂不当、微生物污染、投药等都是应激因子,使肾上腺功能亢进,肾上腺皮质酮分泌增加,由消化道分泌的作为厌氧菌营养液的粘蛋白数量下降,结果有机酸产生减少,肠杆菌增殖活跃,进而引起腹泻,使畜禽生长发育受阻(程伶等,1995。这种微生态规律是发展微生态制剂添加剂的必要理论依据。由于仔猪受到补料以及早期断奶引起的营养应激、环境应激等影响,肠道菌群

23、平衡易于受到破坏,因此,已考虑创造条件,设法让肠道内极其庞大的“土生土长的”原籍菌迅速增殖和提高其代谢活性来保证猪最大生产性能的发挥,近年来,一些报道表明在日粮中添加寡聚糖具有这种效果,见表4。L yon s(1995报道,MOS还可提高肉猪后期增重表4寡聚糖在仔猪日粮中的应用效果作者年代寡糖种类用量日增重料重比Fukuyan等1988FOS0.25%+35.85%Fukuyan1988FOS0.5%+73.58%Nakamula1988FOS0.3%+4%13%A lltee1993MOS0.51g kg+5.2%-10% Bolden1993GAS12g kg+6%8%-1%2% Cana

24、da1993MOS1.8g kg+13.54%-11.40% Orban等1997ST OS2%+5.32%+5.66%5%,但对饲料利用率没有影响。1988年,国外学者作了寡聚糖对母猪发情周期的影响试验,发现可缩短9天的发情周期。另外,在饲料中长期使用果糖低聚糖可使母猪产仔数平均增加0.7头;公猪精子数增加20%25%;分娩前后,减少母猪便秘(金丰秋,1999。值得指出的是,在仔猪饲粮中添加寡聚糖的效果并不尽一致。M a thew等(1997将0.5%寡乳糖添加到玉米-豆粕型日粮中,发现可提高断奶仔猪的日采食量,但对日增重、料重比、蛋白质和能量的消化率没有影响。Gabert等(1994报道,

25、0.2%T OS、2%-G OS、1%乳糖醇对回肠中pH、氨和VFA浓度及微生物群落、腹泻发生率没有影响。李同洲(1998在仔猪日粮中添加3g kg MOS,发现减少了仔猪日增重,降低了饲料报酬,增加了腹泻率。5影响寡聚糖使用效果的因素从上述结果可以看出,饲料中添加少量寡聚糖可以改善动物机体的健康状态,增强机体潜在的抵抗疾病的能力,从而达到增加动物生产性能的目的。但由于寡聚糖种类、来源、应用技术不同,动物的种类、饲养环境不同,研究结果有较大差异。5.1寡聚糖的种类寡聚糖的种类不同,所产生的作用效果不同。R isley 等(1998报道,低水苏糖的大豆粕可改善早期断奶仔猪的生产性能。张丽英等(1

26、999也报道大豆寡聚糖对断奶仔猪的生产性能有负效应,且主要发生在断奶后2周。这与不同来源的寡聚糖对双歧杆菌的利用状况是不同的有关(见表5。特别值得指出的是,目前所使用的寡聚糖产品大多为混合物且来源不同,产品中含有不同的寡糖、同种寡聚糖的不同聚合度、单糖、多糖及非糖类物质等可能是造成试验结果不一致的主要原因。5.2寡聚糖的添加量寡聚糖对肠道细菌所起的增殖、排阻、免疫功能必须有一定的浓度。如果添加量不足,则起不到明显的增殖效果;如果添加量过度,则不但大大增加饲料和饲养表5试管中双歧杆菌对各种短链糖利用性比较糖类别青春双歧杆菌两歧双歧杆菌短双歧杆菌婴儿双歧杆菌葡萄糖+异麦芽糖+-+异麦芽三糖+-+潘

27、糖+-+低聚寡糖+-+葡萄糖-果双糖+-+葡萄糖-果三糖+-+乳糖+半乳糖-乳糖+乳酮糖+乳糖醇+-大豆寡糖+-+水苏四糖+棉籽糖+-+甘露糖醇+-+-聚糊精-聚葡萄糖-甘露糖-成本,起不到增加有益菌繁殖的效果,还可能造成动物腹泻。Ba iley等(1991在喂给雏鸡0.375%F OS时几乎5第1期石宝明单安山寡聚糖及其在猪饲料中的应用未观察到对沙门氏菌定植有影响,但当喂给0.75%F OS 时禽沙门氏菌定植数较对照组下降12%。Orban(1994认为2%的ST OS可能是应用到猪饲料中的一个上限, 4%的添加量使猪增重降低6%。目前市售的寡聚糖有相当比例是由生物酶法合成的,其转化率低,如

28、国内开发的第一代低聚果糖中低聚糖的含量在30%左右(周中凯,1999,欲达到较好的效果则需提高添加量或采用其它措施,这势必增加饲料成本而限制了寡聚糖在饲料中的应用。5.3寡聚糖与抗生素及益生素的协同作用在美国衣阿华所做的试验表明,寡聚糖和抗生素结合使用的效果较好(见表6。表6MOS和抗生素相结合对小猪生产的影响小公猪抗生素抗生素+MOS小母猪抗生素抗生素+MOS头数18181818饲喂天数7777日增重(g360462345360注:抗生素由酒石酸嘧啶(广谱肠虫药和咔吧氧(抗菌药组成。日本渡边直久等研究了异麦芽寡聚糖与微生物菌并用,对25日龄仔猪饲养效果进行评估,其结果显示在5周的增重方面,添

29、加异麦芽寡聚糖提高4%的效率,而添加异麦芽寡聚糖与一种专用型微生菌并用的试验,则有8%的增加效率(周中凯,1999。5.4日粮组成有关饲料中天然存在的寡聚糖对动物生产性能影响的报道很少。事实上,玉米中的NDO s含量是很低的,但大麦、小麦、大豆产品中包含大量的非消化糖类,如棉籽糖和水苏糖。大豆中棉籽糖的含量0.9%1.4%,水苏糖为4.2%5.2%(Kawam ura,1967;D elen te等,1972。因此大麦、小麦、豆饼中寡聚糖的“掩盖或稀释效应”可能对试验的结果有影响(Gabert等,1994。因此无寡聚糖饲粮(即玉米淀粉-酪蛋白饲粮用于这方面的研究很有用(罗从彦等,1994。5.5动物种类动物种类不同,其消化生理也不同,因此寡聚糖对其影响也不同。如ST OC能增加家禽肠道双歧杆菌数量,并能显著提高生产性能(Orban等,1993;1995,但对猪的肠道菌群和生产性能影响并不显著(Orban,1997。5.6饲养管理水平在最理想的饲养和饲喂条件下,生产性能的提高是有界限的。与寡聚糖作用相关的添加剂如有机酸、抗生素、益生素等在实际条件下的功效变化很大。在基础高水平的生产性能下,这些添加剂没有或不起显著功效。只有当生产性能的降低受肠道因素影响较