菊粉的提取及在蔬菜中的应用

菊粉的提取及在蔬菜中的应用

现在，为了加速山羊的生长，增加饲料成本，经常在动物饲料中添加过量的负效应较高的饲料添加剂，如抗生素过度添加引起的细菌耐药性和药物残留，这将影响动物和人类的健康。各国政府相继对某些抗生素采取禁用措施,同时提出使用绿色饲料添加剂代替抗生素的要求。因此,迫切需要有安全高效的饲料添加剂来替代抗生素,达到同等驱病和促进动物生产性能的作用,推动畜禽养殖业的安全和快速发展。菊粉是一种无耐药性,无残留性的中草药饲料添加剂,因其功能多、资源丰富及提取工艺简便等特点,逐步被广大用户所认知。1低聚糖的分布菊粉(Inulin)是由D-呋喃果糖分子以β-(2,1)糖苷键连接而成的果聚糖,每个菊粉分子末端以α-(1,2)糖苷键连接一个葡萄糖残基,聚合度通常为2～60,平均聚合度为10,其中聚合度较低时(DP=2～9)则可称为低聚果糖。菊粉在自然界中分布很广,某些真菌和细菌中含有菊粉。但其主要来源于植物,全世界超过36000种植物,包括双子叶植物中的菊科、桔梗科及龙胆科等11个科及单植物中的百合科和禾木科,都含有丰富的菊粉。菊粉的相对分子质量和聚合度受不同植物来源、收获季节、气候及土壤等因素影响,菊粉的含量因生产加工工艺不同而有差异,一些常见植物中的菊粉含量见表1。2温度对菊粉温度的影响干燥的菊粉为白色无定形粉末,吸湿性很强,纯净菊粉无味,但商品菊粉常含有少量单糖和双糖,而略带甜味。菊粉微溶于冷水,易溶于热水,溶解度随温度的升高而增加,有很好的热稳定性,相对pH较低。不同浓度的菊粉溶液,其黏度也不同,随着溶液中菊粉含量的提高,黏度逐渐增大。工业化生产上,菊粉主要从菊芋或菊苣块茎中提取,因为这2种植物来源丰富,菊粉含量高,占其块茎干质量超过70%。3菊粉在大肠杆菌体内的发酵Graham等(1986)和Nilsson等(1988)先后发现,猪、小鼠和人不能分泌水解菊粉的β-果糖苷酶,因而菊粉在胃和小肠里不被自身分泌的酶所消化。主要是因为动物体内的消化酶基本上只能降解α-(1,4)糖苷键,而菊粉是以β-(2,1)糖苷键相连的线性果糖聚合物,所以这种连接阻止了菊粉在小肠被分解,而大部分以完整形式进入大肠。Levrat等(1991)和Hubert等(2000)研究表明,菊粉主要以完整形式到小鼠盲肠。Yasuda等(2007)证明了仔猪降解菊粉的主要位置在盲肠。Nilsson等(1988)和Levrat等(1991)研究得出,菊粉在大肠能完全被发酵利用,并且终产物较一致,主要为挥发性脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸),气体(CO2、H2、CH4和H2S)和有机酸(乳酸、琥珀酸和丙酮酸等)。Nilsson等(1988)用含菊粉4.7%和9.4%的日粮分别饲喂小鼠,菊粉在大肠发酵率几乎为100%。Levrat等(1991)和Hubert等(2000)发现,饲喂含菊粉日粮的小鼠其盲肠发生了显著变化,主要表现为pH下降,盲肠过度生长,盲肠壁变厚,盲肠内隐窝变浅,每个隐窝内细胞个数增多,盲肠静脉发达。可见,在正常情况下菊粉能被人和动物大肠微生物完全发酵,菊粉发酵的同时大肠吸收功能也相应增强。4菊粉的生理功能4.1菊粉对大肠杆菌中双歧杆菌的影响菊粉被认为具有调节消化道微生物区系的作用,主要是促进有益菌和抑制有害菌的生长。Kruse等(1999)发现,使用菊粉可显著增加人大肠双歧杆菌的数量,但停止使用后经一段时间,双歧杆菌数量又恢复到使用前水平。Kleessen等(1997)和Roberfriod等(1998)发现,菊粉可显著促进大肠中双歧杆菌和乳酸杆菌等有益菌的繁殖,同时抑制梭菌、拟杆菌和大肠杆菌等有害菌的生长,这表明,菊粉仅能被大肠中有益菌所消化利用。陈晋安等(2001)和陈有容等(2001)曾报道,从菊芋提取的菊粉可作为双歧杆菌促生长因子,效果非常明显。GunnarLoh等(2006)在9～12周龄猪大、小麦型或玉米麦麸型日粮中添加3%菊粉能显著增加猪结肠的双歧杆菌数(P<0.05)。Hannele等(2002)研究发现,日粮中添加10%菊粉能促进老鼠盲肠内双歧杆菌和乳酸杆菌的生长。顾宪红等(2005)试验表明,1%菊粉能显著降低断奶仔猪盲肠、结肠和直肠后段内容物pH(P<0.05),促进断奶仔猪盲肠内乳酸杆菌生长(P<0.05),增加断奶仔猪回肠后段、盲肠和直肠后段双歧杆菌数量(P<0.05)。4.2菊粉对养分代谢的影响4.2.1降脂和降脂作用菊粉不同的添加水平、试验期和试验对象得出的试验结果存在差异性,但均可降低人和鼠类血浆(清)中总胆固醇和总甘油三酯水平。总结近年来有关菊粉对血脂影响的研究见表2。菊粉降低血脂的主要机制:1)降低胆固醇和血脂的合成。MeehyeKim等(2000)报道,菊粉被双歧杆菌发酵生成的短链脂肪酸,尤其是乙酸盐/丙酸盐比例将影响血脂水平,其中乙酸盐是胆固醇前体,而丙酸盐是合成肝胆固醇的抑制剂。Letexier等(2003)研究表明,健康人食用10g/d菊粉能有效降低肝脏内脂肪的合成和血浆中甘油三酯的浓度。Kok等(1996)发现,丙酸能使小鼠肝脏中脂肪合成酶活性下降50%,这可能是通过丙酸抑制肝脏中脂肪合成酶基因表达,从而降低酶活性,减少肝脏中甘油三酯合成。Davidson等(1998)发现,菊粉能降低人血浆(清)中LDL水平,但对HDL没影响,可能是丙酸能抑制肝脏中胆固醇的合成。2)降低脂肪和胆固醇的吸收。Kim等(1998)以含0、1%和5%菊粉或菊苣提取物的日粮喂小鼠,结果发现,粪中脂肪酸、胆固醇和胆汁酸的含量都明显增多。体外试验表明,在37℃时,对照组、5%菊粉组和5%菊苣提取物组3种日粮溶液黏度分别为10、90和92MPa/s,菊粉能使消化道食糜黏度显著变大,使日粮中脂肪和胆固醇消化吸收减少,增加了它们在粪中的排出量。3)增加胆固醇向胆汁酸合成,起到降脂作用。Trautwein等(1998)报道,菊粉使仓鼠粪中胆汁酸排出量增加56%～73%,使胆囊胆汁中的脱氧牛磺胆酸和牛磺胆酸下降,甘氨胆酸和脱氧甘氨胆酸上升,脱氧胆酸减少。脱氧胆酸是抑制肝脏由胆固醇转变为胆汁酸的主要物质,当脱氧胆酸排出量增多,能刺激肝脏将更多的胆固醇转化成胆汁酸,增加粪中的排出量。至于胆囊胆汁中牛磺胆酸和脱氧牛磺胆酸下降而甘氨胆酸和脱氧甘氨胆酸增多,可能是牛磺胆酸和脱氧牛磺胆酸在酸性条件下更稳定,不易降解而更少地进入再循环;甘氨胆酸和脱氧甘氨胆酸则不稳定,更多地被重吸收后进入再循环。但其作用机制还需深入研究和证实。4)激素调节。菊粉在肠道的上部不会被水解成单糖,因而不会升高血糖水平和胰岛素含量。Yamashita等(1984)报道,果寡糖可降低非胰岛素依赖性糖尿病病人血糖的浓度,血糖浓度的下降主要由糖依赖性胰岛素释放肽和胰高血糖素样肽-1共同调控。Jackson等(1999)发现,菊粉可降低人血浆中胰岛素和葡萄糖水平。胰岛素对脂肪代谢起重要调节作用,它通过促进脂肪合成和抑制脂肪分解来增加脂肪在体内的贮存。血浆中胰岛素水平下降表明,脂肪合成可能下降。胰岛素下降,葡萄糖水平也下降,这支持Yamashita等(1984)的研究结果。这些结果表明,可能是菊粉间接作用于内分泌系统释放激素从而调节营养物质代谢,但其具体调节机制还不清楚。4.2.2菊粉对小鼠肠道zn和cu2+表观消化率的影响菊粉作为一种可溶性膳食纤维,摄入不会抑制矿物元素的吸收,反而促进矿物元素的吸收,如Ca2+、Mg2+、Zn2+、Cu2+和Fe2+等。Marcel等(2002)研究表明,菊苣菊粉不但可促进公鼠对钙的吸收,还增加骨骼的矿物质参量。Hubert等(2000)以10%菊粉日粮喂小鼠发现,Mg2+、Ca2+、Fe2+和Cu2+表观消化率分别升高50%、20%、23%和45%。CharlesCoudray等(2006)研究表明,菊粉能显著促进老鼠肠道对Zn和Cu的吸收,老鼠的年龄和添加菊粉的量会影响肠道对Zn和Cu的吸收。Steven等(2005)报道,青少年食用9g/d(长和短链菊粉型果聚糖)分别8周和1年,结果发现,都显著提高Ca2+吸收,而且身体的骨骼矿物质含量和密度也显著增加。菊粉促进矿物质元素吸收的主要机制是:1)菊粉在小鼠盲肠(或结肠)发酵生成的丁酸使其黏膜上的隐窝变浅,每一隐窝细胞增多从而增大了吸收面积,盲肠静脉更发达。2)菊粉发酵生成的挥发性脂肪酸使大肠中H+浓度下降,促进日粮中各种矿物质的溶解,另外,产生的H+还可与金属离子交换,促进其吸收。3)菊粉在小鼠大肠中发酵,促进一些微生物分泌植酸酶,植酸酶能使与植酸螯合的金属离子释放出来,促进其吸收。4)发酵生成的某些有机酸可与金属离子螯合,促进金属离子吸收。4.2.3减少粪便释放速度菊粉对维生素和蛋白质代谢主要通过微生物间接产生影响。肠道内双歧杆菌及乳酸杆菌能合成B族维生素和维生素K,合成的这些维生素有些能被动物利用,不能被利用的部分则随粪便排出体外。大肠中微生物利用游离氨、尿素和H2S合成菌体蛋白,减少粪便排出后氨气释放速度及释放量,对改善环境有重要作用。Vanhoof等(1996)报道,用含菊粉6%的日粮饲喂小鼠和有回肠瘘管的试验猪,小鼠排出的粪氮高于对照组,原因是代谢中的尿氮部分转变成了粪氮。研究进一步发现,2种动物盲肠中氨气的浓度都有降低,这说明,氨被细菌合成为菌体蛋白,但对血氨没有影响。因为氨有可能干涉肠道黏膜细胞循环,所以菊粉对降低大肠中氨的浓度,保证动物健康就相当重要。WagnerRiddle等(2004)在给初始体质量约30kg猪日粮中添加5%菊粉,能显著减少猪粪便和尿中的H2S排放量,试验组与对照组分别为每小时排放H2S14.96和22.69mg/kg粪便干物质,试验组H2S排放量下降36.4%。5抗感染和增强免疫5.1菊粉对肠道微生物的作用Taper等(1997)将肝肿瘤细胞和乳腺癌细胞植入肌肉或腹腔中诱导癌变,结果发现,饲喂菊粉可显著减少这2种癌细胞生长。Reddy(1997)和Rowland(1998)发现,喂双歧杆菌也能减少小鼠结肠畸变隐窝病灶个数及每个病灶中畸变隐窝的个数,减少结肠癌发生。菊粉在肠道被微生物降解产生短链脂肪酸,降低肠道pH,促进双歧杆菌和乳酸杆菌生长,抑制有害菌生长。作用机制可能是:1)清除肠道中的一些致癌因子,双歧杆菌能分解亚硝酸胺,乳酸杆菌可利用氨和硝酸盐等菌体蛋白。2)有害菌生长受到抑制后,其产生的氨、酚、吲哚和粪臭素等含氮化合物减少,产生的毒素也减少。3)菊粉能在肠道中富集钙和镁离子,致使这些阳离子浓度升高,控制癌细胞增殖率。4)丁酸在结肠黏膜的上皮吸收代谢,可促进肠上皮增生,使柱状细胞和杯状细胞更生,杯状细胞黏液增多,维持结肠及全肠道黏膜完整性,使损伤上皮DNA修复,抑制多种肿瘤细胞生长和诱导细胞分化。5.2新型免疫调节剂菊粉可增强机体免疫作用。Carpentier等(1999)报道,菊粉有可能成为肿瘤、过敏及感染等免疫治疗中的新型免疫调节剂。Cooper等(1986)制取γ-菊粉发现,它比灭活的金色葡萄球菌和酵母聚糖有更大的免疫佐剂活性。菊粉促进大肠中有益菌生长,增殖的有益菌附殖在肠黏膜上构成一道免疫屏障。另外,有益菌代谢产物的增多及有害物质的减少有益于增强机体的体液免疫和细胞免疫。不过这方面研究报告较少,还需进一步