阿魏酰低聚糖的生理功能及其在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

王文文 王 園* 尹 娜 齊景偉

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)草食家畜飼料工程技術(shù)研究中心，呼和浩特010018)

在當(dāng)前“禁抗”和“減抗”的背景下，天然產(chǎn)物的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成為熱點(diǎn)。阿魏酰低聚糖(feruloyl oligosaccharides,FOs)是由阿魏酸羧基與低聚糖羥基通過(guò)酯鍵聯(lián)接而成的一種阿魏酰衍生物[1]。阿魏酸大量存在于農(nóng)作物(小米、小麥以及玉米)加工副產(chǎn)品糠麩中，其主要通過(guò)酯鍵與多糖、木質(zhì)素交聯(lián)構(gòu)成植物細(xì)胞壁。據(jù)報(bào)道，通過(guò)酸、酶以及發(fā)酵處理可以使糠麩中的部分糖苷鍵斷裂，進(jìn)而獲得FOs[2-3]。FOs同時(shí)具有阿魏酸和低聚糖的生理功能，如抗氧化、調(diào)節(jié)免疫、抑制蛋白非酶糖基化反應(yīng)及益生等[4]，因此具備開(kāi)發(fā)成為功能性飼用添加劑的潛力。本文將對(duì)FOs的結(jié)構(gòu)與組成、生理功能及其在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用前景進(jìn)行綜述。

1 FOs的制備

利用物理法、化學(xué)法、生物酶法和微生物發(fā)酵法處理麥麩、玉米皮和米糠等原料可獲得FOs[5]。物理法是采用機(jī)械方式(微波、超聲波和高溫蒸煮等)降解；化學(xué)法是利用化學(xué)試劑(草酸、三氟乙酸和鹽酸等)水解；生物酶法是利用酶制劑(木聚糖酶、纖維素酶和崩潰酶等)酶解；微生物發(fā)酵法是利用菌株自身產(chǎn)生的酶(淀粉酶、蛋白酶和半纖維素酶等)酶解。但是，物理法、化學(xué)法和生物酶法存在產(chǎn)量低、降解率高、廢液產(chǎn)量大以及工藝復(fù)雜等問(wèn)題，目前主要采用微生物發(fā)酵法制備FOs。FOs的制備如表1所示。Rose等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在180 ℃的條件下微波處理玉米皮10 min，F(xiàn)Os的得率為4.77%。物理法易造成FOs分解，使其得率下降。Schooneveld-Bergmans等[7]利用氫氧化鈣和氫氧化鋇處理小麥麩皮也可獲得FOs，其得率為3%，此法存在化學(xué)物質(zhì)殘留問(wèn)題。Yuan等[8]的研究結(jié)果顯示，木聚糖酶酶解小麥麩皮制備FOs的最佳條件為：溫度42 ℃，pH 5.2，時(shí)間35 h，木聚糖酶添加量4.8 g/L，其產(chǎn)量可達(dá)1.5 mmol/L。然而，生物酶法制備FOs會(huì)產(chǎn)生大量廢水，增加生產(chǎn)成本。此外，郝希然[9]對(duì)制備FOs的發(fā)酵菌種進(jìn)行了篩選，發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、地衣芽孢桿菌D3(BacilluslicheniformisD3)和釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)發(fā)酵小麥麩皮獲得的FOs產(chǎn)量最高，可達(dá)1 309.46 nmol/g。微生物發(fā)酵法制備FOs得率高，不會(huì)產(chǎn)生廢液，極大地降低了生產(chǎn)成本。

表1 FOs的制備

2 FOs的結(jié)構(gòu)與組成

FOs既含有疏水的阿魏酰基團(tuán)，又含有親水的低聚糖基團(tuán)，可溶于水，耐酸且耐高溫。通過(guò)氣相色譜分析FOs的單糖組成，發(fā)現(xiàn)其主要由葡萄糖、阿拉伯糖、木糖、半乳糖和甘露糖組成[10]。FOs的主鏈?zhǔn)且驭?1,4-糖苷鍵連接的D-木聚糖，側(cè)鏈?zhǔn)铅?L-呋喃型阿拉伯糖殘基，而阿魏酸則通過(guò)酯鍵與阿拉伯糖殘基上的O-5位相連。FOs的種類(lèi)由糖基化單糖的組成和數(shù)量、阿魏酸連接的糖殘基的種類(lèi)和連接位置以及阿魏酸的含量和種類(lèi)決定。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，利用不同提取方法獲得的FOs種類(lèi)也有所不同，主要有阿魏酰阿拉伯糖、阿魏酰阿拉伯糖基木糖、阿魏酰阿拉伯糖基木二糖、阿魏酰阿拉伯糖基木三糖及阿魏酰阿拉伯糖基木四糖[6,11-12]，參照文獻(xiàn)[12-18]總結(jié)了不同種類(lèi)FOs的結(jié)構(gòu)，詳見(jiàn)表2。研究發(fā)現(xiàn)，在麥類(lèi)作物中有一種高度阿魏酰化且分子質(zhì)量低的阿拉伯木聚糖，其阿拉伯糖與木糖的比例接近1∶1。在這種FOs中，一些木糖殘基在C-2(高阿魏酰化)和C-3(非阿魏酰化)位置被阿拉伯糖取代[19-20]。如果FOs中的阿拉伯糖與木糖的比例和阿魏酸含量較高，所形成的溶液也具有較高的黏度，且更易溶于水[21-22]。

表2 不同種類(lèi)FOs的結(jié)構(gòu)

續(xù)表2結(jié)構(gòu)Structures名稱(chēng)Name物質(zhì)來(lái)源Source參考文獻(xiàn)ReferencesO-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-[5-O-(反式-阿魏酰)-α-L-呋喃型阿拉伯糖基]-(1→3)-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-吡喃型木糖O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-O-[5-O-(trans-feruloyl)-α-L-arabinofuranosyl]-(1→3)-O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-D-xylopyranose阿魏酰阿拉伯糖基木三糖小麥麩皮Rhodes等[16]、袁小平[17]O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-[5-O-阿魏酰-α-L-呋喃型阿拉伯糖基-(1→3)]-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-吡喃型木糖 O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-D-[5-O-(feruloyl)-α-L-arabinofuranosyl-(1→3)]-O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-D-xylopyranose阿魏酰阿拉伯糖基木四糖小麥麩皮Lequan等[18]、袁小平[17]

3 FOs的消化吸收

目前，關(guān)于FOs的體外降解研究較多，而體內(nèi)消化吸收機(jī)制研究較少。體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Os的完全降解需要阿魏酸酯酶和非淀粉多糖降解酶(主要是木聚糖酶和α-L-阿拉伯糖苷酶)的協(xié)同作用[23-24]。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，大鼠的小腸和大腸都存在阿魏酸酯酶，且大腸中的阿魏酸酯酶活性更高，可能是大腸中分泌阿魏酸酯酶的微生物(雙歧桿菌和乳酸桿菌)更豐富[25-27]。但是，Andreasen等[27]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Os被大鼠腸道微生物發(fā)酵后，并沒(méi)有被機(jī)體消化，而是全部被排出。由此可推斷，F(xiàn)Os的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾乎不能被單胃動(dòng)物消化吸收。

4 FOs的生理功能及其作用機(jī)制

FOs不能被降解吸收，而是作為一種益生元，發(fā)揮抗氧化、調(diào)節(jié)免疫、促進(jìn)有益菌增殖、抑制有害菌增殖(競(jìng)爭(zhēng)黏附位點(diǎn)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及生成揮發(fā)性脂肪酸)及優(yōu)化腸道菌群結(jié)構(gòu)等作用，進(jìn)而改善動(dòng)物機(jī)體健康狀況[28-29]。

4.1 抗氧化

在動(dòng)物機(jī)體遭受高溫、嚴(yán)寒、通風(fēng)不良等環(huán)境應(yīng)激時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量自由基，破壞氧化-抗氧化系統(tǒng)的平衡，進(jìn)而導(dǎo)致自由基積累，損害動(dòng)物健康，引起生產(chǎn)性能下降甚至死亡。FOs因其具有阿魏酰基團(tuán)，表現(xiàn)出良好的抗氧化活性。體外研究發(fā)現(xiàn)，從小麥麩皮中提取出4種不同聚合度的FOs均具有清除1,1-二苯基苦基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH)自由基、超氧化物自由基和羥自由基的活性，且效果優(yōu)于游離阿魏酸[11]。張麗娜[30]采用生物酶法制備FOs，發(fā)現(xiàn)其可減少由高糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激肝細(xì)胞中活性氧(reactive oxyen species，ROS)的生成量，說(shuō)明其具有一定的抗氧化活性。另外，F(xiàn)Os可緩解由過(guò)氧化氫誘導(dǎo)的人淋巴細(xì)胞氧化應(yīng)激，保護(hù)DNA免受過(guò)氧化氫的損傷[31]。體內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用微生物發(fā)酵法制備FOs，將其灌胃給由敵草快誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激模型大鼠，可提高氧化應(yīng)激大鼠肝臟和回腸中核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2 p45-related factor 2,Nrf2)mRNA和蛋白的表達(dá)水平以及谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)及超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)這3種抗氧化酶的mRNA表達(dá)水平，提高抗氧化功能，進(jìn)而發(fā)揮氧化防御作用[32]。Wang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，在杜寒雜交羔羊飼糧中添加100～200 mg/kg FOs可提高其日增重和飼料轉(zhuǎn)化效率，增加血漿中總抗氧化能力(total antioxidant capacity，T-AOC)和還原型谷胱甘肽(reduced glutathione,GSH)的含量，提高抗氧化酶GSH-Px、CAT及SOD的活性。綜上所述，F(xiàn)Os的抗氧化作用機(jī)制包括：1)作為氫質(zhì)子或電子供體，與自由基結(jié)合，終止自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；2)維持動(dòng)物細(xì)胞線粒體的正常功能，減少ROS的生成；3)激活核因子E2相關(guān)因子2-抗氧化反應(yīng)元件(nuclear factor erythroid 2 related factor 2-antioxidant response element,Nrf2-ARE)抗氧化信號(hào)通路，誘導(dǎo)抗氧化酶的表達(dá)，進(jìn)而緩解氧化應(yīng)激。

4.2 免疫調(diào)節(jié)

FOs也可作為一種免疫調(diào)節(jié)劑，通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞因子釋放、介導(dǎo)與免疫相關(guān)的信號(hào)通路及激活免疫細(xì)胞等方式調(diào)控動(dòng)物機(jī)體的免疫功能。Yu等[34]利用出芽短梗霉菌發(fā)酵麥麩制備FOs，發(fā)現(xiàn)其可增加免疫力低下的荷瘤小鼠的胸腺指數(shù)和脾臟指數(shù)，且可促進(jìn)γ-干擾素(interferon-γ，INF-γ)和白細(xì)胞介素-3(interleukin-3，IL-3)的分泌，進(jìn)而提高其免疫力。此外，從大米和玉米皮中提取的FOs同樣具有調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)的作用，其中大米麩皮FOs通過(guò)增加Toll樣受體-4(Toll-like receptor-4，TLR-4)和Toll樣受體-2(Toll-like receptor-2,TLR-2)下游信號(hào)分子細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)、p38絲裂原激活蛋白激酶(p38-mitogen-activated protein kinases p38MAPK)和Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinases,JNK)的磷酸化，誘導(dǎo)樹(shù)突細(xì)胞成熟，發(fā)揮抗病毒感染的作用[35]；而玉米皮FOs可提高小鼠血清半數(shù)溶血值和吞噬細(xì)胞的吞噬率[36]。免疫調(diào)節(jié)是機(jī)體的一種防御機(jī)能，在動(dòng)物抵御病原體入侵過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。FOs調(diào)節(jié)免疫的可能機(jī)制包括：1)促進(jìn)免疫器官生長(zhǎng)；2)誘導(dǎo)細(xì)胞因子分泌；3)通過(guò)識(shí)別樹(shù)突細(xì)胞表面的模式識(shí)別受體TLR-4和TLR-2，從而激活絲裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)信號(hào)通路，誘導(dǎo)樹(shù)突細(xì)胞成熟；4)誘導(dǎo)吞噬細(xì)胞成熟、分化和增殖，進(jìn)而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用。

4.3 益生

FOs不能被宿主內(nèi)源酶消化，但其可被腸道微生物利用，進(jìn)而發(fā)揮益生作用。體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將FOs(生物酶法制備)作為碳源加入到培養(yǎng)基中，兩歧雙歧桿菌F-35大量增殖，且其菌體生長(zhǎng)量與FOs的濃度呈正相關(guān)，說(shuō)明FOs對(duì)雙歧桿菌具有較強(qiáng)的增殖效果[37]。此外，F(xiàn)Os可提高產(chǎn)生乙酸和乳酸等短鏈脂肪酸的產(chǎn)量，降低腸道pH[38-39]。FOs還具有抑菌作用。體外抑菌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，木聚糖酶水解麥麩制備的FOs對(duì)金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、沙門(mén)氏菌有抑制作用，而對(duì)藤黃微球菌及酵母菌沒(méi)有抑制作用[40]。FOs除了可以在體外促進(jìn)有益菌的增殖和抑制有害菌的增殖外，還可通過(guò)發(fā)揮抗氧化作用調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)。氧化應(yīng)激會(huì)改變動(dòng)物腸道菌群結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大腸桿菌(Escherichiacoli)和腸球菌屬(Enterococcus)的數(shù)量增加，而乳酸桿菌屬(Lactobacillus)的數(shù)量減少[41]。Ou等[42]研究表明，以FOs飼喂大鼠，可增加其腸道細(xì)菌多樣性，增加乳酸桿菌屬和瘤胃球菌屬(Ruminococcus)的相對(duì)豐度，降低梭菌屬(Clostridia)和綠膿桿菌屬(Turicibacter)的相對(duì)豐度。FOs發(fā)揮益生作用的可能機(jī)制主要包括2個(gè)方面：一方面，F(xiàn)Os通過(guò)促進(jìn)有益菌的增殖和短鏈脂肪酸的產(chǎn)生，從而抑制病原菌的增殖；另一方面，F(xiàn)Os通過(guò)調(diào)控動(dòng)物腸道菌群結(jié)構(gòu)，維持腸道微生態(tài)的平衡，進(jìn)而發(fā)揮益生作用。

5 FOs在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

FOs作為一種功能性低聚糖，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)領(lǐng)域。然而，在飼料工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)糠麩類(lèi)飼料的綜合利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，常將其作為廉價(jià)的副產(chǎn)物直接用于飼糧中，造成了資源的浪費(fèi)。近年來(lái)，科研人員加大了對(duì)糠麩類(lèi)飼料的研發(fā)。目前，F(xiàn)Os的提取、分離及純化技術(shù)已發(fā)展成熟，其生產(chǎn)成本大幅度下降。此外，F(xiàn)Os相較于黃芪多糖、白術(shù)多糖、姜黃素及枸杞多糖等抗生素替代品，具有原材料來(lái)源廣泛、生產(chǎn)成本低及產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)。在集約化養(yǎng)殖模式下，飼養(yǎng)管理措施(去勢(shì)、免疫及斷奶)、飼糧結(jié)構(gòu)變化和活動(dòng)空間減少均會(huì)引起氧化應(yīng)激。在氧化應(yīng)激狀態(tài)下，動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生大量自由基，一者會(huì)破壞免疫細(xì)胞降低免疫力；二者清除自由基會(huì)消耗機(jī)體儲(chǔ)備，導(dǎo)致生長(zhǎng)和生產(chǎn)性能下降；三者氧化應(yīng)激會(huì)改變腸道菌群結(jié)構(gòu)，損傷腸道。FOs因含有阿魏酰和低聚糖基團(tuán)，有多種生理功能，具有替代抗生素的潛力，這已在模式動(dòng)物的研究上得到了證實(shí)。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Os可通過(guò)p38MAPK/磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)-Nrf2/Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1)-肌腱纖維肉瘤蛋白K(masculoaponeurotic fibrosarcoma K,MafK)途徑緩解偶氮二異丁基脒鹽酸鹽[2,2′-azobis (2-methylpropionamide) dihydrochloride，AAPH]誘導(dǎo)的氧化損傷，促進(jìn)肝臟、腎臟及心臟中Ⅱ期抗氧化酶SOD、CAT和GSH-Px的轉(zhuǎn)錄，并可增加抗氧化物質(zhì)GSH的含量[43]。本課題組研發(fā)的發(fā)酵麩皮多糖中含有不同聚合度的FOs[44]，在抗炎、調(diào)控腸道菌群及提高免疫力方面均有作用。在敵草快引起的炎癥狀態(tài)下，灌胃發(fā)酵麩皮多糖可以降低大鼠血漿和肝臟組織中炎性因子腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、白細(xì)胞介素-2(interleukin-2，IL-2)和白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)的含量[45]。此外，利用Illumina-HiSeq高通量測(cè)序技術(shù)分析發(fā)酵麩皮多糖對(duì)SD大鼠盲腸菌群結(jié)構(gòu)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵麩皮多糖可降低擬桿菌門(mén)中普氏菌屬9(Prevotella_9)的相對(duì)豐度，增加厚壁菌門(mén)中瘤胃球菌屬1(Ruminococcus_1)和糞球菌屬1(Coprococcus_1)的相對(duì)豐度[46]。Ruminococcus_1和Coprococcus_1都屬于短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌，其代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸可以作用于免疫細(xì)胞，通過(guò)影響細(xì)胞因子釋放參與免疫調(diào)節(jié)，在腸道抵御致病菌的過(guò)程中發(fā)揮作用[47]。由此可推斷，F(xiàn)Os通過(guò)調(diào)控腸道菌群結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，從而提高動(dòng)物抗病力，減少抗生素在生產(chǎn)中的用量。

6 小結(jié)與展望

隨著“禁抗”“減抗”時(shí)代的來(lái)臨，尋找開(kāi)發(fā)無(wú)毒無(wú)害的抗生素替代品已成為熱點(diǎn)。FOs作為一種功能性低聚糖，具有多種生理功能，且其來(lái)源廣泛，在動(dòng)物生產(chǎn)中應(yīng)用前景廣闊，有替代抗生素的潛力。然而，F(xiàn)Os的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)于其多種生理功能的分子機(jī)制需進(jìn)行更深入的探索，并且可能還存在一些潛在的生理功能需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究。此外，還應(yīng)該對(duì)FOs在動(dòng)物機(jī)體內(nèi)的吸收代謝進(jìn)行探索，以便更好地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。