低聚木糖的生产及其对动物肠道功能的影响

陈 帆

（四川省洪雅县畜牧兽医局，四川 洪雅 620360）

近年来，人们对低聚糖的生产与应用研究越来越多，已有多种低聚糖投入了工业生产并应用于保健食品和饲料添加剂中，低聚木糖是其中的一种。与其他低聚糖相比，低聚木糖具有增殖双歧杆菌、用量小、耐酸、耐热、降低水分活度和防止冻结等特点。

1 低聚木糖概述

功能性低聚木糖主要是由2～7个木糖通过β－1，4糖苷键连接而成的低聚糖，其有效成分主要为木二糖和木三糖。其中木二糖的甜度为蔗糖的40%，含量为50%的低聚木糖产品的甜度约为蔗糖的30%，甜味纯正，类似蔗糖。低聚木糖浆液的黏度很低，且随温度升高而迅速下降。在自然界中，竹笋等天然植物中含有少量的低聚木糖。另外，一部分植物半纤维素在人体大肠内也可以被分解转化为低聚木糖。

2 低聚木糖的生产

目前，低聚木糖一般以富含木聚糖的农业废料如玉米芯、蔗渣、棉籽壳、麸皮及农作物秸秆等为原料，这些原料中含有丰富的木聚糖半纤维，来源广泛，价格低廉，通过合理开发，充分利用，可以减少污染，变废为宝。在这些原料中，又以玉米芯中的木聚糖含量最高，所以在实验和工业化生产中，以玉米芯作为原料的居多。低聚木糖的制备主要采用多糖降解的方法，一般可分为以下四种：酸水解法；热水抽提（包括蒸汽爆破）法；微波降解法；酶水解法。酸水解、高温蒸煮、热水抽提（包括蒸汽爆破）等方法条件剧烈，木聚糖的降解速度和程度难以控制，常伴随剧烈的副反应，产物成分复杂、色泽重，低聚糖的提取精制工艺繁琐且要求高，产品得率低，不利于生产。在工业化生产中，现在一般采用的是先以蒸煮法提取木聚糖，再加酶水解提取低聚木糖。低聚木糖的酶法生产过程包括以下几步：木聚糖的提取，酶解，低聚木糖的分离和纯化。

常用的木聚糖的提取方法主要有以下两种：（1）碱法提取。碱处理主要是用NaOH或KOH处理纤维质原料，通常所用碱的浓度为2%～18%，其浓度视植物材料而异，一般为10%。木聚糖溶于碱液，滤去不溶物，用酸中和后再用一定体积的95%乙醇沉淀，离心取沉淀，冷冻干燥，即得到木聚糖。（2）蒸煮法提取。在高温下作用，木聚糖自身含有的乙酰基脱落形成乙酸，使体系pH值降低，从而使木聚糖β－1，4糖苷键在较高温度下发生断裂，发生自水解，木聚糖分子量降低，溶解度增大。

低聚木糖的主要功能性成分是木二糖和木三糖。在酶法生产低聚木糖的过程中，要获得木二糖与木三糖含量高的低聚木搪产品，木聚糖的水解相当重要。对酶解过程有重大影响的因素有水解温度、时间、pH值及酶用量等。据报道，不同来源的木聚糖酶在温度为50℃左右，pH值大约在5～6之间效果较好。水解时间与酶用量有关，加酶量大，水解时间短，反之，时间延长。酶解后的水解液除了含有低聚木糖外，还含有木糖、葡萄糖等单糖，此外还有酶蛋白、果胶、色素等杂质。需要经过复杂的净化过程才能得到纯度较高的低聚木糖。水解液处理过程主要包括除杂、脱色、脱盐、浓缩及干燥等。

3 低聚木糖对动物肠道功能的影响

3.1 对肠道菌群的影响

3.1.1 动物肠道菌群的特点 畜禽肠道中存在大量的微生物，它们对肠道组织的形态、功能和营养物质的代谢有极大影响。建立良好的肠道微生物区系，有助于提高动物生产性能及饲料转化率。正常情况下，肠道菌群在数量、种类以及定植部位上保持平衡，当该种平衡遭到破坏时，就会抑制畜禽的生长，使动物对疾病敏感。药物特别是广谱性抗菌药物，在杀灭病原菌的同时，也会抑杀人类和动物胃肠道内的有益菌群，造成机体内菌群失调，从而诱发消化功能紊乱。因此如果能创造条件，调整肠道内菌群结构，使肠道内双歧杆菌等有益菌处于一种优势状态，将对动物健康十分有利，从而提高动物的生产性能和降低饲养用药量。

目前，动物体内双歧杆菌等有益菌的增殖方法主要有：在饲料中添加微生态制剂（益生素）和摄入功能性低聚糖使其在肠道内自然增殖。但是微生态制剂在保存和饲用方面会受到空气、胃酸、胆汁及抗生素等因素的影响，无法达到应有的效果。而人工培养的双歧杆菌与动物肠道内的天然菌群是否具有同样的功效以及对动物的遗传是否会有影响也是一个未知数。因此，通过摄入功能性低聚糖来促使肠内双岐杆菌的自然增殖更切实可行，安全可靠。目前，在动物营养中研究较多的功能型低聚糖主要有低聚果糖（FOS）、低聚异麦芽糖、低聚甘露糖（MOS）、低聚乳糖（GAS）、低聚木糖（XOS）等。

3.1.2 增殖有益菌 低聚木糖对肠道内双歧杆菌有高选择性的增殖效果。体外实验结果表明，除青春双歧杆菌、婴儿双歧杆菌和长双歧杆菌外，大多数肠道细菌对低聚木糖的利用都很差，两歧双歧杆菌对低聚木糖的转化率与对葡萄糖的相近。低聚木糖对双歧杆菌的增殖作用高于其他功能性低聚糖，它具有添加量少而对双歧杆菌增殖效果好的特点。有研究表明，低聚木糖对双歧杆菌的增殖效果是其他寡聚糖的20倍以上。蒋正宇等（2005）在饲料中添加0.02%低聚木糖，结果发现可显著提高肉鸡空肠的乳酸菌数（19.89%），而且低聚木糖与抗生素及益生菌联用均有效地促进了空肠乳酸菌的增殖。Hsu等（2004）在饲料中添加XOS和FOS饲喂大鼠，结果发现均显著降低了盲肠的pH值和增加了双歧杆菌的数量，而且XOS的效果优于FOS，但对产气荚膜杆菌的数量影响不大。人的体内实验表明，人体每天食用0.7g低聚木糖，14d后，双歧杆菌所占比例由8.5%提高到17.9%，21d后，双歧杆菌所占比例提高到26.2%。其添加量为目前在养殖业中广泛应用的低聚异麦芽糖的1/20，为低聚果糖的1/7至1/10。因此，低聚木糖作为饲料添加剂具有添加量少、成本低而养殖效益高的优点。

3.1.3 抑制有害菌 有研究表明,寡聚糖在增殖双歧杆菌等有益菌的同时，还通过其发酵产物来抑制其他病原菌的繁殖。关于低聚木糖的报道比较少。Sisak（1994）研究表明，日粮中添加0.1%MOS后，仔鸡盲肠、屠体中沙门氏菌的检出率极显著低于对照组。但有报道表明，在肉仔鸡日粮中添加0.375%FOS，对沙门氏杆菌污染的抵抗作用很小。

肠道有益菌利用寡聚糖类物质大量增殖，形成微生态竞争优势，同时通过两个方面来抑制有害菌的增殖。其一是产酸抑制。肠道有益菌如双歧杆菌，通过对低聚木糖等寡聚糖的酵解，产生乙酸、L（+）－乳酸和甲酸等短链脂肪酸（SCFA），从而降低肠道环境中的pH值，抑制致病菌和腐败菌增殖。其二是竞争作用。研究表明:微生物致病的第一步是结合在消化道的肠黏膜表面，然后再繁殖，进而导致动物生病（Beachey，1981；Roerts，1984；Ofek 和 Sharon，1990）。Morgan（1992）认为这种结合是特异性的，其机理为细菌细胞壁表面蛋白（如植物凝血素）与动物肠黏膜上皮细胞表面糖脂或糖蛋白的糖残基结合。Pusztai（1991）通过实验演示证明，用特定糖来结合细菌的植物凝血素，或用特定植物凝血素来结合肠黏膜上皮细胞表面糖脂或糖蛋白的糖残基，都可以阻止细菌与肠黏膜的结合。当肠内有一定量的寡聚糖时，植物凝血素与之结合，减少细菌与肠黏膜结合的机会，甚至将巳与植物凝血素结合的肠黏膜细胞的糖基部分置换出来，这样就使肠道致病菌不能结合到肠黏膜细胞上，从而降低或失去致病力。此外，低聚木糖对病原菌有较强的吸附力，如大肠杆菌、肠炎门氏菌、肺炎克雷伯氏菌、嗜水气单胞菌等都能吸附到低聚木糖上，由于低聚木糖不被肠道中的消化酶所降解，因此可以携带附着的病原菌通过肠道排出体外，达到防止腹泻的目的。

3.2 对肠道组织形态的影响 日粮中添加寡聚糖后，盲肠丁酸浓度上升，SCFA含量上升，pH值降低，盲肠总重及盲肠壁重增加。结肠细胞生长的营养物质主要来源于细菌发酵产生的SCFA，而丁酸氧化提供了结肠组织生长所需能量的70%。因此寡糖可能是通过肠道细菌发酵产生的SCFA来促进黏膜细胞增殖的。党国华（2004）通过在日粮添加0.01%、0.02%低聚木糖，发现可显著提高21日龄肉仔鸡的回肠、盲肠和直肠的相对长度，0.02%低聚木糖还显著提高了40日龄肉仔鸡的盲肠和直肠的相对重量和相对长度。此外，添加低聚木糖后对肉仔鸡空肠的形态结构没有明显影响，但有提高盲肠绒毛高度、肠壁厚度和绒毛高度/隐窝深度比（V/C）以及降低隐窝深度的趋势。

XU等（2002）研究发现，在生长猪日粮中添加FOS，可以使空肠黏膜上的绒毛高度、绒毛高度与隐窝深度比值均显著大于对照组。Iji等（2001）在肉鸡日粮中添加0.1%MOS进行实验，发现0.5%MOS可使肉鸡空肠绒毛显著增长，0.3%和0.5%MOS能显著增加回肠黏膜重；0.1%MOS的空肠黏膜匀浆物中的蛋白质/DNA比率、回肠匀浆物中蛋白质/RNA比率和RNA/DNA比率均显著高于对照组。

3.3 对肠道酶的影响 研究表明，寡聚糖添加剂不仅能促进动物肠道上皮细胞的生长，还能提高肠道内源酶的活力。不过关于低聚木糖的研究却比较少见。Xu等（2002）研究发现，在生长猪日粮中添加FOS可使小肠内容物中总蛋白酶、胰蛋白酶和淀粉酶活力显著增高，但对脂肪酶活力和胰腺中各种消化酶活力的影响均不显著。Iji等（2001）在肉鸡日粮中添加0.1%MOS进行实验，发现MOS可使空肠麦芽糖酶、碱性磷酸酶及氨基肽酶显著上升，而回肠消化酶活力不受影响。党国华（2004）实验发现，XOS有提高肉仔鸡小肠总蛋白酶和淀粉酶活性的趋势，其中0.02%XOS可显著提高40日龄肉仔鸡十二指肠内容物中总蛋白酶和淀粉酶的活性；XOS对十二指肠和空肠内容物中脂肪酶的活性没有明显影响。

4 有待研究的问题

低聚木糖的生产工艺需要进一步研究，以降低其生产成本，扩大应用；低聚木糖在不同饲料中的添加剂量，不同的研究者有不同的结果，需要对此作系统的研究；低聚木糖的作用机制，还需要进一步探讨；通过酶法生产低聚木糖，需要加强对能特异性降解木聚糖成低聚木糖的木聚糖酶的研究，尽快寻找特异的生产菌株。

5 应用前景

低聚木糖作为添加剂应用于饲料工业中，具有增强动物免疫力，提高饲料转化率，提升动物生产性能和产品品质的功效。近些年来，由于生物酶工程和分离技术得到了迅速发展，低聚木糖的生产成本大幅度降低，使得其在相对廉价的饲料中的应用成为可能。在已开发出的十几种低聚糖产品中，低聚木糖是最受众人瞩目的一种低聚糖，是市场上附加值最高、价格最贵的一个品种之一。我国具有丰富的玉米芯、甘蔗渣及农作物秸秆等富含半纤维素类自然资源的农林废弃物，长期以来未受到充分重视和开发利用，如能将其制备成高附加值的低聚木糖，不仅会促进我国低聚糖工业的发展，加快无公害饲料添加剂的开发，还可以处理农林废料，变废为宝，保护环境。因此，对低聚木糖的研究开发具有十分重大的经济效益和社会效益。

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