壳寡糖的生物学功能及其在畜禽营养中的应用

2015-04-04 07:18李吕木张民扬安徽农业大学动物科技学院合肥230036
饲料博览 2015年6期
关键词:免疫功能

许 翔,李吕木,张民扬(安徽农业大学动物科技学院,合肥 230036)

壳寡糖的生物学功能及其在畜禽营养中的应用

许翔,李吕木*,张民扬
(安徽农业大学动物科技学院,合肥230036)

摘要:壳寡糖是一种新型绿色饲料添加剂。研究表明,壳寡糖具有调节肠道微生态环境、提高机体免疫力的性能,而且还具有抗菌、抗氧化、抗肿瘤、改善动物生长等多种生理功能。此外,因其水溶性好,易被机体吸收,应用前景广阔。文章从抗氧化、抗肿瘤、免疫功能等方面对壳寡糖的生物学功能进行综述,并阐述了其在动物营养中的应用。

关键词:壳寡糖;免疫功能;肠道微生物;畜禽营养

壳寡糖(chitosan oligosaccharide,COS)又名低聚壳寡糖,学名是β-1, 4-寡糖-葡萄糖胺,是由2~10个氨基葡萄糖以β-1, 4糖苷键连接而成的含有氨基的低聚糖。壳寡糖是通过甲壳素脱乙酰化的产物壳聚糖的降解获得的高端衍生物。壳寡糖是多糖中唯一带正电荷的小分子物质,并具有稳定的三维结构,也是自然界中唯一的碱性寡糖。壳寡糖本身具有良好的生物相容性,能生物降解,且其代谢产物无毒、无抗原,组织相容性好,而且相对分子质量小,水溶性好,吸收率高,是一种新型的绿色饲料添加剂[1]。壳寡糖具有抗氧化、调节肠道微生态环境、提高机体免疫力的性能,而且还有抗菌、抗肿瘤、改善动物生长性能等多种生理功能[2]。本文从其抗氧化、抗肿瘤、增强免疫等方面对其生物学功能进行综述,并阐述其在畜禽营养中的应用。

1 壳寡糖的生物学功能

1.1抗氧化作用

自由基是机体产生的损害机体组织与细胞的有害化合物,具有强氧化性,能导致疾病的产生和机体衰老。生物体内存在的自由基有超氧阴离子自由基、羟自由基和脂类过氧化物自由基等。壳寡糖能够激活体内抗氧化酶,增强机体对自由基的清除作用[3-4]。Kim等发现,壳寡糖对羟自由基、超氧自由基等具有清除作用,可通过激活肝脏抗氧化防御体系清除自由基,进而降低其氧化破坏作用[5]。壳寡糖还能够降低血清中谷草转氨酶(AST)、谷丙转氨酶(ALT)及肝脏组织中的丙二醛(MDA)含量,进而提高肝脏的抗氧化活性[6]。此外,壳寡糖在细胞水平上也表现出较明显的抗氧化性,能够清除细胞内自由基,并抑制由自由基导致的细胞氧化损伤;有效保护胚胎干细胞等细胞免受氧化损伤,并对其导致的肝损伤的临床治疗也非常有效[7]。在人的脐静脉内皮细胞中,一定剂量的壳寡糖还能够抵抗过氧化氢,进而增加超氧化歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-px)的含量,抑制由过氧化氢引起的体内活性氧(ROS)的产生[8]。另外在人表皮层纤维细胞中,用一定剂量的壳寡糖处理能够抑制由紫外线诱导的ROS产生和细胞DNA损伤,进而保护细胞免受氧化应激造成的损伤[9]。

1.2抗肿瘤作用

肿瘤主要是由外界环境中的各种刺激和机体内部某些潜在因素相互作用而产生的,使得原癌基因活化成为癌基因或抑癌基因失活所致。壳寡糖能够抑制肿瘤细胞生长,诱导LH-7肿瘤细胞的凋亡[9]。研究表明,壳寡糖0.8 mg·mL-1可以通过增加凋亡蛋白Bax的表达来抑制肝癌细胞的增殖并促进其凋亡,且呈剂量依赖性[10]。其还能降低抗凋亡基因Bcl-2的表达,提高Bax/Bcl-2通路,诱导肉瘤细胞的凋亡,表明壳寡糖可以显著降低瘤重以及肿瘤的发生率[11]。壳寡糖的抗肿瘤作用主要表现在:其可以抑制与细胞周期有关的cyclinD1 mRNA的表达,从而抑制肿瘤细胞的增殖;还可以抑制抗凋亡蛋白Bcl-2和bcl-xl mRNA的表达而促进肿瘤细胞的凋亡,且前者的作用强于后者[12]。由此可知,壳寡糖主要是通过调节机体肿瘤相关基因的表达来实现诱导肿瘤细胞凋亡的。

1.3增强免疫的作用

通过壳寡糖刺激机体,可以促进腹膜渗出液细胞数量的增加,激活巨噬细胞,并直接杀伤病原微生物,清除突变和凋亡细胞,继而提高机体的免疫防御力,还能促进巨噬细胞、细胞因子IL-13、 TNF-O和IL-18的基因表达[13]。而这些细胞因子又可以反馈激活巨噬细胞和NK细胞,形成网络状的反馈调节关系,从而较大地增强机体的免疫功能。灌服壳寡糖还能够增强单核巨噬细胞的吞噬功能和迟发性超敏反应,并降低脓毒症小鼠的死亡率,能减轻内毒素对肝肺等器官的损害和功能的影响,提高小鼠抗体生成能力以及脾脏和胸腺指数,从而增强机体的免疫力[14-16]。但对于成年家禽来说,免疫器官在其成年后就会退化,故又无法改变成年鸡的脾脏指数。另外,壳寡糖能够激活T淋巴细胞,在增加T淋巴细胞杀伤活性的同时又促进巨噬细胞激活因子释放,进一步激活巨噬细胞,使得T淋巴细胞与巨噬细胞相互作用来加强机体的免疫功能。因此认为壳寡糖杀伤活性的产生主要是激活T淋巴细胞与巨噬细胞相互作用加强的结果。研究表明,壳寡糖还可以显著提高一氧化氮的产生,而一氧化氮是巨噬细胞活性氮代谢途径的效应物质,壳寡糖正是通过提高一氧化氮的产生进而达到提高巨噬细胞免疫作用的效果[17]。壳寡糖还可以提高血清新城疫抗体效价和补体C3含量,增强抵抗传染病的能力[18]。除此之外,壳寡糖能通过体液免疫提高机体的免疫能力,通过促进脾脏CD4+T细胞的增殖,启动机体免疫应答[19]。还可增加血清IgG、IgA和IgM的浓度,进而增强体液免疫功能。

1.4调节肠道菌群

肠内微生物菌群对动物的生长和健康起着重要的作用。由于壳寡糖的特殊结构,使其成为自然界唯一大量存在的带正电荷的糖类,在酸性环境下壳寡糖的游离氨基能够质子化,能够与病原菌表面的膜结合,使其细胞质流失并干扰病原菌与肠壁的结合能力,促进病原菌随粪便排出体外。壳寡糖能通过刺激肠道的生长与发育,调节肠道微生态环境,促进小肠微绒毛的生长,增大小肠的吸收面积及肠道对营养物质的吸收,从而改善生长能力和产品品质,提高饲料的利用率,同时单位面积内的肠黏膜碱性磷酸酶(AKP)活性也增强[20-21]。当适量的壳寡糖进入动物肠道后,有益菌群能将其分解产生大量的挥发性脂肪酸,为双歧杆菌和乳酸杆菌等有益菌所利用,使其大量增殖;同时还能分解产生一些抗菌类物质,能有效杀灭大肠杆菌和沙门氏菌等有害菌,从而达到提高机体免疫力、降低肠道pH、产生B族维生素、分解致癌物质、促进蛋白质吸收,维持微生物群落的动态平衡[22]。因此肠道菌群的平衡对动物机体的免疫和生产性能至关重要。由此可以看出,壳寡糖对动物生产性能的影响主要归功于其能够改善肠道结构,增加小肠绒毛面积,从而提高对饲料的利用率,进而提高动物的生产性能。

1.5抗菌作用

壳寡糖结构中最主要的特征基团是氨基,这些氨基被证明在抑菌作用中起到了重要作用。最被广泛接受的一种作用机理是认为壳寡糖能改变细胞膜的渗透性,从而阻止营养物质进入细胞或引起细胞组分的流失,最终导致细菌死亡。在酸性条件下,壳寡糖分子中的游离氨基质子化,质子化铵能与细菌带正电的细胞膜作用,干扰细菌细胞膜功能,造成细菌体内细胞质流失,对细菌和微生物的生长有抑制作用[23]。其抗菌活性与菌种及浓度有关,且随浓度加大其抗菌活性增强,高浓度时具有杀菌作用。研究发现,壳寡糖对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌的最低抑制浓度为0.3%,对副伤寒甲沙门氏菌、宋内志贺菌的最低抑制浓度为0.1%[24]。并且壳寡糖对大肠杆菌、链球菌等肠道有害菌有明显的抑制作用,而对双歧杆菌和乳酸杆菌有明显的促进作用[25-26]。其作用机制为:对于革兰氏阳性菌,壳寡糖结构上带正电荷的氨基基团与细菌表面上带负电荷的物质如脂多糖蛋白质等相互作用形成疏水聚合物,阻碍营养物质进入细胞,最终抑制致病微生物代谢活动;对于革兰氏阴性菌,壳寡糖通过扩散作用渗透进入细胞核与DNA结合干扰特定基因转录抑制其生长[27-28]。研究表明,壳寡糖的抑菌、杀菌作用还与相对分子质量大小有关,相对分子质量越小的壳寡糖越容易进入细胞壁的空隙结构内,干扰细胞新陈代谢,达到杀菌目的[29]。

1.6降血脂、降血压作用

壳寡糖作为壳聚糖酸解或酶解产物,具有调节血清中葡萄糖和血脂的作用[30]。刘含亮等就在壳寡糖对虹鳟血清生化指标的研究中表示,壳寡糖组能够降低血清中甘油三酯、胆固醇和葡萄糖的含量[31]。对胆固醇的降低表现在降低低密度脂蛋白胆固醇水平,而提高高密度脂蛋白胆固醇水平,同时增加甘油三酯和总胆固醇排泄量,有效抑制胰脂肪酶活性达87%[32-33]。另外,壳寡糖还能减少肠道对脂质的吸收,从而改善脂类代谢,将多余的脂肪排出体外。血脂保持在较低水平时有助于防治高血脂疾病的发生,在一定程度上也提高了机体的免疫力。在动物体内“三高”会导致很多疾病,现代医学也已经发现氯离子是导致高血压的罪魁祸首,而壳寡糖具有正电荷的特性,可以与氯离子结合并将其排出体外。此外,壳寡糖的化学结构与肝素有类似之处,具有15%~45%肝素活性,能够活化血管细胞、降低外周血管阻力,从而减少脂类在血管壁的沉积达到调节血压的作用,还能够降低血清中的尿素氮含量,提高蛋白质沉积率,降低尿素在肾脏中的沉积,从而减少肾脏尿素中毒的可能性,同时添加壳寡糖还能够影响血清中免疫球蛋白、生长激素和谷草、谷丙转氨酶的含量[6]。综上所述,壳寡糖对动物血清生化指标的影响主要是通过调节甘油三酯、胆固醇、葡萄糖的水平来实现的,表明壳寡糖具有降血脂、降血压的作用。除此之外,壳寡糖还可以通过减少肝脏肌糖原分解,减轻肝脏、肌肉组织的胰岛素抵抗,使血糖浓度下降[34]。

2 壳寡糖在畜禽营养中的应用

对肉仔鸡、蛋鸡、仔猪的诸多研究表明,壳寡糖能够改善机体的肠道微生态结构,提高生产性能,提高机体抗氧化性,降低血清中胆固醇、甘油三酯等含量,同时能够增强机体的免疫功能,吸收性好且无毒[35]。因此壳寡糖能够作为绿色添加剂添加到饲料中。

2.1鸡

日粮中添加壳寡糖100~150 mg·kg-1可提高肉用仔鸡回肠的消化性能,且干物质、钙、磷、粗蛋白质和所有氨基酸的回肠消化率也得以提高,从而提高其生产性能和饲料效率[36]。除此之外,还能使肉仔鸡日增重和日采食量提高,腹部脂肪下降,而且随着其浓度增加,肉色黄度降低,胸肌和腹肌中的饱和脂肪酸含量下降,肉品质得到改善[37]。壳寡糖还能影响鸡组织器官中矿物质元素的含量。壳寡糖对肉仔鸡胸肌中除P元素含量减少外,Ca、Zn、Fe和Mn含量均提高,腿肌中Ca、P、Zn、Fe和Mn各元素也均有所增加,并且能使肠壁变薄,提高消化器官功能,增加营养物质的吸收。一定水平的壳寡糖还能作为肉鸡日粮中抗生素的替代品,游金明等在研究壳寡糖与金霉素对肉仔鸡生长性能的对比效应时,得出肉仔鸡日粮中添加壳寡糖100、150 mg·kg-1获得了与金霉素相似或更好的日增重、日采食量和饲料转化效率[38]。此外,对于蛋鸡来说,饲粮中添加壳寡糖还能够提高饲粮消化利用率,从而提高产蛋率、蛋重、蛋壳质量和免疫力,因此可以作为提高蛋鸡健康和改良蛋品质的新型添加剂[39]。壳寡糖还可以提高鸡蛋的哈夫单位,哈夫单位可以直接反映鸡蛋的新鲜度,而新鲜度又与鸡蛋的抗氧化性有关,因此可以推测壳寡糖能够提高鸡蛋的抗氧化性[29]。

2.2猪

壳寡糖在猪日粮中的添加可以降低脂肪的消化率,从而减少猪的脂肪沉积,提高瘦肉率[22]。还可以显著降低仔猪保育期的死淘率,改善饲料转化率,提高饲料中干物质、钙、粗蛋白质及磷的消化率;并促进矿物质元素吸收和贮存,增加了背最长肌中Cu、心肌中Zn以及脾脏中Mn的含量,此外降低了脾脏、胃以及肾组织中Ca和Mg的含量,血清中Cu、Zn、Mn和Ca的含量均有增加的趋势。连国琦等探讨了壳寡糖作为环江香猪饲料添加剂的可行性,研究发现,在21日龄断奶仔猪饲粮中添加壳寡糖0.5%,仔猪回肠中的乳酸杆菌和链球菌数量显著增加(P<0.05),盲肠中双歧杆菌和乳酸杆菌数量显著增加(P<0.05),大肠杆菌和链球杆菌数量显著降低(P<0.05),说明壳寡糖能够在一定程度上改善仔猪肠道菌群,维持肠道健康,并可提高仔猪的抗病能力[26, 40]。饲料中添加壳寡糖0.1%~0.3%,还能促进猪淋巴细胞的增殖及抗体生成,提高猪的免疫力[41]。另外,在仔猪日粮中添加一定量的壳寡糖也可使断奶仔猪的平均日增重、平均日采食量和肉料比得到显著改善(P<0.05),并且可以使仔猪腹泻率显著下降(P<0.05),主要原因可能其通过抑制大肠杆菌致病菌的定植改善了肠道菌群结构,从而提高了营养物质的消化率,并且同时添加一定量的卵磷脂和壳寡糖会降低猪肉中胆固醇的含量[42,45]。研究发现,在猪日粮中添加壳寡糖250 mg·kg-1能降低回肠中乳酸杆菌和大肠杆菌数量,降低乳酸和戊酸浓度,增加十二指肠和空肠肠绒毛高度和肠隐窝深度,从而改善对营养物质的消化吸收[43]。除此之外,饲粮中添加壳寡糖能改善仔猪整个机体蛋白质的合成代谢,主要是因为壳寡糖可提高仔猪碱性磷酸酶活性,降低血浆尿素氮浓度,而血清中的碱性磷酸酶与脂肪、糖类和蛋白质的吸收运输合成等过程密切相关,说明仔猪对日粮蛋白质的利用能力增强[26]。

3 小结

壳寡糖资源丰富,毒副作用小,应用广泛,对促进畜禽生长发育、免疫等方面有很好的效果,其开发前景是十分广阔的。目前,关于壳寡糖免疫调节作用机制的研究已达分子水平,但其生物学功能的作用机制还有待更深入的研究。另外,壳寡糖目前的生产工艺还不够完善,且生产成本较大,限制了壳寡糖的广泛应用。相信随着研究的不断拓宽和深入,生产工艺的不断完善将大幅推动壳寡糖在动物生产中的应用。

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前沿科技摘编

Research Progress on Biological Function of Chitosan Oligosaccharide and Application in Livestock Nutrition

XU Xiang, LI Lvmu*, ZHANG Minyang
(College of Animal Science and Technology, Anhui Agriculture University, Hefei 230036, China)

Abstract:Chitosan oligosaccharides is a new green feed additive. Studies shows that chitosan oligosaccharides have function on anti-oxidant, regulating intestinal micro-ecological environment, improving immunity, anti-bacte⁃rial, anti-tumor, improving animal growth performance and other biological functions. In addition, because of its good water solubility and can easily be absorbed by the body, it has broad application scenarios. Therefore, Its bio⁃logical function from its anti-oxidation, anti-tumor, immune function and application in livestock nutrition were summarized in this paper.

Key words:chitosan oligosaccharides; immune function; intestinal microflora; livestock nutrition

*通讯作者:研究员,博士生导师,E-mail: llm56@ahau.edu.cn。

作者简介:许翔(1992-),男,安徽芜湖人,硕士研究生,研究方向为动物营养与饲料科学。

收稿日期:2015-05-21

中图分类号:S831.5;Q538

文献标志码:A

文章编号:1001-0084(2015)06-0031-06

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