水苏糖的理化特性及其在动物生产上的应用

赵歆昀 刘吉喆 杨桂芹

(沈阳农业大学畜牧兽医学院，沈阳 110866)

水苏糖属于α-低聚半乳糖，主要存在于唇形科、豆科、玄参科等多种植物中，特别是唇形科水苏属的植物草石蚕。水苏糖的制备方法目前主要有物理提取法和酶法。以毛叶地笋、泽兰、草石蚕等为原料，采用物理提取法提取出的水苏糖含量一般在20%～70%[1]。以草石蚕为原料，采用生物提纯和工业色谱分离技术制备的水苏糖纯度高达90%以上[2]。以大豆及其加工副产品为原料生产的大豆低聚糖中，水苏糖含量一般在18%～71%。GB/T 22491—2008对大豆低聚糖的定义中，纯度为75%的大豆低聚糖一般含水苏糖18%、棉籽糖6%和蔗糖24%。张闪闪等[3]通过酵母发酵大豆浓缩蛋白乳清，提取的水苏糖纯度达90%。水苏糖也是大豆低聚糖的主要功能性组分[4]。近年来，我国对水苏糖的研究逐渐增多，除了原有的食品、医药等领域外，水苏糖在动物生产上的应用也越来越引起人们的广泛关注。

1 水苏糖的分子结构和理化特性

水苏糖是由1分子α-葡萄糖、1分子β-果糖和2分子α-半乳糖，以半乳糖(α1→6)-半乳糖(α1→6)-葡萄糖(α1→2β)-果糖方式连接组成，因此又被称为四糖[5]。水苏糖的分子式为C24H42O21，相对分子质量为666.59，分子结构式如图1所示。经X单晶衍射测定认为，水苏糖属于单斜晶系，通过氢键堆积成三维层状结构[5-6]，如图2所示。

图1 水苏糖的分子结构式Fig.1 Molecular structure formula of stachyose

纯净的水苏糖为白色粉末，其甜度是蔗糖的22%，口感清爽，没有异味。水苏糖结晶为结合4分子水的细小晶体，易溶于水，溶解度为130 g(20 ℃)，不溶于乙醚、乙醇等有机溶剂，熔点为101 ℃，在真空中加热可失去结晶水。无水水苏糖的熔点为167～170 ℃，保湿性和吸湿性均小于蔗糖，没有还原性。郭美丽等[7]在一系列毒理试验中证明水苏糖是安全无毒的。

2 水苏糖在食品领域的应用

由于人类和单胃动物消化系统中缺乏消化α-1,6-糖苷键的消化酶，因而水苏糖可直接进入消化道后端，被肠道双歧杆菌及少数乳酸杆菌酵解和利用。因此，水苏糖等非消化寡糖又被称作膳食纤维或益生元[8]。美国、日本和欧洲等发达国家对水苏糖的开发和利用已十分广泛，随着水苏糖生产技术的成熟及应用的推广，其发展前景也逐步受到我国的关注与重视。现如今，我国与水苏糖有关的专利有153项，其中有关于水苏糖生产技术的专利有29项，关于水苏糖检测技术的专利有2项，其余均为水苏糖的应用专利[1]。

图2 水苏糖的X单晶衍射结构Fig.2 X-ray crystal structure and the atomic numbering scheme of stachyose[5]

2.1 调整肠道菌群平衡

Hayakawa等[9]研究表明，含23%及纯化后含71%水苏糖的大豆低聚糖，能被人肠道双歧杆菌有效利用，显著提高了粪便中双歧杆菌的数量。罗予等[10]以大豆低聚糖、水苏糖、棉籽糖和蔗糖为基质配制培养液，分别接种人粪便青春双歧杆菌和大肠埃希菌，发现水苏糖是促双歧杆菌生长的主要因素。舒国伟等[11]研究表明，在乳酸菌培养基(MRS)中添加0.8%、1.0%的水苏糖均能显著加速人两歧双歧杆菌BB01的生长。双歧杆菌除了在肠道内能优先利用非消化寡糖外，在多种非消化寡糖共同存在的条件下，还能优先消耗水苏糖，因此水苏糖能直接定向增殖双歧杆菌[12]。

2.2 提高机体免疫功能

由于水苏糖分子中的α-1,6-半乳糖结构，在配合基接收器交感反应的分子机制基础上，参与免疫、病原体和细胞之间的吸附等生物过程，使水苏糖具有预防病原体感染、中和毒素和调节免疫系统的功能[13]。用水苏糖(以每10 g体重0.2 mL的量)对小鼠每天灌胃1次，连续30 d后测定得出，小鼠体液免疫功能及单核巨噬细胞功能均为阳性[14]。另外，水苏糖在双歧杆菌的作用下，能分解产生提高人体免疫力的多重免疫功能因子，具有提高人体免疫力的功能。

2.3 缓解便秘和防治腹泻

水苏糖属于小分子水溶性膳食纤维，到达大肠后优先被双歧杆菌利用，产生大量的短链脂肪酸，如乙酸、丙酸和正丁酸等[15]。据报道，103名便秘患者每天通过服用含5 g水苏糖的冲剂，排便状况获得改善，肠道功能得到增强[16]。同时，水苏糖分子中有大量的羟基，在肠道中能很好地吸收水分，有缓解腹泻的作用[17]。此外，水苏糖还具有保护肝脏、抑癌、抑制特异性皮炎、抗关节炎、防止龋齿、预防结肠炎、排铅、降血压和降血脂、抗氧化和抗衰老等功能[18]。

3 水苏糖在家禽生产上的应用

3.1 水苏糖对家禽肠道菌群的影响

Pacifici等[19]研究表明，人工注射5%、10%的水苏糖到孵化至第17天鸡胚的羊膜腔中，继续孵化至第21天(出孵)，结果表明，水苏糖或棉籽糖对鸡胚肠道菌群、铁的生物学利用率和肠黏膜组织形态功能均具有有益的作用。水苏糖可被肉仔鸡盲肠内的双歧杆菌及少数乳酸杆菌酵解和利用，其发酵速度在大豆低聚糖中仅次于棉籽糖[20]。易中华[21]研究表明，饲粮中添加1.0%的水苏糖制剂显著增加了肉仔鸡盲肠食糜中双歧杆菌和乳酸杆菌的数量，显著降低了盲肠食糜中大肠杆菌和沙门氏菌的数量。Lan等[22]以14日龄肉仔鸡盲肠菌为接种物，体外发酵大豆低聚糖，结果表明，与大豆低聚糖和棉籽糖相比，水苏糖具有最大的产气量和产气速率，显著抑制了大肠埃希氏菌和产气荚膜梭菌的生长。杨桂芹等[23]研究表明，添加1.0%的水苏糖显著提高了肉仔鸡体外盲肠内容物培养液中菌群的丰富度，并促进了布劳特氏菌属、副拟杆菌属和路氏乳杆菌属细菌的增殖。

水苏糖在双歧杆菌发酵的作用下，在肠道中产生大量的短链脂肪酸，使肠道内pH显著下降，在此环境下能抑制有害菌增殖，调整肠道微生态平衡。但Jiang等[24]报道，水苏糖除在初始阶段对肉仔鸡盲肠内的丁酸盐浓度有显著影响外，在其余方面并没有积极影响。而易中华[22]在研究中发现，在饲粮中添加水苏糖制剂显著增加了肉仔鸡盲肠食糜中乙酸和短链脂肪酸的浓度以及丁酸占短链脂肪酸总量的摩尔百分比，随着水苏糖添加量的增加，回肠和盲肠中食糜pH呈下降的趋势；另外，添加0.5%的水苏糖制剂能够有效地降低肠道内挥发性盐基氮的含量，从而能抑制早期肉仔鸡肠道腐败菌的增殖。

3.2 水苏糖对家禽消化器官和肠黏膜组织形态的影响

肠道多胺、表皮生长因子、短链脂肪酸和pH等因素都影响着家禽消化道形态结构，这些因素中大多受饲粮中营养物质的调节，而非消化寡糖属于重要的调节物之一[25]。易中华等[26]研究表明，添加水苏糖不同程度地增加了肉仔鸡消化器官的绝对重量，尤其以盲肠和结直肠的增加效果最为明显；添加0.5%的水苏糖制剂显著提高了肉仔鸡十二指肠、空肠和回肠的绒毛高度，显著降低了空肠和回肠的隐窝深度，提高了空肠和回肠的绒毛高度/隐窝深度。

3.3 水苏糖对家禽生产性能和营养物质消化率的影响

水苏糖是一种非消化寡糖，因其特有的功能性和非消化性，使其对动物的消化生理和营养物质代谢都有重要的影响，从而也影响各种营养物质的消化吸收，最终影响动物的生产性能。Jiang等[24]研究表明，添加1.2%水苏糖的饲粮与正常豆粕饲粮相比，肉仔鸡对饲粮中营养物质的消化率没有显著区别，但随着水苏糖添加量的增加，肉仔鸡对饲粮中营养物质的消化率稍有降低。易中华[21]研究表明，添加0.5%的水苏糖制剂对饲粮营养物质的表观利用率有着不同程度的提高，而添加2.0%的水苏糖制剂时，营养物质的表观利用率却显著降低，其中钙、磷、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维受饲粮水苏糖添加量的影响较大，其主要原因是高剂量的水苏糖加快了饲粮在消化道的流动速度。

在肉仔鸡饲粮中添加水苏糖会导致肉仔鸡平均日增重和饲料利用率降低，随着水苏糖添加量的增加，肉鸡生长呈线性递减和二次增长趋势[24]。易中华等[27]研究表明，水苏糖对肉仔鸡生长性能的影响存在剂量反应关系，低剂量(0.5%)表现为轻微的促进作用，高剂量(2.0%)则表现为抑制作用，而且生长前期剂量反应程度强于生长后期。

3.4 水苏糖对家禽免疫功能的影响

汪莉等[28]研究表明，包括水苏糖在内的一些低聚糖可促进蛋雏鸡的胸腺、法氏囊等免疫器官的发育，减少氨气(NH3)、硫化氢(H2S)等粪便臭气物质的排放量。饲粮中添加0.5%的水苏糖制剂有增加18日龄肉仔鸡脾脏指数的趋势，可显著提高18日龄肉仔鸡血清免疫球蛋白A(IgA)含量，但显著降低了36日龄肉仔鸡的脾脏指数[29]。因此，水苏糖可以作为免疫促进剂，可提高动物的免疫功能，其免疫调节作用可能主要是通过调节动物肠道微生态的途径来实现[30]。

4 水苏糖在猪生产上的应用

4.1 水苏糖对猪肠道菌群的影响

水苏糖在猪肠道中发挥的作用机理与在肉仔鸡上相同，其效果也比较相似。Krause等[31]首次报道了在体外条件下水苏糖可完全被断奶仔猪后肠微生物发酵，同时这个发酵过程会由于饲粮中高水平乳糖的添加而加速。Zhang等[32]研究表明，饲粮添加1.0%的水苏糖可以显著增加猪回肠中乳酸杆菌以及盲肠和结肠中双歧杆菌数量，显著减少结肠中细菌数量，显著增加了回肠、盲肠和结肠中挥发性脂肪酸的含量。但高剂量的水苏糖会使空肠、回肠、盲肠和结肠中乳酸菌和双歧杆菌的数量下降[33]。

4.2 水苏糖对猪生产性能和营养物质消化率的影响

豆粕中的棉籽糖和水苏糖被认为是单胃动物的抗营养因子，主要由于其在动物后肠发酵，对代谢能的提供没有正向作用[34]。Smiricky等[35]研究也表明，水苏糖和棉籽糖降低了猪对饲粮氮和氨基酸的消化率，并随着添加量的增加，干物质消化率呈显著的线性下降。研究发现，在含有水苏糖的饲粮中添加α-半乳糖苷酶可消除这一负面影响[36]，因为该酶可在仔猪的小肠将80%的水苏糖水解，进而显著提高了饲粮α-半乳糖的消化率。虽然水苏糖在猪营养物质消化率方面存在负效应，但与正常豆粕饲粮相比，在无豆粕饲粮中添加1.0%的水苏糖对仔猪的生产性能产生没有显著影响，但显著降低了断奶仔猪的腹泻率，不过当添加量达到2.0%时，断奶后前2周仔猪的生产性能显著下降[32]。这说明水苏糖对仔猪生产性能影响的剂量效应非常明显，同时也说明水苏糖的抗营养性主要表现在营养物质消化率上。

5 水苏糖在水产等其他动物生产上的应用

蔡英华[37]表明，牙鲆摄食率随着饲料中水苏糖含量的升高而显著升高，但饲料干物质和蛋白质的表观消化率有降低的趋势。饲料添加水苏糖、棉籽糖或二者联合添加后，大西洋鲑鱼的体重和生长速度介于全鱼粉饲料和豆粕替代部分鱼粉饲料之间，其对蛋白质和脂肪的消化率没有产生显著影响[38]。与全鱼粉饲料相比，饲料中添加300 g/kg的豆粕显著降低了幼龄异育银鲫的生长性能，但添加与豆粕中等量的水苏糖、棉籽糖或水苏糖+棉籽糖，并没有显著改变8周试验期内幼鱼的生长状况和肠道形态[39]。水苏糖对异育银鲫的体成分组成及肠道菌群数量也无显著影响[40]。另外，水苏糖在一定程度上可提高异育银鲫的非特异性免疫功能[41]，现在已有添加水苏糖的功能性饲料(专利产品)用于防治草鱼赤皮病[42]。Hu等[43]研究表明，饲料中添加1.25%的水苏糖显著提高了幼龄大菱鲆的生长性能、饲料利用率和消化酶活性，添加1.25%和5.00%的水苏糖显著提高了与消化有关的肠纤维素分解菌的丰度，增强了幼龄大菱鲆的肠黏膜屏障功能。但添加量(2.5%～5.0%)的水苏糖也会导致大菱鲆采食量增加、饲料效率降低，当添加量达到5.0%时，虽然增加了大菱鲆肠道内的有益菌数量，同样也增加了一些潜在致病菌的数量[44]。由此可见，水苏糖对同一种动物不同功能(生长、消化、肠黏膜屏障等)的影响，其剂量效应存在差异。

除鸡、猪和鱼以外，水苏糖应用到家蚕、猕猴和小鼠等动物上也都表现出了正向效应。陈传杰等[45]研究表明，家蚕饲粮中添加0.50%的水苏糖显著提高了家蚕虫蛹统一生命率、全茧量、茧层量、茧层率。李海芳[46]研究表明，在猕猴饲粮中添加水苏糖后，肠道内乳酸杆菌的数量增加，大肠杆菌的数量降低；饲喂水苏糖6周后，猕猴排便正常，粪便外观黄色，呈疏松条状，表明水苏糖改善了猕猴的肠道功能；另外，饲粮中添加水苏糖后也显著提高了猕猴的免疫力和抗病力。Li等[47]在研究中发现，含55.3%水苏糖、25.8%棉籽糖和9.7%毛蕊花糖的大豆寡糖制剂促进了小鼠肠道内有益菌的增殖，抑制了病原菌的增殖，显著促进了肠蠕动和排泄。魏艳等[48]研究表明，水苏糖-植物乳杆菌合生元能显著提高免疫力低下小鼠的特异性细胞免疫、体液免疫和非特异性免疫功能，提高血清中部分免疫因子水平，增强小鼠的免疫功能。通过对Ⅱ型糖尿病大鼠(模型)进行水苏糖喂养4周试验发现，水苏糖会通过改变大鼠肠道菌群mRNA的表达而影响肠道菌群平衡[49]。窦江丽等[50]研究表明，添加50、100 μg/mL的水苏糖能显著提高兔体外培养的中性粒细胞的活力，同时也显著提高了对中性粒细胞吞噬金黄色葡萄球菌的能力。

可见，目前对水苏糖在动物生产上的研究主要集中在其对家禽、猪、鱼等动物的肠道菌群、消化能力和免疫能力等方面：1)同对人类肠道内环境和肠道菌群的作用相似，水苏糖对调整鸡、猪、鱼、猕猴和鼠等动物的肠道菌群平衡具有一定的正向作用；2)水苏糖可不同程度地增加动物的消化器官重量，改善小肠绒毛形态，增强肠黏膜的屏障功能；3)水苏糖具有预防病原体感染、中和毒素和调节免疫系统的功能。有关水苏糖对家禽、猪和水产动物肠道菌群、消化能力和免疫功能影响的主要研究结果如表1所示。

6 小 结

水苏糖来源于天然植物，安全性高，应用范围广。合理应用水苏糖能显著改善动物胃肠道菌群平衡，增强动物体免疫力，但对动物的生产性能作用不大，剂量效应也非常明显。在动物生产上的应用还存在很多问题，如成本问题，水苏糖来源、添加水平及基础饲粮中水苏糖含量等对其效应的影响差异，饲粮添加水苏糖后对动物产品品质、粪便臭气化合物含量等潜在生理功能的影响还需进一步研究，特别是分子水平上的作用机制还需进一步探索。我国对水苏糖的研究起步较晚，但水苏糖的开发和应用正在日益受到重视，随着水苏糖制备成本的降低，相信随着对水苏糖研究的深入，水苏糖的应用范围会不断扩大，市场前景将更为宽广。