低聚木糖对家禽肠道健康影响的研究进展

胡红伟，闫凌鹏，麻啸涛，陈茹茹，任 帅，杨亚奇

（山西大禹生物工程股份有限公司，山西 运城 044600）

自20 世纪50 年代以来，抗生素生长促进剂（AGPs）由于具有促生长和预防动物疾病的功能，作为药物饲料添加剂广泛应用于畜禽生产领域，随着抗生素的广泛使用，产生一系列负面作用，如细菌耐药性及药物残留等问题。欧盟2006 年全面禁止AGPs 用作饲料添加剂。2012 年，美国食品药品监督管理局兽药中心颁布的“工业指南”中强调抗生素仅能用于动物疾病的治疗，严禁用于促生长。因此，无抗环保的饲料添加剂是未来研究的趋势。

许多科研工作者通过大量试验寻找抗生素的替代品，如益生元、益生菌及植物提取物。益生元是不能被消化的组分（寡糖），能够到达肠道后端，作为肠道微生物的底物被发酵产生能量、代谢产物及微量元素被机体利用[1]。低聚木糖（XOS）作为益生元的一种，是由多个木糖组成的寡聚糖，分子式为C5nH8n+2O4n+1，通过水解木聚糖获得[2-4]。低聚木糖是一种非消化性寡糖，能够显著促进消化道双歧杆菌及乳酸菌增殖，同时作用剂量小、性质稳定，近年来被广泛的应用于食品、饲料及医药领域[5]。2013年发布的《饲料添加剂品种目录》将低聚木糖归入多糖和寡糖类别，主要适用动物为鸡、猪及水产养殖动物。本文介绍了低聚木糖的理化性质、家禽肠道微生物组成和肠道微生物与家禽健康，综述了低聚木糖对家禽肠道健康的影响。

1 低聚木糖的理化性质

低聚木糖分子由2～6个D-木糖以β-1,4糖苷键连接而成的碳水化合物，低聚木糖的成分为木糖、木二糖、木三糖以及少量木四糖以上的木聚糖，其中木二糖和木三糖是低聚木糖主要的功能性成分，含量越高，低聚木糖质量越好，生理活性越强。低聚木糖固体为乳白色粉末，易溶于水，甜味性质与砂糖相似，是砂糖甜度的40%。基于特殊的理化性质，低聚木糖被归为非消化性寡糖，耐热及耐酸的性能较强，在pH 2.5～8.0条件下，加热1 h几乎未被破坏，在120 ℃加热1 h 仍很稳定，37 ℃放置2 个月，几乎未破坏和损失。低聚木糖体外消化实验证实，低聚木糖在唾液的残留率为100%，而在胃液、胰液及小肠黏膜液的分别为99.9%、99.8%及99.6%，可见，消化道消化液对低聚木糖的利用率几乎为零[6]。

低聚木糖广泛存于食物中，如水果、蔬菜、蜂蜜、牛奶等，或者富含低聚糖的植物，如甘蔗渣、竹子、玉米芯、大麦秸秆、麦麸和棉花秸秆。许多研究者提到的低聚木糖聚合度达到20[7-8]。木聚糖的多糖链上除了有木糖单元外，还有很多侧链基团，如6-D-木吡喃糖醛酸或其4-O-甲基衍生物、乙酰基团或呋喃阿拉伯糖基基团，因此，水解后的木糖可以得到具有分枝的低聚木糖。低聚木糖化学键的交叉连接决定了其生理功能的多样性，低聚木糖的化学及生物学特性见附表[9]。

表1 低聚木糖的化学及生物学特性

2 家禽肠道微生物的组成

动物肠道内定植着种类丰富的细菌群体，细菌通过影响肠道形态、营养、发病机理和免疫反应来影响动物健康。肠道环境与特定的微生物种类密切相关的观点已经被广泛认同，例如在盲肠中，占绝对优势的细菌为严格厌氧菌，包括梭菌（Clostridiaceae）和拟杆菌（Bacteroides），而兼性或微耗氧的乳酸菌（Lactobacillus）、链球菌（Streptococcus）及肠球菌（Enterococcus）构成了回肠微生物群体。动物的消化道在出生之前是一个无菌的环境，出生后来源于母体的微生物及环境中的微生物很快占据了消化道，关于肠道微生物种属的组成和定植率的相关研究仍处于初级阶段。相关研究表明，环境在动物早期肠道微生物的形成中起了重要作用[10]。

鸡的消化道寄居者非常复杂的微生物群体，总共有来自100 多个属的600 多种细菌。总的来说，鸡肠道微生物中厚壁菌门（Firmicutes）占主要比例，其次是两个小门，变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）。另外，放线菌门（Actinobacteria）、无壁菌门（Tenericutes）、蓝细菌（Cyanobacteria）和梭杆菌门（Fusobacteria）在家禽肠道中的含量非常低。细菌群体组成会因其所在消化道位置的不同而发生改变，嗉囊、砂囊、十二指肠和空肠有相似的微生物组成，主要是乳酸菌属的细菌，部分鸟类乳酸菌的含量高达99%，嗉囊中的乳酸菌种类更多，空肠菌群主要由唾液乳杆菌（L.salivarius）和鸟乳杆菌（L. aviarius）组成。与十二指肠和回肠相比，空肠的微生物种类组成更加丰富，但是不稳定，空肠的微生物主要由乳酸菌、分节丝状菌（Candidatus Arthromitus）、肠球菌（Enterococcus）、大肠杆菌（Escherichia coli/Shigella）和梭菌（Clostridium Ⅺ）组成[11-12]。盲肠中的微生物数量和种类是鸡消化道中最多的，比其他所有消化道细菌的总和多，盲肠是细菌发酵非消化性碳水化合物的主要区域，也是病原微生物定植的主要位点，鸡有两个盲肠，有相似的微生物组成[13]。盲肠的微生物组成主要是梭菌属的细菌，其次是乳酸菌和瘤胃球菌属的细菌；梭菌纲的细菌主要分为3 个主要的科，分别为梭菌科（Clostridiaceae）、毛螺旋菌科（Lachnospiraceae）、瘤胃菌科（Ruminococcaceae）[14]。盲肠中还含有很多未知及未分类的细菌，在种的水平下，脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）、弯曲乳杆菌（L.crispatu s）、约式乳杆菌（L. johnsonii）、唾液乳杆菌（L.salivarius）和罗伊氏乳杆菌（L.reuteri）组成盲肠微生物约40%的组分。动物粪便样品是研究肠道菌群的有效手段，乳杆菌科（Lactobacillaceae）、消化链球菌科（Peptostreptococcaceae）、梭菌科（Clostridiaceae）、肠杆菌科（Enterobacteriaceae）是粪便中所含微生物的常见科类，蛋鸡的粪便微生物比肉仔鸡的更加复杂。

鸡的肠道菌群可被分成4 个类群，被称作肠道型（enterotype），与人类微生物组存在的三种肠道型类似，人类的肠道型与长期的饮食类型、基因、年龄、性别及体重指数等相关，关于鸡的肠道型研究较少，有相同肠道型的鸡，同样孵化、同样饮食以及生长环境条件一致的鸡仍存在个体差异，这主要归因于现代的工业家禽生产方式，所有的鸡都在无菌环境下孵化和饲养，不能得到母源的细菌，周围环境的细菌是影响肠道微生物变化的主要原因。

相关研究已经证实，鸡肠道微生物受日粮、性别、背景基因型、鸡舍条件、饲喂限制和养殖密度的影响[15]。此外，随着家禽日龄的增加，微生物组的复杂性会相应增加，某些细菌会逐渐消失，一些细菌会存在于家禽的整个生长周期中。硬壁菌（Firmicutes）在雏鸡肠道中占优势，拟杆菌（Bacteroidetes）在7 个月以上的成年鸡肠道中占优势。Videnska 等研究蛋鸡从孵化到60 周龄的盲肠微生物变化，发现第1周占高度优势的菌群为肠杆菌科（Enterobacteriaceae）细菌；第2～4 周，毛螺菌科（Lachnospiraceae）和疣嶶菌科（Ruminococcaceae）的细菌占优势；第2 到6 个月盲肠主要微生物为厚壁菌，拟杆菌大量死亡；＞7 个月的成年鸡，厚壁菌与拟杆菌的比例维持在恒定的状态[16]。

3 肠道微生物与家禽健康

肠道益生菌是抵御病原菌的主要屏障，肠道微生物与宿主相互关系的紊乱是肠道菌群失调的主要原因。鸡感染产气荚膜梭装芽孢杆菌（Clostridium perfringens）、艾美球虫（Eimeria）、肠炎沙门氏菌（Salmonella Enteritidis）后，显著改变了盲肠微生物组成[17-19]。鸡肠道微生物能够调节肠道肠道基因的表达、T 细胞介导的免疫和加速肠道免疫系统的成熟。而且，肠道微生物之间以及肠道微生物与宿主之间相互影响，改变寄主的生理功能。乳杆菌、瘤胃球菌及梭菌能够提高生产性能[20]。在鸡的盲肠中，梭菌属细菌集群Ⅳ和XIVa 是主要的丁酸产生菌，能促进家禽生长。丁酸不仅是肠道上皮细胞的重要能源，还能通过作用细胞激素抑制炎症反应。宏基因组分析盲肠微生物，发现200多种非淀粉多糖降解酶及与短链脂肪酸生产相关的路径，短链脂肪酸不仅能为家禽提供能量，还能降低肠道pH，抑制病原菌生长，促进矿物质的吸收。

4 低聚木糖对家禽肠道健康的影响

4.1 抑制有害菌，促进肠道益生菌的增殖，调节肠道菌群结构

由于独特的理化性质，低聚木糖不能被产气荚膜梭菌、大肠杆菌、沙门氏菌等肠道有害菌利用，同时低聚木糖可竞争性与病原菌的外源凝集素结合，减少病原菌对肠黏膜的吸附作用，使其因营养缺乏而死亡，同时激活机体免疫能力，增强对病原菌的抵抗力。

低聚木糖选择性地促进肠道内乳球菌、乳杆菌及双歧杆菌等益生菌的生长，益生菌发酵低聚木糖产生乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸既可以降低肠道pH，又可以为家禽肠道供能，同时加速肠道蠕动，防止食物在家禽肠道过度发酵产生有害物质。肠道中乳酸菌、双歧杆菌等益生菌的大量增殖，与病原菌竞争肠黏膜活性位点，抑制病原菌生长，同时益生菌代谢过程中释放部分消化酶，促进营养吸收。

范程瑞等在体外状态下，研究了不同粒度低聚木糖大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌3种常见畜禽致病菌的抑菌性能，发现不同粒度低聚木糖均有抑菌效果[21]。张洪文等研究低聚木糖添加对种肉鸡肠道微生物的影响，结果表明，试验组大肠杆菌数目显著低于对照组，乳酸杆菌数目显著高于对照组[22]。Digantkumar 等在体外条件下利用青春双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis）、两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）、发酵乳杆菌（Lactobacillus fermentum）和嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）发酵低聚木糖，结果显示，双歧杆菌属细菌比乳杆菌属细菌生长速度更快[23]。低聚木糖的降解需要β-葡聚糖酶、α-葡萄糖醛酸苷酶、α-L-阿拉伯呋喃糖酶、乙酰木聚糖酯酶和木聚糖酶等多种酶组成的酶系，双歧杆菌属细菌具有以上多种酶系，而乳酸菌属细菌分泌β-葡聚糖酶的能力不足，限制了乳酸菌的生长；双歧杆菌分解的水解酶系在肠道中发挥作用，可以降解上消化道不能消化的低聚糖，同时产生短链脂肪酸，降低肠道pH。

Mohsen 等对添加低聚木糖日粮的AA 肉仔鸡进行肠炎沙门氏菌（Salmonella Enteritidis）攻毒实验，结果表明，与感染对照组（PC）相比，饲喂低聚木糖试验组（XOS 组）盲肠沙门氏菌减少10 倍，乳酸菌（Lactobacillus）、罗斯氏菌（Roseburia）和梭菌（Clostridium）的相对丰度显著增加，但没有改变盲肠微生物的多样性；添加低聚木糖显著减少了盲肠集合淋巴样组织中白细胞介素6（IL-6）、脂多糖诱导的肿瘤坏死因子α（LITAF）等促炎细胞因子的表达[24]。该研究与Thibodeau 等日粮中添加有机酸用空肠弯曲杆菌（Campylobacter jejuni）研究结果一致[25]。Mohsen等通过高通量测序测定回肠及盲肠样品的V1-V3 区16S rRNA 基因序列，分析不同剂量低聚木糖对肉仔鸡肠道微生物的影响，发现某些细菌的相对丰度发生了改变，整体微生物多样性未受到影响，高剂量添加的低聚木糖（2g·kg-1）增加了盲肠中乳酸菌和乳酸、丙酸等短链脂肪酸的比例；相关关系分析表明，盲肠乳酸菌的相对丰度与盲肠乙酸浓度成正相关，回肠中丙酸杆菌的浓度与丙酸盐的浓度成正相关[26]。De Maesschalck 等在小麦型日粮中添加低聚木糖，证实低聚木糖能够显著增加肉仔鸡结肠中乳酸菌的数量以及盲肠中梭菌集群XIVa 数量，而且结肠中编码丁酸生产过程中关键酶的基因拷贝、丙酰CoA、乙酰CoA 的数量显著增加；在种水平上，结肠中弯曲乳杆菌（Lactobacillus crispatus）和盲肠中丁酸厌氧杆菌（Anaerostipes butyraticus）明显增加，通过体外发酵实验证实弯曲乳杆菌与丁酸厌氧杆菌具有互利共生关系，弯曲乳杆菌可以发酵低聚木糖产生乳酸，而丁酸厌氧杆菌可以以乳酸为底物生产丁酸，丁酸能提高肠道对病原菌的非特异性免疫能力，增加肠道上皮细胞的完整性[27]。Loredana 等给肉仔鸡饲喂由长双歧杆菌PCB133（Bifidobacterium longum PCB133）和低聚木糖组成的合生元，研究该合生元对肉仔鸡空肠弯曲杆菌（Campylobacter jejuni）的影响，1 日龄的肉仔鸡感染空肠弯曲杆菌M1 菌株，分别在第1 天（C 组）和第14 天（B 组）饲喂合生元，对照组不添加合生元（A 组），各组分别在第10、20、30、39 天取盲肠内容物，通过实时PCR 测定盲肠内容物DNA提取物，结果表明，C组的空肠弯曲杆菌的数目显著低于A 组与B 组（P＜0.05），各处理盲肠双歧杆菌属细菌数目差异不显著，说明早期添加该合生元效果较好，因为肉仔鸡生长初期，肠道微生物发育不健全，对环境更加敏感[28]。

4.2 提高家禽肠黏膜免疫功能，改善肠道组织形态

肠道是家禽消化吸收的部位，也是机体最重要的免疫器官，肠黏膜覆盖在肠道表面，具有多种生理功能，肠黏膜是机体防御外来有害物质的重要屏障，主要由三道防线组成，第一道防线为肠道菌群，肠道菌群附着在肠黏膜的外表面，有效避免有害菌的定植；第二道防线为淋巴细胞分泌的免疫球蛋白，抑制病原菌；第三道防线为肠道中的免疫细胞，如B淋巴细胞、T淋巴细胞等。

Min 等在1 日龄Cobb48 肉仔鸡日粮中添加由枯草芽孢杆菌、低聚木糖和甘露寡糖组成的合生元，研究其对肉仔鸡肠道组织形态和肠黏膜免疫球蛋白lgA 的影响，结果显示，在21～42 日龄阶段，添加该合生元可以显著增加十二指肠、空肠和回肠的绒毛高度及绒毛高度和隐窝深度的比值（VH/VC）（P＜0.05），同时显著增加肠黏膜lgA 抗体的含量（P＜0.05），说明该合生元促进了肠绒毛的发育及lgA 抗体的分泌[29]。分泌性免疫球蛋白lgA 在肠黏膜免疫防御中发挥重要作用，lgA 的缺乏可导致细菌的过度生长，改变细菌黏附力及转移能力[30]。Toloei 等认为，IgA 能刺激体液免疫产生更多抗体，覆盖在肠黏膜表面，保护小肠绒毛免受损坏[31]。Ding 等研究了低聚木糖对28周龄White Lohmann 产蛋鸡空肠绒毛高度及绒毛高度隐窝深度比值（VH/VC）的影响，结果表明，空肠绒毛高度与VH/VC值随着日粮中与低聚木糖添加量的增加成线性正相关关系，并且空肠的相对长度随着低聚木糖添加量的增加而显著增加（P＜0.05）[32]。低聚木糖在肠道内发酵可以产生丁酸，丁酸为肠黏膜提供能量，可能是改善肠道组织形态的原因[33]。

5 结论与展望

目前，低聚木糖对家禽肠道菌群影响的相关研究仍处于初级阶段，低聚木糖的添加引起肠道菌群的改变菌种研究局限于门和属的水平，关于微生物种水平的相关研究鲜有报道，所以不能精确的描述肠道菌群的变化。同时，目前大部分研究主要集中于双歧杆菌属、乳酸菌属的肠道菌群变化，并认为益生菌主要存在于这两个属。事实上，存在于其他属的细菌对肠道健康也有可能是有益的，丁酸梭菌（C.butyricum）和普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）这两个梭菌属成员，对肠道健康是有益的；而某些乳酸菌和双歧杆菌有可能诱导代谢活动、免疫反应和黏膜屏障功能上的改变[34]。目前研究一直认为低聚木糖到达盲肠后，被盲肠中的土著菌代谢成的短链脂肪酸发挥生理功能，而其他代谢产物如胆汁酸和多胺等物质的作用则研究较少。未来通过宏基因组结合代谢物谱，能更好地研究肠道菌群的代谢途径以及低聚木糖在代谢途径中所起的作用。