植物多糖改善肠道健康的作用机制及甘草多糖在生产上的应用

■潘梦颖张 才*李元晓孙成振

(1.河南科技大学动物科技学院，河南洛阳 471023；2.河南省动物福利与健康养殖国际联合实验室，河南洛阳 471023)

肠道是营养物质消化、吸收的关键场所，与动物生长发育和疾病产生息息相关。一旦肠道结构被破坏或肠道内菌群失衡，会导致消化功能紊乱，产生代谢疾病、炎症性肠病及肠癌等（Ding 等，2019；Mirza等，2017）。在动物生产中，为了提高生长性能和预防疾病，会使用抗生素来保障肠道健康，但是过量使用抗生素会出现抗生素残留、病原微生物出现耐药性，这一问题成为对公共健康的最大威胁之一（Mcclelland等，2022；Capita等，2019）。为减少抗生素不合理使用造成的危害，2020 年开始，我国禁止在饲料生产中添加抗生素，寻找抗生素的替代品已成为重要的研究课题（朱正鹏等，2020）。

多糖（polysaccharide）具有较高生物活性、低副作用、低毒等特点，在动物生产中广泛应用（Song 等，2020）。其中植物多糖具有抗氧化、改善代谢、促进生长、提高免疫力、降低疾病发生率等多种生物活性（Ghasemian-Yadegari等，2019；Li等，2019；陈圣阳等，2016；杨玲等，2019）。植物多糖与肠道菌群二者之间相互作用，肠道微生物消化多糖，多糖为肠道菌群提供能量，植物多糖可以通过调节肠道菌群、代谢物和肠道组织形态改善动物健康状态（Liu等，2022；Fu等，2022；Sun等，2022）。甘草（Glycyrrhiza uralensis）作为传统中药，具有多种生物活性，可用于治疗脾胃虚弱、发热咳嗽、溃疡等疾病，其提取物广泛应用于食品业、保健品和医药领域。目前涉及植物多糖及甘草提取物的研究很多，对植物多糖生物学功能和对禽类的应用与影响方面较广泛，研究甘草提取物也多为黄酮类和三萜类皂苷成分，甘草多糖的报道较少，本文主要综述了植物多糖改善肠道健康的作用机制，重点从调节微生物的组成、微生物的代谢产物、改善肠道屏障三个视角阐述了其改善机制，并对甘草多糖在改善肠道和动物生产上的应用进行阐述，以期为甘草多糖后续应用提供参考。

1 植物多糖改善肠道健康的作用机制

1.1 微生物的组成调节肠道生理功能

肠道是代谢和物质交换的场所，对动物的生长发育有着重要意义。微生物群在代谢功能中有着重要作用，其中70%以上的微生物群生活在宿主的胃肠道中，肠道菌群的结构可以反映动物的消化和吸收能力（Pascale 等，2018）；维持肠道内环境稳定并促进宿主免疫系统的发育和成熟（Fang等，2019；Lozupone等，2012）；在吸收营养物质和动物健康生长中起着重要作用。

肠道微生物的组成改变可能使人类和动物产生多种疾病（Nakamoto等，2017；Yu等，2017；Daillère等，2016）。然而受动物机体表型、年龄、生理情况、遗传背景、养殖环境、饲粮成分、喂养方式等多种因素的影响，肠道菌群的组成也会不同。通常而言，若动物的遗传背景、养殖环境和方式一致，影响肠道菌群的关键则是饲粮的组成（Yin等，2018；Duan等，2019）。许多饲粮添加剂都可以改善动物肠道菌群，例如：饲料中添加丁酸钠可以调节肉鸡盲肠微生物群和肠道免疫相关基因表达，使肠道微生物菌群的丰度和多样性升高，更好地维持了肠道微生态平衡，正常生理功能得到了保障，肠道健康状况得到了改善，提升了肉鸡的生产性能（Bortoluzzi等，2017）。多糖作为一种天然饲料补充剂，通过调节肠道菌群，或增加碳水化合物活性酶（carbohydrate-active enzymes, CAZy）的基因表达量、生成短链脂肪酸来调节动物机体代谢，进而改善动物健康（黄媛媛等，2022）。多糖可以改变肠道微生物的多样性和数量，促进益生菌增殖，减少有害菌（Li 等，2020；Di 等，2018），肠道不同部位的菌群有一定的变化，不同种类的多糖结构也不相同，所以不同种类的多糖能够促进肠道不同部位菌群的生长（Xu等，2013；Tan等，2018）。许多植物多糖都可以改善肠道菌群，秋葵多糖、枸杞多糖和蒲公英多糖可显著提高小鼠肠道双歧杆菌和乳酸菌丰度，降低拟杆菌属、肠球菌属的丰度（Gao 等，2018；王莹等，2021）。黑木耳多糖（Zhao 等，2020；Zhao 等，2019）、肉苁蓉多糖（Zeng 等，2019）、霍山石斛多糖（Xie 等，2018）都可以降低小鼠厚壁菌门/拟杆菌门的值，增加拟杆菌等有益菌属丰度，降低致病菌丰度。

1.2 影响微生物的代谢产物，调节肠道生理功能

肠道微生物可以通过产生有益的代谢物和促进免疫调节功能来对宿主肠道的生理功能产生积极影响（Fan 等，2020）。肠道微生物能够将不能被机体直接消化吸收的多糖转化为单糖，反应生成可吸收的短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）和其他代谢物[主要包括甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）等]（Yu 等，2018）。在肠道菌群作用下，产生的SCFA主要是乙酸盐（醋酸盐）、丙酸盐、丁酸盐等生物活性分子，乙酸、丙酸主要来自于拟杆菌门代谢活动，丁酸则主要来自于厚壁菌门代谢活动（Levy 等，2016）。这些SCFA 不但可以作为宿主的主要能源，还可以作为信号分子直接向肠道受体发送信号（Levy 等，2016；Kimura 等，2014），将动物体内肠道微生物的代谢活动与能量稳态联系起来（Kimura等，2013）。此外，SCFA能维持上皮屏障功能、促进上皮细胞增殖、调节免疫反应，为结肠提供能量并预防结肠炎和结直肠癌，调节基因表达（Pryde等，2002；Pajak等，2007；Hamer等，2010）。

天然多糖可以对动物体内的代谢和代谢物进行调节，以控制体内的各种代谢过程。在肠道菌群的酵解作用下，产生的乙酸等短链脂肪酸，可以通过降低肠道pH影响肠道环境；也可以转化为CO2、氢气（H2）、CH4等次生代谢物，进一步被吸收利用并影响能量或物质代谢过程，改善宿主的健康状况（Ping 等，2020）。研究发现，菊粉、β-葡聚糖和低聚果糖类多糖可以增加丁酸含量；鼠李糖、鼠李半乳甘露聚糖类多糖可以增加丙酸含量；果聚糖、α-葡聚糖和阿拉伯糖基木聚糖类多糖增加乙酸含量（黄媛媛等，2022）。仙人掌茎多糖可以增强小鼠免疫力并通过调节肠道菌群来提高新陈代谢及改善肠道健康，从而改善小鼠健康（Liu 等，2022）。Gao 等（2018）研究证明，秋葵多糖可以提高昆明小鼠结肠内乙酸、丙酸和丁酸浓度。Deng 等（2020）在Ⅱ型糖尿病大鼠中，对魔芋葡甘露聚糖的理化性质、降糖作用及机制进行分析，发现它能改善6种糖尿病相关代谢产物。

1.3 改善了肠道屏障和免疫功能

肠道是消化吸收营养物质并参与循环代谢的关键场所，同时也是防止外来微生物、致病菌、病毒等危害机体的物质进入动物体内的天然屏障。肠道的四大屏障包括：上皮细胞为主的机械屏障（Khoshbin等，2020）、肠液、消化液及黏液层为主的化学屏障（Paone等，2020），内源性细菌构成的生物屏障和免疫细胞、免疫因子构成的免疫屏障（张德明等，2022）。肠道屏障受损会致使营养物质消化吸收发生紊乱，免疫功能低下，并引发各种疾病。一方面，植物多糖把肠道微生物作为媒介来改善免疫功能，研究证明乳酸杆菌等益生菌可使紧密连接蛋白的表达量提升，改善仔猪肠道屏障功能（Wang等，2018）；也可以通过微生物代谢产物短链脂肪酸来调节肠道功能和免疫功能，短链脂肪酸具有抗炎和维持肠道屏障功能的作用（Liu 等，2021）。另一方面，植物多糖直接通过调控核因子-κB、转化生长因子-β、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶、转录激活因子等信号通路来增强肠道屏障的相互联系并发挥各屏障的生理功能，有利于肠道结构和功能发育，维持动物肠道内微生物的动态平衡，提升动物生长性能和免疫功能（毛欣雨等，2022）。

陈丹等（2020）以免疫抑制小鼠为模型，研究茶树花水提物及其多糖对免疫调节及肠道微生物活性的影响，结果表明可以调节小鼠的肠道菌群和以乙酸和正丁酸为主的SCFAs含量，且改善肠道健康是茶树花多糖调控宿主免疫反应的关键途径。秋葵多糖也能够提高结肠内乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸含量，乙酸可以为肠上皮细胞提供能量并调节免疫细胞的活性（Al-Lahham 等，2010）；丙酸可以降低肝脏脂肪酸含量并改善胰岛素敏感性（Li 等，2020）；丁酸可以依靠紧密连接蛋白和黏蛋白去保障屏障的完整性（Schulthess 等，2019）。Roselli 等（2022）在溃疡性结肠炎（ulcer colitis，UC）肠道细胞的体外模型中研究了低聚半乳糖（galacto-oligosccharides，GOS）的抗炎活性，发现GOS 能够抵消葡聚糖硫酸钠（dextran sulfate sodium salt，DSS）对细胞通透性的不利影响。黄芪多糖、党参多糖的联合使用可以减轻结肠炎小鼠结肠黏膜损伤（Tang 等，2021）；木耳多糖也可以减轻小鼠结肠炎（Zhao 等，2020）。Szx 等（2019）证明霍山石斛多糖可以调节小鼠肠道黏膜结构，促进β-防御素、黏蛋白-2与免疫球蛋白A（sIgA）的分泌和表达，增强化学屏障。Liao 等（2020）证明黄芪多糖可以改善雏鸭肠道黏膜形态，增加黏膜免疫细胞数量，促进肠道细胞因子和sIgA 的分泌。不同的多糖还可以改善不同部位肠道的功能，魔芋葡甘露聚糖能够增强结肠完整性（Deng 等，2020）；黄芪多糖和低聚木糖共同作用可以增加十二指肠糖皮质激素（glucocorticoid，GCS）数量、改善回肠形态（Wang等，2020）；秋葵多糖（Gao等，2018）可以增加结肠黏膜和肌层厚度，缩短胃肠道通过时间。此外，Wu 等（2017）研究证明猴头菇多糖能提高肠道的绒毛高度/隐窝深度值，增加动物肠道的表面积。

2 甘草多糖的化学结构

甘草多糖是一种杂多糖，主要分为胀果甘草多糖、光果甘草多糖、乌拉尔甘草多糖（朱韵辰等，2021），不同来源的甘草多糖的单糖组分不同，但都是以葡萄糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖和阿拉伯糖为主（张铭儒等，2022）。甘草多糖分子结构上特点包括：高度分枝，具有柱状、环状或者近似螺旋的糖链结构（孙润广等，2006），糖链与结合蛋白之间以—O—键进行连接（史坤，2008）。

早在20世纪90年代，Shimizu等（1992）采用受控的Smith 降解、有限的水解、限制水解甘草多糖，研究结果证明，以β-1,3-D-半乳糖组成的主链为核心结构，主链上带有侧链，侧链由半乳糖残基组成的。孙润广等（2006）通过原子力显微镜观察甘草多糖的形态结构，发现甘草多糖的核心结构组成主要有以下三种：葡萄糖作为主链的单一结构，由α-(1,4)糖苷键进行连接；1,3-D-半乳糖作为主链，主链上某单元连接一个侧链分支，分支由1,6-半乳糖残基构成或主链上所有单元6位连接侧链分支，侧链由α-1,5-L-阿拉伯糖残基构成。不同来源的甘草多糖之间也存在差异，野生甘草多糖两个组分的相对分子量分别为0.1 ku和34.1 ku；栽培甘草多糖相对分子量为25.1、212.0 ku，单糖的主要组分仍是甘露糖和葡萄糖（何培新等，2016）。

多糖的生物活性主要取决于分子结构，主链单元、糖苷键、支链类型及聚合度、顶端构型等都可以影响活性。甘草多糖的结构与生物活性也存在关联性。帕丽达·阿不力孜等（2018）以胀果甘草中活性果胶多糖为研究对象，研究构效关系，发现体外免疫和抗肿瘤活性的表达与结构中的鼠李糖和中性糖支链、半乳糖醛酸核心和糖醛酸基团等活性片段存在相关性。

3 甘草多糖在改善肠道及动物生产上的应用

甘草多糖和其他植物多糖相似，都具有促生长、抗炎、抗氧化、抗肿瘤（马璐等，2020；李建房等，2022）、增强免疫、改善肠道健康和提高肠道营养吸收的作用（黄静，2020）。在健康肉鸡的饲粮中添加不同剂量甘草多糖，发现饲粮添加500 mg/kg组、1 000 mg/kg组在提高肉鸡平均日增重、降低料重比、提高生产性能方面最明显，同时甘草多糖能够提高免疫器官指数，提高免疫球蛋白和细胞因子浓度（陈文彬，2022）。以断奶仔猪为研究对象，发现甘草多糖可以降低仔猪死亡率，改善仔猪皮毛发育状况，提高仔猪生长性能、血液参数和免疫力健康状况（Li等，2022）。

甘草多糖能够通过调节肠道微生物及其代谢产物调节肠道功能去提高动物生产性能。董永军等（2012）发现甘草多糖被肉鸡肠道内细菌消化利用后，双歧杆菌、乳酸杆菌等有益细菌大量繁殖。乳酸杆菌可以增强肠道屏障效应（Li等，2017）并产生有助于维持肠道健康和调节免疫功能的乳酸（Sun等，2022）；释放胆汁盐水解酶，降低胆汁盐的活性，减少脂质吸收并影响肠道功能（Joyce 等，2014；Yao 等，2018）。双歧杆菌能改善短链脂肪酸产率和碳水化合物利用率（Turroni 等，2016）；例如长双歧杆菌可以将阿拉伯木聚糖代谢为乙酸盐（Rivière 等，2015）。Zhang 等（2018）证明甘草多糖能调节肠道菌群并抑制肿瘤生长和转移，肠杆菌属、瘤胃菌属、瘤胃梭菌属、毛螺菌科等可能是肠道微生物的潜在靶标。此外，硒化甘草多糖能够增加雏鸡空肠、回肠及盲肠中脂肪酶、淀粉酶、胰蛋白酶含量，提升十二指肠的消化酶含量和活性，增强消化吸收（武梦丽等，2021），还能够通过改善十二指肠、空肠和回肠的隐窝深度和绒毛高度来促进雏鸡肠道发育（王虹等，2021）。在断奶仔猪饲粮中添加甘草多糖，进一步证实甘草多糖能够增加盲肠微生物菌群的丰富度与多样性，提高厚壁菌门相对丰度，降低变形菌门相对丰度；促进乳杆菌属等有益菌的生长，减少大肠埃希氏菌属、志贺氏菌属等有害菌的生长，调节肠道微生态平衡，改善肠道健康（赵鹏力，2022）。

甘草多糖可以通过提高肠黏膜组织紧密蛋白ZO-1 表达量，降低肠道的通透性，改善机械屏障，预防肠道炎症（李发荣等，2020）。黄静等（2020）以感染产肠毒素大肠杆菌的仔猪为研究对象，发现感染后肠道上皮细胞受损，降低细胞活力，甘草多糖可通过抑制Toll 样受体2（TLR2）等受体来抑制促炎因子的表达，减少肠道上皮细胞炎症，维持细胞正常活力。在肉鸡饲粮中添加甘草多糖，证明甘草多糖可以促进肠黏膜sIgA 的分泌，小肠绒毛高度增加，隐窝深度变浅，V/C 值升高，明显改善了小肠的肠道形态（陈文彬，2022）。

4 结语

在全面禁止畜牧生产过程中添加抗生素的环境下，植物多糖作为抗生素的替代品，可与肠道及菌群相互作用，改善动物健康状态。甘草多糖作为植物多糖的一种，可以通过调节炎症细胞因子、肠道微生物群及其代谢物、保护肠黏膜屏障来改善动物健康，为助力畜牧生产和防治肠道疾病提供新的解决方案，具有广阔应用前景。