日粮中木聚糖、低聚木糖和木聚糖酶对单胃动物肠道健康和生长性能的影响(续1)

张相鑫 译自Animals，2021，11（3）：609

靳文广 校  王晶晶 审  孟祥光 制图表

摘  要：低聚木糖是由木糖单元组成的糖低聚物，可以从生物材料中提取和纯化，用作单胃动物饲料的益生元。低聚木糖也可以在动物肠道或体外通过水解木聚糖获得。本综述章节讨论了低聚木糖可以从含木聚糖的木质纤维素（如农作物秸秆、木材和草本生物质）中提取，还总结了低聚木糖对猪和家禽的生长和健康影响的研究现状。在不同生产阶段以及不同的低聚木糖纯度和聚合度下，添加低聚木糖似乎对猪和家禽都有益处；然而，还需要进一步的研究来阐明合适的剂量、纯度和聚合度，从而对每个物种的肠道健康和生产性能产生益处。

关键词：肠道健康；生长性能；家禽；益生元；猪；低聚木糖

中图分类号：S815 文献标志码：C 文章编号：1001-0769（2023）05-0098-05

3  低聚木糖的生产

低聚糖是由α或β糖苷键将单糖连接组成的短链聚合物。低聚木糖是一种新兴的益生元，通过对木质纤维素材料进行化学和/或酶促反应而产生。在用木质纤维素材料生产低聚糖的预处理阶段，大量不溶性半纤维素从纤维素微纤丝表面分离，并降解为大量可溶性低聚糖。低聚糖的数量和结构取决于预处理方法以及提取过程的严重程度。低聚木糖的生产方法有很多种，首先通过将木质纤维素材料在水或蒸汽中加热进行自水解、利用无机酸稀溶液进行化学处理、直接酶水解或利用化学分馏等方法分离木质纤维素材料中的木聚糖，然后通过酶水解将木聚糖转化为低聚木糖。

Nabarlatz等和Yang等证明，通过蒸汽和酸处理提取木聚糖可产生大量单糖及其脱水产物。蒸汽自水解或降解木聚糖可通过木聚糖的脱乙酰化增加乙酸的产量，反之又可水解木质纤维素材料中存在的半纤维素。尽管自水解提取方法避免了腐蚀性化学物质的使用，这对消费者来说是有利的，但该工艺需要能够在高温下操作的特殊设备，并且会产生大量不需要的副产物。通过水或蒸汽处理形成的化合物种类很多，包括单糖、乙酸、母液中的木质素馏分、糠醛、无机成分和蛋白质衍生产品。自水解液的精制必须通过去除单糖和非糖成分来完成，以获得尽可能高浓度的低聚木糖产品。乙醇、2-丙醇和丙酮已用于溶剂萃取和沉淀来精制低聚木糖；这些化合物有助于去除自水解液中的非糖成分，并产生溶剂可溶的馏分，包括酚类和萃取衍生化合物以及精制的水溶性馏分。纯度和回收率不仅取决于所用溶剂的类型，还取决于所用木质纤维素材料的类型，因为这些决定了低聚木糖的取代方式和非糖成分的存在。乙醇的纯化效果好，但回收率低。利用自水解生产低聚木糖的方法可用于很多饲料和生物原料，如玉米芯、大麦壳、啤酒糟、稻壳、玉米纤维、硬木和软木。

碱性或稀酸性介质也可通过水解用于生产低聚木糖。生产低聚木糖最常用的酸是稀硫酸（0.1～0.5 M）。酸的浓度、温度和反应时间可决定所生产的低聚木糖的聚合度分布，而單糖的产量由木质纤维素材料中木聚糖的结构和组成决定。使用酸水解生产低聚木糖的优点是工艺简单且快速。Akipinar等报道，稀酸水解的反应时间仅需几分钟，而使用酶水解产生相同低聚木糖转化率则需要数小时。但是，酸水解的缺点是低聚物的产量比单糖低，并且会产生糠醛等不需要的副产物。去除这些副产物的方法有膜分离法和吸附色谱法。

可使用NaOH、KOH和Ca（OH）2等碱性化合物或这些化合物的混合物，从木质纤维素材料中提取木聚糖，然后通过具有低外切木聚糖酶和/或β-木糖苷酶活性的木聚糖酶将木聚糖转化为低聚木糖。利用酶水解生产低聚木糖的原料有棉花秆、玉米秸秆、小麦秸秆、燕麦秸秆、山毛榉木和硬木。与自水解提取相比，酶水解的优点是产生的不需要的单糖和其他副产物产量低，而且不需要特殊的设备。不过，与自水解或酸水解相比，酶水解的反应时间较长。

研究人员最近对益生元产业在科学研究和食品应用方面产生了兴趣，这促进了益生元分类的不断发展。Gibson等认为，益生元是一种选择性发酵成分，可以使胃肠道微生物区系的组成和/或活力发生特定变化，从而产生益处。木二糖的特征在于其结构中有两个木糖残基；木三糖有三个木糖残基，以此类推。在低聚木糖生产中，木糖残基的数量通常从2到10不等，木聚糖的来源和提取方法会影响低聚木糖的聚合度、单糖和连接类型。这些变化可能会对低聚木糖的益生元活性产生很大影响，因为Okazaki等证明，聚合度对动物肠道中双歧杆菌的活力有显著影响。与较长链的低聚木糖相比，木二糖和木三糖对双歧杆菌的生长更有效。这很重要，因为低聚木糖混合物的成分差异很大，在发酵方面可能有不同的剂量要求和选择性。

4  低聚木糖对动物肠道健康和生产性能的影响

猪和家禽的胃肠道中含有大量的免疫组织，占机体免疫细胞总数的70％以上。除了防止毒素和潜在病原体对肠道的有害影响外，胃肠道存在如此大量免疫细胞对选择性吸收营养物质至关重要。常用术语“肠道健康”是一个复杂而全面的定义，由五个不同的领域组成：（1）营养均衡的饲料，为动物提供所需的全部营养物质和能量；（2）强健的黏膜层，保持肠道完整性；（3）适当的免疫反应；    （4）肠道运动和神经内分泌功能；（5）平衡的肠道微生物区系，维持稳定健康的肠道环境。胃肠道的物理屏障包括上皮细胞、细胞间紧密连接和黏液；化学和免疫屏障包括溶酶体和蛋白水解酶等分泌物以及胃酸。结构屏障内的紧密连接蛋白在两个肠细胞之间形成密封，有助于调节肠道通透性。肠黏膜免疫调节通常由单层上皮细胞控制，这些上皮细胞是肠腔内容物和富含淋巴细胞的固有层之间的屏障。这些上皮细胞可以通过模式识别受体识别抗原和细菌脂多糖，并通过局部肠道免疫细胞分泌的各种趋化因子和细胞因子做出反应。这种结构屏障的破坏被称为渗透性过高或肠漏综合症。

当肠道健康受到免疫刺激成分和/或外源性多糖的威胁时，动物的饲料效率和生产性能就会受到影响，最终导致经济效益下降。添加低聚糖有助于减少免疫反应刺激，减轻日粮纤维源中的聚合物对动物肠道健康造成的不利影响。低聚木糖能抵抗唾液水解以及胃和胰腺分泌物催化的水解，从而通过小肠进入猪的结肠或家禽的盲肠，为微生物发酵提供底物。木聚糖的低聚糖和多糖形式在功能上区别在于，低聚木糖不会形成交联，并且不会刺激免疫受体。因此，可以推测，低聚木糖可能有助于减少对单胃动物免疫反应的刺激，从而限制与维持免疫反应相关的代谢成本。表3列出了近年来关于添加低聚木糖对猪和家禽生产性能和健康影响的研究。

宿主和肠道微生物不断相互作用，从而调节宿主的各种生理反应和功能。几项研究表明，木聚糖衍生的功能性低聚糖可以改变单胃动物肠道中的微生物生态。在一项研究中，Okazaki等将不同聚合度的低聚木糖（聚合度为1的木糖、聚合度为2的木二糖、聚合度为3的木三糖）和其他糖类的混合物，与青春双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis）、婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis）和长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）以及其他微生物一起进行体外发酵。该研究报道，青春双歧杆菌可以很好地利用木二糖和木三糖。青春双歧杆菌、婴儿双歧杆菌和长双歧杆菌可以大量利用以木二糖组成为主的低聚木糖。除發酵乳酸杆菌外，其他乳酸杆菌只能少量利用低聚木糖。研究还发现，葡萄球菌和大肠杆菌没有将低聚木糖作为能源，但能很好地利用葡萄糖，而大多数梭状芽孢杆菌不能利用低聚木糖。然后，用低聚木糖在人类上进行的体内试验发现，在补充低聚木糖后（2 g/d）的第2周，双歧杆菌的数量从10％（补充低聚木糖前）增加到32％。此外，补充低聚木糖还降低了粪便的pH，并使粪便的含水量保持在正常范围内，这都有助于为肠道建立一个适合的环境。

此外，一项试验研究了猪粪便微生物对不同低聚糖的发酵特性。该试验评估的低聚糖包括短链、中链和长链低聚果糖以及水苏糖、棉子糖、反式低聚半乳糖、葡寡糖、甘露寡糖和低聚木糖。该研究报道，低聚木糖在发酵8 h和12 h时产生的pH最低，其次是葡寡糖。这些数据表明，与测试的其他低聚糖相比，大肠中的细菌可能能更好地利用低聚木糖底物。此外，在所有测试的低聚糖中，低聚木糖发酵产生的短链脂肪酸总浓度最高。产生短链脂肪酸的重要性不容低估，因为短链脂肪酸在猪的总维持能量中所占比例达到28％。在人类上进行的一项研究表明，补充低聚木糖4周后，高剂量（2.8 g/d）组肠道中的双歧杆菌数量比基准增加了21％，补充8周后比基准增加了17％。该研究还报道，高剂量组中脆弱拟杆菌（B. fragilis）的数量增加；然而，乳酸杆菌的数量没有增加。在细菌属水平上，补充高剂量低聚木糖的受试者体内粪杆菌属（Faecalibacterium spp.）和阿克曼菌属（Akkermansia spp.）的细菌数量显著增加。粪杆菌属细菌可以产生丁酸，已知在肠道内具有抗炎特性。阿克曼菌属细菌是一种黏蛋白降解菌，可以改善肠道健康。Jaskari等和Van Laere等研究发现，来源于燕麦的低聚木糖不仅能被双歧杆菌发酵，还能被拟杆菌属（Bacteroides spp.）、嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和梭菌属（Clostridium spp.）的细菌发酵，而且低聚木糖作为底物时可促进这些细菌适度增殖。

Pan等评估了日粮中添加低聚木糖对生长育肥猪体内微生物活力和浓度的影响。结果发现，在生长育肥阶段添加100 g/t低聚木糖会增加乳酸杆菌的相对丰度，提高短链脂肪酸和生物胺的水平。100 g/t低聚木糖组生长育肥猪肠道中乙酸、丙酸和短链脂肪酸的水平显著高于未添加组生长育肥猪肠道中的；该研究认为，某些细菌（如乳酸杆菌）在短链脂肪酸的产生中起着关键作用。Azad等证明，与添加抗生素（0.04 kg/t维吉尼霉素和0.2 kg/t黏菌素）相比，添加低聚木糖显著提高了猪体内有益菌的相对丰度，如粪球菌属、乳杆菌属、罗氏菌属和瘤胃球菌属的细菌，此外，还提高了肠腔中短链脂肪酸的浓度，他们的结论是这有利于肠道健康。在一项相似的研究中，Liu等研究了日粮中添加益生菌或低聚木糖对断奶仔猪营养物质消化率、有害气体排放和肠道健康的影响。结果显示，连续28 d添加200 mg/kg的低聚木糖可提高断奶仔猪的平均日增重（17％），改善料肉比（14％），此外还能降低粪便中NH3的浓度。相反，Yin等报道，日粮中添加低聚木糖对断奶仔猪的生长性能和生化参数没有影响，但显著提高了肠道微生物区系的α多样性。作者将生长性能的差异部分归因于研究中使用低剂量的低聚木糖（0.01％），并建议进一步研究以确定用于断奶仔猪的最佳剂量。

Madhukumar等评估了双歧杆菌属、乳酸杆菌属和片球菌属中不同的菌株利用鹰嘴豆皮和麦麸中低聚木糖的能力。研究表明，所有试验的菌株都能很容易地利用低聚木糖；这是由培养液的浊度，木聚糖酶、木糖苷酶和阿拉伯糖苷酶活性，干细胞质量和短链脂肪酸产量增加而得出的结论。在所试验的微生物中，短乳杆菌NDRI菌株RTS和戊糖片球菌NCDO 813能更有效地利用麦麸和鹰嘴豆皮中的低聚木糖。在这两种菌株之后的是青春双歧杆菌NDRI 236、两歧双歧杆菌ATCC 29521、两歧双歧杆菌NCDO 2715、戊糖片球菌ATCC 8081和植物乳杆菌NDRI 184。这些发现与之前的研究一致，表明双歧杆菌属细菌能有效发酵低聚木糖。双歧杆菌属和乳酸杆菌属等有益菌可以产生能降解碳水化合物和发酵非消化性低聚糖的酶；通过发酵产生的短链脂肪酸可为宿主提供能量，并有助于肠道酸化。发酵引起的短链脂肪酸产量增加还会降低肠道pH，这会促进有益微生物增殖，从而抑制潜在致病菌的增殖。

Lin等进行了一项随机对照试验，以评估补充低聚木糖（1.2 g/d）6周后对健康人类志愿者粪便微生物的益生作用。结果表明，补充低聚木糖显著增加了粪便中双歧杆菌、乳酸杆菌的数量，并减少了产气荚膜梭菌的数量，但对厌氧细菌的总数没有影响。产气荚膜梭菌是有害菌，因为它是一种机会致病菌，能导致食物中毒和坏死性肠炎。Uzal等认为，产气荚膜梭菌数量减少的原因是短链脂肪酸产量增加，从而导致肠道pH降低。Hsu等评估了日粮中添加低聚木糖和低聚果糖对雄性大鼠盲肠微生物群区系、盲肠pH、盲肠重量、血脂水平的影响，以及对结肠癌病变前的抑制作用。这些研究人员发现，与对照组大鼠相比，日粮中添加60 g/kg低聚木糖或低聚果糖35 d后显著增加了大鼠肠道双歧杆菌的数量，降低了盲肠pH；与添加低聚果糖组的大鼠相比，添加低聚木糖组大鼠结肠壁和盲肠壁的相对重量更重，双歧杆菌的数量更多。他们认为，盲肠和肠壁重量增加是因为短链脂肪酸产量增加导致上皮细胞增殖正常化。Howard等获得了与上述研究一致的结果，并指出日粮中添加低聚木糖增加了大鼠盲肠壁密度，这是由于上皮细胞增殖增强。Tomomatsu等报道，低聚果糖在人类上的有效日剂量为3.0 g/d，但低聚木糖仅为0.7 g/d，这表明低聚木糖可能比低聚果糖更有效。补充低聚木糖还可以改善肠道功能、钙吸收和脂质代谢，同时降低心血管疾病和结肠癌的发生率。研究表明，与低聚果糖相比，低聚木糖在巴氏灭菌过程中更耐高温，可在更低的pH下进行高压灭菌，而低聚果糖在较高温度和较低的pH下更容易降解。这意义重大，因为从理论上讲，低聚木糖应比低聚果糖对常见的饲料加工工艺（如膨化和制粒）更加耐受，更易储存。

未完，待续。

原题名：Friend or foe？ Impacts of dietary xylans， xylooligosaccharides， and xylanases on intestinal health and growth performance of monogastric animals（英文）

原作者：Jonathan T Baker、Marcos E Duarte、Debora M Holanda和Sung Woo Kim