甘露寡糖的生理功能及其在畜禽生產中的研究進展

劉事奇， 賀宇佳， 沈煜政， 李柏珍， 伍樹松*

（1.湖南農業大學動物科學技術學院，湖南長沙 410128；2.湖南農業大學動物醫學院，湖南長沙 410128）

甘露寡糖（MOS）又稱甘露低聚糖、葡甘露寡聚糖，其是從酵母培養細胞壁中提取的一類抗原活性物質，廣泛存在于多種微生物細胞壁內，以及田菁膠、魔芋粉、瓜兒豆膠等植物的種子和塊莖中。有研究發現，MOS具有多種生物學活性，可增強動物免疫、調節糖脂代謝和維持腸道健康，并具有促生長和抗氧化等作用 （Wang等，2018；李玉欣，2015）。MOS安全無毒，并具有低熱、穩定等良好的理化性質，與其他添加劑產品聯用不會產生不良作用，國內外已將其作為添加劑廣泛應用于食品和動物飼料中（趙曉峰，2008）。本文通過綜述MOS制備方法、生理功能及其在畜禽生產中的研究進展，以期為進一步探索其在畜禽生產中的應用提供參考。

1 甘露寡糖的理化性質

MOS屬寡糖的一類，由幾個甘露糖分子或甘露糖和葡萄糖主要通過α-1，2糖苷鍵、α-1，3糖苷鍵、α-1，6 糖苷鍵、β-1，4 糖苷鍵或 β-1，3 糖苷鍵連接而成（姚喜梅，2011）。不同來源的MOS理化性質有所區別，MOS易溶于水，不溶于有機溶劑，和有機溶劑共存可產生沉淀或結晶。MOS有一定黏度，且黏度與溫度成反比關系，另外，當pH為1.5～3時，黏度上升；pH為3～9時，黏度比較穩定（陳小瑛，2017）。某些分子量為20～2000萬的MOS具有一定凝膠方面的作用 （楊華等，2005）。MOS結構性質較穩定，含有大量不能被淀粉酶水解的化學鍵，以多糖混合物的形式存在（梁永等，2013）。

2 甘露寡糖的制備方法

目前MOS的主要制備方法有：（1）降解法，如酶降解法、氧化酸化降解法、超聲波降解法和輻照改性降解法等；（2）合成法，如微波固態合成法。由于合成法成本高、技術難度大，目前工業生產MOS多采用降解法。

2.1 降解法 多糖在190℃條件下可發生自動水解（Carvalheiro等，2004），通過電離輻射如 c射線、微波和水熱處理可發生解聚（Devin等，2010；Singh 等，2009）。弱酸（H2SO4）可將含羞草種子的半乳甘露聚糖水解成 MOS（Joana等，1995）；強堿（NaOH）可水解解聚植物細胞壁的甘露聚糖，用強酸（HCl）進一步中和可以生產甘露寡糖（Mia等，1995）。降解法制備MOS分為制備甘露聚糖和降解甘露聚糖兩步。李潁等（2015）采用熱水浸提法制備葡萄酒泥酵母甘露聚糖，最優提取工藝條件為：料液比 1∶23（g/mL）、浸提溫度 124 ℃、浸提時間5 h、浸提次數3次，甘露聚糖得率為14.27%。甘露聚糖的降解方法因其來源不同而有所差異，劉紫征（2016）采用單因素試驗和正交試驗發現，酶解（β-甘露聚糖酶）制備MOS的最佳反應條件為：降解溫度50℃、降解pH 5.5、反應時間2 h、酶底比150 U/g，目標MOS得率為65.72%。陳小瑛 （2017）通過正交試驗，確定從廢棄酵母制備MOS的最佳工藝條件為：木瓜蛋白酶濃度2.25‰、酶解時間6 h、堿溫度45℃、堿解時間5.5 h和液堿物質的量濃度0.5 mol/L；通過平行中試測得MOS平均得率為2.14%，平均含量為40.96%。

2.2 合成法 以單糖或雙糖為底物，微波固態合成低聚糖反應速度快，合成產率高且清潔無污染。李新明（2008）發現，以甘露糖和葡萄糖為反應物微波固態合成MOS的最適反應條件為：微波功率1000 W、微波處理時間4 min、引發劑添加量15%、催化劑添加量3%，合成產率為86.50%。高效液相色譜分析初產物MOS成分：單糖占13.50%，二糖占3.82%，三糖占7.56%，四糖占6.84%，五糖占4.77%，六糖占5.54%，七糖及以上占57.97%。

3 甘露寡糖主要的生物學功能及其作用機制

3.1 抗氧化 反應性活性氧簇（ROS）作為機體內最常見的自由基，包括超氧離子（O2-）、羥自由基（·OH）和單線態氧等，自由基過多會對機體造成危害。細胞內游離的Fe2+與·OH反應生成ROS（徐文哲，2018），Fe2+的沉積可導致氧化應激。MOS具有清除自由基的作用（和智坤等，2013）。楊學山等（2015）通過體外試驗發現，MOS 對·OH、O2-、二銨鹽 （ABTS＋·）、1，1-二苯 基-2-三硝 基苯 肼（DPPH）自由基和螯合Fe2+均具有良好的清除效果。李新明（2008）經動物試驗發現，MOS通過增加過氧化氫酶（CAT）、超氧化物岐化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）、Na+-K+-ATP酶的活性和谷胱甘肽（GSH）的含量，增強小鼠總抗氧化能力（T-AOC）。丙二醛（MDA）是脂質過氧化產物，具有細胞毒性，MDA的含量可反映脂質過氧化及氧化應激水平 （Quan等，2014）。郭云貴等（2010）研究表明，MOS可顯著降低三黃雞血清、肝臟、心肌和肌肉MDA含量。因此MOS作用機制可能是通過自身的理化性質與細胞中的自由基等反應（張帥，2018），起到清除自由基的作用，發揮抗氧化功能；另一方面，MOS可激活體內的抗氧化酶系統，提高抗氧化酶活性和抗氧化物含量，并抑制脂質過氧化，進而維持機體抗氧化平衡。

3.2 免疫調節 MOS本身為抗原活性物質，具有一定免疫原性，可誘導機體產生免疫應答（李國輝等，2017），并且能作為外源抗原的佐劑與某些毒素、病毒和真菌細胞表面結合（寇慶等，2012），以增強機體對抗原的免疫應答或改變免疫應答類型，從而增強動物機體的細胞和體液免疫。MOS除了具有輔劑和抗原特性，還能和免疫細胞表面蛋白質受體發生反應，干預淋巴結和黏膜固有層記憶細胞上的信號系統以發揮免疫調節作用 （陳小兵等，2005），并可以通過激活補體系統提高天然抗感染免疫的功能（熊阿玲，2014）。

3.2.1 提高非特異性免疫和特異性免疫 一方面，MOS通過提高免疫器官指數和促進天然免疫相關基因表達（熊阿玲，2014），提高機體非特異性免疫功能；另一方面，MOS可促進T、B淋巴細胞增殖、提高 CD4＋/CD8＋比值（李新明，2008），激活Toll樣受體（TLR）信號通路關鍵分子（段緒東，2013），進而提高機體特異性免疫。研究表明，MOS可顯著提高小鼠吞噬細胞吞噬指數、紅細胞計數、胸腺指數和50%CH50的含量，增強動物體的非特異性免疫（沈文康等，2015）。MOS能不同程度地上調肉雞組織天然免疫相關基因AvBD9、TLR2、TLR4和Cath-B1的表達，通過提高肉雞組織TLRs表達并由TLRs介導上調p-防御素和Cathelicidins等抗菌肽表達而提高肉雞天然免疫防御功能（熊阿玲，2014）。李新明（2008）研究表明，動物經衰老造模后，組織各項免疫指標顯著下降，MOS可顯著提高衰老小鼠的肝臟、腎臟、脾臟和胸腺指數以及血清中免疫球蛋白IgA、IgG和IgM水平；在刀豆蛋白A（ConA）刺激下，MOS使胸腺T細胞的增殖指數和脾臟淋巴細胞轉化率顯著提高，從而提高衰老模型小鼠的體液免疫和細胞免疫水平。另外，MOS一方面可激活TLR信號通路關鍵分子，提高仔豬空腸組織免疫反應的靈敏性，另一方面可通過抑制腸系膜淋巴結中TLR信號通路的過度激活，最終改善仔豬的腸道免疫（段緒東，2013）。

3.2.2 抗炎癥 炎癥是損傷因子誘導機體所發生的防御反應。一般情況下，炎癥反應是由外源性物質和組織損傷產物誘發，并伴隨著促炎細胞因子的產生、免疫細胞的募集和活化以及自由基的產生。白細胞介素（IL）為免疫因子，包括 IL-2、IL-4、IL-10等，可下調炎癥介質因子促進機體免疫反應（Liang 等，2012）。 Che等（2013）研究發現，MOS可提高血清IL-10含量和白細胞、淋巴細胞數量，降低機體炎癥反應的強度。在葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導的急性結腸炎小鼠模型中，MOS使結腸黏蛋白2表達正?；p弱促炎細胞因子IL-1α，IL-1β，IL-6 和單核細胞趨化蛋白 （MCP）-1以及Toll樣受體TLR4和NLRP3炎性小體的局部表達。MOS保護作用可能是通過局部巨噬細胞直接介導的，在脂多糖（LPS）誘導的小鼠巨噬細胞（RAW264.7）模型中，MOS 可以抑制 IL-1α、IL-1β、IL-6和粒細胞集落刺激因子（G-SCF）的產生（Szilamer等，2016）。 可見，MOS 通過調節非免疫和免疫基因表達，可促進免疫因子產生，進而發揮抗炎功效。

絲裂原活化蛋白激酶（MAPKs）和核轉錄因子-κB（NF）是調節炎癥反應的重要下游信號傳導通路（Kim等，2006）。炎性介質過量可使NF-κB活化，使其脫離抑制蛋白-κB（IκB），并進入細胞核誘導炎性介質基因的表達，從而加重炎癥反應（Joel等，2002）。而 MAPKs家族蛋白 ERK、JNK 和p38調節炎癥反應時是針對NF-κB的調節介質（Matthew 等，2014）。 據 Zhou 等（2015）報道，MOS可顯著降低LPS與小鼠巨噬細胞RAW 264.7細胞表面的結合以及LPS誘導的TLR4和分化簇（CD）14的表達；顯著抑制 LPS誘導的 RAW 264.7細胞 NF-κB和 MAPKs的激活途徑，MOS通過阻斷NF-κB和MAPKs的激活而減少LPS引起的炎癥反應。另外，MOS通過抑制由LPS誘導的腫瘤壞死因子 （TNF）-α和干擾素 （IFN）-γ的增加（Pourabedin等，2016），發揮抗炎功能。

3.3 調節微生物菌群和維持腸道健康 有研究發現，MOS在體外具有良好的抑菌效果（Bozkurt等，2016；杲龍，2016）。MOS通過促進乳酸桿菌產生乳酸來降低pH，從而有效地抑制致病性大腸桿菌的生長（杭蘇琴，2007）。在沙門氏菌（或大腸桿菌）與Caco-2細胞的黏附和抑制黏附試驗中，MOS具有抑制沙門氏菌和大腸桿菌黏附的作用，且濃度為0.0005～0.005 mol/L時MOS對沙門氏菌的抑制存在劑量效應，抑制黏附效果為：α-甘露二糖＞β-甘露二糖≥甘露葡二糖（杲龍，2016）。

腸道作為機體內最大的免疫隔室，具有預防黏膜感染和調節微生物定植等功能 （Mehmet等，2010）。MOS可增加腸道中雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益菌數量（劉紫征，2016），減少大腸桿菌等有害菌數量（劉衛東等，2011），并提高腸道微生物的多樣性（Hang等，2012），進而改善腸道菌群組成。王洪善等（2018）研究發現，MOS能夠選擇性地調節一些微生物，顯著提高艾克曼菌、乳酸菌和雙歧桿菌等益生菌的相對豐度。另外，MOS可修復腸道損傷，維持腸道健康。李玉欣（2015）研究發現，在大腸桿菌攻毒試驗中，MOS降低未攻毒時腸道黏膜中TLR4和IL-1β的mRNA表達量，增加大腸桿菌攻毒后上皮細胞間淋巴細胞和杯狀細胞數量，MOS通過調節腸道黏膜細胞因子的基因表達和改變腸道免疫細胞數量來提高機體局部免疫反應，進而維持腸道健康。緊密連接是腸黏膜上皮細胞之間主要連接方式，對維持腸黏膜屏障機械結構的完整和正常功能具有重要作用（陳婷，2016）。最重要的三種緊密連接蛋白是ZO-1、Occludin和Claudins（Zhang 等，2015）。 吳士（2017）研究發現，MOS對腸上皮細胞具有一定修復功能，與LPS損傷組相比，MOS使Caco-2細胞活性顯著上調，IL-6、TNF-α、IL-1β mRNA 表 達 顯 著 下 調 ，Claudin-1、ZO-1、MUC-2 mRNA 表達顯著上調，ZO-1蛋白表達上調，這表明MOS能對LPS引起的Caco-2細胞損傷進行修復。

3.4 調節糖脂代謝 MOS具有調節糖脂代謝的功效。在高脂（HFD）小鼠模型中，MOS可降低肝臟和血清甘油三酯（TG）水平，顯著增加糞便TG含量以及排泄的脂肪含量（Izumi等，2006）。高啟禹等（2012）通過腹腔注射四氧嘧啶構建糖尿病小鼠模型發現，MOS可顯著降低小鼠的TG、血糖和膽固醇 （CHO）的水平，而高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）水平顯著升高，且高劑量的MOS降糖脂效果優于低劑量。腸道中的短鏈脂肪酸以乙酸、丙酸和丁酸為主。乙酸、丙酸和丁酸可通過調節宿主的能量攝取和消耗來控制體重（Dinesh等，2017），并有助于減輕高脂飲食造成的體重增長（Den等，2015）。王洪善等（2018）研究發現，MOS能夠顯著提高正常及高脂飲食小鼠盲腸中乙酸、丙酸和丁酸的含量，有效減緩高脂飲食造成的小鼠體重增長，提高小鼠腸道菌群脂代謝的能力。Silvia等（2015）研究發現，MOS可促使機體優先保留長鏈多不飽和脂肪酸（LC-PUFA），降低作為β-氧化底物的脂肪酸水平，借以改變肝臟和肌肉脂肪酸成分，這與肝臟中去飽和酶基因表達降低有關。此外，MOS可通過影響腸相關淋巴組織相關參數和調節肌肉和肝臟中的脂質代謝來促進LC-PUFA積累以及β-氧化。 瘦素是一種主要由脂肪細胞產生的蛋白質，其可通過抑制饑餓來調節能量平衡。Wang等（2018）研究發現，HFD小鼠瘦素基因轉錄水平顯著升高，而添加MOS使瘦素基因轉錄水平顯著降低，進而抑制HFD小鼠的體重增加和脂肪蓄積；另外，MOS可通過降低HFD小鼠脂聯素基因轉錄水平來減輕HFD誘導的胰島素抵抗和葡萄糖不耐受。

4 甘露寡糖在畜禽生產中的應用現狀

4.1 在豬生產中的應用 在豬生產中，MOS具有促進生長、改善飼料報酬、增強動物免疫、提高抗體效價和改善肉品質等作用 （Porntrakulpipa等，2016；Su 等，2016）。Zhao 等（2012）研究發現，添加0.1%MOS不僅能顯著改善斷奶仔豬的生長性能，還能顯著提高干物質和氮的消化率，顯著降低仔豬的腹瀉率。另外，有報道指出MOS并不能改善動物的生長性能（Hrvoje等，2016）。中和抗體是具有吸附穿入功能的病毒表面抗原刺激機體產生的抗體。Porntrakulpipat等 （2016）研究表明，400 ppm MOS能有效增強PRRS特異性抗體，但不適用于中和抗體；800 ppm MOS可顯著增強中和抗體。由此可見，在母豬飼料中添加MOS有助于增強母豬PRRS疫苗接種作用。綜上所述，對于MOS促生長作用報道趨于正效果，但其作用機制需進一步探究。近幾年國內外MOS在豬中的研究報道見表1。

表1 甘露寡糖在豬生產中的主要研究與應用

4.2 在家禽中的應用 在肉雞生產中，MOS可促進LUM、LYZ和APOA1等與腸道健康密切相關的基因表達，進而調節腸道的免疫反應和保護動物免受腸道致病細菌的毒害，來維持肉雞腸道健康（Xiao等，2012）。 武威等（2017）研究發現， 50、75 mg/kg MOS可顯著提高肉仔雞的體重和采食量，其中50 mg/kg MOS顯著改善了飼料報酬；MOS還可顯著提高 CAT、SOD活性，GSH-Px活性、T-AOC有提高趨勢，MOS適宜添加量為50 mg/kg。宋新磊等（2018）研究發現，MOS可顯著提高肉雞血液IgA和IL-2的含量，可增強機體免疫力。此外，MOS具有一定緩解肉雞熱應激作用（Sohail 等 ，2010）。 在 蛋 雞 研 究 中 ，Zaghini 等（2005）研究表明，MOS具有吸附降解黃曲霉毒素B1（AFB1）的能力，可降低 AFB1在胃腸道的吸收量。Bozkurt等（2016）研究發現，蛋雞日糧中添加MOS可顯著改善其產蛋量、蛋重及飼料報酬，提高抗氧化能力，并減少盲腸后段致病菌數量。綜上所述，家禽飼糧中添加適量MOS具有改善生長性能、增強免疫及提高抗氧化能力等多種生理功能，但MOS的作用機制有待深入研究。近幾年國內外MOS在家禽中的研究報道見表2。

表2 甘露寡糖在家禽生產中的主要研究與應用

4.3 在反芻動物中的應用 MOS在反芻動物中的研究相對較少。肖宇（2012）研究發現，MOS可顯著降低山羊瘤胃pH；顯著降低血清MDA含量和谷丙轉氨酶（ALT）活性，顯著提高血清中球蛋白和血清磷含量；顯著提高21 d時血清IgA、7 d和14 d血清IgM的含量，MOS具有改善山羊瘤胃發酵參數和增強免疫的作用。謝欣明等（2018）發現，MOS可改善蒙古羊生長性能和免疫性能。MOS可提高犢牛ADG和飼料報酬，提高血清中免疫球蛋白含量和糞便中雙歧桿菌數量，降低糞便中大腸桿菌數量 （金亞東等，2016）。郭婷婷等（2017）報道，MOS可顯著提高奶牛瘤胃中總的揮發酸及氨態氮的含量，其中瘤胃液中乙酸含量極顯著增高；乳脂率顯著提高，乳中體細胞數降低。Westland等（2017）研究發現，MOS可顯著提高奶牛初乳重，具有改善生長性能的作用。

5 結語

甘露寡糖作為一種新型飼料添加劑，現已被廣泛應用于飼料行業。但在應用過程中仍有一些問題還未解決，這制約了其在養殖業中的推廣應用。今后應加大甘露寡糖在動物體內的作用機制；動物不同階段甘露寡糖的添加方式及其適宜添加量；甘露寡糖與其他飼料添加劑聯用的作用效果；甘露寡糖與動物腸道菌群之間的互作等方面的研究。隨著研究的不斷深入和相關作用機制的進一步明確，甘露寡糖將得到更加合理和廣泛的應用，并更大限度地發揮其應用價值。