阿魏酰低聚糖的生理功能及其在動物生產中的應用前景

王文文 王 園* 尹 娜 齊景偉

(1.內蒙古農業大學動物科學學院，呼和浩特010018；2.內蒙古自治區草食家畜飼料工程技術研究中心，呼和浩特010018)

在當前“禁抗”和“減抗”的背景下，天然產物的開發和應用成為熱點。阿魏酰低聚糖(feruloyl oligosaccharides,FOs)是由阿魏酸羧基與低聚糖羥基通過酯鍵聯接而成的一種阿魏酰衍生物[1]。阿魏酸大量存在于農作物(小米、小麥以及玉米)加工副產品糠麩中，其主要通過酯鍵與多糖、木質素交聯構成植物細胞壁。據報道，通過酸、酶以及發酵處理可以使糠麩中的部分糖苷鍵斷裂，進而獲得FOs[2-3]。FOs同時具有阿魏酸和低聚糖的生理功能，如抗氧化、調節免疫、抑制蛋白非酶糖基化反應及益生等[4]，因此具備開發成為功能性飼用添加劑的潛力。本文將對FOs的結構與組成、生理功能及其在動物生產中的應用前景進行綜述。

1 FOs的制備

利用物理法、化學法、生物酶法和微生物發酵法處理麥麩、玉米皮和米糠等原料可獲得FOs[5]。物理法是采用機械方式(微波、超聲波和高溫蒸煮等)降解；化學法是利用化學試劑(草酸、三氟乙酸和鹽酸等)水解；生物酶法是利用酶制劑(木聚糖酶、纖維素酶和崩潰酶等)酶解；微生物發酵法是利用菌株自身產生的酶(淀粉酶、蛋白酶和半纖維素酶等)酶解。但是，物理法、化學法和生物酶法存在產量低、降解率高、廢液產量大以及工藝復雜等問題，目前主要采用微生物發酵法制備FOs。FOs的制備如表1所示。Rose等[6]研究發現，在180 ℃的條件下微波處理玉米皮10 min，FOs的得率為4.77%。物理法易造成FOs分解，使其得率下降。Schooneveld-Bergmans等[7]利用氫氧化鈣和氫氧化鋇處理小麥麩皮也可獲得FOs，其得率為3%，此法存在化學物質殘留問題。Yuan等[8]的研究結果顯示，木聚糖酶酶解小麥麩皮制備FOs的最佳條件為：溫度42 ℃，pH 5.2，時間35 h，木聚糖酶添加量4.8 g/L，其產量可達1.5 mmol/L。然而，生物酶法制備FOs會產生大量廢水，增加生產成本。此外，郝希然[9]對制備FOs的發酵菌種進行了篩選，發現枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、地衣芽孢桿菌D3(BacilluslicheniformisD3)和釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)發酵小麥麩皮獲得的FOs產量最高，可達1 309.46 nmol/g。微生物發酵法制備FOs得率高，不會產生廢液，極大地降低了生產成本。

表1 FOs的制備

2 FOs的結構與組成

FOs既含有疏水的阿魏酰基團，又含有親水的低聚糖基團，可溶于水，耐酸且耐高溫。通過氣相色譜分析FOs的單糖組成，發現其主要由葡萄糖、阿拉伯糖、木糖、半乳糖和甘露糖組成[10]。FOs的主鏈是以β-1,4-糖苷鍵連接的D-木聚糖，側鏈是α-L-呋喃型阿拉伯糖殘基，而阿魏酸則通過酯鍵與阿拉伯糖殘基上的O-5位相連。FOs的種類由糖基化單糖的組成和數量、阿魏酸連接的糖殘基的種類和連接位置以及阿魏酸的含量和種類決定。據文獻報道，利用不同提取方法獲得的FOs種類也有所不同，主要有阿魏酰阿拉伯糖、阿魏酰阿拉伯糖基木糖、阿魏酰阿拉伯糖基木二糖、阿魏酰阿拉伯糖基木三糖及阿魏酰阿拉伯糖基木四糖[6,11-12]，參照文獻[12-18]總結了不同種類FOs的結構，詳見表2。研究發現，在麥類作物中有一種高度阿魏酰化且分子質量低的阿拉伯木聚糖，其阿拉伯糖與木糖的比例接近1∶1。在這種FOs中，一些木糖殘基在C-2(高阿魏酰化)和C-3(非阿魏酰化)位置被阿拉伯糖取代[19-20]。如果FOs中的阿拉伯糖與木糖的比例和阿魏酸含量較高，所形成的溶液也具有較高的黏度，且更易溶于水[21-22]。

表2 不同種類FOs的結構

續表2結構Structures名稱Name物質來源Source參考文獻ReferencesO-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-[5-O-(反式-阿魏酰)-α-L-呋喃型阿拉伯糖基]-(1→3)-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-吡喃型木糖O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-O-[5-O-(trans-feruloyl)-α-L-arabinofuranosyl]-(1→3)-O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-D-xylopyranose阿魏酰阿拉伯糖基木三糖小麥麩皮Rhodes等[16]、袁小平[17]O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-[5-O-阿魏酰-α-L-呋喃型阿拉伯糖基-(1→3)]-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-O-β-D-吡喃型木糖基-(1→4)-D-吡喃型木糖 O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-D-[5-O-(feruloyl)-α-L-arabinofuranosyl-(1→3)]-O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-O-β-D-xylopyranosyl-(1→4)-D-xylopyranose阿魏酰阿拉伯糖基木四糖小麥麩皮Lequan等[18]、袁小平[17]

3 FOs的消化吸收

目前，關于FOs的體外降解研究較多，而體內消化吸收機制研究較少。體外試驗發現，FOs的完全降解需要阿魏酸酯酶和非淀粉多糖降解酶(主要是木聚糖酶和α-L-阿拉伯糖苷酶)的協同作用[23-24]。體內研究發現，大鼠的小腸和大腸都存在阿魏酸酯酶，且大腸中的阿魏酸酯酶活性更高，可能是大腸中分泌阿魏酸酯酶的微生物(雙歧桿菌和乳酸桿菌)更豐富[25-27]。但是，Andreasen等[27]研究發現，FOs被大鼠腸道微生物發酵后，并沒有被機體消化，而是全部被排出。由此可推斷，FOs的空間結構復雜，幾乎不能被單胃動物消化吸收。

4 FOs的生理功能及其作用機制

FOs不能被降解吸收，而是作為一種益生元，發揮抗氧化、調節免疫、促進有益菌增殖、抑制有害菌增殖(競爭黏附位點和營養物質及生成揮發性脂肪酸)及優化腸道菌群結構等作用，進而改善動物機體健康狀況[28-29]。

4.1 抗氧化

在動物機體遭受高溫、嚴寒、通風不良等環境應激時，會產生大量自由基，破壞氧化-抗氧化系統的平衡，進而導致自由基積累，損害動物健康，引起生產性能下降甚至死亡。FOs因其具有阿魏酰基團，表現出良好的抗氧化活性。體外研究發現，從小麥麩皮中提取出4種不同聚合度的FOs均具有清除1,1-二苯基苦基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH)自由基、超氧化物自由基和羥自由基的活性，且效果優于游離阿魏酸[11]。張麗娜[30]采用生物酶法制備FOs，發現其可減少由高糖誘導的氧化應激肝細胞中活性氧(reactive oxyen species，ROS)的生成量，說明其具有一定的抗氧化活性。另外，FOs可緩解由過氧化氫誘導的人淋巴細胞氧化應激，保護DNA免受過氧化氫的損傷[31]。體內試驗發現，利用微生物發酵法制備FOs，將其灌胃給由敵草快誘導的氧化應激模型大鼠，可提高氧化應激大鼠肝臟和回腸中核因子E2相關因子2(nuclear factor erythroid 2 p45-related factor 2,Nrf2)mRNA和蛋白的表達水平以及谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、過氧化氫酶(catalase,CAT)及超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)這3種抗氧化酶的mRNA表達水平，提高抗氧化功能，進而發揮氧化防御作用[32]。Wang等[33]研究發現，在杜寒雜交羔羊飼糧中添加100～200 mg/kg FOs可提高其日增重和飼料轉化效率，增加血漿中總抗氧化能力(total antioxidant capacity，T-AOC)和還原型谷胱甘肽(reduced glutathione,GSH)的含量，提高抗氧化酶GSH-Px、CAT及SOD的活性。綜上所述，FOs的抗氧化作用機制包括：1)作為氫質子或電子供體，與自由基結合，終止自由基鏈式反應；2)維持動物細胞線粒體的正常功能，減少ROS的生成；3)激活核因子E2相關因子2-抗氧化反應元件(nuclear factor erythroid 2 related factor 2-antioxidant response element,Nrf2-ARE)抗氧化信號通路，誘導抗氧化酶的表達，進而緩解氧化應激。

4.2 免疫調節

FOs也可作為一種免疫調節劑，通過促進細胞因子釋放、介導與免疫相關的信號通路及激活免疫細胞等方式調控動物機體的免疫功能。Yu等[34]利用出芽短梗霉菌發酵麥麩制備FOs，發現其可增加免疫力低下的荷瘤小鼠的胸腺指數和脾臟指數，且可促進γ-干擾素(interferon-γ，INF-γ)和白細胞介素-3(interleukin-3，IL-3)的分泌，進而提高其免疫力。此外，從大米和玉米皮中提取的FOs同樣具有調節免疫反應的作用，其中大米麩皮FOs通過增加Toll樣受體-4(Toll-like receptor-4，TLR-4)和Toll樣受體-2(Toll-like receptor-2,TLR-2)下游信號分子細胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)、p38絲裂原激活蛋白激酶(p38-mitogen-activated protein kinases p38MAPK)和Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinases,JNK)的磷酸化，誘導樹突細胞成熟，發揮抗病毒感染的作用[35]；而玉米皮FOs可提高小鼠血清半數溶血值和吞噬細胞的吞噬率[36]。免疫調節是機體的一種防御機能，在動物抵御病原體入侵過程中發揮著重要作用。FOs調節免疫的可能機制包括：1)促進免疫器官生長；2)誘導細胞因子分泌；3)通過識別樹突細胞表面的模式識別受體TLR-4和TLR-2，從而激活絲裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)信號通路，誘導樹突細胞成熟；4)誘導吞噬細胞成熟、分化和增殖，進而發揮免疫調節作用。

4.3 益生

FOs不能被宿主內源酶消化，但其可被腸道微生物利用，進而發揮益生作用。體外試驗發現，將FOs(生物酶法制備)作為碳源加入到培養基中，兩歧雙歧桿菌F-35大量增殖，且其菌體生長量與FOs的濃度呈正相關，說明FOs對雙歧桿菌具有較強的增殖效果[37]。此外，FOs可提高產生乙酸和乳酸等短鏈脂肪酸的產量，降低腸道pH[38-39]。FOs還具有抑菌作用。體外抑菌試驗發現，木聚糖酶水解麥麩制備的FOs對金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、沙門氏菌有抑制作用，而對藤黃微球菌及酵母菌沒有抑制作用[40]。FOs除了可以在體外促進有益菌的增殖和抑制有害菌的增殖外，還可通過發揮抗氧化作用調節腸道菌群結構。氧化應激會改變動物腸道菌群結構，導致大腸桿菌(Escherichiacoli)和腸球菌屬(Enterococcus)的數量增加，而乳酸桿菌屬(Lactobacillus)的數量減少[41]。Ou等[42]研究表明，以FOs飼喂大鼠，可增加其腸道細菌多樣性，增加乳酸桿菌屬和瘤胃球菌屬(Ruminococcus)的相對豐度，降低梭菌屬(Clostridia)和綠膿桿菌屬(Turicibacter)的相對豐度。FOs發揮益生作用的可能機制主要包括2個方面：一方面，FOs通過促進有益菌的增殖和短鏈脂肪酸的產生，從而抑制病原菌的增殖；另一方面，FOs通過調控動物腸道菌群結構，維持腸道微生態的平衡，進而發揮益生作用。

5 FOs在動物生產中的應用前景

FOs作為一種功能性低聚糖，廣泛應用于食品工業領域。然而，在飼料工業領域，對糠麩類飼料的綜合利用遠遠不足，常將其作為廉價的副產物直接用于飼糧中，造成了資源的浪費。近年來，科研人員加大了對糠麩類飼料的研發。目前，FOs的提取、分離及純化技術已發展成熟，其生產成本大幅度下降。此外，FOs相較于黃芪多糖、白術多糖、姜黃素及枸杞多糖等抗生素替代品，具有原材料來源廣泛、生產成本低及產量高等優點。在集約化養殖模式下，飼養管理措施(去勢、免疫及斷奶)、飼糧結構變化和活動空間減少均會引起氧化應激。在氧化應激狀態下，動物體內產生大量自由基，一者會破壞免疫細胞降低免疫力；二者清除自由基會消耗機體儲備，導致生長和生產性能下降；三者氧化應激會改變腸道菌群結構，損傷腸道。FOs因含有阿魏酰和低聚糖基團，有多種生理功能，具有替代抗生素的潛力，這已在模式動物的研究上得到了證實。研究發現，FOs可通過p38MAPK/磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)-Nrf2/Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1)-肌腱纖維肉瘤蛋白K(masculoaponeurotic fibrosarcoma K,MafK)途徑緩解偶氮二異丁基脒鹽酸鹽[2,2′-azobis (2-methylpropionamide) dihydrochloride，AAPH]誘導的氧化損傷，促進肝臟、腎臟及心臟中Ⅱ期抗氧化酶SOD、CAT和GSH-Px的轉錄，并可增加抗氧化物質GSH的含量[43]。本課題組研發的發酵麩皮多糖中含有不同聚合度的FOs[44]，在抗炎、調控腸道菌群及提高免疫力方面均有作用。在敵草快引起的炎癥狀態下，灌胃發酵麩皮多糖可以降低大鼠血漿和肝臟組織中炎性因子腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、白細胞介素-2(interleukin-2，IL-2)和白細胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)的含量[45]。此外，利用Illumina-HiSeq高通量測序技術分析發酵麩皮多糖對SD大鼠盲腸菌群結構的影響時發現，發酵麩皮多糖可降低擬桿菌門中普氏菌屬9(Prevotella_9)的相對豐度，增加厚壁菌門中瘤胃球菌屬1(Ruminococcus_1)和糞球菌屬1(Coprococcus_1)的相對豐度[46]。Ruminococcus_1和Coprococcus_1都屬于短鏈脂肪酸產生菌，其代謝產物短鏈脂肪酸可以作用于免疫細胞，通過影響細胞因子釋放參與免疫調節，在腸道抵御致病菌的過程中發揮作用[47]。由此可推斷，FOs通過調控腸道菌群結構，調節免疫反應，從而提高動物抗病力，減少抗生素在生產中的用量。

6 小結與展望

隨著“禁抗”“減抗”時代的來臨，尋找開發無毒無害的抗生素替代品已成為熱點。FOs作為一種功能性低聚糖，具有多種生理功能，且其來源廣泛，在動物生產中應用前景廣闊，有替代抗生素的潛力。然而，FOs的結構復雜，關于其多種生理功能的分子機制需進行更深入的探索，并且可能還存在一些潛在的生理功能需要進一步開發和研究。此外，還應該對FOs在動物機體內的吸收代謝進行探索，以便更好地應用于生產實踐。