菊粉的生理功能及其在畜禽生產中的應用

陳佳億 陳鳳鳴 歐淑琦 趙玉蓉

(湖南農業大學動物科學技術學院，長沙410128)

菊粉是植物中儲備性多糖，主要來源于植物，如大麗花塊莖、菊苣和菊芋的根部[1-2]，但也可以從某些細菌或真菌中獲得。大量的研究表明菊粉在平衡腸道微生物、調節免疫、調控機體脂質代謝和氧化還原系統等方面有著重要的作用，可作為脂肪、糖的替代品以及益生元[3]，但目前其主要應用于食品和制藥行業[4-5]。在Web of Science中檢索“Inulin”后分析發現，動物學研究方向文獻僅占所有文獻(10 650篇)的1.36%，因此菊粉在畜牧生產中的研究尚處于起步階段。隨著抗生素濫用問題的日益嚴重及畜產品安全意識的不斷增強，“無抗”養殖將是必然的趨勢，而菊粉因其天然、無毒副、具有提高免疫力及抗氧化等重要作用，因而具備作為綠色植物源性添加劑的發展潛力。但目前菊粉在畜禽生產中的添加量及其作用機理尚不明確。因此，本文就菊粉的國內外研究現狀，總結菊粉的主要生理功能及其在畜禽生產中的應用，以期為其進一步開發和應用提供理論參考。

1 菊粉的理化性質及其提取工藝

1.1 理化性質

菊粉是一類天然果聚糖的混合物。果聚糖是果糖單體通過β-(2,1)-糖苷鍵連接而成并以葡萄糖單體終止的碳水化合物。菊粉分子約由31個β-D-呋喃果糖和1～2個吡喃菊糖殘基聚合而成，其聚合度(degree of polymerization,DP)為2～100。β-構型使得菊糖型果聚糖不能被具有α-糖苷鍵特異性的單胃動物的消化酶水解，但是可被微生物降解[6]。菊粉可以被內切菊粉酶和外切菊粉酶水解。外切菊粉酶從鏈的非還原端去除末端果糖殘基，而內切菊粉酶作用于內部鏈接[7-8]。菊粉水解后生成果糖和少量葡萄糖，DP少于10的菊粉稱為果寡糖(FOS)[9]。菊粉的DP影響其重要的物理性質，如溶解性、熱穩定性、甜味度和益生元活性等。菊粉的DP不僅取決于植物的來源、收獲時間及其收獲后貯存的條件，其提取工藝對DP也有很大的影響[8]。菊粉的分子式表示為GFn[3]，其中G為終端葡萄糖單位，F代表果糖分子，n代表果糖單位數。菊粉的化學結構如圖1所示。菊苣來源的菊粉是一種白色粉末，呈透明狀，無味，長鏈菊粉和FOS的甜度分別為蔗糖的10%[10]和30%～50%[11]。通常情況下，菊粉的溶解度隨著DP的增加而降低。標準菊粉在室溫下的溶解度僅為10%，而FOS在室溫下的溶解度約為80%[12]。Wada等[13]研究報道了3種不同DP的菊粉在各溫度下的溶解度變化，其中各溫度下酶合成的菊粉溶解度最高，其次是DP=10～12的菊粉，最后是DP=23～25的菊粉。

圖1 菊粉的化學結構

1.2 提取工藝

目前工業生產中，菊粉主要從菊芋和菊苣中提取。菊芋具有許多理想的生長性狀，如耐寒耐旱、抗風沙、耐鹽堿、繁殖力強、抗病蟲害高等，可以在沙地和海灘耕種，近年來被認為是工業生產果糖和菊粉原料的重要來源之一[14]。從菊苣根部提取菊粉的工藝主要有傳統水浸提法和超聲輔助提取法，包括提取水溶性組分、純化和干燥3個步驟。在提取水溶性組分時通常是將切割或磨碎的菊苣根在水中煮沸，而水的pH、固液比以及沸騰的時間等條件都會影響提取菊粉的DP[8,15]。菊粉的純化則是利用提取物中不同DP的溶解度差異來完成的，最終從菊苣根中提取的菊粉含量可以達到10%[16]。肖仔君等[17]得出用水浸提法從菊芋中提取菊粉的最佳條件為：提取時間100 min，浸提溫度85 ℃，料液比1∶15。除傳統水浸提法外，超聲輔助提取法也已經用于高產菊粉的提取，該方法的主要影響因素包括超聲振幅、溫度和時間。從牛蒡根提取菊粉時，振幅及振幅時間的提高均會提高菊粉產量，但是溫度對其影響不大，最佳提取條件為：超聲處理時間25 min，超聲振幅83.22%，溫度36.76 ℃[18]。需要注意的是，超聲波會使菊粉分子碎片化，使其化學組成發生變化。后又有學者提出了一種從菊芋莖塊中提取菊粉的新方法，確保菊粉提取量(每100 g塊莖提取16.39 g菊粉)比傳統水浸提法高出約14%[19]。該方法是將莖塊用加壓水洗滌以去油，自然烘干，在80 ℃下用熱水處理10 min以使多酚氧化酶失活，然后將其懸浮于蒸餾水中，經過3次切塊和萃取，最后對產生的過濾液進行澄清[19]。

2 菊粉的生理功能

2.1 作為益生元的益生效應

通常情況下，腸道微生物中乳酸桿菌和雙歧桿菌等有益菌對保護機體健康有著重要的作用。菊粉能夠增加結腸中雙歧桿菌和乳酸桿菌的數量和提高其活性等[20]，從而保護腸道健康，這種作用被稱為益生效應。文獻中最普遍的思路是通過形成短鏈脂肪酸(SCFAs)的間接機制來解釋菊粉型益生元的作用。菊粉和FOS在后腸道發酵產生SCFAs(如乙酸、丁酸和丙酸)，使得腸道pH降低，從而刺激有益菌的增殖[21-22]。SCFAs不僅為宿主提供能量來源，還具有多種作用，如調節腸上皮細胞的增殖、分化和遷移，影響脂質代謝和糖代謝等。此外，SCFAs對維持腸道內環境穩定以及影響腸黏膜屏障起到關鍵作用。Rebolé等[23]在肉雞飼糧中添加10 g/kg菊粉時，觀察到盲腸中乳桿菌的數量增加；在提高菊粉添加水平達到20 g/kg時，小腸遠端部分和盲腸中雙歧桿菌和乳桿菌的數量增加。菊粉調節腸道微生物菌群的作用受菊粉自身的DP影響。Zhu等[24]發現FOS干預治療小鼠腸道微生物效果好于菊粉，可能的原因是由于FOS和菊粉在被腸道微生物利用之前都要水解成單糖，而具有低聚合度的果聚糖經歷相對快速的微生物發酵，而長鏈果聚糖更耐發酵并且在胃腸道經歷的時間更長[25]。Patterson等[26]研究報道，短鏈和長鏈的菊粉能夠不同程度地影響腸道菌群的生長和活性。研究報道，短鏈和長鏈菊粉以50∶50的比例混合在發揮益生效應方面具有很好的優勢，減少了有害氣體的產生，同時增強了益生效應[27]。

2.2 免疫調節作用

目前對于菊粉發揮免疫作用機制的研究多集中在2個方面：一方面，菊粉作為配體與Toll樣受體2(TLR2)和Toll樣受體4(TLR4)結合，刺激巨噬細胞、單核細胞等免疫細胞發揮作用，從而實現免疫調節的作用；另一方面，其發酵產物(SCFAs、H2)可作為信號傳導分子，影響腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)活性和核因子-κB(NF-κB)信號傳導途徑。Vogt等[28]證明菊粉型果聚糖可通過TLR2調節人外周血單核細胞(HPBM)的活性，較低DP菊粉型果聚糖增加HPBM中白細胞介素-10(IL-10)與白細胞介素-12(IL-12)的分泌。有研究報道，在大鼠腸上皮細胞中，低聚糖通過激活TLR4并參與NF-κB信號傳導來增強免疫應答，從而產生非益生效應[29]。Capitán-Caadas等[30]也指出，在大鼠單核細胞中，益生元低聚糖通過激活TLR4直接調節促炎細胞因子的產生。Huang等[31]研究表明，在肉雞飼糧中添加5～10 g/kg的菊粉會顯著改善肉雞21日齡的免疫功能，但是在后期(42日齡)改善效果不如前期，可能的原因是前期肉雞腸道及免疫功能發育不完善，此時添加菊粉效果更加顯著。

2.3 調節脂質代謝作用

菊粉在腸道中的發酵產物SCFAs中，除部分丁酸鹽作為能量來源被結腸細胞代謝利用外，其余的被運送到肝臟，丙酸鹽主要作為糖原異生的前體[32]，而醋酸鹽和丁酸鹽主要參與脂質的生物合成[33-34]。除了作為底物之外，SCFAs還可以作為信號分子被特定的G蛋白偶聯受體(GPRs)感知并參與調節脂質和葡萄糖代謝[35]。大鼠飼糧中添加低聚果糖導致血清磷脂、甘油三酯和極低密度脂蛋白(VLDL)含量的顯著降低。這主要是通過降低肝臟中脂肪生成酶、蘋果酸酶、ATP檸檬酸裂合酶、乙酰輔酶A羧化酶、葡萄糖-6-磷酸1-脫氫酶等脂肪酸合成酶的活性來介導的[36-37]。Beylot等[38]認為，大鼠試驗的研究結果已經清楚地證明了菊粉會降低甘油三酯的含量，較合理的解釋是：菊粉型果聚糖可減少脂肪生成酶在肝臟表達并降低其活性，從而減少脂肪酸和甘油三酯的合成。Kim等[39]研究報道，菊粉通過增加膽汁酸的分泌和抑制3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A(HMG-CoA)還原酶(與膽固醇合成相關的限制酶)的活性來降低大鼠血液中膽固醇的含量。Yusrizal等[40]在肉雞飼糧中添加菊粉(10 g/kg)，發現血清膽固醇含量顯著降低。Sang-Oh等[41]試驗發現2個試驗組(微囊化菊粉添加量分別為250、300 mg/kg)蛋雞血液總膽固醇和甘油三酯的含量比對照組顯著降低。但Velasco等[42]報道指出，菊粉的添加不會導致血清膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)和高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)含量的降低。Dewulf等[43]在喂食高脂肪飲食的小鼠中發現，與皮下脂肪組織中GPR43表達強相關的體脂肪增加，而補充菊粉可以減少GPR43的表達和脂肪的增加。不過也有人認為菊粉型果聚糖導致甘油三酯代謝的差異性改變，這取決于飼糧的類型[44]。而菊粉對血清膽固醇含量的降低作用則存在很多爭議性，這仍待進一步研究。

2.4 促進礦物質吸收作用

研究表明，菊粉添加到畜禽飼料中對鈣、磷、鋅、銅和鐵的吸收代謝有積極影響。Chen等[45]研究報道，在蛋雞飼糧中添加低聚果糖和菊粉增加了血清鈣含量，并顯著增加了脛骨中總灰分、鈣和磷含量。Ortiz等[46]也同樣證明，在肉仔雞飼糧中添加菊粉后鈣、鋅和銅的保留率分別提高了18.4%、35.5%和46.6%，而對鎂和鐵的保留率無顯著影響。目前關于菊粉對提高礦物質吸收的機制有較多種說法：菊粉在腸道中產生SCFAs和有機酸，造成腸道pH降低從而增加了礦物質的溶解度，SCFAs還可能通過離子交換系統影響鈣的吸收[47]。此外，菊粉通過腸道微生物發酵產物對腸細胞起到增殖作用，從而增加腸道吸收表面積，增加鈣結合蛋白的表達，釋放骨調節因子[48]。Yasuda等[49]和Tako等[50]研究均表明，菊粉通過影響腸上皮細胞中鐵轉運蛋白、相關酶和鐵蛋白編碼基因的表達以及其對炎癥相關基因的抑制，進而對鐵代謝產生積極影響。研究表明，菊粉對機體礦物質的吸收利用受多種因素的影響，如動物的年齡、生理階段等。當動物處于快速增長發育階段或者雌激素分泌不足、動物對鈣的需求更高時，菊粉的添加效果更明顯。在發育期雄性大鼠試驗中，5%～10%菊苣菊粉添加到飼糧中顯著增強了大鼠全身骨礦物質含量(BMC)和骨密度(BMD)[51]。青春期女性給予FOS和菊粉3周，發現鈣吸收增加了18%[52]。另有研究報道，飼糧中添加適量的菊粉可顯著增加豬紅細胞中血紅蛋白含量(MCH)和紅細胞比容(PCV)(MCH是機體中鐵含量的有效評估指標)，但隨著添加量的增加，對MCH和PCV出現負面效應[20]。

3 菊粉在畜禽生產中的應用

以上研究表明，菊粉型果聚糖對豬的腸道健康具有多種有益效果，而菊粉在家禽生產中也已得到廣泛關注。在肉雞飼糧中添加菊粉可以激活涉及免疫過程的基因和途徑，從而調節肉雞的免疫能力[58]。Sang-Oh等[59]在肉雞飼糧中添加微膠囊化菊粉和抗生素進行對比，喂食微膠囊化菊粉組血清中免疫球蛋白G(IgG)、免疫球蛋白M(IgM)和免疫球蛋白A(IgA)的含量顯著增加，0.20和0.25 g/kg微膠囊化菊粉組肉雞血清中IgG含量分別比對照組提高155.6%和168.5%，分別比0.08 g/kg阿維霉素組提高125.1%和135.5%。此外，Nabizadeh等[60]發現肉雞飼糧中添加5～10 g/kg菊粉導致總抗綿羊紅細胞(SRBC)和IgG含量顯著增加。有學者還指出，菊粉還可能通過刺激丁酸鹽和黏蛋白的產生而潛在地改善腸道健康[24]。Huang等[31]的研究表明，菊粉添加量為5和10 g/kg時增加了21和42日齡肉雞盲腸內容物的IgA含量；菊粉添加量為10和15 g/kg時增強了21和42日齡肉雞空腸中黏蛋白mRNA的表達。然而，關于菊粉對家禽生長性能影響的文獻報道結果不一。Ortiz等[46]在肉仔雞飼糧中添加5～20 g/kg菊粉，結果發現，與對照組相比，肉仔雞的生長性能和腸道(十二指腸、空腸、回腸和盲腸)的形態學數據均無顯著變化。同樣，也有其他學者發現菊粉添加到禽類飼糧中對生長性能沒有產生顯著影響[61-62]。相反，Rebolé等[23]試驗發現，在第1階段(7～21 d)，添加10和20 g/kg菊粉組肉仔雞的體重增加顯著高于對照組，添加10 g/kg菊粉組肉仔雞試驗全期(7～35 d)總體重也顯著增加。菊粉對家禽生長性能影響方面的報道不盡相同，可能是多種因素造成的，如菊粉產品質量、添加水平、家禽的品種以及飼養環境等。

4 小 結

綜上所述，菊粉具有多種生理功能，有助于平衡畜禽腸道微生態、抑制病原微生物、調節機體免疫力等。但目前關于菊粉對畜禽生長性能的作用出現不同的研究結果，這可能與菊粉作為一種益生元，其有效性依賴于試驗動物、添加量以及添加持續的時間等因素有關，故在全球“無抗養殖”的步伐走得越來越快的今天，迫切需要進一步研究菊粉在各種畜禽生產中的適宜添加量、對不同畜禽品種的作用效果和作用機制，以為菊粉在畜牧業生產中的應用及畜禽的綠色養殖提供理論基礎。