甘露寡糖的理化特性、营养作用及在养猪生产中的应用
戴德渊1 黄勇富1 万红2 宋代军3 刘元述4
（1、 重庆市畜牧研究院 400039；2、重庆市长江畜禽公司 400417；3、西南农业大学动科院 400716；4、昆明三正生物科技有限公司 630217）
甘露寡糖已成为改善畜禽健康、提高生产性能、无污染的安全无毒的绿色饲料添加剂的一个开发热点，最有希望成为抗生素替代品之一。本文就甘露寡糖的研究开发史、理化特性、营养作用机理、影响因素，以及在养猪生产中的应用进行了分析综述。
关键词：甘露寡糖 理化特性 营养作用 养猪应用
自从1950年Stockstad报道在饲料中添加某种抗生素具有促生长效果以来，畜、禽、鱼饲料中添加抗生素日趋普遍。但长期使用抗生素后出现的负面效应，诸如药物残留，耐药苗株的产生，环境污染，以及二重感染等问题倍受全球关注。美国、日本、比利时等国家逐渐加大对药物饲料添加剂的限制和监控；欧盟目前仅允许黄霉素、盐霉素、莫能霉素及卑霉素作为药物饲料添加剂，截止时间为2005年底。因而研制能改善畜禽健康、提高生产性能、无污染的安全无毒的饲料添加剂已成为一个开发热点。众多学者的研究表明，寡聚糖最有希望成为抗生素替代品之一[1]。甘露寡糖（Mannan—oligosaccharides, MOS）便是众多寡聚糖中的代表。为此，在目前国内外的研究基础上，就MOS的研究开发史、理化特性、营养作用机理、影响因素，以及在养猪生产中的应用等进行综述。
1、甘露寡糖（MOS）的研究开发历史
自Roibu等1895年用3%的硫酸水解魔芋粉，在水解液中检测出大量的甘露糖后，开始了甘露寡糖在人类食品中的应用历史。1920年Mayeda等发现魔芋粉粘稠物质中除甘露糖外，还含葡萄糖，进一步研究表明魔芋中的甘露糖主要以葡萄糖甘露寡糖的形式存在。自1960年后，日本学者对魔芋葡萄糖甘露寡糖的结构及食品学性质、保健功能进行了系统研究，并由此推动了其在人类保健品市场上的开发应用。与此同时，国外一些公司及国内一些科研机构也开展了一定的研究。我国南开大学微生物学系杨文傅等（1996）就从生产角度出发探索了利用β—甘露寡聚糖酶水解一些植物胶以生产甘露寡聚糖的条件，为工业酶法制取甘露寡糖提供了基础工艺参数；近几年国外的奥特奇公司与国内的武汉新华扬生物公司也着手甘露寡糖在畜牧业中的应用推广[2]。
2、甘露寡糖（MOS）的理化特性
2.1甘露寡糖（MOS）的结构特点
业已证明，甘露寡糖广泛存在于魔芋粉、瓜儿豆胶、田菁胶及多种微生物细胞壁内。目前商品用甘露寡糖主要通过酶解法进行生产，不同来源的甘露寡糖在结构上有所差异。研究表明，来源于魔芋的甘露寡糖是由分子比1：1.5的葡萄糖和甘露糖残基通过β—1，4糖苷键聚合而成，其侧链则以β—1，3糖苷键连接而成。而来源于酵母细胞壁的葡萄糖甘露寡糖的主链则主要以高度分枝的吡喃甘露糖残基链进行排列，其主链的连接方式是α—1，6糖苷键连接，侧链则主要通过α—1，2糖苷键及α—1，3糖苷键连接。
2.2甘露寡糖（MOS）的理化特性
甘露寡糖的理化性质很大程度决定于它的化学组成。一般在生理PH值和通常加工条件下很稳定，易溶于水和其他极性溶剂，当溶剂中加入有机溶剂时会使其沉淀或结晶。研究表明，葡萄糖甘露寡糖易溶于水，不溶于乙醇、丙酮、乙醚等有机溶剂；其粘度随温度上升而逐渐下降，冷却后又回升；当PH值在1.5—3范围，粘度迅速上升，PH为3—9时，粘度较为稳定；此外，还有独特的胶凝性能，在一定条件下可形成热可逆凝胶和热不可逆凝胶。其甜度低于蔗糖。甘露寡糖是含蛋白质的多糖。甘露寡糖的蛋白质含量为4.15%，糖总含量为90.12%；MOS蛋白质的氨基酸含量综合为6.02%，其中苏氨酸和丝氨酸含量最高，谷氨酸和天门冬氨酸次之，而组氨酸、酪氨酸和蛋氨酸的含量较低。MOS中甘露寡糖含量为73.2%，而葡萄糖为2.3%，甘露糖/葡萄糖比值为31.81:1，甘露糖/总糖比值为81.24%。魔芋葡萄糖甘露寡糖的分子量随魔芋种类加工方法、原料及贮存时间不同而变化，一般为200000—20000000[2][3]。
3、甘露寡糖（MOS）的作用机理
寡聚糖的营养作用主要依赖于它的化学结构，不同来源的甘露寡糖分子中α—1，4糖苷键的比例极少，主要是α—1，6糖苷键、α—1，2糖苷键、α—1，3糖苷键或β—1，4糖苷键、β—1，3糖苷键。而单胃动物对碳水化合物的消化主要限制于α—1，4糖甘键，因而甘露寡糖不能为动物消化吸收，并直接进入小肠后部。大量研究揭示，甘露寡糖具有与有害细菌的受体竟争结合的能力，从而阻止细菌与动物肠道上皮细胞的结合，加速细菌从肠道排出，促进肠道正常微生物区系的平衡，同时调节机体免疫机能，进而达到促生长与增强抗病力的营养作用[4][5]。
3.1 结合排除外源性病原微生物，调节非免疫防御机制
动物胃肠道非免疫防御系统主要成分为内源性微生物菌群。内源性微生物菌群又分为有益微生物菌群和有害微生物菌群。有益微生物菌群包括：乳酸杆菌属、双歧杆菌属及真菌属；有害微生物菌群则包括：大肠杆菌属、葡萄球菌属及产气荚膜梭菌属。有益微生物菌群覆盖在胃肠道粘膜上皮，起到阻止病原性微生物在肠道粘膜的定植。甘露寡糖作为一种重要的肠道功能调节剂，对肠道内有害菌及有益菌都有可能产生影响。外源植物凝血素是与上皮细胞表面糖脂或含糖蛋白的果糖、半乳糖，特别是甘露糖的糖基部分进行特异性结合。Morgan（1992）研究表明，细菌表明的外源凝血素与动物肠道粘膜上皮细胞的结合，促进了细菌在肠壁的定植与繁殖，由于外源性病原菌在肠道的大量繁殖而导致动物发病[6]，因而这种结合是许多外源细菌病的触发因子。当肠道内存在一定量的甘露寡糖（MOS）时，外源凝血素可与MOS结合，减少与肠道粘膜上皮细胞结合的机会，并有可能将已与外源凝血素结合的肠道粘膜上皮细胞的糖基部分竞争下来，进而保证肠粘膜上皮的完整性。
目前已研究发现MOS主要对下列几种肠道微生物起抑制和促进作用，如表1。
表1 MOS对不同病原菌及有益菌的影响作用
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病原菌 |
作 用 |
有益菌 |
作用 |
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沙门氏肠炎杆菌 大肠杆菌 鼠伤寒沙门氏菌 肉毒梭状芽胞杆菌 生腐梭状芽胞杆菌 粪链球菌 |
抑制 抑制 抑制 抑制 抑制 抑制 |
嗜酸乳杆菌 干酪乳杆菌 双歧杆菌 德尔布吕克乳杆菌
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促进 促进 促进 促进
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理论上讲，MOS若能粘附有害菌，则必然也能同时促进进有益菌的繁殖。这种作用是通过竞争性排斥作用来实现。Raibaund（1992）等阐述了竞争性排斥作用（CE）的机理，发现机体CE能力与有益菌（双歧杆菌、乳酸杆菌等）多、有害菌（梭状芽胞杆菌、大肠杆菌等）少呈高度相关。即有益菌量多时CE能力强，反之则弱[8]。但迄今尚没有直接的证据证明MOS能够直接被畜禽后肠各段内容物中双歧杆菌、乳酸杆菌所利用，MOS对动物肠道有益菌的影响报道也不尽相同。岳文斌等（2002）认为MOS能作为营养物质被肠道有益菌（如双歧杆菌属、真菌属与乳酸杆菌属）选择性发酵利用，促进有益微生物菌群的增殖，进而改善微生物区系，形成以双歧杆菌和乳酸杆菌为优势的肠道菌群[9]。而Spring等（1998）认为MOS并不是双歧杆菌的增殖因子，不能被肠道细菌所分解[10]；另外，以微生物常规培养的糖源也很少用到甘露糖。因此，MOS对有益菌是否具有直接营养作用还需进一步研究。但基本明确MOS可以吸附有害菌，并将其排出体外，至少可以间接促进有益菌群的生长与平衡。
3.2 影响动物机体体液免疫与细胞免疫，调节免疫防御机制
MOS对机体的免疫调节主要通过充当免疫刺激的辅助因子而发挥作用，佐剂和免疫调节效应是免疫刺激的两个组成部分。MOS的侧链在免疫调节中起主导作用，体内和体外培养证实MOS能够提高血清溶菌酶、白细胞介素—2（IL—2）和干扰素水平，增强巨噬细胞和单核细胞吞噬病毒、细菌和真菌的能力[3]。最近研究表明，在体外系统中将巨噬细胞直接放入MOS中或将MOS喂给大鼠时均能激活巨噬细胞。胃肠道特异性免疫反应主要是抗体（IgA、IgG、IgM）系统，粘膜IgA能抑制入侵菌和毒素在肠上皮的附着，通过抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用直接杀死细菌。
MOS在激活免疫应答上也有一定作用。叶成远（1999）在综述中指出，酵母细胞壁具有很强的抗原激活特性，这也正是MOS在动物体内生理功能的体现之一[11]。MOS还可促进肝脏合成甘露结合蛋白，其免疫调节作用可通过增加已酰基或提高寡糖的磷酸化程度而被加强。Janeway（1993）研究也表明，这种结合蛋白可结合细菌被囊，从而启动免疫系统产生应答反应[12]。
3.3 MOS对霉菌毒素的吸附作用
近年国外众多研究表明，MOS可直接通过物理作用吸附或直接结合霉菌毒素，但不影响到饲料中其它成分。Trenholm（1998）研究发现，MOS可结合玉米赤霉烯酮。Raju（1998）模拟肉鸡消化道体外试验表明，MOS对黄曲霉毒素、玉米赤霉烯酮、赭曲霉毒素等的结合率分别为82.5%、51.6%和26.4%，其中对黄曲霉毒素的结合能力主要取决于PH、毒素的浓度及MOS的剂量。研究表明，结合力在PH为6.8时比PH为4.5要强，MOS的添加量在500—1000mg范围内结合力呈上升趋势[13]。Funderburke（2002）研究了MOS对哺乳母猪的影响，饲粮为玉米一豆粕型，妊娠料中MOS添加4磅/吨，哺乳料为2磅/吨，每周取料测定霉菌毒素的含量；结果表明，黄曲霉毒素试验组为27.3，对照组为45.03，但T—2毒素、镰刀霉菌、玉米烯酮、赭曲霉素含量相似[14]。
4、甘露寡糖（MOS）在养猪生产的应用
4.1甘露寡糖（MOS）对猪只生产性能的影响
目前MOS的研究主要为仔猪阶段，尤其是断奶阶段，既有正效应，也有零效应和负效应。Vander（1997）报道用甘露寡糖处理1—49日龄的仔猪，结果表明，试验组比对照组的饲料转化率提高约5%，日增重提高约7%[15]。Dvorak（1998）在应用抗生素和无抗生素的条件下研究了MOS对仔猪的生产性能影响，结果表明，在两种情况下，其皆可提高断奶仔猪的日增重，究其原因可能在于其能提高仔猪的免疫力，抑制病菌在胃肠道增生[16]。Davis（1999）证明添加MOS提高幼猪生长速度，其效果相当于添加高铜的一半；但随后的另一个试验却没有提高生长速度（Davis等，2000）。郗伟斌等（2003）综述中表明将MOS和粪链球菌一起饲喂，可显著提高仔猪的日增重、饲料转化率和纤维的消化率[17]。
但MOS针对生长猪、育肥猪的研究较少，在为数不多的研究中MOS对育肥猪生产性能改善效果不明显。
4.2 MOS对微生物菌群的作用
周红丽等（2002）在仔猪添加不同剂量MOS组的肠道大肠杆菌的浓度显著低于对照组；盲肠中的双歧杆菌增殖效果不显著，乳酸杆菌的浓度与对照组差异不显著[18]。但岳文斌等（2002）的研究表明，MOS虽能显著降低盲肠、结肠的大肠杆菌浓度，提高盲肠乳酸杆菌和双歧杆菌的浓度，却对结肠乳酸杆菌和双歧杆菌影响不显著[9]。
4.3 MOS与抗生素配合使用效果
Bolduan（1997）发现和喹乙醇相比，MOS提高了猪的日增重和饲料转化效率[17]。Dvorak等（1998）研究表明，最佳增重组为MOS与抗生素的联合使用组，提示MOS与抗菌素有协同或加性效应[19]。周红丽等（2002）在仔猪中MOS与黄霉素配伍的增重和料重比优于对照组（p>0.05），表明MOS与黄霉素二者表现出协同作用，但不及单用MOS的效果[18]。Davis等（2002）研究了MOS和有类似抗生素作用的CuSO4的互作对早期断奶仔猪的影响，试验为2×2因子设计：Cu为10mg/kg和185mg/kg，MOS为0和0.2%；结果表明，第一阶段断奶后10天内MOS的效果与Cu的含量有关；在基础Cu为10mg/kg水平时，MOS对日增重、采食量与料重比呈正效果，但Cu水平为185mg/kg时，反而比对照组差。
5、影响MOS使用及效果的因素
5.1 MOS的添加量
潘淑媛等（1999）认为，MOS对肠道细菌所起的增殖、阻抑与免疫功能必须要有一定的启动浓度；添加量不足，则效果不明显；而添加量过大，不仅会增加成本，还可能引起轻微腹泻，影响对养分的吸收与利用[20]。
5.2 日粮组成
有关饲料中天然寡糖对动物生产性能影响的报道较少。虽玉米中寡糖含量很低，但大麦、小麦、大豆产品中非消化糖类很多，如棉子糖和水苏糖等。因而，大麦、小麦、大豆产品中寡糖的“掩盖或稀释效应”可能对试验结果有影响（Gabert等，1994）。无寡糖饲料（玉米淀粉—酪蛋白饲粮）在这方面的研究非常有用 [21]。
5.3 动物种类与日龄
动物种类不同，其消化结构和功能也不同。寡糖对其影响也有很大差异。Orban等（1993、1995）认为寡糖能增加家禽消化道双歧杆菌数量，并能显著提高生产性能，但他又认为（1997）对猪消化道菌群和生产性能的影响并不显著[22]。
动物年龄和生长发育阶段不同，消化道菌群也有很大变化。大量研究已表明，仔猪断奶后，由于饲粮的变化，自身免疫水平下降等原因，肠道菌群也发生改变，总趋势是大肠杆菌等致病菌浓度上升，而乳酸菌等有益菌明显下降。这种断奶后大肠杆菌等致病菌浓度上升是导致仔猪腹泻的主要原因之一。Pettigrew等（2000）就研究了断奶日龄分别为17—18日、20—21日、24—28日对MOS应用效果的影响，表明不同日龄断奶均有不同程度的改善；三者相比，24—28日断奶时，仔猪采食量下降的比例最多，料重比的改善相比最大[23]。因此，在该阶段添加MOS效果可能会更佳。
5.4 饲养环境及与抗生素的协同作用
良好饲养管理条件下，在日粮中添加MOS等寡聚糖效果不明显，这与其他添加剂如有机酸、抗生素、益生素等的有关报道相同。只有当生产性能的影响受肠道因素影响较大时，其促生长作用才能明显表现出来。大肠杆菌腹泻及其引起的生长受阻在商品猪场较为常见，应用抗生素虽可使症状缓解，但不能消除（周鼎年，1995）。美国依阿华的试验表明，寡聚糖和抗生素联合使用效果较好，小公猪日增重分别为：抗生素组360g，抗生素+甘露寡糖组390g；小母猪日增重分别为：抗生素组350g，抗生素+甘露寡糖组360g。
5.5 其他因素
Houdijk等（1998）报道，生长猪对寡聚糖的添加需要一个适应过程。他们在断奶仔猪日粮中添加寡聚糖，结果发现前3周时生长有抑制作用,但在后3周有促进作用，弥补了前3周造成的损失[24]。此外，目前甘露寡糖（含量20%）的市场价格高达30元/kg，且添加量大，成本高，制约着甘露寡糖在生产中的试验与示范应用。
6结束语
综合上述分析，抗生素药物饲料添加剂的药物残留、耐药苗株的产生和环境污染，以及二重感染等问题倍受全球关注。寻求其替代物是绿色饲料科技发展的趋势，甘露寡糖的理化特性与营养作用机理初步表明，其最有希望成为抗生素替代品之一。仍需作大量入研究，诸如甘露寡糖在乳猪、仔猪、生长猪和育肥猪中的大范围生产试验和验证试验，以及甘露寡糖的商品化生产的新方法、新工艺和新材料等有待进一步探讨。
