菊粉(inulin),又称为菊糖,是一种果聚糖型植物多糖,广泛存在于自然界3 000多种植物中,其主要植物来源包括菊苣、菊芋、大丽花等,同时也可由某些细菌、真菌、古细菌产生[1-2]。菊粉是一种特殊物质,首次由德国科学家罗斯(1804年)从土木根(菊科植物)中分离出来,随后被汤姆森(1817年)命名为菊粉[3]。在自然界中,它是第二丰富的储存性多糖。菊粉具有多种生物学功能,如益生元效应、抗氧化、修复肠道屏障等[4]。此外,由于菊粉具有易降解、可再生、无毒副作用等优点,被美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration,FDA)认定为一种安全的食品添加剂,广泛应用于医药和食品等行业[5]。2020年,我国全面禁止传统抗生素的使用,而停用抗生素会导致动物胃肠道问题的发生[6],因此寻找天然替抗产品已然成为畜牧行业的重要研究方向。菊粉的多种特性与天然替抗的选择高度契合,有成为天然替抗产品的趋势。尽管菊粉具有多种生物活性,且在家禽和猪的应用上都取得了不错的效果[7],然而菊粉在反刍动物应用上的报道较少。故此,本文总结了菊粉的提取工艺和生物学功能,以及菊粉在反刍动物生产上应用的最新研究进展,以期为菊粉在反刍动物上的应用提供参考。
1 菊粉的概述
菊粉是由D-呋喃果糖分子经β-(2,1)-糖苷键连接形成的果聚糖,通常在末端与葡萄糖残基结合[8]。根据聚合度(degree of polymerization,DP)的不同,菊粉型果聚糖基本分为低聚果糖(DP在3~10)和菊粉(DP在2~60)2类[9]。由于DP和支链的存在,菊粉的功能性状会受它们的影响而发生改变,包括溶解度、热稳定性、甜度和益生元活性,如高度支化的菊粉更易溶于水,而长链高聚合度菊粉比天然菊粉更耐高温且更难溶解[10]。菊粉在水中稳定性高,且分散在水中时容易结块[11],但据Ronkart等[12]报道,菊粉在pH<4和适当温度的水溶液中时会在一段时间内缓慢降解为果糖和葡萄糖。菊粉呈透明状,无味,是一种白色粉末,短链菊粉的甜度相当于蔗糖的30%~50%,低热量值(1.5 kcal/g或6.3 kJ/g),而长链菊粉的甜度约为蔗糖的10%[13]。此外,菊粉中特殊的异聚体C2的β-2,1构型导致其几乎不会被肠道中的消化酶水解,但能被微生物分解[14]。菊粉的分子式表示为GFn,其中G代表终端葡萄糖单位,F代表果糖分子,n代表果糖的单位数[1]。菊粉的化学结构式如图1 所示。
2 菊粉的提取工艺
由于市场对菊粉的需求不断增长,从其储存植物中提取菊粉具有重要意义。菊粉作为在植物中的储备性多糖,在工业生产上常使用菊粉含量在15%以上的植物(如菊芋、菊苣的块茎等)进行提取[15],并以粉末的形式进行干燥保存。菊粉溶于水且溶解度与水温成正比[16]。Tripodo等[17]研究报道,菊粉几乎不溶于25 ℃以下的水,50 ℃时的溶解度仅为1.2%,而当温度达到90 ℃时,溶解度显著增加至35%,因此,目前工业上普遍采用热水浸提法作为提取菊粉的主要手段。热水浸提法主要由3个步骤组成:1)提取;2)纯化;3)干燥。简言之,首先是通过热水[(80±5) ℃]萃取获得含有杂质的菊粉糖浆,然后使用离子交换树脂和活性炭除去糖浆中的矿物质[如钠离子(Na+)、钾离子(K+)、镁离子(Mg2+)]和其余杂质以达到纯化目的,最后将纯化的糖浆蒸发浓缩后喷雾干燥,从而获得高纯度的菊粉[18]。然而,该方法在提取过程中往往需要耗费大量的能源(需将水加热到70~80 ℃)以及提取时间较长(1~2 h),且产率较低(65.50%)[19]。经过多年技术的发展,目前出现了一些非常规方法来解决以上的问题,如酶提取法、超声波萃取法、微波辅助提取法、超临界流体萃取法和脉冲电场辅助萃取法[19⇓-21]。这些方法虽然能够有效缩短提取时间,降低萃取温度,减少能耗,提高产率,但各有优劣,因此在提取前需要综合考虑设备条件和提取植物种类进行选择。
3 菊粉的生物学功能
3.1 抗氧化
生物体中的氧自由基(ROS)是细胞有氧代谢过程中产生的高活性分子,主要包含过氧化氢、超氧阴离子和羟基自由基,可被机体中的酶促机制清除,因此对机体无害[22]。然而,在特定条件下,由于细胞和线粒体膜的结构不规则性和损伤,机体会产生过量的ROS,有可能损害细胞、组织和器官,导致多种疾病的发生[23]。丙二醛(MDA)是细胞膜的脂质过氧化产物,其含量的大小可以间接反映细胞损伤的程度[22]。植物多糖在许多报道中明确表明具有良好的抗氧化活性[24-25]。菊粉作为一种植物多糖,其抗氧化能力主要是通过激活核因子E2相关因子2(Nrf2)信号通路和Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Keap1)表达,从而增强细胞内抗氧化酶的活性,如超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽还原酶(GSH-Px)等[26]。Zhao等[27]研究发现,饲粮中添加菊粉后降低了奶牛血清中MDA的含量,提高了SOD和GSH-Px的活性,增强了机体抗氧化能力。除了作为活性物质调节抗氧化基因的表达外,Stoyanova等[28]的研究还发现菊粉能够直接作为抗氧化剂清除ROS。抗氧化剂是一类能够帮助捕获并中和ROS,从而去除机体过量产生的ROS的物质。此外,据报道,DP较高的菊粉表现出更高的抗氧化活性,这可能与菊粉的分子质量有关[29]。
3.2 益生元效应
动物胃肠道内定植着约1014个细菌,这些细菌在体内会组成复杂的微生态系统,而微生态系统平衡在生物过程中起着关键作用。一般根据致病作用大致将细菌分为3类:1)潜在致病菌;2)有益菌;3)共生菌[18]。通常认为,乳酸杆菌和双歧杆菌是有利于宿主健康的有益菌[32]。Dankowiakowska等[33]认为菊粉是最常用和最有效的益生元之一。益生元指的是一类不会被肠胃道消化酶消化,但能选择性地被宿主有益菌利用,从而促进有益菌群增殖的物质[34]。菊粉的特殊构型保证其难以被水解,同时能被某些肠道微生物、双歧杆菌和乳酸杆菌利用,使有益菌群快速增殖,抑制有害菌群的生长,从而维持肠道菌群平衡[35]。Zhu等[36]在小鼠饲粮中分别添加低聚果糖(DP均值为4)和菊粉(DP均值为10),结果显示,与对照组相比,菊粉显著增加了肠道中双歧杆菌和乳酸菌的丰度,降低变形菌门(含多数有害菌)的丰度;同时,他们还发现菊粉对肠道菌群结构的调节作用与DP呈负相关,DP较低的低聚果糖效果更优。此外,菊粉在肠道菌群发酵过程中,可降低肠道pH,促进短链脂肪酸(SCFAs)产生,从而保护肠黏膜屏障,保障肠道屏障的完整性[34]。Wang等[37]研究发现,饲粮中添加5 g/kg菊粉能显著提高断奶仔猪小肠各肠段中乙酸和丁酸的浓度、绒毛高度与隐窝深度比值,并能改善十二指肠和回肠上皮中紧密连接蛋白闭锁小带蛋白-1(ZO-1)的分布和丰度。因此,菊粉的益生元效应主要是通过促进肠道有益菌群的增殖及SCFAs的产生,共同维护和调节动物肠道微生态平衡,从而促进肠道发育。
3.3 促进糖类与脂肪代谢
血液中胆固醇和甘油三酯含量升高是导致机体代谢紊乱的主要因素之一[38]。胆固醇是动脉内壁脂肪沉积的主要“元凶”,可导致血管功能障碍、动脉硬化、中风等生理疾病[39]。菊粉通过提高肠道内SCFAs的浓度,如乙酸盐、丙酸盐,使其作为信号分子被特定的G蛋白偶联受体感知,干扰参与胆固醇和甘油三酯合成的酶,从而抑制脂肪生成、调节碳水化合物的吸收、促进蛋白质合成[38]。刘永青等[40]研究发现,饲粮中添加2%的菊粉可显著提高育肥牛血清中总蛋白和葡萄糖含量,显著降低尿素氮(UN)含量,促进了育肥牛对氮的利用。Wang等[41]在奶牛饲粮中添加200 g/d菊粉,结果表明菊粉能显著降低奶牛血清中胆固醇和甘油三酯含量,降低了血脂水平,下调了脂质代谢。类似的,Zhao等[27]也发现,在奶牛饲粮中添加菊粉显著降低了血清中胆固醇和甘油三酯的含量,提高了血清中总蛋白和白蛋白的含量。此外,菊粉还可以通过调整胃肠道的菌群结构间接参与能量物质的代谢和营养物质的利用。潘黎[42]研究表明,菊粉能显著降低育肥羊瘤胃和盲肠中厚壁菌门和拟杆菌门的比值,降低血液中胆固醇含量,减少脂肪沉积。
3.4 促进矿物质吸收
矿物质是构建动物机体的七大营养素之一,同时也是维持动物正常生理功能和组成机体内多种酶的必要成分。在机体内,矿物质的吸收主要发生在小肠近端(十二指肠下方和结肠上方)。菊粉已经在一些动物(小鼠、蛋鸡、肉鸡)试验上证实具有促进机体对于矿物质吸收的能力,尤其是对钙和镁的吸收,且对骨密度有积极影响[43⇓⇓-46]。肠胃道中的植酸(PA)能与矿物质阳离子[钙离子(Ca2+)、铁离子(Fe2+)、锌离子(Zn2+)]结合,导致机体对矿物质的吸收效率下降[47]。目前的研究表明菊粉增强机体对矿物质的吸收主要通过以下几个途径:1)菊粉在肠道发酵过程中产生SCFAs和有机酸,降低肠道中pH,增加了矿物质的溶解度,从而提高了肠道中各矿物质阳离子被动扩散的速率[48]。2)菊粉的发酵产物刺激结肠黏膜的生长,增加了肠道吸收的面积[49]。3)菊粉的发酵产物能促进具有水解植酸能力的菌群的增殖,从而减弱植酸在胃肠道中带来的不利影响,进而提高对矿物质的吸收[50]。4)菊粉的发酵产物SCFAs能通过离子交换(Ca2+-H+)的形式直接促进对钙离子的吸收[51]。5)菊粉通过影响肠道细胞中铁转运蛋白及相关基因的表达,促进机体对铁的代谢[52]。
3.5 其他生物学功能
有少数研究还表明菊粉还具有除了上述生物学功能之外的其他功能,具体如表1 所示。
表1 菊粉的其他生物学功能Table 1 Other biological functions of inulin |
| 编号No. | 生物学功能 Biological function | 可能的潜在机制 Potential underlying mechanism | 参考文献 Reference |
|---|---|---|---|
| 1 | 促进维生(如维生素D)合成 | 益生元效应(促进双歧杆菌的生长) | 李珂等[53] |
| 2 | 防止缺氧再获氧 诱导的组织损伤 | 激活磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B-内皮型 一氧化氮合酶(PI3K-PKB-eNOS)信号通路 | Cha等[54] |
| 3 | 诱导骨形成 | 促进相关基因如Runx2、Osx、Ocn、 Opn和Opg表达 | Yan等[55] |
| 4 | 抗单纯疱疹病毒1型(HSV-1)、呼吸道合胞 病毒(RSV)、肠道病毒71型(EV-71)病毒 | 刘飞等[56] |
4 菊粉在反刍动物上的应用研究
4.1 对生长性能的影响
提高反刍动物生长性能是畜牧从业者的重要目标之一。Król[57]将36头荷斯坦犊牛分为3组,分别补饲0、3、6 g/d的菊粉,试验结束后发现补饲6 g/d菊粉的犊牛平均日增重(ADG)及宰前活重(LW)极显著高于其他组。Jonova等[58]在饲粮中添加6 g/d的菊粉饲喂犊牛,结果显示,与对照组相比,菊粉组的ADG提高了71%,LW提高了16%。Ārne等[59]在(23±5)日龄、(50±5) kg体重的犊牛饲粮中分别添加浓度在48.5%~50.1%的菊粉6、12、24 g/d,结果表明菊粉添加量在12~24 g/d时增重明显,同时添加量为12 g/d时改善了犊牛胃肠道和形态学指标,减少了腹泻的发生率。在羔羊的试验上显示,菊粉还能显著提高体质量增长速度和体长生长速度,但对干物质、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维的消化率无显著影响[60]。然而,菊粉在育肥试验结果上却表现迥异。梁雪等[61]在育肥湖羊饲粮中添加0.1%菊粉,结果显示,与对照组相比,添加菊粉组育肥湖羊的ADG、干物质采食量(DMI)和料重比(F/G)差异均不显著,但对湖羊肉的系水力、剪切力和肉色有一定的改善作用。而刘永青等[40]研究报道,在西门塔尔杂交肉牛基础饲粮中添加2%的菊粉,显著提高了育肥牛LW和ADG,显著降低了F/G。类似的,潘黎[42]在育肥羊饲粮中添加2%的菊粉显著提高了育肥羊的生长性能,极显著降低了F/G,促进了营养物质吸收。这种不同研究结果存在差异可能与试验动物品种、瘤胃发育状况以及菊粉添加量有关。发育完全的瘤胃是一个巨大的发酵器官,能将摄入的菊粉严重分解,导致仅有部分菊粉能达到胃肠道远端发挥益生元效应[59]。根据以上研究结果,饲粮中添加适量菊粉有助于提高反刍动物的生长性能。菊粉提高反刍动物生长性能可能有以下原因:1)菊粉发挥益生元效应,抑制胃肠道有害菌的繁殖,使更多能量提供给纤维素分解菌,如拟杆菌和厚壁菌,从而提高饲料利用率[62]。2)菊粉促进肠道中的SCFAs合成,为宿主供给能量[34]。
4.2 对瘤胃微生物及发酵参数的影响
4.2.1 瘤胃pH
瘤胃是反刍动物特有的大型厌氧发酵器官,其发酵情况与反刍动物生长和健康密切相关。健康的正常发育的反刍动物瘤胃pH处于6.0~7.3,当pH大于7.8或小于5.0时,会严重影响瘤胃内微生物的组成和丰度,降低机体对营养物质分解与吸收的效率[63]。因此,瘤胃pH是评价瘤胃发酵水平的关键指标[64]。此外,瘤胃pH与发酵产物挥发性脂肪酸(VFA)和氨态氮(NH3-N)浓度呈显著相关[64]。在反刍动物体外试验中,Hakan[65]在发酵罐内的5 g干草中添加1.5 g菊粉,显著降低了pH(pH均值在6.7)和NH3-N浓度。在反刍动物在体内试验中,田可[66]在育肥肉牛的基础饲粮中添加2%的菊粉后发现菊粉显著降低瘤胃pH(pH均值为6.59),提高了瘤胃中丙酸、丁酸、异丁酸的浓度。类似的,刘永青等[40]在育肥牛饲粮中添加2%的菊粉后,显著降低了瘤胃液pH(pH均值为6.27)和NH3-N浓度,增加了丙酸浓度。综合菊粉在体内外的试验结果推断,菊粉的添加会改变瘤胃的发酵水平,影响瘤胃中VFA和NH3-N浓度,从而降低瘤胃pH,但对瘤胃pH无不利影响。
4.2.2 瘤胃微生物
反刍动物由于缺乏消化和发酵它们所摄入饲料的主要成分(以牧草为主)所必需的酶,因此瘤胃微生物对宿主的生存和生产性能至关重要。瘤胃中的拟杆菌门和厚壁菌门(含瘤胃球菌属、丁酸弧菌属、丝状杆菌属等)与饲料中的大分子物质(多糖、纤维素等)分解有关[67⇓-69],提高它们在瘤胃中的丰度有助于促进养分的消化吸收,提高营养物质的利用效率[69]。刘永青等[40]利用16S rDNA高通量测序技术发现菊粉显著提高了育肥肉牛瘤胃中琥珀酸丝状杆菌、溶纤维丁酸弧菌的数量。Tian等[70]在西门塔尔×鲁西杂交牛饲粮中添加2%菊粉后发现,菊粉显著提高了瘤胃细菌的操作分类单元(OTU)数和alpha多样性指数,提高了拟杆菌门和厚壁菌门的丰度,并且饲料利用率显著增加。类似的,潘黎[42]在育肥羊饲粮中添加2%的菊粉后显著提高了瘤胃中拟杆菌门的丰度,降低了变形菌门的丰度。田可[66]在育肥肉牛的基础饲粮中添加2%菊粉,发现菊粉的添加显著提高了瘤胃中瘤胃球菌属和琥珀酸丝状杆菌的丰度。另有研究表明,菊粉的添加提高了奶牛瘤胃中几种有益菌和SCFAs产生菌的丰度,如鼠尾菌科、醋酸菌属、丁酸弧菌属[41]。上述研究结果表明,菊粉的添加有利于促进反刍动物瘤胃中多糖、纤维分解菌的增殖,从而有利于提高饲料利用率。
4.2.3 甲烷(CH4)生成量
CH4是反刍动物胃肠道特别是瘤胃中厌氧微生物发酵过程的最终产物[71]。在发酵过程中,氢气(H2)以与二氧化碳(CO2)结合的方式生成CH4排放到体外[72]。因此,CH4排放属于一种防止H2在瘤胃中过度积聚的机制,但这也意味着能量的损失,可能会对动物的生产力造成负面影响[73]。有研究表明,瘤胃内生成CH4的过程会消耗反刍动物摄入量2%~15%的能量[74]。Paya等[75]通过体外技术模拟菊粉对瘤胃发酵及CH4生成量的影响,结果表明菊粉的添加显著降低了CH4的生成量,改善了瘤胃发酵。而Jonova等[58]在饲粮中添加6 g/d的菊粉饲喂犊牛,结果显示,与对照组相比,犊牛瘤胃中CH4和CO2的生成量无显著差异。这种结果上的差异可能与试验方法和菊粉剂量有关。目前,菊粉对CH4生成量影响的相关研究相对较少,且研究结果不一致。因此,关于菊粉对瘤胃中CH4生成量的影响有待进一步研究。
4.3 对泌乳性能的影响
泌乳性能是反刍动物生产中重要的生产指标之一。在目前的研究中,菊粉对于反刍动物泌乳性能的影响表现出良好的应用潜力。Wang等[41]在奶牛饲粮中添加200 g/d菊粉,增加了产奶量、乳蛋白率、乳糖率。类似的,Zhao等[27]将36头泌乳中期荷斯坦牛随机分为6组,分别添加0、50、150、200、250、350 g/d菊粉,发现随着菊粉添加量的增加,产奶量、乳糖率、乳脂率呈线性增加。而Paya等[76]在泌乳母羊基础饲粮中添加2%的菊粉,结果显示,与对照组相比,菊粉对产奶量没有显著影响,但增加了乳脂率和乳蛋白率。根据以上研究结果发现,菊粉对泌乳性能的影响不完全一致,但都表明了菊粉对于泌乳中营养物质含量的提高有积极作用。由于相关报道鲜有,菊粉影响泌乳性能的潜在机制尚不清楚,关于菊粉对反刍动物泌乳性能的影响有待进一步探讨。
5 小结与展望
综上所述,菊粉作为在自然界中广泛存在的绿色添加剂,不仅具有多种生物学功能,还可以提高反刍动物的生长性能、饲料利用率和改善瘤胃发酵、泌乳性能。因此,在实际生产中,可以考虑以适当的方式将菊粉添加到全混合日粮中。然而,目前菊粉的研究主要集中在其对反刍动物生长性能和瘤胃发酵的影响方面,其对于瘤胃代谢机制的影响尚未明确。此外,由于目前菊粉在反刍动物的应用上仍处于起步阶段,对于各类反刍动物及其各生长阶段的添加量尚未统一标准。因此,在如今我国畜牧业“无抗养殖”的背景下,未来研究建议从以下几点展开:1)进一步研究菊粉对于反刍动物生长性能的影响以及相关机制。2)明确菊粉应用在反刍动物生产中的最适添加量。3)开展菊粉在反刍动物上替抗方面(如抗氧化、抗应激)的相关研究。4)进一步研究菊粉对于反刍动物肉品质和泌乳性能的影响。