低聚木糖(xylo-oligosaccharide，XOS)是由2~10个木糖分子通过β-1, 4糖苷键连接而成，主要有效成分为木二糖、木三糖和木四糖^[1]。XOS一般通过玉米芯、橄榄、稻壳和棉籽壳等富含木聚糖的木质纤维素材料(LCMs)直接水解而得^[2]，其生产制备包括木聚糖的提取、木聚糖的水解、XOS的分离和纯化^[3]。由于制备原料不同，XOS在结构上分为仅含有木糖直链的线性XOS和带有侧链的分支XOS^[4]。XOS作为益生元，摄入后可以通过增加特定益生菌的数量和减少致病菌的数量显著调节肠道微生物菌群，同时比益生菌更容易融入到饮食中^[5]，在提高动物生长性能、调节肠道菌群平衡、增强免疫力及血脂调节等方面具有重要意义^[6]。本文综述了国内外近年来XOS在动物试验上的相关研究进展，并对其可能存在的作用机制进行阐述，以期为其进一步开发应用提供依据。

1 XOS的理化特性

XOS作为饲料添加剂使用的优势在于以下几方面：1)良好的理化性质，如耐热性(分解温度为100 ℃)和耐酸性(在pH 2~7稳定)^[1]；2)黏度低，且随温度升高而迅速下降；3)水分活度与葡萄糖接近^[7]，可改善食品或饲料吸潮、返潮等问题；4)降低冰点，提高食品或饲料的抗冻性能^[8]；5)主要组分为木糖，无不适特殊气味。另外，慢性毒理学研究显示，XOS在人及犬、大鼠等动物中无任何毒性表现，可应用于食品、饲料和医药等行业^[8]。

2 XOS的代谢特性

XOS在机体内代谢时，首先不同聚合度的单组分在β-木糖苷酶、α-葡萄糖醛酸酶和阿拉伯糖苷酶等水解酶作用下释放出木糖、葡萄糖和阿拉伯糖，然后由肠道细菌发酵产生短链脂肪酸(SCFA)^[9]。发酵过程分为2个阶段，第1个阶段主要产生乙酸和乳酸，第2个阶段产生丙酸和丁酸，且SCFA和乳酸的浓度随着发酵过程中XOS的消耗而升高^[10]。此外，XOS在肠道内的代谢效率由多种因素共同决定：1)相对于线性XOS，分支XOS发酵较慢，丁酸产量更高，这对机体健康更加有利^[11]。2)XOS的完全水解需要多种酶共同作用，包括β-木糖苷酶、α-葡萄糖醛酸酶、α-L-阿拉伯糖苷酶或乙酰木聚糖酯酶^[10]。有报道称，青春双歧杆菌、婴儿双歧杆菌和两歧双歧杆菌均通过产生木糖苷酶和阿拉伯糖苷酶利用XOS，且其对XOS的水解能力取决于其木聚糖酶酶解系统的效率^[10-12]。3)XOS对双歧杆菌的增殖作用和发酵后SCFA的产量随XOS组分分子质量的增加而下降^[13]。体外消化试验证明，XOS经过唾液至小肠黏膜酶液后的残留率达到了99.6%，可充分被大肠内双歧杆菌发酵^[14]，且XOS对双歧杆菌的增殖效果是其他功能性低聚糖的10~20倍^[15]。

3 XOS的生理功能及其作用机制 3.1 优化肠道菌群，促进肠道健康 3.1.1 XOS对肠道菌群的调节作用

肠道共生菌有助于宿主营养物质的吸收和维持肠道免疫屏障的完整性^[16-18]。Liu等^[19]研究发现，断奶仔猪饲粮中添加XOS降低了粪便大肠杆菌的数量，提高了乳酸杆菌的数量、空肠绒毛高度和隐窝深度比(VH:CD)以及平均日增重(ADG)。白罗曼蛋鸡饲粮中添加XOS显著提高了其盲肠双歧杆菌的数量，且空肠绒毛高度、VH:CD和空肠相对长度随XOS添加量的升高显著增加，盲肠中细菌总数、乳酸杆菌和大肠杆菌数量没有显著变化^[20]。胡晓伟等^[21]在花鲈幼鱼基础饲料中添加不同水平的XOS均显著降低了花鲈幼鱼肠道中沙门氏菌的数量，200和400 mg/kg XOS添加组大肠杆菌数量显著降低，双歧杆菌数量显著增加。体外培养试验发现，油棕榈空果束来源的XOS可选择性刺激粪便中的双歧杆菌和拟杆菌属细菌生长^[15]。不同学者研究XOS对微生物种类和数量的调控效果有所不同，可能与XOS的来源、使用剂量、试验对象和试验周期等相关。

3.1.2 XOS优化肠道菌群的作用机制

研究表明，肠道菌群的失衡破坏肠上皮屏障功能，导致肠道通透性增加，脂多糖(LPS)进入血液循环，引起机体疾病发生^[22]。XOS的结构与肠内壁细胞表面受体的结构相似，临床试验表明患者通过服用寡糖制备的药物制剂，使病原体与肠黏膜表面的寡糖结合，阻断了病原体定植的第1步^[23]。另外，XOS对双歧杆菌的增殖作用是其能够优化肠道菌群、促进肠道健康的重要原因，主要包括以下3个方面：1)XOS为双歧杆菌增殖提供能量。Makelainen等^[24]在以XOS为碳源的纯培养基中培养双歧杆菌和乳酸杆菌以及大肠杆菌、沙门氏菌和葡萄球菌等肠道潜在致病菌发现，双歧杆菌菌株可高特异性利用XOS进行发酵，其他菌株几乎不能利用XOS。2)增殖的双歧杆菌参与形成微生物屏障，阻止外来致病菌定植和有害菌生长。一方面，双歧杆菌通过自身细胞壁的脂磷壁酸(LTA)与肠黏膜上皮细胞膜特异性结合，占据肠道黏膜表面，构成肠道的定植抗力，抵御致病微生物入侵^[25-26]；另一方面，双歧杆菌代谢过程中分泌的双歧杆菌素和过氧化氢等抗菌物质及降解肠黏膜上皮细胞上作为致病菌结合受体多糖结构的胞外糖苷酶均保证了双歧杆菌抑菌功能的发挥。3)双歧杆菌发酵XOS产生的SCFA、乳酸和琥珀酸等有机酸降低了肠道pH，破坏了大多数致病菌适宜生存的中性环境，从而抑制其生长繁殖，促进肠道健康^{[25, 27]}。

3.2 减少炎症发生，提高免疫机能 3.2.1 XOS对炎症和机体免疫的调节作用

扶国才等^[28]研究发现，饲粮中添加0.02%的XOS提高了仔猪血液中血小板、单核细胞的数量以及血清溶菌酶(LZM)的活性。Yuan等^[29]报道，饲粮中添加2 mg/kg的XOS显著提高了肉鸡盲肠中醋酸盐和丁酸盐的含量，同时观察到干扰素γ(IFNγ)、LPS诱导的肿瘤坏死因子(LITAF)和Toll样受体-5(TLR5)mRNA的表达下调，研究认为XOS通过刺激SCFA的产生降低了细胞因子基因的表达。王安琪等^[30]研究显示，XOS能够在一定程度上提高凡纳滨对虾血清中酸性磷酸酶(ACP)、碱性磷酸酶(AKP)和LZM的活性，增强其先天性免疫反应。另外，高脂饲粮喂养的大鼠血清中LPS水平、回肠和骨髓中白细胞介素-6(IL-6)的表达升高，而补充XOS或包含XOS的合生元均可改善大鼠的代谢参数和炎症标志物水平^[31]。Rufino等^[32]研究发现，益生元能够促进乳酸菌、双歧杆菌的生长和SCFA的产生，减少结肠宏观病变以及降低炎症标记物如髓过氧化物酶(MPO)、AKP和白细胞介素-17(IL-17)等产生从而改善2, 4, 6-三硝基苯磺酸法(TNBS)诱导产生的大鼠结肠炎。体外试验也证明，XOS可以抑制肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)、IL-6和一氧化氮(NO)在LPS刺激的巨噬细胞中的产生，抑制炎症发生^[33]。

3.2.2 XOS抗炎、增强免疫的作用机制

XOS可以作为外来抗原对机体免疫系统产生持久有效的刺激，促进免疫器官细胞分裂和发育^[34]。研究表明，饲粮中补充XOS后，抗生素处理过的幼龄小鼠胰腺炎得到缓解，表明XOS的抗炎机制可能是其直接作用于免疫系统^[35]。Vazquez等^[36]报道称，在婴儿时期牛奶低聚糖可以渗透通过肠道屏障，结合细胞上的特定糖受体，从而调节免疫反应。Fadel等^[37]也验证了阿拉伯木聚糖对先天和适应性免疫反应的直接调节作用，其机制在于阿拉伯木聚糖与LPS的分子质量和结构相似，能够通过激活LPS受体Toll样受体4(TLR4)增强免疫。另外，XOS能够提高机体血液单核细胞数、血清AKP和LZM活性，且XOS增殖的双歧杆菌作为免疫佐剂，可识别并激活肠道集合淋巴结(肠黏膜免疫系统的重要组成部分)，诱导淋巴细胞通过淋巴管外流，通过淋巴循环活化机体的免疫系统^[38]。

大量研究证明，有益菌代谢XOS产生的SCFA在调节免疫因子、增强免疫方面发挥重要作用^[38]。一方面，SCFA能够激活G蛋白偶联受体43(GPR43)诱导中性粒细胞趋化和功能活化^[39-40]，并通过GPR109A和组蛋白去乙酰化酶(HDAC)调节巨噬细胞和树突状细胞等天然免疫细胞的功能发挥^[41]；另一方面，SCFA通过促进效应性T细胞(如Th17和Th1)的产生^[42]，提高B细胞分化相关的基因表达，同时增强糖酵解、氧化磷酸化和脂肪酸合成这3个血浆B细胞分泌抗体所必需的代谢过程，调节T细胞和B细胞介导的适应性免疫，促进肠道黏膜和全身抗体反应^[43]。

3.3 改善脂质代谢 3.3.1 XOS对脂质代谢的影响

改善脂质代谢是XOS重要的生理功能之一^[44]。Gunness等^[45]以猪为人类模型研究小麦阿拉伯木聚糖对脂质代谢的影响时发现，猪血液中甘油三酯(TG)含量显著降低，而低密度脂蛋白(LDL)、高密度脂蛋白(HDL)和总胆固醇(TC)含量没有显著变化。在肉鸡饲粮中补充玉米壳来源的XOS也发现肉鸡血液中TC、TG和葡萄糖含量的降低^[46]。Abasubong等^[47]发现，与XOS添加组相比，高脂饲粮鲤鱼血浆内TC、TG、LDL含量升高，HDL含量降低，这与Wang^[44]在肥胖小鼠中的研究结果一致。同时发现鲤鱼脂蛋白脂酶(LP)的转录上调，而肉毒碱棕榈酰基转移酶-1(CPT-1)、过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)、酰基辅酶A氧化酶(acyl-CoA oxidase，ACO)和脂肪酸移位酶(FAT/CD36)等基因的表达下调，表明XOS的添加增强了鲤鱼的脂质代谢。Long等^[48]利用小鼠模型研究XOS对脂质代谢的影响时发现，添加7%的XOS显著降低了小鼠内脏脂肪积累、单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)的含量以及厚壁菌门的丰度，增加了盲肠中SCFA的产量，但未观察到血液或肝脏脂质代谢的变化，研究认为XOS通过降低脂肪合成标志物基因的表达，减少脂肪生成以及诱导肠道微生物组成的变化来预防肥胖发生。

3.3.2 XOS改善脂质代谢的作用机制

Long等^[48]研究发现，在低可溶性纤维饮食中补充XOS降低了小鼠体脂重量的同时，循环瘦素的水平显著下降。而瘦素是白色脂肪组织分泌的调节能量稳态的重要脂肪因子^[49]，有报道称机体循环瘦素的水平与体脂重量成正比^[50]。因此推断，XOS改善脂质代谢可能与体内瘦素水平有关。而Cano等^[51]的研究表明，饲粮中添加假链状双歧杆菌可降低肥胖小鼠血清中TC、TG和瘦素的含量，缓解胰岛素抵抗，且减少肥胖小鼠肝脏脂肪变性和肠上皮细胞中较大脂肪细胞的数量。这提示XOS可能通过肠道微生物调控机体瘦素含量，从而改善脂质代谢。

大量研究表明，XOS通过肠道菌群提高肠道SCFA含量改善脂质代谢^[52]。Ooi等^[53]称肠道中微生物发酵XOS产生的丙酸被肠道吸收后通过血液循环到达肝脏，进而在肝脏中抑制胆固醇的合成以及改善胰岛素的敏感，从而调节机体脂质代谢。另外，SCFA能够激活过氧化物酶体增殖物激活受体-γ(PPAR-γ)、PPAR-α和法尼醇X受体(FXR)等与脂质代谢相关的重要转录因子的表达，促进脂肪酸的氧化^[54]，改善机体脂质代谢。

厚壁菌门和放线菌门含有肠道微生物区系中与肥胖相关的大部分基因，如能量获取和脂肪存储。国内外大量人群试验和动物试验表明，XOS的摄入改变了高脂饮食的试验对象肠道中厚壁菌门和拟杆菌门的比例，具体表现为拟杆菌门数量的增加和厚壁菌门数量的减少，从而影响机体的脂质代谢^{[48, 55]}，但目前影响这种关系的机制尚未明确。

3.4 其他功能

XOS含有的酚类取代基赋予其抗氧化活性^[56]，在动物试验中主要体现在增加非酶抗氧化物质含量和提高抗氧化酶的活性及水平^[38]。Min等^[57]研究发现，饲粮中补充含XOS的合生元显著提高了肉鸡血清中总超氧化物歧化酶(T-SOD)和LZM的活性，改善肉鸡的抗氧化能力。有报道称，饲喂XOS的糖尿病大鼠血液中过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性显著高于基础饲粮组糖尿病大鼠，氧化型谷胱甘肽(GSSG)转化为还原型谷胱甘肽(GSH)的比例升高^[58]。体外培养试验发现，XOS与乳杆菌的复合使用显著提高了1, 1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基的清除活性和铁还原能力，改善了牛奶的抗氧化活性^[59]。

最近一项关于XOS对猪股骨中矿物质结晶度影响的研究表明，XOS可以降低生物磷灰石(BAp，骨组织的主要成分)中磷酸盐被碳酸盐的取代率，提高BAp的结晶度，且在生长阶段的效果优于育肥阶段^[60]。Li等^[61]研究发现，蛋鸡饲粮中添加XOS促进了钙的吸收，后续试验还发现XOS显著提高了蛋鸡血浆中1, 25-二羟维生素D₃的含量^[20]。这些研究表明，饲粮中添加XOS能够提高饲粮中钙的吸收效率，降低因维生素D、钙和磷等缺乏导致的动物软骨病，减少养殖业的经济损失。目前普遍认为，益生元改善钙吸收和骨骼健康的机制是由于大肠中的益生元-微生物互作，包括改变肠道微生物群组成、产生SCFA、改变肠道pH、修饰生物标志物和调节免疫系统^[62]。

4 小结

XOS在肠道健康、免疫力、血脂代谢、抗氧化和钙吸收等方面的调控作用改善了动物机体健康，从而使动物具有良好的生长和生产性能，其生物学功能与其对有益菌的增殖作用及SCFA的产生是密切相关的。同时，XOS作为功能性低聚糖，具有无毒、无残留、稳定性强等特点，在无抗养殖时代拥有巨大的市场潜力。然而，不同原料来源的XOS在结构上会有所不同，进而在动物试验中表现出不同的生理功能，因此其有效结构或者功能基团有待进一步研究明确。另外，通过动物试验得到的生理功能其机制尚未完全清晰，也需要进一步探究。