謝 芳 ，張海波，幸清鳳，黎力之，關(guān)瑋琨*，郭冬生*，劉小高

（1.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西省高等學(xué)校硒農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，宜春市功能農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，江西宜春 336000；2.宜春學(xué)院計劃財務(wù)處，江西宜春 336000）

低聚木糖（Xylo-oligosaccharide，XOS）又稱木寡糖，由植物細(xì)胞壁中木聚糖水解而成，是2～7 個D-木糖以β-1，4 糖苷鍵連接構(gòu)成的寡糖，常見制備原料為小麥秸稈、甘蔗秸稈、玉米芯、稻殼等農(nóng)副產(chǎn)物，因此XOS 可作為安全、高效且無污染的新型綠色飼料添加劑[1]。XOS 與腸道微生物組成密切相關(guān)，相較于其他聚合糖類（如大豆低聚糖、低聚果糖、低聚異麥芽糖等），XOS 對腸道雙歧桿菌有顯著增殖效果，被稱為“超強雙歧因子”[2]。同時，XOS 屬于非消化性寡糖和功能性聚合糖，其通過影響腸道菌群及其代謝產(chǎn)物對腸道屏障建立發(fā)揮正向作用。研究顯示，飼料添加XOS可促進(jìn)雙歧桿菌和乳酸桿菌等益生菌生長，對條件致病菌有抑制作用，從而改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，維持動物腸道正常屏障功能[2]。此外，XOS 通過增殖益生菌促使其代謝產(chǎn)物含量升高，如短鏈脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids，SCFAs）、雙歧桿菌細(xì)菌素及膽鹽水解酶等[3]。SCFAs 不僅具有抑菌作用，還參與調(diào)控機體免疫因子和抗體水平，減少腸道感染；雙歧桿菌細(xì)菌素、膽鹽水解酶等均為抗菌物質(zhì)，保護機體免受病原體侵襲[4]。近年來，XOS 應(yīng)用于動物生產(chǎn)推動養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展已引起研究者廣泛關(guān)注。本文主要闡述XOS 介導(dǎo)腸道菌群及代謝產(chǎn)物對腸道屏障的影響以及XOS 在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用，為XOS 更加合理地開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 XOS 的簡介

1.1 XOS 的結(jié)構(gòu) XOS 主要成分為木二糖（X2）和木三糖（X3），其水解后分子式為C5nH8n+2O4n+1（n=2～6）[5-6]。XOS 經(jīng)酶解法生成的木糖分子及X2、X3 化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 XOS 的功能 XOS 可選擇性增殖腸道益生菌（如雙歧桿菌、乳酸桿菌），改善腸道微生物區(qū)系，對宿主腸道健康產(chǎn)生有益效應(yīng)，從而影響機體生理功能[2]。XOS 不僅在調(diào)節(jié)動物糖脂代謝及促進(jìn)部分常量元素吸收利用方面發(fā)揮重要作用，還參與維護腸道屏障功能穩(wěn)定和激活機體免疫應(yīng)答，進(jìn)而改善動物生長發(fā)育。Long 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠在7%的XOS 飲食干預(yù)下，引發(fā)調(diào)節(jié)胰島素敏感性的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子（Pparggenes）及脂肪生成的轉(zhuǎn)錄因子（Cebpa）表達(dá)量下降，血糖和血脂水平顯著降低，表明XOS 有改善糖脂代謝的效果。XOS 可作為益生菌碳源，促進(jìn)有益代謝產(chǎn)物（如SCFAs）生成。研究顯示，SCFAs 使腸道pH 降低，提高礦物質(zhì)溶解率，同時可促進(jìn)腸上皮增殖分化，增加礦物質(zhì)吸收率，提高機體對鈣、鎂等常量元素的生物利用率[8]。在改善腸道屏障方面，Ding 等[9]在蛋雞飼糧中添加XOS，發(fā)現(xiàn)小腸絨毛高度（Villus Height，VH）以及VH/隱窩深度（Crypt Depth，CD）值顯著增加，有利于改善腸絨毛形態(tài)發(fā)育，促進(jìn)杯狀細(xì)胞成熟與黏蛋白分泌，提高腸黏膜屏障完整性。XOS 還可降低大腸桿菌相對豐度，抑制盲腸致病菌定植及炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生，從而調(diào)控免疫介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，增強腸道免疫功能[10]。大量動物試驗已證實，XOS 還具有良好抗氧化[11]、抗癌癥[4]、預(yù)防齲齒[1]、預(yù)防腹瀉[12]等作用。此外，XOS的非消化性可擴充腸道內(nèi)容物，稀釋有毒代謝產(chǎn)物并減少其生成，緩解肝臟解毒負(fù)擔(dān)，對動物肝臟起保護作用。

2 XOS 對腸道屏障的影響

2.1 XOS 介導(dǎo)腸道菌群對腸道屏障的影響 XOS 難以被動物機體內(nèi)源酶降解，但可被大腸內(nèi)雙歧桿菌、乳酸桿菌等益生菌發(fā)酵利用，增加有益菌在腸道內(nèi)的定植能力，從而改善腸道微生態(tài)區(qū)系，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。腸道益生菌可通過占位效應(yīng)與病原菌競爭有限營養(yǎng)物質(zhì)和黏附位點，限制病原菌在腸上皮表面定植[13]。XOS 增殖的益生菌能誘導(dǎo)黏蛋白基因表達(dá)，促使杯狀細(xì)胞分泌黏液，加強細(xì)胞間緊密連接（Tight Junction，TJ），抵御外來有害物質(zhì)侵襲。Pham 等[14]采用吸收性腸細(xì)胞（Caco-2）和黏液分泌杯狀細(xì)胞（HT29-mtx-e12）共同培養(yǎng)法模擬健康腸道環(huán)境，發(fā)現(xiàn)添加70%的XOS 發(fā)酵上清液可明顯提高黏蛋白含量，增強腸黏膜屏障緊密性。Yin 等[15]發(fā)現(xiàn)仔豬經(jīng)XOS 飼喂后，可上調(diào)回腸TJ 蛋白-1（ZO-1）表達(dá)，維持正常腸黏膜通透性，進(jìn)一步證明XOS 具有維護腸道屏障功能的作用。XOS 自身有抑菌活性，其對病原菌有較強的黏附能力。病原菌細(xì)胞表面存在能與宿主特異性寡糖配體結(jié)合的蛋白，稱為外源凝集素[16]。腸上皮細(xì)胞（Ιntestinal Epithelial Cell，ΙEC）表面特異性糖分子或殘基可作為外源凝集素結(jié)合位點，促使病原菌黏附定植，引發(fā)腸道感染[17]。XOS 主要成分X2 和X3 可競爭性結(jié)合病原菌表面外源性凝集素，減少ΙEC 受體與病原菌結(jié)合機會，甚至置換出與外源凝集素結(jié)合的ΙEC 受體，保護機體免受病原體侵襲。馬巖等[18]在研究X2 與X3 對雞腸道細(xì)菌增殖和細(xì)胞黏附率試驗中，發(fā)現(xiàn)X2 和X3 有效降低大腸桿菌和沙門氏菌等革蘭氏陰性病原菌對ΙEC 的黏附率，使其隨糞便排出，達(dá)到抑制有害菌的目的。另外，XOS作為外來抗原，經(jīng)抗原提呈細(xì)胞激活免疫應(yīng)答，促進(jìn)免疫細(xì)胞增殖分化，增強機體免疫功能。XOS 介導(dǎo)的腸道菌群對腸道屏障的調(diào)控過程如圖2 所示。

2.2 XOS 介導(dǎo)菌群代謝物對腸道屏障的影響 XOS 可調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)有益代謝產(chǎn)物（如SCFAs、雙歧桿菌細(xì)菌素、膽鹽水解酶）生成，抵御有害物質(zhì)和病原體侵襲，并間接刺激免疫系統(tǒng)發(fā)育成熟，維持腸道屏障功能[3]。SCFAs 是腸道菌群作用于難以降解的碳水化合物后所形成的發(fā)酵產(chǎn)物，包括乙酸、丙酸和丁酸等。SCFAs 能降低腸道氧化還原電勢和pH，抑制不耐酸腐敗菌和病原菌生長繁殖，且丁酸抑菌效果最佳，可抵抗傷寒沙門氏菌、大腸桿菌及金黃色葡萄球菌感染[19]。丁酸還作為ΙEC 生長主要能量來源，促進(jìn)其增殖分化，同時參與維持ΙEC 正常功能。飼糧中添加XOS 可提高SCFAs 濃度的作用已被證實。謝菲等[20]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加0.03% XOS 可顯著增加生長育肥豬盲腸和結(jié)腸中丙酸含量，0.02%～0.04% XOS 顯著提高結(jié)腸中丁酸水平。Ding 等[9]研究發(fā)現(xiàn)隨著日糧中XOS 濃度增加，蛋雞盲腸內(nèi)丙酸含量無明顯變化，但丁酸水平呈線性增長。SCFAs 不僅具有維持腸上皮屏障功能，還介導(dǎo)G 蛋白偶聯(lián)受體（G-protein-Coupled Receptors，GPRs）和抑制組蛋白去乙酰酶（Histone Deacetylase，HDAC）活性緩解腸道炎癥。一方面，SCFAs 可激活缺 氧 誘 導(dǎo) 因 子-1（Hypoxia-Ιnducible Factor-1，HΙF-1）、轉(zhuǎn)錄活化因子3（Signal Transducer and Activator of Transcription3，STAT3）、轉(zhuǎn)錄因子SP1（Transcription Factor Sp1，SP1），誘導(dǎo)TJ 蛋白表達(dá)，降低腸上皮通透性，增強腸道屏障功能，如丁酸在低濃度下能降低Caco-2 和HT-29 通透性，有效改善細(xì)胞TJ，刺激黏蛋白合成，維持腸上皮屏障完整性[14,21]；另一方面，SCFAs 通 過 激 活GPRs 41、GPRs 43 和GPRs 109A 以及抑制HDAC 活性誘導(dǎo)抗炎信號通路，在減輕腸道炎癥及促進(jìn)腸上皮修復(fù)方面發(fā)揮重要作用。在離體小鼠結(jié)腸ΙEC 模型中，乙酸可誘導(dǎo)GPR43 通路刺激HT-29 的鉀離子外流并超極化，從而激活炎性小體NOD 樣受體家族蛋白3（NOD-like Receptor Protein 3，NLRP 3），促 使ΙEC 分 泌 白 細(xì) 胞 介 素（Ιnterleukin，ΙL）-18，且丁酸通過GPR109A 抑制核轉(zhuǎn)錄因子-κВ（Nuclear Transcription Factor-κВ，NF-κВ）活 化，減 少NF-κВ引起的促炎介質(zhì)產(chǎn)生[21]。丁酸還誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化生長因子-β（Transforming Growth Factor-β，TGF-β）在ΙEC 中表達(dá)，促進(jìn)В 細(xì)胞產(chǎn)生免疫球蛋白A（Ιmmunoglobulin A，ΙgA）[22]。此外，丁酸作為HDAC 抑制劑，在叉頭樣轉(zhuǎn)錄因子3（Forkhead box P3，F(xiàn)oxp3）位點上促進(jìn)組蛋白H3 乙?；险{(diào)Foxp3基因表達(dá)，誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（Regulatory T cells，Treg）分化，促進(jìn)ΙL-10生成發(fā)揮抗炎效應(yīng)[23]。SCFAs 可抑制HDAC 活性，降低NF-κВ 水平，阻礙腸巨噬細(xì)胞產(chǎn)生腫瘤壞死因子-α（Tumor Necrosis Factor-α，TNF-α）、ΙL-6、ΙL-12 等炎性細(xì)胞因子，還能調(diào)控雷帕霉素靶蛋白（Mammalian Target of Rapamycin，mTOR）通路抑制輔助性T 細(xì)胞17（T-helper Cell 17，Th17）生成，影響Th17/Treg 分化平衡，進(jìn)而調(diào)節(jié)相關(guān)炎性細(xì)胞因子分泌，減輕炎癥反應(yīng)[21]。Ding 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，補充XOS 的蛋雞體內(nèi)ΙgA、ΙgM、TNF-α 水平顯著升高，有利于激活抗炎反應(yīng)及免疫應(yīng)答，改善宿主的防御機能。另外，雛雞飼喂XOS 后ΙL-6、脂多糖誘導(dǎo)腫瘤壞死因子α因子（LΙTAF）等促炎癥細(xì)胞因子分泌顯著降低，從而減少病原菌在盲腸上定植及炎癥細(xì)胞分裂，減輕腸道炎癥反應(yīng)[10]。XOS 介導(dǎo)的SCFA 調(diào)節(jié)腸道屏障的機理見圖3。XOS是否通過SCFA 調(diào)控機體一系列反應(yīng)來參與腸道免疫，進(jìn)而抑制促炎癥細(xì)胞因子產(chǎn)生及提高抗體水平，還需進(jìn)一步研究論證。

細(xì)菌素是在細(xì)菌代謝過程中由核糖體合成的一類多肽或蛋白質(zhì)類抗菌物質(zhì)，可降解病原菌生物膜，預(yù)防腸道感染[24]。XOS 對雙歧桿菌、乳酸桿菌的增殖有利于雙歧桿菌細(xì)菌素、膽鹽水解酶等抗菌物質(zhì)分泌，抑制病原菌生長繁殖[25-26]。Meade 等[24]研究發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌細(xì)菌素對傷寒沙門氏菌、李斯特菌、大腸桿菌等病原菌具有抑制作用。雙歧桿菌核心基因組編碼序列-ВifCOGS還同碳水化合物代謝有關(guān)，可產(chǎn)生糖基水解酶，降解腸黏膜病原菌及細(xì)菌毒素結(jié)合受體的復(fù)雜多糖，減輕病原菌和細(xì)菌毒素對ΙEC 的侵襲[27-28]。雙歧桿菌、乳酸桿菌等益生菌代謝可產(chǎn)生膽鹽水解酶，促使結(jié)合型膽汁酸轉(zhuǎn)化為游離型膽汁酸，其積累后可降低腸道pH，與其他疏水弱有機酸（如SCFAs）類似，可損傷細(xì)菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，抑制腸上皮潛在病原體定植[29]。膽鹽水解酶還可降低膽汁毒性，使腸道正常菌群不易被膽汁酸殺死，維持腸道微生態(tài)平衡[30]。綜合來看，這些抗菌物質(zhì)可有效抑制病原微生物及細(xì)菌毒素入侵，保護腸道免受感染，維護腸黏膜正常屏障功能。

3 XOS 在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 XOS 在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用 XOS 在家禽中可作為益生素調(diào)節(jié)腸道微生物區(qū)系改善腸道功能，提高家禽生長性能和產(chǎn)品品質(zhì)。研究表明，在蛋雞日糧中添加XOS可顯著增加蛋殼厚度和蛋殼相對重量，提高蛋殼質(zhì)量[31]。研究已證實，補充XOS 可顯著提高鈣的表觀消化率，其對蛋殼質(zhì)量的改善主要因為益生菌產(chǎn)生的SCFAs 降低了腸道pH，提高了機體對鈣的吸收率[8,31]。飼喂XOS 還能促進(jìn)蛋雞盲腸雙歧桿菌增殖，減少大腸桿菌數(shù)量，改善腸道形態(tài)發(fā)育，促進(jìn)腸道健康，增強腸道免疫功能[9]。Craig 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加XOS 可降低肉雞采食量，提高飼料轉(zhuǎn)化率，但對增重?zé)o顯著影響。此外，與飼料中未補充XOS 的肉雞相比，添加0.1 g/kg XOS的肉雞體重較高，但添加高水平XOS 肉雞的體重與未補充XOS 的肉雞相似，表明最佳添加量以低摻入率0.1 g/kg 為宜[33]。這可能與XOS 促進(jìn)有益菌（雙歧桿菌、乳酸桿菌）增殖有關(guān)，有益菌分泌的SCFAs 及乳酸桿菌數(shù)量增加使腸道pH 降低，為消化酶提供適宜的工作環(huán)境，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)吸收和利用，而過酸的腸道環(huán)境會影響消化酶活性，抑制養(yǎng)分吸收。因此，XOS 對家禽日增重的影響是否因為腸道菌群結(jié)構(gòu)和消化酶的活性改變，需進(jìn)一步驗證。

3.2 XOS 在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用 研究表明，飼糧添加XOS可改善豬的腸道微生態(tài)平衡，進(jìn)而對其生長性能、胴體性質(zhì)、肉品質(zhì)產(chǎn)生影響。Liu 等[34]研究發(fā)現(xiàn)日糧中添加XOS 可使斷奶仔豬平均日增重提高17%，還能增加空腸VH/CD 值及養(yǎng)分表觀總消化率。研究顯示，在30～100 kg生長育肥豬飼糧中添加100 g/t 的XOS 可顯著降低條件致病菌相對豐度，增加有益菌數(shù)量[35]。謝菲等[20]指出，在飼糧中添加0.03% 的XOS 可提高25～110 kg 生長育肥豬在各階段的干物質(zhì)和能量表觀消化率，添加0.04%的XOS 使耗料增重比降低4.81%，2 種添加劑量的XOS 均能顯著提高豬胴體長；添加0.02%的XOS 使仔豬日增重提高15.34%，顯著增加飼料回報率。邢廷杰等[36]發(fā)現(xiàn)在育肥豬飼糧中添加100 g/t 的XOS 能提高肌肉pH45min，降低肌肉黃度、亮度和滴水損失，改善肉品質(zhì)；添加100、500 g/t 的XOS 可顯著增加肌肉粗蛋白質(zhì)和氨基酸含量，上調(diào)生肌決定因子和肌肉生長抑制素表達(dá)，改善豬肉蛋白品質(zhì)和風(fēng)味。綜上所述，在豬生產(chǎn)中，一方面XOS 通過調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)環(huán)境，促使有益菌產(chǎn)生SCFAs，降低腸道pH，改善腸道組織形態(tài)發(fā)育，維持腸黏膜完整性，從而促進(jìn)養(yǎng)分吸收和利用，提高豬的生長速率；另一方面XOS 促使腸道pH 下降，提高礦物質(zhì)溶解率，降低滴水損失，改善豬肉品質(zhì)。XOS 還可增加豬肉中蛋白質(zhì)含量及氨基酸水平，上調(diào)肌肉生長相關(guān)基因表達(dá)，提高豬肉風(fēng)味和營養(yǎng)價值。

3.3 XOS 在水產(chǎn)動物生產(chǎn)中的應(yīng)用 研究證實，適宜的XOS 可通過改善腸道菌群結(jié)構(gòu)對水產(chǎn)動物生長性能、免疫功能及脂質(zhì)代謝產(chǎn)生有益影響。胡曉偉等[37]研究發(fā)現(xiàn)，日糧添加200～600 mg/kg 的XOS 可提高花鱸幼魚的生長性能，增加溶菌酶活性，抑制血清中超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性，從而影響非特異性免疫應(yīng)答；添加200～400 mg/kg 的XOS 能改善花鱸幼魚的血脂水平，抑制腸道沙門氏菌和大腸桿菌定植，增加雙歧桿菌數(shù)量，維持腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)。在羅非魚日糧中添加玉米芯衍生XOS 可顯著提高增重率、比生長速率及飼料轉(zhuǎn)化率[38]。研究發(fā)現(xiàn)，與僅飼喂高脂飼料鯉魚相比，飼料中補充10 g/kg XOS 的高脂鯉魚增重率、比生長速率和蛋白質(zhì)效率更高；且添加10～20 g/kg XOS 的高脂鯉魚血清膽固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白水平較低[39]。上述試驗結(jié)果表明，添加XOS 可調(diào)節(jié)水產(chǎn)動物腸道菌群結(jié)構(gòu)，提高飼料利用率及機體免疫功能，有效降低血清膽固醇和脂肪儲存。但目前關(guān)于XOS 在水產(chǎn)動物免疫和脂質(zhì)代謝的相關(guān)分子調(diào)控機理研究較少，值得進(jìn)一步探討。

4 小結(jié)與展望

XOS 在動物生產(chǎn)中具有改善腸道微生態(tài)平衡、抵御病原菌定植、促進(jìn)腸道免疫系統(tǒng)發(fā)育及抑制炎癥反應(yīng)等作用，實現(xiàn)維持機體腸道屏障功能穩(wěn)定，提高動物健康和生產(chǎn)水平。XOS 作為綠色高效的飼料添加劑已廣泛應(yīng)用于畜牧領(lǐng)域，目前市場上不同XOS 產(chǎn)品的來源、生產(chǎn)方式及理化性質(zhì)存在差異。補充XOS 應(yīng)注意不同動物品種及年齡階段的添加量及使用方法，一般與益生素復(fù)配應(yīng)用于動物保健品中，或與酶制劑混合應(yīng)用可提高飼料利用率，還可與其他寡聚糖復(fù)配生產(chǎn)復(fù)合益生元產(chǎn)品。然而，目前對于XOS 調(diào)控腸道內(nèi)環(huán)境機理的相關(guān)研究仍處于初級階段，多數(shù)研究集中于XOS 對腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響，而相關(guān)的分子機制還不清晰。XOS與動物腸道屏障有密切聯(lián)系，其通過抑制促炎癥細(xì)胞因子產(chǎn)生，增加抗體水平改善腸道免疫功能，但具體調(diào)控途徑還需探討。未來隨著對XOS 作用的深入發(fā)掘，其在動物營養(yǎng)和飼料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將愈加廣泛。