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                β-甘露聚糖特性、抗营养作用及其应用

                在玉米-豆粕型日粮中,玉米可较完全被单胃动物消化,但豆粕中的能量只有50%60%被利用。为什么豆粕中的能量成分的利用率如此低呢?因为豆粕含有大约22.7%的半纤维素(Chesson1987),实质上这是单胃动物包括猪、禽不可消化的非淀粉多糖(NSP)。NSP的其中一种组分是β-甘露聚糖(半乳甘露聚糖)(β-mannans),其在豆粕中的含量高于其它常用的饲料原材料。β-甘露聚糖除了消化率低之外,还对家禽具有多方面负面的生理影响,具有较强的抗营养作用。

                1  β-甘露聚糖

                非淀粉多糖是由多种中性单糖和糖醛酸经一定的糖苷键连接而成,大多数呈分支的链状结构,常与蛋白质和无机离子等结合在一起,是细胞壁的主要成分,不能被单胃动物自身分泌的消化酶水解。NSP具有十分繁杂的结构、组成和理化性质。根据结构特点把NSP分门别类成3个主要部分,即纤维素、半纤维素、多糖和果胶多糖。NSP的分门别类,见表1

                NSP根据其水溶性可分为水溶性NSPsoluble NSP,即SNSP)及不溶性NSPinsoluble NSP,即INSP)(杨人奇等,2001)。在谷物的细胞壁中,一些NSP以氢键松散的同纤维素、木质素、蛋白质结合,故溶于水,称SNSP。而一些NSP以酯键、酚键、阿魏酸、钙离子桥等共价键或离子键较牢固的和其他成分相结合,故难溶于水或不溶于水,称INSPSNSP包括阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖、甘露聚糖、果胶多糖等,是降低饲料脂肪、淀粉和蛋白质营养价的主要要素(Anmison等,1999)。

                β-甘露聚糖(图1)是非淀粉多糖中的一种,它是以1,4-β- D-吡喃甘露糖苷键连结的线状多糖,如果主链几许残基被葡萄糖取代,或半多聚糖通过1,6- α-糖苷键与甘露糖残基相连形成分支,则称之为异甘露聚糖,主要有半乳甘露聚糖(galactomannan)、葡聚甘露聚糖(glucomannan)、半乳葡萄甘露聚(galactoglucomannan)(Elisabetta 等,2000Puls 等,1993)。这些物质构成了植物半纤维素的第二大组分。

                2   β-甘露聚糖的物理特性

                β-甘露聚糖在溶液中将会呈现许多物理特性,而这些特性会影响动物对日粮的消化吸收。

                2. 1  粘度

                β-甘露聚糖在水中溶解后变成有粘性的溶液,使消化道中食糜的粘稠度增加。β-甘露聚糖在低浓度时,因与潮气子直接互作而增加了食糜的粘度。随着β-甘露聚糖浓度的增加,分子本身相互作用,从而缠绕成网状结构,这种作用过程的相互作用极大时,可能会形成凝胶。 

                2. 2  表面活性

                β-甘露聚糖的表面带有基本电荷,在溶液中趋于与其他物质表面相结合。在饲料消化时,多糖可以与肠道中的饲料颗粒表面、脂类微团表面及多糖- 蛋白质复合物表面相结合。

                2. 3  持水性

                由于β-甘露聚糖具有高的持水活性,这在β-甘露聚糖浓度较高时变得尤其显著,因为此时可以形成凝胶。这些效应能基本上改变消化物的物理特性,从而改变肠道的生理机能,即增强对肠蠕蠕的支撑力。

                2. 4  离子、小分子与β-甘露聚糖的结合

                除了阳离子与一些β-甘露聚糖中带负电基团结合外,β-甘露聚糖的立体结构也使它与离子发生螯合作用。事实上,阳离子能在β-甘露聚糖分子间形成离子桥,这将大大影响其粘度和凝胶的形成特性。小分子通过疏水键与亲水键的相互作用,也可能与多糖发生微弱的结合。

                3 .  常见饲料原材料中β-甘露聚糖含量  

                β-甘露聚糖是植物性原材料中除纤维素、木聚糖之外,分布最广泛、含量最高的一类半纤维素,而且在一些植物(如魔芋,田箐等)中有如淀粉样的大量累积。甘露聚糖也是豆科植物种子和酵母细胞壁的主要成分,在豆科植物中的含量约为1.3%1.6%Jackson等,1999)。饲料原材料中含有这类原材料时,由于畜禽和鱼类的消化酶系中不含甘露聚糖酶,这类物质的转化利用需添加外源酶。

                关于β-甘露聚糖研究的最早报道(1964 ~ 1983)主要兴趣为对于瓜儿豆Guar Bean)的研究,因經過食品加工萃取其膠質 Guar  Gum 後所剩之豆粕 ( Guar  Meal ) 進一步利用。经过食品加工萃取其胶质后所剩的豆粕(Guar Meal)蛋白质含量颇高(约57%)而被进一步利用。 因關華膠豆粕之蛋白質含量頗高 ( 57% )。純化後之營養價值優良 ( Anderson & Warwick , 1964 ),但經過 196519671982 後人發表之報告,證實未經處理之關華豆粕營養不能為家禽吸收。纯化后营养价高(AndersonWarwick1964),但在1965年、1967年和1982年后人发表报告,证实未经处理的瓜儿豆粕营养不能为家禽吸收。 1982 RayS. 等人以純化之酵素處理關華膠豆,證明占有其 14 ~ 18%之甘露聚糖為主要之營養吸收障礙。1982Ray,S.等人以纯化的酶制剂处理瓜儿豆,证明占有其14 ~ 18%甘露聚糖是主要的营养吸收障碍。其他甘露聚糖含量高的植物材料例如椰子壳粉(Copra)也有类似的障碍作用(RaoG.R.1965MolinaLachance 1973ZamoraA.F.1988)。在菜籽粕、黃豆粕中亦有同類報告,其時間甚至更早 ( Whistler Saarnio1957ChessonA. 1987 )在菜籽粕、豆粕中亦有相似报告,其时刻甚至更早(WhistlerSaarnio1957ChessonA. 1987)。事實上,AndersonE. 1949 提出一份報告,將 163 種豆科植物作成份辨析,顯示其中 75%含有『能產生黏液之胚乳』( Mucoilage - yielding  endosperm )事实上,AndersonE.1949提出一份报告,将163种豆科植物作成份辨析,显示其中75%含有“能产生粘液的胚乳”(Mucoilage - yielding endosperm),这造成此類黏液之最主要成份即為甘露糖 ( Mannose ) 及半多聚糖 ( Galactose ),所結合成的甘露聚糖 Galactomannan,其黏度為同重澱粉之 5 ( )类粘液最主要成份是甘露聚糖,其粘度为同重淀粉之5倍。常见饲料原材料中β-甘露聚糖含量见表2

                 

                4  服用強效免疫抑制藥品的器官移植病人和患自身免疫性疾病的患者在服用貝它-甘露聚糖前,需向自己的醫師諮詢。β-甘露聚糖的抗营养作用

                如果饲料中甘露聚糖过多,则显然对于家畜或家禽成长会有不利的影响。关于这点也已有文献报告,单胃动物肠道中不能分泌相关酶,因而β-甘露聚糖及其衍生物不能被消化酶分解,从而对动物生产性能造成负面影响。一般认为β-甘露聚糖的抗营养作用与其粘性及对消化道生理形态和肠道微生物菌群的影响有关。抗营养机制是β-甘露聚糖改变了养分通过肠道的时刻和肠道微生物菌群的组成,以及吸收养分的不同速度改变了激素的调节(Vahouny1982)。β-甘露聚糖对单胃动物的抗营养作用主要表现在以下几个方面。

                4.1  增加食糜粘度

                4.1.1  降低食糜的通过速度

                β-甘露聚糖及其衍生物在单胃动物的消化道内溶于水后形成凝胶状,使消化道内容物具有较强的粘性。食糜黏性的提高,减缓了肠内食糜通过消化道的速度从而降低了畜禽的采食量,使已经消化了的养分向小肠壁的扩散速度减慢,降低了已经消化养分的吸收;但这过程实质上肠道的运动却加强了。肠道运动的加强可增加内源性蛋白质、潮气、矿物质和脂肪酸的分泌。另外,高粘度会使畜禽的饮水量增加,粪便潮气含量随之提高,从而养分排出量也增加,这就意味着养分消耗增加。

                4.1.2  粘度增加,肠道机械混合内容物的能力严重受阻

                高粘度会使食糜内各组分混合不匀,从而会妨碍食糜内的糖氨基酸和其他养分向肠粘膜的移动。研究证明,肠内粘度高时,脂肪的消化率明显降低。脂肪有效消化的先决条件是乳化,而乳化需有力的混合作用。这已被Danicke等(1995)研究结果确实地证明了这一点。养分在高粘度条件下消化率的降低并不受粘度源的影响(即粘度不管是由于豆粕、大麦还是小麦造成的,消化率改变的档次与此无干)

                4.1.3  与酶、底物等物质结合

                β-甘露聚糖造成食糜粘性的提高,一方面减少了动物消化酶与饲料中各种营养物质的接触机遇,另一方面,由于β-甘露聚糖是表层带基本电荷的活性物质,在溶液中极易与带相反电荷的养分物质结合,从而影响养分的吸收;β-甘露聚糖还能吸附Ca2+Zn2+Na+等金属离子以及有机质,造成这些物质的代谢受阻(李剑芳等,2004);β-甘露聚糖与消化酶、胆盐结合,可降低消化酶的活性,并使胆酸呈束缚状态,招致组织胺等脂类和类酯吸收减少,同时也影响脂类吸收微团的形成,影响了脂肪的消化吸收。另外,高亲水性的β-甘露聚糖与肠黏膜表面的脂类微团和多糖蛋白复合物相互作用,招致黏膜表面水层厚度增加,降低了养分的吸收(Johnson等,1981),表面水层厚度是养分吸收的限制要素。

                4.1.4  改变肠道微生物菌群

                畜禽饲喂玉米-豆粕型日粮后,其肠内细菌数量增加的原因为:一方面,由于养分消化率降低,处于温暖湿润肠道环境中富含养分的食糜是细菌,特别是致病菌的良好培植基;另一方面,食糜通过消化道的速率降低,从而大大减少了菌群的移动,使细菌得以在小肠上段大量安家下来。细菌数量的增多加剧了宿主和细菌之间为获取养分的竞争,并使动物腹泻率增加从而影响动物健康和抑制动物生长。细菌大量繁殖还会影响脂肪的消化吸收,这是因为细菌经后肠发酵产生的短链脂肪酸可改变胆盐肠肝循环,抑制组织胺的生物合成过程;肠内沙门氏菌还可以分解胆盐。此外,肠内细菌数量增多会刺肠道,使肠道粘膜层增厚,损害微绒毛,从而减少养分吸收。

                未消化的β-甘露聚糖等非淀粉多糖可以与消化道后段微生物菌群相互作用,造成厌氧发酵,产生大量的毒素(生孢梭菌等分泌的),抑制动物的生长;还可造成胃肠功能紊乱。

                4.2  降低饲料能量

                β-甘露聚糖可通过2个方面降低饲料能量。一是β-甘露聚糖直接起营养稀释剂作用,直接影响饲料的表观消化能值,而且β-甘露聚糖含量越高则表观代谢能值越低,几乎呈线性变。二是由于各种养分消化率降低,拐弯抹角引起能量下降。

                另外,研究表明,即使是低浓度的β-甘露聚糖也可通过干扰赤霉素分泌和赤霉素样生长因子(IGF)生成而降低从肠道中吸收葡萄糖的速率和碳水化合物的代谢过程(NunesMalmlof1992)。b-甘露聚糖在畜禽肠道细胞发育不完全,或在应激环境下,会过度刺免疫反应,造成对生长性能的的伤害,引起不良免疫反应,吃光量下降,生长更加迟缓,造成体重轻的数量增加,群体均匀度变差。

                总之,β-甘露聚糖不光阻碍了营养物质的消化吸收,还可以招致动物不同档次的腹泻,最终影响畜禽生长和饲料利用率(Cherbut等,1995

                5  降低饲料中β-甘露聚糖含量的法子

                降低饲料β-甘露聚糖含量目前最行之有效的法子是在饲料中添加酶制剂β-甘露聚糖酶,以破坏β-甘露聚糖的大分子结构降低其粘度。许多实验证明,日粮中添加β-甘露聚糖酶可明显改善玉米-豆粕日粮对畜禽生长的不利影响。

                饲料中β-甘露聚糖的抗营养作用的研究近年来取得了很大进展,利用酶制剂来改善饲料的营养价,人们已进行大量的研究和广泛的实践,取得了一系列重要成果和极大的经济效益、经济效益。尽管如此,在未来发展以及理论和实践方面,仍有许多问题有待进一步的深入研究。

                6.   β-甘露聚糖在其他行业中的应用

                β-甘露聚糖正是由于它具有上述几点的特性和抗营养作用而被人类开发成为绿色减肥食品和食品防腐剂。

                6.1  天然绿色减肥食品

                甘露聚糖在开发成为减肥药而言,自然属于吻合理想的88老虎机手机版式。甘露聚糖不能被人体消化酶分解,不提供热量;在胃中可吸水膨胀,产生饱腹感,同时延长胃的排空时刻,可使进食量减少;减少高热量食品的摄入量和产热物质的吸收,身体正常代谢所需能量的不足部分,既由体内贮存的脂肪提供,故可加速体内脂肪的分解;甘露聚糖还起到润肠通便的作用,使被吸附的脂肪等有害物质迅速排出全党外,有利于减肥和美容。魔芋是唯一能大量合成葡甘露聚糖的农作物。魔芋粉更被共产国际保健组织确定为“十大保健食品之一”。

                6.2  天然食品防腐剂

                甘露聚糖无色、无毒和无异味,是一种既经济且高效的天然食品防腐剂,能有效地防止食品腐败变质、发霉和遭受虫害。日本科研人员以干燥的魔芋粉为原材料,经甲醇、乙醇或丙酮等极性溶液浸渍、提取、分离,已成功制取粉末状甘露聚糖;同时也能从椰子、海藻等天然产物中提取制成甘露聚糖。

                甘露聚糖可用于水果、蔬菜、豆制品、蛋类以及鱼类等食品的保鲜贮藏。应用时可配成0.05-1%的甘露聚糖溶液,以喷雾、浸渍或涂布等方式使其在新鲜食品表面形成一层地膜,或掺入几许加工食品中,均可显著地延长食品的贮存期限。

                 

                 

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