畜禽生物饲料添加剂魔芋葡甘聚糖的研究与应用

魔芋葡萄甘露低聚糖(Konjac glucomannan，KGM)即魔芋葡甘聚糖是魔芋干物质的主要成分，是由葡萄糖和甘露糖以β-l，4糖苷键结合而形成的一种聚合度较高的天然高分子多糖化合物，是一种水溶性食物纤维，能降低血清胆固醇，三脂酰甘油酯，降血糖，防肥胖，抗病毒及黄曲霉毒素等，增强生物机体免疫防御系统和调节胃肠道系统等功能。随着科学技术的进步，经国内外研究者证实，魔芋葡甘聚糖具有多种良好的理化特性与生理功能。因此，利用魔芋葡甘聚糖开发畜禽生物饲料添加剂具有重要的实践价值。本文就其理化性质、生理功能与应用前景作一简要综述。
1 魔芋葡甘聚糖的理化性质
1.1 高度的保水性与胶凝性
魔芋葡甘聚糖是由分子比为1：1.5~1.6的葡萄糖和甘露糖通过β-l，4糖苷键结合而成，在某些残基C-3位上存在由β-l，3糖苷键组成的支链，故分子中含有大量的羟基、羰基等亲水性基团，它能结合大量水分，膨胀而形成溶胶。魔芋葡甘聚糖可吸收80~120倍的水分而形成凝胶状。因此，在鳗鲡饵料中适当添加魔芋葡甘聚糖，其黏结性有利于饵料成型，降低饲料粉尘率，并可延缓饵料在水体中的解体与扩散，满足鳗鲡饵料散失率低于4%的要求，有效地促进鳗鲡摄食，显著避免饵料的营养损失以及对水质的污染，降低鳗鲡感染疾病的概率。

1.2 很好的稳定性与悬浮性
魔芋葡甘聚糖作为可溶性膳食纤维，又是一种植物胶，与其它天然胶如黄原胶、瓜尔豆胶、刺槐豆胶等相比，其粘度更高，在不同pH值和温度下，都能保持稳定而不沉淀。将魔芋葡甘聚糖加入水产饵料中可以得到一定的悬浮性，在饲喂鱼类时不容易沉入淤泥中造成浪费，从而有利于鱼类集中摄食，提高饲料效率，降低饲料成本，防止水质恶化。
1.3 较强的黏结性与增稠性
由于魔芋葡甘聚糖分子量大，结合水的能力强，因而具有很好的增稠作用。1%魔芋精粉的粘度达到数十帕斯卡·秒(Pa·s)，高的达到200Pa·s。与黄原胶、瓜尔豆胶等增稠剂相比，魔芋葡甘聚糖不带电荷，属于非离子型，因而受盐的影响很小。魔芋葡甘聚糖还与黄原胶、淀粉等增稠剂有协同增稠作用。魔芋精粉与黄原胶、淀粉混合使用时，其溶液粘度比单独使用黄原胶、淀粉高数倍。该特性有利于水产饲料的黏结成型，使其在水体中仍能保持一定的硬度和弹性，同时可以延长饵料中矿物和多维等营养物质的稳定性，避免饵料成分的扩散或失活，尤其是粗蛋白的流失，因而添加魔芋葡甘聚糖，有利于提高水产饵料的利用价值，降低料肉比与饲养成本。
1.4 一定的成膜性与抑菌性
葡甘聚糖是以葡萄糖和甘露糖以β-1，4糖苷键和β-1，3糖苷键联结形成的含有多个羟基的多元醇高分子化合物。由于葡甘聚糖分子具有三维空间结构和良好的化学特性，因此具有极好的成膜性。加入魔芋葡甘聚糖的水产饵料在制粒或膨化过程中，受热后部分脱水，可产生膜化作用，形成有粘着力的保护膜，阻碍饵料内部与外界的气体交换，从而达到延缓和抑制饵料被病菌的污染。利用这一特性，葡甘聚糖已被成功开发利用为果品保鲜剂。
1.5 较好的可逆性与流变性
通常情况下，一般物质都是在低温时呈固态，高温下呈液态。而魔芋葡甘聚糖溶胶具有奇特的可逆性，它在低温下(10~15℃)呈液态或糊状，而在常温或升温至60℃以上则变为固态或呈半凝固状态，冷却后又恢复为液态。同时，魔芋葡甘聚糖溶液为假塑性液体，具备非牛顿流体的特征，即有剪切变稀的性质，其溶液(胶)的表观粘度随剪切速率的增加而降低。魔芋葡甘聚糖溶液在浓度为0.4%~2%范围，其粘度的对数与浓度呈正相关，尤其当溶液浓度达到2%时，切变稀化现象特别明显，一旦停止搅拌，很快形成凝胶状胶冻，恢复搅拌则过程逆转。这两种奇特的性质使魔芋葡甘聚糖在畜禽饲料、水产饵料中的应用更具积极性。在饲料中添加，使得饲料具有一定的保鲜效果，并可以促进多种添加剂的混合与稳定。

2 魔芋葡甘聚糖的生理功能
2.1 降低血液胆固醇含量
高血清胆固醇和高血脂是心血管疾病，尤其是冠心病的诱发因子，魔芋葡甘聚糖可有效降低血清胆固醇水平和血脂水平，预防和治疗冠心病。Kritchevsky等（1975）解释了其降低血清胆固醇和血脂的机理，并用试验证明了他们的论点。研究认为，魔芋葡甘聚糖能结合胆汁酸和胆固醇，增加它们从粪便中的排出量；同时魔芋葡甘聚糖与胆汁酸结合，会使体内的胆固醇向胆汁酸转化，从而降低血清胆固醇水平；而胆汁酸被结合，又会影响膳食中摄入的脂肪的消化吸收，从而降低血脂水平。日本爱缓大学的海姥原清等也通过小鼠试验证明了魔芋葡甘聚糖有明显的降血脂和降血清胆固醇的作用。
2.2 增强机体的免疫功能
众多研究表明，魔芋葡甘聚糖能预防部分疾病的发生，其原因可能是：它能刺激肠道的蠕动，加速粪便排出，从而减少了粪便中有毒物质与肠壁接触的机会；它在肠道内吸收大量水分，增大粪便的体积，降低了有毒物质的浓度；它能促进肠道内有益微生物(如双歧杆菌SPP)的生长，减少有毒发酵产物及有害细菌酶的产生，提高肠中微生物群落百分比及对铁、钙吸收利用率，调节肠道菌群；它能被肠道微生物利用产生丁酸，而丁酸可抑制多数病原菌的增殖。袁秉祥等（1998）研究表明，魔芋葡甘聚糖可以明显提高试验小鼠的半数溶血值（HC50）、淋巴细胞刺激指数（SI）及细胞毒百分率，增强肿瘤坏死因子（TNF）的产生。同时，王玲等也研究发现，魔芋葡甘聚糖具有明显促进小鼠免疫功能的作用，对脑腺指数和脾指数具有增高作用，对巨噬细胞(MФ)合成和释放白细胞介素-1(ILl)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)有明显促进作用。因而提示，魔芋葡甘聚糖是一种较好的免疫增强剂，可明显提高小鼠的细胞免疫与体液免疫。
2.3 对机体毒性的抑制作用
白木等（2003）报道，魔芋葡甘聚糖具有丰富的植物纤维素，帮助活跃动物肠道功能，加快体内有害毒素的排泄，预防和减少肠道系统疾病病变的发生。并且，魔芋葡甘聚糖被采食后消化吸收慢，大量可溶性植物纤维促进胃肠蠕动，可减少有害物质在胃、肠、胆囊中的滞留时间，有效地保护胃粘膜，清洁胃壁。Trenholm等(1994)体外试验已证明，在pH值4.0条件下，葡甘聚糖对黄曲霉毒素、玉米赤霉烯酮、伏马毒素、呕吐毒素的结合率分别达到95%、77%、59%和12%。此外，魔芋葡甘聚糖胶状物具有强大的吸附能力，能有效吸附和包埋胆汁酸、胆固醇、重金属、食用色素、致癌物质、致突变物质等有机物，并将其排出体外。因此，在国外市场上，客商把魔芋葡甘聚糖誉为“胃肠道清道夫”、“血液净化剂”。
2.4 减少体组织脂肪积累
现代药理研究发现，魔芋葡甘聚糖具有吸水性强、黏度大、膨胀率高的特点，进入胃中吸收胃液后可膨胀20~100倍，产生饱腹感，降低动物能量摄入，减少脂肪积累；且魔芋葡甘聚糖热量极低，在充分满足动物的饮欲的同时不会增肥，无须限饲，便能达到低脂肪畜禽鱼生产的目的。袁秉祥等（1998）研究指出，魔芋甘露聚糖(0.17~1.5g/kg)可降低营养性肥胖大鼠的体重，减少脂肪堆积、脂肪细胞的数量和大小、可使肥胖大鼠的血清甘油三酯、高密度脂蛋白、血糖也有所降低，并指出，魔芋甘露聚糖减肥作用的机制之一是使其小肠绒毛膜的形态正常化，使亢进的吸收功能恢复正常。
2.5 调控脂质代谢
茅彩萍等（1998）研究表明，魔芋甘露聚糖影响脂质代谢，具有明显的降血脂作用。日本谷藤正明从花魔芋中得到魔芋甘露聚糖喂食大白鼠30h后，其血液中胆固醇的含量约为对照值的75%。陈建达等进一步证明了魔芋甘露聚糖除具有降低大鼠血清胆固醇等作用外，还具有使脂肪肝逆转的作用。吴杰比较了魔芋粉和几种常用膳食纤维的降血脂效果，发现魔芋效果最佳。侯蕴华等（1995）发现，魔芋精粉除具有较好的降血脂和明显的抗脂肪肝作用外，对Ca、Fe、Zn、Cu的吸收利用未见不良影响。张茂玉等（1989）用魔芋精粉制成食品，对110名高血脂者进行研究，结果表明，试验组甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)水平均比使用前显著降低；高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)、载脂蛋白AI(apoAI)均比食用前显著升高。
2.6 提高抗氧化能力
魔芋葡甘聚糖属于功能性低聚糖，具有一定的抗氧化和自由基的功能。据杨艳燕等（2001）研究魔芋葡甘聚糖对小鼠血糖含量及抗氧化能力的影响时发现，魔芋低聚糖未使血糖含量发生明显变化，却使小鼠体内超氧化物歧化酶（SOD）活性明显升高，同时降低了过氧化脂质（LP0）水平。因而表明，魔芋葡甘聚糖可以明显提高动物机体抗氧化能力。此外，刘红等（2002）通过魔芋葡甘聚糖对四氧嘧啶试验性糖尿病大鼠血糖水平以及脂质过氧化物(LPO)含量和抗氧自由基酶类活性影响的研究。结果显示，魔芋葡甘聚糖组大鼠血糖水平显著低于糖尿病对照组(P<0.01)；血浆、胰腺和肌肉脂质过氧化物（LPO）含量显著低于糖尿病对照组(P<0.05)；超氧化物歧化酶(SOD)活性在肝、胰腺和肌肉内明显高于糖尿病对照组(P<0.05)；红细胞、肝和肌肉内的谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性明显高于糖尿病对照组(P<0.05)。据此说明，魔芋葡甘聚糖具有提高抗氧自由基酶类活性及抗过氧化的功能，且对其肝脏有保护作用。
2.7 促进排泄物的形成与排出
随着养殖集约化与追求饲养动物生长速度的不断提高，饲料精料的比重日益增加，导致部分动物的排泄功能发生紊乱。摄食魔芋葡甘聚糖对预防和治疗排便疾病有良好的作用，它可以吸收水分，增加粪便体积，促进粪便的形成，同时其分解物，如短链脂肪酸等，又能刺激肠道蠕动，活跃肠道功能，促进排泄物的顺利排出，增加排便量，大大加快排便速度，使排泄物在大肠内停留时间缩短，使毒素在体内的停留时间大大缩短，减少有毒物质与肠壁的接触机会，并降低肠道内有毒物质与微生物酶的浓度，及时避免代谢毒素在动物机体内的积累。
2.8 缓释与分散功能
魔芋葡甘聚糖的网状结构能对有效成分起到缓释与载体作用。有促进吸收、扩展疗效的增效效应，保湿、成型、成膜及稳定等多种界面活性性能，在混合料/空气界面上产生活性，影响起泡性和膨胀率，在高温加工或常温运输中，能够起到脂肪粒附聚的破乳作用，促进各种有机成分凝聚，形成三维网络结构，构成产品中的骨架。因而，稳定保持了魔芋葡甘聚糖良好的膨胀系数及保水性，形成保型性和口融性均好的组织结构。并在水相的W/O型乳化系统中，发挥了葡甘聚糖优良的粘稠性及胶凝性，增加气泡表面粘度，稳定乳化系统，具有防止脂肪球类物质的合并作用。因此，将魔芋葡甘聚糖应用于饲料工业，有利于动物营养成分的均衡分散，以及矿物元素的减缓释放，促进长效吸收利用。
2.9 其它生物学功能
据白木（2003）报道，魔芋葡甘聚糖还具有促进钙质吸收的功能。试验表明，魔芋食品中的钙比较容易洗脱出来，特别是在酸性溶液中钙的洗脱率更高，有利于胃肠道吸收。此外，他指出，魔芋葡甘聚糖还具有发泡、乳化，美容，降血压，调节生物内环境盐分平衡等多种理化功能。

3 在畜禽饲料中的应用前景

3.1 在猪饲料中的应用
江萍等（2003）在猪试验中研究证实，魔芋多糖能较好地融合了益生菌的调节功能与配合饲料的营养功能。通过对饲料成分的检测(主要营养成分，氨基酸组成，脂肪酸分析)、微生物学卫生检验，以及试验猪屠宰率测定、感官评价、肉质分析及脏器病理组织学显微观察，发现魔芋多糖对增强猪体的免疫力，提高肉质的安全性，增加猪肉的鲜美感上都发挥了重要的的生物学功能。夏先林等用根霉、酵母、乳酸菌3种有益微生物复合发酵处理魔芋飞粉进行发酵效果和饲养肉猪饲用价值的研究。结果表明，复合发酵可以明显提高魔芋飞粉饲料的不饱和脂肪酸含量，改善适口性，与对照相比，试验组猪全期平均日增重提高36g；饲料利用率提高10.6％(料肉比3.45~3.86)；每千克增重饲料成本降低24.3%。

3.2 在禽饲料中的应用
陈永军等（2002）报道，糖类化合物在生物体内的作用已成为一个引人注目的研究领域。研究指出，甘露寡聚糖(M0S)可通过减少肠道病原菌，促进有益微生物的增殖，并具有免疫防御机制和吸附霉菌毒素的功能。因此，甘露聚糖在动物生产中可能是最有希望的抗生素替代品。此外，刘影等研究发现，葡聚糖对肉仔鸡的生产性能、免疫器官重量、细胞免疫功能及体液免疫功能都有显著的促进作用。因此，利用魔芋精粉开发魔芋葡萄甘露低聚糖将在家禽饲料中具有广泛的应用前景。
4 结语
综上所述，魔芋葡甘聚糖是从植物中提取的天然产物生物活性物质——植物源低聚糖，有效成分稳定，使用安全，不含任何化学合成成分，因而不会产生环境污染和毒副作用。若将它广泛应用到畜牧生产中，将会克服滥用抗生素所带来的耐药性和药物残留问题，是理想的绿色无公害生物饲料添加剂。目前，在饲料中应用魔芋葡甘聚糖进行研究还少见报道，尤其是家禽饲料、水产饵料中的应用尚无研究。因此，魔芋葡甘聚糖在动物营养学的研究中具有重要理论和现实意义。