岩藻多糖的理化性质、生物学功能及其在畜禽生产中的应用

马 健 郭广振 尹福泉 甘尚权

(广东海洋大学滨海农业学院,湛江 524088)

随着我国居民收入水平的提高,肉、蛋、奶等产品的需求量逐渐升高,动物在高产的同时伴随着机体多种代谢异常等疾病的发生,而抗生素的禁用促进了生物活性物质等绿色添加剂在畜禽生产中的应用。我国海藻资源丰富,岩藻多糖主要来源于褐藻,是一类含有硫酸基团的多糖,具有广泛的生物学功能,包括抗氧化、抗肿瘤、增强机体免疫力、抗菌、改善胃肠道功能等[1]。近年来,随着抗生素的禁用,岩藻多糖在畜禽生产中应用的相关研究越来越多。Rattigan等[2]研究指出,添加岩藻多糖可增加仔猪结肠中短链脂肪酸含量,提高肠道营养物质转运载体表达和有益菌数量,从而降低腹泻率,维持断奶后仔猪肠道健康。本团队针对岩藻多糖在羔羊生产中的应用做了多项研究,研究显示在断奶羔羊饲粮中添加岩藻多糖可改善机体抗氧化能力,提高血液中葡萄糖和总蛋白含量,同时提高小肠紧密连接蛋白封闭蛋白-1(claudin-1)和闭锁小带蛋白-1(zonula occludens-1,ZO-1)表达,增强肠道屏障功能,从而促进断奶羔羊生长[3]。开发利用岩藻多糖可以充分发挥海洋资源优势,岩藻多糖以其安全、无毒副作用及有众多生物学功能的特点,成为畜禽生产中的安全饲料添加剂。本文简单介绍了岩藻多糖的理化性质,重点归纳了岩藻多糖的生物学功能及其在畜禽生产中的应用,以期为进一步开发利用岩藻多糖提供参考。

1 岩藻多糖的理化性质

岩藻多糖主要来源于褐藻的细胞壁基质及一些无脊椎动物。我国海藻资源丰富,其中海带养殖面积达4.1万km2,年产量超过84万t,可为岩藻多糖的开发提供充足的原料。目前,岩藻多糖的提取方法主要有酸提取、碱提取、水提取、超声波提取及酶解提取法,其中酶解提取法利用纤维素酶能更有效降解海藻细胞壁,释放更多多糖[4]。岩藻多糖主要由岩藻糖和硫酸基团组成,还含有半乳糖、糖醛酸、木糖等多种成分,是一种多糖化合物[5]。岩藻多糖的化学结构主要由2种结构组成:第1种是以α-(1→3)-L-吡喃岩藻糖残基为重复单元构成的骨架链;第2种是以(1→3)-吡喃岩藻糖和α-(1→4)-L-吡喃岩藻糖交替连接构成的骨架链。在分子结构中存在的单糖、多糖等物质通过1,3-岩藻糖、1,4-半乳糖等糖链和硫酸基团结合构成结构不同的岩藻多糖[6]。Zhao等[7]研究指出,岩藻多糖中的硫酸基团主要取代在3和4号位上,以4号位居多,岩藻多糖中其他成分的确切位点还需要深入探究。

岩藻多糖的结构和生物学功能受原料来源、提取方法及纯化工艺等多种因素的影响。Bruhn等[8]指出,在自然界中,褐藻的生化组成表现出由环境因素和内源性节律驱动的季节性波动,存在于海带叶片中的岩藻多糖的含量从尖部到基部逐渐减少,这说明褐藻各个部位的岩藻多糖含量存在差异。硫酸基团含量及其位点对岩藻多糖活性影响较大,不同褐藻硫酸基团含量和结构不同,即使是同种褐藻,其硫酸基团也受采集地点、时间等因素的影响[9]。Mak等[10]测定了不同月份收获的裙带菜中岩藻多糖的含量及组成成分,发现从7—9月份裙带孢子体中提取的岩藻多糖硫酸基团含量高于10月份,这说明褐藻成熟度直接影响岩藻多糖理化性质。岩藻多糖溶解性受硫酸基团含量和结构组成的影响,利用化学等外在方法处理可得到低分子质量的岩藻多糖,从而可改变其理化性质,提高可利用性[11]。

2 岩藻多糖的生物学功能

2.1 免疫调节作用

岩藻多糖可通过缓解炎症反应及调节特异性和非特异性免疫反应来发挥其免疫活性,提高机体免疫力。巨噬细胞和树突状细胞是机体非常重要的免疫细胞,能识别并处理抗原,辅助淋巴细胞产生特异性应答。岩藻多糖对免疫细胞具有一定调节作用,Tomori等[12]研究表明,饲喂岩藻多糖可促进小鼠免疫细胞增殖,增强巨噬细胞吞噬能力,提高血清免疫球蛋白M(IgM)和免疫球蛋白G(IgG)含量及脾细胞白细胞介素-2(IL-2)表达,降低白细胞介素-4(IL-4)和白细胞介素-5(IL-5)的表达。研究指出,岩藻多糖可提高巨噬细胞核酸代谢活性和吞噬活性,可通过直接吞噬病原菌或者分泌多种细胞因子,包括白细胞介素和肿瘤坏死因子(TNF),有效防御病原体导致的机体损伤[13]。自然杀伤细胞是机体重要的免疫细胞,与抗病毒感染和免疫调节有关,能够识别靶细胞,杀灭病毒侵染的细胞。Zhang等[14]研究指出,岩藻多糖可增强机体自然杀伤细胞活性,提高机体免疫应答。

除了调节免疫细胞,岩藻多糖还可调节炎症因子,从而缓解炎症反应。Lu等[15]研究发现,岩藻多糖可降低促炎因子白细胞介素-1β(IL-1β)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的表达,提高抗炎因子白细胞介素-10(IL-10)的表达,缓解炎症反应,加速伤口愈合。Delma等[16]研究指出,岩藻多糖可抑制胰腺癌细胞的核因子-κB(NF-κB)通路,上调核因子-κB抑制蛋白(IκB)的表达,降低NF-κB荧光素酶活性,下调与NF-κB表达相关的p53的表达,发挥抗炎功能。NF-κB几乎存在于所有类型的动物细胞中,调节多个炎症相关基因;此外,丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)也参与调节炎症介质的表达。近期研究表明,低分子质量的岩藻多糖可抑制NF-κB和MAPK信号通路活化,下调炎症因子TNF-α、IL-1β、白细胞介素-6(IL-6)的表达,从而有效缓解炎症反应[17]。此外,Kan等[18]试验表明,岩藻多糖可缓解大鼠胃黏膜损伤,降低白细胞介素-8(IL-8)和半胱天冬酶3(Caspase3)的表达水平,降低炎症反应。综上可知,岩藻多糖可通过增强免疫细胞活性及抑制炎症通路的激活降低炎症因子表达来调控机体免疫力。今后,岩藻多糖对免疫器官的直接作用仍需要进一步研究。

2.2 抗氧化能力

作为一种天然的抗氧化剂,岩藻多糖可清除机体代谢产生的自由基,激活机体抗氧化系统,有效缓解自由基导致的代谢异常,增强机体抗氧化能力[19]。Palanisamy等[20]体外试验研究发现,褐藻中提取的岩藻多糖对二苯代苦味酰基自由基清除率可达61%,总抗氧化率可达65%。在大鼠上的研究表明,连续口服100 mg/kg BW岩藻多糖可降低乙醇诱导的胃氧化损伤,抑制MAPK和基质金属蛋白酶信号转导,从而缓解氧化应激对机体的损伤[21]。氧化应激会加速衰老过程,减轻氧化损伤程度被认为是一种潜在延长寿命的方法。Zhang等[22]研究发现,添加岩藻多糖能提高遭受氧化应激果蝇的成活率,并能通过增强核因子-E2相关因子2(Nrf2)介导的抗氧化信号通路来提高老年果蝇机体谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和超氧化物歧化酶(SOD)活性,降低丙二醛(MDA)含量,从而延长了羽化后果蝇的寿命。这说明岩藻多糖具有一定的抗衰老作用,今后可采用更多体内和体外试验来深入剖析岩藻多糖这一生理功能。

岩藻多糖的抗氧化能力受其分子结构和硫酸基团含量的影响:岩藻多糖相对分子质量过大,则体积过大,可能会导致其无法有效进入细胞内发挥作用;然而,如果相对分子质量过低,会导致其失去能发挥抗氧化能力的重要组分。Hou等[23]研究了分子质量为1、3.8、8.3、13.2、35.5、64.3、144.5 kDa的岩藻多糖的抗氧化能力,检测它们对超氧阴离子的清除率依次为50%、65%、80%、82%、84%、77%、70%,表明分子质量过高或过低均会降低岩藻多糖的抗氧化能力。此外,岩藻多糖提取方法也会影响其抗氧化能力,有研究评估了γ辐射法和酸解法获取的岩藻多糖的抗氧化能力,发现γ辐射法提取的岩藻多糖对对二苯代苦味酰基自由基的清除能力高于酸解法获取的岩藻多糖[24]。不同提取方法获得的岩藻多糖的硫酸基团含量存在明显差异,相比于无水氯化钙提取法,热酸提取法获得的岩藻多糖硫酸基团含量可达40%,其自由基清除率高达57%[25]。岩藻多糖相对分子质量不宜过高,相对分子质量适当降低有利于提高其抗氧化能力。

2.3 抗肿瘤活性

细胞凋亡是细胞程序性死亡的一种形式,在清除不必要或不健康的细胞中起着关键作用。岩藻多糖可抑制癌细胞分裂和增殖,调节线粒体依赖性凋亡途径,诱导释放凋亡诱导因子、促凋亡蛋白及内切核酸酶G,引起机体氧化应激,最终导致细胞凋亡[26]。Yan等[27]研究了不同剂量(50、100、200 μg/mL)岩藻多糖对人肝癌细胞的影响,发现高剂量岩藻多糖显著抑制癌细胞生长,诱导细胞周期性停滞及半胱天冬酶活化,引起细胞死亡。除了通过引起氧化应激诱导细胞凋亡外,岩藻多糖还可通过抑制血管内皮生长因子(VEGF)诱导的血管生成,切断癌细胞的营养物质来源。Chen等[28]开展的体内和体外试验均证实,岩藻多糖可与VEGF及其受体血管内皮细胞生长因子受体2(VEGFR2)结合,影响VEGF与其受体的相互作用,进而阻断微血管中VEGF信号通路,抑制血管形成,从而抑制癌细胞生长。前文提到岩藻多糖具有免疫调节活性,可激活机体免疫细胞,提高免疫细胞杀伤肿瘤细胞能力。Xue等[29]以大鼠为模型研究发现,岩藻多糖可降低乳腺癌发生率、肿瘤重量及肿瘤组织p-磷脂酰肌醇激酶3表达水平,增加血液中自然杀伤细胞和T淋巴细胞数量,延长肿瘤潜伏期。综上可知,岩藻多糖表现出直接和间接的抗癌活性,可作为一种抗癌药物进行开发。此外,研究岩藻多糖与常规化疗药物的相互作用在癌症的治疗中或许具有重要意义,更多的信息还需要临床实践来验证。

2.4 抗菌活性

岩藻多糖可与细菌结合,破坏细菌细胞膜,导致膜内营养物质外泄,引起细菌死亡;岩藻多糖带负电荷,能捕获细菌所需营养物质,导致细菌因营养缺乏而死亡[30]。Sivagnanavelmurugan等[31]先用岩藻多糖饲喂无节幼虫,再用无节幼虫饲喂斑节对虾,并对斑节对虾进行副溶血弧菌攻毒,结果发现,相比于对照组,试验组斑节对虾肝脏及肌肉组织中弧菌数量显著降低,同时试验组斑节对虾死亡率显著降低。另有研究指出,岩藻多糖对口腔细菌具有一定的抑制能力,最低抑菌浓度在0.125～0.50 mg/mL,但当与抗生素联合使用时,抑菌浓度显著降低[32]。近期的一项研究指出,不同提取方法提取的岩藻多糖联合使用可显著抑制大肠杆菌的生长,与抗生素联合使用具有协同潜力,这可以减少人类和动物疾病治疗过程中的抗生素药物处方剂量[33]。

岩藻多糖除了具有上述生物学功能外,在抗病毒、抗凝血、改善胃部疾病等方面也具有一定作用。体外试验证实,1.56 μg/mL的岩藻多糖对人类免疫缺陷病毒(HIV-1)具有明显的抑制效果,如HIV-1 p24抗原水平和逆转录酶活性降低超过50%[34]。未来还需要更多的体内研究去验证岩藻多糖的生物学功能。此外,不同来源、不同加工工艺等制备的岩藻多糖的联合应用及与相关药物的联合使用或许可以进一步增加岩藻多糖的生物学功能。

3 岩藻多糖在畜禽生产中的应用

3.1 岩藻多糖在猪生产中的应用

腹泻是仔猪生产中最常见的一种疾病,对养猪业造成了巨大的经济损失,岩藻多糖在改善肠道健康方面具有重要作用,可有效缓解因断奶等因素导致的仔猪腹泻。研究表明,断奶仔猪饲粮中添加岩藻多糖可提高肠道绒毛高度,降低肠道黏膜IL-1β、IL-6及白细胞介素-17(IL-17)的mRNA表达量,同时降低结肠中大肠杆菌和梭菌属的数量,改善肠道健康,降低腹泻率[35]。在缓解各种外界应激方面岩藻多糖同样发挥作用,Li等[36]研究指出,岩藻多糖可有效保护仔猪肠道上皮细胞免受过氧化氢(H2O2)诱导的氧化损伤,提高过氧化氢酶(CAT)活性,增强肠道抗氧化能力。在右旋糖酐硫酸酯钠诱导的仔猪肠炎的研究中发现,饲粮添加岩藻多糖可下调应激仔猪肠道炎症因子的表达,降低肠杆菌科的数量,改善结肠病理评分,从而降低腹泻率,提高生长性能[37]。一些研究表明岩藻多糖对猪肉品质有改善作用,例如,Moroney等[38]研究表明,饲喂3周含有岩藻多糖的海藻提取物可显著提高猪肉的抗氧化能力,猪肉中饱和脂肪酸含量及脂质氧化降低,肉品质得到改善。目前,岩藻多糖在猪生产中的应用研究主要集中在仔猪上,基于岩藻多糖的生物学功能,在育肥猪生产中的应用也值得探究。

3.2 岩藻多糖在家禽生产中的应用

雏鸡饲粮中添加岩藻多糖可显著提高回肠绒毛高度,提高肠道紧密连接蛋白claudin-1的表达,促进肠道发育,提高平均日采食量、平均日增重和饲料转化率[39]。研究发现,在肉仔鸡饲粮中添加125 mg/kg岩藻多糖可降低小肠促炎因子的表达,提高肠道抗氧化酶活性及血清中免疫球蛋白含量,最终提高肉仔鸡的平均日增重[40]。除了改善生长性能外,岩藻多糖还可以通过提高小肠淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶活性改善肉鸡营养物质消化率,并降低胸肌滴水损失率,改善肌肉品质[41]。胚蛋给养技术是促进幼雏生长发育的重要手段,有研究先在鸡胚孵化第12天注射含岩藻多糖提取物,之后在42日龄进行屠宰,结果发现,胚胎期注射岩藻多糖可显著提高42日龄鸡的屠宰重、胴体重和肌肉产量[42]。岩藻多糖还可增强肉鸡机体免疫力,促进脾脏和胸腺发育,提高T淋巴细胞数量,增强抗新城疫病毒能力[43]。岩藻多糖在家禽生产中的应用研究主要集中在肉鸡上,在蛋鸡上的研究较缺乏。最新研究发现,岩藻多糖能提高蛋鸡新城疫、法氏囊病、支气管炎抗体水平,提高免疫力,并能提高鸡蛋哈夫单位和蛋白高度,改善蛋品质[44]。未来仍需要更多的去关注岩藻多糖在蛋鸡生产中的应用,包括岩藻多糖的饲喂周期及添加剂量等。

3.3 岩藻多糖在羊生产中的应用

近年来,本团队较为全面地探究了岩藻多糖在羔羊生产中的应用。研究发现,在饲喂代乳粉的基础上添加0.1%、0.3%、0.5%的岩藻多糖均可显著提高羔羊的平均日增重,其中添加0.3%和0.5%的岩藻多糖可显著增强血清中GSH-Px、SOD及CAT活性,降低血清中MDA含量,同时显著提高血清中IgG和IgM含量,降低血清中促炎因子IL-1β和TNF-α含量[45];在饲粮中添加0.3%岩藻多糖可提高2月龄断奶川中黑山羊血清中GSH-Px、CAT及SOD活性,提高血清中IgG含量,促进了羔羊健康生长[46]。相似的研究结果在绵羊生产中也有发现,岩藻多糖可改善绵羊的免疫力和抗氧化能力,促进其生长[47]。本团队进一步分析发现,岩藻多糖可提高羔羊小肠各段绒毛高度及绒毛高度/隐窝深度,增强空肠淀粉酶和乳糖酶活性,提高小肠抗氧化能力,改善肠道健康[48]。此外,岩藻多糖显著提高了断奶羔羊结肠中短链脂肪酸含量及杯状细胞数量,改善了结肠微生物组成,降低了有害菌埃希氏杆菌属的丰度,提高粪杆菌属、普氏菌属及瘤胃球菌属的丰度,降低了羔羊腹泻率[49]。根据本团队的研究结果可以看出,岩藻多糖在维持幼龄羔羊肠道健康、提高生长性能方面发挥了重要作用。

岩藻多糖对羔羊肝功能具有改善作用,可降低肝脏MDA和H2O2含量,增强肝脏抗氧化能力,并降低脾脏IL-6和TNF-α含量,提高脾脏免疫功能,这对缓解羔羊断奶应激意义重大[50]。瘤胃是反刍动物消化吸收营养物质的重要部分,微生物群落结构在瘤胃功能发挥中扮演着重要角色。本团队探究了岩藻多糖对羔羊瘤胃微生物群落组成及代谢组学的影响,结果表明,饲粮中添加岩藻多糖提高了羔羊瘤胃丁酸和丙酸含量[51]。而丁酸和丙酸是瘤胃上皮细胞的主要能量来源,较高的丁酸和丙酸含量有助于瘤胃发育。因此,岩藻多糖导致的丁酸和丙酸含量的增加有利于促进羔羊瘤胃发育。从微生物结构上看,岩藻多糖提高了unspecified_BS11、unspecified_RF16及unspecified_S24_7的相对丰度[51],但这些微生物的具体功能还需要进一步研究,总体来说岩藻多糖对瘤胃微生物的影响有限,未来可采取宏基因组等技术更深层次地研究其对瘤胃微生物的影响。从瘤胃代谢组看,添加岩藻多糖改变了羔羊瘤胃苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的生物合成,维生素B6代谢,三羧酸循环,抗坏血酸和醛酸代谢,D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢[51]。上述代谢通路对羔羊机体糖、氨基酸及维生素代谢具有重要影响,而谷氨酰胺是胃肠道上皮细胞发育的重要能源物质,岩藻多糖对瘤胃代谢的作用有助于促进羔羊瘤胃发育。作为限制毒素入侵的第1道防线,肠道上皮屏障对动物健康生长有着至关重要的作用。本团队研究发现,岩藻多糖可提高羔羊空肠和回肠紧密连接蛋白闭合蛋白(occludin)、claudin-1及ZO-1的表达,降低炎症因子表达,从而增强羔羊肠道屏障功能,促进其健康生长[3]。

根据本团队的研究结果可以看出,岩藻多糖对胃肠道的积极作用主要是通过以下几个方面来实现:1)改善胃肠道形态结构,提高抗氧化能力,增强上皮屏障功能,促进其发育;2)激活肠道免疫细胞,调节炎症因子表达,缓解炎症反应;3)促进肠道有益菌的增殖,抑制有害菌的生长,调节消化道菌群结构和代谢功能。总的来说,岩藻多糖在反刍动物上的研究还很少,尤其是在牛生产中的应用更为缺乏。岩藻多糖对胃肠道的积极作用在犊牛生产中或许可以起到促进犊牛消化道早期发育的作用;此外,岩藻多糖在哺乳期反刍动物上的应用也需要进一步研究。

4 小 结

岩藻多糖来源广,具有抗氧化、抗肿瘤、抗炎、增强免疫力等多种生物学功能,在畜禽生产中具有很大的应用前景。然而,岩藻多糖的加工工艺还需要进一步优化,比如品种和收获时间的选择、提取方法的完善等。此外,由于具体的生物学功能机制尚未得到很好的研究,目前岩藻多糖在畜禽生产中的应用还很有限。未来可利用宏基因组学等技术探究岩藻多糖对畜禽消化道微生物的影响,通过体内和体外试验深入探究岩藻多糖促进消化道发育的作用机制,为其更好地在畜禽生产中的应用提供科学依据。