吕远平，姚开，贾冬英
（四川大学轻工与食品工程学院，四川成都流不息 ６１００６５）
摘要：由于植物单宁分子结构和化学性质的特殊性，使其对食草动物具有抗营养作用。植物单宁的生物降解是解决其抗营养作用的有效途径。本文综述了对植物单宁的抗营养性及其生物降解的研究进展，并根据作者本人的研究体会，对其机理进行了阐述。
中图分类号：S816．201．1 文献标识码：A文章编号：0258－7033（2003）02－0042－02
植物单宁是广泛存在于植物体内的次生代谢产物，为分子量500－3000的多酚类化合物，按其结构的不同可分为水解单宁和缩合单宁两大类。单宁的化学性质活泼，尤其是饲料中的单宁易与蛋白质结合，使其具有抗营养作用。单宁抑菌作用的存在，也会限制食草动物对营养物质的利用，成为畜牧养殖业的一大难题。研究表明，单宁分子量的大小是单宁与蛋白质结合及其抑菌性的决定因素，分子量小于500的多酚，几乎不能使蛋白质产生变性沉淀，基于此原理，众多学者开展了对植物单宁生物降解的研究，通过单宁降解菌的作用，将分子量较大的单宁降解为小分子化合物，从而降低或消除单宁的抗营养作用。
1 植物单宁的抗营养性
植物单宁的抗营养作用，可以认为是多种因素综合作用的结果，单宁与植物蛋白结合成不易消化的分子复合物，降低了肠道微生物对氮的有效利用；单宁与植物细胞表面的大分子物质（如多糖、纤维素等）结合，降低了细胞壁或细胞膜的通透性，使细胞内营养成分不易溶出被利用；单宁与口腔唾液蛋白结合，产生不良的涩味，降低动物的援食量；单宁与动物消化道内微生物分泌的酶结合，使其活性丧失，减慢饲料的消化速度，延长胃排空时间，降低摄食量；单宁对肠道微生物的广谱抑菌性，使动物对含单宁饲料的消化能力降低或丧失。
水解单宁与缩合单宁对绝大多数微生物的生长均具有抑制作用。驴喜豆缩合单宁在浓度为25mg/L时，对溶纤维丁酸孤菌（Butyrivibrio fibrisolvens）和牛链球菌（Streptococcus bovis）的抑制率分别为 48％和 92％。鸟足叶单宁在浓度为 25mg/L时，对 Fibrobacter succinogenes S85分泌的葡聚糖内切酶具有一定的抑制作用，当浓度达400mg/L时，可使其失活。角豆荚单宁对褐纤维弧菌（Cellvibrio fulvus）、溶纤维素梭状芽胞杆菌（Clostridium cellulosolvens）、粘球生孢噬纤维菌（Sporocytophaga myxococcides）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的致死浓度（mg/L）分别为15、15、45、75，单宁酸对这四种菌的致死浓度（mg/L）分别为12、10、45、30。
消除单宁的抗营养作用可通过多种途径实现。某些食草动物分泌富含脯氨酸的唾液蛋白（PRPs），饲料中添加聚乙二醇（PEG）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等试剂，它们与单宁具有非常强的亲合力，可优先与单宁结合，从而减少单宁再与蛋白质或酶的结合机率，甚至可以使已形成复合物的蛋白质或酶被置换出来，对克服单宁的抗营养性非常有利。然而，近年来的研究工作表明，通过微生物的作用使饲料中的植物单宁降解是解决其抗营养作用的有效途径。
2可降解植物单宁的微生物
针对植物单宁的抗营养作用，许多学者已从不同动物体内分离并选育出多种单宁抗性菌或单宁降解菌。Nelson（1995）从喂食含单宁达17％金钱草的山羊胃液中分离出了能降解水解单宁的厌氧双球菌，该菌在厌氧条件下，3－4小时即可将浓度为30g/L的单宁酸降解为焦倍酚，对单宁酸的耐受浓度可达70g/L，这是能快速降解单宁酸厌氧微生物的首次报道。Odenyo（1998）从东非羚羊、山羊及绵羊体内分离到3种月形单孢菌属（Selenomonas）的单宁抗性菌株，它们均能在缩合单宁浓度为8g/L的培养基中生长，对单宁酸耐受浓度为50－70g／L，在pH5．6－6．7时能使单宁酸降解成倍酸，而且倍酸还可进一步被降解。Nelson（1998）从不同地区的动物体内分离到6种单宁抗性菌，其中两种菌能将单宁酸降解成倍酸，在食单宁酸的加富培养基上产生透明圈，另有一种菌能在含单宁酸——蛋白质复合物的琼脂培养基上产生透明因。透明圈的产生表明微生物能有效利用蛋白质，其正常的代谢活动不受单宁酸的影响。Mcsweeney（ 1999）从食用高含量缩合单宁饲料的绵羊及山羊体内分离到15种能水解蛋白质的瘤胃菌，它们能在单宁存在时水解蛋白质和多肽，其中典型的LP1284菌为肉毒梭状芽孢杆菌（Clostridium botulinum），它可在含单宁酸和缩合单宁的培养基上产生透明圈，这是首次分离到能以单宁作为唯一碳源，无需糖类物质存在就能在含蛋白质或多肽培养基上快速生长的微生物，也是首次报道在缩合单宁存在时，能消化蛋白质的动物肠道菌。Osawa（2000）从人的粪便及发酵食品中分离到单宁——蛋白质复合物降解菌（Lactobacillus plantarum），它们能产生单宁酶和倍酸脱羧酶，而将单宁酸降解，这是首次从人体肠道中分离出单宁降解菌，它的存在可能对单宁的药理学特性有重要影响。此外，Nemoto从哺乳动物粪便中、Tsai从牛胃中、Osawa从考拉体内、Brooker从野山羊体内、Field从下水道污泥中都分离到能降解单宁的细菌。Gamble等的研究发现，某些真菌（Ceriporiopsis subvermispora、Cyathus stercoreus）能有效降解缩合单宁，使其含量分别降低70％和47％，并能有效去除其它酚类物质。
3植物单宁的生物降解机理
微生物降解单宁，实质上是微生物分泌的单宁酶作用，使单宁转化成微生物生长所需要的物质和能量。水解单宁和缩合单宁均以其大量的酚羟基、醇羟基、羧基等与蛋白质分子的氨基、羧基等发生多点氢键或疏水键结合。一般认为，单宁的生物降解可分为两个阶段。首先是单宁——蛋白质复合物中的分子间键受酶的作用而断裂；然后是游离状态的单宁被单宁酶作用而进一步降解。由于水解单宁与缩合单宁的化学结构不同，使其被生物降解的难易程度不同。水解单宁是以一个多元醇为核心，与多个酷核酸形成的酯，分子内酯键在酸、碱、酶作用下易于水解。目前的研究认为水解单宁易被多种微生物降解，尤其是倍单宁的降解较为容易，鞣花单宁次之，这是因为微生物产生的单宁酶在化学本质上属于酚基水解酶，可作用于单宁分子中的酯键，使之降解成倍酸（或换花酸）和葡萄糖，而且微生物还可继续分泌其它的酶（如多酚氧化酶等），进一步将其降解为芳香族脂肪酸等小分子物质。
缩合单宁是黄烷醇（黄烷一3一酸或黄烷3，4－二醇）的聚合体，单元间以C－C键连接。在动物消化道的酸性条件下，黄烷醇单体间连接键易发生断裂形成具有正碳离子的高亲电中心，很容易与蛋白质分子中的亲核基团（－NH2，－SH等）形成共价结合，这就使得缩合单宁在第一阶段的降解比水解单宁困难得多。而且，缩合单宁本身的分子结构较之水解单宁要复杂得多，主要表现为黄烷醇C环上C－2．C－3均为手性碳原子，可形成多种立体异构体；单元间可以46位和4－8位连接成分子量不同的多种聚合体。根据酶催化作用的特异性和高度专一性的特点，要将结构不同的缩合单宁有效降解，必须要有丰富的酶系，而且较大的空间位阻也使缩合单宁的C－C键受到了较好的保护，不易被酶作用，这些都是导致缩合单宁在生物降解的后一阶段较之水解单宁更难降解的原因所在。
4展望
目前，关于植物单宁的生物降解，多是以单宁酸为研究对象，而缩会单宁不仅分布广泛，而且其抗营养作用更强，研究其生物降解更具有理论意义和实际应用价值。设法分离出酶系丰富，酶活性较高，能有效降解缩合单宁的微生物菌株，不仅可以提高含单宁植物作为饲料的营养价值，而且可以探索单宁在医药、食品、化妆品等精细化学品领域更有价值的利用。作者所在实验室已开始这方面的研究工作，以期控制植物单宁的生物降解程度，得到一系列化学及生理活性不同的单宁降解产物。
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