通過加工和酶技術(shù)提高豬對纖維的消化利用

王東升，張露露

（1.北京英太格瑞檢測技術(shù)有限公司，北京100095；2.北京希望組生物科技有限公司，北京 100080）

前言

近幾年，家畜飼料生產(chǎn)面臨著原料成本持續(xù)上漲的問題，主要由新興市場對谷物和油作物的需求以及能源對作物的使用增加所導(dǎo)致[1]。將生物燃料及食品加工業(yè)副產(chǎn)品用作飼料原料可有效降低飼料成本，保證家畜生產(chǎn)中飼料資源的可持續(xù)利用。多數(shù)農(nóng)作物中含有高水平的植物細(xì)胞壁，其主要是由不能被動(dòng)物體內(nèi)酶所消化的NSP組成，但其可被動(dòng)物腸道中的微生物部分降解，但植物細(xì)胞壁中NSP的結(jié)構(gòu)排列通常限制其與微生物酶的接觸[2]。此外，NSP 會(huì)干擾消化過程，其通過與其他營養(yǎng)物質(zhì)結(jié)合降低營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。

本文旨在確定和量化無論是否結(jié)合細(xì)胞壁降解酶，加工工藝對富含NSP飼料原料在豬體內(nèi)消化利用的影響。首先，簡單介紹了與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)有關(guān)的 NSP 的降解過程，以及NSP的降解對動(dòng)物消化過程的影響。然后，討論了無論是否結(jié)合細(xì)胞壁降解酶，加工工藝對NSP理化性質(zhì)的影響，以及對豬體內(nèi)NSP降解的影響。

1 富含NSP飼料的消化率

1.1 細(xì)胞壁影響NSP在豬體內(nèi)的降解

微生物對NSP的降解主要發(fā)生在豬的大腸中，但一些研究卻報(bào)道降解過程發(fā)生在胃和回腸末端[3-4]。

NSP在單胃動(dòng)物消化系統(tǒng)中的降解程度與其溶解度有關(guān)，取決于聚合物的類型，以及與其他細(xì)胞壁復(fù)合物結(jié)合的聚合物結(jié)構(gòu)[2]。細(xì)胞壁中NSP的溶解度因鏈長度的減少、不規(guī)則多糖結(jié)構(gòu)-防結(jié)晶結(jié)構(gòu)[5]、低取代度[6]或其他多糖與細(xì)胞壁復(fù)合物的弱連接而增加。

NSP的類型、不規(guī)則連接及溶解度，因植物品種和組織結(jié)構(gòu)的不同而有差異。單子葉植物的籽實(shí)中，包括谷物，主要含阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖和纖維素；雙子葉植物的籽實(shí)，如豆類和油籽，主要含有果膠、纖維素和木葡聚糖。籽實(shí)的次生細(xì)胞壁組織（如果皮和種皮）的主要成分是不溶的木質(zhì)化致密的NSP，如纖維素和（葡糖醛酸-阿拉伯糖）木聚糖。而谷物籽實(shí)中的薄壁組織主要是由水溶性阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖組成；雙子葉植物籽實(shí)的薄壁組織主要由果膠組成，屬于更弱的胞內(nèi)連接。

NSP溶解度的差異反映在豬消化系數(shù)上。燕麥、黑麥和小麥的薄壁組織中溶解度較高的阿拉伯木聚糖很容易被降解，表觀總腸道消化系數(shù)(CATTD)分別為 0．82[7]、0．73 ～ 0．83[6]和 0．68 ～ 0．94[8，9]。 而 在 小 麥 和 黑 麥中，木質(zhì)化的次生細(xì)胞壁組織所含的不溶性支鏈阿拉伯木聚糖幾乎不能被消化[8，6]。無論是薄壁組織還是次生組織中的 β- 葡聚糖幾乎都能完全降解[3，7，9]，但表觀回腸消化率(CAID)的不同結(jié)果表明胚乳中的β-葡聚糖比果皮和種皮中的更容易降解[3，7]。在豬上，燕麥、黑麥和小麥的非木質(zhì)化薄壁組織中纖維素 CATTD 分別為 0．78[8]、0．84[6]和0．43 ～ 0．60[3，8]。高結(jié)晶的木質(zhì)化纖維素，如黑麥和小麥的糊粉層、果皮和種皮，在豬體內(nèi)的降解要低的多[2-3]。來自豌豆子葉和外殼的阿拉伯糖和半乳糖醛酸殘基容易被消化，存在于豌豆殼中的葡糖醛酸和纖維素的木糖和葡萄糖殘基則難以消化。體外發(fā)酵研究表明，與（鼠李）半乳糖醛酸相比，作為側(cè)鏈的果膠阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳聚糖[10]，更容易被豬的腸道內(nèi)某些細(xì)菌降解。

1.2 NSP的抗?fàn)I養(yǎng)作用

NSP會(huì)直接或間接影響其他營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。首先，細(xì)胞壁中NSP的結(jié)構(gòu)可以影響NSP自身及細(xì)胞內(nèi)的其他營養(yǎng)物質(zhì)的消化，限制消化酶與這些營養(yǎng)物質(zhì)的接觸[7]。NSP的表面活性物質(zhì)可以結(jié)合到被消化的飼料顆粒表面，從而影響日糧營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。其次，一些學(xué)者報(bào)道，食糜中NSP的物理特性如黏度和親水性的改變，會(huì)影響食糜運(yùn)行速度及膨脹力、菌群活性[7]、腸道生理機(jī)能和內(nèi)源損失，同樣影響營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。這些抗?fàn)I養(yǎng)特性對營養(yǎng)物質(zhì)消化的影響值得注意。

2 通過加工和酶技術(shù)改善富含NSP飼料的消化利用

2.1 加工工藝

2.1.1 加工工藝對NSP理化性質(zhì)的影響

加工工藝?yán)脵C(jī)械力、熱和/或化學(xué)修飾來處理飼料原料。機(jī)械力，如擠壓和剪切，能引起顆粒的摩擦、磨損和破碎，從而打破種皮，減小顆粒大小和纖維長度，并打破細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。熱處理可以打開多糖和糖苷鍵之間的弱鍵。富含淀粉的產(chǎn)品，在加熱特別是潮濕的條件下，更易使淀粉糊化，這導(dǎo)致細(xì)胞膨脹并破裂，從而增加細(xì)胞表面積，破壞細(xì)胞的完整性。然而，加熱也能使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生交聯(lián)，如通過美拉德反應(yīng)，特別是干熱加工。Kootstra等人[11]證實(shí)了在酸性或堿性條件下的熱處理能引起NSP片段發(fā)生水解，在二價(jià)有機(jī)酸的作用下能使小麥秸稈的復(fù)合聚合物完全降解成單體。加工過程中發(fā)生的多糖降解和結(jié)合力中斷，能夠影響NSP片段的理化特性。

2．1．1．1 顆粒粒徑

飼料顆粒的粒徑?jīng)Q定其與胃腸道中消化酶的有效接觸面積，從而影響其消化率，同時(shí)影響飼料的理化性質(zhì)，如水化特性。很多用于動(dòng)物飼料產(chǎn)品的加工工藝會(huì)影響顆粒粒徑（表1），首先是粉碎的影響，其次是熱處理的影響。粉碎，主要是錘片式粉碎，是飼料生產(chǎn)中常見的方法。顆粒的粒徑、類型、均勻度的改變?nèi)Q于粉碎條件和所用的設(shè)備，產(chǎn)品的差異多來源于谷物粒度、結(jié)晶度、脆性的不同[12]。

表1 加工工藝對豬總的和可溶的NSP、CF、NDF和ADF的CAID變化的影響

2．1．1．2 可溶性

細(xì)胞壁的NSP溶解性受各種多糖和其他細(xì)胞壁成分之間的共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵的限制。加工過程中NSP的增溶作用主要取決于需被破壞的交聯(lián)鍵的類型。

2．1．1．3 黏性

加工過程中側(cè)鏈溶解、降解和損失會(huì)影響NSP的黏度，進(jìn)而影響食糜的流變特性。因黏度與分子量大小有關(guān)，正如關(guān)于粉碎的研究，在NSP降解后黏度有所下降是所能預(yù)期的。然而在熱處理過程中，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)被破壞，引起溶解度的增加，而聚合物并未真正的降解，常常引起黏度的增加。

2．1．1．4 水化性能

持水力和系水力常被廣泛地用于描述纖維素的功能[2]。日糧的持水力似乎是一個(gè)能很好地預(yù)測體內(nèi)食糜物理特性的指標(biāo)，特別是形成凝膠的多糖（如果膠）的存在。除纖維物質(zhì)外的其他成分的理化變化，如熱處理過程中淀粉糊化，在單一飼料和配合日糧的水化特性中占主導(dǎo)地位。與次生細(xì)胞壁組織相比，薄壁細(xì)胞壁組織尤其是果膠，呈現(xiàn)出更強(qiáng)的水化特性，因?yàn)檫@些組織具有更強(qiáng)的親水性，且果膠帶電荷。

2.1.2 加工工藝對NSP消化的影響

大量研究中通常只有關(guān)于纖維素含量的信息，而有關(guān)NSP化學(xué)結(jié)構(gòu)方面的內(nèi)容很少，這使得NSP理化性質(zhì)的改變與營養(yǎng)價(jià)值變化的相關(guān)性較難研究。粗纖維（CF）、中性洗滌纖維（NDF）和酸性洗滌纖維（ADF）是NSP片段中可變的部分，這已得到其他學(xué)者的認(rèn)可[11]。為了考慮加工過程中纖維素組分消化率的變化，認(rèn)識到加工會(huì)使NSP片段部分溶解、粒度減小是非常重要的，如CF、NDF和ADF片段中的多糖在加工前后是不同的。評估加工工藝對纖維素片段消化率的影響最好集中在總NSP片段的變化，而不是少數(shù)特殊的CF、NDF和ADF部分。報(bào)道各種加工工藝對豬體內(nèi)纖維素的CAID和表CATTD影響的文獻(xiàn)研究總結(jié)如表1。

2．1．2．1 機(jī)械加工

如表2所示，體內(nèi)研究表明，與整粒谷物或粗粉相比，粉料使生長豬體內(nèi)纖維素的CATTD升高6%[13]，然而一些研究發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑的影響微乎其微[14]。其影響見表2。

2．1．2．2 熱處理

干熱加工技術(shù)，如紅外輻射，常被錯(cuò)誤地稱作微粉碎，對產(chǎn)品顆粒粒徑、NSP溶解度、黏度、水化性能產(chǎn)生較小的影響，這也體現(xiàn)在這些加工工藝對豬(表2)體內(nèi)纖維素物質(zhì)消化率的影響較小上。令人意外的是，烘烤使NSP的CAID和CATTD增加了10%～12%[17]，這些數(shù)值高于在無機(jī)械力條件下干熱處理的預(yù)期效果。研究表明，烘烤日糧中NSP消化率的提高部分是由所分析的NSP中抗性淀粉含量增加引起。然而校正了抗性淀粉中的葡萄糖后，NSP消化率仍提高了7～9%。

熱處理，包括添加水分（如蒸煮），或水分添加與壓力、剪切相結(jié)合，或兩者都有（如，蒸汽-制粒，膨脹-加工，擠壓熟化，蒸煮-壓片），可極大地提高豬(18%～24%， 表1）體內(nèi)纖維素的消化率。然而，也發(fā)現(xiàn)了一些有關(guān)濕熱處理的矛盾結(jié)果[15]。在Canibe and Bach Knudsen的研究中[9]，第2個(gè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NSP片段的消化率降低(16%)可以用片段中纖維素含量的增加來解釋。然而，Sun等(2006)的研究中[18]，有關(guān)大麥NSP片段消化率下降(18%)的原因尚不清楚。已發(fā)現(xiàn)熱處理對富含易溶NSP的原料的影響最大，如大麥中的β-葡聚糖和豌豆中的果膠（表2）。溫和的加工方式如蒸汽熟化，僅能影響如大麥這類原料，而對含有復(fù)雜的阿拉伯木聚糖的原料，如玉米，則需要更高強(qiáng)度的加工過程（如高溫和剪切）如膨化處理和擠壓處理[1]。如前所述，熱處理后的纖維素消化率的提高，可部分由加工過程中顆粒粒徑的減小來解釋。

表2 加工工藝對豬的總的和可溶的NSP、CF、NDF和ADF的CATTD變化的影響

2.2 加工工藝和細(xì)胞壁降解酶的結(jié)合

2.2.1 加工工藝和細(xì)胞壁降解酶的結(jié)合對 NSP 消化的影響

細(xì)胞壁降解酶可用于特異性地切割聚合物和切除側(cè)鏈，從而避免形成網(wǎng)狀或交叉區(qū)域，并將細(xì)胞壁上緊密結(jié)合的營養(yǎng)物質(zhì)切下來[8]。大量文獻(xiàn)描述細(xì)胞壁降解酶對NSP的消化存在作用[13]。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁降解酶提取物，如纖維素酶、葡聚糖酶、果膠酶和木聚糖酶，能有效地提高NSP消化率，條件是酶活性與底物相匹配，且所用酶的劑量正確[19]。

飼料加工會(huì)增加食糜的黏度，而對其他營養(yǎng)物質(zhì)的消化產(chǎn)生負(fù)面影響。熱處理如擠壓熟化、紅外輻射、蒸汽熟化后，應(yīng)主要觀察食糜黏度的增加。細(xì)胞壁降解酶通過降解加工過程中溶解的黏多糖，從而控制加工后的原料黏性。另外，經(jīng)加工過程如粉碎，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)得到修飾，能增加NSP與酶的接觸。因此，加工技術(shù)和酶處理相結(jié)合會(huì)產(chǎn)生特殊的效果。

與將酶添加到未粉碎日糧相比，將酶添加到粉料中的附加效應(yīng)尚不清楚。與粗粉碎相比，亞麻籽經(jīng)細(xì)粉碎增加了酶對黏度和NSP消化率的影響。相反，在粗粉碎的豌豆中酶起到積極作用，而在細(xì)粉碎的豌豆中則產(chǎn)生負(fù)面影響?；蛟S，在粗粉碎豌豆中，酶在溶解和降解NSP上起到有效作用，而粉碎的豌豆中含NSP的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)已被破壞到一定程度，添加酶對其無附加效應(yīng)。

圖1 飼料加工設(shè)備

3 結(jié)論

加工工藝對NSP消化率的影響受纖維片段的多糖電位偏移、重量和纖維分析方法的限制。機(jī)械加工技術(shù)如錘片式和輥式粉碎會(huì)增加NSP片段的溶解度，進(jìn)而使豬體內(nèi)粗纖維的CATTD提高6%～7%。干熱加工過程對飼料理化特性的影響很小，因而對豬體內(nèi)纖維素的CAID和CATTD的影響有限。濕熱法加工過程，包括高剪切力，例如膨化和擠壓熟化對增加溶解度和黏性更有效。纖維素的CATTD的結(jié)果受分析方法不同的限制，而豬的變化范圍在0%～19%，盡管一些研究則表明其會(huì)降低消化利用率。

與未加工日糧或含未加工成分的日糧相比，向加熱處理過的日糧或含加熱成分的日糧中添加酶可使黏度降低1/4至1/3。另外，加工工藝使細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)得到修飾，能增加NSP與酶的接觸。因此，與未加工日糧相比，向熱處理的日糧中添加酶使纖維素消化率提高了1．5～ 6倍。