通過加工和酶技術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，家畜飼料生產面臨著原料成本持續上漲的問題，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致[1]。將生物燃料及食品加工業副產品用作飼料原料可有效降低飼料成本，保證家畜生產中飼料資源的可持續利用。多數農作物中含有高水平的植物細胞壁，其主要是由不能被動物體內酶所消化的NSP組成，但其可被動物腸道中的微生物部分降解，但植物細胞壁中NSP的結構排列通常限制其與微生物酶的接觸[2]。此外，NSP 會干擾消化過程，其通過與其他營養物質結合降低營養物質的消化和吸收。

本文旨在確定和量化無論是否結合細胞壁降解酶，加工工藝對富含NSP飼料原料在豬體內消化利用的影響。首先，簡單介紹了與細胞壁結構有關的 NSP 的降解過程，以及NSP的降解對動物消化過程的影響。然后，討論了無論是否結合細胞壁降解酶，加工工藝對NSP理化性質的影響，以及對豬體內NSP降解的影響。

1 富含NSP飼料的消化率

1.1 細胞壁影響NSP在豬體內的降解

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

NSP在單胃動物消化系統中的降解程度與其溶解度有關，取決于聚合物的類型，以及與其他細胞壁復合物結合的聚合物結構[2]。細胞壁中NSP的溶解度因鏈長度的減少、不規則多糖結構-防結晶結構[5]、低取代度[6]或其他多糖與細胞壁復合物的弱連接而增加。

NSP的類型、不規則連接及溶解度，因植物品種和組織結構的不同而有差異。單子葉植物的籽實中，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，如豆類和油籽，主要含有果膠、纖維素和木葡聚糖。籽實的次生細胞壁組織（如果皮和種皮）的主要成分是不溶的木質化致密的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；雙子葉植物籽實的薄壁組織主要由果膠組成，屬于更弱的胞內連接。

NSP溶解度的差異反映在豬消化系數上。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(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，木質化的次生細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]。高結晶的木質化纖維素，如黑麥和小麥的糊粉層、果皮和種皮，在豬體內的降解要低的多[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。體外發酵研究表明，與（鼠李）半乳糖醛酸相比，作為側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某些細菌降解。

1.2 NSP的抗營養作用

NSP會直接或間接影響其他營養物質的消化和吸收。首先，細胞壁中NSP的結構可以影響NSP自身及細胞內的其他營養物質的消化，限制消化酶與這些營養物質的接觸[7]。NSP的表面活性物質可以結合到被消化的飼料顆粒表面，從而影響日糧營養物質的吸收。其次，一些學者報道，食糜中NSP的物理特性如黏度和親水性的改變，會影響食糜運行速度及膨脹力、菌群活性[7]、腸道生理機能和內源損失，同樣影響營養物質的消化和吸收。這些抗營養特性對營養物質消化的影響值得注意。

2 通過加工和酶技術改善富含NSP飼料的消化利用

2.1 加工工藝

2.1.1 加工工藝對NSP理化性質的影響

加工工藝利用機械力、熱和/或化學修飾來處理飼料原料。機械力，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，并打破細胞壁結構。熱處理可以打開多糖和糖苷鍵之間的弱鍵。富含淀粉的產品，在加熱特別是潮濕的條件下，更易使淀粉糊化，這導致細胞膨脹并破裂，從而增加細胞表面積，破壞細胞的完整性。然而，加熱也能使營養物質發生交聯，如通過美拉德反應，特別是干熱加工。Kootstra等人[11]證實了在酸性或堿性條件下的熱處理能引起NSP片段發生水解，在二價有機酸的作用下能使小麥秸稈的復合聚合物完全降解成單體。加工過程中發生的多糖降解和結合力中斷，能夠影響NSP片段的理化特性。

2．1．1．1 顆粒粒徑

飼料顆粒的粒徑決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，同時影響飼料的理化性質，如水化特性。很多用于動物飼料產品的加工工藝會影響顆粒粒徑（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，是飼料生產中常見的方法。顆粒的粒徑、類型、均勻度的改變取決于粉碎條件和所用的設備，產品的差異多來源于谷物粒度、結晶度、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

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

2．1．1．3 黏性

加工過程中側鏈溶解、降解和損失會影響NSP的黏度，進而影響食糜的流變特性。因黏度與分子量大小有關，正如關于粉碎的研究，在NSP降解后黏度有所下降是所能預期的。然而在熱處理過程中，細胞壁結構被破壞，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能很好地預測體內食糜物理特性的指標，特別是形成凝膠的多糖（如果膠）的存在。除纖維物質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地位。與次生細胞壁組織相比，薄壁細胞壁組織尤其是果膠，呈現出更強的水化特性，因為這些組織具有更強的親水性，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于纖維素含量的信息，而有關NSP化學結構方面的內容很少，這使得NSP理化性質的改變與營養價值變化的相關性較難研究。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，這已得到其他學者的認可[11]。為了考慮加工過程中纖維素組分消化率的變化，認識到加工會使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，而不是少數特殊的CF、NDF和ADF部分。報道各種加工工藝對豬體內纖維素的CAID和表CATTD影響的文獻研究總結如表1。

2．1．2．1 機械加工

如表2所示，體內研究表明，與整粒谷物或粗粉相比，粉料使生長豬體內纖維素的CATTD升高6%[13]，然而一些研究發現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，如紅外輻射，常被錯誤地稱作微粉碎，對產品顆粒粒徑、NSP溶解度、黏度、水化性能產生較小的影響，這也體現在這些加工工藝對豬(表2)體內纖維素物質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]，這些數值高于在無機械力條件下干熱處理的預期效果。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）體內纖維素的消化率。然而，也發現了一些有關濕熱處理的矛盾結果[15]。在Canibe and Bach Knudsen的研究中[9]，第2個試驗發現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]，有關大麥NSP片段消化率下降(18%)的原因尚不清楚。已發現熱處理對富含易溶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，而對含有復雜的阿拉伯木聚糖的原料，如玉米，則需要更高強度的加工過程（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 加工工藝和細胞壁降解酶的結合

2.2.1 加工工藝和細胞壁降解酶的結合對 NSP 消化的影響

細胞壁降解酶可用于特異性地切割聚合物和切除側鏈，從而避免形成網狀或交叉區域，并將細胞壁上緊密結合的營養物質切下來[8]。大量文獻描述細胞壁降解酶對NSP的消化存在作用[13]。研究發現細胞壁降解酶提取物，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]。

飼料加工會增加食糜的黏度，而對其他營養物質的消化產生負面影響。熱處理如擠壓熟化、紅外輻射、蒸汽熟化后，應主要觀察食糜黏度的增加。細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，經加工過程如粉碎，細胞壁結構得到修飾，能增加NSP與酶的接觸。因此，加工技術和酶處理相結合會產生特殊的效果。

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尚不清楚。與粗粉碎相比，亞麻籽經細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，而在細粉碎的豌豆中則產生負面影響。或許，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的細胞壁結構已被破壞到一定程度，添加酶對其無附加效應。

圖1 飼料加工設備

3 結論

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。機械加工技術如錘片式和輥式粉碎會增加NSP片段的溶解度，進而使豬體內粗纖維的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，加工工藝使細胞壁結構得到修飾，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。