動物飼料中的碳水化合物酶

摘 "要：全球人口在不斷增長，必須找到一種解決方案，以避免出現(xiàn)動物飼料與人類食物爭奪耕地的問題。農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品已成為循環(huán)經(jīng)濟的重要組成部分，如在日糧中添加外源性酶，特別是碳水化合物酶。本綜述介紹了碳水化合物酶的多樣性和多功能性，特別是纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶，還強調(diào)了在單胃動物日糧中添加含有碳水化合物酶的復合酶制劑對動物生產(chǎn)性能和健康的益處，討論了飼用酶供應商所面臨的演變、制約因素和未來挑戰(zhàn)，旨在促進酶制劑解決方案在工業(yè)中的使用和開發(fā)，在未來可持續(xù)地為人類提供食物。

關鍵詞：碳水化合物酶；絲狀真菌；非淀粉多糖；蛋白粉；生產(chǎn)性能；動物健康

中圖分類號：S816 文獻標志碼：A "文章編號：1001-0769（2025）01-0075-05

全球人口在不斷增長，預計2050年將達到100億人。地球上的資源并非取之不盡、用之不竭，合理為人類和動物提供食物將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。2020年，據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織評估，每年的糧食損失造成的經(jīng)濟損失高達7 500億美元，而生產(chǎn)這些糧食所排放的二氧化碳高達33億t。在這些損失中，食物生產(chǎn)鏈早期階段損失的糧食占14％，包括在糧食加工過程中產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品。

在過去的幾十年里，農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的重要性已從無用和一次性產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂薪?jīng)濟價值的產(chǎn)品。農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品價值化是指將農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品再利用、再循環(huán)或堆肥成有用產(chǎn)品或能源的任何工業(yè)加工活動。這種做法是生物經(jīng)濟概念的一部分，即“材料、化學品和能源的基本組成部分來自可再生生物資源”。農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品價值化的主流方向是轉(zhuǎn)向生物煉制廠，利用植物和農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，通過微生物和酶的轉(zhuǎn)化生產(chǎn)生物燃料。然而，生物經(jīng)濟面臨的挑戰(zhàn)遠不限于生物煉制，因為預計未來十年全球飼料市場將增長70％。消費者對生態(tài)友好型畜牧生產(chǎn)的需求不斷增長，這為開發(fā)符合循環(huán)經(jīng)濟前景的創(chuàng)新解決方案提供了大量機會。

除谷物外，動物飼料中經(jīng)常還會添加油餅和油籽粕等副產(chǎn)品，因為這些原料含有高水平的蛋白質(zhì)。事實上，動物還需攝入特定的必需氨基酸，因為它們不能自身合成這些必需氨基酸。這些需求一部分是通過在日糧中添加游離氨基酸滿足的，但大部分是通過添加蛋白粉保證的。不過，盡管飼料中添加蛋白粉具有眾多益處，但目前飼料配方中的一些蛋白粉也有缺點，如難消化，纖維含量高，導致蛋白質(zhì)消化率低，這是阻礙其在日糧中應用的主要瓶頸之一。消化率反映食物或飼料成分在動物消化道中被降解、吸收和加工的潛力。營養(yǎng)物質(zhì)被動物吸收的先決條件是，在內(nèi)源性消化酶或腸道菌群分泌的微生物酶的作用下，被降解成可吸收的成分。在家禽和豬等單胃動物中，胃腸道分泌的內(nèi)源性酶不足以降解飼料中的所有成分，營養(yǎng)物質(zhì)利用率低。因此，研究人員開發(fā)了幾種主要來源于真菌的復合酶制劑，用于不同類型的富含農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的日糧中，以提高日糧的消化率。

本綜述旨在介紹酶，特別是碳水化合物酶（carbohydrate-active enzymes，CAZymes）如何通過降解釋放日糧全部營養(yǎng)潛力，為谷物蛋白粉型日糧帶來附加值。在這方面，文章介紹并討論了提高單胃動物生產(chǎn)性能和健康的益處。

1 "作為動物飼料營養(yǎng)源的蛋白粉

1.1 蛋白粉的定義及其用途的演變

多年來，蛋白粉一直被用于動物飼料，作為谷物（主要是小麥和玉米）型飼料中的蛋白質(zhì)原料。蛋白粉也被稱為油粕粉、油籽餅和蛋白餅，由含油的植物種子經(jīng)工業(yè)化工藝提取油脂后獲得。飼料中常用的三種蛋白粉來自大豆、油菜籽和葵花籽。在動物飼料方面，與油菜籽粕和葵花籽粕相比，豆粕在生產(chǎn)技術和利用手段方面處于世界領先地位，這主要是因為豆粕含有較高水平的蛋白質(zhì)，氨基酸組成極好，且消化率高。2022年11月，全球大豆、油菜籽和葵花籽的產(chǎn)量分別達到2.6億t、0.45億t和0.22億t，占世界含油植物種子產(chǎn)量的65％。盡管本綜述主要探討動物飼料中使用的蛋白粉，但目前仍有多種可用于單胃動物營養(yǎng)的蛋白粉替代品，其中一些替代品在本綜述中有所提及。

站在歐洲的立場上，大豆是進口產(chǎn)品，產(chǎn)自美國、拉丁美洲國家或印度，而油菜籽和葵花籽主要產(chǎn)于歐盟國家。大豆、油菜籽和葵花籽主要用于提取人類食品所用的油脂。油籽的外殼具有物理屏障的作用，油很難被提取，因此在提取油之前，油籽需要經(jīng)過一整套的制備工藝處理。一系列的裂解、脫殼和剝落可使油籽中的細胞壁機械弱化，從而有利于通過溶劑萃取其所含的油脂。盡管科研人員正在研究更環(huán)保、更健康的替代方法，但迄今為止，正己烷萃取法仍是食用油行業(yè)最廣為流行的萃取方法。一旦油脂被提取，油籽餅中的殘留溶劑就會通過加熱蒸發(fā)。

多項研究調(diào)查了這種高溫處理（通常稱為“烘烤”）對蛋白粉營養(yǎng)質(zhì)量的影響。眾所周知，這一步驟可以滅活一些不耐熱的抗營養(yǎng)因子（antinutritional factors，ANFs），如豆粕中的蛋白酶抑制劑和凝集素。抗營養(yǎng)因子通常指日糧中會干擾營養(yǎng)物質(zhì)吸收、利用或新陳代謝的化合物。然而，烘烤不會影響豆粕中耐熱的抗營養(yǎng)因子的活性，如多糖和一些寡糖。另一方面，研究人員發(fā)現(xiàn)，與未烘烤的油菜籽相比，油菜籽經(jīng)過120 min的烘烤后，其所含蛋白質(zhì)的水解率降低了2倍以上。該研究小組的進一步研究發(fā)現(xiàn)，對油菜籽加熱后引起的美拉德反應會降低不溶性蛋白質(zhì)的體外消化率。盡管以油菜籽為原料生產(chǎn)蛋白粉時，加工工藝會對蛋白粉的一些營養(yǎng)價值產(chǎn)生負面影響，但豆粕、油菜籽粕和葵花籽粕仍被廣泛用于動物飼料中。考慮到飼料成本約占動物生產(chǎn)成本的75％，動物生產(chǎn)者通常會用蛋白粉飼喂牲畜。因為蛋白粉富含蛋白質(zhì)且其所含的碳水化合物還可以作為能量來源。

1.2 蛋白粉的蛋白質(zhì)含量和營養(yǎng)價值

蛋白粉的主要營養(yǎng)價值是富含粗蛋白。蛋白質(zhì)具有廣泛的生理功能，可作為生物體的結構成分、代謝底物或分解代謝的參與者，例如消化酶。無論其生理功能如何，動物都會利用20種氨基酸來生成蛋白質(zhì)。營養(yǎng)學家將氨基酸分成兩類：必需氨基酸和非必需氨基酸，某一種氨基酸屬于哪一類型完全取決于生物體為自身生存而能否合成它的能力。對家禽而言，精氨酸、甘氨酸、組氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、蘇氨酸、色氨酸和纈氨酸已被確認為必需氨基酸。因此，這12種氨基酸需要以蛋白質(zhì)、肽或游離氨基酸的形式從飼料中攝入，從而確保蛋白質(zhì)合成代謝正常進行。游離氨基酸和小肽在動物胃腸道中很容易被吸收，但在被吸收之前需要蛋白質(zhì)全部水解。因此，在確定蛋白粉的營養(yǎng)價值時，通常會同時測定粗蛋白消化率和氨基酸含量。眾所周知，蛋白粉中的粗蛋白和氨基酸含量會因種子的類型、品種、產(chǎn)地和儲藏條件，以及榨油工藝的不同而變化。近紅外反射光譜分析顯示，豆粕、油菜籽粕和葵花籽粕在必需氨基酸含量上存在差異。這項研究表明，與油菜籽粕和葵花籽粕相比，豆粕含有更高水平的精氨酸和亮氨酸，但蛋氨酸的含量較低。此外，對55個來自美國、阿根廷、巴西和印度的豆粕樣本進行營養(yǎng)價值評估后發(fā)現(xiàn)，樣本的可消化粗蛋白含量測定值從37％到40％不等，不同產(chǎn)地的豆粕存在顯著差異。為了證實這些結果，有研究對159個巴西產(chǎn)的大豆樣本進行了評估，結果證明不同產(chǎn)地的大豆在營養(yǎng)價值上具有顯著差異。為了降低飼料成本和日糧蛋白質(zhì)在動物腸道中水解后所產(chǎn)氨氣在環(huán)境中的排泄量，許多研究集中于探討低蛋白日糧對家禽生產(chǎn)性能的影響。這些研究強調(diào)，日糧所用蛋白粉的氨基酸水平是決定肉雞生產(chǎn)性能的關鍵影響因子，添加蘇氨酸、賴氨酸或蛋氨酸等純合游離氨基酸可以平衡日糧中不足的氨基酸。

1.3 記錄動物生產(chǎn)性能和健康參數(shù)，改進飼料配方

家禽生產(chǎn)中常用的生產(chǎn)性能參數(shù)有增重、采食量和飼料轉(zhuǎn)化率。增重和采食量的概念很容易理解，但飼料轉(zhuǎn)化率的含義不那么明確，是一個經(jīng)濟性能指標，它的定義為每單位增重的飼料需求量。更明確地說，飼料轉(zhuǎn)化率是將動物攝入的飼料量與其產(chǎn)出量（即畜禽的肉或蛋）進行比較。在健康和福利方面，報道的參數(shù)有多個。其中對足墊皮炎的評估比較多，因為它是一個直觀且易于評估的參數(shù)。如今，隨著技術和分析手段的進步，出現(xiàn)了其他衡量肉雞健康狀況的指標，如通過16S rRNA代謝編碼分析腸道微生物組，以及測量短鏈脂肪酸含量等血液或腸道標記物。

在進行體內(nèi)試驗時，還測定了其他參數(shù)，如表觀代謝能（apparent metabolizable energy，AME）。AME自20世紀50年代中期開始用于動物營養(yǎng)，指的是攝入的日糧總能與家禽排泄物中殘留的總能之間的差值。這一參數(shù)已被廣泛接受，并應用于飼料配方中，因為它易于測量，不需要殺死動物。AME通過校正為零氮存留，可以得出另一個指標，即氮校正表觀代謝能（nitrogen-corrected apparent metabolizable energy，AMEn）。這種校正假定排泄物中的含氮非日糧化合物（如尿酸）會對日糧AME的測量產(chǎn)生偏差。最近有研究從動物生產(chǎn)成本角度討論了在蛋白型日糧中使用AMEn與AME的相關性。事實上，有研究表明，配制飼料時使用AMEn而不用AME可能會低估高質(zhì)量蛋白質(zhì)來源的價值，從而增加飼料成本。美國國家研究委員會（NRC）在近30年前就確定了家禽的營養(yǎng)需要。

雖然飼養(yǎng)方法發(fā)生了變化，現(xiàn)代肉雞的生產(chǎn)潛力也有所提高，但家禽營養(yǎng)需要的定義卻并沒有太大變化。盡管一些生產(chǎn)商使用其他參考系統(tǒng)，但目前絕大多數(shù)飼料配方都是基于這些要求，導致一些研究人員質(zhì)疑NRC報表的有效性。此外，用于飼料配制的新方法在不斷涌現(xiàn)，其中包括基于對動物腸道健康和不可消化成分的影響的日糧配方。事實上，盡管蛋白粉富含可被動物吸收的營養(yǎng)成分，但部分營養(yǎng)成分被包裹在多糖復合物中。有研究使用掃描電子顯微鏡對豆粕中的這種包裹現(xiàn)象進行了說明，并通過榨油過程中蛋白粉中碳水化合物的含量進行了解釋。無論加工油籽采用的方法是機械性的還是基于溶劑萃取的，都會導致蛋白質(zhì)體周圍的纖維收緊，而蛋白質(zhì)體是大豆等油籽中主要的蛋白質(zhì)儲存形式。因此，蛋白粉中的碳水化合物含量既是一個問題，也是一個機遇，因為它們在動物腸道中降解為可吸收的糖類后將成為重要的能量來源，也將是提高動物生產(chǎn)性能的潛在杠桿。

1.4 蛋白粉型日糧中碳水化合物含量的矛盾性

蛋白粉的碳水化合物組成接近植物細胞壁的成分，因為它們主要由非淀粉多糖（non-starch polysaccharides，NSPs）組成。NSPs也被稱為“纖維”，就食品工業(yè)和飼料行業(yè)而言，該術語于1953年被首次引入，是指構成植物細胞壁的不易消化成分。從那時起，根據(jù)纖維的化學特性，人們鑒定出了許多不同種類的纖維，導致決定飼料配方的參數(shù)復雜化和多樣化。NSPs可分為三大類，即纖維素、半纖維素和果膠。

纖維素是一種由D-葡萄糖殘基以β-（1，4）糖苷鍵連接而成的無支鏈聚合物，能夠形成結晶微纖維，具有高度的耐酶降解能力。在植物體內(nèi)，這種多糖能增強植物細胞壁的強度，保護植物免受寄生蟲和病原體的侵害，這歸功于它的抗逆性及在植物免疫中的作用。半纖維素是一類復雜的植物雜多糖，主要由木糖、（阿拉伯）木聚糖和（半乳糖）甘露聚糖組成。常見的半纖維素包括木葡聚糖和阿拉伯木聚糖，前者由D-木糖基團連接在β-（1，4）-D-葡聚糖主鏈上組成，后者由L-阿拉伯糖基團連接在β-（1，4）-D-木聚糖主鏈上組成。

果膠是植物界一種復雜的雜聚物，其骨架主要由D-半乳糖醛酸組成，而不像其他植物多糖一樣由中性糖組成。除了骨架的這種獨特性外，果膠的復雜性還基于大量和多樣的分支，其性質(zhì)決定了果膠的亞型。從簡單的同聚半乳糖醛酸聚糖開始，這是一種由甲基和乙酰基酯化的D-半乳糖醛酸以α-（1，4）糖苷鍵連接而成的聚合物，通常占植物果膠總量的60％～65％。木糖基化形式的同聚半乳糖醛酸聚糖被稱為木糖半乳糖醛酸聚糖，是果膠的一種次要成分，與鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-Ⅱ（rhamnogalacturonan-Ⅱ，RG-Ⅱ）一樣，后者是由L-鼠李糖和D-半乳糖醛酸高度且多樣化取代的一種聚合物。另一方面，鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-Ⅰ（rhamnogalacturonan-Ⅰ，RG-Ⅰ）占果膠多糖的85％，具體取決于植物來源和提取工藝。RG-Ⅰ的骨架由L-鼠李糖和D-半乳糖醛酸殘基的重復單元組成，交替連接在α-（1，4）或α-（1，2）中。許多含有中性糖的側(cè)鏈與該骨架結合，其中包括阿拉伯聚糖、半乳糖和阿拉伯半乳糖。在嘗試用酶降解法來鑒定大豆中的可溶性多糖的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)RG-Ⅰ中存在木糖、巖藻糖和葡萄糖，累積占5.3％，說明RG-Ⅰ的組成具有廣泛的多樣性。

對油菜籽中NSPs結構的研究很少，目前可用的大部分信息都來自對小麥、大麥、玉米和黑麥等谷物的特性研究。研究發(fā)現(xiàn)，在富含蛋白質(zhì)的種子中NSPs主要是果膠多糖、木聚糖、葡聚糖和半乳甘露聚糖，它們在外殼和子葉之間的結構和組成上各不相同。與其他油籽相比，除多糖外，大豆的低聚半乳糖（即棉子糖、水蘇糖和毛蕊花糖）的含量最高，可占干物質(zhì)的7％。這些低聚糖通常被認為是抗營養(yǎng)因子，因為它們可以通過促進動物后腸的厭氧發(fā)酵，干擾其他營養(yǎng)物質(zhì)的消化。總體而言，NSPs可占植物成分的75％。研究表明，葵花籽粕的總NSPs含量是豆粕的2倍，這主要是由于其富含纖維素。

豆粕的NSPs含量比小麥的高50％，而大麥的NSPs含量為17％～20％，油菜籽的NSP含量為20％～40％。研究發(fā)現(xiàn)，葵花籽經(jīng)化學提取后，在酶解后不溶于水的細胞壁物質(zhì)中NSPs的含量達50％以上。這種差異可用榨油過程中誘導的纖維濃度來解釋。同樣，油籽粕也含有糖單體和低聚糖，它們在榨油過程中從多糖中釋放出來。在蛋白粉中，NSPs的比例和結構也因油籽的性質(zhì)和制造工藝而異。事實上，在一篇關于植物細胞壁和溶液中RG-I結構的綜述中，研究人員強調(diào)，含果膠的物質(zhì)在儲存過程中可能會發(fā)生重大的結構變化。同樣，豆粕中碳水化合物的含量也會因產(chǎn)品的地理來源不同而不同。

此外，根據(jù)化學特性，NSPs在動物腸道中是可溶的也可以是不溶的。NSPs在油籽中的含量因種子的類型和成熟階段而異。通過氣液相色譜法對豆粕和油菜籽進行分析后發(fā)現(xiàn)，豆粕含有比不可溶性NSPs（insoluble NSPs，iNSPs）更多的可溶性NSPs（soluble NSPs，sNSPs），而油菜籽含有比sNSPs多2倍的iNSPs。無論如何，sNSPs和iNSPs對肉雞的消化酶都有很強的抗性，它們的抗營養(yǎng)作用受不同機制的制約。sNSPs會導致消化液黏度升高，影響日糧的消化率，而iNSPs則像營養(yǎng)物質(zhì)的“籠子”，通過對分泌的消化酶形成物理障礙而影響營養(yǎng)物質(zhì)的正常吸收。

由于蛋白粉中的碳水化合物高度多樣性，要獲得這些營養(yǎng)物質(zhì)需要事先對多糖進行了解，這涉及多種酶的活性。其中一些酶是由動物自身分泌的（即內(nèi)源性酶），然而，由于缺乏對NSPs有活性的酶，單胃動物的基礎消化系統(tǒng)只能消化75％的日糧。單胃動物腸道微生物群也會分泌一些碳水化合物酶，產(chǎn)生短鏈脂肪酸，從而抑制致病微生物的增殖，增強宿主的免疫力。但NSPs的部分降解產(chǎn)物會被微生物群代謝，減少動物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。因此，補充外源性酶可以更徹底地降解NSPs，從而改善腸道吸收。本文隨后將介紹含有碳水化合物酶的復合酶，具體地說是糖苷水解酶在動物飼料中如何發(fā)揮重要作用，以確保營養(yǎng)物質(zhì)在消化道中被完全吸收。

（未完待續(xù)）

原題名：Carbohydrate-active enzymes in animal feed （英文）

原作者：Lauriane Plouhinec、Virginie Neugnot、Mickael Lafond、Jean-Guy Berrin