猪饲粮中纤维的利用及其酶

2014-01-21BrianKerrGeraldShurson

饲料工业 2014年4期

■Brian J.Kerr Gerald C.Shurson

(1.USDA-ARS-国家农业与环境实验室，美国爱荷华州艾姆斯市；2.明尼苏达州大学，美国明尼苏达州圣保罗市)

植物碳水化合物可分为三类：①单糖和二糖(葡萄糖、果糖等)；②储存化合物(淀粉)；③结构性碳水化合物(纤维素、半纤维素等)。单糖和储存化合物主要在猪的前肠被消化，虽然不能消化完全，而结构性碳水化合物只能被盲肠和大肠微生物部分降解(Slominski,1991)。由于玉米中大多数的淀粉被用于生产乙醇和各类糖，小麦被用以生产面粉，所以它们产生的副产品(分别为含有可溶固形物的干酒精糟DDGS、玉米蛋白饲料和小麦粉)浓缩了蛋白质、矿物质和纤维等营养物质(NRC,2012)。猪可以适度利用这些副产物，但是保育阶段(Whitney等,2004;Weber等,2008)和生长育肥阶段猪对纤维的利用水平并不高(Whitney等，2006)，因此有必要提高猪对结构性碳水化合物的利用能力，包括各种高纤维副产物，以此提高日粮中能量的利用率(Muley等，2007)。由于世界各地的饲料价格不断攀升，因此我们必须找到一个有效的方法，在满足所有家畜(猪)和家禽能量和氨基酸需要量的前提下，尽可能地降低饲料成本。为了实现这个目标，我们需要开发和评估提高谷物副产物的能量和其他养分利用率的技术。而各种饲粮加工技术的使用和外源酶的添加，是提高高纤维副产品营养价值的两项关键技术。

1 猪营养中的纤维

1.1 定义

至今为止，“纤维”也许是猪饲粮中最知之甚少的组分，通常它被描述为植物性原料中一种复杂而又充满不确定性的成分(NRC,2007)(见图1)。值得注意的是，“纤维”的分析方法要么使纤维组分发生重叠，要么包括其他方法没法检测到的组分；因此，我们对纤维利用率的分析测定一直是个问题。某些种类的纤维比其它种类的纤维更易消化，尽管纤维不能被哺乳动物的酶降解，但可以在后肠道被细菌发酵利用(Grieshop等,2001)。这些纤维通常被称为“非淀粉多糖”(NSP)，植物细胞壁的90%部分是由非淀粉多糖构成的，这其中的纤维素、半纤维素和果胶的含量最为丰富(Selvendran等,1990)。而果聚糖、葡甘露聚糖、半乳甘露聚糖、胶质、β-葡聚糖和树胶所含的非淀粉多糖较少。研究发现，植物中的纤维素呈紧密地结合在一起的聚合物，而半纤维素和果胶则存在易被降解的糖支链上。木质素不是一种多糖，是一种高分子聚合物，由于它不能被猪消化，所以不被认为是一种功能性膳食纤维(Grieshop等，2001)。正如图1所示，通常用来确定高纤维原料和饲料中复杂碳水化合物的分析方法有：测定粗纤维、酸性洗涤纤维(ADF)、中性洗涤纤维(NDF)、总膳食纤维(TDF)的可溶性和不溶性组分以及非淀粉多糖(NSP)。由于每一种纤维分析方法测定的是复杂碳水化合物中的几种，有时是几个不同的组分，这就使得我们无法充分确定猪饲料的能值。

图1 植物碳水化合物典型的营养和分析分类

1.2 纤维的能值

由于纤维的来源(Bach Knudsen等,1991)、加工方法(Fadel等，1989)和日粮中浓度的不同(Stanogias等,1985；Goodlad等,1991)，猪饲料中“纤维”的消化率在0～97%之间变化。然而，大多非淀粉多糖可以在后肠道部分发酵并生成挥发性脂肪酸(VFA)，如乙酸、丙酸和丁酸。这些VFA被迅速吸收，并已证明可以为猪提供5%～28%的维持能量需要(Farrell等,1970；Imoto等,1978；Kass等,1980；Latymer等,1987；Rérat等,1987；Yen，1997)。然而，由于甲烷、氢气和发酵热增耗造成了能量的流失，减少了猪后肠道发酵纤维产生的有效能量(Grieshop,2001)，从而降低能源利用效率(Giusi-Perier等，1989；Noblet等，1994)。

1.3 纤维对胃肠道的改变

1.3.1 重量

饲喂高纤维日粮会增加胃肠道的总空重量(Kass等,1980；Stanogias等,1985；Anugwa等，1989)，同时增加胃肠道分泌物量(Grieshop等，2001)。Jorgensen等(1996)研究表明，与饲喂低纤维日粮(59 g/kg，干物质)的生长育肥猪相比，饲喂高纤维日粮(非淀粉多糖+木质素)(268 g/kg，干物质)能显著地增加胃、盲肠和结肠的重量以及增加结肠的长度。

1.3.2 肠上皮细胞增殖

饲喂高水平非淀粉多糖会刺激肠上皮细胞增殖率(Jin等，1994;Howard等，1995)，导致细胞周转率的增加。生长猪采食含有10%小麦秸秆的日粮，空肠和结肠细胞的增殖率增加了33%，同时死亡细胞也增长了65%(Jin等，1994)。

1.3.3 内源分泌液

饲喂高纤维日粮时，猪内源分泌液也随之增加(Wenk,2001)。而且，当日粮纤维添加量从50 g/kg增加到180 g/kg时，50 kg猪的唾液、胃液和胰液的分泌量都提高了1倍 (Zebrowska等，1983)。

1.3.4 维持能量需要量

由于饲喂高纤维日粮，导致胃肠道发生了很多特征性的变化，猪的维持能量需要量也会因为额外的代谢需求而增加，这些额外的需求是指内脏器官发育和维持的能量需要量(Grieshop等，2001;Wenk,2001)。因此，改善纤维消化的方法有利于减少动物代谢的负面影响。

1.3.5 胃排空和饱感

日粮中添加某些形式的非淀粉多糖时，胃的排空率可能会降低。瓜尔豆胶和果胶增加了食糜的黏度(Grieshop等，2001)和水在肠道的滞留(Johansen等，1996)。生长猪饲喂添加了40～60 g/kg瓜尔豆胶的高能量日粮(淀粉、酪蛋白、大豆油和牛油)后，胃排空率降低了33%～52%，食糜的干物质含量也降低了27%(Rainbird,1986；Rainbird等,1986)。高纤维日粮也会因胃壁延伸产生信号而有较早的饱感。饲喂高纤维日粮可能会导致胃中食糜体积的增加，减少通过时间，增加饱感。纤维的这一特性对妊娠母猪尤其重要，因为当妊娠母猪生理上和营养上都得到了满足后，他们就会受到更少的应激，从而降低了他们无谓的身体运动(Rijhen等，1999)。

1.3.6 食糜的肠道通过率和养分利用率

饲喂高纤维日粮也能影响肠道食糜通过率。有研究表明，当日粮中性洗涤纤维(NDF)水平升高时，回肠末端干物质的通过量会增加(Schulze等，1995)。也有研究表明，当日粮中的麸皮或燕麦副产物分别从75 g增加到300 g时，食糜的通过率分别增加了14%和23%(Potkins等，1991)。这些结果表明，整个消化道通过率的差异可能只是由于食糜在大肠通过率的差异引起的，因为纤维来源对胃的排空和小肠通过速率都没有显著影响(Potkins等，1991)。此外，不同纤维的粒径大小也可以影响食糜的通过率。Bardon等(1983)研究表明，与颗粒较小的小麦麸相比，大颗粒小麦麸会减少食糜的通过时间。

食糜在大肠中滞留时间的长短也可以影响发酵能力。纤维在盲肠和结肠中发酵能产生挥发性脂肪酸(主要是乙酸、丙酸、丁酸)，这些短链脂肪酸可以作为能量来源。然而，日粮中添加了非淀粉多糖常常降低日粮能量浓度，并降低其消化率(Grieshop等，2001)。同时，非淀粉多糖还能降低猪对脂质的吸收，由于非淀粉多糖对脂质分解和肠道的脂肪吸收具有部分抑制作用(Borel等，1989)。非淀粉多糖还可以通过增加内源性氮的分泌，降低日粮中氮(N)沉积，这会导致增加细菌氮的排出(Grieshop等，2001)。虽然矿物质不直接为日粮提供能量，但仍考虑非淀粉多糖对矿物质的利用率产生的影响(即矿物质的不足或过量，可能会导致不正常的生理条件，从而影响能量的吸收)。然而，各种非淀粉多糖对矿物利用率的影响微乎其微(Kornegay等,1986;Grieshop等，2001)。

2 加工工艺对纤维利用率的影响

有关加工工艺(机械或化学)影响单胃动物纤维利用的数据相对来说还比较少。Teitge等(1991)报道，采用造粒和微粉(没有蒸汽压片)工艺，提高了肉鸡含黑麦日粮中戊聚糖酶的作用效果。而Brenes等(1993a)研究表明，高压蒸煮羽扇豆对小鸡性能没有影响。与低单宁豌豆相比，高压蒸煮高单宁的豌豆，提高了来航雏鸡的表观代谢能和蛋白质的表观消化率(Brenes等，1993b)。用大麦日粮饲喂80 kg的育肥猪，造粒尽管增加了回肠前段淀粉的表观消化率，但是对回肠和粪便干物质、能量、粗蛋白质(CP)、脂肪或纤维(NSP+木质素)的表观消化率都没有影响(Graham等，1989)。与Teitge等(1991)的结果相反，Graham等(1989)报道，日粮中添加ß-葡聚糖酶，造粒对日粮养分消化率没有影响。

Poel等(1992)报道，蒸汽处理蚕豆子叶没有改善粗蛋白质的回肠消化率，这是因为蚕豆中胰蛋白酶抑制剂活性很低，或因胰蛋白酶抑制剂对试验中所用的100℃以上的温度敏感。同样地，Thacker等(1999)和Nyachoti等(2006)研究表明，微粉对养分消化率的影响不大。对含高玉米纤维(玉米蛋白饲料)饲料造粒，增加了色氨酸的利用率，从而改善了氮平衡(Yen等，1971)。膨化是一种对饲料原料进行热处理的加工方式，广泛地用于商业饲料工业。然而，膨化对玉米和玉米副产品营养价值的影响还不清楚(Muley等，2007)。在 Hancock 等(2001)以及 Stark(2012) 的综述中，有更详细的饲料加工对能量和养分消化率影响的额外数据。

3 外源酶对纤维利用的影响

3.1 家禽饲料与猪饲料

在动物饲料中添加外源酶，来提高营养物质消化率并不是一个新概念，作用效果已有详细地综述(Chesson,1987;Bedford,2000)。大多数商业酶制剂产品主要针对家禽(Annison等,1991;Cowan,1993)，通常被添加到含有大麦、燕麦、豌豆、黑麦或小麦的家禽饲料中(Aimonen等,1991;Thacker等，1992;Viveros等，1994;Huberner等，2002)。然而，评估外源酶在玉米-豆粕型猪的日粮中的应用效果的报道还很少(Saleh等，2005)。

3.2 外源酶在非玉米型猪日粮中的添加效果

同家禽一样，针对猪日粮中添加外源酶的大多研究是非玉米型日粮的。10 kg的猪饲喂添加复合酶的大麦和小麦日粮，对生产性能没有影响，却提高了可溶性NSP的消化率(Inborr等，1993)。类似地，Nonn等(1999)报道，猪日粮中添加酶制剂，反映各不一致。同时，添加酶制剂对猪生长性能没有效果，但观察到粗纤维和纤维素的消化率提高了。同样地，Thacker等(1999)的研究也表明，酶制剂能提高养分消化率，却不影响猪的生产性能。与之相反，Omogbenigun等(2004)研究表明，给6 kg猪饲喂添加鸡尾酒酶(纤维素、半乳聚糖酶、甘露聚糖酶、果胶酶)的小麦型日粮，超过38 d饲养期改善了仔猪的生产性能(生长速度和饲料转化率)。Yin等(2000)报道，在含小麦副产物日粮中添加木聚糖酶，饲喂15 kg猪，也发现了养分消化率的改善：干物质、粗蛋白质和能量回肠和整个消化道的表观消化率，特别是在含有不溶性非淀粉多糖日粮中的效果尤其明显。最后，给33～51 kg猪饲喂添加了鸡尾酒酶(A.niger和T.longibrachautum发酵提取物和可溶物)的日粮(含有20%大豆皮)，改善了干物质和能量的消化率，而不影响N的消化率(Moeser等,2002)。相对于其它非淀粉多糖，大豆皮含有大量的纤维素。这些数据证实，纤维素(包括半纤维素)的消化率得到提高，纤维中的可溶性部分越多提高得越大。

3.3 外源酶在玉米-豆粕型猪日粮中的添加效果

给猪饲喂玉米-豆粕型日粮，外源酶对养分消化率或猪生产性能影响的研究报道并不多。在玉米-豆粕型猪日粮中添加β-葡聚糖酶并不影响6 kg猪的干物质、能量和粗蛋白质消化率(Li等，1996)。同样地，玉米-豆粕型日粮中添加β-甘露聚糖酶(β-甘露聚糖酶是半纤维素酶的一种)，并没有发现对93 kg阉公猪的干物质、能量和N消化率的影响(Petty等，2002)。然而，添加β-甘露聚糖酶提高了6 kg猪(42 d饲喂期)和14 kg猪(21 d饲喂期)增重和饲料转化效率，但不影响23～110 kg猪的屠体组成(Pettey等，2002)。Kim 等(2003)报道，在两组试验(试验期为35 d，体重6.3～19.1 kg;试验期为21 d，体重8.0～15.2 kg)中，保育猪玉米-豆粕型日粮中添加混合碳水化合物酶(α-1,6-半乳糖苷酶和β-1,4甘露聚糖酶)都提高了饲料转化效率以及回肠能量消化率。混合碳水化合物酶还能降低小肠近端和远端的水苏糖浓度以及小肠远端的棉籽糖浓度。这些结果表明，混合碳水化合物酶能提高豆粕中碳水化合物的消化率。以类似的方式，给7 kg猪饲喂玉米-豆粕型日粮(少量的小麦、小麦筛渣、大麦、粗粉、菜籽粕和豌豆)28 d，添加几种复合酶制剂均提高了生长性能和回肠及全肠道中各种养分的消化指数(见表1，Omogbenigun等，2004)。

最近，Ji等(2008)评估了38 kg猪的玉米-豆粕型日粮中添加β-葡聚糖酶和蛋白酶混合酶的效果(见表2)。发现提高了干物质、能量、粗蛋白质、总膳食纤维和磷的全肠道消化率，仅仅增加了中性洗涤纤维(NDF)的回肠消化率，而粗蛋白质的回肠消化率反而降低。这些研究者指出，添加酶制剂提高了中性洗涤纤维(NDF)(包括半纤维素)的回肠消化率，但没有改变粪便消化率，可能是添加酶制剂可改变中性洗涤纤维消化部位，使中性洗涤纤维由原在后肠道被消化转移到小肠中被消化，避免了由发酵引起的能量损失，提高了纤维消化的能量效率。

3.4 酶制剂在含有玉米酒精糟猪日粮中的使用

表1 外源酶对7 kg仔猪生产性能、表观回肠消化率(AID)和全肠道养分消化率(TTD)的影响

表2 外源酶对38 kg猪表观回肠消化率(AID)和全肠道养分消化率(TTD)的影响

Spencer等(2007)报道，在含30%DDGS的日粮中添加酶制剂，提高了保育猪的生长性能。不过，在富含玉米副产物的育肥猪日粮中，添加酶制剂带给猪生长性能的潜在好处仍然不知。

最近，我们完成了一个多家美国的商业酶制剂/饲料添加剂的表观全肠道消化率和生产性能的试验。表3中饲料添加剂的选择依据是它们对能量和纤维消化的潜在影响，以及它们调控胃肠道内微生态菌群的能力。基础日粮中各养分营养水平参考NRC(1998)超过5周特定体重阶段的营养需求，每一个生长阶段日粮中都添加30%的玉米酒精糟。适应期：开始阶段，从第1周到第5周，总能、氮、碳、硫、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维和粗脂肪的消化率都提高了，表明12 kg猪的胃肠道适应了日粮中玉米酒精糟的纤维，而且养分消化率随着饲养时间的推移得到改善。同时，这一发现在生长猪上也同样一致，随着日龄增长，猪对养分(尤其是纤维)的消化能力也随之提高。相反，从第1周到第5周肥育猪对养分消化率并没有变化。加性效应研究的结果表明，评定的部分饲料添加剂产品表现并不一致，但对养分消化率有一定的影响(表4和表5)。饲喂营养充足并含30%DDGS玉米-豆粕型日粮，没有一个产品对保育猪和肥育猪促生长方面有效果(表6)。本研究中评估的大多酶制剂/添加剂产品及所含组分对改善含30%DDGS日粮的能量/纤维的消化率。然而，我们无法确定特定酶/添加剂中的活性成分活力，因为有这样一种可能，酶制剂所含有的活性成分活力不足以显著地改善评定的营养素的消化率。此外，因为日粮的配制是满足猪不同生长阶段的营养需要，发生的营养消化率提高或降低太小而不足于影响猪全程的生产性能。

添加酶制剂对猪生长性能没有效果的研究往往并没有在科学文献中公开发表，以致于养猪生产者、猪营养学家和其他养猪业专业人士缺乏足够的数据来综述。

表3 外源添加剂的特性

4 单一植酸酶或与其它酶的联合使用

日粮中添加植酸酶对能量消化率的影响报道并不一致。虽然大多数研究(Adeola等,2004、2006；Liao等，2005；Jendza等，2006；Beaulieu等，2007)表明，植酸酶并不影响能量消化率，但是也有研究表明了(Brady 等，2002；Shelton等，2003；Jendza等，2005；Veum等，2006)植酸酶对能量消化率的正面作用。Kerr等(2010)的最近研究结果同样是没有结论的，研究表明如果存在植酸酶对能量消化率的影响，这种影响相对小，或者变异上相对大。

植酸酶单独或和其它酶联合使用，对营养物质(能量)消化率影响的数据不足。Olukosi等(2007)在由玉米、次粉、豆粕和油菜籽组成的日粮中，或者使用植酸酶，或者使用鸡尾酒酶(木聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶)，单独或联合添加，饲喂体重10～23 kg的猪(表7)。这些数据表明，单独添加鸡尾酒酶或与植酸酶联合添加，即使植酸酶改善了猪的增重和饲料转化效率，但对猪的生产性能没有影响。然而，无论是植酸酶还是鸡尾酒酶，单独或联合使用都对干物质、能量和氮消化率的影响并不一致，但都提高了磷的消化率。然而，这样的效应并不是加性的。在另一个试验中，用小麦替代玉米日粮(23～52 kg体重，42 d试验期)，植酸酶或木聚糖酶(分别添加500 U/kg和4 000 U/kg)对猪生产性能、氮和能量的消化率都没有作用(Olukosi等,2007)。植酸酶提高了磷的消化率。

表4 外源酶对猪开始阶段全肠道养分消化率的影响(%)1

试验评价含玉米酒精糟日粮，植酸酶或与其它酶联合使用对营养(能量)消化率影响的报道很少，也不一致。在含20%玉米酒精糟日粮中添加500个单位植酸酶改善了保育猪和肥育猪磷的消化率，但不影响干物质消化率(Xu等，2006a、b)。相比之下，Lindemann等(2009)报道，250 U/kg或500 U/kg的植酸酶添加到20%的玉米酒精糟日粮中，大大地提高了64～123 kg猪干物质、能量和氮的消化率，但再添加木聚糖酶，并没有进一步提高粪便中干物质、能量和氮的消化率。

5 玉米副产品的能量和纤维水平

DDGS的平均总能(GE)是5 434 kcal/kg干物质，比玉米中的总能浓度高(表8，Stein等,2009)。然而，能量消化率表示为总能的百分比，DDGS却低于玉米(Stein等，2009)。DDGS的消化能和代谢能含量分别是4 140 kcal/kg和3 897 kcal/kg干物质(Pedersen等，2007)，这与玉米的消化能和代谢能相似(表8)。DDGS的净能值尚未确定，目前的研究正在测定这些指标。

表5 外源添加剂对育肥猪全肠道养分消化率的影响1(%)

由于玉米中的大部分淀粉已被转化为乙醇，DDGS含有约35%不可溶性和6%可溶性膳食纤维(Stein等，2009，见表9)。同样地，大多数玉米副产物含有较高比例的不溶性纤维，通过比较总膳含纤维(TDF)和中性洗涤纤维(NDF)的含量，两者含量相近似，可发现大多数副产物中含有较高的比例的不溶性纤维(Anderson等，2012，见表10)。此外，玉米“纤维”含有大量的半纤维素组分，它的量为中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)之差。这些结果与Leathers(1998)报道一致，从6个不同地理区域玉米纤维组成分析，半纤维素是主要的成分，然后是木糖(表11)。

DDGS中的膳食纤维表观全肠消化率平均为43.7%，范围从23%～55%。这样大的变异被认为是影响玉米酒精糟能量消化率的原因。DDGS的膳食纤维表观回肠消化率和表观全肠道消化率都高于玉米，推测原因是乙醇工厂的工艺和发酵过程提高了DDGS的消化率(Urriola等，2010)。然而，只有不到50%的总膳食纤维在整个消化道中得到发酵，表明50%以上膳食纤维在通过肠道时并没有发酵(Urriola等，2010)。因此，开发合适的外源酶用于DDGS中大量的未发酵的碳水化合物，很可能更大程度地利用它们，提高DDGS日粮中这些物质的利用效率。

因此，在评估外源酶的有效性时，“纤维”的成分必须是认为改善提高能量和养分消化率的。Li等(1996)研究已经清楚地证明，在β-葡聚糖差异很大的日粮中，评价添加β-葡聚糖酶的效果。他们的数据表明，添加β-葡聚糖酶并不影响小麦、玉米或黑麦-豆粕型日粮中能量消化率，却可以提高大麦-豆粕型日粮中能量消化率(表12)，反映了不同β-葡聚糖浓度日粮的差异。

表6 外源添加剂对猪生产性能的影响

表7 植酸酶或鸡尾酒酶的添加对10～23 kg猪生产性能和全肠道总表观消化率的影响1

表8 玉米和10种DDGS的能量浓度1

表9 玉米酒精糟碳水化合物的浓度和膳食纤维全肠道表观消化率(ATTD，%)

6 酶的活性和底物

很清楚，我们需要改进所有饲料原料中纤维组分的分类(NRC,2012)。需要在关键酶及其酶活的分析上达成共识，以实现酶/饲料添加剂产品的科学评估。最后，我们应该更好地了解酶和底物的关系，这将帮助我们更好地理解添加外源饲料酶制剂获得显著的、正面的效果，一些关键酶列于表13。

7 结论

对猪和家禽，利用酶制剂改善植物性饲料原料的养分消化率已研究了几十年。然而，由于植物性饲料中存在着大量多样和浓度不一的化学物质，以及饲料原料和日粮中各种组分的互作，要想在生长猪日粮中通过添加外源酶来改善养分消化率和生产性能，取决于我们对这些化合物和酶活之间关系的了解。本质上讲，酶必须与目标底物相配合，或许需要一种“鸡尾酒”酶能有效地分解纤维类碳水化合物复合物，同时考虑这些底物对养分消化率或自愿采食的负面影响。已经清楚，在一些饲料原料中，纤维含量和能量消化率成负相关的关系；具有降解纤维，提高能量消化率或自愿采食的酶制剂的开发，能同时满足动物代谢需求和经济合算，获得较大的好处。我们的研究结果表明，虽然一些酶/添加剂产品评价并不一致，但在养分消化率上仍有一定的作用，当饲喂含30%DDGS的玉米-豆粕型日粮时，这些酶制剂对保育阶段和育肥阶段的猪生产性能改进上有效果。