通过加工和酶技术提高猪对纤维的消化利用

王东升，张露露

（1.北京英太格瑞检测技术有限公司，北京100095；2.北京希望组生物科技有限公司，北京 100080）

前言

近几年，家畜饲料生产面临着原料成本持续上涨的问题，主要由新兴市场对谷物和油作物的需求以及能源对作物的使用增加所导致[1]。将生物燃料及食品加工业副产品用作饲料原料可有效降低饲料成本，保证家畜生产中饲料资源的可持续利用。多数农作物中含有高水平的植物细胞壁，其主要是由不能被动物体内酶所消化的NSP组成，但其可被动物肠道中的微生物部分降解，但植物细胞壁中NSP的结构排列通常限制其与微生物酶的接触[2]。此外，NSP 会干扰消化过程，其通过与其他营养物质结合降低营养物质的消化和吸收。

本文旨在确定和量化无论是否结合细胞壁降解酶，加工工艺对富含NSP饲料原料在猪体内消化利用的影响。首先，简单介绍了与细胞壁结构有关的 NSP 的降解过程，以及NSP的降解对动物消化过程的影响。然后，讨论了无论是否结合细胞壁降解酶，加工工艺对NSP理化性质的影响，以及对猪体内NSP降解的影响。

1 富含NSP饲料的消化率

1.1 细胞壁影响NSP在猪体内的降解

微生物对NSP的降解主要发生在猪的大肠中，但一些研究却报道降解过程发生在胃和回肠末端[3-4]。

NSP在单胃动物消化系统中的降解程度与其溶解度有关，取决于聚合物的类型，以及与其他细胞壁复合物结合的聚合物结构[2]。细胞壁中NSP的溶解度因链长度的减少、不规则多糖结构-防结晶结构[5]、低取代度[6]或其他多糖与细胞壁复合物的弱连接而增加。

NSP的类型、不规则连接及溶解度，因植物品种和组织结构的不同而有差异。单子叶植物的籽实中，包括谷物，主要含阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖和纤维素；双子叶植物的籽实，如豆类和油籽，主要含有果胶、纤维素和木葡聚糖。籽实的次生细胞壁组织（如果皮和种皮）的主要成分是不溶的木质化致密的NSP，如纤维素和（葡糖醛酸-阿拉伯糖）木聚糖。而谷物籽实中的薄壁组织主要是由水溶性阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖组成；双子叶植物籽实的薄壁组织主要由果胶组成，属于更弱的胞内连接。

NSP溶解度的差异反映在猪消化系数上。燕麦、黑麦和小麦的薄壁组织中溶解度较高的阿拉伯木聚糖很容易被降解，表观总肠道消化系数(CATTD)分别为 0．82[7]、0．73 ～ 0．83[6]和 0．68 ～ 0．94[8，9]。 而 在 小 麦 和 黑 麦中，木质化的次生细胞壁组织所含的不溶性支链阿拉伯木聚糖几乎不能被消化[8，6]。无论是薄壁组织还是次生组织中的 β- 葡聚糖几乎都能完全降解[3，7，9]，但表观回肠消化率(CAID)的不同结果表明胚乳中的β-葡聚糖比果皮和种皮中的更容易降解[3，7]。在猪上，燕麦、黑麦和小麦的非木质化薄壁组织中纤维素 CATTD 分别为 0．78[8]、0．84[6]和0．43 ～ 0．60[3，8]。高结晶的木质化纤维素，如黑麦和小麦的糊粉层、果皮和种皮，在猪体内的降解要低的多[2-3]。来自豌豆子叶和外壳的阿拉伯糖和半乳糖醛酸残基容易被消化，存在于豌豆壳中的葡糖醛酸和纤维素的木糖和葡萄糖残基则难以消化。体外发酵研究表明，与（鼠李）半乳糖醛酸相比，作为侧链的果胶阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳聚糖[10]，更容易被猪的肠道内某些细菌降解。

1.2 NSP的抗营养作用

NSP会直接或间接影响其他营养物质的消化和吸收。首先，细胞壁中NSP的结构可以影响NSP自身及细胞内的其他营养物质的消化，限制消化酶与这些营养物质的接触[7]。NSP的表面活性物质可以结合到被消化的饲料颗粒表面，从而影响日粮营养物质的吸收。其次，一些学者报道，食糜中NSP的物理特性如黏度和亲水性的改变，会影响食糜运行速度及膨胀力、菌群活性[7]、肠道生理机能和内源损失，同样影响营养物质的消化和吸收。这些抗营养特性对营养物质消化的影响值得注意。

2 通过加工和酶技术改善富含NSP饲料的消化利用

2.1 加工工艺

2.1.1 加工工艺对NSP理化性质的影响

加工工艺利用机械力、热和/或化学修饰来处理饲料原料。机械力，如挤压和剪切，能引起颗粒的摩擦、磨损和破碎，从而打破种皮，减小颗粒大小和纤维长度，并打破细胞壁结构。热处理可以打开多糖和糖苷键之间的弱键。富含淀粉的产品，在加热特别是潮湿的条件下，更易使淀粉糊化，这导致细胞膨胀并破裂，从而增加细胞表面积，破坏细胞的完整性。然而，加热也能使营养物质发生交联，如通过美拉德反应，特别是干热加工。Kootstra等人[11]证实了在酸性或碱性条件下的热处理能引起NSP片段发生水解，在二价有机酸的作用下能使小麦秸秆的复合聚合物完全降解成单体。加工过程中发生的多糖降解和结合力中断，能够影响NSP片段的理化特性。

2．1．1．1 颗粒粒径

饲料颗粒的粒径决定其与胃肠道中消化酶的有效接触面积，从而影响其消化率，同时影响饲料的理化性质，如水化特性。很多用于动物饲料产品的加工工艺会影响颗粒粒径（表1），首先是粉碎的影响，其次是热处理的影响。粉碎，主要是锤片式粉碎，是饲料生产中常见的方法。颗粒的粒径、类型、均匀度的改变取决于粉碎条件和所用的设备，产品的差异多来源于谷物粒度、结晶度、脆性的不同[12]。

表1 加工工艺对猪总的和可溶的NSP、CF、NDF和ADF的CAID变化的影响

2．1．1．2 可溶性

细胞壁的NSP溶解性受各种多糖和其他细胞壁成分之间的共价键和非共价键的限制。加工过程中NSP的增溶作用主要取决于需被破坏的交联键的类型。

2．1．1．3 黏性

加工过程中侧链溶解、降解和损失会影响NSP的黏度，进而影响食糜的流变特性。因黏度与分子量大小有关，正如关于粉碎的研究，在NSP降解后黏度有所下降是所能预期的。然而在热处理过程中，细胞壁结构被破坏，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广泛地用于描述纤维素的功能[2]。日粮的持水力似乎是一个能很好地预测体内食糜物理特性的指标，特别是形成凝胶的多糖（如果胶）的存在。除纤维物质外的其他成分的理化变化，如热处理过程中淀粉糊化，在单一饲料和配合日粮的水化特性中占主导地位。与次生细胞壁组织相比，薄壁细胞壁组织尤其是果胶，呈现出更强的水化特性，因为这些组织具有更强的亲水性，且果胶带电荷。

2.1.2 加工工艺对NSP消化的影响

大量研究中通常只有关于纤维素含量的信息，而有关NSP化学结构方面的内容很少，这使得NSP理化性质的改变与营养价值变化的相关性较难研究。粗纤维（CF）、中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）是NSP片段中可变的部分，这已得到其他学者的认可[11]。为了考虑加工过程中纤维素组分消化率的变化，认识到加工会使NSP片段部分溶解、粒度减小是非常重要的，如CF、NDF和ADF片段中的多糖在加工前后是不同的。评估加工工艺对纤维素片段消化率的影响最好集中在总NSP片段的变化，而不是少数特殊的CF、NDF和ADF部分。报道各种加工工艺对猪体内纤维素的CAID和表CATTD影响的文献研究总结如表1。

2．1．2．1 机械加工

如表2所示，体内研究表明，与整粒谷物或粗粉相比，粉料使生长猪体内纤维素的CATTD升高6%[13]，然而一些研究发现颗粒粒径的影响微乎其微[14]。其影响见表2。

2．1．2．2 热处理

干热加工技术，如红外辐射，常被错误地称作微粉碎，对产品颗粒粒径、NSP溶解度、黏度、水化性能产生较小的影响，这也体现在这些加工工艺对猪(表2)体内纤维素物质消化率的影响较小上。令人意外的是，烘烤使NSP的CAID和CATTD增加了10%～12%[17]，这些数值高于在无机械力条件下干热处理的预期效果。研究表明，烘烤日粮中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%。

热处理，包括添加水分（如蒸煮），或水分添加与压力、剪切相结合，或两者都有（如，蒸汽-制粒，膨胀-加工，挤压熟化，蒸煮-压片），可极大地提高猪(18%～24%， 表1）体内纤维素的消化率。然而，也发现了一些有关湿热处理的矛盾结果[15]。在Canibe and Bach Knudsen的研究中[9]，第2个试验发现NSP片段的消化率降低(16%)可以用片段中纤维素含量的增加来解释。然而，Sun等(2006)的研究中[18]，有关大麦NSP片段消化率下降(18%)的原因尚不清楚。已发现热处理对富含易溶NSP的原料的影响最大，如大麦中的β-葡聚糖和豌豆中的果胶（表2）。温和的加工方式如蒸汽熟化，仅能影响如大麦这类原料，而对含有复杂的阿拉伯木聚糖的原料，如玉米，则需要更高强度的加工过程（如高温和剪切）如膨化处理和挤压处理[1]。如前所述，热处理后的纤维素消化率的提高，可部分由加工过程中颗粒粒径的减小来解释。

表2 加工工艺对猪的总的和可溶的NSP、CF、NDF和ADF的CATTD变化的影响

2.2 加工工艺和细胞壁降解酶的结合

2.2.1 加工工艺和细胞壁降解酶的结合对 NSP 消化的影响

细胞壁降解酶可用于特异性地切割聚合物和切除侧链，从而避免形成网状或交叉区域，并将细胞壁上紧密结合的营养物质切下来[8]。大量文献描述细胞壁降解酶对NSP的消化存在作用[13]。研究发现细胞壁降解酶提取物，如纤维素酶、葡聚糖酶、果胶酶和木聚糖酶，能有效地提高NSP消化率，条件是酶活性与底物相匹配，且所用酶的剂量正确[19]。

饲料加工会增加食糜的黏度，而对其他营养物质的消化产生负面影响。热处理如挤压熟化、红外辐射、蒸汽熟化后，应主要观察食糜黏度的增加。细胞壁降解酶通过降解加工过程中溶解的黏多糖，从而控制加工后的原料黏性。另外，经加工过程如粉碎，细胞壁结构得到修饰，能增加NSP与酶的接触。因此，加工技术和酶处理相结合会产生特殊的效果。

与将酶添加到未粉碎日粮相比，将酶添加到粉料中的附加效应尚不清楚。与粗粉碎相比，亚麻籽经细粉碎增加了酶对黏度和NSP消化率的影响。相反，在粗粉碎的豌豆中酶起到积极作用，而在细粉碎的豌豆中则产生负面影响。或许，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的细胞壁结构已被破坏到一定程度，添加酶对其无附加效应。

图1 饲料加工设备

3 结论

加工工艺对NSP消化率的影响受纤维片段的多糖电位偏移、重量和纤维分析方法的限制。机械加工技术如锤片式和辊式粉碎会增加NSP片段的溶解度，进而使猪体内粗纤维的CATTD提高6%～7%。干热加工过程对饲料理化特性的影响很小，因而对猪体内纤维素的CAID和CATTD的影响有限。湿热法加工过程，包括高剪切力，例如膨化和挤压熟化对增加溶解度和黏性更有效。纤维素的CATTD的结果受分析方法不同的限制，而猪的变化范围在0%～19%，尽管一些研究则表明其会降低消化利用率。

与未加工日粮或含未加工成分的日粮相比，向加热处理过的日粮或含加热成分的日粮中添加酶可使黏度降低1/4至1/3。另外，加工工艺使细胞壁结构得到修饰，能增加NSP与酶的接触。因此，与未加工日粮相比，向热处理的日粮中添加酶使纤维素消化率提高了1．5～ 6倍。