多种酶和单种酶对猪日粮纤维水解效率的比较

刘文峰，杨 洋 译自，2019，Chapter 6

张配配 审

谷物中最常见的纤维成分是纤维素和阿拉伯木聚糖，在大多数谷物及其副产品中，它们分别占总纤维含量的25%～30%和50%～60%。一些谷物还含有混合连接的β-葡聚糖和其他纤维成分，但这些纤维成分的含量均少于纤维素和阿拉伯木聚糖，猪肠道中的微生物酶(microbial enzymes)几乎能够完全水解混合连接的β-葡聚糖，并且大部分水解反应发生在猪的小肠中。因此，为了显著提高谷物及其副产品中纤维的能量利用率，找到能够提高纤维素和阿拉伯木聚糖消化率或发酵率的酶非常必要。豆类作物和饼粕所含的纤维主要是纤维素和果胶多糖，不含阿拉伯木聚糖。纤维素是一种均多糖，阿拉伯木聚糖和果胶多糖是杂多糖，但它们都需要在多种酶的作用下才能完全水解。纤维发酵所需的酶由猪后肠中的微生物产生，但这些酶只能部分水解纤维。猪肠道微生物所产生的酶不能完全水解纤维的原因是这些微生物不能产生完全水解纤维所需的酶，同时在发酵过程中还存在一道能够阻止酶到达水解目标部位的障碍。因此，为了提高猪对纤维的能量利用率，营养师有必要在日粮中添加猪后肠微生物不能产生但能够到达肠道目标部位且在肠道环境中有活性的酶。本文将在理论上概述哪些酶是猪消化纤维所必需的以及这些酶提高纤维水解水平的理论基础。鉴于谷物及其副产品所含的纤维在猪营养中的重要性以及大多数商用酶均以谷物中的纤维为水解对象，本文将仅讨论纤维素和阿拉伯木聚糖水解所需的酶。

1 纤维素水解所需的酶

纤维素是一种仅由葡萄糖组成的均多糖，葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接成长链，该长链可能含有多达15 000个葡萄糖单位。在纤维素的结晶部分，一些葡萄糖链通过氢键连接，氢键可使葡萄糖单位紧密结合在一起，导致酶几乎无法穿透，因此纤维素的结晶部分是不可发酵的。纤维素链的某些部分不是通过氢键连接的，这些部分被称为纤维素的非结晶部分(amorphous cellulose)。由于缺乏氢键，纤维素的非结晶部分没有其结晶部分结合得紧密，这使得酶可以接触到连接葡萄糖单位的β-1,4糖苷键。因此，纤维素消化酶可以提高纤维素的水解水平。

水解非结晶纤维素需要4种酶。这些酶包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纤维糊精酶(cellodextrinase)和β-葡萄糖苷酶。内切葡聚糖酶可以水解非结晶纤维素链上葡萄糖单位之间的β-1,4糖苷键并生成低聚糖。外切葡聚糖酶可水解来自纤维素还原端或非还原端的葡萄糖单位1和葡萄糖单位2之间的糖苷键或葡萄糖单位2和葡萄糖单位3之间的糖苷键，并生成由2～5个葡萄糖单位组成的低聚糖或双糖。最终的水解将由纤维糊精酶和β-葡萄糖苷酶完成，生成单个葡萄糖单位。如果该水解能在小肠内完成，那么所产生的葡萄糖就能够按猪利用淀粉水解后形成葡萄糖的方式被猪吸收和代谢。如果该水解发生在猪的后肠，那么所释放出的葡萄糖将由后肠中的微生物群代谢并合成短链脂肪酸，这些脂肪酸随后被猪肠道吸收和代谢，作为能量或脂肪储存在猪体内。

纤维素发酵面临的主要挑战是：(1)葡萄糖链之间存在氢键，酶无法接近纤维素结晶部分的β-1,4糖苷键，无法水解该键；(2)猪的后肠缺乏水解纤维素的微生物；(3)纤维素水解所需的β-葡聚糖酶活性低；(4)纤维素在猪后肠中停留的时间相对较短。化学处理可以水解纤维素结晶部分葡萄糖链之间的氢键，但是酶处理无法水解这些氢键，因此，饲料原料未经化学处理，其所含纤维素的结晶部分是不可发酵的，总而言之，纤维素的发酵很大程度上局限于纤维素的非结晶部分。由于纤维素的非结晶部分有可能释放出葡萄糖，因此如果这部分纤维能在小肠中水解，猪就可以获得更多的能量。由于猪小肠中的微生物含量较低，水解纤维素非结晶部分所需的酶需要通过日粮来提供。与其他饲用酶制剂一样，这些酶需要能够在胃中的低pH环境下存活，并且能够抵挡住胃蛋白酶和胰腺蛋白酶的作用。此外，由于纤维素在猪小肠中停留的时间短，纤维素水解酶需要在2 h～4 h内发挥作用，以便消化糜在离开小肠之前释放出葡萄糖。由于猪小肠的微生物酶含量低，纤维素水解所需的内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纤维糊精酶和β-葡萄糖苷酶都需要通过日粮来补充。

(待续)