饲用麦麸纤维降解及其产物功能特性研究进展

李 沛 王永伟 刘 宁 李军训

(1.河南科技大学动物科技学院，洛阳471000；2.国家粮食和物资储备局科学研究院，粮食品质营养研究所，北京100037；3.山东泰山生力源集团股份有限公司，泰安271000)

近年来，随着我国畜牧业的快速发展，优质饲料原料供需矛盾日渐突出。麦麸作为小麦制粉的副产物，产量约占小麦制粉量的20%，2021年我国小麦年产量达1.37亿t，麦麸产量预计达到2 700万t，开发潜力巨大。但麦麸中的纤维类物质含量高达40%～50%[1]，这造成其有效能值偏低，在畜禽饲料中的应用效果不佳。在此背景下，通过技术创新进行麦麸纤维降解，同时完善麦麸纤维降解效果评定体系，对充分发掘麦麸资源潜在价值，缓解畜禽饲料原料供需矛盾具有重要意义。

本文从国内外麦麸纤维的不同降解技术以及麦麸纤维降解产物的功能特性等方面进行了综述，并对当前麦麸纤维评定技术进行了归纳，以期为麦麸等高纤维饲料原料的增值化开发利用提供参考。

1 麦麸的营养成分及纤维特性

麦麸作为面粉加工过程中产生的一类中低能值副产品(可作为饲料原料)，其营养成分因小麦品种、加工方式的不同而有差异。麦麸的营养成分主要包括粗蛋白质、淀粉、粗脂肪和粗纤维等，此外还含有丰富的生物活性物质，如阿拉伯木聚糖(araboxylan，AX)、β-葡聚糖(β-glucan)、阿魏酸(ferulic acid，FA)及膳食纤维(dietary fiber，DF)等(表1)[2-5]。

麦麸中的纤维类物质主要以非淀粉多糖(non-starch polysaccharides，NSP)的形式存在，占纤维类物质总量比例达46%以上，其中纤维素约占NSP总量的24%，其余组分以半纤维素为主[6]。麦麸纤维复杂的结构及外层木质素的“屏蔽”作用，致使畜禽消化道无法直接对麦麸纤维进行消化，仅能通过肠道微生物的发酵作用产生短链脂肪酸(short chain fatty acid,SCFA)后进行吸收利用。另外，麦麸的高纤维特性具有加速胃排空、促进肠道蠕动的生理作用，能够缩短饲粮在动物消化道中的停留时间，从而降低麦麸的消化率，导致其有效能值较低(麦麸的猪消化能为9.37 MJ/kg，鸡代谢能为5.69 MJ/kg[7])。因此，纤维类物质是畜禽消化利用麦麸的主要限制因素，开发应用麦麸的关键在于对纤维的有效降解。

2 不同处理方法对麦麸纤维结构和营养特性的影响

目前，处理麦麸的技术措施主要涉及物理、化学和生物等方法，其作用效果可以概括为以下3点：1)提高麦麸的营养成分含量。麦麸经过处理后，纤维各组分间联结遭到破坏，从而促进麦麸纤维中不溶性成分向可溶性成分转变，有助于营养物质的释放。2)增加麦麸的生物活性物质含量。麦麸经处理后，其纤维结构发生改变，使麦麸中的生物活性物质得到释放，增加了麦麸的生物活性物质含量。3)降低麦麸的抗营养因子水平。麦麸经过处理后可以有效降低植酸等抗营养因子的含量，促进畜禽对麦麸中营养物质的消化吸收。

表1 麦麸的营养成分含量(风干基础)

2.1 物理方法

物理方法是降解麦麸纤维较为常用的处理方法(表2)，外部机械力可以导致麦麸纤维间的作用力发生改变，从而影响到麦麸纤维结构的完整性，有助于麦麸中功能性成分的溶出和营养物质的释放[8]。高压、高压蒸煮、高温挤压、蒸汽爆破和粉碎等方法是较为普遍的物理处理方法。高压法是在常温或较高温度(一般低于100 ℃)条件下，对麦麸样品施加一定的压力(一般为静水压，100～1 000 MPa)后，麦麸因压力变化率增大而破碎。苗字叶等[9]利用超高静压对麦麸纤维进行处理后，通过扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)观察发现，麦麸纤维出现了断裂和破碎，表观特征发生了较为明显的变化，通过傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)分析表明，麦麸纤维素糖残基侧链间的氢键遭到破坏，官能团数量明显增多，经超高静压处理后的麦麸，可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)占比显著高于对照组。

高压技术与传统的蒸煮方式相结合，有利于水溶性营养物质的释放，同时降解抗营养因子含量，对麦麸的营养特性影响较大。Özkaya等[10]通过高压蒸煮对麦麸进行处理，结果表明，经高压蒸煮处理后的麦麸植酸及不溶性膳食纤维含量下降，AX含量上升。挤压法与高温结合的高温挤压法可实现混合、输送、加压和加热等操作一体化，从而在极短时间内使纤维的致密大分子结构降解成疏松的小分子结构，对纤维的营养特性具有一定的改善作用，该方法也被广泛应用于纤维的降解。Yan等[11]利用高温挤压法处理麦麸后，经SEM观察发现，处理后的麦麸表面呈不规则状，遍布孔洞，经高温挤压后的麦麸SDF含量增加，抗氧化性能有所改善。蒸汽爆破是目前纤维类物质降解的一种新兴技术，该技术通过使纤维内部水分汽化，与纤维外部形成压力差，在压力差的作用下使纤维发生崩解，致使纤维中各种聚合物的分子量、聚合度、单糖组成和纤维比例发生变化[12]。Aktas-Akyildiz等[13]研究发现，蒸汽爆破可以使麦麸结构遭到显著破坏，经蒸汽爆破处理后，麦麸中AX溶解度及SDF含量增加。另外，有研究采用蒸汽爆破处理麦麸后，麦麸纤维形态由有序的长条状排列膨化成无序的絮状，且纤维表面分布有凹陷的小孔，从根本上改变了麦麸的形貌特征，但X射线衍射图谱表明，蒸汽爆破对麦麸纤维的结晶结构影响较小[14]。粉碎法可以有效降低原料的粒径，显著增加原料的孔隙率和比表面积，最终影响纤维的营养特性。Brewer等[15]利用超微粉碎法处理麦麸后，结合总酚和总黄酮含量提高了1.5倍。

物理方法在一定程度上可以使麦麸纤维的形态及营养特性发生改变。在高压和高温等外力的作用下，麦麸纤维素结晶度、聚合度下降，半纤维素发生降解，在纤维结构和组分改变的同时使麦麸中的营养及活性物质得到释放。

2.2 化学方法

化学方法可以非特异性地打断麦麸纤维的化学键，破坏其结构的完整性(表2)。有研究表明，麦麸纤维在酸性、碱性试剂或有机试剂等作用下，糖苷键易发生断裂，最终导致麦麸纤维结构及营养成分的变化。王兆升等[16]采用加酸挤压的方法处理麦麸，对比麦麸处理前，SDF含量增加了80.93%。李向阳等[17]将麦麸挤压后，进行加碱处理，结果表明，麦麸淀粉、植酸含量分别减少了18.34%和72.87%，SDF含量增加了96.72%。黄纪念等[18]采用羧甲基化法对麦麸纤维进行降解，其产物的持水性接近11.825 g/g，较降解处理前提高了105.79%，表明经处理后的麦麸纤维孔隙率和比表面积有所增加。

不过，化学方法效率虽高于其他方法，但该方法在降解麦麸纤维的同时易产生化学物质残留，且对麦麸中的部分活性成分产生不利影响，导致其生物利用性和安全性降低。因此，化学方法在畜禽饲料处理的应用上存在一定的局限性。

2.3 生物方法

生物方法依靠微生物和酶制剂的生物降解能力作用于麦麸纤维，能有效提高其生物活性物质和营养成分含量(表3)，具有能耗低、污染小等优点，但也存在发酵周期相对较长等问题。微生物发酵处理麦麸是利用菌体产生的纤维素酶等酶系作用于麦麸纤维的连接键，从而改变其纤维结构及营养特性。Spaggiari等[19]利用乳酸菌发酵麦麸后，麦麸纤维结构发生明显改变，且与对照组相比，麦麸中结合酚类化合物的含量有所增加。酵母可以作为生产酶制剂、菌体蛋白等产物的多功能发酵剂[20]，其产生的酶类可以导致麦麸细胞壁的降解，使麦麸纤维的理化特性发生改变。Özkaya等[21]利用酿酒酵母对麦麸进行发酵，结果表明，发酵后的麦麸结构疏松，吸水能力增加。随着对不同微生物之间相互作用的深入研究，微生物发酵方式已由单一菌株向多菌株混合发酵转变。Zhao等[22]利用保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌和酿酒酵母进行麦麸的混菌发酵，发酵后的麦麸保水能力和持水性增加，可溶性阿拉伯木聚糖含量增加了5倍，酚类化合物增加了60%，SDF含量增加了2倍。在多菌株的协同作用下，麦麸纤维的降解更加彻底，营养成分及活性物质也会得到充分释放。

酶解是相较于微生物发酵更为直接的生物处理手段。生物酶以特异性的方式作用于麦麸纤维的连接键，催化效率高且特异性强。酶解麦麸的酶来源主要包括商用酶、微生物发酵过程中产生的酶以及麦麸的内源酶3种[23]。Zhang等[24]利用纤维素酶和木聚糖酶联合酶解麦麸，酶解后的麦麸细胞壁发生降解，结构松散，持水性提高，酶解麦麸的游离总酚含量提高了2倍，抗氧化性能显著提升。另有研究表明，经β-内切木聚糖酶和α-阿拉伯呋喃糖苷酶共同酶解的麦麸，其游离总酚含量增加，1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基清除能力有所提高[25]。酶解处理具有促进麦麸结合酚酸释放，增强麦麸AX溶解性及提高SDF和游离氨基酸含量的作用，其反应条件温和，产物可控，但生产成本相对较高。

2.4 联合方法

采用物理、化学以及生物方法对麦麸进行联合处理是更为有效的方法(表4)，结合不同处理方法的优势，既可以提升麦麸纤维降解的效果，也可以降低和减少麦麸纤维降解的成本和时间。Kong等[26]联合蒸汽爆破和研磨2种物理方法对麦麸进行处理，结果表明，麦麸的膨胀性、孔隙度及游离总酚、总黄酮含量均有增加；另外，相比于对照组，麦麸的保水能力及DPPH自由基清除能力也有提升。近年来，菌酶协同发酵已发展成为一种重要的生物技术，通过在发酵基质中添加益生菌和酶制剂，最大化地降解饲料原料中的大分子物质，同时产生有机酸及其他活性物质。Coda等[27]利用短乳杆菌和复合酶对麦麸进行处理，结果表明，麦麸纤维发生降解，小肽含量较未发酵麦麸增加了50%。在高纤维类饲料原料的降解上，物理方法和生物方法的联合具有更大的优势，通过物理方法对纤维进行初步处理，增加孔隙率和比表面积，进而更利于微生物和酶类在微观层面发挥作用。Wang等[28]采用微波处理麦麸后进行酶解，结果表明，微波辅助酶水解后的麦麸出现清晰的细胞壁断裂边缘，纤维素-半纤维素交联发生断裂，低聚木糖(xylo-oligosaccharide，XOS)含量增加。由此可见，采用多种方法联合处理麦麸，可以弥补单一方法的不足，有效提升麦麸营养特性。

目前，不同麦麸纤维降解技术均有研究应用，而微生物发酵和酶解技术因其作用底物广泛，生产量大且性能稳定越来越受到饲料行业关注。与此同时，微生物发酵对霉菌毒素的脱毒效果，以及酶解工艺对饲料适口性和风味的影响也是需要重点关注的问题。

3 麦麸纤维降解效果的评定方法

麦麸中纤维的含量及其组成是限制畜禽消化麦麸的主要原因。通过科学的评定方法分别从宏观和微观角度对麦麸中的纤维含量、组成及结构进行评定，有助于降解方法的建立和完善。目前对麦麸纤维的宏观评定主要涉及其含量及组成的测定分析，检测方法以Weende法和Van Soest洗涤法为代表。

麦麸中纤维的微观评定主要涉及其纤维表面形态及内部分子结构的观察和分析。通过对比处理前后麦麸纤维形态的变化情况可以直观地反映降解方法的作用效果。利用SEM扫描麦麸纤维微观结构进行直接观察是评定其纤维微观形态变化的常用方法。吕春月等[29]借助SEM观察发现，经微波酶解后的麦麸表面呈现粗糙褶皱状且出现多孔结构。

在对麦麸纤维内部分子结构变化的描述上，主要包括聚合度、特征官能团、结晶度及比表面积等分析指标。聚合度是衡量纤维分子大小的重要指标，通常采用苯酚-硫酸法进行测定。通过测定样品中还原糖与总糖浓度的比值即可得出样品的聚合度[30]。在对纤维降解前后特征性官能团及糖苷键的分析上常借助于FTIR，该技术是研究有机化合物结构的重要手段。通过纤维的红外光谱图可以识别样品组成成分的官能团，并提供有关其分子结构的信息[31]。FTIR适用于鉴定有机物、高聚物等天然及人工合成产物的化学结构，具有高度的特征性。纤维结晶度是指纤维素结晶区占纤维素整体的百分率，对于纤维素结晶度的检测，比较直接和可信的方法是X射线衍射法[32]。在纤维样品中，存在定形区即结晶区和非定形区2个部分，由于结晶区的电子密度大于非定形区，相应地产生结晶区衍射峰和非定形区弥散峰，通过分峰处理后，计算结晶区衍射峰的强度占全部峰总强度的百分比即可得出试样的结晶度。赵一川[33]采用X射线衍射法对经过挤压协同酶解处理麦麸的纤维结晶度进行了测定，结果表明，经处理后麦麸的纤维结构呈疏松多孔的颗粒状。麦麸纤维的比表面积也是评定其纤维降解效果的重要指标之一，其大小是限制纤维降解特别是酶解纤维的关键因素。比表面积与底物的颗粒大小、孔隙度和孔体积密切相关。气体吸附法常用于测定细胞壁孔隙度和比表面积，这种方法可以表征孔径分布和孔隙体积，以氮气吸附法(BET法)最为常用，也有研究采用全自动比表面积分析仪测定麦麸纤维比表面积的研究[34]，其原理与BET法类似。

4 麦麸纤维降解产物的功能特性

麦麸中的总碳水化合物含量为50%～60%，主要包括淀粉多糖和NSP。前者可被畜禽消化吸收以供能，但后者作为麦麸中碳水化合物的主要成分，以高聚合态的半纤维素和纤维素形式存在，难以被畜禽消化利用。近年来，研究发现麦麸中的NSP经降解后可产生具有抗氧化、增强机体免疫、抑菌和益生等生理功能的多糖类物质，主要包括AX、XOS、β-葡聚糖以及少量葡甘露聚糖和阿拉伯半乳聚糖等[35]。

4.1 抗氧化活性

研究表明，麦麸的抗氧化活性主要与其酚类化合物等生物活性物质的存在相关[36-37]。麦麸中的酚类化合物以酚酸为主，其中又以FA含量最高，占麦麸总酚酸含量的90%以上[38]。FA通过与阿拉伯糖残基以酯键的形式相结合，形成具有抗氧化活性的阿魏酰低聚糖(feruloyl oligosaccharides，FOs)而发挥作用。段元霄[39]研究了麦麸FOs对致氧化应激大鼠血浆和组织抗氧化能力的影响，结果表明，FOs可以有效提高大鼠血浆和组织中抗氧化酶活性和谷胱甘肽含量，对缓解氧化应激具有良好的作用。此外，XOS和β-葡聚糖在畜禽饲养中的抗氧化作用也有大量研究。周建民等[40]研究了XOS对蛋鸡血清抗氧化功能的影响，结果表明，XOS具有提高蛋鸡血清抗氧化的能力。另有研究表明，在围产期奶牛饲粮中添加酵母β-葡聚糖可以显著提高奶牛产前和产后血清谷胱甘肽过氧化物酶活性，有效提高其血清抗氧化能力[41]。李冬芳等[42]研究了β-葡聚糖对肉羊抗氧化能力的影响，结果表明，饲粮中添加β-葡聚糖可以显著提高肉羊血清中总抗氧化能力和超氧化物歧化酶(SOD)活性。

4.2 免疫活性

研究表明，麦麸多糖在机体的免疫调节过程中同样发挥着重要的作用。Savitha Prashanth等[43]通过测试小鼠淋巴细胞有丝分裂活性和吞噬细胞活性研究了麦麸AX的免疫活性，结果表明，麦麸中的AX具有较强的免疫活性。另外也有关于β-葡聚糖免疫活性的研究，Shao等[44]以感染肠道沙门氏菌的肉鸡为模型，研究了酵母β-葡聚糖在肉鸡对沙门氏菌抵抗力的影响，结果表明，酵母β-葡聚糖可以通过诱导内源性抗菌肽的合成增强肉鸡体液免疫能力，从而提高肉鸡对沙门氏菌的抵抗力。结合免疫功能机理的研究发现，多糖可通过与机体内的免疫细胞进行特异性结合，从而刺激T淋巴细胞、B淋巴细胞、自然杀伤细胞及巨噬细胞等的增殖并激活网状内皮系统，进而发挥免疫调节作用[45]。

4.3 抑菌及益生作用

麦麸中的多糖成分具有较强的抑菌和杀菌作用。有研究表明，麦麸多糖能够有效抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及沙门氏菌等致病菌的增殖，其抑菌性能与FA的存在有关，FA能够对细菌的N-乙酰转移酶产生抑制作用，从而产生抑菌效果[46]。另外，FA也可通过降低细菌细胞内pH，破坏细菌细胞膜结构，致使细菌发生死亡[47]。Zhang等[48]研究发现，浓度为1 mg/mL的FA对嗜麦芽窄食单胞菌的增殖具有显著的抑制作用。

麦麸中的AX和XOS具有促进机体消化道益生菌如乳酸菌、双歧杆菌等的生长并抑制类杆菌、梭菌类等致病菌增殖的功能[49]。刘丽娅等[50]通过体外试验研究发现，碱提和碱提酶解获得的麦麸AX，可以促进双歧杆菌增殖，另外碱提酶解的麦麸AX能显著促进乳酸杆菌的增殖。Wang等[51]研究了长双歧杆菌、短双歧杆菌、两歧双歧杆菌和青春双歧杆菌对从麦麸中提取的XOS的利用率，结果表明，XOS对4种菌的增殖均会产生不同程度的促进作用；模拟肠道环境进行的发酵试验结果表明，XOS的存在可使肠道菌群大量增殖。麦麸中的AX和XOS的益生作用可能与其刺激肠道微生物分泌的水解酶类有关，在微生物的酶解作用下，机体肠道中丁酸、乳酸等SCFA的含量增加，同时肠道中有害蛋白质降解产物的比例降低[52]，这为益生菌的增殖创造了合适的环境。

5 小 结

当前，我国优质饲料资源的供需矛盾日渐突出，深度开发饲料资源对于保障畜牧业的可持续发展具有重要意义。小麦麸皮资源量大、营养物质丰富，是开发潜力巨大的饲料资源。通过物理、化学和生物等技术对麦麸纤维进行降解处理，可以降低麦麸纤维的抗营养特性，显著提高麦麸的营养价值。目前，饲用麦麸纤维的降解主要集中在生物发酵和酶解上，在纤维降解效果的评定及其降解产物功能特性研究上仍存在以下问题：1)在评定不同方法降解麦麸纤维的作用效果上，目前主要通过对比降解前后麦麸纤维的组成及含量差异，更需要结合其微观结构和降解产物功能特性的变化来综合分析。2)关于麦麸中生物活性物质的研究主要集中在其对畜禽生理功能的影响上，而对其化学结构与功能之间的“构-效”关系仍缺乏深入研究。