多种酶和单种酶对猪 日粮纤维水解效率的比较(续1)

刘文峰 杨洋

摘  要：商用猪日粮中的纤维主要来自谷物及其副产品，其中阿拉伯木聚糖和纤维素的含量最多，但它们难以被猪体内的内源性酶和微生物酶（microbial enzymes）消化。为了提高这些纤维的可发酵性，营养师有必要在日粮中添加外源性酶。理论上，纤维素的水解需要用到4种酶，而阿拉伯木聚糖的水解需要用到9种酶。如果纤维素能在猪的小肠中发酵，那么猪能够从发酵后的纤维素中获得更多的能量。要想达到这一目的，营养师需要在日粮中添加4种纤维素水解酶。对于阿拉伯木聚糖来说，添加纤维素水解酶的目的并不是要在猪的小肠中完全水解纤维素，因为猪吸收纤维素水解产生的戊糖后并不能提高其自身的能量状态（energy status）;相反，添加的目的是在猪的后肠中水解阿拉伯木聚糖，并通过在日粮中添加至少4种纤维素酶来辅助后肠中的微生物发酵。然而，目前只有极少的研究报道了在猪的日粮中添加多种纤维素酶后的效果，这方面的情况今后需要进行更多的研究。

关键词：阿拉伯木聚糖;纤维素;酶;纤维;猪

2  阿拉伯木聚糖水解酶

阿拉伯木聚糖是一种杂多糖，其由木糖主链与阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖醛酸的侧链组成。侧链上的一些阿拉伯糖单位会被香豆酸或阿魏酸酯化，从而使阿拉伯木聚糖与木质素连接起来。阿拉伯木聚糖的木质化主要发生在植物细胞壁上，胚乳中的阿拉伯木聚糖通常不会木质化。木质素是微生物酶发挥水解作用的主要障碍，会降低阿拉伯木聚糖的可发酵性。因此，胚乳中未木质化的阿拉伯木聚糖比植物细胞壁中的阿拉伯木聚糖更容易发酵。

彻底水解阿拉伯木聚糖总共需要9种酶。水解主链上木糖单位之间的β-1，4糖苷键需要内切木聚糖酶。水解侧链上的糖苷键需要去分支酶（de-branching enzyme），如β-半乳糖苷酶、阿拉伯木聚糖-阿拉伯呋喃水解酶、阿拉伯呋喃糖苷酶、葡萄糖醛酸酶、乙酰木糖酯酶、香豆酰基酯酶和阿魏酰酯酶。在这些酶的作用下，主链上的木糖会生成二聚体或低聚糖，这些成分要水解生成游离的木糖单位还需要β-木聚糖酶。微生物产生的β-木聚糖酶是完成最后水解过程的最有效的酶，因此不需要在日粮中添加此酶。

有别于纤维素水解产生的葡萄糖单位，木糖和阿拉伯糖是组成阿拉伯木聚糖最重要的单糖，属于戊糖，不能用于猪的能量代谢。猪通过小肠吸收的这些糖不会影响它的能量状态，吸收的木糖和阿拉伯糖主要通过尿液排出体外。因此，在猪小肠产生游离的木糖和阿拉伯糖不是纤维素水解的目的。向猪提供外源性酶的目的是在后肠水解阿拉伯木聚糖中的大量糖苷键，促使微生物酶完成水解过程，从而发酵释放出来的糖，并产生可以被猪后肠吸收的短链脂肪酸。

人们对水解阿拉伯木聚糖的外源性酶的关注点大多集中在内切木聚糖酶上，该酶可水解木糖主链上的一些糖苷键并生成供微生物发酵的更小的低聚糖。然而，微生物通常很少能够分泌足够数量的阿拉伯呋喃糖苷酶，此酶是水解侧链上两个阿拉伯糖单位之间的糖苷键所必需的。因此，营养师有必要在饲料中补充呋喃糖苷酶，以此作为猪的外源性酶来协助阿拉伯木聚糖的水解。猪的肠道微生物能够大量表达阿拉伯木聚糖-阿拉伯呋喃糖苷水解酶（arabinoxylan arabinofurano-hydrogase），该酶可水解主链上木糖与侧链第一个阿拉伯糖单位之间的糖苷键，但这种酶仅在侧链上只有一个阿拉伯糖单位时才有效。因此，如欲水解侧链上相邻阿拉伯糖单位之间的键需要给猪补充外源性阿拉伯呋喃糖苷酶，此酶发挥水解作用后，可以得到侧链上只有一个阿拉伯糖单位的中间产物，微生物阿拉伯木聚糖-阿拉伯呋喃水解苷酶（arabinoxylan arabinofurano-hydrolase）才会水解阿拉伯糖和木糖之间的糖苷键。因此，阿拉伯呋喃糖苷酶对阿拉伯木聚糖的完全发酵至关重要。

香豆酰基酯酶和阿魏酸酯酶的作用尤为重要，因为这两种酶能够各自水解阿拉伯糖侧链与香豆酸和阿魏酸之间的糖苷键。这两种酚酸（指香豆酸和阿魏酸）都可以使侧链与木质素相连接，但是木质素会阻碍纤维的发酵，因此只有在去木质化后，阿拉伯木聚糖才能被完全水解。此外，香豆酸和阿魏酸可减弱内切葡聚糖酶（endo-glucanases）的作用，从而影响微生物发酵纤维素。猪肠道中的微生物不能分泌阿拉伯木聚糖去木质化所需的这两种酯酶。因此，要促进阿拉伯木聚糖的发酵需要给猪补充外源性香豆酰基酯酶和阿魏酸酯酶，并且这些酶必须能够使木质素与侧链上的阿拉伯糖单位分开。

3  猪日粮中添加多种酶的影响

非淀粉多糖水解酶（Non-Starch Polysaccharide Degrading Enzyme，NSPase）的作用是降低动物肠道内容物的黏度，水解植物细胞壁，并产生具有益生元特性的低聚物。然而，支持这些结论的数据大多来自对家禽的研究，由于肠道内容物黏度的降低不会影响猪对日粮中能量或营养物质的消化和吸收，因此NSPase的黏度效应对猪的意义并不大。给猪饲喂添加了NSPase的日粮后可以提高其生产性能的两个最合理的理由是植物细胞壁的水解和益生元的产生。De Maeschalck等和Morgan等在肉鸡上证实了NSPase的益生元效应，但目前根据猪的研究结果撰写的同行评议论文还没有明确报道纤维水解酶会产生益生元效应。理论上水解猪肠道中的纤维素和阿拉伯木聚糖需要多种酶的参与，因此要显著提高猪的能量消化率很可能需要在日粮中添加多种酶。然而，据这些研究所知，目前还没有关于提高纤维素水解需要4种酶的研究报告。这是非常遗憾的，因为据预测在猪的小肠中水解纤维素带来的能量益处将大于在后肠中水解阿拉伯木聚糖产生的好处，这仅仅是因为与阿拉伯糖和木糖在大肠中发酵所产生的能量相比，小肠吸收葡萄糖后能够获得更多的能量。目前尚不清楚缺乏此類同行评议论文是否是因为在猪的日粮中添加纤维素水解酶后难以获得积极的反应还是因为难以生产此类酶。但可以预测，纤维素在猪小肠中发生的任何水解反应都会提高日粮的能量水平。

多篇论文报告了旨在探讨用多种酶来提高阿拉伯木聚糖水解水平的研究结果。在在仅向日粮中添加木聚糖酶的研究中，研究人员发现酶的制造商不了解抑或未公布的其他阿拉伯木聚糖水解酶很可能同样有活性。事实上，人们普遍认为饲料行业可以购买到的纯化酶品种只是极少数，并且在出售的酶中大多数被认为具有一些酶制造商可能已经知道或还不了解的副作用。除了内切木聚糖酶外，阿拉伯呋喃糖苷酶也可以提高家禽的生产性能。在最近以猪为研究对象所获得研究结果进行的一项荟萃分析（meta-analysis）中，分析人员推断，在日粮中添加木聚糖内切酶并没有提高能量的表观总肠道消化率，但如果添加糖酶（carbohydrases）复合物，能量消化率的提高虽然很小但仍很有意义。该项荟萃分析的结果以及其他试验的结果均支持了一个假设，即要提高纤维素的消化水平需要在日粮中添加多种酶。然而，Agyekum等、Gdala等和Susenbeth在日粮中添加多种酶时未观察到积极效果。不同的研究得到不同的结果也并不奇怪，因为不同研究所用的酶制剂、试验猪的状态和饲料的生产工艺存在差异。明确所使用的谷物或谷物副产品也很重要，因为同一种酶或同一种酶复合物加入不同的谷物型日粮会产生不同的反应。品质不同的同一种谷物或同一种谷物的不同品种对NSPase的反应也可能不同。同一种酶的不同家族也有可能会产生不同的反应，正如第10家族的木聚糖酶与第11家族的木聚糖酶产生不同的反应一样。因此，许多因素会影响酶对猪日粮的作用，但目前尚不清楚这些因素如何影响酶的水解作用。尽管许多研究观察到了在猪日粮中添加单种内切木聚糖酶的有益效果，但如果添加了多种酶，很可能会观察到更佳的有益效果。至少在理论上，阿拉伯木聚糖的水解需要用到猪的后肠中微生物不能产生的多种酶，一些体内研究的结果支持这一观点。

4  结论

谷物及其副产品中所含的两种最重要的纤维成分是阿拉伯木聚糖和纤维素，而纤维素和果胶类多糖是饼粕中的主要纤维成分。在猪日粮中，由于谷物及其副产品的含量大于饼粕的含量，因而猪日粮中的纤维成分主要来自所用的谷物及其副产品。要提高猪日粮中纤维的能量贡献量，提高纤维素和（或）阿拉伯木聚糖的水解效率非常必要。这可以通过在猪日粮中添加饲用酶来实现，但对于纤维素和阿拉伯木聚糖来说，要显著提高纤维的能量贡献量可能需要添加多种酶。目前大多数研究集中在开发能够水解阿拉伯木聚糖的酶上，但要显著提高纤维素的水解效率可能需要在日粮中同时添加内切木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶、阿魏酸酯酶和香豆酸酯酶。然而，纤维素在猪小肠中水解后对猪的能量贡献量大于阿拉伯木聚糖在猪后肠中水解后的能量贡献量。因此，如果我们能够成功地开发出可以在猪小肠中水解纤维素的酶，这很可能会提高纤维素对猪的能量贡献量。众所周知，即使是反刍动物，其对纤维素的水解效率也很低，因此找到能夠在单胃动物的肠道中水解纤维素的外源性酶将面临巨大的挑战。