加工工藝和酶技術(shù)對(duì)豬和家禽高纖維日糧消化率的影響

張秋城

(陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401311)

在過(guò)去10多年間，市場(chǎng)和能源工業(yè)對(duì)谷物原料需求增加，使動(dòng)物飼料行業(yè)一直面臨原料成本上升問(wèn)題。利用生物燃料和食品工業(yè)的副產(chǎn)物作為飼料原料對(duì)降低養(yǎng)殖成本，提高飼料資源利用率具有重要意義。許多飼料原料含有高水平的植物細(xì)胞壁物質(zhì)，主要由非淀粉多糖組成，哺乳動(dòng)物體內(nèi)酶無(wú)法消化這類物質(zhì)，但腸道內(nèi)的部分微生物可以部分降解這類物質(zhì)。植物細(xì)胞壁中非淀粉多糖的結(jié)構(gòu)會(huì)限制微生物酶與其可觸，從而限制其降解，此外，非淀粉多糖可以干擾消化過(guò)程，并與其他營(yíng)養(yǎng)素交聯(lián)，從而降低這些營(yíng)養(yǎng)素的消化吸收（Bach Knudsen，2001）。飼料加工和酶技術(shù)是提高高水平非淀粉多糖飼料原料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化利用的重要手段。人們對(duì)加工過(guò)程中非淀粉多糖化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的改變知之甚少，它們很大程度上取決于工藝條件和非淀粉多糖的類型（Rowe等，1999）。此外，非淀粉多糖結(jié)構(gòu)與動(dòng)物消化道降解之間的關(guān)系尚不清楚，阻礙了相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，影響非淀粉多糖和富含非淀粉多糖的副產(chǎn)品的利用率。因此，了解非淀粉多糖在胃腸道降解方面的化學(xué)結(jié)構(gòu)或理化性質(zhì)有助于開(kāi)發(fā)更具體和更有效的加工技術(shù)。本綜述旨在確定和量化加工技術(shù)，首先介紹了非淀粉多糖的降解與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的關(guān)系及其對(duì)動(dòng)物消化功能影響，然后討論了加工技術(shù)對(duì)非淀粉多糖理化特性的影響，以及對(duì)豬和家禽非淀粉多糖降解的影響。

1 方法學(xué)

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的工藝或酶技術(shù)的描述，本文綜述的非淀粉多糖物理化學(xué)性質(zhì)的主要變化包括溶解度、黏度、水化性質(zhì)或所纖維組分的消化率，即非淀粉多糖、粗纖維、中性洗滌纖維或酸性洗滌纖維。文中系水力指纖維在不增加機(jī)械力的情況下所保留的水量，而水結(jié)合力是根據(jù)Nelson（2001）對(duì)水化性質(zhì)的定義，定義為纖維離心后保留的水量。

2 富含非淀粉多糖飼料原料的消化

2.1 植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)對(duì)豬和家禽非淀粉多糖降解的影響 盡管有報(bào)道稱，有部分非淀粉多糖降解發(fā)生在豬胃中，并可能在回腸末端達(dá)到相當(dāng)高的水平，但豬體內(nèi)微生物酶對(duì)非淀粉多糖的降解主要還是發(fā)生在大腸中（Bach Knudsen和Jorgensen，2007）。非淀粉多糖在家禽中的降解主要發(fā)生在嗉囊或胃中，從小腸中段和末段收集的消化液和排泄物中非淀粉多糖的消化率差異很?。≒ettersson和Aman，1989）。然而在消化道不同部分發(fā)現(xiàn)的非淀粉多糖消化率可能會(huì)因消化道可溶部分的反向蠕動(dòng)而產(chǎn)生偏差，這種情況在家禽上比較普遍（Duke，1982）。單胃動(dòng)物非淀粉多糖的降解程度與其溶解度有關(guān)，并取決于聚合物的類型及其與細(xì)胞壁組分的結(jié)構(gòu)聯(lián)系（Bach Knudsen，2001）。非淀粉多糖在細(xì)胞壁上的溶解程度與鏈長(zhǎng)減少，多糖結(jié)構(gòu)不規(guī)則，防止結(jié)晶結(jié)構(gòu)，取代度低，或與其他多糖和細(xì)胞壁組分的連接較弱有關(guān)（Fry，1986）。由于非淀粉多糖的類型、細(xì)胞內(nèi)連接、溶解度在不同植物種類和植物組織中是不同的，如單子葉植物（包括谷類）的籽粒主要含有阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖和纖維素，而雙子葉植物（豆類和油籽）的籽粒主要含有果膠、纖維素和木糖聚糖。種子的次生細(xì)胞壁組織主要由不溶性、木質(zhì)化和強(qiáng)連接的非淀粉多糖組成，如纖維素和木聚糖，而實(shí)質(zhì)組織主要由谷物中可溶性的阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖組成。

非淀粉多糖溶解度的差異反映在豬的消化率系數(shù)上，從實(shí)質(zhì)組織中提取的易溶阿拉伯木聚糖可作為消化道總消化系數(shù)，其中燕麥為0.82，黑麥為 0.73～ 0.83，小麥為 0.68～ 0.94（Glitso等，1998）。小麥和黑麥次生細(xì)胞壁組織中不溶性、支鏈的阿拉伯木聚糖幾乎未降解，實(shí)質(zhì)和次生谷物細(xì)胞壁組織中的葡聚糖幾乎完全降解，但回腸表觀消化率系數(shù)的差異表明，胚乳中的β-葡聚糖比糊粉層或果皮中的β-葡聚糖更容易降解（Bach Knudsen，2001）。阿拉伯酰和半乳糖醛酸殘基來(lái)自于豌豆子葉和外殼中的果膠，容易消化，而二甲苯和葡萄糖殘基來(lái)自于谷氨酸氧化酶和豌豆外殼中的纖維素，較難消化（Bach Knudsen和Canibe，2000）。Voragen等（2009）體外發(fā)酵研究發(fā)現(xiàn)，以側(cè)鏈形式存在的果膠阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳聚糖比半乳聚糖更容易被豬腸道內(nèi)的某些菌種發(fā)酵。

家禽結(jié)腸相對(duì)較短，消化過(guò)程迅速，發(fā)酵能力幾乎只局限于可溶性非淀粉多糖部分。有報(bào)道指出，從含有可溶性非淀粉多糖較高的谷物（如大麥、小麥和燕麥）日糧中提取的非淀粉多糖的回腸表觀消化系數(shù)在0.28～0.40，相比之下，含不溶性非淀粉多糖較高的原料（如麩皮和玉米）非淀粉多糖回腸表觀消化系數(shù)為0.08，而含雙子葉原料日糧非淀粉多糖回腸表觀消化系數(shù)在0～0.12（Meng和Slominski，2005）。豆粕非淀粉多糖含有果膠，果膠占中性糖側(cè)鏈的60%，而中性糖側(cè)鏈更容易發(fā)酵，缺乏由半乳糖醛酸形成的所謂“光滑區(qū)域”，降解得相對(duì)較好，而豌豆的非淀粉多糖降解較差（Huisman等，2003）。

2.2 非淀粉多糖的抗?fàn)I養(yǎng)特性 非淀粉多糖能直接或間接地影響其他營(yíng)養(yǎng)素的消化和吸收。首先，細(xì)胞壁中非淀粉多糖的結(jié)構(gòu)排列會(huì)影響結(jié)構(gòu)性非淀粉多糖自身的消化率，也會(huì)影響被包裹在細(xì)胞內(nèi)的其他營(yíng)養(yǎng)素的消化率，從而限制了消化酶對(duì)這些營(yíng)養(yǎng)素的可觸性（Le Gall等，2009）。非淀粉多糖的表面活性可使其在進(jìn)食后與飼料顆粒表面結(jié)合，降低飼料對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的可及性和吸收；其次，非淀粉多糖對(duì)消化道黏度和水化特性等物理特性具有促進(jìn)作用，從而影響內(nèi)容物在消化道停留時(shí)間、膨化特性、微生物活性及內(nèi)源性酶損失，降低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收（Smits等，2000）。這些抗?fàn)I養(yǎng)特性對(duì)養(yǎng)分消化的影響相當(dāng)大，如在家禽中添加小麥和黑麥中分離的可溶性非淀粉多糖后，淀粉和蛋白質(zhì)的消化率降低了14%，脂肪消化率降低了24%。

3 加工工藝對(duì)非淀粉多糖原料消化率的改善作用

3.1 加工工藝對(duì)非淀粉多糖理化特性的影響飼料的加工工藝是基于機(jī)械、熱力或化學(xué)的改性。機(jī)械力（壓力或剪切力）可引起顆粒磨損和破碎，從而破壞種皮細(xì)胞壁，降低顆粒大小和纖維長(zhǎng)度，使細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)打開(kāi)。加熱過(guò)程可以破壞多糖之間的弱鍵和多糖內(nèi)的糖苷鍵，富含淀粉的飼料在一定水分條件下也會(huì)促進(jìn)淀粉糊化，導(dǎo)致細(xì)胞膨脹和破裂，從而增加細(xì)胞的表面積、破壞細(xì)胞壁的完整性（Mcdougall等，1996）。然而，加熱也會(huì)引起營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的交聯(lián)，如通過(guò)美拉德反應(yīng)，尤其是在干熱過(guò)程中。無(wú)論是在酸性或堿性條件下，熱處理都會(huì)使部分非淀粉多糖水解（Kootstra等，2009）。

3.1.1 顆粒大小 飼料粒徑?jīng)Q定飼料在消化道中與消化酶接觸的表面積，從而影響其降解，同時(shí)也影響飼料的水化特性。在動(dòng)物飼料生產(chǎn)中使用的許多加工技術(shù)對(duì)顆粒大小有影響，粉碎效果是主要影響因素，大多數(shù)熱處理是次要影響因素。由于不同的原料在顆粒大小、結(jié)晶度和脆性等方面存在差異，因此，不同的粉碎條件和設(shè)備決定了不同的產(chǎn)品粒度的還原程度、變形類型和顆粒的均勻性（Anguita等，2006）。在不同工藝和產(chǎn)品中，加熱過(guò)程對(duì)顆粒大小的影響差別很大。蒸汽、紅外線加熱等過(guò)程破壞了籽粒表面和胚乳，使籽粒保持完整的同時(shí)增加了表面積，而膨化和擠壓過(guò)程剪切力大，使籽粒結(jié)構(gòu)完全破壞（Rowe等，1999）。在大多數(shù)研究中，熱處理應(yīng)用于全谷物結(jié)果已破壞的粉碎產(chǎn)品，因此，結(jié)果不太依賴于晶粒結(jié)構(gòu)，并受加工過(guò)程中產(chǎn)品的紋理或脆性變化所導(dǎo)致的粉碎性能變化的影響（Anguita等，2006）。溫和的水熱過(guò)程，如蒸汽會(huì)導(dǎo)致細(xì)粉的原料顆粒尺寸增大，而對(duì)粗粉原料沒(méi)有效果或顆粒尺寸減小；高剪切力（如膨脹機(jī)加工和擠壓蒸煮）導(dǎo)致顆粒尺寸減小，粗粉原料的剪切效應(yīng)大于細(xì)粉原料，制粒會(huì)引起小顆粒團(tuán)聚，表現(xiàn)為制粒后粒徑增大。

3.1.2 溶解度 非淀粉多糖在細(xì)胞壁的溶解度受各種多糖與其他細(xì)胞壁組分之間共價(jià)和非共價(jià)交聯(lián)的阻礙。非淀粉多糖在加工過(guò)程中溶解度的變化主要取決于交聯(lián)的類型，β-葡聚糖，特別是薄壁組織的葡聚糖易溶于水，含有較多這種多糖的作物（如大麥）經(jīng)粉碎和溫和熱處理后，非淀粉多糖餾分的溶解度有中度到較大的增加（Anguita等，2006）。從實(shí)質(zhì)組織中提取的阿拉伯木聚糖易溶于水，而從次生細(xì)胞壁組織中提取的阿拉伯木聚糖（如燕麥、大麥殼和麥麩中含量豐富）需要擠壓等更為嚴(yán)格的加工工藝（Anguita等，2006）。纖維素從細(xì)胞壁脫離，特別是在木質(zhì)化組織中需要進(jìn)行嚴(yán)格的物理和化學(xué)處理，以破壞其晶體結(jié)構(gòu)，并修飾或除去木質(zhì)素。另一方面，粉碎也被證明可以分解纖維素的晶體結(jié)構(gòu)（Mosier等，2005）。

3.1.3 黏度 在加工過(guò)程中，溶解、降解和側(cè)鏈的降低會(huì)影響非淀粉多糖的黏滯性能，進(jìn)而影響調(diào)質(zhì)過(guò)程的流變性能（Morris，2001）。由于黏度與分子量有關(guān)，可以預(yù)期非淀粉多糖降解后黏度會(huì)降低，在一般情況下是粉碎后觀察到的。然而，在熱加工過(guò)程中，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)可能會(huì)被破壞，導(dǎo)致溶解性增加，而聚合物卻沒(méi)有實(shí)際降解，往往會(huì)導(dǎo)致黏度增加，特別是可溶性葡聚糖和阿拉伯木聚糖的黏度很高，在加熱過(guò)程中黏度增加，而纖維素對(duì)非淀粉多糖組分的黏度貢獻(xiàn)很?。―ikeman等，2006）。因此，對(duì)富含β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖的飼料進(jìn)行熱處理可以提高其黏度，同時(shí)機(jī)械力越強(qiáng)的工藝（如擠壓蒸煮）對(duì)黏度影響越大，在一些研究中，熱處理增加了小腸消化黏度，尤其是在雛雞和仔豬中（Gracia等，2009）。同樣，對(duì)含有果膠的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理也會(huì)增加消化液黏度，因?yàn)楣z具有高黏度，在特定條件下具有凝膠能力，高甲基酯化果膠在潮濕的酸性條件下，特別是熱處理后，在糖的存在下能形成凝膠，而低甲基酯化果膠只在二價(jià)陽(yáng)離子的存在下形成凝膠（Thakur等，1997）。

3.1.4 水化特性 廣泛用于描述纖維功能的兩個(gè)指標(biāo)是水結(jié)合力和系水力，日糧的系水能力似乎能更好地預(yù)測(cè)胃食糜在體內(nèi)的物理性質(zhì)，尤其是在存在膠質(zhì)形成多糖的情況下，在加工過(guò)程中，熱處理過(guò)程中除纖維組分外的其他組分的理化變化（如淀粉糊化等）可能會(huì)主導(dǎo)飼料的水化性能（Bach Knudsen，2001）。實(shí)質(zhì)性細(xì)胞壁組織（尤其是果膠）由于其親水性質(zhì)更強(qiáng)，且在果膠存在的情況下電荷更多，通常比次生細(xì)胞壁組織表現(xiàn)出更高的水化性能（Auffret等，1994）。與水熱過(guò)程相比，干熱過(guò)程對(duì)水化性能的影響較小，后者增加了大多數(shù)原料的水結(jié)合力和系水力，而含有大量纖維素的原料（如豌豆殼）似乎較少受水熱過(guò)程的影響（Ralet等，1993）。

3.2 加工工藝對(duì)非淀粉多糖原料消化特性的影響 前人研究往往只包括纖維含量本身的信息，而不包括非淀粉多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)，這使得很難將營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的變化與非淀粉多糖的理化性質(zhì)變化聯(lián)系起來(lái)。中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和粗纖維可以表示結(jié)構(gòu)性非淀粉多糖中的可變部分（Smits，2000）。

3.2.1 機(jī)械加工 在體內(nèi)研究中，將粉碎過(guò)的飼料與全谷物或粗磨過(guò)的飼料進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)豬的纖維餾分的回腸表觀消化率增加了6%，盡管在這項(xiàng)研究中，顆粒大小的對(duì)比可能太小，無(wú)法觀察到差異（Callan等，2007）。在肉雞中，與粉碎豌豆相比，破碎降低了顆粒大小，并使纖維組分的回腸表觀消化率增加了7%（Daveby等，1998）。亞麻籽粉碎后對(duì)肉雞纖維部分回腸表觀消化率無(wú)明顯改善作用，但亞麻籽非淀粉多糖對(duì)日糧總非淀粉多糖含量的貢獻(xiàn)僅為14%（Jia和Slominski，2010）。

3.2.2 熱處理 干熱處理技術(shù)和紅外輻射一樣，經(jīng)常錯(cuò)誤地稱為超微粉，其對(duì)粒子大小、可溶性非淀粉多糖黏度和水化性能的影響很小，這是因?yàn)槿狈@些方法對(duì)豬和家禽纖維消化率的影響數(shù)據(jù)。但加熱使非淀粉多糖的回腸表觀消化率增加10%～12%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不涉及機(jī)械力的干熱過(guò)程的預(yù)期值（Fadel等，1989），其認(rèn)為非淀粉多糖消化率的提高是因?yàn)樵霞訜岱堑矸鄱嗵墙M分中抗性淀粉含量的增加，盡管在對(duì)抗性淀粉產(chǎn)生的葡萄糖進(jìn)行校正后，非淀粉多糖的消化率仍增加了7%～9%。熱處理包括添加水分（蒸汽），或添加水分與壓力、剪切或兩者結(jié)合，可顯著提高豬纖維餾分的消化率。

4 酶處理對(duì)高非淀粉多糖原料消化率的改善作用

細(xì)胞壁降解酶可用于特異性裂解聚合物或去除側(cè)鏈，使與細(xì)胞壁緊密結(jié)合的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得以釋放。關(guān)于細(xì)胞壁降解酶對(duì)非淀粉多糖的研究結(jié)果表明，只要將纖維素酶、葡聚糖酶、果膠酶和木聚糖酶等細(xì)胞壁降解酶提取液與底物和酶的活性匹配，在適當(dāng)劑量下均能成功提高非淀粉多糖的消化率（Choct，2002）。飼料加工會(huì)導(dǎo)致消化黏度增加，從而對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化產(chǎn)生負(fù)面影響。細(xì)胞壁降解酶可以通過(guò)降解加工過(guò)程中溶解的黏性聚合物來(lái)控制加工飼料的黏性；此外，通過(guò)粉碎等加工技術(shù)獲得的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的修飾可以提高非淀粉多糖對(duì)酶的可觸性（Anguita等，2006）。因此，將加工技術(shù)與酶處理相結(jié)合可能具有特別意義。添加酶對(duì)飼料原料黏度和消化液黏度的降低作用，熱加工飼料比對(duì)照飼料大3～4倍，對(duì)豬來(lái)說(shuō)，在顆粒飼料中添加酶與未加工飼料中添加酶相比，非淀粉多糖的回腸表觀消化率提高了6倍（Gracia等，2009）。同樣地，在含有膨化大麥飼料中添加酶，肉雞中的β-葡聚糖含量是未加工飼料中酶處理的1.5倍（Mavromichalis等，2000）。與未粉碎日糧添加酶相比，添加酶對(duì)粉碎日糧的額外影響尚不清楚（Daveby等，1998）。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)飼料進(jìn)行機(jī)械改性，如破碎和粉碎可以提高非淀粉多糖餾分的溶解度，從而使豬和家禽的纖維餾分的回腸表觀消化率提高6%～7%。干熱加工對(duì)飼料理化性質(zhì)的影響較小，因此對(duì)豬、禽纖維組分回腸表觀消化率影響有限。水熱過(guò)程（包括高剪切力）增加了溶解度，但也提高了黏度。與未加工的原料相比，在熱處理后原料中添加酶可使黏度降低3～4倍。此外，通過(guò)加工技術(shù)獲得的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的修飾可以提高非淀粉多糖對(duì)酶的可觸性。因此，在熱處理后日糧中添加酶對(duì)纖維餾分消化率的影響比未加工日糧高1.5～6倍。