細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)對粗飼料纖維降解的因素分析

■曹升旭 吳曉輝 鄭 飛 劉大森

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

1 粗飼料中纖維及其纖維降解率的作用

粗飼料中的纖維成分是維持反芻動物瘤胃正常功能，以及機(jī)體健康生長的必不可少的一部分。NDF在反芻動物營養(yǎng)中主要起到維持瘤胃環(huán)境和提供營養(yǎng)的作用。NDF的降解率（NDFd）影響反芻動物的干物質(zhì)采食量(DMI)，這是因為反芻動物瘤網(wǎng)胃的胃壁上分布著許多連續(xù)的接觸性受體，隨著食糜重量的增多和體積增大會對這些受體造成刺激，從而反射性地抑制動物的采食行為，限制動物的DMI。（Oba 等1999）[1]在統(tǒng)計大量的研究資料后認(rèn)為，NDFd 每提高一個單位，其DMI 和4%標(biāo)準(zhǔn)乳產(chǎn)量也相應(yīng)的分別增加0.17 kg和0.25 kg。其主要原因是，NDFd的提高加快了其瘤胃外流速度，從而使NDF 采食量增加。同時，NDF 的消化特性影響飼喂和反芻行為，顆粒分解速率，瘤胃周轉(zhuǎn)和填充量，干物質(zhì)攝入量和乳成分總產(chǎn)量。因此NDF 是評估反芻動物日糧纖維營養(yǎng)功效的主要指標(biāo)之一。飼料中ADF 含量可用于預(yù)測牧草的能量含量[2]，不同ADF 水平日糧對瘤胃發(fā)酵和瘤胃微生物纖維降解酶活性存在顯著影響[3]。對于泌乳早期的奶牛而言，采食飼草纖維的最大限度能夠提高產(chǎn)奶量，若飲食中的纖維含量太少會導(dǎo)致瘤胃過酸。相反，過多的纖維會降低日糧的能量含量，減少食用的飼料量，從而導(dǎo)致產(chǎn)奶量下降。因為合理的纖維含量對奶牛的健康生長以及生長性能尤為重要。

雖然在評估飼料質(zhì)量時攝入量比消化率更重要，但我們無法準(zhǔn)確測量攝入量，因此難以理解影響攝入量的基本因素。除了對能量攝入的直接影響之外，由于飼喂飼料的消化率和攝入量之間的存在密切關(guān)聯(lián)，因此消化率也間接地影響營養(yǎng)供應(yīng)。雖然飼草中NDF 對DMI 的預(yù)測很差，但飼料的NDF 含量應(yīng)該用于飲食配方以確保足夠的纖維。為了使產(chǎn)奶量和乳脂含量最大化，必須最大化膳食NDF 攝入量（占體重的百分比）和能量攝入量[2]。

2 木質(zhì)素及細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)

木質(zhì)素是植物細(xì)胞壁的重要組成部分。它是在植物界內(nèi)進(jìn)化的最后一種主要的生物聚合物，通常被認(rèn)為是生物圈中纖維素之后第二豐富的化合物（Boudet 1998；Monties 1991），為植物提供結(jié)構(gòu)完整性[4-5]。木質(zhì)素在植物中最重要的功能是作為結(jié)構(gòu)組分，賦予細(xì)胞壁強(qiáng)度和剛性。通過降低細(xì)胞壁的滲透性來限制水分流失也是對植物的重要作用，以及防止蟲害[6]。一直以來木質(zhì)素被認(rèn)為是影響細(xì)胞壁降解的主要因素，然而最近一些研究表明，酚酸的交聯(lián)結(jié)構(gòu)在細(xì)胞壁的降解過程中也起到抑制的作用。細(xì)胞壁多糖的酚酸交聯(lián)結(jié)構(gòu)是通過光化學(xué)反應(yīng)或氧化物酶催化的偶聯(lián)反應(yīng)形成的[7]。其中阿魏酸通常通過酯鍵連接到阿拉伯木聚糖的一些阿拉伯木聚糖殘基（C5碳上的伯醇）的O-5上[8]。同時阿魏酸也可與木質(zhì)素單體參與氧化偶聯(lián)途徑，產(chǎn)生交聯(lián)的細(xì)胞壁的阿魏酸-阿拉伯多糖-木質(zhì)素復(fù)合物[9]，以增強(qiáng)植物細(xì)胞壁的剛性。木質(zhì)素是由4-羥苯丙類化合物氧化偶聯(lián)而成的大量芳香族聚合物的通稱。它是由單木質(zhì)素組成，即松柏醇和芥子醇，通常含有少量的對香豆素醇。由單木質(zhì)素生成的單位，當(dāng)與木質(zhì)素聚合物結(jié)合時，被稱為紫丁香基木質(zhì)素（syringyl lignin,S-木質(zhì)素）、愈創(chuàng)基木質(zhì)素（guaiacyl lignin，G-木質(zhì)素）、對-羥基苯基木質(zhì)素（para-hydroxy-phenyl lignin，H-木質(zhì)素）[10]。

大量的阿魏酸脫氫二聚體的形成發(fā)生木質(zhì)化開始時，即氧化氫化的生成開始時[11]。阿魏酸以與原代細(xì)胞壁多糖以酯鍵形式存在，并為木質(zhì)素提供醚鍵的起始位點，而對香豆酸不參與該反應(yīng)，并且在后來的細(xì)胞壁發(fā)展過程中更廣泛地酯化成木質(zhì)素。因此，對香豆酸通過酯鍵與木質(zhì)素連接，而阿魏酸通過醚鍵和酯鍵與木質(zhì)素連接（Bunzel 等，2004）[12]。對香豆酸主要?；癁槟举|(zhì)素中紫丁香基單元的苯丙烷類側(cè)鏈的γ-羥基位置[13]，使其成為木質(zhì)素沉積的指標(biāo)，并指出對香豆酸在木質(zhì)化過程中可幫助細(xì)胞壁中木質(zhì)素形成具有潛在作用（Hatfield等，2009）[13]。通過木質(zhì)素單體的酶促酰化發(fā)生木質(zhì)素?；?，木質(zhì)素單體進(jìn)一步摻入木質(zhì)素聚合物中（Ralph等，1994a）[14]。

3 木質(zhì)素對纖維降解的影響

大量研究表明，草料的木質(zhì)素濃度與消化率呈負(fù)相關(guān)[15]，已經(jīng)報道了干物質(zhì)（DM）和細(xì)胞壁消化率的這種關(guān)系（Smith 等，1972）[16]，但它僅對細(xì)胞壁消化具有重要意義，因為木質(zhì)素不直接影響植物細(xì)胞可溶物的消化率。DM消化率與木質(zhì)素濃度呈負(fù)相關(guān)的原因是因為木質(zhì)素濃度隨著細(xì)胞壁濃度的增加而增加，并且飼料細(xì)胞壁總是比細(xì)胞可溶性更難消化。無論采用何種木質(zhì)素分析方法，木質(zhì)素濃度和細(xì)胞壁消化率的負(fù)相關(guān)關(guān)系都是正確的，并且已經(jīng)在體內(nèi)和體外測量消化率方面觀察到[17]。一般來說，豆類的這種負(fù)相關(guān)關(guān)系的斜率小于禾本科草，這表明木質(zhì)素更能抑制禾本科草中的消化[18]。這個結(jié)論主要來自于木質(zhì)素被測量為ADL 的研究，因為ADL 方法低估了禾本科草本植物中木質(zhì)素濃度比豆類更嚴(yán)重。有顯微鏡學(xué)研究表明，與禾本科草相比，木質(zhì)素在豆科植物中可能更具抑制作用，因為木質(zhì)素化的豆科植物組織實際上是無法消化的（Engels等，1998）[19]。然而，現(xiàn)在普遍認(rèn)為木質(zhì)素僅僅是阻礙微生物酶到達(dá)細(xì)胞內(nèi)容物的物理屏障[15]。關(guān)于木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，與其他細(xì)胞壁聚合物的交聯(lián)以及細(xì)胞壁中的沉積和分布的情況可以改變木質(zhì)素作為物理壁細(xì)胞壁消化的影響的問題仍然存在。事實上，盡管木質(zhì)素濃度的負(fù)相關(guān)性在不同成熟期的飼料樣品中進(jìn)行檢測時總是被觀察到，但是當(dāng)植物成熟度相似時，這可能是最好的說明。觀察到木質(zhì)素濃度和細(xì)胞壁消化率差異很大，說明木質(zhì)素和消化率相關(guān)性不強(qiáng)[20]。顯然，這里存在修飾影響木質(zhì)素對細(xì)胞壁消化的抑制作用的因子。

木質(zhì)素和植物細(xì)胞壁的碳水化合物部分之間的化學(xué)和物理相互作用影響NDF 消化的速率和程度。有相關(guān)試驗數(shù)據(jù)表明，玉米青貯可以具有幾乎相同的化學(xué)成分（NDF 和木質(zhì)素），但NDF 消化率（NDFD）不同[20]。因此，木質(zhì)素的含量不是玉米青貯飼料消化率的直接原因，但更有可能的是，酚酸與碳水化合物的交聯(lián)程度比木質(zhì)素含量更能影響其消化率。Grabber等[21]證實了木質(zhì)素和細(xì)胞壁碳水化合物之間特異性連接的影響。其中，使用仿生模型，在評估半纖維素速率和消化程度時，證明了阿魏酸含量比木質(zhì)素含量更重要。木質(zhì)素是細(xì)胞壁中唯一能夠抵抗瘤胃中細(xì)菌和真菌降解的成分，并且它們與其他細(xì)胞壁組分的結(jié)合同樣也影響消化的性質(zhì)。降解性降低的部分與細(xì)胞壁中木質(zhì)素含量的增加有關(guān)；同時木質(zhì)素的三維結(jié)構(gòu)和組成的變化或者木質(zhì)素與酚酸結(jié)構(gòu)交聯(lián)的變化也會影響降解率[22]。即使選擇特定的木質(zhì)素的含量相同時的幾種植物時，其他細(xì)胞壁特征的補(bǔ)償性或相關(guān)性變化經(jīng)常發(fā)生，使得難以鑒定控制細(xì)胞壁可降解性的潛在機(jī)制[23]。例如，植物可能通過增加交聯(lián)量來降低木質(zhì)化作用，使其木質(zhì)素含量沒有顯著增加，但植物的消化率卻顯著降低，因此作為消化率標(biāo)記的木質(zhì)素含量可能會誤導(dǎo)營養(yǎng)學(xué)家[24]。

4 酚酸對纖維降解的影響

阿魏酸和香豆酸屬于酚酸類物質(zhì)中的羥基肉桂酸類，是植物細(xì)胞壁中主要的酚酸類物質(zhì)，占總酚酸的80%以上，是目前研究最多的酸酸，可占粗飼料細(xì)胞壁總重的0.2%～2.0%[25]。酚酸在細(xì)胞壁中以酯鍵和醚鍵形式存在。且飼料中酚酸含量以及存在形式可直接影響營養(yǎng)飼料細(xì)胞壁在消化道中的降解效率。相關(guān)研究表明：醚鍵阿魏酸與干物質(zhì)消失率、產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率、酯鍵阿魏酸和香豆酸降解呈顯著負(fù)相關(guān)；醚鍵香豆酸及香豆酸阿魏酸與干物質(zhì)降解率、酯鍵阿魏酸香豆酸降解呈負(fù)相關(guān)，且醚鍵阿魏酸抑制了飼料發(fā)酵速率。飼料中酯鍵阿魏酸的降解率（0.502～0.966）大于香豆酸（0.195～0.880）[26]。Boln 等[27]將阿魏酸和香豆酸與牧草殘渣連接研究對NDF降解的影響，結(jié)果顯示在以瘤胃液為培養(yǎng)基，真菌纖維素降解酶的體系中，酯鍵連接的阿魏酸和香豆酸降低了牧草的降解率。但酯化的阿魏酸對消化率在其他研究中表現(xiàn)出不一致的影響。Casler等（2006）[28]報道了酯化阿魏酸對光滑的雀麥草和蘆葦草體外24 h NDFD 的負(fù)相關(guān)，但在96 h 時的可消化性測定結(jié)果為極顯著正相關(guān)。醚化的阿魏酸是木質(zhì)素和阿拉伯木聚糖之間交聯(lián)的量度，對細(xì)胞壁消化率有負(fù)面影響（Casler 等，1999；Lam 等，2003）[29]，微生物缺乏打開醚鍵的酶[30]，無法分解釋放與木質(zhì)素醚鍵連接的阿魏酸，因此細(xì)胞壁交聯(lián)結(jié)構(gòu)在空間上阻礙了微生物及酶接近細(xì)胞壁多糖[31]，是影響微生物有效降解粗飼料中解的主要因素之一，這種影響僅次于木質(zhì)素，且這種影響?yīng)毩⒂谀举|(zhì)素之外[32-33]。Grabber等[34]研究認(rèn)為這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)對飼料降解的抑制作用甚至大于木質(zhì)素。Rodrigues 等（2007）[35]也報道了醚化阿魏酸對細(xì)胞壁消化率的積極的抑制作用，阿魏酸和木質(zhì)素之間存在的醚鍵不易在厭氧條件下被瘤胃微生物破壞。此外，Jung 等（1992）[36]在成熟階段的柳枝稷和須芒草的植物部分之間進(jìn)行了一系列觀察，報道了醚化阿魏酸與NDFD存在偶然的負(fù)面關(guān)系。此外，Jung等[37]報道了在年輕玉米節(jié)間的醚化阿魏酸和細(xì)胞壁多糖降解性之間的負(fù)相關(guān)性，但在成熟植物中沒有。他們的解釋是，在細(xì)胞壁成熟過程中，通過醚鍵阿魏酸會發(fā)生與木質(zhì)素的交聯(lián)，但是在植物生長期間醚化和酯化的阿魏酸的濃度將降低，而木質(zhì)素和其他多糖的沉積量會增加。這種稀釋效應(yīng)可以掩蓋通過醚化阿魏酸濃度測量的阿魏酸酯交聯(lián)對消化率的影響。Rodrigues等[38]在研究酚酸結(jié)構(gòu)與草甸干草消化率的試驗中發(fā)現(xiàn)酚酸濃度與其他細(xì)胞壁組分之間沒有相關(guān)性，他們的解釋是草甸干草中存在豆科植物，而豆科植物含有少量的阿魏酸和對香豆酸。

利用GC-MS 和HSQC 二維核磁分析技術(shù)識別發(fā)現(xiàn)阿魏酸酯與松柏醇之間存在β-O-4'、β-5'/8-5'和8-β'方式交聯(lián)的二聚體[39]，以及在細(xì)胞壁形成過程中，阿魏酸與其他多糖相互交聯(lián)形成阿魏酸脫氫二聚體、三聚體、四聚體甚至低聚物[40]，從而限制了植物細(xì)胞壁的可降解性。另外有研究表明酚酸具有毒性，對微生物的生長有著抑制的作用，尤其是阿魏酸，具有抗菌、抑菌作用。Zemek等[41]報道1.0 mM阿魏酸可抑制厭氧細(xì)菌的生長，同樣阿魏酸和對香豆酸能夠抑制瘤胃中纖維降解菌和瘤胃球菌的纖維降解的活性。不同的研究結(jié)果顯示阿魏酸和香豆酸對微生物抑制作用的大小不同。因此有可能飼料細(xì)胞壁經(jīng)微生物降解而釋放的阿魏酸和對香豆酸對瘤胃微生物菌群組成可能有一定的影響，影響了瘤胃微生物發(fā)酵程度與速度，進(jìn)而影響飼料降解消化速率。

5 木質(zhì)素單體結(jié)構(gòu)對纖維降解的影響

木質(zhì)素是粗飼料中最難被動物消化利用的成分，木質(zhì)素包含愈創(chuàng)木基丙烷(G)、紫丁香基丙烷(S)、對羥基苯基丙烷(H)三種基本單體，這些單體的組成是影響木質(zhì)素降解率的重要因素。根據(jù)Kishimoto 等[42]的報道，S、G 單體的存在均能促成B-O-4 鍵型的生成，隨著S單元增加，B-B鍵型含量增加，B-5和5-5鍵型含量降低，另據(jù)報道，S/G值與番茄、苜蓿、擬南芥的化學(xué)降解率呈負(fù)相關(guān)[43-45]，說明S/G 值可能會通過影響鍵型含量影響飼草降解率，抵抗瘤胃微生物分解的不同鍵型含量發(fā)生變化，木質(zhì)素被瘤胃微生物降解的難易程度也發(fā)生變化，并基于木質(zhì)素的降解，進(jìn)一步影響粗纖維乃至飼草有機(jī)物質(zhì)的降解。也有相關(guān)學(xué)者認(rèn)為由于木質(zhì)素組成隨著飼料細(xì)胞壁的成熟而變化，并且成熟細(xì)胞壁的消化率低于未成熟細(xì)胞壁的消化率，因此認(rèn)為木質(zhì)素組成對壁的消化率是合理的（Jung等，1995）[46]。Argillier等（1996）[47]報道了玉米秸稈的G/S 比和細(xì)胞壁降解性之間的正相關(guān)性。在高羊茅的莖中（Chen 等，2002）[48]，在瘤胃降解性和S 木質(zhì)素含量(r=-0.91)和G/S比(r=0.88)之間發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)烈的相關(guān)性。S 單位百分比與草中細(xì)胞壁消化密切相關(guān)（r=-0.93）（Buxton等，1988）[49]。Jung等（1993）[50]提出，bmr 青貯飼料細(xì)胞壁的消化率提高是木質(zhì)素濃度降低和紫丁香基木質(zhì)素含量降低的結(jié)果。在它們的模型中，紫丁香型木質(zhì)素在結(jié)構(gòu)上更加線性并且進(jìn)一步延伸到次生壁中，從而保護(hù)細(xì)胞壁中更大比例的多糖免于消化。在植物-病原體相互作用中，H和G單位的含量也會有一定程度的增加（Pomar 等，2004）[51]。此外，Grabber等(1997)[52]表明，H、G和S木質(zhì)素對玉米細(xì)胞壁可降解性具有相似的抑制作用。盡管木質(zhì)素中H、G 和S 單元的比例可能不是控制降解性的直接因素，但如果木質(zhì)素的總濃度和分布也降低，則這些單元中一種或多種的沉積減少可以提高降解性（Grabber，2005）[53]。大多數(shù)研究表明，木質(zhì)素濃度是影響飼草消化率的主要因素，木質(zhì)素S/G值是次要因素，兩者同時存在時，木質(zhì)素濃度的影響可能會蓋過S/G值的影響，這可能是對于S/G值的影響產(chǎn)生爭議的原因[54]。

6 小結(jié)

基于植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，我們并不能僅僅通過木質(zhì)素的含量來預(yù)測NDF的降解率，這樣的預(yù)測結(jié)果往往是有誤差的，因為酚酸的結(jié)構(gòu)以及木質(zhì)素單體的構(gòu)成同樣也會影響NDF 的降解率。故今后的研究中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，以期建立相關(guān)的回歸方程，從而促進(jìn)反芻動物營養(yǎng)研究的發(fā)展。目前我國還尚未有較完整的NDF飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如果我能夠準(zhǔn)確的預(yù)測NDF在瘤胃中的降解率，我們就能準(zhǔn)確的計算出NDF 的理想添加量。目前美國CNCPS 體系中用2.4×ADL來估算飼料的難溶性中性洗滌纖維，然而目前的很多研究表明簡單的一元回歸方程與難溶性中性洗滌纖維并沒有很好的相關(guān)性，這可能是由于細(xì)胞壁其它成分也與NDF 的降解率有影響。因此在今后的纖維降解模型的研究中，除木質(zhì)素的含量外，還應(yīng)當(dāng)充分考慮細(xì)胞壁中阿魏酸、對香豆酸以及木質(zhì)素單體（S、G、H）的含量。