多種酶和單種酶對豬日糧纖維水解效率的比較(續(xù)1)

劉文峰 ，楊 洋 譯自 ，2019，Chapter 6

張配配 審

2 阿拉伯木聚糖水解酶

阿拉伯木聚糖是一種雜多糖，其由木糖主鏈與阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖醛酸的側(cè)鏈組成。側(cè)鏈上的一些阿拉伯糖單位會(huì)被香豆酸或阿魏酸酯化，從而使阿拉伯木聚糖與木質(zhì)素連接起來。阿拉伯木聚糖的木質(zhì)化主要發(fā)生在植物細(xì)胞壁上，胚乳中的阿拉伯木聚糖通常不會(huì)木質(zhì)化。木質(zhì)素是微生物酶發(fā)揮水解作用的主要障礙，會(huì)降低阿拉伯木聚糖的可發(fā)酵性。因此，胚乳中未木質(zhì)化的阿拉伯木聚糖比植物細(xì)胞壁中的阿拉伯木聚糖更容易發(fā)酵。

徹底水解阿拉伯木聚糖總共需要9種酶。水解主鏈上木糖單位之間的β-1,4糖苷鍵需要內(nèi)切木聚糖酶。水解側(cè)鏈上的糖苷鍵需要去分支酶(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。在這些酶的作用下，主鏈上的木糖會(huì)生成二聚體或低聚糖，這些成分要水解生成游離的木糖單位還需要β-木聚糖酶。微生物產(chǎn)生的β-木聚糖酶是完成最后水解過程的最有效的酶，因此不需要在日糧中添加此酶。

有別于纖維素水解產(chǎn)生的葡萄糖單位，木糖和阿拉伯糖是組成阿拉伯木聚糖最重要的單糖，屬于戊糖，不能用于豬的能量代謝。豬通過小腸吸收的這些糖不會(huì)影響它的能量狀態(tài)，吸收的木糖和阿拉伯糖主要通過尿液排出體外。因此，在豬小腸產(chǎn)生游離的木糖和阿拉伯糖不是纖維素水解的目的。向豬提供外源性酶的目的是在后腸水解阿拉伯木聚糖中的大量糖苷鍵，促使微生物酶完成水解過程，從而發(fā)酵釋放出來的糖，并產(chǎn)生可以被豬后腸吸收的短鏈脂肪酸。

人們對水解阿拉伯木聚糖的外源性酶的關(guān)注點(diǎn)大多集中在內(nèi)切木聚糖酶上，該酶可水解木糖主鏈上的一些糖苷鍵并生成供微生物發(fā)酵的更小的低聚糖。然而，微生物通常很少能夠分泌足夠數(shù)量的阿拉伯呋喃糖苷酶，此酶是水解側(cè)鏈上兩個(gè)阿拉伯糖單位之間的糖苷鍵所必需的。因此，營養(yǎng)師有必要在飼料中補(bǔ)充呋喃糖苷酶，以此作為豬的外源性酶來協(xié)助阿拉伯木聚糖的水解。豬的腸道微生物能夠大量表達(dá)阿拉伯木聚糖-阿拉伯呋喃糖苷水解酶(arabinoxylan arabinofurano-hydrogase)，該酶可水解主鏈上木糖與側(cè)鏈第一個(gè)阿拉伯糖單位之間的糖苷鍵，但這種酶僅在側(cè)鏈上只有一個(gè)阿拉伯糖單位時(shí)才有效。因此，如欲水解側(cè)鏈上相鄰阿拉伯糖單位之間的鍵需要給豬補(bǔ)充外源性阿拉伯呋喃糖苷酶，此酶發(fā)揮水解作用后，可以得到側(cè)鏈上只有一個(gè)阿拉伯糖單位的中間產(chǎn)物，微生物阿拉伯木聚糖-阿拉伯呋喃水解苷酶(arabinoxylan arabinofurano-hydrolase)才會(huì)水解阿拉伯糖和木糖之間的糖苷鍵。因此，阿拉伯呋喃糖苷酶對阿拉伯木聚糖的完全發(fā)酵至關(guān)重要。

香豆酰基酯酶和阿魏酸酯酶的作用尤為重要，因?yàn)檫@兩種酶能夠各自水解阿拉伯糖側(cè)鏈與香豆酸和阿魏酸之間的糖苷鍵。這兩種酚酸(指香豆酸和阿魏酸)都可以使側(cè)鏈與木質(zhì)素相連接，但是木質(zhì)素會(huì)阻礙纖維的發(fā)酵，因此只有在去木質(zhì)化后，阿拉伯木聚糖才能被完全水解。此外，香豆酸和阿魏酸可減弱內(nèi)切葡聚糖酶(endo-glucanases)的作用，從而影響微生物發(fā)酵纖維素。豬腸道中的微生物不能分泌阿拉伯木聚糖去木質(zhì)化所需的這兩種酯酶。因此，要促進(jìn)阿拉伯木聚糖的發(fā)酵需要給豬補(bǔ)充外源性香豆?；ッ负桶⑽核狨ッ?，并且這些酶必須能夠使木質(zhì)素與側(cè)鏈上的阿拉伯糖單位分開。

3 豬日糧中添加多種酶的影響

非淀粉多糖水解酶(Non-Starch Polysaccharide Degrading Enzyme，NSPase)的作用是降低動(dòng)物腸道內(nèi)容物的黏度，水解植物細(xì)胞壁，并產(chǎn)生具有益生元特性的低聚物。然而，支持這些結(jié)論的數(shù)據(jù)大多來自對家禽的研究，由于腸道內(nèi)容物黏度的降低不會(huì)影響豬對日糧中能量或營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收，因此NSPase的黏度效應(yīng)對豬的意義并不大。給豬飼喂添加了NSPase的日糧后可以提高其生產(chǎn)性能的兩個(gè)最合理的理由是植物細(xì)胞壁的水解和益生元的產(chǎn)生。De Maeschalck等和Morgan等在肉雞上證實(shí)了NSPase的益生元效應(yīng)，但目前根據(jù)豬的研究結(jié)果撰寫的同行評(píng)議論文還沒有明確報(bào)道纖維水解酶會(huì)產(chǎn)生益生元效應(yīng)。理論上水解豬腸道中的纖維素和阿拉伯木聚糖需要多種酶的參與，因此要顯著提高豬的能量消化率很可能需要在日糧中添加多種酶。然而，據(jù)這些研究所知，目前還沒有關(guān)于提高纖維素水解需要4種酶的研究報(bào)告。這是非常遺憾的，因?yàn)閾?jù)預(yù)測在豬的小腸中水解纖維素帶來的能量益處將大于在后腸中水解阿拉伯木聚糖產(chǎn)生的好處，這僅僅是因?yàn)榕c阿拉伯糖和木糖在大腸中發(fā)酵所產(chǎn)生的能量相比，小腸吸收葡萄糖后能夠獲得更多的能量。目前尚不清楚缺乏此類同行評(píng)議論文是否是因?yàn)樵谪i的日糧中添加纖維素水解酶后難以獲得積極的反應(yīng)還是因?yàn)殡y以生產(chǎn)此類酶。但可以預(yù)測，纖維素在豬小腸中發(fā)生的任何水解反應(yīng)都會(huì)提高日糧的能量水平。

多篇論文報(bào)告了旨在探討用多種酶來提高阿拉伯木聚糖水解水平的研究結(jié)果。在在僅向日糧中添加木聚糖酶的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)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樣有活性。事實(shí)上，人們普遍認(rèn)為飼料行業(yè)可以購買到的純化酶品種只是極少數(shù)，并且在出售的酶中大多數(shù)被認(rèn)為具有一些酶制造商可能已經(jīng)知道或還不了解的副作用。除了內(nèi)切木聚糖酶外，阿拉伯呋喃糖苷酶也可以提高家禽的生產(chǎn)性能。在最近以豬為研究對象所獲得研究結(jié)果進(jìn)行的一項(xiàng)薈萃分析(meta-analysis)中，分析人員推斷，在日糧中添加木聚糖內(nèi)切酶并沒有提高能量的表觀總腸道消化率，但如果添加糖酶(carbohydrases)復(fù)合物，能量消化率的提高雖然很小但仍很有意義。該項(xiàng)薈萃分析的結(jié)果以及其他試驗(yàn)的結(jié)果均支持了一個(gè)假設(shè)，即要提高纖維素的消化水平需要在日糧中添加多種酶。然而，Agyekum等、Gdala等和Susenbeth在日糧中添加多種酶時(shí)未觀察到積極效果。不同的研究得到不同的結(jié)果也并不奇怪，因?yàn)椴煌芯克玫拿钢苿?、試?yàn)豬的狀態(tài)和飼料的生產(chǎn)工藝存在差異。明確所使用的谷物或谷物副產(chǎn)品也很重要，因?yàn)橥环N酶或同一種酶復(fù)合物加入不同的谷物型日糧會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)。品質(zhì)不同的同一種谷物或同一種谷物的不同品種對NSPase的反應(yīng)也可能不同。同一種酶的不同家族也有可能會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)，正如第10家族的木聚糖酶與第11家族的木聚糖酶產(chǎn)生不同的反應(yīng)一樣。因此，許多因素會(huì)影響酶對豬日糧的作用，但目前尚不清楚這些因素如何影響酶的水解作用。盡管許多研究觀察到了在豬日糧中添加單種內(nèi)切木聚糖酶的有益效果，但如果添加了多種酶，很可能會(huì)觀察到更佳的有益效果。至少在理論上，阿拉伯木聚糖的水解需要用到豬的后腸中微生物不能產(chǎn)生的多種酶，一些體內(nèi)研究的結(jié)果支持這一觀點(diǎn)。

4 結(jié)論

谷物及其副產(chǎn)品中所含的兩種最重要的纖維成分是阿拉伯木聚糖和纖維素，而纖維素和果膠類多糖是餅粕中的主要纖維成分。在豬日糧中，由于谷物及其副產(chǎn)品的含量大于餅粕的含量，因而豬日糧中的纖維成分主要來自所用的谷物及其副產(chǎn)品。要提高豬日糧中纖維的能量貢獻(xiàn)量，提高纖維素和(或)阿拉伯木聚糖的水解效率非常必要。這可以通過在豬日糧中添加飼用酶來實(shí)現(xiàn)，但對于纖維素和阿拉伯木聚糖來說，要顯著提高纖維的能量貢獻(xiàn)量可能需要添加多種酶。目前大多數(shù)研究集中在開發(fā)能夠水解阿拉伯木聚糖的酶上，但要顯著提高纖維素的水解效率可能需要在日糧中同時(shí)添加內(nèi)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，纖維素在豬小腸中水解后對豬的能量貢獻(xiàn)量大于阿拉伯木聚糖在豬后腸中水解后的能量貢獻(xiàn)量。因此，如果我們能夠成功地開發(fā)出可以在豬小腸中水解纖維素的酶，這很可能會(huì)提高纖維素對豬的能量貢獻(xiàn)量。眾所周知，即使是反芻動(dòng)物，其對纖維素的水解效率也很低，因此找到能夠在單胃動(dòng)物的腸道中水解纖維素的外源性酶將面臨巨大的挑戰(zhàn)。

(續(xù)完)

參考文獻(xiàn)：37篇，略

原 題 名：Multi vs single application of enzymes to degrade fibre in diets for pigs(英文)

原作者：H.H. Stein(美國伊利諾伊大學(xué))