碳水化合物酶的最新研究進(jìn)展：——對家禽生長性能和腸道健康的影響(續(xù)1)

王晶晶 譯自，5(2019)：e01437

唐彩琰 審 羅靜如 制圖表

3 碳水化合物酶和家禽的生長性能

碳水化合物酶/飼用酶在家禽日糧中的商業(yè)性應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代末至90年代初，它們可以改善墊料的含水量、含高水平纖維日糧引起的消化和表觀代謝能問題。人們利用這些酶來平衡非淀粉多糖(Non-starch Polysaccharides，NSP)對家禽腸道健康/生產(chǎn)性能的不利影響。先前的多項(xiàng)研究表明，真菌和細(xì)菌分泌的酶能夠有效降解以小麥、大麥、黑麥或燕麥為主要組成成分的日糧中的β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖。

外源性飼用酶的選擇是一項(xiàng)重要的工作，主要取決于日糧所用的飼料原料類型。Abdel-Hafeez等指出，與對照組日糧相比，在含馬鈴薯皮和甜菜漿的日糧中添加酶可改善肉雞的增重、采食量和飼料轉(zhuǎn)化率。Cardoso等報道，給家禽補(bǔ)充外源性酶可以改善提取物黏度高和內(nèi)源性木聚糖內(nèi)切酶活性低的小麥型日糧的營養(yǎng)價值。Yildiz等證明無論日糧中干酒糟及其可溶物(Distillers Dried Grains with Solubles，DDGS)的添加量有多少，以木聚糖酶為主的酶制劑可以提高產(chǎn)蛋母雞的產(chǎn)蛋量，降低腸道食糜的黏度。表1列出了有關(guān)外源性飼用酶的使用、添加量及其對各種飼料原料影響的其他最新研究結(jié)果。

木聚糖酶(半纖維素酶)和β-葡聚糖酶(纖維素酶)通常用于降解家禽飼料中的阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖等非淀粉多糖。研究表明，在小麥型日糧或大麥型日糧中添加木聚糖酶和β-葡聚糖酶，可使家禽腸道中食糜的黏度分別降低30%～50%和300%。腸道食糜黏度的下降可改善蛋白質(zhì)的消化率、表觀代謝能消化率、采食量、增重和飼料轉(zhuǎn)化率。商用酶制劑中的木聚糖酶通常來自細(xì)菌和真菌，如芽孢桿菌屬細(xì)菌和里氏木霉等。

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木聚糖酶可隨機(jī)分解阿拉伯木聚糖的主鏈，形成支鏈低聚木糖。支鏈低聚木糖隨后會被乳酸桿菌和雙歧桿菌等有益菌水解，進(jìn)而增加這些有益菌的數(shù)量，減少產(chǎn)氣莢膜梭菌等致病菌的數(shù)量。木聚糖酶還可以通過加快食糜的排空速度和提高營養(yǎng)物的消化率來抑制小腸中發(fā)酵微生物的增殖。因此，可以通過減少宿主和腸道菌群之間的競爭性來提高營養(yǎng)物質(zhì)的利用率。研究還發(fā)現(xiàn)，木聚糖酶使玉米型日糧中氨基酸的總回腸表觀消化率提高15%，使小麥型日糧和黑麥型日糧中氨基酸的總回腸表觀消化率分別提高16%和30%

添加外源性飼用酶還可以提高肉雞對玉米-豆粕型日糧中氨基酸的回腸表觀消化率。另一方面，纖維素酶是由自然界中的各種微生物(包括細(xì)菌、某些真菌和放線菌)產(chǎn)生的。纖維素酶由多種單酶組成，如內(nèi)切葡聚糖酶(EC 3.2.1.4)、外切葡聚糖酶(EC 3.2.1.74)和β-葡糖苷酶(EC 3.2.1.21)等。末端葡聚糖酶作用于纖維素鏈的末端，釋放出終產(chǎn)物β-纖維二糖。外切葡聚糖酶會隨機(jī)分解葡聚糖內(nèi)的O-糖苷鍵，產(chǎn)生長度各異的葡聚糖鏈。β-糖苷酶專門作用于β-纖維二糖，產(chǎn)生葡萄糖。

除了已經(jīng)報道的外源性飼用酶的積極作用外，酶在某些情況下不能改善家禽的生產(chǎn)性能。Mohammed等證明，在日糧中添加酶不會影響肉雞的生產(chǎn)性能(生長性能、胴體特性和肉質(zhì))。Olgun等證明，酶不能有效阻止小麥對家禽生產(chǎn)性能和蛋殼質(zhì)量的不良影響。同樣，Walters等證明，酶和玉米篩屑并不會影響家禽的最終生產(chǎn)性能。這一結(jié)果可能是由飼料中NSP的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化或酶無效所致。由于NSP的化學(xué)組成不一致，它們的性質(zhì)也因飼料不同而有所差異。在一種飼料中能提高相關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)消化率的酶在另一種飼料中可能無法產(chǎn)生相同的有益作用。因此，我們需要一種可以對多種底物產(chǎn)生有益影響的新型酶。

4 新一代飼用酶

Cozannet等首次使用了新一代飼用酶(碳水化合物酶)這一術(shù)語。這些酶具有獨(dú)特的熱穩(wěn)定性，活性高且pH適用范圍廣，能夠提高多種營養(yǎng)物質(zhì)的消化率。Cozannet等還指出，使用富含木聚糖酶和阿拉伯呋喃糖酶的新一代碳水化合物酶可以提高肉雞對飼料的總消化率。事實(shí)上，木聚糖內(nèi)切酶通過水解木聚糖骨架來降解阿拉伯木聚糖鏈。但是，多重阿拉伯糖會降低木聚糖酶的效率，尤其是在玉米和相關(guān)的副產(chǎn)品中。

De La Mare等證實(shí)阿拉伯呋喃糖酶可以從木糖主鏈上裂解阿拉伯糖，并影響木聚糖內(nèi)切酶的活性。因此，在酶制劑中添加脫支酶是一種提高酶總體消化效率的有效方法。最近，Cowieson和Kluenter還報道了新一代碳水化合物酶在不使用抗生素生長促進(jìn)劑的家禽生產(chǎn)中的作用。這可能是由于日糧的消化轉(zhuǎn)移到腸道內(nèi)段(interior intestinal segment)，“ 餓死”了后段腸道中的微生物，纖維原料產(chǎn)生的可發(fā)酵寡糖對腸腔內(nèi)容物的pH和腸上皮細(xì)胞增殖產(chǎn)生了有益的影響。同樣，Askelson等證明直飼型微生物和外源性酶可提高家禽的生長性能，是抗生素生長促進(jìn)劑的重要潛在替代品。

在開發(fā)新一代碳水化合物酶之前，相關(guān)人員需要充分了解家禽的營養(yǎng)需求，掌握先進(jìn)的生物技術(shù)和原料快速分析方法以及劑量優(yōu)化技術(shù)，以便在體外和體內(nèi)條件下取得更好的效果。

5 碳水化合物酶和家禽的腸道健康

家禽腸道健康的含義非常廣泛，取決于人們對日糧、腸道形態(tài)和腸道菌群的了解程度(圖2a)。所有這些因素相互作用，以保持胃腸道功能的正常和動態(tài)平衡。時下生產(chǎn)者關(guān)注的重點(diǎn)是配制成本低且營養(yǎng)均衡的家禽日糧。腸道形態(tài)在使胃腸道保持良好的功能上起著重要的作用，因?yàn)闋I養(yǎng)物質(zhì)需要通過胃腸道從腸腔轉(zhuǎn)運(yùn)到機(jī)體的循環(huán)系統(tǒng)中。腸道的主要屏障是黏液層和上皮組織間的緊密連接，如圖2b所示。腸道形態(tài)(絨毛高度、隱窩深度和腸道上皮周轉(zhuǎn)率)會受外源性因素的影響而發(fā)生變化，如腸道中是否存在飼料和致病性因子。

隱窩越深表明腸道組織更新越快，因?yàn)樗鼈兒懈杉?xì)胞，并且是絨毛生成的場所。腸黏蛋白或黏液是杯狀細(xì)胞分泌的高分子量糖蛋白。Smirnov等發(fā)現(xiàn)黏蛋白2在雞結(jié)腸和小腸的杯狀細(xì)胞中廣泛表達(dá)。Tanabe等證明，NSP可以增加黏蛋白的分泌量，如圖2c所示。因此，NSP可通過其在腸道中的理化作用降低營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。胃腸道菌群主要由細(xì)菌組成，另外還含有少量的真菌和原生動物。食糜的化學(xué)組成可以改變胃腸道中微生物的組成，因?yàn)椴煌哪c道菌群需要不同的生長條件，對底物的偏好也不同。Langhout研究發(fā)現(xiàn)，日糧中的NSP可以顯著減少腸道中有益菌的數(shù)量，同時增加致病菌的數(shù)量。家禽飼喂含高水平纖維的日糧后，未消化或未被吸收的營養(yǎng)物質(zhì)會改變腸道中微生物種群的組成。

外源性飼用酶可以改善小腸的消化率，減少大腸中腐敗菌和淀粉分解菌的底物供應(yīng)量。這些外源性飼用酶可通過降低腸道中食糜的黏度有助于動物機(jī)體預(yù)防疾病，如圖2d所示。在大麥型日糧、小麥型日糧、燕麥型日糧或黑麥型日糧中添加木聚糖酶和葡聚糖酶，可顯著提高家禽盲腸中丁酸鹽和乙酸鹽的濃度，但在以無殼的大麥或燕麥為主要基礎(chǔ)成分的日糧中添加上述酶則不會出現(xiàn)這種效果。

外源性飼用酶對NSP的降解和增溶作用可以增加盲腸中微生物發(fā)酵所需底物(寡糖或單糖)的數(shù)量，降低回腸中揮發(fā)性脂肪酸或短鏈脂肪酸的產(chǎn)量，這表明回腸中食糜的發(fā)酵減少，而盲腸中食糜的發(fā)酵明顯增多。盲腸中食糜發(fā)酵的增多會大量增加低聚木糖的數(shù)量，后者通過難消化的底物生成揮發(fā)性脂肪酸或短鏈脂肪酸和能量，通常會使腸道微生物群(如乳酸菌)更健康。因此，添加了外源性飼用酶的NSP組分是另一個潛在的能量儲存庫，如果可以發(fā)酵的話，可提高肉雞的生產(chǎn)性能。雖然給7日齡肉雞飼喂添加木聚糖酶的小麥型日糧或黑麥型日糧后顯著減少了黏附在腸道黏膜上的乳酸菌數(shù)量，但給大齡雞飼喂相同的日糧后并未觀察到類似的結(jié)果，可能是因?yàn)殡S著年齡的增長肉雞對淀粉的消化能力增強(qiáng)。同樣，聚合度小于10的阿拉伯低聚糖也被認(rèn)為是益生元化合物，它們未經(jīng)消化就通過小腸，在大腸中發(fā)酵并促進(jìn)腸道中有益菌(如產(chǎn)生丁酸鹽的細(xì)菌)的生長。

總之，具有適當(dāng)?shù)孜锘钚?、高效、熱穩(wěn)定和pH耐受性的新一代碳水化合物酶對改善家禽的生長來說是必需的。

6 結(jié)論

日糧含有高水平可溶性NSP會增加家禽腸道中食糜的黏度，影響營養(yǎng)物質(zhì)的消化，影響家禽的健康和生產(chǎn)性能。新一代碳水化合物酶有助于家禽消化不同種類的日糧纖維，從而降低腸道中食糜的黏度和宿主與小腸微生物群對短鏈脂肪酸的競爭性，提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化率。這還可減少腸道中病原微生物的數(shù)量，提高腸道健康。