碳水化合物酶組方優(yōu)化與豬飼料的精準(zhǔn)高效利用

鐘儒清 ，白國松 ，孫 越 ，陳 亮

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；2.北京市畜牧總站，北京 100020）

前言

“豬糧安天下”。國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2021年我國豬肉產(chǎn)量達(dá)到5 296萬噸，占到世界豬肉總產(chǎn)量的近50%。同年我國糧食總供給量為8.7億噸，包括進(jìn)口1.65億噸，對外依存度達(dá)到新高。而養(yǎng)殖業(yè)飼料的消耗總量約為4.5億噸（豬飼料的消耗量超過了2億噸），占我國糧食總供給量的51.7%（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部，2021），“人畜爭糧”矛盾加劇，嚴(yán)重影響到國家糧食安全。因此，充分發(fā)揮我國非糧型飼料資源來源廣、種類多、總量大的優(yōu)勢，利用或者開發(fā)多種技術(shù)方案，提高其在生豬養(yǎng)殖上的利用效率，是解決“人畜爭糧”矛盾的重要研究方向。

酶制劑具有催化效率高和高度專一性的特性，且作用條件溫和，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于飼料養(yǎng)殖行業(yè)。除可提高生豬養(yǎng)分消化率，改善生產(chǎn)性能外，還在減少氮磷排放、替抗減抗、調(diào)控腸道健康等方面得到拓展應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，2020年我國飼用酶總產(chǎn)量約為6.3萬噸，其中植酸酶占比超過30%，已經(jīng)成為豬禽飼料中的常規(guī)添加劑。碳水化合物酶是可以催化降低聚合碳水化合物分子量的一類酶的總稱，也是除植酸酶外，在豬飼料中第二普遍使用的一類酶制劑。特別是在非糧飼料的高值化利用過程中，碳水化合物酶通常被用于降低非糧飼料中非淀粉多糖（NSP）等抗?fàn)I養(yǎng)因子的負(fù)面作用，提升生豬的生長和健康水平。但是碳水化合物酶種類多樣，功能機(jī)制各不相同，如何科學(xué)精準(zhǔn)地使用碳水化合物酶，成為近年來的研究熱點(diǎn)。

1 常見碳水化合物酶及功能

碳水化合物是多羥基的醛、酮或者其簡單衍生物以及能水解產(chǎn)生上述產(chǎn)物的化學(xué)物質(zhì)的總稱，又可細(xì)分為單糖、低聚糖或者寡糖、多聚糖、木質(zhì)素等其他化合物四大類。在飼料生產(chǎn)與養(yǎng)殖行業(yè)，飼用碳水化合物酶通常被用于將飼料中高分子量的多聚糖降解為分子量較低的低聚糖或者單糖，根據(jù)其催化底物的不同，可以分為木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纖維素酶、甘露聚糖酶、果膠酶、淀粉酶等多種常見酶類，以下列舉介紹部分常見碳水化合物酶。

1.1 木聚糖酶

木聚糖是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的主要成分，可以占到植物細(xì)胞干重的15%~35%，經(jīng)過部分降解可以形成低聚木糖，徹底降解則可以得到木糖、阿拉伯糖等。木聚糖酶最初是從臭曲霉真菌中分離出來的，是在畜禽生產(chǎn)中使用最廣泛的一組飼用碳水化合物酶，主要由β-1，4-內(nèi)切木聚糖酶、β-木糖苷酶、α-L-阿拉伯糖苷酶、α-D-葡糖苷酸酶、乙?；揪厶敲傅冉M成。木聚糖酶主要通過內(nèi)切水解木聚糖主鏈上β-1，4-D-吡喃木糖苷鍵破壞木聚糖的大分子結(jié)構(gòu)，而后經(jīng)過多個(gè)酶種的協(xié)同作用，降解為低聚糖或者單糖形式，以減輕木聚糖的抗?fàn)I養(yǎng)作用。

1.2 β-葡聚糖酶

β-葡聚糖酶是另一類在豬飼料與養(yǎng)殖行業(yè)廣泛使用的水解酶類。β-葡聚糖是指由β-葡萄糖通過β-1，3-糖苷鍵、β-1，4-糖苷鍵或β-1，6-糖苷鍵聚合形成的多聚糖，是組成植物細(xì)胞壁的成分之一，在小麥、大麥、燕麥等谷物中含量尤其豐富。β-葡聚糖酶可以專一作用于β-葡聚糖的1，3及1，4糖苷鍵，在內(nèi)切β-葡聚糖酶和外切β-葡聚糖酶兩種形式的酶共同作用下，將β-葡萄糖水解為低聚糖及葡萄糖，以降低其抗?fàn)I養(yǎng)特性，提高豬的生長速度和飼料轉(zhuǎn)化效率。

1.3 纖維素酶

纖維素是自然界含量最多、分布最廣的一種多糖碳水化合物，由幾百至上萬個(gè)D-葡萄糖通過β-1，4-糖苷鍵連接組成，是組成植物細(xì)胞壁的主要成分。纖維素酶是一類能夠?qū)⒗w維素水解為單個(gè)葡萄糖的酶的總稱，按照功能可以分為葡聚糖內(nèi)切酶、葡聚糖外切酶和β-葡聚糖苷酶等，不同酶系相互協(xié)同才能將纖維素完全分解。首先是葡聚糖內(nèi)切酶作用于纖維素的非結(jié)晶區(qū)，暴露出游離末端；隨后由外切酶從多糖鏈的非還原末端，水解下二糖單位；最后由β-葡聚糖苷酶將其進(jìn)一步分解成單個(gè)葡萄糖，以降低纖維素的抗?fàn)I養(yǎng)負(fù)面作用。

1.4 果膠酶

果膠是一類主要由D-半乳糖醛酸以α-1，4-糖苷鍵連接聚合的酸性雜多糖，其廣泛存在于植物細(xì)胞壁的初生壁和細(xì)胞中間片層中，既能連接相鄰細(xì)胞使他們形成一個(gè)整體，又有緩沖作用，不阻礙細(xì)胞生長。果膠酶是一類能夠分解果膠的酶的統(tǒng)稱，根據(jù)作用方式的差異，可以細(xì)分為果膠酯酶、果膠酶和原果膠酶。原果膠酶可以切斷聚甲氧基半乳糖醛酸和阿拉伯糖之間的化學(xué)鍵，水解不溶性原果膠為水溶性果膠；果膠酯酶能夠分解甲氧基與半乳糖醛酸之間的酯鍵，將水溶性果膠水解為半乳糖醛酸和甲醇。通過以上作用方式，果膠酶可以促進(jìn)植物細(xì)胞內(nèi)容物徹底暴露出來，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)得到進(jìn)一步釋放。

1.5 淀粉酶

淀粉是以α-D-吡喃葡萄糖為基本結(jié)構(gòu)，聚合而成的高分子碳水化合物，是綠色植物貯存能量的一種方式，也是人類飲食中最常見的碳水化合物。淀粉可以分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩類，直鏈淀粉由葡萄糖單元以α-1，4-糖苷鍵連接聚合而成；支鏈淀粉則是在分支位置通過α-1，6-糖苷鍵連接，其余也是通過α-1，4糖苷鍵連接。淀粉酶是作用于各種淀粉糖苷鍵的一類酶的總稱，主要包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶、支鏈淀粉酶、異淀粉酶等等。其中α-淀粉酶屬于內(nèi)切型糖苷酶，主要水解直鏈淀粉或支鏈淀粉直鏈部分的α-1，4-糖苷鍵；β-淀粉酶屬于外切型糖苷酶，主要作用于支鏈淀粉分支部分的β-1，6-糖苷鍵；糖化酶也屬于外切型糖苷酶，可以水解α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵。淀粉酶常報(bào)道用于仔豬和家禽上，以補(bǔ)充內(nèi)源淀粉酶分泌不足。

2 復(fù)合碳水化合物酶的優(yōu)化及在豬飼料中的應(yīng)用

2.1 復(fù)合碳水化合物酶

自20世紀(jì)90年代開始，我國飼用酶制劑行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在豬飼料中的廣泛應(yīng)用。各飼料生產(chǎn)與養(yǎng)殖企業(yè)也從最初簡單粗糙地添加某一單品類酶制劑，逐步進(jìn)步到將多個(gè)單酶制劑混合設(shè)計(jì)，以更能充分全面地提高飼料利用效率，促進(jìn)飼料降本增效。而在豬養(yǎng)殖實(shí)踐中，添加復(fù)合碳水化合物酶的效果也毫無疑問地優(yōu)于單個(gè)酶的添加。近年來諸多研究報(bào)道證明，除了顯著提高生長性能和養(yǎng)分消化率外，復(fù)合碳水化合物酶還在提升豬腸道有益菌、維護(hù)腸道健康和減少CO2等有害氣體排放上發(fā)揮著重要作用（表1）。

表1 外源復(fù)合碳水化合物酶在生豬生產(chǎn)上的研究進(jìn)展

2.2 碳水化合物酶的組合優(yōu)化方法

在生豬養(yǎng)殖中，使用復(fù)合碳水化合物酶的效果，要明顯優(yōu)于單個(gè)酶添加已經(jīng)成為行業(yè)的共識。而如何根據(jù)不同類型單酶的作用效果，結(jié)合豬不同生理階段特點(diǎn)、飼料原料特征、飼料加工工藝等方面的影響，合理搭配獲得最優(yōu)的效果及最佳的經(jīng)濟(jì)效益，特別是實(shí)現(xiàn)非糧型飼料的高效精準(zhǔn)利用，已成為許多研究者關(guān)注的要點(diǎn)。

2.2.1 基于酶活測定的組合設(shè)計(jì)

在動(dòng)物營養(yǎng)領(lǐng)域規(guī)定：在特定條件下（特定溫度、pH和底物），單位時(shí)間內(nèi)將一定量的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶的量即為酶單位（U）。而酶的含量則用單位重量或者單位體積的酶制劑含有多少酶單位來表示（U/g或U/mL）即酶活。碳水化合物酶組合設(shè)計(jì)最簡單的方法，就是根據(jù)前期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或者已經(jīng)設(shè)計(jì)好的成熟酶譜，按照生產(chǎn)廠家提供的酶活或者按照標(biāo)準(zhǔn)方法測定的酶活進(jìn)行搭配，從而獲得需要的組合酶產(chǎn)品。但是該方法忽略了不同來源酶、不同酶活測定方法、不同飼料原料類型、不同動(dòng)物生理階段等，對酶組合優(yōu)化效果的影響。

2.2.2 基于豬動(dòng)物試驗(yàn)的組合設(shè)計(jì)

任何優(yōu)化的碳水化合物酶組合，都必須要在豬飼養(yǎng)實(shí)踐中驗(yàn)證其作用效果。因此，采用豬動(dòng)物試驗(yàn)法篩選最優(yōu)的碳水化合物酶組合，能更加真實(shí)地反映飼用酶制劑的營養(yǎng)價(jià)值，也是目前使用最為廣泛的組合設(shè)計(jì)方法。豬動(dòng)物試驗(yàn)一般通過消化代謝試驗(yàn)中養(yǎng)分消化率、消化和代謝能值等指標(biāo)，以及生長試驗(yàn)的日增重、采食量、料重比等指標(biāo)參數(shù)，協(xié)助碳水化合物酶的組合設(shè)計(jì)。但是因?yàn)閱我幻傅姆N類繁多，且需要設(shè)置較多個(gè)添加梯度，豬的不同生理階段消化能力差異較大，且飼料原料變化多樣等原因，使豬動(dòng)物試驗(yàn)法工作任務(wù)繁重、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高昂。同時(shí)，在豬動(dòng)物試驗(yàn)中因?yàn)樨i個(gè)體差異性較大引起的誤差，容易掩蓋碳水化合物酶組合對生長性能和養(yǎng)分消化率帶來的提升效果。

2.2.3 基于體外消化法的組合設(shè)計(jì)

體外消化方法通過模擬豬的消化道生理，在飼料生物學(xué)效價(jià)評定上與動(dòng)物試驗(yàn)法有較強(qiáng)的相關(guān)性，可以用于最佳外源酶組合的設(shè)計(jì)篩選，解決了動(dòng)物試驗(yàn)成本高昂、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的難題，具有操作簡單、經(jīng)濟(jì)快速、重復(fù)性好、可以大批量操作、易于標(biāo)準(zhǔn)化等等優(yōu)點(diǎn)。自20世紀(jì)50年代以來，各國學(xué)者探索建立了一步法（單酶法）、兩步法（胃蛋白酶-胰液酶法、胃蛋白酶-豬小腸液酶法）和三步法（胃蛋白酶-胰液酶-瘤胃液酶法、胃蛋白酶-胰液酶-糞提取液酶法和胃蛋白酶-胰液酶-復(fù)合纖維素酶法）等體外消化方法。動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，通過前期建立的豬禽飼糧生物學(xué)效價(jià)仿生評價(jià)方法，采用二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立了6種碳水化合物酶和飼糧體外消化率的回歸關(guān)系，優(yōu)化篩選出了基于玉米-豆粕型飼糧、玉米-DDGS型飼糧、玉米-雜粕型飼糧和小麥-豆粕型飼糧的豬碳水化合物酶組方，在豬動(dòng)物試驗(yàn)中具有較好驗(yàn)證效果。

3 碳水化合物酶精準(zhǔn)高效組合施用面臨的挑戰(zhàn)

近年來已經(jīng)有越來越多的豬碳水化合物酶組方優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，但是當(dāng)前飼用酶界關(guān)于酶制劑效果評定，和最優(yōu)組合酶篩選仍然沒有統(tǒng)一的方法標(biāo)準(zhǔn)。碳水化合物酶精準(zhǔn)高效組合施用，仍然面臨著酶制劑活性測定標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，飼料原料類型龐雜多樣，豬不同生理階段消化特征與外源酶制劑效果的耦合關(guān)系，酶制劑的加工穩(wěn)定性等諸多挑戰(zhàn)。

3.1 飼用碳水化合物酶活力測定方法

經(jīng)過長期科研攻關(guān)，我國科研工作者已經(jīng)制訂了包括木聚糖酶、纖維素酶、β-葡聚糖酶在內(nèi)的外源酶活力測定國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另外有許多科研、企業(yè)、事業(yè)單位為了科研和生產(chǎn)目的，制定了諸多其他酶制劑活力測定方法。但是因?yàn)椴煌庠疵傅膩碓床煌?，將直接影響酶制劑的最佳反?yīng)溫度、pH和對底物的親和性，這也導(dǎo)致不同來源酶用不同方法測值各有不同。更有不少酶制劑生產(chǎn)企業(yè)為了宣傳目的，專門制定符合自身利益的外源酶活力測定方法，而實(shí)際使用效果并不一致。為此，外源酶制劑活力評價(jià)方法的不統(tǒng)一，大大限制了不同碳水化合物酶產(chǎn)品的優(yōu)化組合設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。

3.2 豬不同生理階段的消化特性

通常認(rèn)為豬比家禽的消化道長，對營養(yǎng)物質(zhì)的消化更加徹底，外源碳水化合物酶制劑對營養(yǎng)物質(zhì)消化率的改善作用效果有限。另外，不同生理階段豬的消化道長度、容積與微生物區(qū)系不同，消化酶分泌能力不同，消化液生理參數(shù)不同，對不同類型飼糧的消化能力也存在差異，因此在不同生理階段使用外源碳水化合物酶制劑起到的效果也就千差萬別。仔豬階段因其消化器官和內(nèi)在生理環(huán)境發(fā)育不完全，對飼糧的利用率有限，更需要補(bǔ)飼碳水化合物酶等外源酶制劑。對于處于亞健康和生理應(yīng)激階段的豬只，使用外源酶制劑也有助于提高豬對飼糧養(yǎng)分的消化吸收能力，進(jìn)而改善豬的健康狀態(tài)。

3.3 飼料原料龐雜多樣

當(dāng)前，為解決“人畜爭糧”矛盾，保障國家糧食安全，大量非糧飼料原料被用于養(yǎng)豬生產(chǎn)中。但是，我國非糧飼料原料來源廣泛、種類繁多、貯存加工方式多樣，還具有明顯的區(qū)域性、季節(jié)性、周期性。而外源酶制劑確具有專一性的特點(diǎn)，不同飼料原料營養(yǎng)成分和化學(xué)結(jié)構(gòu)上的差異，都會(huì)使碳水化合物組合酶的利用效果大打折扣。

3.4 碳水化合物酶自身的加工穩(wěn)定性

外源碳水化合物酶制劑的本質(zhì)仍是蛋白質(zhì)，任何影響蛋白質(zhì)活性的因素都會(huì)影響酶制劑的活性。在進(jìn)入到豬消化道前，外源酶制劑在保存或者飼料加工過程中，溫度、空氣、光照等因素都可能導(dǎo)致碳水化合物酶制劑酶活降低。外源酶制劑包括固體型、液體型、顆粒型等不同劑型對使用效果也存在影響，通常粉狀劑型的酶制劑抗逆性差，更容易受到飼糧中微量元素、酸化劑等成分的頡頏，也更容易被飼料制粒過程中高溫所破壞。酶制劑進(jìn)入到豬消化道內(nèi)，會(huì)受到豬消化道內(nèi)胃蛋白酶、胰蛋白酶等的影響，削弱外源酶制劑的效果。此外，不同類型外源酶制劑之間還存在不同類型的互作或頡頏效應(yīng)，因此需要充分考慮不同外源酶制劑的合理搭配，才能獲得最佳的使用效果。

4 小結(jié)

目前，我國飼料用酶制劑的普及率在60%以上，若按照完全普及并可提高5%~25%的利用率計(jì)算，每年可再節(jié)約糧食900萬~4 500萬噸，同時(shí)還有助于非糧飼料原料的廣泛高效利用，將大大緩解“人畜爭糧”矛盾，保障國家糧食安全。當(dāng)前，特別是在我國碳水化合物酶組方優(yōu)化，與豬非糧飼料的精準(zhǔn)高效利用方向，還有很大的探索空間：1）迫切需要開發(fā)一種精準(zhǔn)評估酶制劑效果的統(tǒng)一方法或者酶活力單位，真正解決酶制劑添加量和組方設(shè)計(jì)上的盲目性；2）對不同來源非糧飼料原料展開更加廣泛的營養(yǎng)成分分析和養(yǎng)分效價(jià)評估，對不同生理階段豬消化生理參數(shù)持續(xù)進(jìn)行深入研究，以更加準(zhǔn)確地把握飼料原料養(yǎng)分參數(shù)和豬本身的消化生理參數(shù)對酶制劑效果的影響；3）開發(fā)更加簡便快捷、經(jīng)濟(jì)高效、省時(shí)省力、重復(fù)性好的碳水化合物酶效果評價(jià)和組方設(shè)計(jì)方法和裝置，使外源酶制劑精準(zhǔn)高效地施用。