复合酶产品<br/>——降解纤维的最佳选择

复合酶产品
——降解纤维的最佳选择

2016-04-12杨革玲

国外畜牧学(猪与禽) 2016年12期

关键词：植酸酶植酸葡聚糖

复合酶产品
——降解纤维的最佳选择

杨革玲译自International poultry production，Vol.24(2016)，№5：11，13～14
韩浩月校张配配审韩浩月制图表

添加酶制剂的效果取决于其与配合饲料中的底物在肠道中的相互作用。与植酸相反，日粮纤维本身是非常复杂和多样的。

1 发酵产品中主要和次要的活性物质

饲用酶大部分由真菌或细菌产生。这些有机体在代谢过程中产生多种不同的酶类蛋白质。在商业性生产中，只有一小部分酶在实验室中进行了活性分析。例如木聚糖酶活性的分析能使得木聚糖酶水平得到量化，然而并没有提供发酵产品中其他活性物质的信息。

在实际生产中，量化和标准化的酶活性被认为是主要的活性部分，而尚未量化的酶活性则为次要活性部分。

对于工业酶来说，如饲料产品，简单地去除次要活性部分并不是一个可行的方法。单种蛋白或主要活性成分的分离技术是非常昂贵的，并且众所周知许多次要活性成分在动物营养上会产生有益作用。因此，木聚糖酶产品通常也包含次要活性物质(如同其他酶类产品)，如β-葡聚糖酶，反之亦然。

选择并修饰生产菌株可以增加主要活性物质的水平，从而改变主要/次要活性物质的比例。这种生产方式在植酸酶生产上有很高的效率：与几十年前相比，目前植酸酶产品中的植酸酶/次要活性物质比提高了几百倍；由于植酸酶中的次要活性物质可忽略不计，因此植酸酶制剂被认为是单组分产品。对纤维降解酶而言也存在同样的情况，采用相似的技术也可生产出一些单组分的木聚糖酶产品。越来越经济的发酵技术大大提高了酶生产商的利润，而饲料行业却失去了次要活性物质所带来的效益。

与单组分木聚糖酶相反，其他产品——复合组分的酶产品则可确保有一种以上的酶活性。因此，饲料行业能够确保购买到多种酶的活性高于最低水平的主要酶活性物质。

某些公司通过分析单一发酵产品中的多种活性成分物质来实现此目的。其他公司通过将多种不同的发酵产品结合进一种单一成分商业产品来进一步扩大酶活性物质的范围。欧盟注册文件显示一些单一产品被结合了2～5种发酵产品。

每一种主要活性成分的最小水平必须得到保证。例如：Zympex 008含有β-木聚糖酶、β-葡聚糖酶、β-甘露聚糖酶和α-半乳糖苷酶的最低保证水平，而它的次要活性成分只起到辅助性的作用(图1)。

2 底物的变异性

比较底物可以很好地说明为什么单组分的植酸酶是一种可行的选择，而纤维酶更倾向于使用含多组分的复合酶产品。

3 植酸

植酸酶的作用底物是一种相对简单的化学分子：六个磷酸基团连接于一个六环结构(图2)。植酸酶可依次将磷酸基从环己醇上解离，(大肠杆菌类)植酸酶可水解所有磷酸基团。一个单一的酶类蛋白质能够完成该过程中所有环节。

简单地说，植酸酶的分解底物环己醇-磷酸盐不存在变异性：所有植物中的植酸都是一样的。由于底物成分不存在变异性，对植酸酶而言，虽然与纤维降解酶结合也能够释放细胞壁中的植酸：Zympex结合磷，但次要活性物质就没有太大的意义。

已知植酸酶的空间位阻会降低它的消化效率。植酸会与离子(如钙或锌)结合形成复合物，这种复合物将阻碍植酸酶进入磷酸-环己醇结构中。

幸运的是，在胃内低pH环境下，该复合物可在不需要次要活性物质的情况下会分解，自动解除阻碍植酸酶进入磷酸-环己醇结构中的基团。这就是植酸酶活性主要在胃部起作用的原因。

由于单一组分的植酸酶能够完成所需的全部工作，因此，通过选择或修饰生产菌株来节约生产成本是有意义的。

4 阿拉伯木聚糖

与植酸不同，纤维并非是一种单一、有明确类型的底物。小麦中的阿拉伯木聚糖与玉米或其他农作物中的阿拉伯木聚糖不同，同为小麦中的阿拉伯木聚糖，品种不同种类也不同，而气候、土壤及其他外部因素对谷物中阿拉伯木聚糖的特性也会造成一定的影响。

阿拉伯木聚糖的主链结构均是由木糖连接而成，其主链长度可由几千到几百万单位(图3)。主要的差异是其主链或侧链集团的取代。之所以称为阿拉伯木聚糖是因为许多阿拉伯糖侧链连接在木糖主链上。阿拉伯糖/木糖的比值可说明替代的频率和长度具有高度变异性，该值介于0.30～1.40。

β-木聚糖酶可通过裂解主链对阿拉伯木聚糖的降解产生最大的影响，但侧链能够阻止其对主链的接触。因此，酶产品中存在的次要活性物质能够增强β-木聚糖酶的降解作用；研究表明，阿拉伯糖苷酶通过初步降解阿拉伯糖侧链能够促进阿拉伯木聚糖的降解。其他的次要活性物质也具有同样的作用，如阿魏酸酯酶、乙酰基酯酶及葡糖糖醛酸酯酶。

次要活性物质在纤维降解产品中起着至关重要的作用。因此，由固态发酵和多组分产品产生的复合纤维降解产品能够分解多种不同的纤维成分。此类产品在饲料配方中具有很高的灵活性。

5 日粮纤维

更重要的是，日粮纤维是饲料原料中最为多变的成分(图4)。日粮纤维被定义为是食品或饲料中不能被人类或动物小肠消化的部分，因此包括能够在大肠中被发酵的部分。

经过20年的商议，国际食品法典委员会于2009年一致同意了日粮纤维的定义；但对于低聚糖(DP 3-9)是否属于日粮纤维仍未达成一致意见，美国食品和药品管理局依然执行此定义。

在动物营养上，纤维相关酶被认为是一类能够降解纤维、细胞壁、非淀粉多糖、半纤维素等的酶，这说明了底物的多样性。虽然同属相同的饲料组分，但这些名词针对不同的东西。

时至今日，仍旧很难用不同的方法进行定量和定性的描述：

●传统意义上，用“近似分析法或温德分析法”可以测定日粮粗纤维(Crude Fibre，CF)；由于这仅仅代表(部分)纤维素和木质素，CF是一种在数量上非常小的酶底物。

●Van Soest法与上述方法相比得到了很大的改善。中性洗涤纤维(Neutral Detergent Fibre，NDF)、酸性洗涤纤维(Acid Detergent Fibre，ADF)及酸性洗涤木质素(Acid Detergent Lignin，ADL)使得底物定量更佳准确。

然而，由于这些数据与沉淀部分有关，与可溶性底物部分的相关性依然很低(不过对黏性非常重要)。

测定中性洗涤可溶性纤维(Neutral Detergent Soluble Fibre，NDSF)并非饲料部门的日常做法。

●有文献更倾向于使用水不可溶性细胞壁(Water Insoluble Cell Walls，WICW)，但对可溶部分仍有类似的局限性。

●按国际食品法典委员描述的上文量化为总日粮纤维(Total Dietary Fibre，TDF)与酶活性最相关。区别不可溶性日粮纤维(Insoluble Dietary Fibre，IDF)和可溶性日粮纤维(Soluble Dietary Fibre，SDF)可进一步提高酶作用效果的可预测性。

●确定单个单糖可以更具专一性(虽然还存在不足，例如葡聚糖可能与β-葡聚糖有关，还与纤维素和异木聚糖等有关)。

虽然一种单组分的β-木聚糖酶能够水解阿拉伯木聚糖，但其他的酶活性物质如β-葡聚糖酶、β-甘露聚糖酶及α-半乳糖苷酶，能够扩大纤维降解产品的作用范围，同时又具有成本效应。

6 纤维的溶解性、黏性及笼蔽效应

除了在体外进行量化外，纤维组分在肠道内的运动也是至关重要的。肠道内容物的黏性与纤维组分的溶解性高度相关。

为了降低肠道内容物的黏性，β-木聚糖酶和β-葡聚糖酶最初是因其会影响可溶性纤维组分而被挑选出来的。

虽然酶的这类降低黏性的特性使得小麦和大麦能够在肉鸡日粮中得到了应用，然而对玉米纤维的影响仍很有限，因为这种纤维大多为不可溶性纤维(图5)。

最初的β-木聚糖酶和β-葡聚糖酶对不溶性纤维的作用很有限，无法在经济上给玉米型日粮带来有利的结果。这就产生了对不溶性纤维组分更有效的酶。因为完整的细胞壁会起到笼子一样的作用——将营养物质包裹起来使它们无法被动物利用，而酶能够破坏细胞壁，使被其包裹的营养物质释放出来。

酶除了能够降低肠道内容物的黏性之外，重要的是它还能破坏细胞壁，以释放出更多的能量和蛋白质。因此，如今的酶产品在玉米和其他低黏性日粮中也能够产生显著的影响。

由于某些纤维降解酶能够对可溶纤维组分产生更好的作用，然而其他纤维降解酶对不溶性纤维表现出成倍的活性，因此有人建议将不同的木聚糖酶与不同的葡聚糖酶组合起来，以能够对各式各样的饲料组成产生最大的作用。

7 对动物肠道微生物区系的影响

日粮纤维可在动物的后部肠道中被微生物区系发酵，产生的挥发性脂肪酸可被动物吸收并作为能量来源来利用。

水解的纤维组分也会在一定程度上影响动物肠道微生物区系的组成。研究发现，不仅甘露糖寡糖(Mannan-oligosaccharides，MOS)具有益生元作用，聚木聚糖(Xylo-oligasaccharides，XOS)和半乳糖寡糖(Galacto-oligosaccharides，GOS)也具有益生元作用。虽然益生元作用多变，但这种作用有别于肠道内容物黏性的下降和细胞壁笼蔽效应的消除。

其中一个最稳定的微生物区系作用可以通过除去植物性蛋白(如豆粕)中的棉子糖系列低聚糖来实现。

尽管这些低聚糖容易发酵，但它们能够促进产气菌的生长，因此会引起胃肠胀气和动物采食量的波动。

由于α-半乳糖苷酶能够将棉子糖低聚糖分解成可吸收的糖(蔗糖和半乳糖)，动物则能够从这额外产生的能量中受益，同时前肠内的微生物生长被阻止。