加工工艺和酶技术对猪和家禽高纤维日粮消化率的影响

张秋城

(陆军勤务学院，重庆 401311)

在过去10多年间，市场和能源工业对谷物原料需求增加，使动物饲料行业一直面临原料成本上升问题。利用生物燃料和食品工业的副产物作为饲料原料对降低养殖成本，提高饲料资源利用率具有重要意义。许多饲料原料含有高水平的植物细胞壁物质，主要由非淀粉多糖组成，哺乳动物体内酶无法消化这类物质，但肠道内的部分微生物可以部分降解这类物质。植物细胞壁中非淀粉多糖的结构会限制微生物酶与其可触，从而限制其降解，此外，非淀粉多糖可以干扰消化过程，并与其他营养素交联，从而降低这些营养素的消化吸收（Bach Knudsen，2001）。饲料加工和酶技术是提高高水平非淀粉多糖饲料原料营养物质消化利用的重要手段。人们对加工过程中非淀粉多糖化学结构和物理化学性质的改变知之甚少，它们很大程度上取决于工艺条件和非淀粉多糖的类型（Rowe等，1999）。此外，非淀粉多糖结构与动物消化道降解之间的关系尚不清楚，阻碍了相关技术的开发，影响非淀粉多糖和富含非淀粉多糖的副产品的利用率。因此，了解非淀粉多糖在胃肠道降解方面的化学结构或理化性质有助于开发更具体和更有效的加工技术。本综述旨在确定和量化加工技术，首先介绍了非淀粉多糖的降解与细胞壁结构的关系及其对动物消化功能影响，然后讨论了加工技术对非淀粉多糖理化特性的影响，以及对猪和家禽非淀粉多糖降解的影响。

1 方法学

根据文献报道的工艺或酶技术的描述，本文综述的非淀粉多糖物理化学性质的主要变化包括溶解度、黏度、水化性质或所纤维组分的消化率，即非淀粉多糖、粗纤维、中性洗涤纤维或酸性洗涤纤维。文中系水力指纤维在不增加机械力的情况下所保留的水量，而水结合力是根据Nelson（2001）对水化性质的定义，定义为纤维离心后保留的水量。

2 富含非淀粉多糖饲料原料的消化

2.1 植物细胞壁结构对猪和家禽非淀粉多糖降解的影响 尽管有报道称，有部分非淀粉多糖降解发生在猪胃中，并可能在回肠末端达到相当高的水平，但猪体内微生物酶对非淀粉多糖的降解主要还是发生在大肠中（Bach Knudsen和Jorgensen，2007）。非淀粉多糖在家禽中的降解主要发生在嗉囊或胃中，从小肠中段和末段收集的消化液和排泄物中非淀粉多糖的消化率差异很小（Pettersson和Aman，1989）。然而在消化道不同部分发现的非淀粉多糖消化率可能会因消化道可溶部分的反向蠕动而产生偏差，这种情况在家禽上比较普遍（Duke，1982）。单胃动物非淀粉多糖的降解程度与其溶解度有关，并取决于聚合物的类型及其与细胞壁组分的结构联系（Bach Knudsen，2001）。非淀粉多糖在细胞壁上的溶解程度与链长减少，多糖结构不规则，防止结晶结构，取代度低，或与其他多糖和细胞壁组分的连接较弱有关（Fry，1986）。由于非淀粉多糖的类型、细胞内连接、溶解度在不同植物种类和植物组织中是不同的，如单子叶植物（包括谷类）的籽粒主要含有阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖和纤维素，而双子叶植物（豆类和油籽）的籽粒主要含有果胶、纤维素和木糖聚糖。种子的次生细胞壁组织主要由不溶性、木质化和强连接的非淀粉多糖组成，如纤维素和木聚糖，而实质组织主要由谷物中可溶性的阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖组成。

非淀粉多糖溶解度的差异反映在猪的消化率系数上，从实质组织中提取的易溶阿拉伯木聚糖可作为消化道总消化系数，其中燕麦为0.82，黑麦为 0.73～ 0.83，小麦为 0.68～ 0.94（Glitso等，1998）。小麦和黑麦次生细胞壁组织中不溶性、支链的阿拉伯木聚糖几乎未降解，实质和次生谷物细胞壁组织中的葡聚糖几乎完全降解，但回肠表观消化率系数的差异表明，胚乳中的β-葡聚糖比糊粉层或果皮中的β-葡聚糖更容易降解（Bach Knudsen，2001）。阿拉伯酰和半乳糖醛酸残基来自于豌豆子叶和外壳中的果胶，容易消化，而二甲苯和葡萄糖残基来自于谷氨酸氧化酶和豌豆外壳中的纤维素，较难消化（Bach Knudsen和Canibe，2000）。Voragen等（2009）体外发酵研究发现，以侧链形式存在的果胶阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳聚糖比半乳聚糖更容易被猪肠道内的某些菌种发酵。

家禽结肠相对较短，消化过程迅速，发酵能力几乎只局限于可溶性非淀粉多糖部分。有报道指出，从含有可溶性非淀粉多糖较高的谷物（如大麦、小麦和燕麦）日粮中提取的非淀粉多糖的回肠表观消化系数在0.28～0.40，相比之下，含不溶性非淀粉多糖较高的原料（如麸皮和玉米）非淀粉多糖回肠表观消化系数为0.08，而含双子叶原料日粮非淀粉多糖回肠表观消化系数在0～0.12（Meng和Slominski，2005）。豆粕非淀粉多糖含有果胶，果胶占中性糖侧链的60%，而中性糖侧链更容易发酵，缺乏由半乳糖醛酸形成的所谓“光滑区域”，降解得相对较好，而豌豆的非淀粉多糖降解较差（Huisman等，2003）。

2.2 非淀粉多糖的抗营养特性 非淀粉多糖能直接或间接地影响其他营养素的消化和吸收。首先，细胞壁中非淀粉多糖的结构排列会影响结构性非淀粉多糖自身的消化率，也会影响被包裹在细胞内的其他营养素的消化率，从而限制了消化酶对这些营养素的可触性（Le Gall等，2009）。非淀粉多糖的表面活性可使其在进食后与饲料颗粒表面结合，降低饲料对营养物质的可及性和吸收；其次，非淀粉多糖对消化道黏度和水化特性等物理特性具有促进作用，从而影响内容物在消化道停留时间、膨化特性、微生物活性及内源性酶损失，降低营养物质的消化和吸收（Smits等，2000）。这些抗营养特性对养分消化的影响相当大，如在家禽中添加小麦和黑麦中分离的可溶性非淀粉多糖后，淀粉和蛋白质的消化率降低了14%，脂肪消化率降低了24%。

3 加工工艺对非淀粉多糖原料消化率的改善作用

3.1 加工工艺对非淀粉多糖理化特性的影响饲料的加工工艺是基于机械、热力或化学的改性。机械力（压力或剪切力）可引起颗粒磨损和破碎，从而破坏种皮细胞壁，降低颗粒大小和纤维长度，使细胞壁结构打开。加热过程可以破坏多糖之间的弱键和多糖内的糖苷键，富含淀粉的饲料在一定水分条件下也会促进淀粉糊化，导致细胞膨胀和破裂，从而增加细胞的表面积、破坏细胞壁的完整性（Mcdougall等，1996）。然而，加热也会引起营养物质之间的交联，如通过美拉德反应，尤其是在干热过程中。无论是在酸性或碱性条件下，热处理都会使部分非淀粉多糖水解（Kootstra等，2009）。

3.1.1 颗粒大小 饲料粒径决定饲料在消化道中与消化酶接触的表面积，从而影响其降解，同时也影响饲料的水化特性。在动物饲料生产中使用的许多加工技术对颗粒大小有影响，粉碎效果是主要影响因素，大多数热处理是次要影响因素。由于不同的原料在颗粒大小、结晶度和脆性等方面存在差异，因此，不同的粉碎条件和设备决定了不同的产品粒度的还原程度、变形类型和颗粒的均匀性（Anguita等，2006）。在不同工艺和产品中，加热过程对颗粒大小的影响差别很大。蒸汽、红外线加热等过程破坏了籽粒表面和胚乳，使籽粒保持完整的同时增加了表面积，而膨化和挤压过程剪切力大，使籽粒结构完全破坏（Rowe等，1999）。在大多数研究中，热处理应用于全谷物结果已破坏的粉碎产品，因此，结果不太依赖于晶粒结构，并受加工过程中产品的纹理或脆性变化所导致的粉碎性能变化的影响（Anguita等，2006）。温和的水热过程，如蒸汽会导致细粉的原料颗粒尺寸增大，而对粗粉原料没有效果或颗粒尺寸减小；高剪切力（如膨胀机加工和挤压蒸煮）导致颗粒尺寸减小，粗粉原料的剪切效应大于细粉原料，制粒会引起小颗粒团聚，表现为制粒后粒径增大。

3.1.2 溶解度 非淀粉多糖在细胞壁的溶解度受各种多糖与其他细胞壁组分之间共价和非共价交联的阻碍。非淀粉多糖在加工过程中溶解度的变化主要取决于交联的类型，β-葡聚糖，特别是薄壁组织的葡聚糖易溶于水，含有较多这种多糖的作物（如大麦）经粉碎和温和热处理后，非淀粉多糖馏分的溶解度有中度到较大的增加（Anguita等，2006）。从实质组织中提取的阿拉伯木聚糖易溶于水，而从次生细胞壁组织中提取的阿拉伯木聚糖（如燕麦、大麦壳和麦麸中含量丰富）需要挤压等更为严格的加工工艺（Anguita等，2006）。纤维素从细胞壁脱离，特别是在木质化组织中需要进行严格的物理和化学处理，以破坏其晶体结构，并修饰或除去木质素。另一方面，粉碎也被证明可以分解纤维素的晶体结构（Mosier等，2005）。

3.1.3 黏度 在加工过程中，溶解、降解和侧链的降低会影响非淀粉多糖的黏滞性能，进而影响调质过程的流变性能（Morris，2001）。由于黏度与分子量有关，可以预期非淀粉多糖降解后黏度会降低，在一般情况下是粉碎后观察到的。然而，在热加工过程中，细胞壁结构可能会被破坏，导致溶解性增加，而聚合物却没有实际降解，往往会导致黏度增加，特别是可溶性葡聚糖和阿拉伯木聚糖的黏度很高，在加热过程中黏度增加，而纤维素对非淀粉多糖组分的黏度贡献很小（Dikeman等，2006）。因此，对富含β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖的饲料进行热处理可以提高其黏度，同时机械力越强的工艺（如挤压蒸煮）对黏度影响越大，在一些研究中，热处理增加了小肠消化黏度，尤其是在雏鸡和仔猪中（Gracia等，2009）。同样，对含有果胶的产品进行热处理也会增加消化液黏度，因为果胶具有高黏度，在特定条件下具有凝胶能力，高甲基酯化果胶在潮湿的酸性条件下，特别是热处理后，在糖的存在下能形成凝胶，而低甲基酯化果胶只在二价阳离子的存在下形成凝胶（Thakur等，1997）。

3.1.4 水化特性 广泛用于描述纤维功能的两个指标是水结合力和系水力，日粮的系水能力似乎能更好地预测胃食糜在体内的物理性质，尤其是在存在胶质形成多糖的情况下，在加工过程中，热处理过程中除纤维组分外的其他组分的理化变化（如淀粉糊化等）可能会主导饲料的水化性能（Bach Knudsen，2001）。实质性细胞壁组织（尤其是果胶）由于其亲水性质更强，且在果胶存在的情况下电荷更多，通常比次生细胞壁组织表现出更高的水化性能（Auffret等，1994）。与水热过程相比，干热过程对水化性能的影响较小，后者增加了大多数原料的水结合力和系水力，而含有大量纤维素的原料（如豌豆壳）似乎较少受水热过程的影响（Ralet等，1993）。

3.2 加工工艺对非淀粉多糖原料消化特性的影响 前人研究往往只包括纤维含量本身的信息，而不包括非淀粉多糖的化学结构，这使得很难将营养价值的变化与非淀粉多糖的理化性质变化联系起来。中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和粗纤维可以表示结构性非淀粉多糖中的可变部分（Smits，2000）。

3.2.1 机械加工 在体内研究中，将粉碎过的饲料与全谷物或粗磨过的饲料进行比较发现，生长猪的纤维馏分的回肠表观消化率增加了6%，尽管在这项研究中，颗粒大小的对比可能太小，无法观察到差异（Callan等，2007）。在肉鸡中，与粉碎豌豆相比，破碎降低了颗粒大小，并使纤维组分的回肠表观消化率增加了7%（Daveby等，1998）。亚麻籽粉碎后对肉鸡纤维部分回肠表观消化率无明显改善作用，但亚麻籽非淀粉多糖对日粮总非淀粉多糖含量的贡献仅为14%（Jia和Slominski，2010）。

3.2.2 热处理 干热处理技术和红外辐射一样，经常错误地称为超微粉，其对粒子大小、可溶性非淀粉多糖黏度和水化性能的影响很小，这是因为缺乏这些方法对猪和家禽纤维消化率的影响数据。但加热使非淀粉多糖的回肠表观消化率增加10%～12%，远远高于不涉及机械力的干热过程的预期值（Fadel等，1989），其认为非淀粉多糖消化率的提高是因为原料加热非淀粉多糖组分中抗性淀粉含量的增加，尽管在对抗性淀粉产生的葡萄糖进行校正后，非淀粉多糖的消化率仍增加了7%～9%。热处理包括添加水分（蒸汽），或添加水分与压力、剪切或两者结合，可显著提高猪纤维馏分的消化率。

4 酶处理对高非淀粉多糖原料消化率的改善作用

细胞壁降解酶可用于特异性裂解聚合物或去除侧链，使与细胞壁紧密结合的营养物质得以释放。关于细胞壁降解酶对非淀粉多糖的研究结果表明，只要将纤维素酶、葡聚糖酶、果胶酶和木聚糖酶等细胞壁降解酶提取液与底物和酶的活性匹配，在适当剂量下均能成功提高非淀粉多糖的消化率（Choct，2002）。饲料加工会导致消化黏度增加，从而对其他营养物质的消化产生负面影响。细胞壁降解酶可以通过降解加工过程中溶解的黏性聚合物来控制加工饲料的黏性；此外，通过粉碎等加工技术获得的细胞壁结构的修饰可以提高非淀粉多糖对酶的可触性（Anguita等，2006）。因此，将加工技术与酶处理相结合可能具有特别意义。添加酶对饲料原料黏度和消化液黏度的降低作用，热加工饲料比对照饲料大3～4倍，对猪来说，在颗粒饲料中添加酶与未加工饲料中添加酶相比，非淀粉多糖的回肠表观消化率提高了6倍（Gracia等，2009）。同样地，在含有膨化大麦饲料中添加酶，肉鸡中的β-葡聚糖含量是未加工饲料中酶处理的1.5倍（Mavromichalis等，2000）。与未粉碎日粮添加酶相比，添加酶对粉碎日粮的额外影响尚不清楚（Daveby等，1998）。

5 总结

通过对饲料进行机械改性，如破碎和粉碎可以提高非淀粉多糖馏分的溶解度，从而使猪和家禽的纤维馏分的回肠表观消化率提高6%～7%。干热加工对饲料理化性质的影响较小，因此对猪、禽纤维组分回肠表观消化率影响有限。水热过程（包括高剪切力）增加了溶解度，但也提高了黏度。与未加工的原料相比，在热处理后原料中添加酶可使黏度降低3～4倍。此外，通过加工技术获得的细胞壁结构的修饰可以提高非淀粉多糖对酶的可触性。因此，在热处理后日粮中添加酶对纤维馏分消化率的影响比未加工日粮高1.5～6倍。