加工工藝和酶技術對豬和家禽高纖維日糧消化率的影響
在過去10多年間，市場和能源工業對谷物原料需求增加，使動物飼料行業一直面臨原料成本上升問題。利用生物燃料和食品工業的副產物作為飼料原料對降低養殖成本，提高飼料資源利用率具有重要意義。許多飼料原料含有高水平的植物細胞壁物質，主要由非淀粉多糖組成，哺乳動物體內酶無法消化這類物質，但腸道內的部分微生物可以部分降解這類物質。植物細胞壁中非淀粉多糖的結構會限制微生物酶與其可觸，從而限制其降解，此外，非淀粉多糖可以干擾消化過程，并與其他營養素交聯，從而降低這些營養素的消化吸收(Bach Knudsen，2001)。飼料加工和酶技術是提高高水平非淀粉多糖飼料原料營養物質消化利用的重要手段。人們對加工過程中非淀粉多糖化學結構和物理化學性質的改變知之甚少，它們很大程度上取決于工藝條件和非淀粉多糖的類型(Rowe 等，1999)。此外，非淀粉多糖結構與動物消化道降解之間的關系尚不清楚，阻礙了相關技術的開發，影響非淀粉多糖和富含非淀粉多糖的副產品的利用率。因此，了解非淀粉多糖在胃腸道降解方面的化學結構或理化性質有助于開發更具體和更有效的加工技術。本綜述旨在確定和量化加工技術，首先介紹了非淀粉多糖的降解與細胞壁結構的關系及其對動物消化功能影響，然后討論了加工技術對非淀粉多糖理化特性的影響，以及對豬和家禽非淀粉多糖降解的影響。
1 方法學
根據文獻報道的工藝或酶技術的描述，本文綜述的非淀粉多糖物理化學性質的主要變化包括溶解度、黏度、水化性質或所纖維組分的消化率，即非淀粉多糖、粗纖維、中性洗滌纖維或酸性洗滌纖維。文中系水力指纖維在不增加機械力的情況下所保留的水量，而水結合力是根據Nelson(2001)對水化性質的定義，定義為纖維離心后保留的水量。
2 富含非淀粉多糖飼料原料的消化
2.1 植物細胞壁結構對豬和家禽非淀粉多糖降解的影響
盡管有報道稱，有部分非淀粉多糖降解發生在豬胃中，并可能在回腸末端達到相當高的水平，但豬體內微生物酶對非淀粉多糖的降解主要還是發生在大腸中(Bach Knudsen 和 Jorgensen，2007)。非淀粉多糖在家禽中的降解主要發生在嗉囊或胃中，從小腸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異很小(Pettersson 和 Aman，1989)。然而在消化道不同部分發現的非淀粉多糖消化率可能會因消化道可溶部分的反向蠕動而產生偏差，這種情況在家禽上比較普遍(Duke，1982)。單胃動物非淀粉多糖的降解程度與其溶解度有關，并取決于聚合物的類型及其與細胞壁組分的結構聯系(Bach Knudsen，2001)。非淀粉多糖在細胞壁上的溶解程度與鏈長減少，多糖結構不規則，防止結晶結構，取代度低，或與其他多糖和細胞壁組分的連接較弱有關(Fry，1986)。由于非淀粉多糖的類型、 細胞內連接、溶解度在不同植物種類和植物組織中是不同的，如單子葉植物(包括谷類)的籽粒主要含有阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖和纖維素，而雙子葉植物(豆類和油籽)的籽粒主要含有果膠、纖維素和木糖聚糖。種子的次生細胞壁組織主要由不溶性、木質化和強連接的非淀粉多糖組成，如纖維素和木聚糖，而實質組織主要由谷物中可溶性的阿拉伯木聚糖和β- 葡聚糖組成。
非淀粉多糖溶解度的差異反映在豬的消化率系數上，從實質組織中提取的易溶阿拉伯木聚糖可作為消化道總消化系數，其中燕麥為0.82，黑麥為0.73 ~ 0.83，小麥為0.68 ~ 0.94(Glitso 等， 1998)。小麥和黑麥次生細胞壁組織中不溶性、 支鏈的阿拉伯木聚糖幾乎未降解，實質和次生谷物細胞壁組織中的葡聚糖幾乎完全降解，但回腸表觀消化率系數的差異表明，胚乳中的β-葡聚糖比糊粉層或果皮中的β-葡聚糖更容易降解(Bach Knudsen，2001)。阿拉伯酰和半乳糖醛酸 殘基來自于豌豆子葉和外殼中的果膠，容易消化，而二甲苯和葡萄糖殘基來自于谷氨酸氧化酶和豌豆外殼中的纖維素，較難消化(Bach Knudsen 和 Canibe，2000)。Voragen 等(2009)體外發酵研究發現，以側鏈形式存在的果膠阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳聚糖比半乳聚糖更容易被豬腸道內的某些菌種發酵。
家禽結腸相對較短，消化過程迅速，發酵能力幾乎只局限于可溶性非淀粉多糖部分。有報道指出，從含有可溶性非淀粉多糖較高的谷物(如大麥、小麥和燕麥)日糧中提取的非淀粉多糖的回腸表觀消化系數在 0.28 ~ 0.40，相比之下，含不溶性非淀粉多糖較高的原料(如麩皮和玉米)非淀粉多糖回腸表觀消化系數為 0.08，而含雙子葉原料日糧非淀粉多糖回腸表觀消化系數在 0 ~ 0.12(Meng 和 Slominski，2005)。豆粕非淀粉多糖含有果膠，果膠占中性糖側鏈的60%，而中性糖側鏈更容易發酵，缺乏由半乳糖醛酸形成的所謂“光滑區域”，降解得相對較好，而豌豆的非淀粉多糖降解較差(Huisman 等，2003)。
2.2 非淀粉多糖的抗營養特性
非淀粉多糖能直接或間接地影響其他營養素的消化和吸收。首先，細胞壁中非淀粉多糖的結構排列會影響結構性非淀粉多糖自身的消化率，也會影響被包裹在細胞內的其他營養素的消化率，從而限制了消化酶對這些營養素的可觸性(Le Gall 等，2009)。非淀粉多糖的表面活性可使其在進食后與飼料顆粒表面結合，降低飼料對營養物質的可及性和吸收 ；其次，非淀粉多糖對消化道黏度和水化特性等物理特性具有促進作用，從而影響內容物在消化道停留時間、膨化特性、微生物活性及內源性酶損失，降低營養物質的消化和吸收(Smits 等，2000)。這些抗營養特性對養分消化的影響相當大，如在家禽中添加小麥和黑麥中分離的可溶性非淀粉多糖后，淀粉和蛋白質的消化率降低了14%，脂肪消化率降低了24%。
3 加工工藝對非淀粉多糖原料消化率的改善作用
3.1 加工工藝對非淀粉多糖理化特性的影響
飼料的加工工藝是基于機械、熱力或化學的改性。機械力(壓力或剪切力)可引起顆粒磨損和破碎， 從而破壞種皮細胞壁，降低顆粒大小和纖維長度， 使細胞壁結構打開。加熱過程可以破壞多糖之間的弱鍵和多糖內的糖苷鍵，富含淀粉的飼料在一定水分條件下也會促進淀粉糊化，導致細胞膨脹和破裂，從而增加細胞的表面積、破壞細胞壁的完整性(Mcdougall 等，1996)。然而，加熱也會引起營養物質之間的交聯，如通過美拉德反應，尤其是在干熱過程中。無論是在酸性或堿性條件下， 熱處理都會使部分非淀粉多糖水解(Kootstra 等， 2009)。
3.1.1 顆粒大小
飼料粒徑決定飼料在消化道中與消化酶接觸的表面積，從而影響其降解，同時也影響飼料的水化特性。在動物飼料生產中使用的許多加工技術對顆粒大小有影響，粉碎效果是主要影響因素，大多數熱處理是次要影響因素。由于不同的原料在顆粒大小、結晶度和脆性等方面 存在差異，因此，不同的粉碎條件和設備決定了不同的產品粒度的還原程度、變形類型和顆粒的均勻性(Anguita 等，2006)。在不同工藝和產品中，加熱過程對顆粒大小的影響差別很大。蒸汽、 紅外線加熱等過程破壞了籽粒表面和胚乳，使籽粒保持完整的同時增加了表面積，而膨化和擠壓過程剪切力大，使籽粒結構完全破壞(Rowe 等，1999)。在大多數研究中，熱處理應用于全谷物結果已破壞的粉碎產品，因此，結果不太依賴于晶粒結構，并受加工過程中產品的紋理或脆性變化所導致的粉碎性能變化的影響(Anguita 等，2006)。溫和的水熱過程，如蒸汽會導致細粉的原料顆粒尺寸增大，而對粗粉原料沒有效果或顆粒尺寸減小；高剪切力(如膨脹機加工和擠壓蒸煮)導致顆粒尺寸減小，粗粉原料的剪切效應大于細粉原料， 制粒會引起小顆粒團聚，表現為制粒后粒徑增大。
3.1.2 溶解度
非淀粉多糖在細胞壁的溶解度受各種多糖與其他細胞壁組分之間共價和非共價交聯的阻礙。非淀粉多糖在加工過程中溶解度的變化主要取決于交聯的類型，β-葡聚糖，特別是薄壁組織的葡聚糖易溶于水，含有較多這種多糖的作物(如大麥)經粉碎和溫和熱處理后，非淀粉多糖餾分的溶解度有中度到較大的增加(Anguita 等，2006)。從實質組織中提取的阿拉伯木聚糖易溶于水，而從次生細胞壁組織中提取的阿拉伯木聚糖(如燕麥、大麥殼和麥麩中含量豐富)需要擠壓等更為嚴格的加工工藝(Anguita 等，2006)。纖維素從細胞壁脫離，特別是在木質化組織中需要進行嚴格的物理和化學處理，以破壞其晶體結構，并修飾或除去木質素。另一方面，粉碎也被證明可以分解纖維素的晶體結構(Mosier 等，2005)。
3.1.3 黏度
在加工過程中，溶解、降解和側鏈的降低會影響非淀粉多糖的黏滯性能，進而影響調質過程的流變性能(Morris，2001)。由于黏度與分子量有關，可以預期非淀粉多糖降解后黏度會降低，在一般情況下是粉碎后觀察到的。然而， 在熱加工過程中，細胞壁結構可能會被破壞，導致溶解性增加，而聚合物卻沒有實際降解，往往會導致黏度增加，特別是可溶性葡聚糖和阿拉伯木聚糖的黏度很高，在加熱過程中黏度增加，而纖維素對非淀粉多糖組分的黏度貢獻很小(Dikeman 等，2006)。因此，對富含β- 葡聚糖和阿拉伯木聚糖的飼料進行熱處理可以提高其黏度，同時機械力越強的工藝(如擠壓蒸煮)對黏度影響越大，在一 些研究中，熱處理增加了小腸消化黏度，尤其是在雛雞和仔豬中(Gracia 等，2009)。同樣，對含有果膠的產品進行熱處理也會增加消化液黏度，因為果膠具有高黏度，在特定條件下具有凝膠能力， 高甲基酯化果膠在潮濕的酸性條件下，特別是熱處理后，在糖的存在下能形成凝膠，而低甲基酯化果膠只在二價陽離子的存在下形成凝膠(Thakur 等，1997)。
3.1.4 水化特性
廣泛用于描述纖維功能的兩個指標是水結合力和系水力，日糧的系水能力似乎能更好地預測胃食糜在體內的物理性質，尤其是在存在膠質形成多糖的情況下，在加工過程中， 熱處理過程中除纖維組分外的其他組分的理化變化(如淀粉糊化等)可能會主導飼料的水化性能(Bach Knudsen，2001)。實質性細胞壁組織(尤其是果膠)由于其親水性質更強，且在果膠存在的情況下電荷更多，通常比次生細胞壁組織表現出更高的水化性能(Auffret 等，1994)。與水熱過程相比，干熱過程對水化性能的影響較小，后者增加了大多數原料的水結合力和系水力，而含有大量纖維素的原料(如豌豆殼)似乎較少受水熱過程的影響(Ralet 等，1993)。
3.2 加工工藝對非淀粉多糖原料消化特性的影響
前人研究往往只包括纖維含量本身的信息， 而不包括非淀粉多糖的化學結構，這使得很難將營養價值的變化與非淀粉多糖的理化性質變化聯系起來。中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和粗纖維可以表示結構性非淀粉多糖中的可變部分(Smits，2000)。
3.2.1 機械加工
在體內研究中，將粉碎過的飼料與全谷物或粗磨過的飼料進行比較發現，生長豬的纖維餾分的回腸表觀消化率增加了 6%，盡管在這項研究中，顆粒大小的對比可能太小，無法觀察到差異(Callan 等，2007)。在肉雞中，與粉碎豌豆相比，破碎降低了顆粒大小，并使纖維組分的回腸表觀消化率增加了 7%(Daveby 等，1998)。亞麻籽粉碎后對肉雞纖維部分回腸表觀消化率無明顯改善作用，但亞麻籽非淀粉多糖對日糧總非淀粉多糖含量的貢獻僅為14%(Jia 和 Slominski， 2010)。
3.2.2 熱處理
干熱處理技術和紅外輻射一樣， 經常錯誤地稱為超微粉，其對粒子大小、可溶性非淀粉多糖黏度和水化性能的影響很小，這是因為缺乏這些方法對豬和家禽纖維消化率的影響數 據。但加熱使非淀粉多糖的回腸表觀消化率增加 10%～12%，遠遠高于不涉及機械力的干熱過程的預期值(Fadel 等，1989)，其認為非淀粉多糖消化率的提高是因為原料加熱非淀粉多糖組分中抗性淀粉含量的增加，盡管在對抗性淀粉產生的葡萄糖進行校正后，非淀粉多糖的消化率仍增加了7%～9%。熱處理包括添加水分(蒸汽)，或添加水分與壓力、剪切或兩者結合，可顯著提高豬纖維餾分的消化率。
4 酶處理對高非淀粉多糖原料消化率的改善作用
細胞壁降解酶可用于特異性裂解聚合物或去除側鏈，使與細胞壁緊密結合的營養物質得以釋放。關于細胞壁降解酶對非淀粉多糖的研究結果表明，只要將纖維素酶、葡聚糖酶、果膠酶和木聚糖酶等細胞壁降解酶提取液與底物和酶的活性匹配，在適當劑量下均能成功提高非淀粉多糖的消化率(Choct，2002)。飼料加工會導致消化黏度增加，從而對其他營養物質的消化產生負面影響。細胞壁降解酶可以通過降解加工過程中溶解的黏性聚合物來控制加工飼料的黏性；此外，通過粉碎等加工技術獲得的細胞壁結構的修飾可以提高非淀粉多糖對酶的可觸性(Anguita 等，2006)。因此，將加工技術與酶處理相結合可能具有特別意義。添加酶對飼料原料黏度和消化液黏度的降低作用，熱加工飼料比對照飼料大 3～4 倍，對豬來說，在顆粒飼料中添加酶與未加工飼料中添加酶相比，非淀粉多糖的回腸表觀消化率提高了6倍(Gracia 等，2009)。同樣地，在含有膨化大麥飼料中添加酶，肉雞中的 β- 葡聚糖含量是未加工飼料中酶處理的1.5 倍(Mavromichalis 等， 2000)。與未粉碎日糧添加酶相比，添加酶對粉碎日糧的額外影響尚不清楚(Daveby 等，1998)。
5 總結
通過對飼料進行機械改性，如破碎和粉碎可以提高非淀粉多糖餾分的溶解度，從而使豬和家禽的纖維餾分的回腸表觀消化率提高6%～7%。干熱加工對飼料理化性質的影響較小，因此對豬、禽纖維組分回腸表觀消化率影響有限。水熱過程(包括高剪切力)增加了溶解度，但也提高了黏度。與未加工的原料相比，在熱處理后原料中添加酶可使黏度降低 3 ～4 倍。此外，通過加工技術獲得的細胞壁結構的修飾可以提高非淀粉多糖對酶的可觸性。因此，在熱處理后日糧中添加酶對纖維餾分消化率的影響比未加工日糧高 1.5～6 倍。
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