飼料製程與Enzyme添加

對飼料黏稠度、消化率之影響

緒言

        碳水化合物在自然界中，大多以聚合物方式存在，而其形式有：

        1. in free form：純為糖類組成，並依分子結合數目大小，而有單醣(monosaccharides)、雙醣(di-)、寡醣(oligo-)及多醣(poly-)。

        2. 以carbohydrates為核心，再接上protein形成glycoprotein，或接上lipids形成glycolipids，或者接上其他分子或離子而形成不同形式的聚合物。

        碳水化合物在過去研究課題中，大多偏重於當作代謝能源之一，或純作為細胞或組織結構中成分的探討。然而目前生化研究目標，則朝下列幾點進行：

        (1)調節hormonal activity：碳水化合物對特定的hormone可加強或抑制其活性。

        (2)作為細胞間的黏著劑(intercelluar adchesion)。

        (3)病原體對微生物，或特定細胞的粘著形式。

        (4)作為特定蛋白質及免疫活力的調節作用形式。

        飼料界最早使用的enzyme是β-glucanases。由於反芻動物其瘤胃中微生物可分泌β-glucanases來分解β-glucans，故較無消化問題；然而在單胃動物中，植物原料尤其是麥類穀物，β-glucans的存在是一大問題。時至今日，enzyme的發展已朝多方面進行，而大致上可分成下列目標：

        (1)作為動物本身內源酵素的追加，如protease或amylases。

        (2)移除抗營養因子，如β-glucans，phytic acid。

        (3)促進某些營養成分的吸收利用，進而提高價格較便宜的原料之營養值。

        (4)用在某些原料例如羽毛粉或農畜產加工後殘渣的前處理，使其易於消化。

        本篇報告主要是飼料製程對飼料消化率、enzyme活力的影響，以及enzyme的添加對消化率改善的效果。因此，依下列主題加予闡述：

        (一)植物細胞壁中NSP種類

        (二)NSP的化學結構及特性    

        (三)NSP影響消化率的機制

        (四)飼料製程對消化率、enzayme活力的影響

一、植物細胞壁中NSP種類：      

        植物原料中的碳水化合物除以starch(澱粉可供熱能來源)為主要部分外，尚有大量的NSP(non-starch polysaccharides)存在，尤其是構成細胞壁的主成分。

        starch主要由glucose相互鍵結而成，大部分以α(1：4)、有些以α(1：6)的鍵結方式。而NSP如：

        1. arabinoxylans以α(1：2,3)-L-arabinosyl-β-(1：4)-D-glucan

        2. β-glucans以β(1：3)(1：4)-D-glcucan

        3. pectins是將polysaccharides埋植於糖醛酸(uronic acid)中。

        植物細胞壁是一個相當有秩序的雙層結構組織，而存在其間不規則、非組織形態呈類似膠狀體重細胞間質(matrix)部分則以NSP為主要成分。而單子葉植物類之NSP如wheat, rye等以arabinoxylans為主體；barley則以β-glucans為主。雙子葉植物類，如豆科類大部分以pectins為主。

二、NSP的化學結構及特性：

        在細胞壁細胞間質的NSP，除本身即為一個相當龐大的聚合醣(polysaccharides)分子外，各個分子間也緊密相結合一起，甚至更與其他分子如protein，lipid，金屬離子……等形成一錯綜複雜的鍵結方式(cross linking)。而此cross linking方式，乃是決定原料的消化率和營養成分的利用率之主因(Fry, 1986)。在這些cross-linking方式，若以化學結構來看，有如下鍵結形式：

        (1)Hydrogen bonding：因polysaccharides本身結構上含大量的羥基(hydroxy groups, -OH)。故使polysaccharides以氫鍵形成一細長且穩固的結構體，且各分子結構體間更可藉此緊密接合一起。

        (2)Ester bonding：arabinoxylans和pectins兩者的苯酚族(phenolic couplings)其上的羧基(carboxyl group, -COOH)與羥基(hydroxy groups, -OH)，以Eester bonding相鍵結，此為形成膠體的主因之一。(Fincher and Stene, 1986)

        (3)Covalent bonding：NSP與其他分子或離子團如proteins，lipids，金屬離子……等以此建結方式形成共價架橋。

三、NSP影響消化率的機制：

        關於NSP營養力價，大部分學者認為直接影響肉雞生長性狀的原因者，是可溶性的NSP部分；不可溶解的部分，其影響力雖不如前者直接有力，但對消化物通透(digesta passage)及保水力(water holding)，也有相當的影響。當NSP處於溶解狀態時，則發揮下列因素對消化過程的影響作用：

        (1)黏稠度(viscosity)：當NSP溶解於水中，最主要作用是使溶液變成黏稠。而決定黏稠度大小的因素有：1. the presense of charged groups 2. the size of the molecule 3. the concentration。當濃度增加時，NSP分子間發生的交互作用，形成一相連接的帶狀區域，進而使得黏稠度增加；甚至使得NSP連接成一大團，而呈膠著狀態。相關報告如：Choct and Annison, 1992a，因攝入wheat arabinoxylan；White et al., 1981, 1983，攝食barley β-glucans；均使得消化物在肉雞腸道中的黏稠度增加。

        (2)表面活力(surface activity)：由於NSP與水面結合性極弱，因此在溶液中易與其他層面結合。故當動物攝入NSP時，會與食物分子、脂肪球或腸道細胞外質膜的外部成分─腊梅糖(glycocalyx)結合。

        (3)保水力(water holding)：可溶或不可溶性NSP，二者均具保水能力。然而二者保水形式不同，不可溶NSP是以類似海綿吸水方式；而可溶NSP，則將水分子植入於架構中，而這點也可說明當高濃度時，會形成膠體的原因。這些效應會徹底改變消化物的物理性質，進而改變其在腸道的生理活力，亦即增加對蠕動的抗力。

        (4)離子架橋(ionic bridges)：某些NSP，如pectins在某pH值下，當酸根離子在時，會帶相當量的電荷密度，由於NSP本身的立體結構可允許螯形物(chelate agents)的加入。因此，陽離子會使得NSP分子間形成ionic bridges，此乃影響黏稠度及形成膠體(gel)的原因。

表1. 歷年來enzyme添加於飼料中的相關報告

四、飼料製程對消化率、enzyme活力的影響：

        (一)添加enzyme對營養分利用率之影響

        NSP的大部分物理性質，主要係受分子上鏈長度的影響。假如其主鏈受到enzyme的破壞，則溶液的黏稠度及膠著程度，即可抑制。實際上，當wheat-based日糧加入glycanases後，姑且不論其能量代謝利用率是可增加，然而可確定的是其消化物的黏稠度明顯地受到抑制(Choct et al., 1994)。其它類似添加enzyme於wheat-based日糧的試驗，如表2所列。然而，需要注意的是，NSP的分解也會影響到其surface activity和ion binding capacity，且部分的anti-nutritive activity也會因此受到調整。但若要實際去檢測這些因素各別的影響程度，是非當困難的。

表2. 飼料製程與enzyme添加對黏稠度、消化率之影響

(二)飼料製程對營養分利用率之影響

        飼料有時為因應飼養的方便與飼養動物的種別，而將飼料經由pelleting或extruding製成粒狀，而碳水化合物的糊化作用乃是影響粒狀質地的主要因子。由於碳水化合物主要由螺旋狀的直鏈分子及呈分歧狀的支鏈分子組成，以extruding的糊化作用機制為例：

        1. 在糊化過程中加入水份，使直鏈分子的螺旋狀晶體破壞分解，進而使分子顆粒變大。

        2. 經由加熱及更多的水份，使得顆粒膨脹更大，此時直鏈分子開始滲透到顆粒外。

        3. 分子顆粒內的支鏈分子大部分彼此互相重疊，而形成直鏈分子的母體，進而形成膠體。而pelleting製粒過程雖無蒸煮步驟且溫度較低，然而糊化的作用機制大致相同。

        而碳水化合物除了澱粉分子外，尚有大量的NSP分子，因此早期的研究(Fleming and Kawakami, 1977)曾以不同的萃取溫度(40~100℃)，發現在高溫下含有較多的β-glucans。由於在extrusion製粒過程中，長鏈的NSP發生溶解現象，使得黏稠度增加，並因而導致減抑營養分在vitro中的擴散(Fenlar and Marquardt, 1988)及家禽類的生長性狀(Bedford and Classen, 1992；Pfirter et al., 1993；Vukic Vranjes and Wenk, 1995)。

        Extrusion影響營養成分脂肪(fat)利用率的原因：

        (1)因viscosity↑，抑制big fat micells的擴散(Salih et al, 1991；Hofshagen and Kaldhusdal, 1992)；或者因viscosity↑，使amylose-lipid結合緊密，不易消化(Mercier et al., 1980)，進而導致糞便殘留fat量增加↑。

        (2)因fat易於揮發散熱，因此製粒後粗脂肪含量較未製粒前之量約損失1％左右(Magen, 1978；Vukic Vranjes, Pfirter and Wenk, 1995，見表2)。

        (3)因viscosity↑，導致飼料團通過腸道速率↓(下降)，並使菌落在小腸上部易於植生。

        而經由pelleting後飼料其黏稠度比較小，故營養成分的利用率較不受製程的影響(見表2)。

(三)飼料製程與enzyme的交感作用

        飼料經過熱處理(autoclaving, extruding, pelleting)，不僅會改變飼料中澱粉和纖維(如NSP)的結構，也會使添入的enzyme不活潑，因而使得飼料中的營養價值減低，如表3所列各研究報告。而在某些情形下，如為移除飼料中的Salmonella，製粒時的溫度需高於平常的溫度。因此，enzyme耐受不同製程溫度下的能力，即為enzyme在商業利用下的重要決定因素。

表3. 歷年來飼料製程與enzyme添加於飼料中的相關報告

        在表2中，當飼料經由extrusion或pelleting後，營養成分利用率減小，雖然pelleting的製程影響較不明顯。此乃製粒後的飼料中，因纖維可溶解性增加(souble fibre↑，insouble fibre↓)，使得飼料的黏稠度增加，因而使mE及fat的利用率減少。不過，對肉雞的生長性狀均無顯著的差異。

        由表2中viscosity in vitro來看，enzyme經由extrusion或pelleting後，enzyme發揮減抑飼料黏稠度的能力，各減少65％ vs. 52％。然而其對飼料因製粒過程所增加的黏稠度之剩餘改善能力，仍可提高營養成分利用率。如果enzyme的添加是在製粒後才進行，則更可以發揮出processing×enzyme的交感作用，尤其是對extrusion後的飼料更為明顯。

結論

        綜合以上各研究報告，已經可確立添加enzyme於wheat, rye或barley等穀物類基礎日糧中，尤其是當飼料先經過extrusion或pelleting的製程且使飼料黏稠度增加時，確實有改善單胃動物的營養利用價值。因為glucanase的加入，可使得可溶性NSP分解成與原來polysaccharides不同物理性質(如黏稠度)的較輕小分子。

        因此，只要麥類穀物使用於飼料日糧中，或其含有相當量的NSP(如arabinoxylans和β-glucans)時，則須有系統的分析enzyme添加後的潛在利益。

        另外由以往的研究顯示，enzyme的添加大都對營養成分的利用率有改善作用，而對動物的生產性能改善效益不大。因此，enzyme的添加研究，應該從另一個角度，亦即致力於提昇較差品質原料的利用價值之應用研究。

        除了上述所提之外，添加enzyme於飼料中時，最好能符合下列三大要點：

        (1)原料中具有相當可抗營養價值的NSP含量，足夠引起產能問題時，才適量加入。

        因過去分析纖維的含量(NDF, ADF)，不足以作為NSP存在與否及存在量多寡的依據。必須先較先進的分析方法，來測定原料成分中NSP含量，方能檢測是否會引起生產性能問題。

        (2)添入的enzyme須對該NSP有相當的活力。

        由於植物中的polysaccharides structure具有多樣化，因此需特定的enzyme，方有一定的效力。

        (3)為能在體中分解polysaccharides，該enzyme須能在飼料製程中維持一定的活力；否則enzyme最好在飼料製粒後，再以噴灑式加入。

飼料營養雜誌(p.49∼56)─黃文林、九六年十二期