饲料制程与Enzyme添加对饲料黏稠度、消化率之影响

绪言

        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：纯为糖类组成，并依分子结合数目大小，而有单醣(monosaccharides)、双醣(di-)、寡醣(oligo-)及多醣(poly-)。

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

        碳水化合物在过去研究课题中，大多偏重於当作代谢能源之一，或纯作为细胞或组织结构中成分的探讨。然而目前生化研究目标，则朝下列几点进行：

        (1)调节hormonal activity：碳水化合物对特定的hormone可加强或抑制其活性。

        (2)作为细胞间的黏着剂(intercelluar adchesion)。

        (3)病原体对微生物，或特定细胞的粘着形式。

        (4)作为特定蛋白质及免疫活力的调节作用形式。

        饲料界最早使用的enzyme是β-glucanases。由於反刍动物其瘤胃中微生物可分泌β-glucanases来分解β-glucans，故较无消化问题；然而在单胃动物中，植物原料尤其是麦类谷物，β-glucans的存在是一大问题。时至今日，enzyme的发展已朝多方面进行，而大致上可分成下列目标：

        (1)作为动物本身内源酵素的追加，如protease或amylases。

        (2)移除抗营养因子，如β-glucans，phytic acid。

        (3)促进某些营养成分的吸收利用，进而提高价格较便宜的原料之营养值。

        (4)用在某些原料例如羽毛粉或农畜产加工後残渣的前处理，使其易於消化。

        本篇报告主要是饲料制程对饲料消化率、enzyme活力的影响，以及enzyme的添加对消化率改善的效果。因此，依下列主题加予阐述：

        (一)植物细胞壁中NSP种类

        (二)NSP的化学结构及特性    

        (三)NSP影响消化率的机制

        (四)饲料制程对消化率、enzayme活力的影响

一、植物细胞壁中NSP种类：      

        植物原料中的碳水化合物除以starch(淀粉可供热能来源)为主要部分外，尚有大量的NSP(non-starch polysaccharides)存在，尤其是构成细胞壁的主成分。

        starch主要由glucose相互键结而成，大部分以α(1：4)、有些以α(1：6)的键结方式。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是将polysaccharides埋植於糖醛酸(uronic acid)中。

        植物细胞壁是一个相当有秩序的双层结构组织，而存在其间不规则、非组织形态呈类似胶状体重细胞间质(matrix)部分则以NSP为主要成分。而单子叶植物类之NSP如wheat, rye等以arabinoxylans为主体；barley则以β-glucans为主。双子叶植物类，如豆科类大部分以pectins为主。

二、NSP的化学结构及特性：

        在细胞壁细胞间质的NSP，除本身即为一个相当庞大的聚合醣(polysaccharides)分子外，各个分子间也紧密相结合一起，甚至更与其他分子如protein，lipid，金属离子……等形成一错综复杂的键结方式(cross linking)。而此cross linking方式，乃是决定原料的消化率和营养成分的利用率之主因(Fry, 1986)。在这些cross-linking方式，若以化学结构来看，有如下键结形式：

        (1)Hydrogen bonding：因polysaccharides本身结构上含大量的羟基(hydroxy groups, -OH)。故使polysaccharides以氢键形成一细长且稳固的结构体，且各分子结构体间更可藉此紧密接合一起。

        (2)Ester bonding：arabinoxylans和pectins两者的苯酚族(phenolic couplings)其上的羧基(carboxyl group, -COOH)与羟基(hydroxy groups, -OH)，以Eester bonding相键结，此为形成胶体的主因之一。(Fincher and Stene, 1986)

        (3)Covalent bonding：NSP与其他分子或离子团如proteins，lipids，金属离子……等以此建结方式形成共价架桥。

三、NSP影响消化率的机制：

        关於NSP营养力价，大部分学者认为直接影响肉鸡生长性状的原因者，是可溶性的NSP部分；不可溶解的部分，其影响力虽不如前者直接有力，但对消化物通透(digesta passage)及保水力(water holding)，也有相当的影响。当NSP处於溶解状态时，则发挥下列因素对消化过程的影响作用：

        (1)黏稠度(viscosity)：当NSP溶解於水中，最主要作用是使溶液变成黏稠。而决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。当浓度增加时，NSP分子间发生的交互作用，形成一相连接的带状区域，进而使得黏稠度增加；甚至使得NSP连接成一大团，而呈胶着状态。相关报告如：Choct and Annison, 1992a，因摄入wheat arabinoxylan；White et al., 1981, 1983，摄食barley β-glucans；均使得消化物在肉鸡肠道中的黏稠度增加。

        (2)表面活力(surface activity)：由於NSP与水面结合性极弱，因此在溶液中易与其他层面结合。故当动物摄入NSP时，会与食物分子、脂肪球或肠道细胞外质膜的外部成分─ 梅糖(glycocalyx)结合。

        (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是以类似海绵吸水方式；而可溶NSP，则将水分子植入於架构中，而这点也可说明当高浓度时，会形成胶体的原因。这些效应会彻底改变消化物的物理性质，进而改变其在肠道的生理活力，亦即增加对蠕动的抗力。

        (4)离子架桥(ionic bridges)：某些NSP，如pectins在某pH值下，当酸根离子在时，会带相当量的电荷密度，由於NSP本身的立体结构可允许螯形物(chelate agents)的加入。因此，阳离子会使得NSP分子间形成ionic bridges，此乃影响黏稠度及形成胶体(gel)的原因。

表1. 历年来enzyme添加於饲料中的相关报告

四、饲料制程对消化率、enzyme活力的影响：

        (一)添加enzyme对营养分利用率之影响

        NSP的大部分物理性质，主要系受分子上链长度的影响。假如其主链受到enzyme的破坏，则溶液的黏稠度及胶着程度，即可抑制。实际上，当wheat-based日粮加入glycanases後，姑且不论其能量代谢利用率是可增加，然而可确定的是其消化物的黏稠度明显地受到抑制(Choct et al., 1994)。其它类似添加enzyme於wheat-based日粮的试验，如表2所列。然而，需要注意的是，NSP的分解也会影响到其surface activity和ion binding capacity，且部分的anti-nutritive activity也会因此受到调整。但若要实际去检测这些因素各别的影响程度，是非当困难的。

表2. 饲料制程与enzyme添加对黏稠度、消化率之影响

(二)饲料制程对营养分利用率之影响

        饲料有时为因应饲养的方便与饲养动物的种别，而将饲料经由pelleting或extruding制成粒状，而碳水化合物的糊化作用乃是影响粒状质地的主要因子。由於碳水化合物主要由螺旋状的直链分子及呈分歧状的支链分子组成，以extruding的糊化作用机制为例：

        1. 在糊化过程中加入水份，使直链分子的螺旋状晶体破坏分解，进而使分子颗粒变大。

        2. 经由加热及更多的水份，使得颗粒膨胀更大，此时直链分子开始渗透到颗粒外。

        3. 分子颗粒内的支链分子大部分彼此互相重叠，而形成直链分子的母体，进而形成胶体。而pelleting制粒过程虽无蒸煮步骤且温度较低，然而糊化的作用机制大致相同。

        而碳水化合物除了淀粉分子外，尚有大量的NSP分子，因此早期的研究(Fleming and Kawakami, 1977)曾以不同的萃取温度(40~100℃)，发现在高温下含有较多的β-glucans。由於在extrusion制粒过程中，长链的NSP发生溶解现象，使得黏稠度增加，并因而导致减抑营养分在vitro中的扩散(Fenlar and Marquardt, 1988)及家禽类的生长性状(Bedford and Classen, 1992；Pfirter et al., 1993；Vukic Vranjes and Wenk, 1995)。

        Extrusion影响营养成分脂肪(fat)利用率的原因：

        (1)因viscosity↑，抑制big fat micells的扩散(Salih et al, 1991；Hofshagen and Kaldhusdal, 1992)；或者因viscosity↑，使amylose-lipid结合紧密，不易消化(Mercier et al., 1980)，进而导致粪便残留fat量增加↑。

        (2)因fat易於挥发散热，因此制粒後粗脂肪含量较未制粒前之量约损失1％左右(Magen, 1978；Vukic Vranjes, Pfirter and Wenk, 1995，见表2)。

        (3)因viscosity↑，导致饲料团通过肠道速率↓(下降)，并使菌落在小肠上部易於植生。

        而经由pelleting後饲料其黏稠度比较小，故营养成分的利用率较不受制程的影响(见表2)。

(三)饲料制程与enzyme的交感作用

        饲料经过热处理(autoclaving, extruding, pelleting)，不仅会改变饲料中淀粉和纤维(如NSP)的结构，也会使添入的enzyme不活泼，因而使得饲料中的营养价值减低，如表3所列各研究报告。而在某些情形下，如为移除饲料中的Salmonella，制粒时的温度需高於平常的温度。因此，enzyme耐受不同制程温度下的能力，即为enzyme在商业利用下的重要决定因素。

表3. 历年来饲料制程与enzyme添加於饲料中的相关报告

        在表2中，当饲料经由extrusion或pelleting後，营养成分利用率减小，虽然pelleting的制程影响较不明显。此乃制粒後的饲料中，因纤维可溶解性增加(souble fibre↑，insouble fibre↓)，使得饲料的黏稠度增加，因而使mE及fat的利用率减少。不过，对肉鸡的生长性状均无显着的差异。

        由表2中viscosity in vitro来看，enzyme经由extrusion或pelleting後，enzyme发挥减抑饲料黏稠度的能力，各减少65％ vs. 52％。然而其对饲料因制粒过程所增加的黏稠度之剩馀改善能力，仍可提高营养成分利用率。如果enzyme的添加是在制粒後才进行，则更可以发挥出processing×enzyme的交感作用，尤其是对extrusion後的饲料更为明显。

结论

        综合以上各研究报告，已经可确立添加enzyme於wheat, rye或barley等谷物类基础日粮中，尤其是当饲料先经过extrusion或pelleting的制程且使饲料黏稠度增加时，确实有改善单胃动物的营养利用价值。因为glucanase的加入，可使得可溶性NSP分解成与原来polysaccharides不同物理性质(如黏稠度)的较轻小分子。

        因此，只要麦类谷物使用於饲料日粮中，或其含有相当量的NSP(如arabinoxylans和β-glucans)时，则须有系统的分析enzyme添加後的潜在利益。

        另外由以往的研究显示，enzyme的添加大都对营养成分的利用率有改善作用，而对动物的生产性能改善效益不大。因此，enzyme的添加研究，应该从另一个角度，亦即致力於提升较差品质原料的利用价值之应用研究。

        除了上述所提之外，添加enzyme於饲料中时，最好能符合下列三大要点：

        (1)原料中具有相当可抗营养价值的NSP含量，足够引起产能问题时，才适量加入。

        因过去分析纤维的含量(NDF, ADF)，不足以作为NSP存在与否及存在量多寡的依据。必须先较先进的分析方法，来测定原料成分中NSP含量，方能检测是否会引起生产性能问题。

        (2)添入的enzyme须对该NSP有相当的活力。

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

        (3)为能在体中分解polysaccharides，该enzyme须能在饲料制程中维持一定的活力；否则enzyme最好在饲料制粒後，再以喷 式加入。

饲料营养杂志(p.49～56)─黄文林、九六年十二期