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果胶酶在动物饲料中的应用
发布时间:2017-03-21
, , rgin-, top:0.0pt; margin-right:0.0pt; margin-bottom:0.0pt; margin-left:0.0pt; text-indent:0.0pt; text-align:justify; text-justify:inter-ideograph; line-height:20.0pt; mso-line-height-rule:exactly; page-break-before:auto; mso-pagination:none; page-break-after:auto; mso-outline-level:body-text; mso-hyphenate:auto; layout-grid-mode:both; mso-layout-grid-align:auto; punctuation-trim:none; punctuation-wrap:hanging; text-autospace:ideograph-numeric ideograph-other; mso-line-break-override:none; mso-vertical-align-alt:auto; word-break:normal; direction:ltr">3.2.2  果胶裂解酶

果胶裂解酶主要是通过反式消去作用裂解大分子果胶。它先断开半乳糖酸酸残基中的α-1,4糖苷键,同时在非还原性末端的半乳糖醛酸的C-5位置上消去一个H原子,使非还原性末端产生一个含双键的不饱和产物[12]。果胶裂解酶分为聚甲基半乳糖醛酸裂解酶(PMGL)和聚半乳糖醛酸裂解酶(PGL)。PMGL断开高酯化果胶中的α-1,4糖苷键,PGL切开果胶酸中的α-1,4糖苷键。内切型聚甲基半乳糖醛酸裂解酶(Endo-PMGL)和内切型聚半乳糖醛酸裂解酶(Endo-PGL)分别随机切开高酯化果胶和果胶酸分子内部的α-1,4糖苷键,外切型聚甲基半乳糖醛酸裂解酶(Exo-PMGL)和外切型聚半乳糖醛酸裂解酶(Exo-PGL)分别从非还原末端依次切开高酯化果胶和果胶酸中的α-1,4糖苷键。果胶水解酶作用底物时不需要Ca2+参与,而果胶裂解酶作用时需要Ca2+参与。

果胶酶的来源

微生物果胶酶来源广泛,细菌、真菌、放线菌都能产果胶酶[13],研究和应用较多的产酶菌是真菌。市售的果胶酶主要来自真菌中的黑曲霉,最适作用pH值在酸性范围内,属酸性果胶酶。该酶在食品工业上应用广泛[14],也是饲料中普遍使用的果胶酶。近年来,一些来源于细菌杆菌属(主要是芽孢杆菌)的碱性果胶酶日益受到重视。碱性果胶酶在碱性范围内具有较高的活性,在棉织物精炼、麻类脱胶、榨油、茶叶和咖啡发酵、废水处理等领域具有较大的应用价值[15]

果胶酶在动物饲料中的应用

目前,动物饲料中普遍使用的果胶酶是酸性果胶酶,多数由黑曲霉发酵产生。该酶的最适作用温度为4050,最适作用pH3.04.0,具有良好的耐酸性能,在动物体温的条件下具有较强的活性。碱性果胶酶因其最适作用pH值与动物胃肠道pH值不符,目前在饲料中应用较少。

饲料中添加果胶酶后,作用主要体现在:1破坏植物细胞壁,促进营养物质的释放;2降低食糜粘度,提高消化酶活性;3增加消化酶与营养物质的作用时间,促进营养物质的消化吸收,提高饲料的营养价值[16-17]Kashyap[18]研究表明,果胶酶能防止果胶引起的雏鸡生产性能下降。Cowan[19]试验表明,添加果胶酶可改善肉鸡的生产性能。张礼星等[20]试验表明,果胶酶可显著提高仔鸡全期增重,降低料肉比,干物质、粗蛋白、有机物和粗纤维的消化率提高了11.0%22.5%梅宁安等[21]通过在日粮中添加0.01%6000U/g的果胶酶,发现肉鸡日增重提高了9.19%,料重比降低了7.06%,死淘率降低了33.73%。王春林等[22]研究了在日粮中添加金霉素50mg/kg500mg/kg1000mg/kg两种不同添加量的果胶酶对肉仔鸡生长性能及屠宰性状的影响,结果表明果胶酶在肉仔鸡21日龄前促生长效果显著,平均日增重和平均日采食量均显著增加,饲料转化率显著提高,与抗生素效果相当;2142日龄时仅500mg/kg果胶酶组出现平均日采食量比对照组增加,但饲料转化率较其他各组显著降低;4254日龄时仅500mg/kg果胶酶组平均日增重显著高于抗生素组,饲料转化率显著提高。许毅[23]研究了果胶酶对肉鸡玉米-豆粕型日粮养分利用率的影响,结果表明果胶酶有改善肉鸡生产性能的趋势,全期日增重和料重比均有不同程度的改善,其中显著提高了前期生产性能,后期不显著,生产性能的提高并不随果胶酶的添加水平线性增加;果胶酶显著提高了干物质、粗纤维和粗蛋白的消化率,对能量、粗灰分利用率有改善的趋势,对粗脂肪的利用率无明显影响,对钙、磷利用率的影响有待进一步研究。姜晓霞等[24]研究了果胶酶对肉鸡生长性能及血液生化指标的影响,结果表明添加果胶酶组各期的平均日增重、体重均比对照组显著增加,料肉比均显著降低,各期的尿酸、尿素氮比对照组显著降低。王宝维等[25]研究了果胶酶对肉鸡消化生理的影响,发现28日龄时添加果胶酶对十二指肠、胰腺的淀粉酶、脂肪酶、胰蛋白酶活性以及空肠的脂肪酶活性均有显著提高,胃蛋白酶活性极显著于对照组;49日龄时果胶酶组胰腺的淀粉酶、脂肪酶、胰蛋白酶活性,十二指肠的淀粉酶、胰蛋白酶活性,空肠的脂肪酶活性以及胃蛋白酶活性均显著高于对照组;与对照组相比,果胶酶组空肠的绒毛高度显著提高,肠壁厚度显著降低。雷廷等[26]报道了在饼粕类饲料原料中添加果胶酶对肉鸡回肠氨基酸消化率和代谢能的影响,结果显示添加果胶酶后肉鸡对豆粕、棉籽粕的代谢能和氨基酸消化率均有提高,但菜籽粕的代谢能和氨基酸消化率无显著变化。

果胶与纤维素、半纤维及少量的伸展蛋白共同组成植物细胞壁结构。植物细胞初生壁干物质中大约包含35%的果胶、30%的纤维素、30%的半纤维素和1%5%的结构蛋白[27]要彻底裂解植物细胞壁,释放营养物质,需要果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶和蛋白酶的共同作用。毛倩倩等[28]研究了在高纤维饲粮中添加果胶酶和纤维素酶对五龙鹅生长性能、屠宰性能及肉品质的影响,发现高纤维日粮中添加10000U/kg果胶酶能够提高五龙鹅的生长性能和屠宰性能,10000U/kg果胶酶与40000U/kg纤维素酶配合使用效果更佳。殷太岳等[29]研究了果胶酶和纤维素酶对五龙鹅养分表观利用率、消化酶活性剂排泄物指标的影响,结果表明果胶酶和纤维素酶可提高五龙鹅养分表观利用率和肠道酶活性,但对排泄物指标无影响。Kocher [30]研究表明果胶酶、纤维素酶和蛋白酶共同添加时能显著提高豆粕日粮的表观代谢能,提高回肠蛋白质消化率。Tahir[31]也报道,果胶酶、纤维素酶、半纤维素的协同作用,使肉鸡对蛋白质的消化率得到提高,添加果胶酶后降低蛋白质的使用量而不影响肉鸡生产性能。王菊花等[32]研究了果胶酶和纤维素酶对中性蛋白酶体外酶解棉籽粕效果的影响,发现无论单独添加还是同时使用,果胶酶均能提高还原糖生成量和蛋白质水解度。尹凤林[33]、韦仁和[34]、王晔[35]等报道在日粮中添加含果胶酶的复合酶制剂,均可显著促进动物生长,提高饲料转化率,大幅度降低饲料成本。

果胶酶应用存在的问题及展望

目前,饲用酶制剂的研究热点是蛋白酶、脂肪酶等消化酶以及木聚糖酶、纤维素酶等非淀粉多糖酶,果胶酶在饲料中的研究和应用并未得到重视。有关单一果胶酶在饲料中的应用报道也主要集中在鸡、鹅等家禽,在猪上的应用鲜有报道。饲料企业重视木聚糖、葡聚糖等半纤维素造成的食糜粘性问题,尚未充分认识到果胶对营养物质的包裹作用引起的抗营养效应。饲料行业针对果胶酶及其作用底物果胶的结构化学开展的专业研究较少。饲料中使用的果胶酶多数来自于黑曲霉,主要采用液体发酵方式生产,产率不高。饲料行业没有果胶酶国家标准或行业标准,各个企业酶活检测标准不统一。玉米豆粕型日粮是我国应用最为广泛的饲料类型。饼粕类植物性蛋白质饲料中果胶含量很高,果胶对饲料中蛋白质消化吸收的抗营养作用尤为突出。在饲料中添加果胶酶对于裂解植物细胞壁,释放养分,提高营养物质的利用率作用显著。开发和研究果胶酶对提高植物性蛋白质饲料利用率、节约饲料具有重要的理论意义和应用价值。 

参考文献(略)


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高研 吴勃 刘金爱

杭州保安康生物技术有限公司 浙江杭州 310014

摘要:果胶是饲料中重要的抗营养因子,不能被单胃动物自身分泌的消化酶水解。果胶溶于水呈胶体状态,使食糜粘度增加,阻碍营养物质的释放与扩散,影响消化酶活性,降低营养物质的消化与吸收。在动物饲料中添加果胶酶,可以破解植物细胞壁,降低食糜粘度,提高消化酶活性,促进营养物质的消化与吸收,提高饲料利用率,改善动物生产性能。

关键词:果胶;果胶酶;饲料利用率 

果胶的结构与性质

动物日粮中,植物性饲料原料占饲料配方的一大半。果胶广泛存在于玉米、豆粕等植物性饲料原料的初生壁和胞间层中,对组织细胞起软化和粘合作用。果胶与纤维素、半纤维素、木质素以及少量的伸展蛋白通过共价键或次级键相互交联在一起,将大分子营养物质包裹在植物细胞壁中,形成坚固的营养屏障,阻碍动物对营养物质的消化与吸收,降低饲料的营养价值。

对果胶结构化学的研究表明,果胶化学结构非常复杂。它是由D-半乳糖醛酸通过α-1,4糖苷键连接形成主链和含20%中性糖类形成侧链共同组成的高分子聚合物,分子量530。果胶分子中主要包含三类多糖:半乳糖醛酸聚糖(HGA)、鼠李半乳糖醛酸聚糖RG)和鼠李半乳糖醛酸聚糖RG[1]HGA(约65%)是由D-半乳糖醛酸以α-1,4糖苷键连接形成的线性长链,由100500个半乳糖醛酸残基组成,部分D-半乳糖醛酸上的羧基可被甲醇酯化形成甲酯。根据甲酯化程度的不同将果胶分为高甲氧基果胶(HM)和低甲氧基果胶(LM)。HGA分子中半乳糖醛酸的C-3位也可被木糖取代形成木半乳糖醛酸聚糖(XGA),也有的C-2C-3位羟基被部分乙酰脂化[2]RG20%35%是由D-半乳糖醛酸与L-鼠李糖经α-1,2糖苷键结合交替组成重复单元形成主链,在鼠李糖的C-4位约20%80%被阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳聚糖等中性糖取代形成侧枝。RG(约10%)的结构更为复杂,它由至少8个以上以α-1,4糖苷键连接的半乳糖醛酸为重复单元构成主链,而在半乳糖醛酸的C-2C-3位上又含有阿拉伯糖、半乳糖、鼠李糖、木糖、甘露糖、海藻糖、芹菜糖等中性糖,以多于20种以上的键和方式连接形成支链。目前,HGARGRG在果胶中的分布状态尚不完全清楚[3]果胶虽然发现较早,但是关于果胶详细的化学结构,仍有待进一步研究。

植物中的果胶物质一般有三种形态,即原果胶、果胶和果胶酸。原果胶是填充于植物组织中的果胶物质,多与纤维素、半纤维素结合,不溶于水,果实成熟时可转化成可溶性果胶。果胶由羧基经不同程度的甲酯化而成并含有中性糖侧链。果胶酸是由半乳糖醛酸通过α-1,4糖苷键连接而成的直链状聚合物,不含甲酯基。果胶溶于热水,微溶于冷水,不溶于乙醇及其他有机溶剂。果胶溶于水后形成粘稠的凝胶溶液,呈弱酸性,其粘性随分子量、酯化程度、pH及电解质的存在有关。一般来说,分子量越大,粘度越高;分子链越长,粘度越大;酯化度越高,粘度越低[4]。果胶在pH 3.5时最稳定[5]

从表1可以看出,豆粕、菜籽粕、花生粕等植物性蛋白质饲料中果胶含量较高,玉米、小麦、高粱等能量饲料中果胶含量相对较低。果胶对植物性蛋白质饲料的影响高于能量饲料。

果胶的抗营养作用

果胶是饲料中重要的抗营养因子。Schneeman[6]研究发现果胶能够在肠道中产生粘胶,显著增加了食糜的粘度;Roberfeoid[7]发现高食糜粘度降低了胃排空速度,采食量减少。Lin[8]研究表明添加果胶后胰淀粉酶、胰脂肪酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶的活性显著降低。Langhout[9]在日粮中添加果胶3mg/kg,结果发现显著降低了肉鸡日增重和饲料转化率。Lagreca[10]报道添加2%果胶后显著降低了仔猪日增重和饲料转化率。果胶的抗营养作用主要包括以下几个方面。

2.1  增加食糜的粘度

果胶不能被单胃动物自身分泌的消化酶分解。果胶溶于水后,能够保持10倍于自身重量的水分,使食糜呈胶体状态,增加了食糜的粘稠度,减缓了食糜在消化道内的流通速度,降低了畜禽的采食量。果胶可与肠道内的的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等消化酶结合,阻碍这些酶与底物发生反应,降低了消化酶活性。粘度的增加使肠道内食糜机械混合的能力受阻,影响已经消化的养分向肠粘膜的移动,降低营养物质的消化吸收率。

2.2  阻碍营养物质的释放

植物细胞壁是细胞的保护结构。但对畜禽而言,它却阻碍了动物对细胞内营养物质的消化吸收。果胶填充于植物细胞壁的胞间层和初生壁中,将大分子营养物质牢牢包裹在细胞壁中。要使植物细胞壁彻底裂解,首先要破坏的是细胞间的胞间层,解离出细胞组织,再破坏初生壁和次生壁,才能彻底释放出被包裹的营养物质。果胶束缚了营养物质的充分释放,在营养物质与消化酶之间形成了一道营养屏障。

2.3  改变肠道微生物菌群

饲料养分消化率的降低将导致营养物质在肠道内蓄积,富含养分的食糜是细菌理想的培养基。食糜通过消化道速度的降低,为细菌特别是致病菌的繁殖提供了有利条件。大量有害微生物的增殖,会使肠道微生物菌群失调,刺激肠道粘膜层增厚,损害微绒毛,使动物腹泻率增加,影响动物健康,甚至抑制动物生长。

果胶酶的分类及其作用机制

果胶酶是指能够协同分解植物中果胶物质的多种酶的总称,是含有多种组分的复合酶。果胶酶按其最适作用pH值分为酸性果胶酶和碱性果胶酶。一般根据酶对底物作用方式的不同,将果胶酶分为果胶酯酶和果胶解聚酶两大类[11]

3.1  果胶酯酶

果胶酯酶是一种羧基酯酶,具有脱酯化作用,它随机切开果胶主链上的甲氧基与半乳糖醛酸之间的酯键,产生甲醇和果胶酸。果胶酯酶对果胶酸甲酯有较高的专一性,其水解速度随底物的链长减少而降低。果胶酯酶对作用底物的聚合度有一定要求,当底物的聚合度小于10时,果胶酯酶的水解速度随底物的链长减少而降低;当聚合度小于3时,水解速度几乎为零。

3.2  果胶解聚酶

根据作用方式的不同,果胶解聚酶分果胶水解酶和果胶裂解酶。

3.2.1  果胶水解酶

果胶水解酶是指在有水参与反应的情况下断开果胶分子中D-半乳糖醛酸残基之间的α-1,4糖苷键。根据作用底物的结构不同,果胶水解酶分为聚甲基半乳糖酸酸酶(PMG)和聚半乳糖醛酸酶(PG)。PMG水解高酯化果胶中的α-1,4糖苷键,PG水解果胶酸中的α-1,4糖苷键。根据作用位点的差异,聚甲基半乳糖酸酶分为内切型聚甲基半乳糖醛酸酶(Endo-PMG)和外切型聚甲基半乳糖醛酸酶(Exo-PMG)。内切型聚甲基半乳糖醛酸酶(Endo-PMG)随机切开高酯化果胶分子内部的α-1,4糖苷键,外切型聚甲基半乳糖醛酸酶(Exo-PMG)则从高酯化果胶分子的非还原末端依次切开α-1,4糖苷键。聚半乳糖醛酸酶(PG)也分内切型聚半乳糖醛酸酶(Endo-PG)和外切型聚半乳糖醛酸酶(Exo-PG),前者随机断开果胶酸分子内部的α-1,4糖苷键,后者从非还原末端依次切开果胶酸中的α-1,4糖苷键。有内切活性的果胶水解酶易受到甲酯化羧酸基团的影响。为使果胶完全水解,通常先用果胶酯酶预处理,再用解聚酶,水解效果更彻底。内切型果胶水解酶可使果胶粘度迅速下降,外切型果胶水解酶作用后粘度下降不明显。

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