碳水化合物酶組方優化與豬飼料的精準高效利用

鐘儒清 ，白國松 ，孫 越 ，陳 亮

（1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所動物營養學國家重點實驗室，北京 100193；2.北京市畜牧總站，北京 100020）

前言

“豬糧安天下”。國家統計局數據顯示，2021年我國豬肉產量達到5 296萬噸，占到世界豬肉總產量的近50%。同年我國糧食總供給量為8.7億噸，包括進口1.65億噸，對外依存度達到新高。而養殖業飼料的消耗總量約為4.5億噸（豬飼料的消耗量超過了2億噸），占我國糧食總供給量的51.7%（農業農村部，2021），“人畜爭糧”矛盾加劇，嚴重影響到國家糧食安全。因此，充分發揮我國非糧型飼料資源來源廣、種類多、總量大的優勢，利用或者開發多種技術方案，提高其在生豬養殖上的利用效率，是解決“人畜爭糧”矛盾的重要研究方向。

酶制劑具有催化效率高和高度專一性的特性，且作用條件溫和，已經被廣泛應用于飼料養殖行業。除可提高生豬養分消化率，改善生產性能外，還在減少氮磷排放、替抗減抗、調控腸道健康等方面得到拓展應用。據估計，2020年我國飼用酶總產量約為6.3萬噸，其中植酸酶占比超過30%，已經成為豬禽飼料中的常規添加劑。碳水化合物酶是可以催化降低聚合碳水化合物分子量的一類酶的總稱，也是除植酸酶外，在豬飼料中第二普遍使用的一類酶制劑。特別是在非糧飼料的高值化利用過程中，碳水化合物酶通常被用于降低非糧飼料中非淀粉多糖（NSP）等抗營養因子的負面作用，提升生豬的生長和健康水平。但是碳水化合物酶種類多樣，功能機制各不相同，如何科學精準地使用碳水化合物酶，成為近年來的研究熱點。

1 常見碳水化合物酶及功能

碳水化合物是多羥基的醛、酮或者其簡單衍生物以及能水解產生上述產物的化學物質的總稱，又可細分為單糖、低聚糖或者寡糖、多聚糖、木質素等其他化合物四大類。在飼料生產與養殖行業，飼用碳水化合物酶通常被用于將飼料中高分子量的多聚糖降解為分子量較低的低聚糖或者單糖，根據其催化底物的不同，可以分為木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纖維素酶、甘露聚糖酶、果膠酶、淀粉酶等多種常見酶類，以下列舉介紹部分常見碳水化合物酶。

1.1 木聚糖酶

木聚糖是構成植物細胞壁的主要成分，可以占到植物細胞干重的15%~35%，經過部分降解可以形成低聚木糖，徹底降解則可以得到木糖、阿拉伯糖等。木聚糖酶最初是從臭曲霉真菌中分離出來的，是在畜禽生產中使用最廣泛的一組飼用碳水化合物酶，主要由β-1，4-內切木聚糖酶、β-木糖苷酶、α-L-阿拉伯糖苷酶、α-D-葡糖苷酸酶、乙?；揪厶敲傅冉M成。木聚糖酶主要通過內切水解木聚糖主鏈上β-1，4-D-吡喃木糖苷鍵破壞木聚糖的大分子結構，而后經過多個酶種的協同作用，降解為低聚糖或者單糖形式，以減輕木聚糖的抗營養作用。

1.2 β-葡聚糖酶

β-葡聚糖酶是另一類在豬飼料與養殖行業廣泛使用的水解酶類。β-葡聚糖是指由β-葡萄糖通過β-1，3-糖苷鍵、β-1，4-糖苷鍵或β-1，6-糖苷鍵聚合形成的多聚糖，是組成植物細胞壁的成分之一，在小麥、大麥、燕麥等谷物中含量尤其豐富。β-葡聚糖酶可以專一作用于β-葡聚糖的1，3及1，4糖苷鍵，在內切β-葡聚糖酶和外切β-葡聚糖酶兩種形式的酶共同作用下，將β-葡萄糖水解為低聚糖及葡萄糖，以降低其抗營養特性，提高豬的生長速度和飼料轉化效率。

1.3 纖維素酶

纖維素是自然界含量最多、分布最廣的一種多糖碳水化合物，由幾百至上萬個D-葡萄糖通過β-1，4-糖苷鍵連接組成，是組成植物細胞壁的主要成分。纖維素酶是一類能夠將纖維素水解為單個葡萄糖的酶的總稱，按照功能可以分為葡聚糖內切酶、葡聚糖外切酶和β-葡聚糖苷酶等，不同酶系相互協同才能將纖維素完全分解。首先是葡聚糖內切酶作用于纖維素的非結晶區，暴露出游離末端；隨后由外切酶從多糖鏈的非還原末端，水解下二糖單位；最后由β-葡聚糖苷酶將其進一步分解成單個葡萄糖，以降低纖維素的抗營養負面作用。

1.4 果膠酶

果膠是一類主要由D-半乳糖醛酸以α-1，4-糖苷鍵連接聚合的酸性雜多糖，其廣泛存在于植物細胞壁的初生壁和細胞中間片層中，既能連接相鄰細胞使他們形成一個整體，又有緩沖作用，不阻礙細胞生長。果膠酶是一類能夠分解果膠的酶的統稱，根據作用方式的差異，可以細分為果膠酯酶、果膠酶和原果膠酶。原果膠酶可以切斷聚甲氧基半乳糖醛酸和阿拉伯糖之間的化學鍵，水解不溶性原果膠為水溶性果膠；果膠酯酶能夠分解甲氧基與半乳糖醛酸之間的酯鍵，將水溶性果膠水解為半乳糖醛酸和甲醇。通過以上作用方式，果膠酶可以促進植物細胞內容物徹底暴露出來，使營養物質得到進一步釋放。

1.5 淀粉酶

淀粉是以α-D-吡喃葡萄糖為基本結構，聚合而成的高分子碳水化合物，是綠色植物貯存能量的一種方式，也是人類飲食中最常見的碳水化合物。淀粉可以分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩類，直鏈淀粉由葡萄糖單元以α-1，4-糖苷鍵連接聚合而成；支鏈淀粉則是在分支位置通過α-1，6-糖苷鍵連接，其余也是通過α-1，4糖苷鍵連接。淀粉酶是作用于各種淀粉糖苷鍵的一類酶的總稱，主要包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶、支鏈淀粉酶、異淀粉酶等等。其中α-淀粉酶屬于內切型糖苷酶，主要水解直鏈淀粉或支鏈淀粉直鏈部分的α-1，4-糖苷鍵；β-淀粉酶屬于外切型糖苷酶，主要作用于支鏈淀粉分支部分的β-1，6-糖苷鍵；糖化酶也屬于外切型糖苷酶，可以水解α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵。淀粉酶常報道用于仔豬和家禽上，以補充內源淀粉酶分泌不足。

2 復合碳水化合物酶的優化及在豬飼料中的應用

2.1 復合碳水化合物酶

自20世紀90年代開始，我國飼用酶制劑行業進入快速發展階段，已經實現了在豬飼料中的廣泛應用。各飼料生產與養殖企業也從最初簡單粗糙地添加某一單品類酶制劑，逐步進步到將多個單酶制劑混合設計，以更能充分全面地提高飼料利用效率，促進飼料降本增效。而在豬養殖實踐中，添加復合碳水化合物酶的效果也毫無疑問地優于單個酶的添加。近年來諸多研究報道證明，除了顯著提高生長性能和養分消化率外，復合碳水化合物酶還在提升豬腸道有益菌、維護腸道健康和減少CO2等有害氣體排放上發揮著重要作用（表1）。

表1 外源復合碳水化合物酶在生豬生產上的研究進展

2.2 碳水化合物酶的組合優化方法

在生豬養殖中，使用復合碳水化合物酶的效果，要明顯優于單個酶添加已經成為行業的共識。而如何根據不同類型單酶的作用效果，結合豬不同生理階段特點、飼料原料特征、飼料加工工藝等方面的影響，合理搭配獲得最優的效果及最佳的經濟效益，特別是實現非糧型飼料的高效精準利用，已成為許多研究者關注的要點。

2.2.1 基于酶活測定的組合設計

在動物營養領域規定：在特定條件下（特定溫度、pH和底物），單位時間內將一定量的底物轉化為產物所需的酶的量即為酶單位（U）。而酶的含量則用單位重量或者單位體積的酶制劑含有多少酶單位來表示（U/g或U/mL）即酶活。碳水化合物酶組合設計最簡單的方法，就是根據前期實踐經驗或者已經設計好的成熟酶譜，按照生產廠家提供的酶活或者按照標準方法測定的酶活進行搭配，從而獲得需要的組合酶產品。但是該方法忽略了不同來源酶、不同酶活測定方法、不同飼料原料類型、不同動物生理階段等，對酶組合優化效果的影響。

2.2.2 基于豬動物試驗的組合設計

任何優化的碳水化合物酶組合，都必須要在豬飼養實踐中驗證其作用效果。因此，采用豬動物試驗法篩選最優的碳水化合物酶組合，能更加真實地反映飼用酶制劑的營養價值，也是目前使用最為廣泛的組合設計方法。豬動物試驗一般通過消化代謝試驗中養分消化率、消化和代謝能值等指標，以及生長試驗的日增重、采食量、料重比等指標參數，協助碳水化合物酶的組合設計。但是因為單一酶的種類繁多，且需要設置較多個添加梯度，豬的不同生理階段消化能力差異較大，且飼料原料變化多樣等原因，使豬動物試驗法工作任務繁重、費時費力、成本高昂。同時，在豬動物試驗中因為豬個體差異性較大引起的誤差，容易掩蓋碳水化合物酶組合對生長性能和養分消化率帶來的提升效果。

2.2.3 基于體外消化法的組合設計

體外消化方法通過模擬豬的消化道生理，在飼料生物學效價評定上與動物試驗法有較強的相關性，可以用于最佳外源酶組合的設計篩選，解決了動物試驗成本高昂、費時費力的難題，具有操作簡單、經濟快速、重復性好、可以大批量操作、易于標準化等等優點。自20世紀50年代以來，各國學者探索建立了一步法（單酶法）、兩步法（胃蛋白酶-胰液酶法、胃蛋白酶-豬小腸液酶法）和三步法（胃蛋白酶-胰液酶-瘤胃液酶法、胃蛋白酶-胰液酶-糞提取液酶法和胃蛋白酶-胰液酶-復合纖維素酶法）等體外消化方法。動物營養學國家重點實驗室，通過前期建立的豬禽飼糧生物學效價仿生評價方法，采用二次回歸旋轉正交組合試驗設計，建立了6種碳水化合物酶和飼糧體外消化率的回歸關系，優化篩選出了基于玉米-豆粕型飼糧、玉米-DDGS型飼糧、玉米-雜粕型飼糧和小麥-豆粕型飼糧的豬碳水化合物酶組方，在豬動物試驗中具有較好驗證效果。

3 碳水化合物酶精準高效組合施用面臨的挑戰

近年來已經有越來越多的豬碳水化合物酶組方優化設計研究，但是當前飼用酶界關于酶制劑效果評定，和最優組合酶篩選仍然沒有統一的方法標準。碳水化合物酶精準高效組合施用，仍然面臨著酶制劑活性測定標準不統一，飼料原料類型龐雜多樣，豬不同生理階段消化特征與外源酶制劑效果的耦合關系，酶制劑的加工穩定性等諸多挑戰。

3.1 飼用碳水化合物酶活力測定方法

經過長期科研攻關，我國科研工作者已經制訂了包括木聚糖酶、纖維素酶、β-葡聚糖酶在內的外源酶活力測定國家和行業標準。另外有許多科研、企業、事業單位為了科研和生產目的，制定了諸多其他酶制劑活力測定方法。但是因為不同外源酶的來源不同，將直接影響酶制劑的最佳反應溫度、pH和對底物的親和性，這也導致不同來源酶用不同方法測值各有不同。更有不少酶制劑生產企業為了宣傳目的，專門制定符合自身利益的外源酶活力測定方法，而實際使用效果并不一致。為此，外源酶制劑活力評價方法的不統一，大大限制了不同碳水化合物酶產品的優化組合設計和標準化應用。

3.2 豬不同生理階段的消化特性

通常認為豬比家禽的消化道長，對營養物質的消化更加徹底，外源碳水化合物酶制劑對營養物質消化率的改善作用效果有限。另外，不同生理階段豬的消化道長度、容積與微生物區系不同，消化酶分泌能力不同，消化液生理參數不同，對不同類型飼糧的消化能力也存在差異，因此在不同生理階段使用外源碳水化合物酶制劑起到的效果也就千差萬別。仔豬階段因其消化器官和內在生理環境發育不完全，對飼糧的利用率有限，更需要補飼碳水化合物酶等外源酶制劑。對于處于亞健康和生理應激階段的豬只，使用外源酶制劑也有助于提高豬對飼糧養分的消化吸收能力，進而改善豬的健康狀態。

3.3 飼料原料龐雜多樣

當前，為解決“人畜爭糧”矛盾，保障國家糧食安全，大量非糧飼料原料被用于養豬生產中。但是，我國非糧飼料原料來源廣泛、種類繁多、貯存加工方式多樣，還具有明顯的區域性、季節性、周期性。而外源酶制劑確具有專一性的特點，不同飼料原料營養成分和化學結構上的差異，都會使碳水化合物組合酶的利用效果大打折扣。

3.4 碳水化合物酶自身的加工穩定性

外源碳水化合物酶制劑的本質仍是蛋白質，任何影響蛋白質活性的因素都會影響酶制劑的活性。在進入到豬消化道前，外源酶制劑在保存或者飼料加工過程中，溫度、空氣、光照等因素都可能導致碳水化合物酶制劑酶活降低。外源酶制劑包括固體型、液體型、顆粒型等不同劑型對使用效果也存在影響，通常粉狀劑型的酶制劑抗逆性差，更容易受到飼糧中微量元素、酸化劑等成分的頡頏，也更容易被飼料制粒過程中高溫所破壞。酶制劑進入到豬消化道內，會受到豬消化道內胃蛋白酶、胰蛋白酶等的影響，削弱外源酶制劑的效果。此外，不同類型外源酶制劑之間還存在不同類型的互作或頡頏效應，因此需要充分考慮不同外源酶制劑的合理搭配，才能獲得最佳的使用效果。

4 小結

目前，我國飼料用酶制劑的普及率在60%以上，若按照完全普及并可提高5%~25%的利用率計算，每年可再節約糧食900萬~4 500萬噸，同時還有助于非糧飼料原料的廣泛高效利用，將大大緩解“人畜爭糧”矛盾，保障國家糧食安全。當前，特別是在我國碳水化合物酶組方優化，與豬非糧飼料的精準高效利用方向，還有很大的探索空間：1）迫切需要開發一種精準評估酶制劑效果的統一方法或者酶活力單位，真正解決酶制劑添加量和組方設計上的盲目性；2）對不同來源非糧飼料原料展開更加廣泛的營養成分分析和養分效價評估，對不同生理階段豬消化生理參數持續進行深入研究，以更加準確地把握飼料原料養分參數和豬本身的消化生理參數對酶制劑效果的影響；3）開發更加簡便快捷、經濟高效、省時省力、重復性好的碳水化合物酶效果評價和組方設計方法和裝置，使外源酶制劑精準高效地施用。