细胞壁结构对粗饲料纤维降解的因素分析

■曹升旭 吴晓辉 郑 飞 刘大森

（东北农业大学动物科学技术学院，黑龙江哈尔滨150030）

1 粗饲料中纤维及其纤维降解率的作用

粗饲料中的纤维成分是维持反刍动物瘤胃正常功能，以及机体健康生长的必不可少的一部分。NDF在反刍动物营养中主要起到维持瘤胃环境和提供营养的作用。NDF的降解率（NDFd）影响反刍动物的干物质采食量(DMI)，这是因为反刍动物瘤网胃的胃壁上分布着许多连续的接触性受体，随着食糜重量的增多和体积增大会对这些受体造成刺激，从而反射性地抑制动物的采食行为，限制动物的DMI。（Oba 等1999）[1]在统计大量的研究资料后认为，NDFd 每提高一个单位，其DMI 和4%标准乳产量也相应的分别增加0.17 kg和0.25 kg。其主要原因是，NDFd的提高加快了其瘤胃外流速度，从而使NDF 采食量增加。同时，NDF 的消化特性影响饲喂和反刍行为，颗粒分解速率，瘤胃周转和填充量，干物质摄入量和乳成分总产量。因此NDF 是评估反刍动物日粮纤维营养功效的主要指标之一。饲料中ADF 含量可用于预测牧草的能量含量[2]，不同ADF 水平日粮对瘤胃发酵和瘤胃微生物纤维降解酶活性存在显著影响[3]。对于泌乳早期的奶牛而言，采食饲草纤维的最大限度能够提高产奶量，若饮食中的纤维含量太少会导致瘤胃过酸。相反，过多的纤维会降低日粮的能量含量，减少食用的饲料量，从而导致产奶量下降。因为合理的纤维含量对奶牛的健康生长以及生长性能尤为重要。

虽然在评估饲料质量时摄入量比消化率更重要，但我们无法准确测量摄入量，因此难以理解影响摄入量的基本因素。除了对能量摄入的直接影响之外，由于饲喂饲料的消化率和摄入量之间的存在密切关联，因此消化率也间接地影响营养供应。虽然饲草中NDF 对DMI 的预测很差，但饲料的NDF 含量应该用于饮食配方以确保足够的纤维。为了使产奶量和乳脂含量最大化，必须最大化膳食NDF 摄入量（占体重的百分比）和能量摄入量[2]。

2 木质素及细胞壁结构

木质素是植物细胞壁的重要组成部分。它是在植物界内进化的最后一种主要的生物聚合物，通常被认为是生物圈中纤维素之后第二丰富的化合物（Boudet 1998；Monties 1991），为植物提供结构完整性[4-5]。木质素在植物中最重要的功能是作为结构组分，赋予细胞壁强度和刚性。通过降低细胞壁的渗透性来限制水分流失也是对植物的重要作用，以及防止虫害[6]。一直以来木质素被认为是影响细胞壁降解的主要因素，然而最近一些研究表明，酚酸的交联结构在细胞壁的降解过程中也起到抑制的作用。细胞壁多糖的酚酸交联结构是通过光化学反应或氧化物酶催化的偶联反应形成的[7]。其中阿魏酸通常通过酯键连接到阿拉伯木聚糖的一些阿拉伯木聚糖残基（C5碳上的伯醇）的O-5上[8]。同时阿魏酸也可与木质素单体参与氧化偶联途径，产生交联的细胞壁的阿魏酸-阿拉伯多糖-木质素复合物[9]，以增强植物细胞壁的刚性。木质素是由4-羟苯丙类化合物氧化偶联而成的大量芳香族聚合物的通称。它是由单木质素组成，即松柏醇和芥子醇，通常含有少量的对香豆素醇。由单木质素生成的单位，当与木质素聚合物结合时，被称为紫丁香基木质素（syringyl lignin,S-木质素）、愈创基木质素（guaiacyl lignin，G-木质素）、对-羟基苯基木质素（para-hydroxy-phenyl lignin，H-木质素）[10]。

大量的阿魏酸脱氢二聚体的形成发生木质化开始时，即氧化氢化的生成开始时[11]。阿魏酸以与原代细胞壁多糖以酯键形式存在，并为木质素提供醚键的起始位点，而对香豆酸不参与该反应，并且在后来的细胞壁发展过程中更广泛地酯化成木质素。因此，对香豆酸通过酯键与木质素连接，而阿魏酸通过醚键和酯键与木质素连接（Bunzel 等，2004）[12]。对香豆酸主要酰化为木质素中紫丁香基单元的苯丙烷类侧链的γ-羟基位置[13]，使其成为木质素沉积的指标，并指出对香豆酸在木质化过程中可帮助细胞壁中木质素形成具有潜在作用（Hatfield等，2009）[13]。通过木质素单体的酶促酰化发生木质素酰化，木质素单体进一步掺入木质素聚合物中（Ralph等，1994a）[14]。

3 木质素对纤维降解的影响

大量研究表明，草料的木质素浓度与消化率呈负相关[15]，已经报道了干物质（DM）和细胞壁消化率的这种关系（Smith 等，1972）[16]，但它仅对细胞壁消化具有重要意义，因为木质素不直接影响植物细胞可溶物的消化率。DM消化率与木质素浓度呈负相关的原因是因为木质素浓度随着细胞壁浓度的增加而增加，并且饲料细胞壁总是比细胞可溶性更难消化。无论采用何种木质素分析方法，木质素浓度和细胞壁消化率的负相关关系都是正确的，并且已经在体内和体外测量消化率方面观察到[17]。一般来说，豆类的这种负相关关系的斜率小于禾本科草，这表明木质素更能抑制禾本科草中的消化[18]。这个结论主要来自于木质素被测量为ADL 的研究，因为ADL 方法低估了禾本科草本植物中木质素浓度比豆类更严重。有显微镜学研究表明，与禾本科草相比，木质素在豆科植物中可能更具抑制作用，因为木质素化的豆科植物组织实际上是无法消化的（Engels等，1998）[19]。然而，现在普遍认为木质素仅仅是阻碍微生物酶到达细胞内容物的物理屏障[15]。关于木质素结构，与其他细胞壁聚合物的交联以及细胞壁中的沉积和分布的情况可以改变木质素作为物理壁细胞壁消化的影响的问题仍然存在。事实上，尽管木质素浓度的负相关性在不同成熟期的饲料样品中进行检测时总是被观察到，但是当植物成熟度相似时，这可能是最好的说明。观察到木质素浓度和细胞壁消化率差异很大，说明木质素和消化率相关性不强[20]。显然，这里存在修饰影响木质素对细胞壁消化的抑制作用的因子。

木质素和植物细胞壁的碳水化合物部分之间的化学和物理相互作用影响NDF 消化的速率和程度。有相关试验数据表明，玉米青贮可以具有几乎相同的化学成分（NDF 和木质素），但NDF 消化率（NDFD）不同[20]。因此，木质素的含量不是玉米青贮饲料消化率的直接原因，但更有可能的是，酚酸与碳水化合物的交联程度比木质素含量更能影响其消化率。Grabber等[21]证实了木质素和细胞壁碳水化合物之间特异性连接的影响。其中，使用仿生模型，在评估半纤维素速率和消化程度时，证明了阿魏酸含量比木质素含量更重要。木质素是细胞壁中唯一能够抵抗瘤胃中细菌和真菌降解的成分，并且它们与其他细胞壁组分的结合同样也影响消化的性质。降解性降低的部分与细胞壁中木质素含量的增加有关；同时木质素的三维结构和组成的变化或者木质素与酚酸结构交联的变化也会影响降解率[22]。即使选择特定的木质素的含量相同时的几种植物时，其他细胞壁特征的补偿性或相关性变化经常发生，使得难以鉴定控制细胞壁可降解性的潜在机制[23]。例如，植物可能通过增加交联量来降低木质化作用，使其木质素含量没有显著增加，但植物的消化率却显著降低，因此作为消化率标记的木质素含量可能会误导营养学家[24]。

4 酚酸对纤维降解的影响

阿魏酸和香豆酸属于酚酸类物质中的羟基肉桂酸类，是植物细胞壁中主要的酚酸类物质，占总酚酸的80%以上，是目前研究最多的酸酸，可占粗饲料细胞壁总重的0.2%～2.0%[25]。酚酸在细胞壁中以酯键和醚键形式存在。且饲料中酚酸含量以及存在形式可直接影响营养饲料细胞壁在消化道中的降解效率。相关研究表明：醚键阿魏酸与干物质消失率、产气量、产气速率、酯键阿魏酸和香豆酸降解呈显著负相关；醚键香豆酸及香豆酸阿魏酸与干物质降解率、酯键阿魏酸香豆酸降解呈负相关，且醚键阿魏酸抑制了饲料发酵速率。饲料中酯键阿魏酸的降解率（0.502～0.966）大于香豆酸（0.195～0.880）[26]。Boln 等[27]将阿魏酸和香豆酸与牧草残渣连接研究对NDF降解的影响，结果显示在以瘤胃液为培养基，真菌纤维素降解酶的体系中，酯键连接的阿魏酸和香豆酸降低了牧草的降解率。但酯化的阿魏酸对消化率在其他研究中表现出不一致的影响。Casler等（2006）[28]报道了酯化阿魏酸对光滑的雀麦草和芦苇草体外24 h NDFD 的负相关，但在96 h 时的可消化性测定结果为极显著正相关。醚化的阿魏酸是木质素和阿拉伯木聚糖之间交联的量度，对细胞壁消化率有负面影响（Casler 等，1999；Lam 等，2003）[29]，微生物缺乏打开醚键的酶[30]，无法分解释放与木质素醚键连接的阿魏酸，因此细胞壁交联结构在空间上阻碍了微生物及酶接近细胞壁多糖[31]，是影响微生物有效降解粗饲料中解的主要因素之一，这种影响仅次于木质素，且这种影响独立于木质素之外[32-33]。Grabber等[34]研究认为这种交联结构对饲料降解的抑制作用甚至大于木质素。Rodrigues 等（2007）[35]也报道了醚化阿魏酸对细胞壁消化率的积极的抑制作用，阿魏酸和木质素之间存在的醚键不易在厌氧条件下被瘤胃微生物破坏。此外，Jung 等（1992）[36]在成熟阶段的柳枝稷和须芒草的植物部分之间进行了一系列观察，报道了醚化阿魏酸与NDFD存在偶然的负面关系。此外，Jung等[37]报道了在年轻玉米节间的醚化阿魏酸和细胞壁多糖降解性之间的负相关性，但在成熟植物中没有。他们的解释是，在细胞壁成熟过程中，通过醚键阿魏酸会发生与木质素的交联，但是在植物生长期间醚化和酯化的阿魏酸的浓度将降低，而木质素和其他多糖的沉积量会增加。这种稀释效应可以掩盖通过醚化阿魏酸浓度测量的阿魏酸酯交联对消化率的影响。Rodrigues等[38]在研究酚酸结构与草甸干草消化率的试验中发现酚酸浓度与其他细胞壁组分之间没有相关性，他们的解释是草甸干草中存在豆科植物，而豆科植物含有少量的阿魏酸和对香豆酸。

利用GC-MS 和HSQC 二维核磁分析技术识别发现阿魏酸酯与松柏醇之间存在β-O-4'、β-5'/8-5'和8-β'方式交联的二聚体[39]，以及在细胞壁形成过程中，阿魏酸与其他多糖相互交联形成阿魏酸脱氢二聚体、三聚体、四聚体甚至低聚物[40]，从而限制了植物细胞壁的可降解性。另外有研究表明酚酸具有毒性，对微生物的生长有着抑制的作用，尤其是阿魏酸，具有抗菌、抑菌作用。Zemek等[41]报道1.0 mM阿魏酸可抑制厌氧细菌的生长，同样阿魏酸和对香豆酸能够抑制瘤胃中纤维降解菌和瘤胃球菌的纤维降解的活性。不同的研究结果显示阿魏酸和香豆酸对微生物抑制作用的大小不同。因此有可能饲料细胞壁经微生物降解而释放的阿魏酸和对香豆酸对瘤胃微生物菌群组成可能有一定的影响，影响了瘤胃微生物发酵程度与速度，进而影响饲料降解消化速率。

5 木质素单体结构对纤维降解的影响

木质素是粗饲料中最难被动物消化利用的成分，木质素包含愈创木基丙烷(G)、紫丁香基丙烷(S)、对羟基苯基丙烷(H)三种基本单体，这些单体的组成是影响木质素降解率的重要因素。根据Kishimoto 等[42]的报道，S、G 单体的存在均能促成B-O-4 键型的生成，随着S单元增加，B-B键型含量增加，B-5和5-5键型含量降低，另据报道，S/G值与番茄、苜蓿、拟南芥的化学降解率呈负相关[43-45]，说明S/G 值可能会通过影响键型含量影响饲草降解率，抵抗瘤胃微生物分解的不同键型含量发生变化，木质素被瘤胃微生物降解的难易程度也发生变化，并基于木质素的降解，进一步影响粗纤维乃至饲草有机物质的降解。也有相关学者认为由于木质素组成随着饲料细胞壁的成熟而变化，并且成熟细胞壁的消化率低于未成熟细胞壁的消化率，因此认为木质素组成对壁的消化率是合理的（Jung等，1995）[46]。Argillier等（1996）[47]报道了玉米秸秆的G/S 比和细胞壁降解性之间的正相关性。在高羊茅的茎中（Chen 等，2002）[48]，在瘤胃降解性和S 木质素含量(r=-0.91)和G/S比(r=0.88)之间发现了强烈的相关性。S 单位百分比与草中细胞壁消化密切相关（r=-0.93）（Buxton等，1988）[49]。Jung等（1993）[50]提出，bmr 青贮饲料细胞壁的消化率提高是木质素浓度降低和紫丁香基木质素含量降低的结果。在它们的模型中，紫丁香型木质素在结构上更加线性并且进一步延伸到次生壁中，从而保护细胞壁中更大比例的多糖免于消化。在植物-病原体相互作用中，H和G单位的含量也会有一定程度的增加（Pomar 等，2004）[51]。此外，Grabber等(1997)[52]表明，H、G和S木质素对玉米细胞壁可降解性具有相似的抑制作用。尽管木质素中H、G 和S 单元的比例可能不是控制降解性的直接因素，但如果木质素的总浓度和分布也降低，则这些单元中一种或多种的沉积减少可以提高降解性（Grabber，2005）[53]。大多数研究表明，木质素浓度是影响饲草消化率的主要因素，木质素S/G值是次要因素，两者同时存在时，木质素浓度的影响可能会盖过S/G值的影响，这可能是对于S/G值的影响产生争议的原因[54]。

6 小结

基于植物细胞壁结构的复杂性，我们并不能仅仅通过木质素的含量来预测NDF的降解率，这样的预测结果往往是有误差的，因为酚酸的结构以及木质素单体的构成同样也会影响NDF 的降解率。故今后的研究中应综合考虑各方面的因素，以期建立相关的回归方程，从而促进反刍动物营养研究的发展。目前我国还尚未有较完整的NDF饲养标准，如果我能够准确的预测NDF在瘤胃中的降解率，我们就能准确的计算出NDF 的理想添加量。目前美国CNCPS 体系中用2.4×ADL来估算饲料的难溶性中性洗涤纤维，然而目前的很多研究表明简单的一元回归方程与难溶性中性洗涤纤维并没有很好的相关性，这可能是由于细胞壁其它成分也与NDF 的降解率有影响。因此在今后的纤维降解模型的研究中，除木质素的含量外，还应当充分考虑细胞壁中阿魏酸、对香豆酸以及木质素单体（S、G、H）的含量。