碳水化合物酶组方优化与猪饲料的精准高效利用

钟儒清 ，白国松 ，孙 越 ，陈 亮

（1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所动物营养学国家重点实验室，北京 100193；2.北京市畜牧总站，北京 100020）

前言

“猪粮安天下”。国家统计局数据显示，2021年我国猪肉产量达到5 296万吨，占到世界猪肉总产量的近50%。同年我国粮食总供给量为8.7亿吨，包括进口1.65亿吨，对外依存度达到新高。而养殖业饲料的消耗总量约为4.5亿吨（猪饲料的消耗量超过了2亿吨），占我国粮食总供给量的51.7%（农业农村部，2021），“人畜争粮”矛盾加剧，严重影响到国家粮食安全。因此，充分发挥我国非粮型饲料资源来源广、种类多、总量大的优势，利用或者开发多种技术方案，提高其在生猪养殖上的利用效率，是解决“人畜争粮”矛盾的重要研究方向。

酶制剂具有催化效率高和高度专一性的特性，且作用条件温和，已经被广泛应用于饲料养殖行业。除可提高生猪养分消化率，改善生产性能外，还在减少氮磷排放、替抗减抗、调控肠道健康等方面得到拓展应用。据估计，2020年我国饲用酶总产量约为6.3万吨，其中植酸酶占比超过30%，已经成为猪禽饲料中的常规添加剂。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类酶的总称，也是除植酸酶外，在猪饲料中第二普遍使用的一类酶制剂。特别是在非粮饲料的高值化利用过程中，碳水化合物酶通常被用于降低非粮饲料中非淀粉多糖（NSP）等抗营养因子的负面作用，提升生猪的生长和健康水平。但是碳水化合物酶种类多样，功能机制各不相同，如何科学精准地使用碳水化合物酶，成为近年来的研究热点。

1 常见碳水化合物酶及功能

碳水化合物是多羟基的醛、酮或者其简单衍生物以及能水解产生上述产物的化学物质的总称，又可细分为单糖、低聚糖或者寡糖、多聚糖、木质素等其他化合物四大类。在饲料生产与养殖行业，饲用碳水化合物酶通常被用于将饲料中高分子量的多聚糖降解为分子量较低的低聚糖或者单糖，根据其催化底物的不同，可以分为木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶、淀粉酶等多种常见酶类，以下列举介绍部分常见碳水化合物酶。

1.1 木聚糖酶

木聚糖是构成植物细胞壁的主要成分，可以占到植物细胞干重的15%~35%，经过部分降解可以形成低聚木糖，彻底降解则可以得到木糖、阿拉伯糖等。木聚糖酶最初是从臭曲霉真菌中分离出来的，是在畜禽生产中使用最广泛的一组饲用碳水化合物酶，主要由β-1，4-内切木聚糖酶、β-木糖苷酶、α-L-阿拉伯糖苷酶、α-D-葡糖苷酸酶、乙酰基木聚糖酶等组成。木聚糖酶主要通过内切水解木聚糖主链上β-1，4-D-吡喃木糖苷键破坏木聚糖的大分子结构，而后经过多个酶种的协同作用，降解为低聚糖或者单糖形式，以减轻木聚糖的抗营养作用。

1.2 β-葡聚糖酶

β-葡聚糖酶是另一类在猪饲料与养殖行业广泛使用的水解酶类。β-葡聚糖是指由β-葡萄糖通过β-1，3-糖苷键、β-1，4-糖苷键或β-1，6-糖苷键聚合形成的多聚糖，是组成植物细胞壁的成分之一，在小麦、大麦、燕麦等谷物中含量尤其丰富。β-葡聚糖酶可以专一作用于β-葡聚糖的1，3及1，4糖苷键，在内切β-葡聚糖酶和外切β-葡聚糖酶两种形式的酶共同作用下，将β-葡萄糖水解为低聚糖及葡萄糖，以降低其抗营养特性，提高猪的生长速度和饲料转化效率。

1.3 纤维素酶

纤维素是自然界含量最多、分布最广的一种多糖碳水化合物，由几百至上万个D-葡萄糖通过β-1，4-糖苷键连接组成，是组成植物细胞壁的主要成分。纤维素酶是一类能够将纤维素水解为单个葡萄糖的酶的总称，按照功能可以分为葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶和β-葡聚糖苷酶等，不同酶系相互协同才能将纤维素完全分解。首先是葡聚糖内切酶作用于纤维素的非结晶区，暴露出游离末端；随后由外切酶从多糖链的非还原末端，水解下二糖单位；最后由β-葡聚糖苷酶将其进一步分解成单个葡萄糖，以降低纤维素的抗营养负面作用。

1.4 果胶酶

果胶是一类主要由D-半乳糖醛酸以α-1，4-糖苷键连接聚合的酸性杂多糖，其广泛存在于植物细胞壁的初生壁和细胞中间片层中，既能连接相邻细胞使他们形成一个整体，又有缓冲作用，不阻碍细胞生长。果胶酶是一类能够分解果胶的酶的统称，根据作用方式的差异，可以细分为果胶酯酶、果胶酶和原果胶酶。原果胶酶可以切断聚甲氧基半乳糖醛酸和阿拉伯糖之间的化学键，水解不溶性原果胶为水溶性果胶；果胶酯酶能够分解甲氧基与半乳糖醛酸之间的酯键，将水溶性果胶水解为半乳糖醛酸和甲醇。通过以上作用方式，果胶酶可以促进植物细胞内容物彻底暴露出来，使营养物质得到进一步释放。

1.5 淀粉酶

淀粉是以α-D-吡喃葡萄糖为基本结构，聚合而成的高分子碳水化合物，是绿色植物贮存能量的一种方式，也是人类饮食中最常见的碳水化合物。淀粉可以分为直链淀粉和支链淀粉两类，直链淀粉由葡萄糖单元以α-1，4-糖苷键连接聚合而成；支链淀粉则是在分支位置通过α-1，6-糖苷键连接，其余也是通过α-1，4糖苷键连接。淀粉酶是作用于各种淀粉糖苷键的一类酶的总称，主要包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶、支链淀粉酶、异淀粉酶等等。其中α-淀粉酶属于内切型糖苷酶，主要水解直链淀粉或支链淀粉直链部分的α-1，4-糖苷键；β-淀粉酶属于外切型糖苷酶，主要作用于支链淀粉分支部分的β-1，6-糖苷键；糖化酶也属于外切型糖苷酶，可以水解α-1，4-糖苷键和α-1，6-糖苷键。淀粉酶常报道用于仔猪和家禽上，以补充内源淀粉酶分泌不足。

2 复合碳水化合物酶的优化及在猪饲料中的应用

2.1 复合碳水化合物酶

自20世纪90年代开始，我国饲用酶制剂行业进入快速发展阶段，已经实现了在猪饲料中的广泛应用。各饲料生产与养殖企业也从最初简单粗糙地添加某一单品类酶制剂，逐步进步到将多个单酶制剂混合设计，以更能充分全面地提高饲料利用效率，促进饲料降本增效。而在猪养殖实践中，添加复合碳水化合物酶的效果也毫无疑问地优于单个酶的添加。近年来诸多研究报道证明，除了显著提高生长性能和养分消化率外，复合碳水化合物酶还在提升猪肠道有益菌、维护肠道健康和减少CO2等有害气体排放上发挥着重要作用（表1）。

表1 外源复合碳水化合物酶在生猪生产上的研究进展

2.2 碳水化合物酶的组合优化方法

在生猪养殖中，使用复合碳水化合物酶的效果，要明显优于单个酶添加已经成为行业的共识。而如何根据不同类型单酶的作用效果，结合猪不同生理阶段特点、饲料原料特征、饲料加工工艺等方面的影响，合理搭配获得最优的效果及最佳的经济效益，特别是实现非粮型饲料的高效精准利用，已成为许多研究者关注的要点。

2.2.1 基于酶活测定的组合设计

在动物营养领域规定：在特定条件下（特定温度、pH和底物），单位时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶的量即为酶单位（U）。而酶的含量则用单位重量或者单位体积的酶制剂含有多少酶单位来表示（U/g或U/mL）即酶活。碳水化合物酶组合设计最简单的方法，就是根据前期实践经验或者已经设计好的成熟酶谱，按照生产厂家提供的酶活或者按照标准方法测定的酶活进行搭配，从而获得需要的组合酶产品。但是该方法忽略了不同来源酶、不同酶活测定方法、不同饲料原料类型、不同动物生理阶段等，对酶组合优化效果的影响。

2.2.2 基于猪动物试验的组合设计

任何优化的碳水化合物酶组合，都必须要在猪饲养实践中验证其作用效果。因此，采用猪动物试验法筛选最优的碳水化合物酶组合，能更加真实地反映饲用酶制剂的营养价值，也是目前使用最为广泛的组合设计方法。猪动物试验一般通过消化代谢试验中养分消化率、消化和代谢能值等指标，以及生长试验的日增重、采食量、料重比等指标参数，协助碳水化合物酶的组合设计。但是因为单一酶的种类繁多，且需要设置较多个添加梯度，猪的不同生理阶段消化能力差异较大，且饲料原料变化多样等原因，使猪动物试验法工作任务繁重、费时费力、成本高昂。同时，在猪动物试验中因为猪个体差异性较大引起的误差，容易掩盖碳水化合物酶组合对生长性能和养分消化率带来的提升效果。

2.2.3 基于体外消化法的组合设计

体外消化方法通过模拟猪的消化道生理，在饲料生物学效价评定上与动物试验法有较强的相关性，可以用于最佳外源酶组合的设计筛选，解决了动物试验成本高昂、费时费力的难题，具有操作简单、经济快速、重复性好、可以大批量操作、易于标准化等等优点。自20世纪50年代以来，各国学者探索建立了一步法（单酶法）、两步法（胃蛋白酶-胰液酶法、胃蛋白酶-猪小肠液酶法）和三步法（胃蛋白酶-胰液酶-瘤胃液酶法、胃蛋白酶-胰液酶-粪提取液酶法和胃蛋白酶-胰液酶-复合纤维素酶法）等体外消化方法。动物营养学国家重点实验室，通过前期建立的猪禽饲粮生物学效价仿生评价方法，采用二次回归旋转正交组合试验设计，建立了6种碳水化合物酶和饲粮体外消化率的回归关系，优化筛选出了基于玉米-豆粕型饲粮、玉米-DDGS型饲粮、玉米-杂粕型饲粮和小麦-豆粕型饲粮的猪碳水化合物酶组方，在猪动物试验中具有较好验证效果。

3 碳水化合物酶精准高效组合施用面临的挑战

近年来已经有越来越多的猪碳水化合物酶组方优化设计研究，但是当前饲用酶界关于酶制剂效果评定，和最优组合酶筛选仍然没有统一的方法标准。碳水化合物酶精准高效组合施用，仍然面临着酶制剂活性测定标准不统一，饲料原料类型庞杂多样，猪不同生理阶段消化特征与外源酶制剂效果的耦合关系，酶制剂的加工稳定性等诸多挑战。

3.1 饲用碳水化合物酶活力测定方法

经过长期科研攻关，我国科研工作者已经制订了包括木聚糖酶、纤维素酶、β-葡聚糖酶在内的外源酶活力测定国家和行业标准。另外有许多科研、企业、事业单位为了科研和生产目的，制定了诸多其他酶制剂活力测定方法。但是因为不同外源酶的来源不同，将直接影响酶制剂的最佳反应温度、pH和对底物的亲和性，这也导致不同来源酶用不同方法测值各有不同。更有不少酶制剂生产企业为了宣传目的，专门制定符合自身利益的外源酶活力测定方法，而实际使用效果并不一致。为此，外源酶制剂活力评价方法的不统一，大大限制了不同碳水化合物酶产品的优化组合设计和标准化应用。

3.2 猪不同生理阶段的消化特性

通常认为猪比家禽的消化道长，对营养物质的消化更加彻底，外源碳水化合物酶制剂对营养物质消化率的改善作用效果有限。另外，不同生理阶段猪的消化道长度、容积与微生物区系不同，消化酶分泌能力不同，消化液生理参数不同，对不同类型饲粮的消化能力也存在差异，因此在不同生理阶段使用外源碳水化合物酶制剂起到的效果也就千差万别。仔猪阶段因其消化器官和内在生理环境发育不完全，对饲粮的利用率有限，更需要补饲碳水化合物酶等外源酶制剂。对于处于亚健康和生理应激阶段的猪只，使用外源酶制剂也有助于提高猪对饲粮养分的消化吸收能力，进而改善猪的健康状态。

3.3 饲料原料庞杂多样

当前，为解决“人畜争粮”矛盾，保障国家粮食安全，大量非粮饲料原料被用于养猪生产中。但是，我国非粮饲料原料来源广泛、种类繁多、贮存加工方式多样，还具有明显的区域性、季节性、周期性。而外源酶制剂确具有专一性的特点，不同饲料原料营养成分和化学结构上的差异，都会使碳水化合物组合酶的利用效果大打折扣。

3.4 碳水化合物酶自身的加工稳定性

外源碳水化合物酶制剂的本质仍是蛋白质，任何影响蛋白质活性的因素都会影响酶制剂的活性。在进入到猪消化道前，外源酶制剂在保存或者饲料加工过程中，温度、空气、光照等因素都可能导致碳水化合物酶制剂酶活降低。外源酶制剂包括固体型、液体型、颗粒型等不同剂型对使用效果也存在影响，通常粉状剂型的酶制剂抗逆性差，更容易受到饲粮中微量元素、酸化剂等成分的颉颃，也更容易被饲料制粒过程中高温所破坏。酶制剂进入到猪消化道内，会受到猪消化道内胃蛋白酶、胰蛋白酶等的影响，削弱外源酶制剂的效果。此外，不同类型外源酶制剂之间还存在不同类型的互作或颉颃效应，因此需要充分考虑不同外源酶制剂的合理搭配，才能获得最佳的使用效果。

4 小结

目前，我国饲料用酶制剂的普及率在60%以上，若按照完全普及并可提高5%~25%的利用率计算，每年可再节约粮食900万~4 500万吨，同时还有助于非粮饲料原料的广泛高效利用，将大大缓解“人畜争粮”矛盾，保障国家粮食安全。当前，特别是在我国碳水化合物酶组方优化，与猪非粮饲料的精准高效利用方向，还有很大的探索空间：1）迫切需要开发一种精准评估酶制剂效果的统一方法或者酶活力单位，真正解决酶制剂添加量和组方设计上的盲目性；2）对不同来源非粮饲料原料展开更加广泛的营养成分分析和养分效价评估，对不同生理阶段猪消化生理参数持续进行深入研究，以更加准确地把握饲料原料养分参数和猪本身的消化生理参数对酶制剂效果的影响；3）开发更加简便快捷、经济高效、省时省力、重复性好的碳水化合物酶效果评价和组方设计方法和装置，使外源酶制剂精准高效地施用。