碳水化合物酶对家禽生长性能和肠道健康的影响

王晶晶 王丽萍/译

王晶晶，王丽萍 译自Heliyon，2019，5：1～17

夏俊花 审

摘  要：家禽可提供优质的蛋白质和微量营养物质。在家禽生产中，饲料是主要的投入品，其成本占总生产成本的70％～75％。家禽的饲料主要由谷物组成，能为家禽提供所需的能量。然而，这些谷物含有不同水平的抗营养因子，如非淀粉多糖。由于家禽自身缺乏重要的内源性酶（碳水化合物酶），无法消化这些非淀粉多糖，从而会增加肠道食糜的黏度，影响营养物质的运输和吸收。这些非淀粉多糖还可通过引起肠道微生物群对可消化营养物质的竞争增加家禽感染有害微生物的机会。这不仅会影响家禽的健康，还会增加生产成本。因此，找到效率高和起作用的解决方法极为重要。在非淀粉多糖含量高的日粮中添加碳水化合物酶是解决方案之一，对家禽生产具有重要的作用。多年来，饲用酶一直被用于提高动物消化率和生产性能，但对某些饲料原料的活性有限。新一代碳水化合物酶具有广泛的活性和稳定性，有助于降解日粮中复杂的底物，提高家禽的生產性能。本综述总结了使用碳水化合物酶改善家禽生产性能和肠道健康的最新研究成果。

关键词：营养学；兽医学；生理学；微生物学；结构生物学；生物技术

中图分类号：S816 文献标志码：A   文章编号：1001-0769（2024）02-0110-03

畜禽在缓解贫困和粮食短缺方面发挥着关键作用。家禽是重要的畜禽之一，通过肉品和蛋品向人类提供优质的蛋白质和微量营养物质，与植物性食物相比更容易被人体吸收。在家禽生产中，饲料成本占总生产成本的70％～75％。家禽的饲料组成主要为谷物，所用谷物主要为玉米、小麦、高粱和植物性蛋白质饲料，能提供家禽所需的大部分能量和蛋白质。这些谷物还被用于生产生物燃料。由于耕种模式从食品工业所需的方式向生物燃料工业要求的模式的转变，以及国际市场上这些原料价格的上涨，促使为动物饲料寻找成本较低、可替代的能量和蛋白质来源。研究发现，一些价格低廉的原料，如大麦、燕麦、三棱麦、黑麦、橄榄油饼和葵花籽粕，在替代玉米、小麦和大豆方面发挥了重要作用，但它们含有一些抗营养因子，如果不进行必要的处理，可能会影响家禽的生产性能和肠道健康。

非淀粉多糖（non-starch polysaccharides，NSPs）分为水溶性NSPs和不溶性NSPs，是一种抗营养因子，大量存在于小麦、大麦、葵花籽粕、菜籽粕等饲料原料中。家禽不能消化NSPs是因为缺乏消化NSPs的内源性酶。由于不能降解包括高分子量水溶性NSPs在内的日粮纤维（构成植物细胞壁的结构性碳水化合物或不可消化成分），家禽摄入这些物质后，肠道食糜的黏度会增加，从而会减缓营养物质的运输和吸收，影响家禽的健康，并增加生产成本。由于在配制日粮时使用了这些低质量的原料，家禽生产者担心的另一个问题是亚临床挑战。Kaldhusdal等（2000）发现，这些亚临床致病因子也为其他病原体感染（如坏死性肠炎）提供了途径。Immerseel等（2004）指出，此类感染与黑麦和大麦中的水溶性NSPs有关，这些NSPs会减缓胃肠道中食糜的消化速度，并将未消化的营养物质提供给病原微生物，促进它们增殖。因此，必须找到解决这些问题的办法。Saleh等（2018）和Zhou等（2009）研究发现，在日粮中添加外源性饲用酶，可提高家禽对营养物质的消化率和利用率。这些酶有助于提高家禽的生长性能，改善它们的肠道健康（肠道的组织形态和微生物群）。

鉴于高纤维日粮存在的上述问题，本综述旨在提供有关利用碳水化合物酶来解决这些问题的最新研究进展，从而改善家禽的生长性能和肠道健康。

1  饲料原料及其组成

家禽饲料主要由谷物、蛋白质饲料组成，以满足家禽对能量和蛋白质的需要。这些饲料原料所含的碳水化合物（多糖）会被家禽分泌的酶分解成单糖（葡萄糖等），作为机体的能源被利用。这些碳水化合物根据它们在植物中的位置（细胞壁和细胞内容物）、营养和生理价值（淀粉和NSPs）以及分析方法可进行分类。日粮纤维根据分析方法主要分为粗纤维、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维，根据消化率分为不溶性日粮纤维和水溶性日粮纤维，如图1a所示。在这些纤维中，NSPs属于非α-葡聚糖的多糖异质群，其结构、分子大小和溶解性各不相同。NSPs包括纤维素、半纤维素（阿拉伯木聚糖）、β-葡聚糖、果聚糖等。纤维素、阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖构成了家禽所采食谷物中的大部分纤维成分。纤维素是一种不溶于水的纤维，含有β（1-4）键连接的葡萄糖分子，是细胞壁的主要结构成分。阿拉伯木聚糖由β（1-4）键连接木糖单元的线性主链和与木糖上碳2、碳3或碳5连接的阿拉伯糖和其他糖的侧链组成。β-葡聚糖由含有β（1-3）（1-4）键糖苷键的β-D-葡萄糖多糖组成。然而，阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖都溶于水。β-葡聚糖的溶解性与聚合物的分子大小和键的类型有关。Luchsinger等（1965）研究发现，在被β（1-3）键打断之前，水溶性β-葡聚糖很少拥有长序列的β（1-4）键。β（1-4）键的序列越长，水溶性β-葡聚糖的表现就越像纤维素。在不同种类中，β-葡聚糖的支化度不同，因为β-葡聚糖在小麦和大麦中的聚合度和分子量都高于其在玉米中的。图1b展示了利用各种外源性微生物酶对这些纤维的降解情况。

Choct（2006）和Knudsen（2014）分别研究发现，小麦含有大量高分子量的具有较强抗营养特性的阿拉伯木聚糖，占总干物质的7.3％；而大麦则含有大量的β-葡聚糖，其β（1-3）键与β（1-4）键的比值很高。如果一起喂给动物，这两种谷物会在消化道中形成凝胶，降低营养物质的消化率和利用率。玉米等非黏性谷物的细胞壁主要由低分子量的阿拉伯木聚糖和少量的β-葡聚糖组成，不会产生黏性问题。Knudsen（1997）和Slominski（2011）分别发现，豆粕和菜籽粕的细胞壁含有阿拉伯半乳聚糖、半乳聚糖、木聚糖和β-葡聚糖，但它们的含量相对较低。这两种饲料原料含有较高水平的低聚糖（水苏糖和棉子糖）和果胶。豆粕中的果胶由半乳糖醛酸主链和由鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖和果糖组成的侧链构成。果胶与细胞壁中的纤维素结合，在动物的胃肠道中可溶。NSPs在动物的胃肠道中有多种作用机制。

2  NSPs的抗营养作用机制

NSPs可通过各种机制产生抗营养作用。Choct等（1996）研究发现，动物大量摄入这些水溶性日粮纤维会增加肠道内容物的黏度，形成黏稠的凝胶，从而降低内源性消化酶和底物的扩散速度，阻碍肠道黏膜表面的相互作用。Hedemann等（2009）发现，食糜的黏度增加还会导致肠道黏膜层增厚，这表明小麦中高浓度的水溶性NSPs会通过其在动物肠道中的物理化学作用，最大限度地减少动物对饲料中营养物质的消化和吸收。结果，营养物质的消化和吸收速度减慢，采食量和增重减少。Cowieson（2010）估计，由于玉米-豆粕型日粮含有NSPs，每千克饲料中有400～450 kcal的可消化能未被消化。另一方面，细胞壁中的不溶性NSPs会将淀粉、蛋白质和其他营养物质包裹起来——俗称“笼蔽效应”，阻碍内源性酶获得可消化的营养物质。

除了对动物肠道的形态和生理产生直接影响外，NSPs还会产生间接影响。Simon（1998）研究发现，水溶性NSPs会降低动物小肠中的氧张力，从而有利于厌氧微生物群的增殖，导致一些厌氧微生物产生短鏈脂肪酸/挥发性脂肪酸和毒素。这会诱发淋巴细胞浸润肠壁，并导致肠道上皮细胞凋亡。肠道生态的这种变化（从好氧或兼性厌氧环境到严格厌氧环境）可能会诱发胃肠道应激，严重影响肠道正常的生理过程。

未完，待续。

原题名：An update on carbohydrases： growth performance and intestinal health of poultry （英文）

原作者：Ahmad Raza、Saira Bashir和Romana Tabassum

3  碳水化合物酶对家禽生长性能的影响

在家禽日粮中添加碳水化合物酶/饲用酶始于20世纪80年代末和90年代初，因为它们能够解决家禽因采食高纤维日粮造成的垫料潮湿、消化和表观代谢能问题。酶制剂被用来平衡NSPs对家禽肠道健康和生产性能的不利影响。Odetallah等（2002）和Silva等（2002）的研究表明，真菌和细菌酶可有效降解小麦、大麦、黑麦和燕麦日粮中的β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖。选择哪种外源性饲用酶是一项重要工作，主要取决于配制日粮时所用的饲料原料。Abdel-Hafeez等（2018）研究表明，与采食基础日粮（即马铃薯皮-甜菜粕型日粮）的对照组肉鸡相比，在基础日粮中添加酶，可以改善肉鸡的体重、采食量和饲料转化率。Cardoso等（2018）报道，在日粮中添加外源性酶，可提高家禽肠道食糜的黏度和内源性内切木聚糖酶活性低的小麦型日粮的营养价值。Yildiz等（2018）证明，无论干酒槽及其可溶物（distillers dried grains with solubles，DDGS）的添加量如何，日粮中添加木聚糖酶均能提高产蛋母鸡的产蛋率，降低肠道食糜的黏度。表1还列出了其他一些关于外源性饲用酶的使用方法、添加量及其对各种饲料原料营养价值和动物生产性能影响的最新研究成果。

木聚糖酶（半纤维素酶）和β-葡聚糖酶（纤维素酶）是降解家禽日粮中NSPs（包括阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖）的常用酶。Juanpere等（2005）、Mathlouthi等（2002）和Wu等（2004）研究表明，在小麦-大麦型日粮中添加木聚糖酶和β-葡聚糖酶，可使肉鸡肠道食糜的黏度分别降低30％～50％和300％。肠道食糜黏度的降低可提高家禽对日粮中蛋白质和表观代谢能的消化率，改善它们的耗料量、日增重和饲料转化率。商用酶制剂中的木聚糖酶来于细菌和真菌，如芽孢杆菌、里氏木霉等微生物。木聚糖酶会随机降解阿拉伯木聚糖的主链，从而产生支链低聚木糖。木聚糖酶随后会被乳酸杆菌和双歧杆菌等有益菌水解，从而增加有益菌的数量，减少致病菌（如产气荚膜梭菌）的数量。此外，木聚糖酶还能通过提高家禽肠道食糜的排空率和营养物质的消化率，抑制小肠中发酵微生物的增殖。因此，通过减少宿主与肠道微生物群之间的竞争，提高营养物质的利用率。Cowieson等（2009）研究发现，木聚糖酶可以将玉米型日粮中氨基酸的总表观回肠消化率提高15％，使小麦型和黑麦型日粮中氨基酸的总表观回肠消化率分别提高16％和30％。添加外源性饲用酶还能提高肉鸡对玉米-豆粕型日粮中氨基酸的表观回肠消化率。另一方面，纤维素酶由自然界中多种微生物产生，如细菌、某些真菌和放线菌。纤维素酶由多种酶组成，如内切葡聚糖酶（EC 3.2.1.4）、外切葡聚糖酶（EC 3.2.1.74）和β-葡萄糖苷酶（EC 3.2.1.21）。内切葡聚糖酶作用于纤维素链的末端，释放出的最终产物为β-纤维二糖；外切葡聚糖酶能够随机降解内部的O-糖苷键，产生不同长度的葡聚糖链；β-糖苷酶专门作用于β-纤维二糖，产生葡萄糖，如图1b所示。

日粮中添加外源性饲用酶除了能在提高日粮中营养物质消化率、改善动物生产性能等方面产生积极作用外，也有报道称，在某些情况下不能改善家禽的生产性能。Mohammed等（2017）研究证明，在日粮中添加酶对肉鸡生产性能（生长性能、胴体性状和肉质）没有影响。Olgun等（2018）也研究证明，日粮中添加酶不能有效防止小麦对蛋鸡的生产性能和蛋壳质量产生的负面影响。同样，Walters等（2018）研究表明，在玉米碎屑中添加酶对肉鸡的最终生产性能没有影响。出现这些情况可能是由于这些原料中的NSPs在化学结构上发生了改变，或添加的酶无效。不同NSPs在化学结构上并不一致，它们的组成因饲料原料的不同而不同。因此，添加的酶使动物对某一种饲料能取得良好的消化率，然而对另一种饲料可能达不到同样的效果。因此，开发能作用于多种底物的新型酶十分重要。

4  新一代饲用酶

Cozannet等（2017）首次使用了新一代饲用酶（碳水化合物酶）这一术语。这些酶具有独特的热稳定性、广泛的pH作用范围和高水平的活性，能够提高动物对日粮中所有营养物质的消化率。Cozannet等（2017）建议使用富含木聚糖酶和阿拉伯呋喃糖苷酶的下一代或新一代碳水化合物酶，以提高肉鸡的整体消化率。事实上，内切木聚糖酶通过降解木聚糖主链有助于降解阿拉伯木聚糖链。然而，多重阿拉伯糖的置换会降低木聚糖酶的降解效率，尤其是在用玉米及其相关副产品配制的日粮中。阿拉伯呋喃糖苷酶可将阿拉伯糖从木糖主链中裂解出来，并为内切木聚糖酶的降解活动提供途径。因此，在酶制剂中添加脱支链酶是提高酶制剂整体酶解效率的有效方法。最近，Cowieson等（2018）报道，在家禽生产中使用新一代碳水化合物酶，日粮中无需添加抗生素生长促进剂。这可能是由于日粮的消化转移到了肠道前部，使肠道后段的微生物群“饿死”，从纤维状物质中产生可发酵的低聚糖，对肠道pH和肠道细胞的增生产生有益作用。同样，Askelson等（2017）还证明，直接饲喂微生物和外源性酶可改善家禽的生产性能，它们有可能成为抗生素生长促进剂的重要替代品。

新一代碳水化合物酶的生產仍然需要广泛地了解家禽营养、生物技术、原材料的快速分析、剂量优化等方面的知识，以便在体外和体内条件下发挥更好的性能。

5  碳水化合物酶与肠道健康

动物肠道健康的概念是非常容易理解的，取决于对日粮、肠道形态和肠道微生物区系的了解（图2a）。所有这些因素相互作用，以维持胃肠道的正常功能和动态平衡。如今，如何配制成本低、营养均衡的家禽日粮备受关注。在功能良好的胃肠道中，肠道形态对将营养物质从肠腔输送到系统循环中起着重要作用。如图2b所示，肠道的主要屏障是肠上皮的黏液层和紧密连接。肠道形态（绒毛高度、隐窝深度和肠上皮细胞周转率）会随外源性因素的变化（例如有无食物和病理学条件）而变化。肠道隐窝越深，表明组织周转越快，因为它们含有干细胞，被认为是绒毛工厂。肠黏蛋白/黏液是杯状细胞分泌的高分子量糖蛋白。Smirnov等（2005）研究发现，鸡结肠和小肠中的杯状细胞能够大量表达黏蛋白2。如图2c所示，NSPs可增加肠黏蛋白的分泌。因此，NSPs通过其在家禽肠道中产生的物理化学作用，减少动物对日粮中营养物质的消化和吸收。肠道微生物区系主要由细菌组成，真菌和原生动物的数量较少。消化液的化学组分会改变胃肠道微生物群的组成，因为不同菌种具有各自的生长需求，对底物的偏好也不同。Langhout（2000）发现，日粮中的NSPs会显著减少肉鸡肠道中有益菌的数量，同时增加致病菌的数量。由于高纤维日粮，未消化/未吸收的营养物质会改变猪和家禽肠道中的微生物种群。

外源性饲用酶可增强动物小肠的消化功能，减少大肠中腐败菌和淀粉利用菌的底物供应量。如图2d所示，这些外源性饲用酶有助于降低猪肠道食糜的黏度，从而预防疾病。Józefiak等（2006）研究表明，在大麦型、小麦型、燕麦型和黑麦型日粮中添加木聚糖酶和葡聚糖酶，可显著提高肉鸡盲肠中丁酸盐和乙酸盐的浓度，但在青稞型和燕麦型日粮中添加，没有观察到此类效果。外源性饲用酶对NSPs的降解和溶解，会增加猪盲肠中微生物发酵的可用底物（低聚糖或单糖）数量，导致回肠中挥发性脂肪酸/短链脂肪酸产量下降，表明微生物发酵减少，而盲肠中微生物发酵明显增加。肉鸡盲肠微生物发酵增加会导致低聚木糖大量产生，其可以从不可消化的底物中产生挥发性脂肪酸/短链脂肪酸和能量，通常还能使肠道微生物群（乳酸菌）更健康。因此，添加了外源性饲用酶的NSP组分代表了另一个潜在的能量库，如果能使其发酵，则可以提高肉鸡的生产性能。Hübener等（2002）通过在小麦型或黑麦型日粮中添加木聚糖酶，饲喂7日龄肉鸡后发现，黏附在肠道黏膜上的乳酸菌数量明显减少，但在大龄肉鸡的肠道黏膜上却没有观察到该情景，这可能是由于随着年龄的增长，肉鸡对日粮中淀粉的消化增加所致。同样，Broekaert等（2011）认为，聚合度小于10的阿拉伯木聚糖属于益生元化合物，在家禽小肠中不会被消化。Ravn等（2018）发现，这些阿拉伯木聚糖会在肉鸡大肠中发酵，能够促进肠道有益菌（如丁酸菌）的生长。

综上所述，要想改善家禽的生长性能，需要在日粮中添加新一代碳水化合物酶，这些酶应具有合适的底物活性、功效、热稳定性和耐酸碱性。

6  结论

含有高水平水溶性NSP的日粮会增加家禽肠道食糜的黏度，进而会阻碍营养物质的消化，对家禽的健康和生产性能产生不利影响。新一代碳水化合物酶有助于消化多种日粮纤维，降低家禽肠道食糜的黏度，减少宿主和肠道微生物群对小肠中短链脂肪酸的竞争，提高营养物质的消化率。减少肠道中病原微生物的载量，改善肠道健康。

原题名：An update on carbohydrases： growth performance and intestinal health of poultry （英文）

原作者：Ahmad Raza、Saira Bashir和Romana Tabassum