2. 广东温氏食品集团股份有限公司, 云浮 527439
2. Guangdong Wens Foodstuff Group CD., LTD., Yunfu 527439, China
中国饲料资源短缺、人畜争粮矛盾日益突出。2015年中国进口3 270万吨谷物及谷物粉、300万吨小麦、680万吨DDGS,合理利用大量的谷物及其加工副产物将是保障畜牧业持续健康发展的重要途径。小麦原料及谷物加工副产物含有较高水平的非淀粉多糖(NSP)[1],而NSP作为主要的抗营养因子,限制了这些饲料原料的使用。NSP酶因具有减少NSP的笼蔽效应、提高饲粮养分消化和促进肠道健康等作用[2-3]而越来越受到重视。研究表明,在猪饲粮中添加NSP复合酶比添加单一NSP酶作用效果更明显[4],多种NSP酶配合使用具有很好的协同作用[5-7],但配合不当会影响其效果[8],且酶制剂添加过量会降低养分消化率[9-10]。因此,NSP酶的合理配伍是其充分发挥对不同类型饲粮NSP降解作用的关键[2]。体外模拟消化法因具有快速、简便、重复性好、与动物试验相关性高等优点,在NSP酶谱筛选和评价过程中备受关注[11-13]。J. Narasimha等[14]使用体外消化法筛选出了不同饲料原料中纤维素酶、木聚糖酶和β-葡聚糖酶的3种最佳组合。何科林等[15]使用胃蛋白酶-胰液素体外法对5种NSP酶在肉鸡玉米-豆粕和小麦-豆粕饲粮中的作用效果进行了体外评定,结果表明,NSP酶可显著提升2种饲粮的体外消化能。传统的体外消化法普遍使用胃蛋白酶+胰液素体系,不同研究中体外参数的差异较大且缺乏生理依据[16];另外,胰液素的组成复杂、成分不明,难以达到体外法的重复性和重演性的要求。本实验室在前期研究猪消化生理参数的基础上,开发了基于生长猪生理消化的模拟猪小肠液,模拟胃液-小肠液体外法和动物试验法测定的干物质消化率、能量消化率之间具有较强的相关性[17-18]。但是使用体外模拟消化法优化生长猪谷物及其副产物饲粮NSP酶谱的研究报道较少。
本试验采用基于生长猪生理消化的模拟胃液-小肠液体外消化法,在玉米-豆粕-DDGS饲粮和小麦-豆粕饲粮中添加6种单一NSP酶,探讨NSP酶组合和配伍对不同类型饲粮体外干物质消化率(in vitro dry matter digestibility, IVDMD)的影响,为生长猪饲粮NSP酶谱体外筛选方法的建立提供依据。
1 材料与方法 1.1 试验时间、地点本试验于2015-2016年在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进行。
1.2 试验饲粮参照NRC(2012)[19]分别配制玉米-豆粕-DDGS饲粮和小麦-豆粕饲粮,饲粮组成见表 1。
选用纤维素酶、木聚糖酶、β-甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶、β-葡聚糖酶和果胶酶6种非淀粉多糖酶;参照NY/T912-2004[20]测得纤维素酶活力为6 867 U·g-1;参照GB/T23874-2009[21]测得木聚糖酶活力为33 290 U·g-1;参照T. M. Shafey等[22]的方法测得β-甘露聚糖酶活力为49 283 U·g-1;参照Sigma公司提供的比色法测得α-半乳糖苷酶活力为2 753 U·g-1;参照NY/T911-2004[23]测得β-葡聚糖酶活力为12 076 U·g-1;参照武莹浣等[24]的还原糖比色法测得果胶酶活力为1 129 U·g-1。
1.4 试验设计采用单因素完全随机设计,在2种饲粮中分别添加不同水平的6种NSP酶,先设定6个浓度初步确定大致的浓度区间,然后在该区间内每种酶设置6个浓度梯度,每个试验4个锥形瓶重复,采用基于猪生理消化的模拟胃液-小肠液体外消化法测定饲粮的IVDMD,分析单一NSP酶对2种饲粮IVDMD的作用。然后根据茆诗松等主编的《试验设计》[25]中的六元二次回归通用旋转设计,进行最佳酶谱组合的筛选。6种NSP酶为6个试验因子,每个因子设置5个水平,分别用2.378、1、0、-1、-2.378编码NSP酶的添加水平,共进行53组试验,每组试验4个重复,以IVDMD为指标筛选出最佳酶谱组合,然后对筛选出的NSP酶谱进行体外验证。
1.5 体外消化率的测定胃和小肠缓冲液、模拟猪胃液和小肠液均按照文献[26]进行配制。
模拟猪胃液:称取184.375 kU胃蛋白酶(Sigma,P7000) 溶解于250 mL胃缓冲溶液(39 ℃条件下pH 2.0) 中,缓慢搅拌直至溶解(临用前配制)。
小肠缓冲液:称取8.32 g无水磷酸氢二钠、40.96 g无水磷酸二氢钠、11.55 g氯化钠、2.45 g氯化钾,160万U青霉素,定容到2 000 mL(39 ℃条件下pH 7.0)。
模拟猪小肠液:称(量)取60.89 kU淀粉酶(Sigma,A3306),19.00 kU胰蛋白酶(Amersco,0785)、2.39 kU糜蛋白酶(Amersco,0164)、919.2 U脂肪酶(Sigma,L3126) 溶解于25 mL去离子水中,并缓慢搅拌直至溶解(临用前配制)。
准确称取1.000 0 (±0.000 1) g过60目筛的饲粮样品于50 mL锥形瓶,准确加入16 mL模拟猪胃液,混匀、用封口膜密封后放于水浴振荡器(HZS-H,中国,哈尔滨),39 ℃,180 r·min-1条件下,模拟胃消化4 h。完成胃阶段消化后,加入4 mL小肠缓冲液,水浴摇床运行5 min(使pH达到肠道环境要求)后,每个锥形瓶加入2 mL模拟猪小肠液,39 ℃,180 r·min-1条件下,模拟小肠消化22 h。完成胃—小肠期模拟消化后,用已绝干称重的滤纸(Whatman 1541,孔径22~25 μm)将消化残渣真空抽滤,将抽滤后的残渣和滤纸置于105 ℃烘箱中烘干至恒重。
1.6 数据处理使用SAS 9.2软件的GLM模块分析单一NSP酶添加水平与饲粮IVDMD的回归关系,采用六元二次回归通用旋转设计确定各因子的组合,试验数据用SAS 9.2软件的RSREG模块进行分析,显著水平为P < 0.05,0.05 < P < 0.10的处理因素作趋势分析。回归方程数学模型为:y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+ b5x5+b6x6+b12x1x2+b13x1x3+ b14x1x4+b15x1x5+b16x1x6+b23x2x3+b24x2x4+b25x2x5+b26x2x6+b34x3x4+b35x3x5+b36x3x6+b45x4x5+b46x4x6+b56x5x6+b11x12+b22x22+b33x32+b44x42+b55x52+b66x62。上述回归方程中的各向量指的是该方程的回归系数,其中x1、x2、x3、x4、x5、x6代表单一的酶,其向量是指单一酶的回归系数;二次项(如x1x2、x1x3等)前面的向量指的是两种酶交互作用时的回归系数,向量为负时表示有拮抗作用,向量为正时表示有协同作用。在本研究中,回归系数表示每种单酶或者交互作用对消化率的贡献率。
2 结果 2.1 饲粮营养成分含量和NSP组成饲粮碳水化合物组分含量见表 2,NSP组分和含量的测定参考黄庆华等[27]的方法。从表 2可以看出,玉米-豆粕-DDGS饲粮的中性洗涤纤维含量(12.2%)和酸性洗涤纤维含量(3.5%)与小麦-豆粕饲粮(12.0%,3.4%)非常接近。玉米-豆粕-DDGS饲粮和小麦-豆粕饲粮的NSP主要是不溶性NSP,玉米-豆粕-DDGS饲粮的总NSP和可溶性NSP的含量均低于小麦-豆粕饲粮,不溶性NSP含量高于小麦-豆粕饲粮。从NSP的组成来看,两种饲粮的NSP组分均包括:鼠李糖、岩藻糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖、糖醛酸和阿拉伯木聚糖,但是含量并不一致。在不溶性NSP中,玉米-豆粕-DDGS饲粮NSP的最主要组成部分是阿拉伯木聚糖,其次是葡萄糖;而小麦-豆粕饲粮NSP的最主要组成部分是阿拉伯木聚糖,其次是木糖;在不溶性NSP中,除阿拉伯木聚糖、木糖和鼠李糖外,玉米-豆粕-DDGS饲粮NSP的其他组分均高于小麦-豆粕饲粮。
从表 3和表 4可以看出,6种NSP酶的添加水平与玉米-豆粕-DDGS饲粮和小麦-豆粕饲粮的IVDMD都呈现二次曲线关系,且关系模型均达显著水平(P < 0.05),说明IVDMD与各NSP酶的函数关系模型是可用的。当纤维素酶、木聚糖酶、β-甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶、β-葡聚糖酶和果胶酶的添加量分别为40、400、60、80、100和80 μg·g-1时,玉米-豆粕-DDGS饲粮的IVDMD达到最大;当纤维素酶、木聚糖酶、β-甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶、β-葡聚糖酶和果胶酶的添加量分别为120、600、40、120、120和120 μg·g-1时,小麦-豆粕饲粮的IVDMD达到最大。不同NSP酶单一作用对饲粮IVDMD的提升效果不同。木聚糖酶对玉米-豆粕-DDGS饲粮的IVDMD提升作用最大,达到了2.14%;其次是β-甘露聚糖酶,提升了1.23%;纤维素酶提升程度最小,只有0.63%。而木聚糖酶和果胶酶对小麦-豆粕饲粮的IVDMD的提升作用较大,分别达到了1.76%和1.32%,β-甘露聚糖酶对IVDMD提升程度最小,只有0.56%。
当各NSP酶对饲粮的IVDMD提升作用达到最大时,IVDMD不再随着NSP酶添加水平的增加继续上升。选取此时的NSP酶添加水平为0编码水平。在玉米-豆粕-DDGS饲粮中,IVDMD达到最大时各NSP酶的添加量分别为:纤维素酶40 μg·g-1、木聚糖酶400 μg·g-1、β-甘露聚糖酶60 μg·g-1、α-半乳糖苷酶80 μg·g-1、β-葡聚糖酶100 μg·g-1、果胶酶80 μg·g-1。在小麦-豆粕饲粮中,IVDMD达到最大时各NSP酶的添加量分别为:纤维素酶120 μg·g-1、木聚糖酶600 μg·g-1、β-甘露聚糖酶40 μg·g-1、α-半乳糖苷酶120 μg·g-1、β-葡聚糖酶120 μg·g-1、果胶酶120 μg·g-1。按照二次回归通用旋转设计的要求,确定各因素(NSP酶)的编码值及实际应添加水平(表 5)。每种饲粮进行53组体外消化试验,根据体外消化试验的结果,建立IVDMD(y,%)与NSP酶添加量(x,μg·g-1)的六元二次回归方程,回归方程及相关参数见表 6。玉米-豆粕-DDGS饲粮和小麦-豆粕饲粮的回归方程均达显著水平(P < 0.05),说明用六元二次回归方程拟合IVDMD与各NSP酶的函数关系是可行的。表 7进一步分析了两种饲粮各NSP酶两两之间的互作效应。显著性检验的结果显示,在玉米-豆粕-DDGS饲粮中,纤维素酶和β-甘露聚糖酶具有显著的协同作用(P=0.022 6)。在小麦-豆粕饲粮中,纤维素酶和木聚糖酶具有显著的协同作用(P=0.019 6),纤维素酶和α-半乳糖苷酶(P=0.038 0) 以及木聚糖酶和β-葡聚糖酶(P=0.011 1) 具有显著的拮抗作用。
分析IVDMD与各NSP酶的函数关系模型可获得优化的酶谱组合(表 8),优化后的NSP酶谱组合理论上可使玉米-豆粕-DDGS饲粮的IVDMD达到77.51%,理论提升4.15%,实际IVDMD为77.25%,实际提升了3.89%;优化后的NSP酶谱组合理论上可使小麦-豆粕饲粮的IVDMD达到81.59%,理论提升3.28%,实际IVDMD为81.79%,实际上提升3.48%(表 9)。
饲料中的NSP主要包括纤维素、半纤维素、果胶、β-葡聚糖、阿拉伯木聚糖、糖醛酸等[28]。不同类型的饲粮,因饲料原料来源与成分不同,会导致NSP的含量与组成差异很大,NSP的不同组分在动物体内的消解差异也很大,NSP的降解程度与NSP的溶解度、多糖聚合物的类型以及NSP与细胞壁其他成分在结构上的关联程度有关[29-31]。I. A. Emiola等[32]在育肥猪的玉米-大麦-小麦-DDGS型饲粮中添加NSP酶,日增重提高了15%。而T. A. Woyengo等[33]在育肥猪的小麦-豆粕饲粮中添加木聚糖酶,对日增重并没有显著改善。由于不同饲粮中NSP的组分并不相同,NSP酶对猪生长性能的影响不一致可能是添加的NSP酶与饲粮中的NSP不相适应造成的。
本试验依据实验室前期建立的测定饲粮NSP组分与含量的方法[27],测定了玉米-豆粕-DDGS饲粮和小麦-豆粕饲粮的NSP组分以及各组分的含量。从测定结果可以看出,玉米-豆粕-DDGS饲粮和小麦-豆粕饲粮的NSP组分相同,但是NSP各组分的含量不同。常规的纤维测定方法中,酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维中都不包含可溶性NSP,无法确定总NSP含量。因此,不能仅仅依据饲粮纤维含量的多少决定NSP酶的添加剂量。
6种NSP酶对两种不同类型饲粮IVDMD的作用结果显示,IVDMD并不会随着NSP酶添加水平的增高而持续升高,说明NSP酶过量添加不仅带来额外的直接成本,还会降低养分消化率[9-10]。本试验发现,不同种类的NSP酶对同一种饲粮的IVDMD提升作用不同,同一种NSP酶对不同类型饲粮的IVDMD作用效果也并不一致,而且不同类型饲粮的IVDMD达到最大值时,同种NSP酶的添加水平也不相同,与相关试验的研究结果一致[34-35]。不同类型饲粮中的NSP组分和含量各有差异,NSP酶作为一种生化反应催化剂,对底物具有专一性,导致其对不同类型饲粮养分消化率的提升效果不同,只有根据饲粮中NSP的组成与含量添加与之相对应的NSP酶种类与剂量,才能充分发挥NSP酶的作用,并充分发掘饲粮的营养价值。采用动物试验筛选NSP酶谱,耗时费力,且动物个体之间变异较大,不能满足实际生产需求。因此,根据不同类型饲粮中NSP的含量和组成的差异,体外筛选与其相对应的NSP酶谱组合尤为重要,本试验采用体外法优化的NSP酶谱有待开展动物试验验证体内养分消化率的提升效果。
3.2 单一NSP酶的添加对饲粮IVDMD的影响玉米中NSP含量大约为8%,玉米DDGS中NSP含量会因玉米来源以及加工工艺而有所浮动,但含量都在30%以上[36]。小麦中NSP含量在10%左右,麦麸中NSP含量约为35%,2种饲粮中NSP的主要成分都是阿拉伯木聚糖,阿拉伯木聚糖在麦麸中高达20%[37]。本试验在研究单一NSP酶对饲粮IVDMD的作用时发现,木聚糖酶对2种饲粮的IVDMD提升作用都最大,但对2种饲粮IVDMD的提升程度并不一致。木聚糖酶的添加使玉米-豆粕-DDGS饲粮的IVDMD提升了2.14%,高于小麦-豆粕饲粮的1.76%,这可能是酶对底物作用的专一性导致的,随着饲粮中高水平阿拉伯木聚糖的降解,IVDMD提升较大。
玉米-豆粕-DDGS饲粮和小麦-豆粕饲粮的NSP含量和组成不同,添加同种NSP酶,对饲粮IVDMD的提升效果并不相同,β-甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶和β-葡聚糖酶的添加对玉米-豆粕-DDGS饲粮IVDMD的提升程度(1.23%、1.17%和1.22%)高于小麦-豆粕饲粮(0.56%、1.10%和1.12%);而纤维素酶和果胶酶的添加对玉米-豆粕-DDGS饲粮IVDMD的提升程度(0.63%和1.11%)低于小麦-豆粕饲粮(0.68%和1.32%)。此外,饲粮IVDMD达到最大值时,NSP酶的添加剂量也不同。玉米-豆粕-DDGS饲粮NSP酶的最适添加水平除β-甘露聚糖酶外都低于小麦-豆粕饲粮,可能与小麦-豆粕饲粮总非淀粉多糖(TNSP)含量(17.18%)高于玉米-豆粕-DDGS饲粮(16.43%)有关,TNSP含量高,NSP酶需要量也随之增加。单一NSP酶的添加对2种饲粮IVDMD影响的研究结果更进一步说明了基于饲粮NSP组分与含量筛选NSP酶谱的重要性。
3.3 NSP酶谱对饲粮IVDMD的提升效果饲粮中的NSP是由多种单糖或二糖通过复杂的化学键交联结合形成的高聚体,只有破坏它们之间的相关连接,才能更好的发挥饲粮的营养价值[38-40]。NSP组分与结构的复杂性导致单一NSP酶对饲粮IVDMD的提升效果并不明显,多种NSP酶配合使用可以比单一酶更有效的降解NSP复杂的链式结构,降低其抗营养作用,释放更多的营养物质[41-43]。本试验中,针对不同类型饲粮优化的NSP酶谱对IVDMD的提升作用均高于单一酶的作用,表明6种NSP酶的联合使用使2种饲粮中NSP的各组分得到了更有效的降解。F. Saleh等[44]采用体外两步法模拟玉米-豆粕饲粮消化的结果显示,纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、木聚糖酶和葡聚糖酶联合使用时总糖释放率高于各NSP酶单一的作用,和本试验的结果一致。
2种饲粮各NSP酶两两之间的互作效应结果显示,在玉米-豆粕-DDGS饲粮中,纤维素酶和β-甘露聚糖酶有显著的协同作用;在小麦-豆粕饲粮中,纤维素酶和木聚糖酶具有显著的协同作用,木聚糖酶和β-葡聚糖酶有显著的拮抗作用。通过模型计算2种饲粮IVDMD取最大值时各NSP酶的添加水平,结果发现,玉米-豆粕-DDGS饲粮的β-甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶和果胶酶以及小麦-豆粕饲粮的木聚糖酶和β-甘露聚糖酶的实际添加量比计算值小,可能是由于NSP酶之间存在协同作用,使得单一NSP酶的添加剂量虽未达到最大,已经对IVDMD有了较大的提升,而NSP酶之间的拮抗作用又导致单一NSP酶提升效果最好时组合使用不能使饲粮IVDMD得到最大提升。因此,在选择NSP酶时,不仅要根据不同类型饲粮的NSP组分和含量合理选择NSP酶的种类,还要根据NSP酶之间的互作效应确定每种NSP酶的最适添加剂量,本研究结果对生产中NSP酶的配伍使用具有指导意义。
4 结论 4.1在本试验条件下,生长猪玉米-豆粕-DDGS饲粮的最佳NSP酶谱组成:纤维素酶427.1 U·kg-1,木聚糖酶7 057.5 U·kg-1,β-甘露聚糖酶3 587.8 U·kg-1,α-半乳糖苷酶202.1 U·kg-1,β-葡聚糖酶1 543.3 U·kg-1,果胶酶72.7 U·kg-1;生长猪小麦-豆粕饲粮的最佳NSP酶谱组成:纤维素酶1 117.9 U·kg-1,木聚糖酶35 087.7 U·kg-1,β-甘露聚糖酶1 917.1 U·kg-1,α-半乳糖苷酶305.0 U·kg-1,β-葡聚糖酶806.7 U·kg-1,果胶酶133.7 U·kg-1。
4.2针对2种类型饲粮筛选并优化的NSP酶谱组合,分别使玉米-豆粕-DDGS饲粮和小麦-豆粕饲粮的体外干物质消化率提高了3.89%和3.48%。
4.3基于猪生理消化液组成的模拟胃液-小肠液体外消化法可快速、有效的筛选并优化生长猪饲粮NSP酶谱,可为生产上快速评价NSP酶作用效果提供依据。
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