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?如何精準應用NSP復合酶解鎖飼料NSP纖維指紋?

發表時間:2021-07-22 10:47作者:比利時AVEVE-曠博士

飼料成本大約占畜禽養殖過程中70%以上,因此如何提高飼料原料消化吸收率?合理優化配方,并精準應用NSP復合酶解鎖配合飼料中不同植物原料中的抗營養因子NSP纖維指紋鎖,是目前飼料企業應對玉米豆粕原料價格行情高漲,降本增效的首選方案。

眾所周知,常規畜禽飼料由玉米豆粕型為基礎組成。

除此之外,還有很多非常規飼料原料,比如小麥、大麥、高粱、碎米、麥麩、次粉、燕麥黑麥等能量飼料原料,以及蛋白類原料,比如棉籽粕、菜籽粕、花生粕、葵花籽粕DDGS等副產物。

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這些植物性原料不僅淀粉結構組成,脂肪含量,蛋白質和氨基酸組成,以及維生素和微量元素含量差異很大;更為關鍵的是,它們所含有抗營養因子(Anti-Nutritional Factors, ANFs)NSP纖維亦千差萬別。

同時,每一種植物飼料原料的NSP纖維在組成、結構、含量和水溶性等方面各不相同,猶如指紋一樣,均具有其獨特特性。

由于豬雞等單胃動物體內缺乏降解NSP纖維所需要的NSP酶,因此我們需要在飼料中外源添加NSP復合酶,比如木聚糖酶,葡聚糖酶等,解鎖不同植物性日糧中的NSP纖維指紋,從而起到用低成本飼料原料無障礙替代玉米或豆粕,達到降本保效或提質增效的作用。

存在于植物細胞壁中的
不同飼料原料NSP纖維指紋

植物細胞壁是存在于植物細胞最外層的厚壁,分為初生壁、次生壁和胞間層,是由細胞壁多糖、蛋白質、脂質、木質素、水和結殼物質組成的復雜混合物。

植物初生細胞壁主要以纖維素微纖絲組成的網絡結構為基礎,不同種類半纖維素以多種結合方式與纖維素網絡結合,而功能性蛋白、脂質等其他物質分散在此多糖網絡結構中。

NSP纖維是構成植物性飼料原料種子外皮及包裹主要營養成分的結構性細胞壁多糖,組成通常為纖維素、半纖維素和果膠類多糖。

纖維素是植物細胞壁的主要結構成分,通常與半纖維素、果膠和木質素結合在一起;半纖維素存在于植物組織的初生壁和次生壁,根據植物種類的不同而組成各有差異;果膠是大多數植物初生壁的主要成分之一,也存在于木質組織細胞的次生壁中。具體參見圖1果皮和胚乳結構圖,圖2植物細胞壁結構圖。

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圖1 果皮和胚乳結構圖

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圖2 植物細胞壁結構圖

NSP纖維的化學分類

NSP纖維按照糖鏈中糖基種類可分為同多糖和雜多糖,因為與木質素緊密連接在一起,構成植物細胞壁主要成分,因此也叫做結構多糖。如果按照水溶性,又可分為可溶性纖維(如β-葡聚糖,半乳甘露聚糖,果膠等)和不可溶性纖維(如纖維素,半纖維素等)。

按照糖鏈中糖基組成成分和糖苷鍵類型,可將NSP纖維分為纖維素(cellulose),半纖維素也稱為非纖維素類(hemicellulose or non-cellulosic polymers)和果膠類多糖(pectic polysaccharides)。

纖維素從化學結構上講是同多糖,糖鏈是由D-葡萄糖單糖通過β1-4糖苷鍵組成,纖維素大約由300-15000個葡萄糖脫水形成。

半纖維素是一類復雜的同多糖或雜多糖,其主要包括異型木聚糖(heteroxylans),包括阿拉伯木聚糖(arabinoxylans),葡糖醛酸木聚糖(glucuronoxylans)和葡糖醛酸阿拉伯木聚糖(glucuronoarabinoxylans);混合型β-葡聚糖(β-glucans),木葡聚糖(xyloglucans),胼胝體(callose,β1-3葡聚糖);甘露聚糖(mannans),包括葡甘露聚(glucomannans),半乳葡聚糖(galactomannans)和半乳葡甘露聚(galactoglucomannans)等。半纖維素的糖基主鏈通過β1-4或β1-3糖苷鍵連接。

半纖維素中的異型木聚糖主鏈上O3位置被乙?;?,或被葡糖醛酸(glucuronosyl residues)和4-O甲基葡糖醛基(4-O-methyl glucuronosyl residues)通過α1-2糖苷鍵修飾。葡糖醛酸木聚糖(glucuronoxylans)主要存在于雙子葉植物(樺木、山毛櫸木等)的細胞壁中;葡萄糖醛酸阿拉伯糖木聚糖(glucuronoarabinoxylans)存在于單子葉植物(玉米)的細胞壁中;阿拉伯木聚糖(arabinoxylans)存在于淀粉類谷物(小麥、大麥、高粱等谷物)果實細胞壁中;其中阿拉伯木聚糖屬于可溶性NSP纖維,會顯著提高腸道內容物粘性。具體見圖3。

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圖3 異型木聚糖糖鏈示意圖

谷物類等植物主要是混合型β葡聚糖結構,也叫β葡聚糖(β-glucan),其主鏈結構中有約70%的β1-4糖苷鍵和約30%的β1-3糖苷鍵。其中β1-4糖苷鍵構成葡聚糖直鏈,β1-3糖苷鍵讓葡聚糖具備螺旋結構,而β1-6糖苷鍵構成的支鏈結構可提高葡聚糖溶解性。具體見圖4。

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圖4 β-葡聚糖糖鏈結構示意圖

甘露聚糖(mannans)也是一類復雜的多糖類聚合物,主鏈是甘露糖通過β1-4糖苷鍵連接,其中如果有葡萄糖殘基通過β1-4糖苷鍵替代甘露糖,就形成葡甘露聚糖(glucomannans);如果半乳糖(galactose)通過α1-6糖苷鍵連接甘露糖或葡萄糖殘基,就形成半乳葡聚糖(galactomannans)或半乳葡甘露聚(galactoglucomannans),具體參見圖5。

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圖5 不同甘露聚糖糖鏈示意圖

果膠類多糖(pectic polysaccharides)是一類存在于植物初生細胞壁和細胞內膜的結構纖維類線性聚合物。其由幾百個或者上千個半乳糖醛酸單體(galacturonic acid monomer units)通過α1-4糖苷鍵形成主鏈骨架,分子量約在50KD150KD。果膠主鏈上會被吡喃鼠李糖以α1-2糖苷鍵連接取代,同時側鏈也會出現半乳糖,甘露糖,葡萄糖和木糖等。

因此纖維素,半纖維素和果膠類多糖充分水解后主要單糖為五碳糖(pentose)比如木糖(xylose)和阿拉伯糖(arabinose);以及六碳糖(hexose),比如葡萄糖(glucose)和半乳糖(galactose),甘露糖(mannose)和糖醛酸(urnoic acid),以及少量鼠李糖(rhamnose)和巖藻糖(fucose)等。

不同飼料原料NSP纖維指紋
數據匯總和特點分析

常規概略養分分析將飼料和飼料原料中粗纖維分為NDF,酸性洗滌纖維ADF,和酸性洗滌木質素ADL。其中中性洗滌纖維NDF與酸性洗滌纖維ADF之差即為半纖維素。但這種概略分析并不能真實而準確反應出飼料和飼料原料中抗營養因子(Anti-Nutritional Factors)NSP纖維的種類和水溶性。

比利時AVEVE農業集團通過與比利時根特大學合作研究,通過研究NSP纖維水解的單糖產物,全面分析飼料和飼料原料中NSP纖維的種類和水溶性(參見表1和表2),從而為合理應用NSP復合酶降解NSP纖維,消除植物性原料中的抗營養因子NSP,提高飼料和飼料原料中營養物質消化率,減少畜禽腸道疾病發生率,提供了精確酶制劑營養解決方案。

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表1 不同飼料原料中單糖含量

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表2 常見谷物飼料中可溶性和不可溶性NSP 纖維含量

根據飼料原料中NSP纖維指紋
和酶學劑量效應合理應用NSP復合酶

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植物性飼料和飼料原料中的NSP纖維的抗營養作用主要可分為膠效應(Gel effect)和殼效應(Nutshell effect)。

可溶性NSP纖維會提高食靡在腸道中的持水力而形成膠狀食靡,這會導致內源酶作用效率降低,影響養分消化吸收率,同時也會導致畜禽采食量降低。由于單胃動物缺乏可降解植物細胞壁中不可溶NSP纖維的生物酶,導致內源酶無法高效地進入并降解被NSP纖維包裹的養分。

同時由于被NSP纖維包裹,養分消化吸收效率降低,導致大量未被消化的養分從消化道前端進入大腸,并被有害微生物利用,導致腸道菌群失調甚至腹瀉。

根據NSP酶作用機理以及“鎖和鑰匙”作用模型,每個酶分子需要和底物(NSP纖維分子)直接物理接觸才能產生酶水解反應。如果需要達到正作用效應,需要最低酶濃度(閾值濃度)。

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這種閾值效應反之亦然,如果酶分子濃度過高于NSP分子濃度,即使進一步增加酶分子濃度也不會進一步產生性能改善的效果。

英威XG10復合酶產品開發過程中,根據酶添加劑量與生產性能曲線的得出酶學劑量效應曲線,并在此基礎之上,根據常見飼料原料NSP纖維指紋特點以及配方植物性原料的添加比例。

設計出酶制劑添加劑量計算器,方便客戶根據自身配方原料的變化,計算出最有效和經濟的NSP酶添加劑量,從而讓NSP酶真正成為飼料企業降本增效和精準營養的金鑰匙。

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