■ 趙一鳴 徐 文 安容容 王 淼 李沁澤 張穎超
(華北理工大學生命科學學院,河北唐山 063210)
飼料中抗營養(yǎng)因子又稱營養(yǎng)抑制因子(antinutritional factor,ANF),是植物為抵御外界不利因素以及平衡自身營養(yǎng)結構所生成的物質,含量過高會對畜禽生長和繁殖造成不利影響,可較大程度上延緩機體發(fā)育并危害動物健康[1],是飼料成分檢測的關鍵指標之一。
飼草中的抗營養(yǎng)因子主要有單寧、木質素、植酸、硫代葡萄糖苷、植物凝集素、生物堿、皂苷、蛋白酶抑制因子、草酸、硝酸鹽及亞硝酸鹽等。其中,單寧、硫代葡萄糖苷和植酸均為目前研究關注的重點。單寧是一類多酚化合物,是植物重要的次級代謝產物,廣泛存在于苜蓿[2]、菜籽粕[3]和木本植物等常見飼料中;硫代葡萄糖苷作為防御性物質廣泛參與十字花科植物體內的防御反應,在植物應對環(huán)境改變的過程中具有重要作用,主要存在于菜籽粕、油菜植株的各部分[4];米糠粕是豆粕減量替代的非常規(guī)飼料資源,但其含有抗營養(yǎng)因子植酸,比例高達8%。植酸化學性質穩(wěn)定,常規(guī)加熱等物理方法難以破壞其結構,動物體內也沒有相應酶體系可以將其消化降解,因此探究植酸對畜禽的影響及其降解方法是當前研究熱點[5]。
綜上,本文就單寧、硫代葡萄糖苷和植酸在飼料中的含量、對畜禽的影響及其在日糧中的閾值和降解方法進行綜述,以期為提高飼料綜合利用和畜禽生產性能提供參考。
單寧屬于天然酚類化合物,是植物的重要次級代謝產物,依據(jù)結構和活性分為水解單寧(hydrolyzable tannin, HT)和縮合單寧(condensed tannin, CT)兩類[6]。水解單寧化學式為C76H52O46,由沒食子酸酯或含糖基的鞣酸及其衍生物組成,相對分子質量較小,容易被酸、堿和酶水解,以單寧酸(tannin acid,TA)最為常見[7]??s合單寧化學結構則主要取決于來源,彭凱等[8]報道,紫色達利菊葉和花中提取的縮合單寧,結合蛋白質的能力高于莖中提取的縮合單寧,主要原因是莖中的縮合單寧聚合度高;同時,不同植物提取的縮合單寧,其結構、分子量和生物活性也各不相同。合理利用單寧有消炎、抑菌、抗寄生蟲和提高過瘤胃蛋白比例的作用[9];日糧中單寧含量過高則表現(xiàn)出抗營養(yǎng)作用。水解單寧和縮合單寧檢測方法不同,文獻中直接稱為單寧的是水解單寧,表1 列舉了部分飼料的單寧含量??傮w來說,木本植物飼料因其為灌木或半灌木,莖葉中單寧含量較高,是其作為飼料的主要抗營養(yǎng)因子之一。
表1 部分飼料的單寧含量
日糧中適量添加單寧可以減少反芻動物的甲烷排放、尿素氮含量,調節(jié)瘤胃微生物區(qū)系,改善肉品質[16]。反芻動物對單寧的耐受閾值也較高,因為反芻動物瘤胃中含有可降解單寧的微生物,同時反芻動物對蛋白質等營養(yǎng)物質的消化主要在腸道中,單寧可與蛋白質絡合,增加過瘤胃蛋白量,進而提高蛋白質在腸道中的消化率,如綿羊[17]和肉牛[18]日糧中單寧含量不能超過3.5%和4.5%。日糧中單寧濃度過高時,主要通過四個方面表現(xiàn)抗營養(yǎng)作用:第一,縮合單寧與Fe、Zn等金屬離子結合形成沉淀物,與維生素B12結合形成復合物,降低飼料利用率;第二,單寧與唾液蛋白作用產生澀味,降低適口性;第三,單寧結合淀粉、蛋白質、Ca、Fe、Zn 等金屬元素形成螯合物,降低營養(yǎng)物質消化率;第四,單寧在消化道中與胃腸黏膜表面的蛋白質(或某些消化酶)結合,減少腸道對營養(yǎng)物質的吸收[7]。
單胃動物對單寧的耐受度比反芻動物低很多。保育豬[19]、蛋雞[20]、肉仔雞[21]日糧中單寧的含量不能超過0.4%、0.15%和0.2%,否則動物前期表現(xiàn)為厭食、嗜睡、暫時性腹瀉,后期可發(fā)展成為肝壞死、腎炎和急性胃腸炎,并且對免疫器官有明顯的抑制作用[22]。
降解飼料中單寧的方法有生物學方法、物理方法、化學方法、貴金屬催化氫解法以及樹脂催化法。其中,生物學方法更加安全、高效,可操作性強,是近幾年研究重點,主要包括添加外源酶或選育降解單寧的微生物對飼料進行發(fā)酵。外源酶主要是單寧酶,該酶能夠催化沒食子單寧等底物中酯鍵和縮酚鍵水解,生成沒食子酸和葡萄糖[23]。其中,工業(yè)化生產單寧酶大多源自微生物[24]。微生物降解植物單寧具有毒副作用小、殘留量低等優(yōu)點,真菌中黑曲霉、青霉、米曲霉和細菌中革蘭氏陰性菌均有可降解單寧[25]的分離菌株。
微生物降解飼料單寧主要通過厭氧發(fā)酵和固體發(fā)酵方式。其中,厭氧發(fā)酵主要是進行青貯加工,張建國等[26]探究了添加蔗糖和乳酸菌青貯處理降解銀合歡中含羞草素和單寧的效果,結果去除率達54.7%。何敏[27]探究了不同乳酸菌種對高粱青貯單寧降解的影響,發(fā)現(xiàn)添加不同菌株時的降解率差異較大,乳酸菌菌株YM3 單寧降解率最高,為71.21%。若利用固體發(fā)酵降解單寧,則需要探索不同菌株、材料和單寧互作的效應,其發(fā)酵條件對單寧降解率影響很大。黃文等[28]研究發(fā)現(xiàn),在pH 為5.8 時,降解4 d,橡婉單寧的去除率高達64%。另有研究發(fā)現(xiàn),以牛羊糞為菌源分離篩選革蘭氏陰性菌,降解縮合單寧(落葉松),發(fā)酵72 h 降解率可達90%以上[29]。產單寧酶優(yōu)質菌株的篩選對于降解單寧異常重要,研究顯示優(yōu)質乳酸菌菌株單獨添加酶解效率(78%)[30]比乳酸菌與酵母菌混合添加降解效率(50.94%)[31]高。
物理方法去除飼料中單寧的主要流程包括溶液浸提、干燥、脫殼、擠壓。單寧在豆類種皮中含量較高,因此脫殼可以去除這類飼料的單寧。擠壓則通過其過程中產生的高溫來破壞單寧結構。另有研究發(fā)現(xiàn),γ射線可以降解包括單寧在內的多種抗營養(yǎng)因子,且隨著劑量增加降解能力增強[32]。
化學方法降解包括酸降解和堿降解。酸降解操作簡單、設備價格低廉、降解率高,有鹽酸降解、亞硫酸降解和固體酸降解三種方式,是單寧化學降解的主要方式,但酸的腐蝕性較高,對牲畜影響不明朗,因此酸降解并不常用于飼料中單寧的降解。堿降解可利用NaOH 或Na2SO3,不同溫度和時間條件下降解程度不同,具有成本低和操作簡單的特點,但不易把控降解條件。
貴金屬催化氫解法指的是通過貴金屬催化和氫氣氫解將C4—C8鍵斷裂,從而使縮合單寧催化氫解為兒茶素等小分子量的低聚物,低聚物可被動物所利用。Li 等[33]利用3 MPa 氫氣、3 mg Pd/C、100 ℃、1~3 h 處理高粱麩皮原花青素聚合物,可使降解率達到最高,低聚物最高產率達到38.8%。Zhu 等[34]以Ru/C為催化劑,通過催化氫解對落葉松樹皮中原花青素進行解聚,發(fā)現(xiàn)解聚產物中Ru 金屬含量較少,符合食品安全標準??傮w來說,氫化降解縮合單寧對安全性要求較高,操作方便簡潔,對儀器設備腐蝕性小。
最后,樹脂也可被用于單寧降解。姜貴全等[35]利用CR57 樹脂催化降解落葉松樹皮多聚原花青素,每100 mL 多聚原花青素中加入18 mL 樹脂,76 ℃反應1.8 h,在此條件下降解產物的平均聚合度為3.76,產物包含兒茶素、表兒茶素、原花青素B1等。樹脂催化法操作簡便、對儀器腐蝕性小、成本低、反應條件溫和,但樹脂催化法往往應用于樹皮的開發(fā)利用獲得降解產物,并未見其應用于飼料加工上。
硫代葡萄糖苷是菜籽粕中主要的抗營養(yǎng)因子,菜籽粕是畜禽飼糧組成中重要的原料,因此研究較多?,F(xiàn)已分離的硫代葡萄糖苷有200 多種,其分子結構的主要差異在側鏈。根據(jù)側鏈結構可把硫代葡萄糖苷分為三大類:含有直鏈或支鏈烷基的脂肪族硫代葡萄糖苷、含有苯環(huán)的芳香族硫代葡萄糖苷和含有吲哚環(huán)的吲哚族硫代葡萄糖苷。不同植物來源的硫代葡萄糖苷結構不同,如甘藍型油菜副產品中,脂肪族硫代葡萄糖苷主要是甲狀腺腫素源和葡萄糖芫菁芥素,芳香族硫代葡萄糖苷主要是4-羥基蕓苔葡萄糖硫苷;芥菜型油菜副產品中主要的脂肪族和芳香族硫代葡萄糖苷是葡萄糖芫菁芥素和4-羥基蕓苔葡萄糖硫代葡萄糖苷[36]。硫代葡萄糖苷主要存在于植物種子中,因此餅粕類飼料含量均較高。含有硫代葡萄糖苷的常見飼料見表2。
表2 部分飼料硫代葡萄糖苷含量
油菜籽副產品是畜禽日糧中僅次于豆粕的蛋白質和氨基酸來源,其含有大量硫代葡萄糖苷。硫代葡萄糖苷本身沒有抗營養(yǎng)作用,但飼料(如油菜籽)中與硫代葡萄糖苷并存的還有芥子酶,油菜籽在榨油加工過程中或被動物攝入后,芥子酶與硫代葡萄糖苷接觸而使其水解,大大提高其毒性,酶解產生的硫氰酸鐵、異硫氰酸鹽、腈類和惡唑酮類化合物,是毒性較大的抗營養(yǎng)因子。長期過量攝入會引發(fā)動物采食量下降,阻礙動物對碘的吸收與轉化,動物體缺碘,導致甲狀腺腫大[44];其中腈類化合物的毒性使肝臟和腎臟受損腫大,甚至導致肝出血、肝壞死等癥狀,危及生命[45]。
直接研究硫代葡萄糖苷對畜禽影響的報道較少:日糧中硫代葡萄糖苷水平≥2.75 μmol/g 時,對豬產生負面影響;豬只對芥菜型溶劑萃取菜籽粕硫代葡萄糖苷的耐受水平低于甘藍型。但研究菜籽粕中硫代葡萄糖苷對畜禽的影響較多,如張桂潔等[46]研究發(fā)現(xiàn),日糧中添加雙低菜籽餅粕量不應超過10%,否則會使蛋雞產蛋率和飼料轉化率下降,甲狀腺受到影響;另有研究探究了發(fā)酵菜籽粕代替豆粕對肉雞的影響,發(fā)現(xiàn)發(fā)酵菜籽粕替代比例超過15%時,肉雞采食量開始下降,平均日增重開始減少[47]。除此之外,仔豬[48]和生長育肥豬[49]飼糧中添加菜籽粕的量應分別低于5%和20%,否則將顯著降低豬只的生長性能。肉牛[50]和乳牛[51]對含硫代葡萄糖苷的菜籽粕耐受能力并不強于單胃動物,閾值分別為17.4%和5.0%。
飼料中硫代葡萄糖苷的降解方法主要有物理法、化學法、溶劑浸出法和微生物發(fā)酵法。物理法主要有熱水蒸煮、焙炒等方法,但會引起水溶性固形物的損失;化學法有醇加氨法、堿處理法、鐵鹽法等,但這些方法會降低餅粕適口性;溶劑浸出法主要是利用硫代葡萄糖苷溶于乙醇或水的特點,使硫代葡萄糖苷浸出,但容易引起醇溶性蛋白質和水溶性蛋白質的損失;還有物理化學結合法,主要指微波化學脫除法,如利用CaCl2處理菜籽餅粕后,在700 W 微波條件下微波處理2.29 min,硫代葡萄糖苷脫除率為69.27%[52]。
微生物發(fā)酵法指利用微生物發(fā)酵來降低飼料中硫代葡萄糖苷含量,常用的菌種有乳酸菌、酵母菌、少孢子根霉菌混合培養(yǎng)得到的復合菌系等[53]。微生物發(fā)酵法成本低、安全性高、無污染、方法簡單,且可提高飼料營養(yǎng)價值,但需確保所生成物質無毒副作用[54]。微生物發(fā)酵菌種的選育和條件的選擇對降解率至關重要。劉林等[55]用比例為2∶1∶2的白地霉、產朊假絲酵母、植物乳桿菌處理發(fā)酵菜籽餅粕,硫代葡萄糖苷的去除率高達74.85%。付敏等[56]利用接種量為16%、料水比為1∶1、比例為3∶1∶1 的枯草芽孢桿菌、黑曲霉、白地霉發(fā)酵菜籽餅4 d,硫代葡萄糖苷的去除率高達93.53%。除此之外,還有學者探究了菌酶協(xié)同處理菜籽粕的效果,發(fā)酵條件為菜籽粕與麩皮比例7∶3、吐溫80 添加量0.05%、初始發(fā)酵水分60%,硫代葡萄糖苷的降解率也高達96.18%[57]。由此可見,利用微生物發(fā)酵法降解硫代葡萄糖苷,需注意料水比、優(yōu)質菌種的選育和配比。
植酸可與蛋白質、淀粉、脂肪、礦物質元素等營養(yǎng)物質結合,顯著降低飼料營養(yǎng)的生物利用率而被列為抗營養(yǎng)因子[58]。含麩皮谷物中植酸是含量最多的抗營養(yǎng)因子,如大米植酸含量為1.00~5.52 g/kg,小米為3.54~7.96 g/kg,全麥粉為6~10 g/kg,小麥麩皮為25~58 g/kg,燕麥糠為20 g/kg,大米米糠為58 g/kg,燕麥、裸麥和大麥為4~7 g/kg。植酸在種子中的分布也并不相同,有的植物在糊粉層,如小麥和大米的植酸84%~88%存在于麩皮和米糠中;有的在盾片層,如玉米90%的植酸存在于胚芽中[59]。非常規(guī)飼料水稻麩皮是豆粕減量替代極具潛力的飼料,但因含有大量植酸,成為限制其替代豆粕用于飼料中的因素,亟需解決,如何安全高效降解植酸是當前研究熱點。部分飼料中植酸含量見表3。
表3 部分飼料中植酸含量
植物性飼料中的磷大部分以植酸磷的形式存在,磷是動物骨骼、牙齒等組織的重要構成成分,也是參與體內能量代謝、蛋白質合成等許多生命活動過程的重要元素[60]。單胃和無胃動物體內均缺乏分解植酸磷的酶,無法將植酸磷分解為可用的無機磷,顯著影響動物生長速率、降低飼料消化率和骨骼健康[62]。除此之外,植酸還通過三方面表現(xiàn)出抗營養(yǎng)因子的作用:第一,植酸對多種消化酶都有抑制作用,如蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶,這就導致動物胃腸狀態(tài)改變,進而影響物質的消化吸收;第二,植酸與淀粉以氫鍵結合,影響淀粉的消化,同時還與脂肪相互作用形成脂聯(lián)素,在家禽腸道中形成金屬肥皂,影響脂類能量的利用[63];第三,植酸中有6 個帶負電的磷酸基團,其可與帶正電的金屬離子形成穩(wěn)定的絡合物,使谷物中Zn、Fe、Ca等礦物質的吸收受到抑制[64]。
關于植酸及植酸磷對畜禽的影響,大多數(shù)研究意在探究降解植酸對畜禽的影響。Zhai 等[65]研究了磷酸鈣和植酸酶對斷奶仔豬磷的消化率和骨礦化度的影響,發(fā)現(xiàn)增加磷酸鈣可線性增加體重、采食量和骨骼礦化能力,添加植酸酶可提高磷的表觀總消化率。另有文獻研究了1 000 U/kg和1 800 U/kg植酸酶對公雞飼料中小麥麩和大米麩植酸含量的影響,結果表明1 800 U/kg植酸酶能顯著降低植酸磷的含量[66]。除此之外,Moita 等[67]研究發(fā)現(xiàn),添加植酸酶不僅可以提高營養(yǎng)物質消化率和肉雞生長性能,還能夠通過調節(jié)肉雞腸道微生物群來增強腸道健康。
植酸結構比較穩(wěn)定,不易通過常規(guī)的物理方法降解,因此植酸降解的研究主要集中在生物加工,包括生物發(fā)酵和酶處理。多數(shù)發(fā)酵過程都可降解植酸,尤其加入有降解植酸功能的針對性微生物,其主要依靠以下三個途徑降解植酸:第一,發(fā)酵過程中的酸化激活谷物中內源性植酸酶的活性;第二,微生物生長代謝過程中分泌外源性植酸酶;第三,微生物分泌的磷酸酶水解植酸。與此同時,研究發(fā)現(xiàn)外源性植酸酶比植物內源性植酸酶的活躍度高[68-69]。但在進行生物發(fā)酵時,也需要評定菌種的安全性,確保菌種降解植酸所產生的物質對動物無害。生物發(fā)酵主要利用酵母菌或乳酸菌進行固態(tài)發(fā)酵,Tu等[70]利用芽孢桿菌進行固態(tài)發(fā)酵,發(fā)酵6 d 后,植酸可從7.33 g/kg 降至5.93 g/kg。有研究表明,利用乳酸菌和酵母菌混合發(fā)酵,植酸降解率高于單一菌發(fā)酵,如利用短鏈乳桿菌、植物乳桿菌和酵母菌混合發(fā)酵,植酸降解率達69.76%[71]。
酶處理則通過外源性添加植酸酶來調控植酸水平,根據(jù)酶切位點的位置又分為3-植酸酶和6-植酸酶。3-植酸酶主要來源于真菌,6-植酸酶來源于細菌,主要差別在于水解終產物肌醇磷酸衍生物的結構不同[72-73]。外源添加植酸酶可有效保持飼料中干物質和礦物質含量以及活性,快速降解植酸,是一種行之有效的方法。
飼料安全是保障畜牧業(yè)發(fā)展的重要因素,飼料中抗營養(yǎng)因子的含量和降解方法一直是畜禽養(yǎng)殖戶關注的要點。根據(jù)畜禽對不同抗營養(yǎng)因子的耐受閾值調配日糧,可最大程度上避免抗營養(yǎng)因子的不良影響;同時,抗營養(yǎng)因子的降解是飼料加工方向重要的研究內容,有助于飼料提質增效,但要注意辨別不同降解方法的產物,避免產物毒性大于原料毒性,應加強降解產物對畜禽影響的研究。