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1、华南农业大学 冯定远冯定远中国农科院畜牧所 汪汪 儆儆非淀粉多糖酶作用机理及非淀粉多糖酶作用机理及影响因素研究进展影响因素研究进展1饲用酶制剂饲用酶制剂是近年来研究和开发十分活跃的是近年来研究和开发十分活跃的领域，基础研究和生产应用都取得可喜的进领域，基础研究和生产应用都取得可喜的进展。展。特别是饲用特别是饲用非淀粉多糖酶制剂非淀粉多糖酶制剂的应用研究。的应用研究。随着随着非常规饲料原料非常规饲料原料的开发和的开发和非常规日粮非常规日粮的的使用使用, ,非淀粉多糖酶制剂的应用越来越普遍。非淀粉多糖酶制剂的应用越来越普遍。 2非淀粉多糖(NSP)非淀粉多糖非淀粉多糖（Non-starch Pol
2、ysaccharidesNon-starch Polysaccharides，NSPNSP）是植物组织淀粉以外的所有碳水化合物的总）是植物组织淀粉以外的所有碳水化合物的总称。称。由纤维素、半纤维素、果胶和抗性淀粉由纤维素、半纤维素、果胶和抗性淀粉 四部分四部分组成。组成。前三者主要存在于细胞壁中，是构成细胞壁前三者主要存在于细胞壁中，是构成细胞壁的主要成分；抗性淀粉则是加工过程中发生的主要成分；抗性淀粉则是加工过程中发生的美拉德反应的产物。的美拉德反应的产物。 3非淀粉多糖(NSP)包括包括不溶性不溶性非淀粉多糖（包括纤维素等）非淀粉多糖（包括纤维素等） 可溶性可溶性非淀粉多糖（包括可溶性阿拉
3、伯木聚非淀粉多糖（包括可溶性阿拉伯木聚糖和糖和-葡聚糖等）葡聚糖等） 。阿拉伯木聚糖是五碳聚糖（戊聚糖）阿拉伯木聚糖是五碳聚糖（戊聚糖）, -, -葡聚葡聚糖和纤维素是六碳聚糖。糖和纤维素是六碳聚糖。具有抗营养作用的具有抗营养作用的主要是可溶性部分主要是可溶性部分，称为可溶，称为可溶性非淀粉多糖（性非淀粉多糖（SNSPSNSP）。）。4主要谷物及豆类中非淀粉多糖的类型及含量主要谷物及豆类中非淀粉多糖的类型及含量（%，DM） （Choct,1997)总总NSPNSP不溶性不溶性NSPNSP可溶性可溶性NSPNSP主要的主要的NSPNSP小麦小麦11.49.02.4戊聚糖戊聚糖大麦大麦16.712
4、.24.5葡聚糖葡聚糖黑小麦黑小麦16.314.61.7戊聚糖戊聚糖玉米玉米8.18.00.1纤维素等纤维素等高粱高粱4.84.60.2果胶，戊聚糖果胶，戊聚糖豆粕豆粕19.216.52.7半乳糖，果胶半乳糖，果胶菜籽粕菜籽粕46.134.811.3果胶，戊聚糖果胶，戊聚糖豌豆豌豆34.732.22.5果胶，戊聚糖果胶，戊聚糖5阿拉伯木聚糖的结构图6非淀粉多糖(NSP)可溶性阿拉伯木聚糖由吡喃木糖残基以可溶性阿拉伯木聚糖由吡喃木糖残基以-1,4-1,4糖糖苷键苷键连接，木糖某些残基上的连接，木糖某些残基上的C-2C-2或或C-3C-3上发生阿上发生阿拉伯糖残基的取代。阿拉伯糖的取代降低了主链拉
5、伯糖残基的取代。阿拉伯糖的取代降低了主链化学键的作用力，从而具有水溶性和粘稠性。化学键的作用力，从而具有水溶性和粘稠性。-葡聚糖是一种部分可溶性的多糖。由葡聚糖是一种部分可溶性的多糖。由-1,4-1,4糖苷键和糖苷键和-1,3-1,3糖苷键糖苷键组成，组成，-1,4-1,4糖苷键构成糖苷键构成主链。主链。-1,3-1,3糖苷键的存在，使糖苷键的存在，使-葡聚糖不同葡聚糖不同于纤维素，从而使其成为在水溶液中的粘性成分。于纤维素，从而使其成为在水溶液中的粘性成分。7华南农业大学等单位作了华南农业大学等单位作了较系统的讨论较系统的讨论于旭华于旭华2001于旭华于旭华2004冯定远等冯定远等1997冯
6、定远等冯定远等1998冯定远等冯定远等2000冯定远和张莹冯定远和张莹 2000冯定远和吴新连冯定远和吴新连 2001沈水宝沈水宝2002黄燕华黄燕华20048华南农业大学有关酶制剂的研究课题1.外源酶制剂对仔猪消化酶分泌的影响外源酶制剂对仔猪消化酶分泌的影响（国家自然科学基金项目）（国家自然科学基金项目）2.细菌和真菌来源木聚糖酶作用机理的研究细菌和真菌来源木聚糖酶作用机理的研究（国家自然科学基金项目）（国家自然科学基金项目）3.畜禽健康养殖生物调控新技术研究畜禽健康养殖生物调控新技术研究（广东省自然科学基金重点项目）广东省自然科学基金重点项目）4.生物活性物质调控猪生长和内分泌机能关键技术
7、研究生物活性物质调控猪生长和内分泌机能关键技术研究（科技部国家科技攻关计划子项目）（科技部国家科技攻关计划子项目）5.稻谷型饲料酶制剂的开发应用稻谷型饲料酶制剂的开发应用（广东省（广东省“千百十工程千百十工程”人才基金项目）人才基金项目）6.饲用酶制剂的应用研究饲用酶制剂的应用研究（广东省教育厅自然科学基金项目）（广东省教育厅自然科学基金项目）9华南农业大学有关酶制剂研究的博士研究生1.沈水宝沈水宝: 外源酶制剂对仔猪消化酶分泌外源酶制剂对仔猪消化酶分泌的影响的影响 2.于旭华于旭华: 细菌和真菌来源木聚糖酶作用细菌和真菌来源木聚糖酶作用机理的研究机理的研究 3.黄燕华黄燕华: 不同来源纤维素
8、酶作用机理和不同来源纤维素酶作用机理和效果的研究效果的研究 10非淀粉多糖酶作用机理1 1 降解可溶性非淀粉多糖，降低降解可溶性非淀粉多糖，降低食糜粘性食糜粘性。 2 2 摧毁植物摧毁植物细胞壁细胞壁，释放细胞内养分。，释放细胞内养分。 3 3 减少动物肠道减少动物肠道有害微生物有害微生物增殖。增殖。 4 4 对对消化系统消化系统发育的影响发育的影响 。5 5 提高机体提高机体代谢代谢水平，增强水平，增强免疫免疫力力 。11作用机理一作用机理一:降低食糜的粘性水溶性水溶性NSPNSP如如-葡聚糖等则通过葡聚糖等则通过网状结构网状结构的形成而吸收水分子，形成凝胶，从而改的形成而吸收水分子，形成凝
9、胶，从而改变了肠道的物理活性。变了肠道的物理活性。不溶性不溶性NSPNSP如纤维素等具有如纤维素等具有海绵一样海绵一样的吸的吸收功能。收功能。NSPNSP在消化道内大量吸收水份而变得膨胀在消化道内大量吸收水份而变得膨胀和粘稠。和粘稠。12NSPNSP系水力与采食量1 1克克可溶性可溶性NSPNSP可以结合可以结合13.513.5克克水分水分（Bourguin, Bourguin, et alet al 1993 1993）1 1克克不可溶性不可溶性NSPNSP可以结合可以结合6.156.15克克水分水分（Kirwan, Kirwan, et alet al 1993 1993）饲料系水力是影响
10、采食量的主要因素，尤饲料系水力是影响采食量的主要因素，尤其是仔猪。其是仔猪。13作用机理一作用机理一:降低食糜的粘性木聚糖酶木聚糖酶和和-葡聚糖酶葡聚糖酶则可以减低动物肠则可以减低动物肠道内容物的粘度。增加饲料同消化酶的接道内容物的粘度。增加饲料同消化酶的接触机会，已消化养分向肠粘膜的扩散速度触机会，已消化养分向肠粘膜的扩散速度也加快，提高了动物对已消化养分的吸收。也加快，提高了动物对已消化养分的吸收。纤维素系水性很强，添加纤维素系水性很强，添加纤维素酶纤维素酶也也可降可降低粘稠度，促进内源酶的扩散，增加养分低粘稠度，促进内源酶的扩散，增加养分的消化吸收。的消化吸收。 14作用机理一作用机理一
11、:降低食糜的粘性纤维素酶制剂能改善饲养效果纤维素酶制剂能改善饲养效果并不是非并不是非淀粉多糖被水解成单糖增加吸收淀粉多糖被水解成单糖增加吸收，而是，而是改变了肠道粘性增加养分扩散速度的结改变了肠道粘性增加养分扩散速度的结果。果。三种纤维素酶的协同作用，能显著降低三种纤维素酶的协同作用，能显著降低非淀粉多糖的抗营养作用，提高植物性非淀粉多糖的抗营养作用，提高植物性饲料养分利用率。饲料养分利用率。 15水溶性NSP使肉仔鸡小肠食糜粘度显著增加16粘度升高的抗营养作用使溶质的使溶质的扩散速度下降扩散速度下降，明显减慢营养物质，明显减慢营养物质从日粮中的溶出速度。从日粮中的溶出速度。使肠道机械使肠道机
12、械混合内容物的能力受阻混合内容物的能力受阻。高粘度。高粘度会使食糜中各组分混合不均，从而防碍食糜中会使食糜中各组分混合不均，从而防碍食糜中的糖、氨基酸和脂肪酸向肠粘膜的移动。降低的糖、氨基酸和脂肪酸向肠粘膜的移动。降低了脂肪乳化所需要的混合作用。了脂肪乳化所需要的混合作用。粘稠的非淀粉多糖与肠道内酶的结合从而阻粘稠的非淀粉多糖与肠道内酶的结合从而阻止这些酶与其底物的反应。肠道食糜中止这些酶与其底物的反应。肠道食糜中胰酶活胰酶活性降低性降低以及以及胰脏肥大胰脏肥大就是因为肠道食糜粘度升就是因为肠道食糜粘度升高的缘故。高的缘故。17非淀粉多糖的危害NSPNSP表面活性表面活性NSPNSP表面一般带
13、负电荷，并有弱的亲水性与疏表面一般带负电荷，并有弱的亲水性与疏水性。它可以与肠道中饲料颗粒表面、脂类水性。它可以与肠道中饲料颗粒表面、脂类微团表面及多糖微团表面及多糖蛋白质蛋白质复合物结合复合物结合。 NSPNSP与离子和小分子结合与离子和小分子结合主要是主要是螯合作用螯合作用，影响营养物质的消化吸收。，影响营养物质的消化吸收。18可溶性非淀粉多糖 降低消化率可溶性非淀粉多糖可溶性非淀粉多糖 内源性酶内源性酶 (淀粉酶，脂肪酶等淀粉酶，脂肪酶等)脂肪脂肪蛋白质蛋白质淀粉淀粉黏度黏度微生物发酵微生物发酵19脂肪脂肪蛋白质蛋白质淀粉淀粉黏度黏度木聚糖酶木聚糖酶木聚糖酶木聚糖酶微生物发酵微生物发酵可
14、溶性非淀粉多糖酶的作用5淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶内源酶内源酶脂肪酶脂肪酶脂肪酶脂肪酶脂肪酶脂肪酶蛋白酶蛋白酶蛋白酶蛋白酶20高小麦的日粮中（高小麦的日粮中（80%80%）使用木聚糖酶）使用木聚糖酶表观氮校正表观氮校正代谢能代谢能提高提高4-74-7% % 。食糜的食糜的粘度粘度由由48.8CPS48.8CPS降至降至9.3-20CPS9.3-20CPS。21加酶对原料中抗营养因子的降解不加酶时的状况不加酶时的状况加酶时的状况加酶时的状况可利用成分可利用成分可利用成分可利用成分不可利用成分不可利用成分不可利用成分不可利用成分非淀粉多糖22作用机理二作用机理二:摧毁植物细胞壁粘性不是唯一原因，非淀
15、粉多糖作为一种粘性不是唯一原因，非淀粉多糖作为一种物理屏障物理屏障，在消化酶与日粮混合中的作用，在消化酶与日粮混合中的作用也是很明显的，在也是很明显的，在非粘性日粮如玉米豆粕非粘性日粮如玉米豆粕基础日粮基础日粮中的作用则更为重要。中的作用则更为重要。细胞壁的结构复杂，加工处理，仍不能破细胞壁的结构复杂，加工处理，仍不能破坏其细胞壁的完整性，包埋在细胞壁内的坏其细胞壁的完整性，包埋在细胞壁内的许多可消化营养物质由于不能与消化酶接许多可消化营养物质由于不能与消化酶接触而不能被利用。触而不能被利用。 23细胞壁细胞壁lNSP淀粉淀粉颗粒颗粒样品样品:小麦小麦24植物性饲料细胞结构在加酶前后的对比25
16、摧毁细胞壁26作用机理三作用机理三:减少肠道有害微生物增殖 当日粮类型改变或者营养物质的消化速度改当日粮类型改变或者营养物质的消化速度改变时，可以改变肠道内微生物的种类和数量。变时，可以改变肠道内微生物的种类和数量。非淀粉多糖的含量增加，宿主肠道的有害微非淀粉多糖的含量增加，宿主肠道的有害微生物则会增殖。生物则会增殖。 可溶性非淀粉多糖增加了小肠内微生物的增可溶性非淀粉多糖增加了小肠内微生物的增殖和发酵殖和发酵，非淀粉多糖酶后则克服了这个问，非淀粉多糖酶后则克服了这个问题。题。27作用机理三作用机理三:减少肠道有害微生物增殖高纤维日粮中添加纤维素酶可显著减少高纤维日粮中添加纤维素酶可显著减少盲
17、肠内容物大肠杆菌数，同时显著增加盲肠内容物大肠杆菌数，同时显著增加了有益的乳酸杆菌数了有益的乳酸杆菌数 。非淀粉非淀粉多糖多糖分解后可能分解后可能产生产生寡糖寡糖抑制后抑制后肠道有害细菌生长，减少肠道传染病和肠道有害细菌生长，减少肠道传染病和降低腹泻率。降低腹泻率。 28非淀粉多糖的危害肠道渗透压肠道渗透压细菌繁殖率细菌繁殖率营养物质通过营养物质通过肠道的速度肠道的速度包裹其他营养包裹其他营养物质影响吸收物质影响吸收 粪便粪便稀软稀软肠道肠道细细菌菌非淀粉非淀粉多糖多糖水水29作用机理四作用机理四:对消化系统的影响 日粮中非淀粉多糖可以造成动物日粮中非淀粉多糖可以造成动物消化器官代偿消化器官代
18、偿性增生和肥大性增生和肥大。 纤维素酶使雏鹅小肠相对重量下降，并可显著纤维素酶使雏鹅小肠相对重量下降，并可显著降低雏鹅直肠相对重量和生长肉鹅盲肠相对重降低雏鹅直肠相对重量和生长肉鹅盲肠相对重量。改善小肠及盲肠肠道粘膜绒毛的发育，减量。改善小肠及盲肠肠道粘膜绒毛的发育，减轻或避免高纤维日粮对肠绒毛的损伤。轻或避免高纤维日粮对肠绒毛的损伤。木聚糖酶使肉鸡空肠中段小肠绒毛由对照组的木聚糖酶使肉鸡空肠中段小肠绒毛由对照组的手指状变为长舌状，而且小肠绒毛较短。手指状变为长舌状，而且小肠绒毛较短。 30作用机理五作用机理五:提高代谢水平，增强免疫力 纤维素酶使肉鹅血液中纤维素酶使肉鹅血液中胰岛素、胰岛素、
19、T3T3、T4T4、TSHTSH水平水平提高，使提高，使胰高血糖素胰高血糖素水平显著降低。鹅血液中水平显著降低。鹅血液中IGF-IIGF-I水平有提高的趋势，肌肉水平有提高的趋势，肌肉IGFIGF水平有提水平有提高的趋势。高的趋势。阿拉伯木聚糖酶有提高黄羽肉鸡血清中阿拉伯木聚糖酶有提高黄羽肉鸡血清中T4T4浓度的浓度的趋势。趋势。非淀粉多糖分解后可能产生寡糖，非淀粉多糖分解后可能产生寡糖，活性寡糖活性寡糖作用作用于肠粘膜细胞受体，使机体的细胞免疫力明显提于肠粘膜细胞受体，使机体的细胞免疫力明显提高。高。如将豆粕中的甘露聚糖降解成甘露寡糖。如将豆粕中的甘露聚糖降解成甘露寡糖。31影响非淀粉多糖酶
20、制剂应用效果的因素 1 1 日粮因素日粮因素2 2 动物种类因素动物种类因素3 3 动物消化道内环境因素动物消化道内环境因素4 4 饲用酶制剂性质因素饲用酶制剂性质因素5 5 其它饲料添加剂的作用其它饲料添加剂的作用6 6 加工和贮存的影响加工和贮存的影响32影响因素影响因素1 :日粮因素小麦和黑麦中主要的非淀粉多糖是阿拉伯木聚小麦和黑麦中主要的非淀粉多糖是阿拉伯木聚糖，糖，小麦和黑麦日粮小麦和黑麦日粮的非淀粉多糖酶制剂的非淀粉多糖酶制剂应主应主要含木聚糖酶要含木聚糖酶；大麦和燕麦中除了阿拉伯木聚糖外主要是大麦和燕麦中除了阿拉伯木聚糖外主要是葡聚糖，葡聚糖，大麦和燕麦日粮大麦和燕麦日粮的非淀粉
21、多糖酶制剂的非淀粉多糖酶制剂则主要含则主要含葡聚糖酶及较少量的木聚糖酶葡聚糖酶及较少量的木聚糖酶。 纤维素酶对不同纤维源的日粮作用有差异，不纤维素酶对不同纤维源的日粮作用有差异，不同纤维源日粮的改善程度也不同，添加同纤维源日粮的改善程度也不同，添加纤维素纤维素酶酶对对稻谷日粮稻谷日粮总能代谢率的提高幅度大于总能代谢率的提高幅度大于草粉草粉日粮。日粮。 33影响因素影响因素2 : 动物种类因素非淀粉多糖酶对于非淀粉多糖酶对于猪猪的效果没有的效果没有家禽家禽的明显。猪的明显。猪肠道内容物中肠道内容物中水分含量水分含量高于家禽，而干物质的含高于家禽，而干物质的含量（量（10%10%）低于家禽肠道内容
22、物干物质的含量）低于家禽肠道内容物干物质的含量（20%20%），内容物），内容物粘度粘度比家禽的低。比家禽的低。 饲料在饲料在猪猪的胃中要的胃中要停留停留4 4个小时以上，而在个小时以上，而在鸡鸡的的胃中停留时间要短的多。胃中停留时间要短的多。由于鸡在酸性环境的肌胃前还有嗉囔，酶制剂在由于鸡在酸性环境的肌胃前还有嗉囔，酶制剂在嗉囔相对高的嗉囔相对高的pHpH值值环境中发挥了相当大的作用。环境中发挥了相当大的作用。 34影响因素影响因素3: 消化道内环境因素酶制剂发挥作用受到动物体消化道环境的影响，酶制剂发挥作用受到动物体消化道环境的影响，而而胃中较低的胃中较低的pHpH值值可能对酶的活性有很大
23、影响。可能对酶的活性有很大影响。木聚糖酶和木聚糖酶和-葡聚糖酶在葡聚糖酶在pHpH值值2.52.5的条件下活的条件下活性很低，在性很低，在pHpH值值3.53.5略有升高，各种酶的最高略有升高，各种酶的最高酶活在酶活在pHpH值为值为4.54.5或或5.55.5。酶在经历了胃中较低。酶在经历了胃中较低的的pHpH值又重新进入小肠后，小肠中的值又重新进入小肠后，小肠中的pHpH值较适值较适合酶发挥作用。合酶发挥作用。 低低pHpH、胃蛋白酶和胰蛋白酶均可使外源酶活性、胃蛋白酶和胰蛋白酶均可使外源酶活性降低。降低。 35影响因素影响因素4 :酶制剂性质因素不同来源酶不同来源酶的特性是不同的，同一来
24、源的酶，的特性是不同的，同一来源的酶，性质也有所不同。由性质也有所不同。由不同菌种不同菌种产生的酶制剂，产生的酶制剂，其发挥最大活性所需的底物和环境条件（其发挥最大活性所需的底物和环境条件（pHpH值值和温度等）是不一样的。和温度等）是不一样的。 同一种发酵方法不同菌种来源的纤维素酶稳定同一种发酵方法不同菌种来源的纤维素酶稳定性不同，性不同，木霉来源木霉来源比比青霉来源青霉来源好好；同一真菌来同一真菌来源的纤维素酶，源的纤维素酶，液体发酵液体发酵的稳定性的稳定性更好更好。 36影响因素影响因素5: 加工和贮存的影响 饲料加工中过高的温度可能破坏饲料中添饲料加工中过高的温度可能破坏饲料中添加酶的
25、活性。除了极个别酶可以在加酶的活性。除了极个别酶可以在9090左左右高温保持结构和功效的稳定，右高温保持结构和功效的稳定，大多数不大多数不具有耐受具有耐受7070以上高温的性质以上高温的性质。没有经过特殊稳定性处理的酶制剂很难经没有经过特殊稳定性处理的酶制剂很难经受住制粒工艺而仍维持较高的活力。受住制粒工艺而仍维持较高的活力。37提高酶制剂高温的耐受性的途径一是可通过基因技术筛选一是可通过基因技术筛选耐高温的菌株耐高温的菌株，嗜热，嗜热菌产耐热木聚糖酶基因在常温菌中的克隆和表菌产耐热木聚糖酶基因在常温菌中的克隆和表达为耐热木聚糖酶的开发和利用提供了广阔的达为耐热木聚糖酶的开发和利用提供了广阔的
26、前景。前景。 二是采用产品的二是采用产品的物理处理物理处理如包埋等技术，酶制如包埋等技术，酶制剂可以通过一些物理处理提高对高温的耐受性，剂可以通过一些物理处理提高对高温的耐受性，主要包括主要包括添加载体对原酶进行吸附添加载体对原酶进行吸附，另外利用，另外利用疏水的物质对原酶进行包被疏水的物质对原酶进行包被。 三是采用液体酶制剂在饲料制粒后的三是采用液体酶制剂在饲料制粒后的颗粒表面颗粒表面喷涂技术喷涂技术，也可以减少酶制剂在饲料加工调质，也可以减少酶制剂在饲料加工调质过程中活性的损失。过程中活性的损失。 38酶制剂的耐高温性能1.1.降低制粒温度，使之降低到一般酶所能降低制粒温度，使之降低到一般
27、酶所能耐受的温度耐受的温度: :75758585。2.2. 用常规菌株筛选或用常规菌株筛选或基因工程基因工程的方法，使的方法，使生产菌株产生耐受生产菌株产生耐受8585以上以上温度的酶。温度的酶。39添加NSP饲用酶必须满足原则（1）饲饲料料原原料料必必须须含含有有抗抗营营养养活活性性的的NSPNSP，足足以以引起生产问题。引起生产问题。（2 2）酶制剂对多聚糖底物具备）酶制剂对多聚糖底物具备较高的活性较高的活性。（3 3）聚聚糖糖酶酶具具有有高高度度的的专专一一性性。改改变变所所用用酶酶对对底物底物NSPNSP的活性是重要的。的活性是重要的。（4 4）所所用用酶酶在在饲饲料料加加工工过过程程中中以以及及进进入入动动物物体体内降解多糖时都必须内降解多糖时都必须维持其活性维持其活性。401.1.复合酶制剂的复合酶制剂的配方设计配方设计问题问题2 .2 .酶的活性酶的活性稳定性稳定性问题问题3.3.酶制剂酶制剂活性检测活性检测问题问题4.4.不同酶制剂不同酶制剂活性比较活性比较的问题的问题5.5.饲用酶制剂产品饲用酶制剂产品性能评定性能评定问题问题41请 指 导 !42
