彭健教授：日糧纖維的定義、成分、分析方法及加工影響（全文）

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　　彭健教授點評：

　　這是我1999年發(fā)表在《國外畜牧學(xué)－豬與禽》雜志上的一篇綜述。將近二十年過去了，十分感慨。二十年前的個人研究興趣成為二十年后行業(yè)關(guān)注的熱點，人們對纖維的認識也從可溶性纖維是＂抗?fàn)I養(yǎng)因子＂上升到＂第七類營養(yǎng)素＂。文章上集從“纖維的定義”出發(fā)，告訴人們?nèi)绾握_認識纖維，它們是什么？文章中集從＂纖維的分析方法＂角度入手，結(jié)合上集內(nèi)容可以使人們更好地理解＂日糧纖維究竟為何物＂。文章下集是講不溶性纖維的來源，特別是熱加工如何增加了NDF，導(dǎo)致對飼料蛋白質(zhì)特別是賴氨酸的熱損害，同時顯著增加了飼料中的不易消化的不溶性纖維－NDF。隨后，我們在制定農(nóng)業(yè)行業(yè)標準《飼料用菜籽餅粕》時，創(chuàng)新地增加了NDF做為加工控制指標。而現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)并發(fā)掘了飼料中可溶性纖維在調(diào)節(jié)腸道菌群、調(diào)節(jié)飽腹感、飽感及短期和長期釆食量的效果和機制，并推動了母豬飼養(yǎng)重點的革命性改變。值得一提的是，我自己在2005年和2017年兩次獲得湖北省科技進步一等獎，纖維的研究都是其中的重點：一次是不溶性纖維NDF，另一次是可溶的功能性纖維。通過二十多年專注纖維的研究，希望能為行業(yè)發(fā)展和技術(shù)變革提供更多的幫助。

日糧纖維:定義、成分、分析方法及加工影響

彭 ?。ㄈA中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，博導(dǎo)）

　　日糧纖維（Dietary Fiber, DF）是家畜日糧中重要的組成成分。近年來，人們對日糧纖維的研究興趣日益增加，一是由于人們普遍認識到許多疾病的病因?qū)W與日糧纖維成分有關(guān)，二是由于日糧纖維是影響飼料利用效率的重要因素。因此，在一些作物的選育計劃中，日糧纖維被作為重要的選擇指標，影響到作物的育種方向（Slominski, 1997）。如在卡諾拉油菜（canola）的選育計劃中，黃籽卡諾拉選育的目的之一就是降低種籽中的纖維含量以提高餅粕的營養(yǎng)價值（Slominski等, 1994）。另一方面，飼料原料在加工過程中受到熱處理后，其中纖維的成分和含量都會發(fā)生較大變化，影響飼料品質(zhì)。因此，日糧纖維正成為營養(yǎng)學(xué)研究中的一個熱點。

　　在日糧纖維的研究中，“纖維”的定義一直是一個有爭議的問題。從生理學(xué)功能、植物的解剖結(jié)構(gòu)或化學(xué)分析方法的不同角度來定義“纖維”時，“纖維”并不是同一個化學(xué)實體。在動物飼養(yǎng)中，“纖維”應(yīng)該是一個營養(yǎng)學(xué)范疇的概念，但采用不同的分析方法進行定量分析時，所得到的“纖維”的化學(xué)組成和數(shù)量均變異極大（Mertens, 1998），如粗纖維（crude fiber, CF）、中性洗滌纖維（neutral detergent fiber, NDF）和酸性洗滌纖維（acid detergent fiber, ADF）等。因此，有必要對纖維的概念進行討論和界定。本文擬從日糧纖維的定義出發(fā)，討論纖維的構(gòu)成成分；以及用不同分析方法得到的纖維組分的化學(xué)組成；最后，討論熱處理對纖維特性和含量的影響。

日糧纖維的定義和成分

　　日糧纖維最早被定義為“ 植物細胞成分中能抵抗人類消化酶水解作用的結(jié)構(gòu)成分”（Trowell, 1972, 1974）。但是，這個定義并不包括作為食物添加劑成分的多糖（也就是植物膠質(zhì)、變性的纖維素和淀粉）。隨后，日糧纖維的定義被擴大為“包括所有不能被人類消化道內(nèi)源酶降解的多糖和木質(zhì)素”（Trowell等, 1976）。也就是說，纖維是“不能被哺乳動物消化酶所消化的所有飼料組分”（Mertens, 1998）。這個概念從生理學(xué)的角度定義了日糧纖維的特性，并得到廣泛的認可（Graham和Aman, 1991）。從化學(xué)的角度，日糧纖維則被認為是非淀粉多糖（Non-starch polysaccharides, NSP）和木質(zhì)素（lignin）的總和（Graham和Aman, 1991）。在此基礎(chǔ)上建立的分析方法已實施多年（Theander和Aman, 1979; Theander, 1991），但究竟何種成分屬于“纖維”仍是值得討論的問題。

　　從植物細胞的結(jié)構(gòu)來看，人們通常認為植物的“細胞壁”（cell wall）就是纖維。其實，“細胞壁”是植物學(xué)家采用的一個術(shù)語，是指植物中環(huán)繞著植物細胞的特定結(jié)構(gòu)成分。植物細胞壁是一個兩相的結(jié)構(gòu)，細胞壁中纖維素微纖維（microfibrills of cellulose）構(gòu)成了剛性骨架，非纖維素多糖（如半纖維素hemicellulsoe和果膠pecticsubstances等）和糖蛋白構(gòu)成的膠狀的間質(zhì)包被在外（Fry, 1986）。纖維素微纖維呈高度有序排列，而非纖維素多糖則相對無序。當(dāng)植物細胞老化時，木質(zhì)素的沉積增加，并包圍在纖維素微纖維外（Selvendran等, 1987）。從化學(xué)特性來看，纖維素微纖維在植物間變異很小;但非纖維素多糖的種類和水平在植物種間變化很大：在單子葉植物中，如禾本科的谷實類，細胞壁非纖維素多糖主要是阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖（小麥和黑麥中以阿拉伯木聚糖為主，而大麥中則β-葡聚糖為主要成分）；谷實類中不含果膠物質(zhì)，而雙子葉植物如豆科中則含量很高（Selvendran, 1984）。一個有趣的現(xiàn)象是，組成細胞壁的非纖維素多糖被萃取后，大多是可溶的、親水的分子，但在完整的細胞壁中它們卻是不可溶的。由此表明，細胞壁多聚體--多糖、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)之間，是以共價鍵、離子鍵及其它鍵緊密聯(lián)結(jié)的（Fincher和Stone, 1986）。

　　如上所述，構(gòu)成植物細胞壁的主要成分是纖維素、半纖維素、果膠（統(tǒng)稱為“結(jié)構(gòu)性多糖”）和木質(zhì)素。事實上，纖維素、半纖維素和果膠物質(zhì)的區(qū)分，是根據(jù)多糖類不同的溶解度來劃分的，但這種劃分并不能反映纖維的組成和生理特性（Graham和Aman, 1991）。從營養(yǎng)學(xué)觀點來看，還有一些化合物也應(yīng)劃分到“纖維”類別中，包括存在于細胞壁中而不能被動物消化酶所消化的淀粉（稱為“抵抗性”淀粉, resistant-starch），細胞壁中的粘質(zhì)（musilage）、膠質(zhì)（gums），及其它非碳水化合物，如角質(zhì)（cutins）、木栓質(zhì)（suberins）、蠟質(zhì)（waxes）、礦物質(zhì)和蛋白質(zhì);以及細胞內(nèi)容物中的果聚糖、寡聚糖等（見表1）。

　　在細胞壁的構(gòu)成中，與NSP和木質(zhì)素相連的蛋白質(zhì)（稱為“細胞壁鑲嵌蛋白”或“細胞壁蛋白”）是細胞壁的重要構(gòu)成成分。這種蛋白質(zhì)主要是一種高度不溶的糖蛋白--伸展蛋白，單胃動物對其消化率低，因此，這類蛋白質(zhì)也被認為是日糧纖維的構(gòu)成成分（Annison, 1993）。另外，在飼料加工過程中，一定溫度和時間條件下，蛋白質(zhì)中一些氨基酸，特別是賴氨酸的ε-氨基與纖維性物質(zhì)中的還原糖結(jié)合，形成邁拉德反應(yīng)的產(chǎn)物（Erbersdolbr, 1986）。其結(jié)果一方面使日糧纖維含量顯著增加，另一方面使飼料中氨基酸有效性受到極大破壞，造成飼料品質(zhì)降低（Simbaya, 1995; 彭健, 1999a）。

日糧纖維的測定方法及成分

　　根據(jù)纖維測定中所采用的主要試劑，纖維的分析方法可分為化學(xué)法、酶法、化學(xué)法/酶法；根據(jù)對纖維測定的方法，則可分為重量法或化學(xué)反應(yīng)法（表2）。

　　分析纖維的方法一開始就是試圖測定飼料中不能被消化的組分--粗纖維（CF）。CF的分析方法是由Henneberg和Stohman于1859年建立的。這個分析方法（AOAC方法962.09, AACC32-19）包括脫脂預(yù)處理、1.25% H2SO4和1.25% NaOH煮沸處理，得到的干物質(zhì)殘渣減去灰分即CF。CF的化學(xué)成分是幾乎所有的纖維素、數(shù)量不等的木質(zhì)素和半纖維素。因此，CF并不包含所有“不能被哺乳動物消化酶消化的所有組分”。

　　酸性洗滌纖維（ADF）（AOAC973.18）是Van Soest（1963）提出替代CF的一種分析方法，對反芻動物用來分析飼草中的纖維?；痉椒ㄊ怯煤?% 十六烷三甲基溴化銨（CTAB）的0.5mol硫酸溶液煮沸樣品，所得殘渣就是ADF。ADF通常由纖維素和木質(zhì)素組成，還有少量果膠、半纖維素、單寧-蛋白質(zhì)復(fù)合物及灰分。由于ADF分析中損失了一部分半纖維素，因此它不是飼料中“纖維”的準確度量。ADF可作為測定木質(zhì)素的一個準備階段而不宜作為衡量飼料中纖維含量的指標（Mertens, 1998）。

　　中性洗滌纖維（NDF）方法的建立對描述飼料的特性具有重要的意義（Mertens, 1993）。Van Soest（1964, 1967）意識到CF 在概念上的模糊，認為有必要建立新的方法取而代之。在建立NDF分析方法時，Van Soest認為：飼料應(yīng)分劃為可消化和不完全消化的兩部分?？上牟糠钟眯碌睦w維分析方法進行分析時應(yīng)是可溶的；而不消化（不可溶）的部分則被稱為“纖維”（VanSoest和Moore, 1965）。其基本方法是：在含有3%十二烷基硫酸鈉（SDS）和1.9 %EDTA（pH7的磷酸緩沖液）的中性洗滌劑中煮沸樣品，所得到的殘渣減去灰分即NDF。NDF方法在分析高淀粉含量的樣品時，分析過程中應(yīng)加入α-淀粉酶處理（Schaller, 1977）。NDF法的目的是分析飼料原料中的細胞壁成分，其結(jié)果是除去了所有的水溶性物質(zhì)，包括細胞壁中果膠物質(zhì)。NDF只包含了細胞壁中的纖維素、木質(zhì)素和絕大多數(shù)半纖維素，及與細胞壁相嵌的蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)等。

　　盡管NDF的目的是測定樣品中的細胞壁，但細胞壁與NDF的定義和化學(xué)成分都并不完全等同。如前所述，谷實類飼料的細胞壁中不含果膠，而苜蓿類植物的細胞壁中果膠含量很高，因此，NDF可以準確度量谷實類飼料的細胞壁含量，但很大程度上低估了其它植物尤其是苜蓿類植物的細胞壁含量（Chesson和Austin, 1998）。對黃籽卡諾拉來說，也存在相似的情況。據(jù)Slominsiki（1994, 1995）報道，黃籽卡諾拉中NDF含量低于褐籽卡諾拉（18.8 %對5.7 %），但可溶性NSP（NDSP）的含量卻明顯高于褐籽卡諾拉（8.4%對4.4%）。因此，在這種情況下，NDF值顯然低估了細胞壁的含量。

　　由此看來，CF、NDF或ADF的測定結(jié)果，并不完全符合日糧纖維的定義，也不能完全代表日糧中所有的“纖維”成分。測定NDF時，Van Soest 假定飼料成分中“可溶的”部分都是可消化的，只有“不可溶”的部分是“纖維”（Van Soest 和Moore, 1965）。事實上，一些非淀粉多糖（NSP），包括膠質(zhì)、果膠、粘質(zhì)和一些半纖維素（McDonald等, 1995），也是可溶的。這些可溶性NSP（NDSP），如大麥中的β-葡聚糖和小麥中的阿拉伯木聚糖，一方面本身不能被動物消化（動物體內(nèi)缺乏特異的消化酶），另一方面在小腸內(nèi)形成粘性環(huán)境，增加食糜的粘度（visicosity）而影響營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收，對幼年動物造成顯著的抗?fàn)I養(yǎng)效應(yīng)（Graham和Aman, 1991）。因此，盡管它們是可溶的，但由于具有抵抗消化酶的作用的特性，仍符合“纖維”的特點，應(yīng)劃分到纖維的范疇內(nèi)。對卡諾拉類型的白芥（Sinapis albaL.）的研究結(jié)果也表明，白芥中可溶性NSP含量高，當(dāng)肉雞采食后引起腸道內(nèi)食糜粘度顯著增加，使氮校正表觀代謝能（nitrogen corrected apparent metabolizable, energy, AMEn）降低（Jiang, 1999）。因此，除谷實類以外的飼料，用NDF作為“纖維”時低估了飼料中纖維水平。而在大多數(shù)飼料中，NSP和木質(zhì)素是植物細胞壁的主要成分，因此，有人認為可以用“NSP和木質(zhì)素”作為“日糧纖維”的代名詞（McDonald等, 1995; Graham和Aman, 1991; Annison, 1993）。

　　現(xiàn)在，讓我們回到“日糧纖維”的定義上。從營養(yǎng)的角度，它應(yīng)包括所有抵抗消化道內(nèi)源酶消化的飼料組分。因此，日糧纖維還應(yīng)包括除NSP和木質(zhì)素以外的其它成分，即細胞壁鑲嵌蛋白、阿拉伯半乳糖蛋白、半乳糖寡聚糖、果聚糖、抵抗性淀粉、與細胞壁連接的礦物質(zhì)及邁拉德反應(yīng)產(chǎn)物（Slominski ，1997）。若與分析方法相聯(lián)系，日糧纖維可以通過測定“不溶性纖維”--NDF 及“中性洗滌劑可溶性多糖”（neutral detergent soluble polysaccharides, NDSP）兩部分，合稱為“總?cè)占Z纖維”（total dietary fiber, TDF）。在測定NDSP時，可以通過測定樣品和NDF殘渣中的NSP，來計算二者的差來得到NDSP的含量（Slominski等, 1994）。表3對飼料中纖維的測定方法和所分析的飼料組分進行了總結(jié)。

加工對日糧纖維的影響

　　在以上的討論中我們已經(jīng)清楚，植物細胞壁是日糧纖維主要構(gòu)成成分。它們不僅本身不能被動物的內(nèi)源酶消化，同時妨礙了消化酶與細胞內(nèi)容物的接觸，即形成對細胞內(nèi)容物的“屏蔽作用”。因此，飼料加工的一個重要目的，就是要破碎植物的細胞壁，即對飼料進行粉碎，以促進動物消化酶與植物細胞內(nèi)容物的接觸。對谷實類飼料加工時，除粉碎外，還常常使用調(diào)質(zhì)（conditioning）和制粒（pellet）等熱處理使淀粉糊化，來提高幼齡動物對淀粉的消化率。一般來說，粉碎時所使用的機械剪切力越大，破裂的細胞數(shù)目就越多，消化率越高；但加工時溫度越高，對幼齡的單胃動物所引起的抗?fàn)I養(yǎng)作用的問題就越大（Chesson 和Austin, 1998）。其原因是對以谷實為基礎(chǔ)的日糧經(jīng)過調(diào)質(zhì)和制粒的熱處理后，會導(dǎo)致薄壁的胚乳細胞中葡聚糖和阿拉伯聚糖等NSP的大量溶解（Chesson和Austin, 1998），使食糜粘度增加。NSP溶解度或動物消化道內(nèi)食糜粘度的增加，就對幼年家畜產(chǎn)生了抗?fàn)I養(yǎng)作用。隨著新的飼料加工技術(shù)的應(yīng)用，與可溶性NSP相關(guān)的問題更加突出。在對飼料進行膨化、微波化和二次制粒時，由于比制粒時使用了更多的熱量，進一步促進了NSP的溶解。這時由加工所得到的好處則會被這些釋放出的NSP的抗?fàn)I養(yǎng)作用所掩蓋（Vranjes和Wenk, 1995）。Annison （1991）就報道了體外萃取的可溶性NSP與AMEn之間呈強負相關(guān)。

　　餅粕類蛋白質(zhì)飼料通常是油脂加工的副產(chǎn)品。油菜籽、棉籽等油料常采用預(yù)壓-浸出加工工藝。在這個工藝流程中，至少有兩個環(huán)節(jié)受到熱處理。一是蒸炒/調(diào)質(zhì)過程，二是脫溶過程。在這兩個過程中，最常發(fā)生的反應(yīng)就是邁拉德反應(yīng)。在一定溫度條件下，氨基酸特別是賴氨酸的ε-氨基與纖維成分中的還原糖結(jié)合，形成Schif f堿，經(jīng)過Amadori重排后，生成Amadori產(chǎn)物，此后就會形成褐色的糖蛋白終產(chǎn)物。因此，邁拉德反應(yīng)又被稱為褐變反應(yīng)（browning reaction）。在這個反應(yīng)中，所使用的溫度越高，反應(yīng)時間越長，所形成的糖蛋白終產(chǎn)物越多。測定出的氨基酸和蔗糖含量下降（Fleury, 1998; 彭健, 1999a; Slominski, 1997），同時日糧總纖維，特別是NDF含量顯著增加（彭健, 1999a），其原因就是與NDF相連的蛋白質(zhì)含量的顯著增加（彭健, 1999a）。彭?。?999a）對四個品種的雙低油菜種籽及相應(yīng)的商品餅粕的研究發(fā)現(xiàn)，在日糧纖維的組成中，4個脫脂種籽樣品的蛋白質(zhì)含量為3.3～5.6 %，與以往的報道一致（Simaya, 1995），但在4個餅粕樣品中的含量差異極大。過熱處理的兩個樣品中，與纖維相連的蛋白質(zhì)含量分別達20.8%和18.7%，分別占餅粕中蛋白質(zhì)含量的49.8%和43.4%。肉雞試驗結(jié)果也顯示，過熱處理時，與纖維相連的蛋白質(zhì)消化率降低（P<0.01）（彭健, 1999b）。為了加工出高品質(zhì)的餅粕，必須對加工環(huán)節(jié)的溫度、水分及加工時間進行控制，以控制邁拉德反應(yīng)的程度，防止由此造成的餅粕質(zhì)量的降低。

　　綜上所述，日糧纖維應(yīng)包含植物細胞壁等不可溶纖維（即NDF）和中性洗滌劑可溶性纖維（NDSP）兩部分組成，并采用相應(yīng)的分析手段來定量分析。從熱處理對纖維成分和含量的影響來看，適當(dāng)熱處理是控制飼料品質(zhì)的重要手段。

　　來源：改變飼界