α-半乳糖苷酶在禽料中的應用研究進展

喬 偉 張 民 戴求仲 周 輝

豆粕、棉粕、菜籽粕等含有豐富的蛋白質，是家禽飼料中常見的主要蛋白原料，而豆科類種子、棉籽、菜籽、葵花籽中存在著一些由1個蔗糖與1個或多個半乳糖以α-1，6-糖苷鍵連接而成的不溶于水的低聚糖，如棉籽糖(三糖)、水蘇糖(四糖)和毛蕊花糖(五糖)等。在大豆粕中棉籽糖和水蘇糖的含量約為7.1%，占豆粕中碳水化合物總量的40%左右。棉籽粕蛋白質含量較高，氨基酸的平衡程度較好，是很好的蛋白質飼料來源，但在棉籽粕中的α-半乳糖苷含量比豆粕中的還要高。由于家禽不能分泌相應的降解酶，因此它們不能被家禽消化道的內源酶降解，只有經過消化道微生物發酵后才能被利用。這樣不僅消化能大大下降，而且在發酵過程中會產生CO2、CH4和H2等氣體，使家禽的采食量下降。另外，這些低聚糖還能刺激腸道蠕動，提高飼料通過消化道的速度，減少食糜在消化道停留的時間，從而降低養分的消化利用率。為了消除這些不溶性低聚糖的抗營養作用，長期以來一直采用高溫、高壓、高濕和延長時間等方法壓榨大豆，或者采用有機溶劑萃取法消除這些低聚糖。但這些加工措施都不同程度地增加了豆粕的生產成本，而且效果并不理想。針對α-半乳糖苷的化學結構特點，國內外學者已成功開發出α-半乳糖苷酶制劑產品，并就α-半乳糖苷的抗營養作用機理以及α-半乳糖苷酶的生產應用進行了一系列研究，取得一定的成果。本文就α-半乳糖苷酶及其在家禽飼料方面的應用研究進行綜述。

1 α-半乳糖苷結構、分布及抗營養特性

1.1 α-半乳糖苷及其在植物飼料中的分布

α-半乳糖苷是由一個蔗糖單位(果糖、葡萄糖)與一個(或多個)半乳糖分子以α-1，6糖苷鍵連接構成的寡糖(或低聚糖)類物質，又稱低聚半乳糖，這些低聚糖類物質主要有棉籽糖(raffinose)、水蘇糖(stachyose)和毛蕊花糖(verbascose)，它們廣泛存在于各種植物性飼料原料中，其中豆科植物中α-半乳糖苷含量最高，谷物中含量較低。表1為常見蛋白和能量飼料原料中α-半乳糖苷組成和含量。

表1 常見蛋白和能量飼料原料中α-半乳糖苷的組成和含量

1.2 α-半乳糖苷對能量利用的不良影響

α-半乳糖苷不能被雞的內源酶消化，也未發現雞小腸黏膜中具有α-1，6半乳糖苷酶的活性，因此，在家禽小腸中沒有分解α-半乳糖苷類物質中糖苷鍵的酶(Leske等，1993a)，單胃動物飼料中的α-半乳糖苷，只有經后腸段消化道微生物發酵后才能被利用(Ohshima等，1997)，這樣由α-半乳糖苷提供給動物的凈能就會少于其直接轉化成單糖時所提供的能量，并且會產生CO2、NH3等氣體，引起脹氣 (Calloway等，1996；Leske 等，1999)，甚至滲透性腹瀉。有關 α-半乳糖苷抗營養作用的大量研究結果表明，α-半乳糖苷在體內大量積聚，達到一定量時，就會影響飼料的飼喂效果，對機體造成一定的影響(Anderson等，1995)。

經研究表明，用乙醇處理過的低寡糖豆粕進行試驗，低寡糖豆粕的氮校正真代謝能值(TMEn)顯著高于普通豆粕。Angel等(1988)利用強飼法對成年公雞進行的一項試驗結果也表明，低寡糖豆粕的TMEn確實高于普通豆粕。Coon等(1990)后來的另一項試驗得出同樣結果，同時還表明：碳水化合物的消化率從53.9%提高到67.3%，半纖維素和纖維素的消化率分別從9.2%和0%提高到61.6%和35.0%；低寡糖豆粕后腸道食糜的pH值要高于普通豆粕(Irish等，1995)。另外，還發現雞對低寡糖豆粕日糧中α－半乳糖苷的全腸道消化率顯著降低，而回腸表觀消化率幾乎沒有變化，筆者認為這可能是由于α－半乳糖苷與腸道的營養物質牢固結合造成的。Leske等(1993b)仔細研究了棉籽糖或水蘇糖含量與TMEn的回歸關系，發現添加棉籽糖或水蘇糖，或同時添加棉籽糖和水蘇糖到抽提了寡糖的大豆粕日糧中，結果對大豆粕的代謝能產生了負面影響(見表2)，經過回歸分析得出了兩個公式：

y＝5 357.1－4 780.8x+2 572.8x2(r2=0.95)

其中：y為TMEn，x為棉籽糖的含量 (干物質基礎，0.65%～1.05%)。

y＝3 841.7－377.34x+46.225x2(r2=0.83)

其中：y為TMEn，x為水蘇糖的含量 (干物質基礎，0.36%～5.36%)。

表2 提高棉籽糖或水蘇糖含量對豆粕真代謝能(TME)及干物質(DM)消化率的影響

由表2可知，為了使豆粕獲得較好的代謝能至少80%的水蘇糖應被去除，而棉籽糖去除40%就顯著提高代謝能值，去掉60%就能獲得最好的效果。但從干物質消化率考慮，兩者都應全部去除才有改善。

同時也有研究結果表明，由于α－半乳糖苷的存在使回腸末端的淀粉、粗蛋白質及無氮浸出物的消化率均有所下降。

1.3 α－半乳糖苷對家禽腸道pH值和食糜通過速度的影響

Goon等(1990)用乙醇作溶劑來浸提α－半乳糖苷進行肉雞飼養試驗，結果豆粕的代謝能增加了20%，其他非淀粉多糖，如阿拉伯木聚糖、果膠糖、β－葡聚糖等的消化率從5%提高到50%以上。另外還發現浸提α－半乳糖苷后，可減少飼料消耗量，增加消化時間和盲腸的pH值（見表3）。

表3 α－半乳糖苷對肉雞飼料消耗量、腸內運轉時間和pH值的影響

Coon等在探討α－半乳糖苷顯著降低TMEn值的機理時發現，與普通豆粕相比，雞對低寡糖豆粕中α－半乳糖苷的回腸表觀消化率并沒有變化，但是在全腸道的消化率顯著降低。筆者認為，這是由于經過乙醇浸提后，棉籽糖和水蘇糖在低寡糖豆粕中的含量非常顯著地低于普通豆粕。這些殘留的α－半乳糖苷可能與一些其它的物質非常牢固地結合在一起，從而導致了消化率的下降。經過比較后我們可以明顯看出，α－半乳糖苷在回腸幾乎不能被消化，而經過后腸的微生物作用后，全腸道的消化率明顯提高，尤其是普通豆粕可以達到85%左右，因此，α－半乳糖苷的主要發酵部位是在后腸。筆者認為，普通豆粕的TMEn值較低的原因并不是由于微生物的水解能力不夠，而恰恰相反，正是由于微生物的水解能力很強，改變了后腸的消化環境，非常突出的就是使后腸的pH值降低，食糜的通行速度過快。而低寡糖豆粕正相反，它的pH值較高，食糜的通過速度較慢，很可能創造了一個更適合分解碳水化合物的環境，從而使纖維素和半纖維素的消化率明顯高于普通豆粕。這些被發酵的碳水化合物提供的揮發性脂肪酸可以作為能量被雞利用。Irish等也發現，低寡糖豆粕的食糜在后腸的pH值有高于普通豆粕的趨勢。

1.4 α－半乳糖苷對動物生長性能的影響

α－半乳糖苷對動物生長性能影響的研究結果爭議很大。Trevin等將大豆寡糖的提取物重新添加到日糧中，而家禽的生長性能卻沒有受到任何影響。雖然在絕對值上，生長速度和飼料利用率有所提高，但是統計差異并不顯著。lrish等的試驗結果甚至表明去寡糖豆粕會明顯降低日增重、飼料轉化效率以及蛋白質的表觀消化率。而Irish等的試驗結果卻說明肉雞的生長性能與小腸食糜中寡糖的含量呈現負相關，即食糜中的寡糖含量越高，肉雞的生長性能越差。

2 α－半乳糖苷酶的生理生化特性

2.1 α－半乳糖苷酶

α－半乳糖苷酶(EC3.2.1.22)屬外切糖苷酶類，能專一地催化多糖、糖脂、糖蛋白中糖鏈末端的α－半乳糖苷鍵水解(Coon等，1990)，它不僅能水解棉籽糖、水蘇糖和毛蕊花糖等低聚糖，還能水解含α－半乳糖苷的雜多糖。α－半乳糖苷酶廣泛存在于各種植物和動物體內，許多微生物的提取液中也發現有α－半乳糖苷酶活性。目前已從許多原核和真核生物中純化得到α－半乳糖苷酶。α－半乳糖苷酶同其它糖苷酶一樣屬糖蛋白，其中蛋白質和糖苷的連接方式是通過低聚糖中的乙酰葡萄糖胺和蛋白質中的天冬氨酸連接的。不同方法制得的酶有不同的最適pH值和溫度范圍。一般細菌分泌的最適pH值范圍是6.5～7.5，最佳溫度在37～40℃，溫度一般在50～60℃。同工酶之間以及同一種微生物在不同培養基上產生的α－半乳糖苷酶的穩定性也有顯著差異。

α－半乳糖苷酶對于植物種子的萌發至關重要，其缺乏可能抑制種子的萌發。種子萌發初期，它首先催化含有α－半乳糖基的寡糖，如蜜三糖、水蘇糖的水解，其終產物D－半乳糖通過糖酵解途徑迅速轉化和消耗，為種子的萌發提供最初的能量來源。后期，它主要參與細胞壁儲藏多糖如半乳甘露聚糖等的水解。α－半乳糖苷酶的水解作用方式如下所示：

2.2 α－半乳糖苷酶的最適pH值

大多數α－半乳糖苷酶的最適pH值在4～7之間，絲狀真菌及酵母菌分泌的最適pH值范圍變化較大，相對于底物對硝基苯α－半乳吡喃糖苷(p－nitrophenylα－D－galactopyranoside，pNPG)，在 4.5～8.0 之間。對于不同底物，最適pH值會發生相應的變化。咖啡豆來源的α－半乳糖苷酶對于人工底物pNPG的最適pH值為6.4；當底物是蜜二糖、蜜三糖或水蘇糖時，最適pH值降到3.6～4之間。

2.3 α－半乳糖苷酶的底物專一性

α－半乳糖苷酶對于α－D－半乳糖苷鍵具有較廣泛的底物專一性。咖啡豆的α－半乳糖苷酶不僅能夠水解低分子量的底物，如pNPG、蜜二糖等，而且能夠水解高分子量的寡糖(如水蘇糖)和多糖(如半乳甘露聚糖)。

3 α－半乳糖苷酶的作用機理

3.1 控制腸道微生物發酵，增強免疫力

加入α－半乳糖苷酶后，抑制了腸道微生物的過度發酵，使腸道內的胺、甲酚等有害物質減少，同時可以提高內源性蛋白酶的活性，促進多肽類物質的產生，控制因飼料消化不良而引起的腹瀉。酶制劑可以使多糖降解產生寡聚糖及其衍生物，這些物質可防止致病菌在腸道上聚集，減輕病原菌對機體的毒害，參與機體的免疫調節，增強免疫力。王春林(2004)研究表明，α－半乳糖苷酶的添加可以增加球蛋白水平及21日齡胸腺和脾臟的相對質量，表明α－半乳糖苷酶可增強機體的免疫功能。

3.2 破壞細胞壁結構，促進細胞內營養物質釋放

細胞壁是由脂肪雙分子層組成，其功能是調節細胞內的滲透壓，參與細胞內外的物質交換，同時也能阻礙營養物質的吸收。加入酶制劑可破壞飼料中存在的植物細胞壁，使細胞的內容物淀粉、蛋白質釋放出來，降低滲透壓，破壞食糜周圍的水化膜，使食糜運行的速度減慢，酶容易滲入食糜中，使酶有最佳的作用時間，增大食糜與小腸的接觸面積，提高營養物質的吸收。

3.3 參與內分泌調節，影響血液中某些成分

酶制劑對一些激素具有調節作用，如甲狀腺激素、胰島素、生長激素、胰島素樣生長因子等，從而提高代謝水平。酶制劑影響內分泌的機理還不太清楚，可能有如下幾條途徑：①提高了營養物質的消化、吸收和利用，釋放的營養物質引起相應的激素水平發生變化；②有的營養物質還有激素樣活性，酶能促進或抑制某些激素的活性；③日糧中的蛋白質與多糖經酶制劑處理后，可能產生特殊活性的活性肽和寡糖，在體內有特殊的生理或藥理作用，參與機體的內分泌調節，影響代謝。目前使用的酶制劑大多是來源于微生物發酵的粗制品，其成分復雜，除了含有水解酶外，還有培養基中多糖和蛋白質被降解的中間代謝產物，也包括微生物生長過程中的次生代謝物和小分子的代謝副產物，還有細菌的菌體，這些物質可能本身就含有一些調節機體神經內分泌功能的未知因子。研究發現，粗酶制劑可促進雛雞血清中T3水平升高，而對T4水平的影響不大，說明酶制劑具有促進甲狀腺素釋放激素(TRH)的生理效用。禽類TRH－T4、T3軸通過生長激素(GH)對生長起作用；肝、腎組織的5'－脫堿酶的活性提高，促使T4轉化為T3，從而增強機體的代謝功能。

4 α－半乳糖苷酶在禽料中的應用

4.1 α－半乳糖苷酶在禽料中的應用效果

Gdala等的研究結果發現，在羽扇豆粕的日糧中加入α－半乳糖苷酶，結果α－半乳糖苷回腸末端消化率從80%提高到97%，效果顯著。Ghazi等(1997a、1997b)的兩次試驗結果均表明，α－半乳糖苷酶提高了豆粕的TME值和氮存留率，同時也使動物的日增重顯著提高。Barcelona Autonoma大學曾用肉仔雞作為試驗材料，評價了α－半乳糖苷酶對玉米－豆粕型日糧中能量、蛋白質和其它養分消化率的影響，結果表明，在飼料中按照100 U/kg的量添加α－半乳糖苷酶，可以使代謝能提高5%～10%，氮存留率提高10%～15%，效果極其顯著 (α－半乳糖苷酶的活力單位U定義為：37℃、pH值6.0的條件下，水解濃度為0.002 mol的對硝基苯－α－半乳吡喃糖苷，產生1 μmol對硝基苯酚所需要的酶量為一個酶活單位)。

西班牙巴塞羅納Autonoma大學的一個肉雞試驗中，測定了以兩個不同水平添加α－半乳糖苷酶對玉米－豆粕型日糧能量和氮存積的影響，結果見表4。

表4 不同α－半乳糖苷酶添加量對肉雞日糧能量和蛋白質氮存積的影響

由表4可知，在添加了500 g/t α－半乳糖苷酶后，代謝能提高7.6%，氮的存積指數也提高了10.7%。表明添加α－半乳糖苷酶后，由于酶解作用，不僅對能量，而且對蛋白質消化率都有好處。為了測試酶和豆粕的用量關系，Autonoma大學還專門做了以下試驗：酶的用量固定在500 g/t，改變日糧中豆粕的含量，來測定豆粕的表觀消化能，結果見表5。

表5 α－半乳糖苷酶對不同含量豆粕日糧的表觀代謝能影響

由表5可知，當豆粕比例較少，為30%、40%時，酶的作用比較明顯，豆粕的表觀代謝能提高了8%和11%；而當豆粕用量在50%、60%時，作用明顯下降。Leske等早在1993年就指出，當α－半乳糖苷酶的水解作用低到一個臨界水平時，對代謝能基本沒有改善。豆粕在肉雞日糧中正常用量一般不會超過40%，所以添加α－半乳糖苷酶后，預計可使豆粕的代謝能提高10%。

另外在酶的混合使用效果的研究中，Slominski等(1994)研究發現，用α－半乳糖苷酶和蔗糖酶并不影響雙低菜籽粕和豆粕中非淀粉多糖(NSP)的消化率。Irish等(1995)將α－半乳糖苷酶和蔗糖酶加入日糧中進行研究，結果發現日糧的AMEn值反而有所下降。Igbasan等(1997)研究結果發現，在豌豆日糧中單獨加入果膠酶沒有明顯的效果，但將果膠酶和α－半乳糖苷酶同時加入飼料中，肉雞的生長速度和日糧的利用效果均有提高。

王春林等(2004)研究表明，在玉米－豆粕型日糧中添加α－半乳糖苷酶能顯著提高肉公雞的真代謝能、Met和Cys的真消化率，以及DM、OM、Ca和P的表觀消化率，并提高21日齡肉公雞采食量和日增重。有研究報道，以α－半乳糖苷酶為主的復合酶添加于肉雞玉米－豆粕型日糧中，提高飼料效率1%～10%，胴體產量1%～20%，腹脂率降低10%～20%。表明α－半乳糖苷酶提高營養素的分配效率，有節省蛋白質和合成氨基酸的作用，降低飼料成本。

關于α－半乳糖苷酶的報道，之所以出現一些不一致的結果，這可能是由于不同的試驗所用的試驗條件、試驗動物、日糧結構、α－半乳糖苷的水平等因素都不同，況且酶的來源、活力等又不相同，同時，酶引起的寡糖水解水平與日糧能量和蛋白質消化率提高之間存在一定的關系。

4.2 α－半乳糖苷酶最適添加量探討

飼料中α－半乳糖苷酶最適添加量與配方原料中α－半乳糖苷的含量及α－半乳糖苷酶的活性有關。國外有學者做了日糧中豆粕比例為40%時酶不同添加量對豆粕表觀代謝能的影響試驗，結果見表6。

表6 不同α－半乳糖苷酶添加量對豆粕表觀代謝能的影響

由表6可知，添加酶后，豆粕的代謝能均有不同程度的改善，可以明顯地看出，用量500 g/t效果最好；當α－半乳糖苷酶的水解作用低于一定的閾值水平時，代謝能值不會明顯提高。在含大豆粕40%的日糧中添加α－半乳糖苷酶500 g/t為宜，增大添加量反而降低大豆粕的代謝能值。然而，不同酶添加水平之間大豆粕代謝能值的增高并無顯著差異。但豆粕在肉雞飼糧中正常用量一般不會超過40%，在肉雞日糧中采用實用水平的大豆粕時向日糧中添加α－半乳糖苷酶制劑，仍可期望大豆粕的代謝能值有8%～10%的提高。在豆粕比例為40%的飼糧中分別添加0、500、1 000、1 500 g/t的α－半乳糖苷酶對表觀代謝能的研究表明，添加較低劑量的酶(500 g/t)是最經濟有效的。

5 結語

豆粕、棉粕、菜粕等植物性蛋白原料中的α－半乳糖苷含量較高，這不僅降低了飼料的代謝能，影響了氮的存留和養分的消化吸收，而且也不利于家禽的生長健康，降低了家禽的生長性能和肉質。α－半乳糖苷的穩定性較高，一般的飼料加工方法難以破壞其結構，而加入α－半乳糖苷酶后，可以明顯促進營養物質的消化吸收，提高飼料的代謝能值和氮存留率，改善動物生產性能，降低飼料成本。在實用日糧配方中利用這一提高的最好方法是修改大豆粕的代謝能和有效氨基酸模型。在加酶后飼料配方中，通過修改飼料原料營養含量值，可在既降低飼料成本，又提高家禽的生產性能的同時，還能節約飼料資源、減少環境污染。通常，可將加酶后粕類的代謝能值和有效氨基酸值提高5%～10%，然后帶入配方數據庫進行計算。

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