細胞壁結構對粗飼料纖維降解的因素分析

■曹升旭 吳曉輝 鄭 飛 劉大森

（東北農業大學動物科學技術學院，黑龍江哈爾濱150030）

1 粗飼料中纖維及其纖維降解率的作用

粗飼料中的纖維成分是維持反芻動物瘤胃正常功能，以及機體健康生長的必不可少的一部分。NDF在反芻動物營養中主要起到維持瘤胃環境和提供營養的作用。NDF的降解率（NDFd）影響反芻動物的干物質采食量(DMI)，這是因為反芻動物瘤網胃的胃壁上分布著許多連續的接觸性受體，隨著食糜重量的增多和體積增大會對這些受體造成刺激，從而反射性地抑制動物的采食行為，限制動物的DMI。（Oba 等1999）[1]在統計大量的研究資料后認為，NDFd 每提高一個單位，其DMI 和4%標準乳產量也相應的分別增加0.17 kg和0.25 kg。其主要原因是，NDFd的提高加快了其瘤胃外流速度，從而使NDF 采食量增加。同時，NDF 的消化特性影響飼喂和反芻行為，顆粒分解速率，瘤胃周轉和填充量，干物質攝入量和乳成分總產量。因此NDF 是評估反芻動物日糧纖維營養功效的主要指標之一。飼料中ADF 含量可用于預測牧草的能量含量[2]，不同ADF 水平日糧對瘤胃發酵和瘤胃微生物纖維降解酶活性存在顯著影響[3]。對于泌乳早期的奶牛而言，采食飼草纖維的最大限度能夠提高產奶量，若飲食中的纖維含量太少會導致瘤胃過酸。相反，過多的纖維會降低日糧的能量含量，減少食用的飼料量，從而導致產奶量下降。因為合理的纖維含量對奶牛的健康生長以及生長性能尤為重要。

雖然在評估飼料質量時攝入量比消化率更重要，但我們無法準確測量攝入量，因此難以理解影響攝入量的基本因素。除了對能量攝入的直接影響之外，由于飼喂飼料的消化率和攝入量之間的存在密切關聯，因此消化率也間接地影響營養供應。雖然飼草中NDF 對DMI 的預測很差，但飼料的NDF 含量應該用于飲食配方以確保足夠的纖維。為了使產奶量和乳脂含量最大化，必須最大化膳食NDF 攝入量（占體重的百分比）和能量攝入量[2]。

2 木質素及細胞壁結構

木質素是植物細胞壁的重要組成部分。它是在植物界內進化的最后一種主要的生物聚合物，通常被認為是生物圈中纖維素之后第二豐富的化合物（Boudet 1998；Monties 1991），為植物提供結構完整性[4-5]。木質素在植物中最重要的功能是作為結構組分，賦予細胞壁強度和剛性。通過降低細胞壁的滲透性來限制水分流失也是對植物的重要作用，以及防止蟲害[6]。一直以來木質素被認為是影響細胞壁降解的主要因素，然而最近一些研究表明，酚酸的交聯結構在細胞壁的降解過程中也起到抑制的作用。細胞壁多糖的酚酸交聯結構是通過光化學反應或氧化物酶催化的偶聯反應形成的[7]。其中阿魏酸通常通過酯鍵連接到阿拉伯木聚糖的一些阿拉伯木聚糖殘基（C5碳上的伯醇）的O-5上[8]。同時阿魏酸也可與木質素單體參與氧化偶聯途徑，產生交聯的細胞壁的阿魏酸-阿拉伯多糖-木質素復合物[9]，以增強植物細胞壁的剛性。木質素是由4-羥苯丙類化合物氧化偶聯而成的大量芳香族聚合物的通稱。它是由單木質素組成，即松柏醇和芥子醇，通常含有少量的對香豆素醇。由單木質素生成的單位，當與木質素聚合物結合時，被稱為紫丁香基木質素（syringyl lignin,S-木質素）、愈創基木質素（guaiacyl lignin，G-木質素）、對-羥基苯基木質素（para-hydroxy-phenyl lignin，H-木質素）[10]。

大量的阿魏酸脫氫二聚體的形成發生木質化開始時，即氧化氫化的生成開始時[11]。阿魏酸以與原代細胞壁多糖以酯鍵形式存在，并為木質素提供醚鍵的起始位點，而對香豆酸不參與該反應，并且在后來的細胞壁發展過程中更廣泛地酯化成木質素。因此，對香豆酸通過酯鍵與木質素連接，而阿魏酸通過醚鍵和酯鍵與木質素連接（Bunzel 等，2004）[12]。對香豆酸主要酰化為木質素中紫丁香基單元的苯丙烷類側鏈的γ-羥基位置[13]，使其成為木質素沉積的指標，并指出對香豆酸在木質化過程中可幫助細胞壁中木質素形成具有潛在作用（Hatfield等，2009）[13]。通過木質素單體的酶促酰化發生木質素酰化，木質素單體進一步摻入木質素聚合物中（Ralph等，1994a）[14]。

3 木質素對纖維降解的影響

大量研究表明，草料的木質素濃度與消化率呈負相關[15]，已經報道了干物質（DM）和細胞壁消化率的這種關系（Smith 等，1972）[16]，但它僅對細胞壁消化具有重要意義，因為木質素不直接影響植物細胞可溶物的消化率。DM消化率與木質素濃度呈負相關的原因是因為木質素濃度隨著細胞壁濃度的增加而增加，并且飼料細胞壁總是比細胞可溶性更難消化。無論采用何種木質素分析方法，木質素濃度和細胞壁消化率的負相關關系都是正確的，并且已經在體內和體外測量消化率方面觀察到[17]。一般來說，豆類的這種負相關關系的斜率小于禾本科草，這表明木質素更能抑制禾本科草中的消化[18]。這個結論主要來自于木質素被測量為ADL 的研究，因為ADL 方法低估了禾本科草本植物中木質素濃度比豆類更嚴重。有顯微鏡學研究表明，與禾本科草相比，木質素在豆科植物中可能更具抑制作用，因為木質素化的豆科植物組織實際上是無法消化的（Engels等，1998）[19]。然而，現在普遍認為木質素僅僅是阻礙微生物酶到達細胞內容物的物理屏障[15]。關于木質素結構，與其他細胞壁聚合物的交聯以及細胞壁中的沉積和分布的情況可以改變木質素作為物理壁細胞壁消化的影響的問題仍然存在。事實上，盡管木質素濃度的負相關性在不同成熟期的飼料樣品中進行檢測時總是被觀察到，但是當植物成熟度相似時，這可能是最好的說明。觀察到木質素濃度和細胞壁消化率差異很大，說明木質素和消化率相關性不強[20]。顯然，這里存在修飾影響木質素對細胞壁消化的抑制作用的因子。

木質素和植物細胞壁的碳水化合物部分之間的化學和物理相互作用影響NDF 消化的速率和程度。有相關試驗數據表明，玉米青貯可以具有幾乎相同的化學成分（NDF 和木質素），但NDF 消化率（NDFD）不同[20]。因此，木質素的含量不是玉米青貯飼料消化率的直接原因，但更有可能的是，酚酸與碳水化合物的交聯程度比木質素含量更能影響其消化率。Grabber等[21]證實了木質素和細胞壁碳水化合物之間特異性連接的影響。其中，使用仿生模型，在評估半纖維素速率和消化程度時，證明了阿魏酸含量比木質素含量更重要。木質素是細胞壁中唯一能夠抵抗瘤胃中細菌和真菌降解的成分，并且它們與其他細胞壁組分的結合同樣也影響消化的性質。降解性降低的部分與細胞壁中木質素含量的增加有關；同時木質素的三維結構和組成的變化或者木質素與酚酸結構交聯的變化也會影響降解率[22]。即使選擇特定的木質素的含量相同時的幾種植物時，其他細胞壁特征的補償性或相關性變化經常發生，使得難以鑒定控制細胞壁可降解性的潛在機制[23]。例如，植物可能通過增加交聯量來降低木質化作用，使其木質素含量沒有顯著增加，但植物的消化率卻顯著降低，因此作為消化率標記的木質素含量可能會誤導營養學家[24]。

4 酚酸對纖維降解的影響

阿魏酸和香豆酸屬于酚酸類物質中的羥基肉桂酸類，是植物細胞壁中主要的酚酸類物質，占總酚酸的80%以上，是目前研究最多的酸酸，可占粗飼料細胞壁總重的0.2%～2.0%[25]。酚酸在細胞壁中以酯鍵和醚鍵形式存在。且飼料中酚酸含量以及存在形式可直接影響營養飼料細胞壁在消化道中的降解效率。相關研究表明：醚鍵阿魏酸與干物質消失率、產氣量、產氣速率、酯鍵阿魏酸和香豆酸降解呈顯著負相關；醚鍵香豆酸及香豆酸阿魏酸與干物質降解率、酯鍵阿魏酸香豆酸降解呈負相關，且醚鍵阿魏酸抑制了飼料發酵速率。飼料中酯鍵阿魏酸的降解率（0.502～0.966）大于香豆酸（0.195～0.880）[26]。Boln 等[27]將阿魏酸和香豆酸與牧草殘渣連接研究對NDF降解的影響，結果顯示在以瘤胃液為培養基，真菌纖維素降解酶的體系中，酯鍵連接的阿魏酸和香豆酸降低了牧草的降解率。但酯化的阿魏酸對消化率在其他研究中表現出不一致的影響。Casler等（2006）[28]報道了酯化阿魏酸對光滑的雀麥草和蘆葦草體外24 h NDFD 的負相關，但在96 h 時的可消化性測定結果為極顯著正相關。醚化的阿魏酸是木質素和阿拉伯木聚糖之間交聯的量度，對細胞壁消化率有負面影響（Casler 等，1999；Lam 等，2003）[29]，微生物缺乏打開醚鍵的酶[30]，無法分解釋放與木質素醚鍵連接的阿魏酸，因此細胞壁交聯結構在空間上阻礙了微生物及酶接近細胞壁多糖[31]，是影響微生物有效降解粗飼料中解的主要因素之一，這種影響僅次于木質素，且這種影響獨立于木質素之外[32-33]。Grabber等[34]研究認為這種交聯結構對飼料降解的抑制作用甚至大于木質素。Rodrigues 等（2007）[35]也報道了醚化阿魏酸對細胞壁消化率的積極的抑制作用，阿魏酸和木質素之間存在的醚鍵不易在厭氧條件下被瘤胃微生物破壞。此外，Jung 等（1992）[36]在成熟階段的柳枝稷和須芒草的植物部分之間進行了一系列觀察，報道了醚化阿魏酸與NDFD存在偶然的負面關系。此外，Jung等[37]報道了在年輕玉米節間的醚化阿魏酸和細胞壁多糖降解性之間的負相關性，但在成熟植物中沒有。他們的解釋是，在細胞壁成熟過程中，通過醚鍵阿魏酸會發生與木質素的交聯，但是在植物生長期間醚化和酯化的阿魏酸的濃度將降低，而木質素和其他多糖的沉積量會增加。這種稀釋效應可以掩蓋通過醚化阿魏酸濃度測量的阿魏酸酯交聯對消化率的影響。Rodrigues等[38]在研究酚酸結構與草甸干草消化率的試驗中發現酚酸濃度與其他細胞壁組分之間沒有相關性，他們的解釋是草甸干草中存在豆科植物，而豆科植物含有少量的阿魏酸和對香豆酸。

利用GC-MS 和HSQC 二維核磁分析技術識別發現阿魏酸酯與松柏醇之間存在β-O-4'、β-5'/8-5'和8-β'方式交聯的二聚體[39]，以及在細胞壁形成過程中，阿魏酸與其他多糖相互交聯形成阿魏酸脫氫二聚體、三聚體、四聚體甚至低聚物[40]，從而限制了植物細胞壁的可降解性。另外有研究表明酚酸具有毒性，對微生物的生長有著抑制的作用，尤其是阿魏酸，具有抗菌、抑菌作用。Zemek等[41]報道1.0 mM阿魏酸可抑制厭氧細菌的生長，同樣阿魏酸和對香豆酸能夠抑制瘤胃中纖維降解菌和瘤胃球菌的纖維降解的活性。不同的研究結果顯示阿魏酸和香豆酸對微生物抑制作用的大小不同。因此有可能飼料細胞壁經微生物降解而釋放的阿魏酸和對香豆酸對瘤胃微生物菌群組成可能有一定的影響，影響了瘤胃微生物發酵程度與速度，進而影響飼料降解消化速率。

5 木質素單體結構對纖維降解的影響

木質素是粗飼料中最難被動物消化利用的成分，木質素包含愈創木基丙烷(G)、紫丁香基丙烷(S)、對羥基苯基丙烷(H)三種基本單體，這些單體的組成是影響木質素降解率的重要因素。根據Kishimoto 等[42]的報道，S、G 單體的存在均能促成B-O-4 鍵型的生成，隨著S單元增加，B-B鍵型含量增加，B-5和5-5鍵型含量降低，另據報道，S/G值與番茄、苜蓿、擬南芥的化學降解率呈負相關[43-45]，說明S/G 值可能會通過影響鍵型含量影響飼草降解率，抵抗瘤胃微生物分解的不同鍵型含量發生變化，木質素被瘤胃微生物降解的難易程度也發生變化，并基于木質素的降解，進一步影響粗纖維乃至飼草有機物質的降解。也有相關學者認為由于木質素組成隨著飼料細胞壁的成熟而變化，并且成熟細胞壁的消化率低于未成熟細胞壁的消化率，因此認為木質素組成對壁的消化率是合理的（Jung等，1995）[46]。Argillier等（1996）[47]報道了玉米秸稈的G/S 比和細胞壁降解性之間的正相關性。在高羊茅的莖中（Chen 等，2002）[48]，在瘤胃降解性和S 木質素含量(r=-0.91)和G/S比(r=0.88)之間發現了強烈的相關性。S 單位百分比與草中細胞壁消化密切相關（r=-0.93）（Buxton等，1988）[49]。Jung等（1993）[50]提出，bmr 青貯飼料細胞壁的消化率提高是木質素濃度降低和紫丁香基木質素含量降低的結果。在它們的模型中，紫丁香型木質素在結構上更加線性并且進一步延伸到次生壁中，從而保護細胞壁中更大比例的多糖免于消化。在植物-病原體相互作用中，H和G單位的含量也會有一定程度的增加（Pomar 等，2004）[51]。此外，Grabber等(1997)[52]表明，H、G和S木質素對玉米細胞壁可降解性具有相似的抑制作用。盡管木質素中H、G 和S 單元的比例可能不是控制降解性的直接因素，但如果木質素的總濃度和分布也降低，則這些單元中一種或多種的沉積減少可以提高降解性（Grabber，2005）[53]。大多數研究表明，木質素濃度是影響飼草消化率的主要因素，木質素S/G值是次要因素，兩者同時存在時，木質素濃度的影響可能會蓋過S/G值的影響，這可能是對于S/G值的影響產生爭議的原因[54]。

6 小結

基于植物細胞壁結構的復雜性，我們并不能僅僅通過木質素的含量來預測NDF的降解率，這樣的預測結果往往是有誤差的，因為酚酸的結構以及木質素單體的構成同樣也會影響NDF 的降解率。故今后的研究中應綜合考慮各方面的因素，以期建立相關的回歸方程，從而促進反芻動物營養研究的發展。目前我國還尚未有較完整的NDF飼養標準，如果我能夠準確的預測NDF在瘤胃中的降解率，我們就能準確的計算出NDF 的理想添加量。目前美國CNCPS 體系中用2.4×ADL來估算飼料的難溶性中性洗滌纖維，然而目前的很多研究表明簡單的一元回歸方程與難溶性中性洗滌纖維并沒有很好的相關性，這可能是由于細胞壁其它成分也與NDF 的降解率有影響。因此在今后的纖維降解模型的研究中，除木質素的含量外，還應當充分考慮細胞壁中阿魏酸、對香豆酸以及木質素單體（S、G、H）的含量。