彭健教授：日粮纤维的定义、成分、分析方法及加工影响（全文）

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　　彭健教授点评：

　　这是我1999年发表在《国外畜牧学－猪与禽》杂志上的一篇综述。将近二十年过去了，十分感慨。二十年前的个人研究兴趣成为二十年后行业关注的热点，人们对纤维的认识也从可溶性纤维是＂抗营养因子＂上升到＂第七类营养素＂。文章上集从“纤维的定义”出发，告诉人们如何正确认识纤维，它们是什么？文章中集从＂纤维的分析方法＂角度入手，结合上集内容可以使人们更好地理解＂日粮纤维究竟为何物＂。文章下集是讲不溶性纤维的来源，特别是热加工如何增加了NDF，导致对饲料蛋白质特别是赖氨酸的热损害，同时显著增加了饲料中的不易消化的不溶性纤维－NDF。随后，我们在制定农业行业标准《饲料用菜籽饼粕》时，创新地增加了NDF做为加工控制指标。而现在，我们发现并发掘了饲料中可溶性纤维在调节肠道菌群、调节饱腹感、饱感及短期和长期釆食量的效果和机制，并推动了母猪饲养重点的革命性改变。值得一提的是，我自己在2005年和2017年两次获得湖北省科技进步一等奖，纤维的研究都是其中的重点：一次是不溶性纤维NDF，另一次是可溶的功能性纤维。通过二十多年专注纤维的研究，希望能为行业发展和技术变革提供更多的帮助。

日粮纤维:定义、成分、分析方法及加工影响

彭 健（华中农业大学教授，博导）

　　日粮纤维（Dietary Fiber, DF）是家畜日粮中重要的组成成分。近年来，人们对日粮纤维的研究兴趣日益增加，一是由于人们普遍认识到许多疾病的病因学与日粮纤维成分有关，二是由于日粮纤维是影响饲料利用效率的重要因素。因此，在一些作物的选育计划中，日粮纤维被作为重要的选择指标，影响到作物的育种方向（Slominski, 1997）。如在卡诺拉油菜（canola）的选育计划中，黄籽卡诺拉选育的目的之一就是降低种籽中的纤维含量以提高饼粕的营养价值（Slominski等, 1994）。另一方面，饲料原料在加工过程中受到热处理后，其中纤维的成分和含量都会发生较大变化，影响饲料品质。因此，日粮纤维正成为营养学研究中的一个热点。

　　在日粮纤维的研究中，“纤维”的定义一直是一个有争议的问题。从生理学功能、植物的解剖结构或化学分析方法的不同角度来定义“纤维”时，“纤维”并不是同一个化学实体。在动物饲养中，“纤维”应该是一个营养学范畴的概念，但采用不同的分析方法进行定量分析时，所得到的“纤维”的化学组成和数量均变异极大（Mertens, 1998），如粗纤维（crude fiber, CF）、中性洗涤纤维（neutral detergent fiber, NDF）和酸性洗涤纤维（acid detergent fiber, ADF）等。因此，有必要对纤维的概念进行讨论和界定。本文拟从日粮纤维的定义出发，讨论纤维的构成成分；以及用不同分析方法得到的纤维组分的化学组成；最后，讨论热处理对纤维特性和含量的影响。

日粮纤维的定义和成分

　　日粮纤维最早被定义为“ 植物细胞成分中能抵抗人类消化酶水解作用的结构成分”（Trowell, 1972, 1974）。但是，这个定义并不包括作为食物添加剂成分的多糖（也就是植物胶质、变性的纤维素和淀粉）。随后，日粮纤维的定义被扩大为“包括所有不能被人类消化道内源酶降解的多糖和木质素”（Trowell等, 1976）。也就是说，纤维是“不能被哺乳动物消化酶所消化的所有饲料组分”（Mertens, 1998）。这个概念从生理学的角度定义了日粮纤维的特性，并得到广泛的认可（Graham和Aman, 1991）。从化学的角度，日粮纤维则被认为是非淀粉多糖（Non-starch polysaccharides, NSP）和木质素（lignin）的总和（Graham和Aman, 1991）。在此基础上建立的分析方法已实施多年（Theander和Aman, 1979; Theander, 1991），但究竟何种成分属于“纤维”仍是值得讨论的问题。

　　从植物细胞的结构来看，人们通常认为植物的“细胞壁”（cell wall）就是纤维。其实，“细胞壁”是植物学家采用的一个术语，是指植物中环绕着植物细胞的特定结构成分。植物细胞壁是一个两相的结构，细胞壁中纤维素微纤维（microfibrills of cellulose）构成了刚性骨架，非纤维素多糖（如半纤维素hemicellulsoe和果胶pecticsubstances等）和糖蛋白构成的胶状的间质包被在外（Fry, 1986）。纤维素微纤维呈高度有序排列，而非纤维素多糖则相对无序。当植物细胞老化时，木质素的沉积增加，并包围在纤维素微纤维外（Selvendran等, 1987）。从化学特性来看，纤维素微纤维在植物间变异很小;但非纤维素多糖的种类和水平在植物种间变化很大：在单子叶植物中，如禾本科的谷实类，细胞壁非纤维素多糖主要是阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖（小麦和黑麦中以阿拉伯木聚糖为主，而大麦中则β-葡聚糖为主要成分）；谷实类中不含果胶物质，而双子叶植物如豆科中则含量很高（Selvendran, 1984）。一个有趣的现象是，组成细胞壁的非纤维素多糖被萃取后，大多是可溶的、亲水的分子，但在完整的细胞壁中它们却是不可溶的。由此表明，细胞壁多聚体--多糖、木质素和蛋白质之间，是以共价键、离子键及其它键紧密联结的（Fincher和Stone, 1986）。

　　如上所述，构成植物细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素、果胶（统称为“结构性多糖”）和木质素。事实上，纤维素、半纤维素和果胶物质的区分，是根据多糖类不同的溶解度来划分的，但这种划分并不能反映纤维的组成和生理特性（Graham和Aman, 1991）。从营养学观点来看，还有一些化合物也应划分到“纤维”类别中，包括存在于细胞壁中而不能被动物消化酶所消化的淀粉（称为“抵抗性”淀粉, resistant-starch），细胞壁中的粘质（musilage）、胶质（gums），及其它非碳水化合物，如角质（cutins）、木栓质（suberins）、蜡质（waxes）、矿物质和蛋白质;以及细胞内容物中的果聚糖、寡聚糖等（见表1）。

　　在细胞壁的构成中，与NSP和木质素相连的蛋白质（称为“细胞壁镶嵌蛋白”或“细胞壁蛋白”）是细胞壁的重要构成成分。这种蛋白质主要是一种高度不溶的糖蛋白--伸展蛋白，单胃动物对其消化率低，因此，这类蛋白质也被认为是日粮纤维的构成成分（Annison, 1993）。另外，在饲料加工过程中，一定温度和时间条件下，蛋白质中一些氨基酸，特别是赖氨酸的ε-氨基与纤维性物质中的还原糖结合，形成迈拉德反应的产物（Erbersdolbr, 1986）。其结果一方面使日粮纤维含量显著增加，另一方面使饲料中氨基酸有效性受到极大破坏，造成饲料品质降低（Simbaya, 1995; 彭健, 1999a）。

日粮纤维的测定方法及成分

　　根据纤维测定中所采用的主要试剂，纤维的分析方法可分为化学法、酶法、化学法/酶法；根据对纤维测定的方法，则可分为重量法或化学反应法（表2）。

　　分析纤维的方法一开始就是试图测定饲料中不能被消化的组分--粗纤维（CF）。CF的分析方法是由Henneberg和Stohman于1859年建立的。这个分析方法（AOAC方法962.09, AACC32-19）包括脱脂预处理、1.25% H2SO4和1.25% NaOH煮沸处理，得到的干物质残渣减去灰分即CF。CF的化学成分是几乎所有的纤维素、数量不等的木质素和半纤维素。因此，CF并不包含所有“不能被哺乳动物消化酶消化的所有组分”。

　　酸性洗涤纤维（ADF）（AOAC973.18）是Van Soest（1963）提出替代CF的一种分析方法，对反刍动物用来分析饲草中的纤维。基本方法是用含2% 十六烷三甲基溴化铵（CTAB）的0.5mol硫酸溶液煮沸样品，所得残渣就是ADF。ADF通常由纤维素和木质素组成，还有少量果胶、半纤维素、单宁-蛋白质复合物及灰分。由于ADF分析中损失了一部分半纤维素，因此它不是饲料中“纤维”的准确度量。ADF可作为测定木质素的一个准备阶段而不宜作为衡量饲料中纤维含量的指标（Mertens, 1998）。

　　中性洗涤纤维（NDF）方法的建立对描述饲料的特性具有重要的意义（Mertens, 1993）。Van Soest（1964, 1967）意识到CF 在概念上的模糊，认为有必要建立新的方法取而代之。在建立NDF分析方法时，Van Soest认为：饲料应分划为可消化和不完全消化的两部分。可消化的部分用新的纤维分析方法进行分析时应是可溶的；而不消化（不可溶）的部分则被称为“纤维”（VanSoest和Moore, 1965）。其基本方法是：在含有3%十二烷基硫酸钠（SDS）和1.9 %EDTA（pH7的磷酸缓冲液）的中性洗涤剂中煮沸样品，所得到的残渣减去灰分即NDF。NDF方法在分析高淀粉含量的样品时，分析过程中应加入α-淀粉酶处理（Schaller, 1977）。NDF法的目的是分析饲料原料中的细胞壁成分，其结果是除去了所有的水溶性物质，包括细胞壁中果胶物质。NDF只包含了细胞壁中的纤维素、木质素和绝大多数半纤维素，及与细胞壁相嵌的蛋白质和矿物质等。

　　尽管NDF的目的是测定样品中的细胞壁，但细胞壁与NDF的定义和化学成分都并不完全等同。如前所述，谷实类饲料的细胞壁中不含果胶，而苜蓿类植物的细胞壁中果胶含量很高，因此，NDF可以准确度量谷实类饲料的细胞壁含量，但很大程度上低估了其它植物尤其是苜蓿类植物的细胞壁含量（Chesson和Austin, 1998）。对黄籽卡诺拉来说，也存在相似的情况。据Slominsiki（1994, 1995）报道，黄籽卡诺拉中NDF含量低于褐籽卡诺拉（18.8 %对5.7 %），但可溶性NSP（NDSP）的含量却明显高于褐籽卡诺拉（8.4%对4.4%）。因此，在这种情况下，NDF值显然低估了细胞壁的含量。

　　由此看来，CF、NDF或ADF的测定结果，并不完全符合日粮纤维的定义，也不能完全代表日粮中所有的“纤维”成分。测定NDF时，Van Soest 假定饲料成分中“可溶的”部分都是可消化的，只有“不可溶”的部分是“纤维”（Van Soest 和Moore, 1965）。事实上，一些非淀粉多糖（NSP），包括胶质、果胶、粘质和一些半纤维素（McDonald等, 1995），也是可溶的。这些可溶性NSP（NDSP），如大麦中的β-葡聚糖和小麦中的阿拉伯木聚糖，一方面本身不能被动物消化（动物体内缺乏特异的消化酶），另一方面在小肠内形成粘性环境，增加食糜的粘度（visicosity）而影响营养物质的消化和吸收，对幼年动物造成显著的抗营养效应（Graham和Aman, 1991）。因此，尽管它们是可溶的，但由于具有抵抗消化酶的作用的特性，仍符合“纤维”的特点，应划分到纤维的范畴内。对卡诺拉类型的白芥（Sinapis albaL.）的研究结果也表明，白芥中可溶性NSP含量高，当肉鸡采食后引起肠道内食糜粘度显著增加，使氮校正表观代谢能（nitrogen corrected apparent metabolizable, energy, AMEn）降低（Jiang, 1999）。因此，除谷实类以外的饲料，用NDF作为“纤维”时低估了饲料中纤维水平。而在大多数饲料中，NSP和木质素是植物细胞壁的主要成分，因此，有人认为可以用“NSP和木质素”作为“日粮纤维”的代名词（McDonald等, 1995; Graham和Aman, 1991; Annison, 1993）。

　　现在，让我们回到“日粮纤维”的定义上。从营养的角度，它应包括所有抵抗消化道内源酶消化的饲料组分。因此，日粮纤维还应包括除NSP和木质素以外的其它成分，即细胞壁镶嵌蛋白、阿拉伯半乳糖蛋白、半乳糖寡聚糖、果聚糖、抵抗性淀粉、与细胞壁连接的矿物质及迈拉德反应产物（Slominski ，1997）。若与分析方法相联系，日粮纤维可以通过测定“不溶性纤维”--NDF 及“中性洗涤剂可溶性多糖”（neutral detergent soluble polysaccharides, NDSP）两部分，合称为“总日粮纤维”（total dietary fiber, TDF）。在测定NDSP时，可以通过测定样品和NDF残渣中的NSP，来计算二者的差来得到NDSP的含量（Slominski等, 1994）。表3对饲料中纤维的测定方法和所分析的饲料组分进行了总结。

加工对日粮纤维的影响

　　在以上的讨论中我们已经清楚，植物细胞壁是日粮纤维主要构成成分。它们不仅本身不能被动物的内源酶消化，同时妨碍了消化酶与细胞内容物的接触，即形成对细胞内容物的“屏蔽作用”。因此，饲料加工的一个重要目的，就是要破碎植物的细胞壁，即对饲料进行粉碎，以促进动物消化酶与植物细胞内容物的接触。对谷实类饲料加工时，除粉碎外，还常常使用调质（conditioning）和制粒（pellet）等热处理使淀粉糊化，来提高幼龄动物对淀粉的消化率。一般来说，粉碎时所使用的机械剪切力越大，破裂的细胞数目就越多，消化率越高；但加工时温度越高，对幼龄的单胃动物所引起的抗营养作用的问题就越大（Chesson 和Austin, 1998）。其原因是对以谷实为基础的日粮经过调质和制粒的热处理后，会导致薄壁的胚乳细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溶解度或动物消化道内食糜粘度的增加，就对幼年家畜产生了抗营养作用。随着新的饲料加工技术的应用，与可溶性NSP相关的问题更加突出。在对饲料进行膨化、微波化和二次制粒时，由于比制粒时使用了更多的热量，进一步促进了NSP的溶解。这时由加工所得到的好处则会被这些释放出的NSP的抗营养作用所掩盖（Vranjes和Wenk, 1995）。Annison （1991）就报道了体外萃取的可溶性NSP与AMEn之间呈强负相关。

　　饼粕类蛋白质饲料通常是油脂加工的副产品。油菜籽、棉籽等油料常采用预压-浸出加工工艺。在这个工艺流程中，至少有两个环节受到热处理。一是蒸炒/调质过程，二是脱溶过程。在这两个过程中，最常发生的反应就是迈拉德反应。在一定温度条件下，氨基酸特别是赖氨酸的ε-氨基与纤维成分中的还原糖结合，形成Schif f碱，经过Amadori重排后，生成Amadori产物，此后就会形成褐色的糖蛋白终产物。因此，迈拉德反应又被称为褐变反应（browning reaction）。在这个反应中，所使用的温度越高，反应时间越长，所形成的糖蛋白终产物越多。测定出的氨基酸和蔗糖含量下降（Fleury, 1998; 彭健, 1999a; Slominski, 1997），同时日粮总纤维，特别是NDF含量显著增加（彭健, 1999a），其原因就是与NDF相连的蛋白质含量的显著增加（彭健, 1999a）。彭健（1999a）对四个品种的双低油菜种籽及相应的商品饼粕的研究发现，在日粮纤维的组成中，4个脱脂种籽样品的蛋白质含量为3.3～5.6 %，与以往的报道一致（Simaya, 1995），但在4个饼粕样品中的含量差异极大。过热处理的两个样品中，与纤维相连的蛋白质含量分别达20.8%和18.7%，分别占饼粕中蛋白质含量的49.8%和43.4%。肉鸡试验结果也显示，过热处理时，与纤维相连的蛋白质消化率降低（P<0.01）（彭健, 1999b）。为了加工出高品质的饼粕，必须对加工环节的温度、水分及加工时间进行控制，以控制迈拉德反应的程度，防止由此造成的饼粕质量的降低。

　　综上所述，日粮纤维应包含植物细胞壁等不可溶纤维（即NDF）和中性洗涤剂可溶性纤维（NDSP）两部分组成，并采用相应的分析手段来定量分析。从热处理对纤维成分和含量的影响来看，适当热处理是控制饲料品质的重要手段。

　　来源：改变饲界