飼料原料中抗營養(yǎng)因子的研究進展

梁洪慧，譚會澤,趙江濤，董 瑩，何 鑫，張 瑜，王鳳麟，楊 露，區(qū)美怡

(溫氏食品集團股份有限公司//農業(yè)部動物營養(yǎng)與飼料學重點實驗室，廣東 云浮 527400)

隨著我國社會經濟發(fā)展，人民對畜牧產品需求增大，畜牧業(yè)也進入了快速發(fā)展階段。飼料中所含的營養(yǎng)物質影響著畜禽的生存、生長和繁衍性能?？範I養(yǎng)因子(ANF)是飼料成分檢測的一項關鍵指標，指的是植物在進化過程中產生的能夠抵御外界不利因素和平衡自身營養(yǎng)結構的物質，但對食用的動物會產生不同程度的不良反應。本研究主要對不同類型的抗營養(yǎng)因子進行分析，加深對抗營養(yǎng)因子的認識，并整理總結各種降低或消除抗營養(yǎng)因子對畜禽飼料不良影響的方法。該研究對提高畜禽飼料的綜合利用率、畜禽生產養(yǎng)殖的社會經濟效益等具有重要意義。

1 抗營養(yǎng)因子的定義及分類

1.1 抗營養(yǎng)因子的定義

抗營養(yǎng)因子又稱“營養(yǎng)抑制因子”或“毒性因子”，英文簡稱“ANF”。抗營養(yǎng)因子是由植物自身所分泌的某些對動物消化吸收利用產生有害作用的特殊因子構成，通過不同的作用機制使動物對飼料營養(yǎng)成分產生不耐性，也就是使飼料喪失一部分營養(yǎng)價值，同時引發(fā)機體功能紊亂、免疫力下降和代謝性疾病頻發(fā)等問題。目前對抗營養(yǎng)因子的研究發(fā)現，抗營養(yǎng)因子能極大程度上延緩機體的發(fā)育和危害動物的健康[1-3]。

1.2 抗營養(yǎng)因子的分類

按作用不同可分為抑制蛋白質、礦物質和微量元素、維生素和碳水化合物消化利用的抗營養(yǎng)因子，刺激免疫系統(tǒng)的抗營養(yǎng)因子以及其它綜合性抗營養(yǎng)因子等6大類(見表1)。按來源不同可分為動物性與植物性來源2大類[4-7](見表2)。

表1 抗營養(yǎng)因子按不同作用分類

表2 抗營養(yǎng)因子按不同來源分類

2 主要抗營養(yǎng)因子的理化性質以及在植物原料中的分布和含量

2.1 蛋白酶抑制因子

蛋白酶抑制因子是一種多肽或蛋白質，其為一種可與酶分子的活性中心(由結合和催化部位組成)反應從而抑制酶活的物質[9]，在大豆、豌豆等豆科植物中含量較高。其中，胰蛋白酶抑制因子(KTI)和胰凝乳蛋白酶抑制因子(BBI)因抗營養(yǎng)作用顯著而最具研究代表性[10]，兩者在大豆中占比為1.4%和0.6%[11]。KTI不溶于乙醇，但在酸性及90℃加熱環(huán)境下均能令其失活。BBI不溶于丙酮，耐蛋白酶水解，耐酸，耐熱。

2.2 植物凝集素

凝集素是一種具有多級結構的蛋白質，其分子上的活性結構——亞基能與單糖、寡糖等特異糖相結合，能與動物的紅細胞發(fā)生凝集反應[12]，在豆類籽實及其餅粕中含量較高，具有耐干熱、不耐濕熱(95℃的高溫濕熱環(huán)境能讓其完全失活)的特性。

2.3 植酸

植酸為液體狀，顏色呈無色至淡黃色，易與水、95%乙醇、丙酮等互溶，但與無水乙醇、乙醚類、苯、氯仿等不相溶[13]，同時具有強酸性和強螯合能力，能與多種金屬離子與蛋白質發(fā)生螯合。植酸主要來源于植物種子、根、莖中，且在菜籽粕、豆粕、棉粕中含量差異大，如在菜籽粕中所占比重較大，而在豆粕中所占比重較小[14]。常用飼料谷物原料中植酸的含量見表3。

表3 常用飼料谷物原料中植酸的含量 mg/g

2.4 單寧

單寧為黃色或淡棕色的無定形固體，略有苦澀氣味。能溶于水、乙醇與甘油，但幾乎不溶于乙醚、氯仿或苯等極性弱的溶劑。高粱、油菜、豆科等植物原料的籽實中含有較多的單寧[17]。菜籽粕中單寧的質量分數約為1.5%～3.1%[18]。根據結構與活性，單寧可分為水解和縮合2類[19]。水解單寧是由葡萄糖和有機酸(如咀嚼酸)形成的低聚物，易被酸解和酶解；縮合單寧是由羥基黃烷類組成的低聚物，易被酸解產生紅色的花色素。

2.5 非淀粉多糖

非淀粉多糖屬于復合碳水化合物，是一種區(qū)別于貯存多糖(淀粉)的結構多糖，由纖維素、半纖維素和果膠等組成，在谷物原料和粕類中含量較高。按照溶解度不同，非淀粉多糖可分為水溶性(SNSP)和水不溶性(INSP)2種。水溶性的半纖維素和果膠因強親水性和強結合吸附性而具有抗營養(yǎng)特性。半纖維素中的阿拉伯木聚糖和葡聚糖抗營養(yǎng)作用最強[20]。非淀粉多糖在常用飼料原料的含量見表4。

表4 各種非淀粉多糖在飼料原料中的含量(DM)[21]

3 抗營養(yǎng)因子的作用機制及其產生的影響

抗營養(yǎng)因子主要通過消耗較多內源性蛋白質[22]、降低表觀代謝能[23]、螯合礦物質元素和微量元素[24]、滅活或干擾機體利用維生素[25]等表現方式減少機體對蛋白質、能量等營養(yǎng)物質的利用。

3.1 胰蛋白酶抑制因子

胰蛋白酶抑制因子顧名思義就是對胰蛋白酶產生抑制作用，降低酶活性，導致機體消化不良，不被消化的蛋白質與胰蛋白酶一起通過糞便排出體外，導致機體內胰蛋白酶嚴重流失，刺激胰腺分泌大量的胰蛋白酶，導致機體胰腺變大、蛋白質內源性損失和胱氨酸等含硫氨基酸失衡[26]，且降低脂肪的吸收和采食量，影響動物的生長發(fā)育。

3.2 植物凝集素

植物凝集素作為一種抗原，能快速識別并針對性與小腸壁黏膜結合，損害其黏膜結構，使其分泌酶功能異常，改變酶活性和腸道環(huán)境，損害免疫系統(tǒng)[27]。同時，植物凝集素影響縮膽囊素等分泌，從而延緩胃排空速率和降低采食量[28]，導致動物發(fā)育不良。當血液循環(huán)系統(tǒng)進入較多的植物凝集素會導致機體中毒等。

3.3 植酸

植酸作為強絡合劑，通過結合某些養(yǎng)分，降低其溶解度，從而降低養(yǎng)分的吸收利用。植酸與Ca2+、Mg2+、Zn2+等金屬離子相互作用生成植酸鹽絡合物，導致礦物質和微量元素在機體中的溶解度減小，不易被機體吸收利用。植酸螯合蛋白質分子，降低蛋白質的溶解度，同時結合蛋白酶使酶失活，降低蛋白質和能量的利用率[29]。另外，植酸能刺激機體分泌較多的內源性鈉，干擾機體吸收氨基酸和葡萄糖。

3.4 單寧

單寧是一種高度聚合物，能夠結合蛋白質、各種酶和維生素等。單寧能降低營養(yǎng)物質的消化率，主要表現方式有：①通過與胰蛋白酶、淀粉酶等相互作用，抑制酶活性；②與蛋白質和碳水化合物相互作用生成難溶物；③螯合維生素B12或Ca2+、Zn2+等多種離子。同時單寧也能降低畜禽的采食量，通過與唾液黏蛋白等發(fā)生反應，減弱唾液潤滑功能使口腔有干澀感，導致機體適口性差[30]。

3.5 非淀粉多糖

水溶性非淀粉多糖(SNSP)因呈網狀結構具有高度黏稠性，能夠結合消化酶，抑制其活性，阻礙消化酶對養(yǎng)分的消化。SNSP能結合膽汁酸或脂類，引發(fā)機體排出大量的膽汁酸和降低對脂肪的吸收。SNSP也能增加腸道黏度，降低消化道中氧氣的濃度，同時使養(yǎng)分長時間在腸道中滯留[31]，為微生物的生長繁殖提供環(huán)境和養(yǎng)分保障，導致腸道功能失衡。

4 主要抗營養(yǎng)因子的檢測方法

4.1 大豆胰蛋白酶抑制因子的檢測

針對大豆中胰蛋白酶因子含量的檢測，Kadade等[32]最早建立了酶化學檢測法，主要通過酶活性對樣品量的抑制曲線求出檢測樣品中含有的抑制因子能抑制的酶活性，但檢測的精準度不高(例如過度加熱樣品會影響檢測結果)，同時檢測結果還會受其它抑制因子的影響[33]。生大豆中胰蛋白酶抑制因子的變性失活程度和含量與脲酶相近[34]，故采用脲酶檢測法可間接檢測目標抑制因子，該方法主要包括pH值增值法和滴定法[35]，但脲酶的活性容易受到加熱程度、水分、壓力等條件影響，故適用性較差。酶聯(lián)免疫吸附實驗法根據所用的抗體不同，可分為多克隆抗體(酶標抗原競爭、酶標抗體直接競爭和間接抑制法[36]、間接競爭ELISA[37])和單克隆抗體(KTI免疫層析紙檢測方法[38])檢測方法，其中ELISA方法具有靈敏性高、特異性強的特點，但其檢測結果會受到基質干擾以及交叉反應的影響[39]。

4.2 植物凝集素的檢測

檢測植物凝集素有3種原理不同的方法。操作簡便且能快速檢測的紅細胞凝集法，利用了其具有凝集紅細胞的能力和其凝集活力與含量呈線性關系的性質，方法主要包括試管法、Liener法以及目前普遍使用的96孔血凝板法，由于該法只能檢測具有凝集活力的多價態(tài)凝集素，故對特定條件下的單體或活性功能片段尚不能采用該方法檢測[40]。利用凝集素的亞基能針對性的與復合糖結合的特點，采用糖復合物法對凝集素進行檢測，該方法剛開始是用放射性同位素對糖復合物進行標記[41]，由于不同種類的紅細胞會影響糖復合物法的凝集效果，后來又一種新方法被提出，把與相應凝集素具有結合特異性的糖復合物共價連接于聚苯乙烯膠粒上來替代紅細胞[42]。凝集素本質上是一種蛋白質，其能誘導機體產生特異性抗體，利用這一點可采用抗原抗體免疫法進行檢測，功能性凝集素免疫測定方法有活性凝集素免疫分析法(FLIA)、刷狀緣凝集素凝集分析法(BBLAA)等。

4.3 植酸的檢測

植酸的檢測需首先利用萃取或離心分離方法得到植酸，在此基礎上再利用化學沉淀、比色、高效液相色譜、毛細管等速電泳法等方法進行濃縮及純化，最后分析測定?；瘜W沉淀法也稱鐵沉淀法，其中磷鉬藍法則是根據植酸含量與磷含量呈負相關的特性，通過無機磷含量反推植酸含量，但鐵離子還會對除IP6以外的部分IP5、IP4、IP3結合生成微溶物，測定結果會有偏差，同時該方法步驟繁瑣，耗時長，誤差較大[43]。比色法測定時間短，所需儀器簡單，故為目前常用來檢測植酸的方法，主要包括磷鉬黃比色法和三氯化鐵比色法[44]。高效液相色譜法(HPLC)能高效定量分析植酸，但實驗投入費用較高，且實驗條件苛刻[45-46]。毛細管等速電泳法(CITP)利用待分離離子有效淌度不同的特點進行分離，但其靈敏度不高，仍需再改進濃縮技術和檢測技術。

4.4 單寧的檢測

由于單寧具有還原性，易被氧化，故可使用氧化還原滴定法，該方法包括鐵氰化鉀法和高錳酸鉀法，但需在高溫條件下進行，同時滴定終點受實驗人員的專業(yè)性影響。EDTA絡合滴定法利用單寧與EDTA溶液發(fā)生酸堿中和反應生成藍色絡合物進行測定。比色法利用檸檬酸鐵銨溶液生成棕色絡合物、偏釩酸銨溶液生成藍紫色絡合物、磷鎢酸鈉溶液生成藍色絡合物后采用分光光度計比色進行測定，目前國家標準中采用檸檬酸鐵銨法測定高粱中單寧的含量[47-48]。

4.5 非淀粉多糖的檢測

目前，比色法和氣相色譜法均是通過測定單糖的含量來計算非淀粉多糖的含量，測定結果較常規(guī)的纖維法更準確。比色法是把非淀粉多糖水解為單糖，加入顯色劑與之反應，比色測定吸光值后計算含量，該法簡單易行，可測定戊聚糖、β-葡聚糖等含量。氣相色譜法則先用酶法提取谷物中的非淀粉多糖，通過水解和進一步衍生乙?；笥蒙V法測定含量，該法可測阿拉伯糖和木糖等含量[49]。

5 抗營養(yǎng)因子的消除方法

由于抗營養(yǎng)因子能夠阻礙動物對飼料養(yǎng)分的消化吸收利用，采取一些常規(guī)的物理、化學、生物法以及電子束輻照法等降低和消除飼料原料中的抗營養(yǎng)因子，有利于提高飼料加工的效率和養(yǎng)分的利用率。

5.1 物理方法

加熱法消除抗營養(yǎng)因子需滿足兩個條件：①抗營養(yǎng)因子具有熱不穩(wěn)定性；②嚴格把控加熱的溫度和時間。針對抗維生素因子、蛋白酶抑制因子和外源凝集素等具有受熱易分解的性質，可以采取烘烤或蒸煮等干濕熱法除去，但植酸、皂角苷、氰類化合物等具有耐高溫的特點，加熱并不能將其降解。不同的抗營養(yǎng)因子受熱分解所需的溫度和時間也不相同，因此要嚴格控制作用的溫度和時間以求達到最佳的消除效果，避免加熱過度使飼料本身的營養(yǎng)成分流失，如Lys、含硫AA和維生素[50]，加熱不足導致抗營養(yǎng)因子殘留。Eduarde等發(fā)現,108℃條件下，加熱蠶豆30 min可使其代謝能由10.25 MJ/kg升至12.89 MJ/kg。

擠壓膨化法具有高溫、高壓和高剪切力的特點。其工作原理是在螺旋加壓的條件下對飼料進行擠壓，使其受熱噴出并產生膨化作用，最終導致抗營養(yǎng)因子失效。目前國內企業(yè)適合采用干式擠壓法對大豆中的抗營養(yǎng)因子進行鈍化處理，且效果顯著[51]。

水浸泡法能有效除去能與水互溶的抗營養(yǎng)因子，如用清水浸泡高粱一段時間后，可使其中含有的水溶性NSP與水相溶除去。但因該法存在浸泡后需烘干、投入成本較高等問題，在實際生產中不推薦使用[52]。

機械加工法通過去除植物原料中抗營養(yǎng)因子含量較高的部位來降低其含量。如高粱、蠶豆的外皮含有較多的單寧，通過剝掉其外皮可除去大部分的單寧。

5.2 化學方法

主要包括酸堿處理法和氨處理法，在適宜的條件下，往含有抗營養(yǎng)因子的飼料中加入化學試劑(硫酸銅、過氧化氫、乙醇等)，發(fā)生反應使抗營養(yǎng)因子失效。實驗證明，往含有胰蛋白酶抑制因子的生豆粕中加入濃度為10 mol/L VC和0.5 mol/L CuSO4處理1 h，在27℃和65℃條件下分別可滅活40%和90%的胰蛋白酶抑制因子。該法雖操作簡單，試劑易得，但殘留化學試劑不容易處理，處理不當也會帶來二次污染，同時影響飼料的口感和毒害動物的健康[53]。

5.3 生物方法

酶制劑處理法利用植酸酶、單寧酶等酶制劑來鈍化抗營養(yǎng)因子，往豬日糧中加入植酸酶后，飼料中的鎂、鋅、銅和鐵等微量元素均能更大程度地被機體消化吸收[54]，加入木聚糖酶和β-葡聚糖酶后，物質消化率提高10個百分點以上[55]；該法雖高效和專一，但對環(huán)境要求較高。利用納豆芽孢桿菌和短乳桿菌發(fā)酵菜籽粕，使植酸和單寧含量分別降低了10.1%和5.4%[56]。該法雖能使抗營養(yǎng)因子降解，但也能改變營養(yǎng)成分結構(如飼料中的蛋白質會被分解成氨基酸)。發(fā)芽處理法通過內源蛋白酶降解豆科和麥類原料中的抗營養(yǎng)因子，Savelkoul等對大豆進行發(fā)芽處理，發(fā)現胰蛋白酶因子和單寧含量均有不同程度的下降。

5.4 電子束輻照法

電子束輻照法利用不同劑量的電子束對飼料進行輻照處理。趙燕等[57]對豆粕進行輻照處理后，發(fā)現其中的抗營養(yǎng)因子顯著降低；崔龍等[58]采用同樣方法對豆粕、菜籽粕等飼料進行實驗，發(fā)現電子束輻照法對不同的抗營養(yǎng)因子的抑制效果有差異，其差異可能來源各抗營養(yǎng)因子的熱穩(wěn)定性，因此需對輻照法的抑制機制進一步探討。

6 小結與展望

抗營養(yǎng)因子能影響機體的消化和吸收甚至能決定一個機體的存亡。對動物來說，飼料是成長的關鍵，抗營養(yǎng)因子的相關研究有助于更好地改善動物飼養(yǎng)水平，同時對飼料的發(fā)展和變革有著重要的促進作用，特別是對生產線技術參數和營養(yǎng)配方的調控。目前，抗營養(yǎng)因子的檢測和消除方法還存在一定的局限性，因此不斷摸索更方便有效的檢測和消除方法顯得尤其重要，既要提高飼料利用率，同時又可以增加經濟效益。