生物技术升级棕榈仁粕（PKM）用于家禽营养：β-甘露聚糖酶、多碳水化合物酶复配与固态发酵（SSF）的挑战和机遇

《Poultry Science》：Biotechnological upgrading of palm kernel meal for poultry nutrition: Challenges and opportunities

　　

近年来，家禽养殖传统饲料原料成本的波动迫使生产者探索替代原料以降低成本。棕榈仁粕（palm kernel meal，PKM）是棕榈油提取工业的一种副产物，也是此类替代原料之一。尽管由于能量密度低和非淀粉多糖（non-starch polysaccharides，NSPs）尤其是β-甘露聚糖（β-mannans）含量高，PKM常被视为家禽饲料中的低质量原料，但其可获得性以及相对于其他粕类产品的较低价格使其成为可行选择。该综述强调了营养挑战，并展示了生物技术如何将一种难以利用的废弃物转化为有价值的饲料原料。数据聚焦于外源酶（exogenous enzymes）的使用，重点为β-甘露聚糖酶（β-mannanases）与多碳水化合物酶复合制剂（multicarbohydrase cocktails）的协同作用。还讨论了利用真菌和细菌菌株进行固态发酵（solid-state fermentation，SSF）。这些生物过程有效分解复杂的纤维基质，通过微生物生物量合成提高粗蛋白（crude protein）含量，并原位释放具有生物活性的甘露寡糖（manno-oligosaccharides，MOS）。体内研究（in vivo studies）表明，掺入处理后的PKM可维持并改善生产性能。释放的MOS作为益生元（prebiotics），刺激有益肠道细菌生长，阻止病原体生长，并改善肠道黏膜结构。尽管生物技术增值（biotechnological valorization）为将PKM转化为家禽饲料高价值功能性原料提供了有前景的途径，但该技术存在某些局限性，包括底物变异性（substrate variability）和高放大成本（scaling costs）。需要进一步研究工业规模（industrial-scale）SSF过程，以及优化生态高效酶组合（eco-efficient enzyme combinations）和序贯发酵（sequential fermentations）。

论文解读：该综述围绕棕榈仁粕（palm kernel meal，PKM）在家禽营养中的生物技术升级展开。全球人口增长推动动物产品需求上升，家禽生产扩张，而饲料成本占家禽生产成本的60–70%。传统饲料原料如玉米、小麦、大豆和豆粕需求持续增加，人畜争粮导致原料短缺和价格上涨。PKM是棕榈油提取工业副产物，其全球产量过去二十年以每年15%增长，价格低于豆粕，但因其能量密度低、纤维高、非淀粉多糖（non-starch polysaccharides，NSPs）尤其是β-甘露聚糖（β-mannans）含量高、氨基酸不平衡，被视为单胃动物低质量原料。研究人员因此系统综述其营养限制与生物技术增值机会，旨在将PKM转化为高价值功能性饲料原料，降低饲料成本并促进热带地区循环经济。

研究人员开展的是综述性研究，未进行单一原始实验。主要关键技术方法包括系统分析外源酶添加，尤其是β-甘露聚糖酶和多碳水化合物酶复配；原位益生元甘露寡糖（manno-oligosaccharides，MOS）生成；利用真菌和细菌的固态发酵（solid-state fermentation，SSF）；以及联合生物-物理-化学处理，并进行技术经济和放大分析。文中涉及PKM样本队列来源包括哥伦比亚、哥斯达黎加、墨西哥、印度尼西亚和泰国，提取方式包括机械提取和溶剂提取；动物模型包括Cobb 500、Ross 308肉鸡及Harco、White Leghorn、Hy-Line Brown、Lohman等蛋鸡。

研究结果如下。

营养组成与家禽利用限制（挑战）：PKM营养受提取方法、棕榈种和壳残留影响。机械提取脂肪为5–12%，溶剂提取为0.5–3%；粗纤维（crude fiber，CF）为7–20%，粗蛋白（crude protein，CP）为15.5–19.6%，纤维为13–20%，表观代谢能（apparent metabolisable energy，AME）为1,880–2,653 kcal/kg。赖氨酸、蛋氨酸和色氨酸低，标准回肠消化率（standardised ileal digestibility，SID）变异大。结论是PKM适合反刍动物，对单胃动物需补充氨基酸或限制掺入。

限制饲料副产物在动物营养中使用的因素：营养变异、抗营养因子、过氧化敏感性和高纤维含量影响适口性、消化率和生产性能。

棕榈仁粕的抗营养因子：线性甘露聚糖占NSPs的78%，纤维素占12%，还有少量葡萄糖醛酸木聚糖和阿拉伯木聚糖。β-mannans由β-1,4-甘露糖重复单元构成，含α-1,6-半乳糖和葡萄糖。β-mannans可被动物识别为病原相关抗原，激活先天免疫，引起饲料诱导免疫反应并消耗能量。PKM含硬结晶甘露聚糖、高木质素，物理、化学和生物方法可灭活抗营养因子。

纤维对肠道黏度和养分消化率的影响：高PKM降低氮和钙消化率及存留。家禽缺乏降解甘露聚糖的酶，NSPs结合水增加肠道黏度、降低流速、增加采食量并降低消化率；β-mannans还包裹养分。随日龄增加消化能力提高，但雏鸡阶段有限。34日龄肉鸡肠道形态未见显著变化，成年鸡可耐受高纤维。

掺入水平与生理性能：PKM适宜性取决于鸡类型、年龄、性别、PKM来源及油和壳含量。限制因素为高CF、NSPs、β-mannan以及蛋氨酸、色氨酸和半胱氨酸低。

肉鸡生长性能：早期研究建议20% PKM无负面影响；另有研究报道28%和35%可用；添加蛋氨酸和赖氨酸时可达40%；也有建议16%。Botello等发现100 g/kg PKM无负面影响，300 g/kg成本效益最佳。Abidah和Wan Nooraida报道10% PKM不负面影响，超过10%性能变差。Setiana和Subekti建议Ross 308肉鸡粒径1 mm且最大5%。差异源于PKM来源质量、配方和品种。

蛋鸡生产性能与蛋品质：Onwudike和Perez等报道Harco和White Leghorn蛋鸡可达40% PKM无负面影响，超过40–50%则产蛋率、蛋重、采食量和饲料转化率（feed conversion ratio，FCR）下降。Adrizal等报道印尼本地蛋鸡30%无负面影响但蛋黄颜色变浅。Gunawan等报道Lohman蛋鸡5% PKM维持采食量、产蛋、能量和蛋白，超过5%出现负面效应。需区分PKM与棕榈仁饼（palm kernel cake，PKC）。

生物技术增值策略（机遇）：包括酶补充、原位益生元生产、SSF和联合处理。

酶补充（外源酶）：NSP酶尤其β-甘露聚糖酶可降解NSP。PKM中除β-mannan外还有木聚糖，复杂纤维需β-mannanase、木聚糖酶、纤维素酶、葡萄糖苷酶和半乳糖苷酶协同。β-mannanase为EC 3.2.1.78，β-mannosidase为EC 3.2.1.25，乙酰甘露聚糖酯酶为EC 3.1.1.6，β-glucosidase为EC 3.2.1.21，α-galactosidase为EC 3.2.1.22。单酶简单且成本低，但降解有限；多酶鸡尾酒提高AME和氨基酸消化率，但成本高。水解产物为MOS。

原位益生元生产：PKM富含β-mannans，β-mannanases随机切割主链，β-mannosidases外切释放甘露糖，α-galactosidases水解α-半乳糖侧链。存在同源协同和异源协同。水解降低抗营养因子和黏度，释放养分。Purnawan等报道 Streptomyces cyanus 甘露聚糖酶水解PKM产生MOS，MOS具益生元或益生菌特性。

固态发酵（SSF）：微生物降解NSP并产生酶、蛋白和代谢物。Aspergillus wentii TISTR 3075将CP从16.99%提高到21.36%，但含硫氨基酸和赖氨酸仍限制，AME降低。Aspergillus niger发酵提高CP并降低CF。Bacillus amyloliquefaciens和Trichoderma harzianum降低CF；Bacillus subtilis F6在24 h内降低中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）超过10%。Ciptaan报道7% Bacillus subtilis发酵6天使CP达24.65%、CF为17.35%、氮存留68.47%、CF消化率53.25%。Lactobacillus fermentum提高CP 25.81%、降低CF 16.90%、代谢能达2,743 kcal/kg。Bacillus velezensis、Saccharomyces cerevisiae和Lactobacillus paracasei经60 h SSF提高营养价值和抗氧化活性。Lactobacillus fermentum与Bacillus subtilis联合菌群产纤维素酶13.71 U/mL、甘露聚糖酶17.05 U/mL，并耐酸、耐胆盐、疏水性高，抗E. coli、S. enteritidis和S. aureus。但CP升高可能源于干物质损失和微生物生物量及非蛋白氮，需用真实氨基酸消化率和必需氨基酸谱评价。放大瓶颈包括水分40–60%、干燥至低于12%的能耗、生物反应器热梯度和批次一致性。

联合处理（生物-物理-化学）：发酵加硫酸铵提高PKM物理特性、蛋白并降低CF；多酶复合物改善水解PKM蛋白和CF消化率，20%水解PKM提高AME。温和化学预处理增强酶解，但需洗涤或中和。挤出提高营养价值，降低NSPs和CF，增加甘露糖、葡萄糖、果糖及1,4-β-D-甘露二糖、三糖、四糖和五糖，改善家禽性能，AME增加6%，CP消化率增加32%。最佳挤出条件为178°C、100 rpm、5 Hz和75%水分，但高温可引发美拉德反应。热机械预处理加SSF或酶解可提高氮校正真代谢能（TME_n）达38%，但干燥能耗高。碱处理可裂解木质素-半纤维素酯键，但存在残留、适口性、腐蚀和废水问题。深共熔溶剂（deep eutectic solvents，DES）可生态选择性脱木质素，耐热β-mannanases和综合生物加工（consolidated bioprocessing，CBP）具潜力。

对生产性能和家禽生理的影响：酶补充降低甘露聚糖负面影响。Sundu和Dingle报道30% PKM加含α-galactosidase的mannanase提高增重和采食量；与其它酶鸡尾酒在5–15天无增重改善但20天降低空肠黏度。Avizyme 1300或β-mannanase加NSP酶改善蛋白、脂肪和纤维消化率并增重。β-xylanase 200 U/kg加20% PKM改善Cobb 500雄鸡生长。Hy-Line Brown蛋鸡33周10% PKM加β-xylanase对生产力影响小；26周加β-mannanase对生产性能和蛋品质大多无影响。Soltan报道含淀粉酶、蛋白酶、β-葡聚糖酶、脂肪酶、木聚糖酶和纤维素酶的复合酶降低20% PKM负面影响。Chong等报道25% PKM加NSP酶降低FCR并改善干物质消化率。结论是酶类型、剂量、动物品种、PKM来源、年龄和甘露聚糖水平影响掺入率；含mannanase和α-galactosidase的复合酶允许更高PKM掺入。加工因素如调质温度、时间、制粒、颗粒质量和酶热稳定性也影响效果。β-mannans可激活免疫，β-mannanase水解为MOS后降低免疫刺激并节省能量；MOS调节肠道微生物群、降低黏膜周转、调节免疫并抑制微生物黏附。但PKM水解产生的MOS在体内改善生产性能和肠道完整性的证据仍有限，需严格试验。

技术经济挑战与放大限制：替代饲料需求迫切，农业食品副产物可降低饲料成本并支持循环生物经济，但复杂NSPs、木质素、植酸和甘露聚糖限制消化率和肠道健康。酶补充常通过改善饲料效率抵消成本，肉鸡每kg生产可降低7–12%。技术经济评价表明升级PKM可提高掺入率并抵消豆粕成本，但直接酶解可能因商业酶成本抵消PKM价格优势。Liu等报道10 g PKC需1 g mannanase和0.1 g xylanase，酶大量购买不经济。SSF放大面临代谢热、氧气供应、温度梯度、灭菌、高湿和干燥能耗问题；PKM成分变异影响可重复性。Ong等报道Bacillus subtilis F6过夜降低NDF至少10%，6 h检测到mannanase活性。发酵仍受含硫氨基酸限制。监管方面需控制微生物污染、机会致病菌和霉菌毒素，实施pH、温度、水分和孢子密度监测，并符合欧洲食品安全局（European Food Safety Authority，EFSA）和美国食品药品监督管理局（US Food and Drug Administration，FDA）要求，包括公认安全（Generally Recognised as Safe，GRAS）或安全资格推定（Qualified Presumption of Safety，QPS），筛查抗生素耐药基因和肠毒素。环境方面，生命周期评估（life-cycle assessment，LCA）显示本地生产或处理PKM替代进口豆粕可减少碳足迹（CO₂当量/kg活禽重）和土地利用变化，并降低全球变暖潜势（global warming potential，GWP）。

结论部分翻译：为减少对传统原料的依赖，将PKM整合入饲料仍是可行替代方案，显著支持热带地区循环经济的推广。尽管由于营养特性，PKM历史上被视为低质量原料，但该综述强调，经生物技术方法处理后，PKM具有双重优势：降低生产成本并增强家禽肠道健康，同时促进可持续家禽养殖。鉴于这些发现，预计未来几年PKM将获得更广泛接受，从单纯的饲料补充剂演变为战略性原料，这一转变由生物技术进步驱动。然而，弥合实验有效性与商业可行性之间的差距，需要区分已证实成就与当前操作预期。尽管升级PKM的生物学能力已明确，但技术和经济瓶颈仍阻碍其广泛工业采用。制约即时工业乐观情绪的重大障碍包括酶生产成本高、发酵后干燥能耗大、批次间底物变异以及工艺可放大性。为使生物转化PKM从有前景的实验室概念转变为可靠的商业饲料原料，未来研究必须聚焦四个优先领域：1. 协同酶鸡尾酒优化：超越单酶处理，识别β-甘露聚糖酶、木聚糖酶和纤维素酶的最有效组合，专门针对PKM细胞壁结构异质性进行定制。2. SSF方案标准化与放大：开发自动化、连续固态生物处理系统，确保水分、温度和接种物分布均匀，以在工业规模消除批次变异性。3. 综合安全性与体内长期评价：开展多代喂养试验，评估抗营养残留、肠道微生物组长期变化以及实际饲料厂条件下霉菌毒素安全性。4. 严格技术经济和生命周期评估：开展真实世界大规模经济验证研究和定量生命周期评估，以在波动的全球商品市场下确定确切成本效益阈值和净碳足迹减少。