内切木聚糖酶驱动的纤维溶解与纤维粒径在改善肉鸡纤维发酵中的体外研究

《Poultry Science》：In vitro study on the role of endoxylanase-driven fibre solubilisation and fibre particle size in improving fibre fermentation in broilers

　　

内切木聚糖酶（endoxylanase）常用于肉鸡生产，但更好地理解其在刺激纤维发酵中的作用可改善相关的生产和健康效益。将粒径减小的麸皮与内切木聚糖酶结合可提高纤维对微生物发酵的可及性，但尚不清楚这是由内切木聚糖酶在盲肠前段的纤维溶解作用还是其在盲肠小叶内的作用所驱动。研究人员在模拟回肠和盲肠条件下，使用不同粒径的小麦麸皮研究了内切木聚糖酶的作用。首先，在回肠体外条件下评估了麸皮粒径（29至1312 μm）、pH和内切木聚糖酶（Econase XT 25，1 mg/g麸皮，160,000 BXU/kg麸皮）对纤维溶解的影响。内切木聚糖酶的添加和麸皮粒径的减小在pH 4至8的孵育期间增加了水提取阿拉伯木聚糖（water-extractable arabinoxylan, WE-AX）含量（P < 0.050）。WE-AX含量也随粒径减小而增加（P < 0.001）。随后，通过使用肉鸡盲肠接种物的体外发酵，研究了麸皮粒径（粗，1312 μm；细，134 μm）和内切木聚糖酶处理（预处理添加、发酵添加、不添加）对发酵的影响。内切木聚糖酶预处理的麸皮导致早期快速发酵，而发酵添加的内切木聚糖酶仅在24 h后产生最高的气体和挥发性脂肪酸（volatile fatty acid, VFA）产量（P < 0.050）。细麸皮在6 h后有增加气体产量（P = 0.062）和线性VFA产量（P = 0.041）的趋势，而在24 h后增加了支链VFA产量（P = 0.026）。内切木聚糖酶与粒径减小的麸皮组合在6 h后增加了气体产量和乳酸含量（P < 0.050）。在预处理期间和直接添加到发酵中的内切木聚糖酶引发了不同的发酵响应，尽管两种作用似乎都以发酵时间依赖的方式有益于纤维发酵。这些结果表明，内切木聚糖酶活性在回肠和盲肠条件下可能都很重要，以不同方式改善纤维发酵，并可能在体内增强肠道健康和肉鸡生产性能。

**论文解读：内切木聚糖酶与纤维粒径协同改善肉鸡纤维发酵的体外机制研究**

**研究背景与问题**
肉鸡生产面临饲料成本上升、抗生素使用受限以及肠道健康压力等多重挑战。膳食纤维尤其是小麦中含量丰富的阿拉伯木聚糖（arabinoxylan, AX）曾被视为抗营养因子，但现已被认为具有潜在益生元效应。然而，肉鸡仅能代谢约20%至30%的摄入AX，盲肠微生物发酵虽可使其局部利用率提升至55%至59%，但整体纤维利用效率仍有限。内切木聚糖酶（endoxylanase）作为非淀粉多糖水解酶，可切割AX的β-1,4-木聚糖主链，释放可溶性寡糖和低聚糖，从而改善纤维发酵性能与肠道健康。尽管已有研究观察到内切木聚糖酶在回肠和盲肠中的活性，但纤维发酵的改善究竟主要依赖于酶在回肠前段驱动AX溶解、增加可发酵底物进入盲肠，还是酶在盲肠小叶内直接促进纤维发酵，这一问题仍未明确。此外，纤维粒径减小可通过机械破坏增加纤维可及性，但其与内切木聚糖酶的协同效应尚未得到一致证实。因此，本研究旨在通过体外模拟回肠溶解和盲肠发酵，辨析内切木聚糖酶的作用位点以及纤维粒径的影响，为优化肉鸡纤维发酵策略提供理论基础。

**研究内容与主要结论**
研究人员采用商品小麦麸皮，通过超离心研磨和冷冻球磨制备五种不同粒径（29、134、665、908、1312 μm）的麸皮样品，首先在模拟回肠条件（pH 6.5，40°C，1 h）下评估内切木聚糖酶添加和粒径对AX溶解（以水提取阿拉伯木聚糖，WE-AX含量及阿拉伯糖/木糖比A/X为指标）的影响；随后在不同pH（2、4、6、8）下评估酶活性的pH依赖性。接着，研究人员选取未研磨的粗麸（1312 μm）和超离研磨的细麸（134 μm），设置三种内切木聚糖酶处理（不添加、发酵前预处理添加、发酵开始直接添加），利用来自38日龄Ross 308肉鸡盲肠内容物的接种物进行24 h体外发酵，动态测定气体产量、VFA（线性VFA和支链VFA）及乳酸含量。
研究得出以下主要结论：一是内切木聚糖酶在模拟回肠条件下显著增加WE-AX含量并降低A/X比，且随着粒径减小，酶的溶解作用增强，但粒径降至29 μm时未进一步提高；二是酶在pH 4至8范围内活性良好，pH 2时酶作用减弱，但酸性条件本身可促进非酶促AX溶解；三是预处理添加内切木聚糖酶使麸皮在发酵早期（3至6 h）即产生较高气体产量和乳酸含量，而发酵直接添加酶则在24 h后产生最高的气体和VFA产量，表明两种酶处理方式引发不同的发酵动力学；四是细麸皮在6 h后增加气体和线性VFA产量，但24 h后支链VFA产量增加，提示粒径减小可迅速提升纤维可发酵性，但长时间发酵可能伴随非纤维组分的发酵；五是细麸与内切木聚糖酶存在交互作用，尤其影响气体产量和乳酸含量，表明粒径减小可增强酶对纤维的可及性和发酵效率。

**主要技术方法**
本研究采用体外模拟方法，包括模拟回肠孵育和模拟盲肠发酵。核心方法包括：激光衍射粒径分析仪测定麸皮粒径；水提取阿拉伯木聚糖（WE-AX）含量测定采用改良的Englyst和Cummings法，经气相色谱（GC）定量；体外回肠孵育在pH 6.5磷酸盐缓冲液中进行，部分实验调节pH至2、4、6、8；体外盲肠发酵使用来自38日龄Ross 308肉鸡（饲养于KU Leuven实验农场，伦理批准号PL2024.24）的盲肠内容物制备接种物，接种于含Menke缓冲液的发酵瓶中，在40°C厌氧培养24 h，于3、6和24 h测定气体压力、VFA和乳酸含量。

**研究结果**
**（一）体外回肠孵育中阿拉伯木聚糖溶解**
研究发现，麸皮粒径和酶添加存在显著交互效应（P < 0.001）。添加内切木聚糖酶后，所有粒径样品的WE-AX含量均提高3倍以上，且粒径向134 μm减小时酶的额外溶解作用最强，但继续减小至29 μm未进一步增强。无酶条件下，仅29 μm麸皮显著增加WE-AX含量（P = 0.005）。A/X比在添加酶后降低1.5倍，且随粒径减小而下降。
**（二）缓冲液pH的影响**
在pH 4、6和8时，添加酶可使WE-AX含量提高2倍以上（P < 0.050），pH 6时A/X比降低最显著；pH 2时酶作用减弱，但无酶条件下pH 2的WE-AX含量比高pH高1.5倍，表明酸性环境可促进非酶促AX水解。
**（三）体外盲肠发酵中内切木聚糖酶处理的影响**
预处理添加酶在3 h和6 h显著增加气体产量（P = 0.032和0.008），而发酵直接添加酶在24 h后气体产量最高（P < 0.001）。直接添加酶在3 h时增加总支链VFA（P = 0.030）、乳酸（P < 0.001）和异戊酸（P = 0.003），并在6 h时维持较高支链VFA（P = 0.021）。至24 h，直接添加酶显著增加总线性VFA（P = 0.010），而预处理添加酶则降低支链VFA含量（P < 0.001）并提高LVFA/BVFA比（P = 0.039）。
**（四）体外盲肠发酵中麸皮粒径的影响**
细麸在6 h后提高总线性VFA含量（P = 0.041）、乳酸（P < 0.001）和乙酸（P = 0.036）；24 h后细麸增加总支链VFA（P = 0.026）和异戊酸（P = 0.013），并降低LVFA/BVFA比（P = 0.023）。粗、细麸在3 h内无显著差异。
**（五）交互效应**
在3 h时，细麸与发酵直接添加酶组合的乳酸含量最高（P = 0.023），异戊酸含量也有提高趋势（P = 0.060）；6 h时，预处理细麸组合的气体产量和乳酸含量最高（P = 0.017和0.019）。24 h时未观察到显著交互效应。

**讨论总结与结论**
讨论部分指出，内切木聚糖酶在回肠前段的AX溶解作用可为盲肠提供易于发酵的可溶性底物，从而促进早期发酵并减少蛋白质发酵产生的支链VFA；而直接添加酶至盲肠发酵则通过延缓底物释放，实现更持久且更彻底的纤维发酵。麸皮粒径减小可增加酶和微生物的可及性，但过度研磨（29 μm）可能破坏纤维微孔结构，反而不利于酶解。细麸与酶的组合在早期发酵中尤其有效，可能与细菌附着增加有关。体内应用时，细麸不仅更易进入盲肠，还能提高酶解效率，因此将粒径减小与内切木聚糖酶添加相结合，有望最大化盲肠纤维发酵及其对肉鸡健康和生产性能的益处。
结论翻译：本研究揭示了体外回肠和盲肠条件下内切木聚糖酶活性和纤维粒径在纤维溶解与发酵中的作用。体外回肠孵育证实了内切木聚糖酶在回肠pH下对AX的溶解作用，且粒径较小的组分响应更强。在体外发酵前用内切木聚糖酶孵育麸皮，可为盲肠微生物提供富含纤维的快速可发酵底物，通过增加早期气体和线性VFA产量并减少支链VFA产量来改善发酵。这与将内切木聚糖酶直接添加到盲肠体外发酵形成对比，后者仅在24 h后产生最高气体和VFA产量。因此可推测，在体内，内切木聚糖酶驱动的回肠纤维溶解所实现的快速盲肠发酵，以及内切木聚糖酶在盲肠中活性所介导的较慢但持续的发酵性纤维释放，均可有益于纤维发酵。就粒径而言，使用粒径减小的麸皮（134 μm）相比未研磨麸皮（1312 μm）可增加发酵参数，这归因于前者更高的可及性和与酶的相互作用。确保添加的内切木聚糖酶在回肠和盲肠中的活性，并在饲料中添加细纤维组分，有助于最大化盲肠纤维发酵，并最终改善肉鸡的饲料消化率、肠道健康和生产性能。