β-葡聚糖的作用机理

2020/10/24 7:56:57

β-葡聚糖是饲料中重要的抗营养因子,不能被单胃动物自身分泌的消化酶水解。水溶性β-葡聚糖遇水溶胀形成高粘度溶液,使胃肠道食糜粘度增加,阻碍营养物质的释放与扩散,降低消化酶活性,降低营养物质的消化与吸收。在饲料中添加β-葡聚糖酶,可以破解植物细胞壁,降低食糜粘度。提高消化酶活性,促进营养物质的消化与吸收,减少后肠有害微生物发酵,稳定饲料品质,提高饲料利用率,改善动物生产性能。

结构与性质

β-葡聚糖主要存在于大麦胚乳和大麦糊粉层细胞壁中。大麦胚乳细胞壁由75%β-葡聚糖、20%阿拉伯木聚糖和其他一些纤维素、葡甘露聚糖等组成,大麦糊粉层细胞壁中β-葡聚糖占26%,阿拉伯木聚糖占67%。对β-葡聚糖结构化学的研究表明,β-葡聚糖是由超过1200个D-葡萄糖单元通过β-1,3-糖苷键和β-1,4糖苷键混合连接而成的高分子线性葡萄糖聚合物。β-葡聚糖分子中D-葡萄糖单元通过β-1,4糖苷键连接形成许多纤维三糖基和纤维四糖基,这些纤维三糖或纤维四糖再通过β-1,3糖苷键连接,其中β-1,3糖苷键和β-1,4糖苷键分别约占30%和70%。

β-葡聚糖由于分子中存在β-1,3糖苷键,使其内部结构比较松散,使β-葡聚糖部分溶于水,并产生较高的粘性;另一部分β-葡聚糖分子中由于存在连续的β-1,4糖苷键而难溶于水,这与完全由β-1,4糖苷键连接形成的纤维素的结构是不同的。因此β-葡聚糖分为水溶性β-葡聚糖和非水溶性β-葡聚糖。水溶性β-葡聚糖占大多数,其溶解性受分子中β-1,3糖苷键含量和聚合度的影响。β-葡聚糖分子量一般为4.4×104~3.0×106,呈白色。无味无臭,pH值中性,对热稳定,不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂,可溶于稀酸和稀碱溶液。水溶性β-葡聚糖在水中溶解形成高粘性溶液。浓度越高粘度越大。高浓度β-葡聚糖会形成网状结构,吸收其周围的水分子,降低周围环境的流变特性。β-葡聚糖的表层带负电荷,在溶液中极易与带正电荷的营养物质结合。影响营养物质的吸收。β-葡聚糖还能吸附Ca2+、Zn2+、Na+等金属离子,造成这些物质的代谢受阻。

抗营养作用

增加食糜的粘度

β-葡聚糖不能被单胃动物自身分泌的消化酶分解。β-葡聚糖溶于水后,能够保持数倍于自身重量的水分,使食糜呈胶体状态,增加了食糜的粘稠度,减缓了食糜在消化道内的流通速度,降低了畜禽的采食量。β-葡聚糖可与肠道内的的蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等消化酶结合,阻碍这些酶与底物发生反应,降低了消化酶活性。粘度的增加使肠道内食糜机械混合的能力受阻,影响已经消化的养分向肠粘膜的移动,降低营养物质的消化吸收率。

阻碍营养物质的释放

β-葡聚糖属于植物细胞壁中的结构性非淀粉多糖。β-葡聚糖与纤维素、半纤维素、木质素和少量的伸展蛋白通过共价键或次级键相互交联在一起,将大分子的营养物质牢牢包裹在植物细胞壁内,在营养物质与消化酶之间形成一道物理屏障,阻碍营养物质与消化酶的接触,降低饲料的利用率

改变肠道微生物菌群

饲料养分消化率的降低将导致营养物质在肠道内蓄积,富含养分的食糜是细菌理想的培养基。食糜通过消化道速度的降低,为细菌特别是致病菌的繁殖提供了有利条件。大量有害微生物的增殖,会使肠道微生物菌群失调,刺激肠道粘膜层增厚,损害微绒毛,使动物腹泻率增加,影响动物健康。甚至抑制动物生长。

作用机理

β-葡聚糖酶是指能够水解β-葡聚糖中的β-1,3糖苷键和β-1,4糖苷键,生成低聚糖、寡糖和少量葡萄糖,使之失去亲水性和粘性的一类酶的总称。β-葡聚糖酶主要包括β-1,3-1,4-葡聚糖酶,内切和外切β-1,3-葡聚糖酶,内切和外切β-1,4-葡聚糖酶。有关这些酶对β-葡聚糖确切的作用位点尚未见系统详细的报道。内切酶主要从分子链内部随机地将β-葡聚糖的长链切割成短链,可以明显降低β-葡聚糖的粘度;外切酶则从非还原性末端将β-葡聚糖逐次切下一个葡萄糖,对β-葡聚糖粘度的影响较少。

饲料工业中应用的主要是内切β-葡聚糖酶。β-葡聚糖酶来源广泛,植物和微生物都能产β-葡聚糖酶。饲料中使用的主要是微生物来源的β-葡聚糖酶。细菌和真菌都能发酵产β-葡聚糖酶,饲料工业研究和应用较多的产酶菌是真菌。目前饲料中普遍使用的是由里氏木酶经过液体深层发酵生产的β-葡聚糖酶,发酵活力较高,国内尚没有通过固态发酵方式生产的β-葡聚糖酶商品化产品销售。该酶最适作用温度为45℃~55℃ ,最适作用pH 5.5。β-葡聚糖酶水解时绝对要求其底物具有邻接的β-1,3糖苷键和β-1,4糖苷键,只水解邻接β-1,3糖苷键的β-1,4糖苷键。β-葡聚糖的主要结构型式为G4G3G4G4G4G3G4G4G3G4.red(G代表β-葡萄糖残基,数字3、4代表β-1,3糖苷键和β-1,4糖苷键,red 代表还原性末端),独特的G4G4G3G4.red和G4G3G.red是水解的主要低聚产物。β-葡聚糖酶的作用机理主要包括以下几个方面。

降低食糜粘度,提高消化酶活性

β-葡聚糖是引起肠道食糜粘度增加的重要抗营养因子。β-葡聚糖酶可将大分子的β-葡聚糖降解为聚合度较小且粘度效应较低的低聚糖和寡糖。从而降低食糜的粘度和改善动物生长性能。粘度降低能使食糜以较快的速率推人消化道后段,增加动物采食量;同时提高食糜与消化酶的混合速率,增加营养物质与消化酶的接触机会,提高消化酶活性,提高营养物质的消化吸收。

破解植物细胞壁,促进营养物质的释放

植物细胞壁结构复杂,许多植物性饲料原料即使经过粉碎加工处理,仍不能完全破坏细胞壁结构的完整性。β-葡聚糖是构成植物细胞壁的主要成分之一,与细胞壁其他物质共同形成一道物理屏障。阻碍细胞内营养物质的释放。包裹在细胞壁内的部分营养物质由于不能与消化酶接触而无法被完全消化利用。β-葡聚糖酶能够有效降解植物细胞壁,打破物理屏障,促进细胞壁内营养物质的释放。在β-葡聚糖酶的作用下,大分子营养物质从被打碎的细胞中释放出来,更多的营养物质得以与消化酶作用,提高了饲料的消化率。

改善肠道微生物菌群,增进动物健康

粘度的降低使营养物质在小肠段消化和吸收更完全,减少了消化道后段有害微生物可利用的养分量,降低后肠有害微生物的增殖和发酵,减少粘粪产生,降低养殖环境污染,增进动物健康。

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