28年专注,新型饲料原料供应、服务商让营养更简单  让养殖更赚钱  让食品更安全

全国咨询热线: 4008886907 13176676855
协会动态

猪和肉鸡胃肠道中植酸降解模式的最新研究进展(上)

返回列表 来源: 发布日期: 2020.07.03

所有生物的存活都依赖于磷酸盐的连续供应。研究人员已经估测了畜禽所需的磷(Phosphorus,P)量,多个科学委员会公布了猪和家禽的日粮建议(GfE,1999,2006;NRC,1994,2012;Rostagno,2011)。顺着该食物链的磷供应可以通过使用肥料和饲料磷酸盐来维持,而饲料磷酸盐在很大程度上是由岩石磷酸盐产生的。Cordell等(2009)认为,全球的磷矿储量有限,且可能会在一个世纪内耗尽。这种有限,加上这些储备仅在少数国家中积累,被认为是可持续食品生产面临的最大挑战之一(Gross,2010;Neset和Cordell,2012)。特别是在农场动物领域,要应对这些挑战有两种主要途径:第一,探索减少饲料磷酸盐使用量的可能性;第二,提高非反刍动物饲养中植酸酶添加剂的功效(Rodehuts,2008)。这些挑战与植酸(肌醇1,2,3,4,5,6-六磷酸二氢;InsP6)及其盐(植酸盐)有关,并且已经开始增加有关猪和家禽胃肠道中具有不同程度磷酸化作用(InsPx)的肌醇磷酸盐的存在和作用的研究。在此文献中,我们将讨论InsP6的降解程度和包括影响因素在内的磷酸化程度较低的InsPx的出现。
1 饲料中的肌醇磷酸盐

在植物种子中,InsP6是P的主要存储形式(Eeckhout和De Paepe,1994;Ravindran等,1994;Rodehutscord等,2016)。这与植物种子及其加工产品(例如大豆和油菜籽制成的油籽粕)在动物饲料中的主导作用一起使InsP6成为猪和家禽日粮中最重要的有机磷来源。猪和家禽日粮含有大约0.2%~0.3%的InsP6-P,具体含量取决于所用的原料及其生长和加工条件。值得注意的是,在一种饲料原料中,InsP6的浓度存在很大的差异。研究人员在这方面已经对不同基因型的谷粒进行了广泛的研究(图1),但是土壤类型或诸如施肥等农艺细节也影响植物种子中的InsP6含五磷酸肌醇(Inositol pentakisphosphates,InsP5)和其他InsPx被发现仅以临界含量存在于谷物中(Rodehutscord等,2016)。然而,在油饼粉中,尤其是菜籽粕中,总InsP-P量中高达三分之一作为InsP5-P被包含(Pontoppidan等,2007)。这说明在含油种子的热加工过程中可能会发生InsP6的降解。尚不清楚饲料中不同比例的InsP5异构体是否与动物消化道中肌醇环释放磷效率上的差异有关。也不能确定全价日粮的技术加工处理(如制粒或挤压)是否能够调节日粮中的InsPx组成模式。Schlemmer等(2001)观察到大麦、菜籽饼和豌豆型日粮在制粒后InsP6的含量减少7%(Skoglund等,1997),并且大麦、小麦、黑麦和大豆粕型日粮的挤压加工会对日粮中的InsP6产生轻微影响(marginal effects),并会降低InsPx的含量。                     

研究人员在对饲料(无论什么原因)中存在的各种InsPx观察后发现需要考虑用于InsP6或植酸分析的分析方法。可以使用的检测方法有多种,并且可能能够检测或不能检测InsP6以外的磷酸肌醇。

动物对InsP6和下级InsPx中P的利用需要从肌醇环中逐步地裂解磷酸基团。这种水解是由植酸酶(Sandberg和And.,2002)和其他磷酸酶催化的。植酸酶对InsP6没有特异性,可以进一步催化下级InsPx的水解。下级InsPx也可以被其他不能水解InsP6的磷酸酶催化。裂解的结果是产生作为中间产物且具有不同程度磷酸化作用的InsPx,也可能会产生作为最终产物的肌醇。自然界已经为不同生物制定了在不同条件下从InsP6中裂解磷酸盐的特定策略(Mullaney和Ullah,2007)。因此,“植酸酶”是指一组在催化特性、结构、大小和来源上不同的酶(Mullaney和Ullah,2003)。它们的活性会导致在动物消化道中出现各种InsPx,我们将在本章的后续部分进行考虑。


2  猪和家禽消化道中InsP6的消失

2.1 猪

研究人员在对使用以玉米和大豆粕为主要原料且带有低水平植物内源性植酸酶的日粮饲喂的猪进行研究后发现,猪肠道内InsP6的分解存在差异(表1):InsP6在十二指肠中消失7%~22%,在回肠中消失9%~60%,只有一项研究达到回肠中的值或超过40%(Baumgertel等,2008;Jongbloed等,1992;Kemme等,1999,2006;Rapp等,2001;Rutherfurd等,2014)。日粮中不同含量的钙(Ca)和P很可能促成了这种变化。造成InsP6消失出现差异的其他原因可能是InsPx的分析方法、原料组成、配伍时间和动物年龄(Dersjant-Li等,2015)以及饲喂后的取样时间(Blaabjerg等,2011)、样本取出部位的精确度和样本处理。在含有一些麦麸的玉米-豆粕型日粮中,大约三分之一的InsP6在猪的胃中被水解,然而小肠中发生的任何进一步的水解都不相关(图2;Rutherfurd等,2014)。然而,胃内InsP6的降解在很大程度上取决于日粮中植酸酶的活性。在Schlemmer等(2001)的一项研究中,饲料中植酸酶的活性因挤压失活,导致了猪胃中仅16%的InsP以InsP2~InsP5的形式出现。此外,InsP6的降解取决于在胃中的通过率,与直接在饲喂后测量的结果相比,饲喂后5 h仍有73%的InsP6通过胃(Blaabjerg等,2011)。  

且不论在回肠末端中测得的InsP6消失幅度,猪回肠后消失的InsP6幅度几乎是全部(Baumgertel等,2008;Sandberg等,1993;Schlemmer等,2001;Seynaeve等,2000)。由于回肠之后磷的吸收似乎并没有重大关系,因此后肠中InsP6释放的磷酸盐仍然不可被动物利用。因此,根据标准规程和使用糊状饲料测定(GfE,1994)的猪对磷的消化率在植酸酶含量低的饲料原料如玉米或油籽粕中几乎不会超过30%(Düngelhoef等,1994;Rodehutscord等,1996),而在大麦、小黑麦、黑麦和小麦中分别为45%、52%、68%~73%和43%~74%(Düngelhoef等,1994年;Hovenjürgen等,2003年;Rodehutscord等,1996年),所有谷物已知含有活性植物内源性植酸酶。

2.2 家禽

与猪相比,研究人员对肉鸡进行了多项研究,结果发现早分解(precaecal,pc)出的InsP6消失率介于62%~89%之间(表2)。所有这些研究都使用了主要基于玉米和豆粕的日粮,因此植物内源性植酸酶的活性非常低。此外,没有一项研究使用含有任何矿物质磷添加剂的日粮,并且所有日粮含有的Ca都很低。这个因素组合是一种相对的人造情况,并不代表实际类型的日粮。然而,这证明了具有很高生物学潜力的肉鸡必须在肉鸡消化道中水解InsP6。

 

当使用来自饲喂玉米-豆粕型日粮的产蛋母鸡肠道中的食糜时,Marounek等(2008)观察到植酸钠在体外被大量分解,特别是在使用盲肠内容物时。在肉鸡的嗉囊中,当饲喂的日粮不含植酸酶时,InsP6的消失率非常低(图2)。然而,食糜在通过前胃/肌胃的酸性环境之后,研究人员在十二指肠/空肠中测得的InsP6消失率达到50%以上。随着食糜通过回肠末段InsP6的消失率进一步提高,肉鸡盲肠中的消失率达到90%左右。值得注意的是,InsP6在肉鸡消化道中的这些高水平消失率是在日粮不含植物内源性植酸酶或未补充植酸酶的情况下出现的。

 


3  植酸酶的作用

3.1 内源性黏膜植酸酶的作用

当饲料缺乏InsP6降解酶时,InsP6在动物消化道中的消失需要对其他酶源对InsP6水解的潜在贡献进行讨论。虽然人们通常假设动物不会在其肠上皮中产生内源性植酸酶,但是越来越多的证据表明这种假设是不正确的。

有关猪的肠道上皮植酸酶相关性的信息比家禽的更少。一项研究报告了仔猪的黏膜的水解酶在体外对InsP3、InsP4、InsP5和InsP6的水解酶活性,并且酶在从空肠中获得的黏膜上表现出的活性要高于在十二指肠和回肠上的(Hu等,1996)。在家禽中,研究主要针对肉鸡,但利用产蛋母鸡进行的研究显示了在使用来自小肠不同部分的纯化的刷状边界膜囊泡时一些植酸酶的活性(Huber等,2015;Maenz和Classen,1998;Onyango等,2006)。Maenz和Classen(1998)发现肠道上皮植酸酶(Epithelial phytase)的活性在十二指肠制剂中最高而在小肠的较后段制剂中下降。一些证据表明,在肠腔含有较高浓度的无机磷酸盐(Pi)时,肠道上皮植酸酶的分泌减少(Huber等,2015)。Applegate等(2003)发现,与含0.4%钙的日粮相比,当Ca含量为0.9%时上皮植酸酶的分泌量也减少了。然而,据说内源性植酸酶分泌的调节没有得到充分的检测,并且这个时候研究人员并没有评估内源性植酸酶对肠InsP6分解的定量贡献(Huber等,2015)。由于它们的位置,刷状边界膜相关植酸酶可能只与发生在肠腔中的水解具有有限的相关性。此外,内源酶在消化道内的环境中可能比在充分标准化的体外试验条件下表现出不同的特性。在用含不同添加水平的无机磷酸盐和植酸酶(Zeller等,2015c)的日粮饲喂后,肉鸡十二指肠/空肠中InsP6分解的程度与同行研究中测得的内源性上皮植酸酶活性无关(Huber等,2015)。在三项使用不同的日粮钙和维生素D 3组合以及不同肉鸡品系的实验中(Applegate等,2003),研究人员在一个实验中观察到了pc InsP6消失与肉鸡肠道刷状边缘膜囊泡的植酸酶活性的Vmax之间有显著的相关性,然而未在另外两项实验中没有观察到这种关系。因此,尽管此实验清楚地表明肠道刷状边界膜小泡存在显著的酶活性,但在消化道内腔的复杂情况中,其与InsPx降解的定量相关性仍需要阐明。

3.2  内源性微生物植酸酶的作用

动物肠道腔内活性植酸酶的另一个潜在来源是定植在动物消化道中的微生物。关于猪,Humer等(2015)观察到胃和肠内腔中的植酸酶活性可以忽略不计。同样,在大肠附近,由猪胃肠道中的微生物植酸酶产生的InsP-P的植酸水解和释放程度也是至关重要的(Pagano等,2007;Selle和Ravindran,2008)。在给猪饲喂无植酸酶的日粮后研究植酸酶沿着猪胃肠道的活性时,Pagano等(2007)发现酶在结肠中有高水平的活性,但在肠道前段没有高水平的活性。相应地,Schlemmer等(2001)和Seynaeve等(2000)已经发现InsP6在猪回肠后大量消失。由于磷的吸收主要发生在小肠的上端,所以在结肠内分裂的InsP6-P与提供给猪的磷无关。Kerr等(2000)发现,与传统的非限菌肉鸡相比,限菌肉鸡盲肠内容物中的InsP6含量显著高于常规肉鸡中的。在产蛋母鸡中,盲肠内容物中的特定植酸酶在活性上比来自嗉囊、胃和小肠内容物中的植酸酶高10倍以上(Marounek等,2010)。这些结果表明微生物显著参与了肠道内InsP6分解过程。体外研究已经显示了各种细菌对InsP6降解的活性(Konietzny和Greiner,2002;Vats和Banerjee,2004)。此外,Raghavendra和Halami(2009)将从鸡肠中分离到的产乳酸细菌鉴定为潜在的InsP6降解候选菌。在肉鸡小肠中的细菌中,乳酸杆菌是最常见的一种(Rehman等,2007)。有趣的是,肉鸡在喂给添加了乳酸杆菌的日粮后,体内磷的沉积量增加(Angel等,2005)。当使用深测序技术时,Witzig等(2015)最近发现乳杆菌是肉鸡嗉囊和小肠中的主要细菌,但是在小肠和嗉囊中乳杆菌的菌型不同。除了优势菌型之外,研究人员在类杆菌属、伯克霍尔德菌属和三种双歧杆菌属中鉴定了InsP6磷酸酶的基因,这些细菌都存在于鸡的消化道中(Stentz等,2014;Tamayo-Ramos等,2012)。这有力地支持了鸡肠道微生物对InsP6分解有贡献的假设。然而,对于上皮植酸酶,研究人员目前还不能定量分析微生物植酸酶的定量相关性。

也许嗉囊微生物群对InsP6在消化道后端的降解很重要。乳酸杆菌能够在消化道后端定植并产生酶。水合作用和温度有利于细菌的生长和酶的活性增强(Svihus等,2002)。食糜在嗉囊中的短时间滞留可能会导致酶在嗉囊中产生,并主要在消化道随后片段特别是肌胃中活动。随后,在小肠中,来自肠道上皮的额外的植酸酶和其他磷酸酶参与进来,所有这些酶一起促使InsP6的消失(图2)。这种假说仍然需要在进一步的实验中检验,但是该假说可以扩展到猪消化道中缺少“预发酵”片断,这是观察到InsP6在猪和家禽消化道中的消失上存在差异的原因。

肉鸡盲肠中的微生物群种具有很大的多样性,包括已知能够分解InsP6的细菌菌种(Rehman等,2007;Witzig等,2015)。相应地,Marounek等(2008)指出,在饲喂玉米-豆粕型日粮后,产蛋母鸡盲肠中植酸酶的活性远高于消化道前段中的。限菌肉鸡粪便中InsP6的含量高于常规肉仔鸡盲肠粪便中的(Kerr等,2000)。这表明微生物对盲肠中InsP6的分解有很大的影响。事实上,当日粮不含植酸酶时,只有不到10%的InsP6在肉鸡盲肠中会被回收(Zeller等,2015b)。然而,盲肠中InsP6水解与肉鸡的相关性尚不清楚。基于Son等(2002)的研究结果,作为近似值,我们可以假定不超过四分之一的回肠食糜会进入盲肠用于发酵。回肠后吸收的P尚未见报道。因此,盲肠中InsPx释放出的P以磷酸盐形式排出或以其他形式结合被分泌出。在猪上,粪便中InsP6较低的回收率以及pc InsP6相对少的消失也表明在消化道的回肠后隔室中发生大量的微生物InsP6降解。


4  植物植酸酶活性的相关性

Eeckhout和De Paepe(1994)和Rodehutscord等(2016)指出,某些植物种子和饲料含有固有的植酸酶。小麦、黑麦、黑小麦等谷物含有较高的内源植酸酶,然而豆科作物种子含有较低的内在植酸酶。人们很难在油籽和玉米中检测到植酸酶。内在植物植酸酶——假设它在饲料加工过程中没有失活——原则上可以促进InsP6在动物消化道中的降解。同样,InsP6水解的相关性差异似乎存在于猪和肉鸡之间。

【相关推荐】

咨询热线

4008886907 13176676855