纖維素酶協(xié)同作用研究概況

程時軍，付大波，張 偉

（武漢新華揚生物股份有限公司，武漢 430074）

纖維素是植物細胞結構性多糖的重要組分，占植物生物活性物質約40%，其維持植物完整性的特性在一定程度上對單胃動物來說是一種抗營養(yǎng)因子[1]。纖維素能被纖維素酶消化為可溶性單糖，而微生物能產(chǎn)生3種主要的纖維素酶（內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡糖苷酶），故纖維素是反芻動物的主要營養(yǎng)素來源。由于單胃動物有別于反芻動物的消化生理，一般通過外源添加纖維素酶來提高植物性飼料的利用率。

近些年來，隨著飼料行業(yè)及生物酶制劑的迅猛發(fā)展，纖維素酶在飼料工業(yè)中發(fā)揮了重要作用。本文就纖維素酶的相關性質和及其與其他酶的協(xié)同作用作一簡介，以期為更好的使用纖維素酶提供參考。

1 纖維素

纖維素是由葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵鏈接而成的線狀結構分子，具有簡單的初級和復雜的三級結構，其重復單位是纖維二糖，纖維素鏈的聚合度（葡萄糖殘基數(shù)）為500～14 000不等[2]。

纖維素可作為反芻動物的主要營養(yǎng)素來源，促進胃腸道正常蠕動、消化液的分泌、填充胃腸道并給動物以“飽腹感”，但纖維素能包裹營養(yǎng)成分，阻礙營養(yǎng)物質的消化、吸收及增加內源氮的損失，非淀粉多糖（NSP）酶制劑可降低這種負面效果[3-4]。

2 纖維素酶

纖維素酶最早由Seilliere于1906年研究發(fā)現(xiàn)，我國約從20世紀70年代開始纖維素酶的研究，且已被正式批準為飼料添加劑在動物生產(chǎn)中應用。不同來源的纖維素酶理化性質不相同，纖維素酶分子一般由球狀的催化結構域（CD）、連接橋（Linker）和纖維素結合結構域（CBD）3部分組成。纖維素酶是由葡聚糖內切酶（endo-1,4-β-D-glucanases）、葡聚糖外切酶（exo-1,4-β-D-glucanases，又稱纖維二糖水解酶，cellobiohydrolases）和 β-葡萄糖苷酶（β-1,4-glucosidases）3種水解酶組成的一個復雜酶系，其簡要作用模式見附表。

附表 纖維素酶的簡要作用模式

纖維素酶中單酶系的作用機理與溶菌酶類似，遵循雙置換機理，其復合體水解纖維素的精確機制目前也還不清楚，但有一點已有報道，復雜多酶復合體的四級結構是其發(fā)揮作用的關鍵，并且取決于葡聚糖內切酶的協(xié)同作用和復合酶與底物表面的聚集作用[4]。但該酶系的作用順序不是絕對的，各種酶的功能也不能簡單固定。

3 纖維素酶的協(xié)同作用研究

近些年來，纖維素酶在畜牧業(yè)中作為飼料添加劑提高動物生產(chǎn)性能、對青貯和草料預處理及谷物脫殼等方面得到了廣泛應用，且效果明顯[2,5-6]。兩個或更多酶的有效復合，其作用效果好于單一添加其中一種酶的作用，這種現(xiàn)象就是酶制劑的協(xié)同作用。對纖維素酶來講分為纖維素酶系內的協(xié)同增效和纖維素酶與其他酶的協(xié)同增效。

3.1 纖維素酶系內的協(xié)同作用

有研究人員在水解纖維素的過程中，首次證實了不同纖維素酶間的協(xié)同增效作用，類似的研究同樣驗證了在晶體纖維素的溶解過程中內切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的協(xié)同作用[7－9]。外切酶作用于不溶性纖維表面，使纖維素長分子鏈開裂，分子末端發(fā)生游離，從而使纖維素易于水化，內切酶則作用于經(jīng)外切酶活化的纖維素，分解其β-1,4鍵，產(chǎn)生短鏈低聚糖，β-葡聚糖酶再將短鏈低聚糖如纖維二糖、三糖等分解成葡萄糖。這種協(xié)同作用是由這兩類酶的不同立體空間結構所致，也有報道稱這些協(xié)同作用源于CBHs和內切葡聚糖酶對纖維素的強吸附作用[8]。纖維素酶系內的其他酶的協(xié)同作用也有報道[8,10]。

3.2 纖維素酶與其他酶的協(xié)同作用

纖維素酶與其他酶的協(xié)同作用在飼料行業(yè)中的應用研究國外早有報道。Meng等通過肉雞體內試驗驗證，碳水化合物水解酶的組合可進一步提升酶的作用效力，不同酶的組合可更有效水解NSPs，降低腸道黏度，進而提升養(yǎng)分利用率和肉雞增重、氮校正表觀代謝能（AMEn）、淀粉和蛋白表觀回腸消化率以及 NSP 的消化率（P＜0.05）[11]。

豆粕中近一半的NSP是果膠，其包裹了近10%（DM基礎）的蛋白質，半乳糖醛酸是果膠酶降解果膠效果的指標[12]。Tahir等在肉雞玉米-豆粕型日糧中使用不同組合的酶，研究結果表明，混合酶能更有效的降解細胞壁，提高蛋白質消化率，并暗示半纖維素酶是細胞壁降解的限制性因子。纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶的協(xié)同作用顯著（P＜0.05），蛋白質消化率提高了13.4%（P＜0.05），干物質消化率也顯著提高（P＜0.05），該項研究還表明，對于蛋白質消化率，蛋白質與酶的交互作用達到了顯著水平（P＜0.05）。由于這些酶的協(xié)同作用，蛋白質消化率得到提升，使得15～27 d肉雞日糧配方蛋白水平從21%降到19%而不影響肉雞生產(chǎn)性能，這些結論對指導實際生產(chǎn)意義重大[13]。

4 小結

除用作動物飼料添加劑外，纖維素酶還廣泛應用于食品、造紙、紡織、再生能源等行業(yè)中。世界多國已經(jīng)把纖維素酶在再生能源研制中的應用提升到國家戰(zhàn)略高度，如何生產(chǎn)更適合動物消化道內環(huán)境發(fā)揮活力的纖維素酶、纖維素酶的添加方式及對不同種類階段動物消化道酶系的影響、添加纖維素酶后飼料原料營養(yǎng)價值的提升等都是目前亟待研究解決的問題。此外，有關混合酶制劑（纖維素酶和其他酶如木聚糖酶、蛋白酶等）的協(xié)同效果研究，建立相關數(shù)據(jù)庫和模型并應用于實際生產(chǎn)等都值得深入探討，相信纖維素酶的研究應用會極大的推動飼料酶制劑的發(fā)展，其社會效益也越加顯著。

[1]Ladisch M R,Lin K W,Voloch M.et al.Process considerations in the enzymatic hydrolysis of biomass[J].Enzyme Microbial Technology,1983（2）:82-100.

[2]Marx-Figini M,Schulz G V.Zur biosynthese der cellulose[J].Naturwissenschaften,1966,53（18）:466-474.

[3]Yin Y L,McEvoy J D G,Schulze H,et al.Apparent digestibility（ileal and overall）of nutrients and endogenous nitrogen losses in growing pigs fed wheat（var.Soissons）or its by-products without or with xylanase supplementation[J].Livest Prod Sci,2000,62（2）:119-132.

[4]Begum P,Lemaire M.The cellulosome:an exocellular,multipro tein complex specialized in cellulose degradation[J].Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology,1996,31（3）:201-236.

[5]王安.纖維素復合酶在飼料中的作用及其應用的研究[J].東北農業(yè)大學學報,1998,29（3）:236-251.

[6]Lewis G E,Hunt C W,Sanchez WK,et al.Effect of direct-fed fibrolytic enzymes on the digestive characteristics of a for agebased diet fed to beef steers[J].Journal of animal Science 1996,74（12）:3 020-3 028.

[7]Wood T M.Preparation of crystalline,amorphous,and dyed cellulase substrates[M].In:Wood,W.A.and Kellogg,S.T.（eds）Methods in Enzymology,London:Academic Press,1988.

[8]Klyosov A.Trends in biochemistry and enzymology of cellulose degradation[J].Biochemistry 1990,29:10 577-10 585.

[9]Bhat S,Goodenough P W,Bhat M K,et al.Isolation of four ma-jor subunits from Clostridium thermocellum cel1ulosome and their synergism in the hydrolysis of crystalline cellulose[J].International Journal of biological Macromolecules,1994,16（6）:335-342.

[10]Wong K Y K,Tan L U L,Saddler J N.Functional interactions among three xylanases from trichoderma harzianum[J].Enzyme and Microbial Technology,1986（10）:617-622.

[11]Meng X,Slominski B A,Nyachoti C M,et al.Degradation of cell wall polysaccharides by combinations of carbohydrase enzymes and their effect on nutrient utilization and broiler chicken performance[J].Poultry Science,2005,84（1）:37-47.

[12]Chesson A.Non-starch polysaccharide degrading enzymes in poultry diets:Infuence of ingredients on the selection of activities[J].World′s Poult Sci,2001,57:251-263.

[13]Tahir M,Saleh F,Ohtsuka A,et al.An effective combination of carbohydrases that enables reduction of dietary protein in broilers:importance of hemicellulase[J].Poultry Science,2008,87:713-718.