纖維素酶在反芻動(dòng)物飼料中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉大森，鞠 濤，楊 方，王 燕

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150030；2.河北科技師范學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

纖維素在植物體中的含量最多，約占植物干重的1/2，是自然界數(shù)量最大的可再生自然資源。纖維素是由2 000～10 000個(gè)葡萄糖分子組成的長(zhǎng)鏈大分子，除反芻動(dòng)物借瘤胃微生物可以利用纖維素外，其他高等動(dòng)物幾乎不能消化和利用纖維素[1]，飼料資源匱乏阻礙了我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展，因此，成功開(kāi)發(fā)這一潛在飼料資源顯得尤為迫切和重要。纖維素酶作為一種綠色飼料添加劑，能將飼料中的纖維素降解成可消化吸收的還原糖（如：二糖或葡萄糖），提高飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。目前，纖維素酶在反芻動(dòng)物生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好的生產(chǎn)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

本文從纖維素酶的分類、作用機(jī)理和在反芻動(dòng)物中的應(yīng)用現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了論述，以期為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

1 纖維素酶的分類和來(lái)源

1.1 纖維素酶的種類

纖維素酶包括多種水解酶，纖維素酶是指能降解纖維素的一類酶的總稱。是由多種水解酶組成的復(fù)雜酶系，主要來(lái)自于真菌和細(xì)菌。根據(jù)纖維素酶的不同功能，可分為三大類:內(nèi)切纖維素酶、外切纖維素酶和β-葡萄糖苷酶。還有分解纖維素的其他酶類，如木聚糖酶（Xylase）和果膠酶。

1.1.1 葡聚糖內(nèi)切酶

又稱為C1酶，這類酶作用于纖維素內(nèi)部的非結(jié)晶區(qū)，隨機(jī)水解β-1，4-糖苷鍵，將長(zhǎng)鏈纖維素分子截短，產(chǎn)生大量帶非還原性末端的小分子纖維素。葡聚糖內(nèi)切酶相對(duì)分子質(zhì)量介于23～146 ku，如真菌的異構(gòu)酶EGI為54 ku，EGIII約為49.8 ku，而纖維粘菌EG有兩種菌的內(nèi)切酶相對(duì)分子質(zhì)量只有6.3 ku。

1.1.2 葡聚糖外切酶

這類酶作用于纖維素線狀分子末端，水解1，4-β-D糖苷鍵，每次切下1個(gè)纖維二糖分子，故又稱為纖維二糖水解酶[2]（Cellobio-hydrolase，CBH），外切酶的相對(duì)分子質(zhì)量介于38～18 ku，如木酶的CBH有2種異構(gòu)酶，CBHI相對(duì)分子質(zhì)量約為66 ku，CBHII約為53 ku。

1.1.3 β-葡萄糖苷酶

這類酶一般將纖維二糖和短鏈的纖維寡糖水解生成葡萄糖分子，一般不直接作用于纖維素分子，β-葡萄糖苷酶相對(duì)分子質(zhì)量約為76 ku。內(nèi)切酶首先切割纖維素鏈?zhǔn)贡┞冻瞿┒耍缓笸馇忻高B續(xù)切割纖維二糖單位，而β-葡萄糖苷酶通過(guò)水解纖維二糖或纖維糊精完成協(xié)同反應(yīng)全過(guò)程[3]。

1.2 纖維素酶的來(lái)源

纖維素酶按其來(lái)源主要有微生物來(lái)源[4]，動(dòng)物性來(lái)源和生物工程來(lái)源。

1.2.1 微生物來(lái)源

能分泌產(chǎn)生纖維素酶的微生物主要有霉菌、擔(dān)子菌等真菌、也包括少量細(xì)菌、放線菌，人們研究的纖維素酶主要來(lái)自絲狀真菌，如綠色木霉、李氏木霉、根霉、青霉等、其中木霉應(yīng)用最為廣泛。絲狀真菌能產(chǎn)生大量的纖維素酶（20 g·L-1），其中尤以木酶屬的產(chǎn)量最高[5]。

真菌產(chǎn)生的纖維素酶三類酶都有、能分泌到菌體外、一般、但相互間發(fā)生強(qiáng)烈的協(xié)同作用不聚集形成多酶復(fù)合體。而細(xì)菌分泌的纖維素酶量少（低于0.1 g·L-1），而且產(chǎn)生的酶會(huì)吸附于細(xì)胞壁上難以分離、故很少用細(xì)菌作纖維素酶的產(chǎn)生菌種[6]。

1.2.2 動(dòng)物性來(lái)源

反芻動(dòng)物依靠瘤胃微生物消化飼料中的纖維物質(zhì)因此可以利用瘤胃液獲得纖維素酶的粗酶制劑。在瘤胃微生態(tài)體系中，主要的纖維分解菌有產(chǎn)琉拍酸擬桿菌、黃化瘤胃球菌、和白色瘤胃球菌，溶纖維丁酸弧菌也可產(chǎn)生纖維素酶[7]。

1.2.3 生物工程來(lái)源

生物技術(shù)的發(fā)展，使飼用纖維素酶有了新的來(lái)源。迄今，人們已從四十多種細(xì)菌和數(shù)種真菌中克隆纖維素酶基因，其中一些纖維素酶基因已在大腸桿菌和酵母在得到表達(dá)[8]。

2 纖維素酶的營(yíng)養(yǎng)機(jī)理

2.1 摧毀植物細(xì)胞壁，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)能很好地被吸收利用

細(xì)胞內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)由細(xì)胞壁包裹，植物細(xì)胞壁主要是由纖維素、半纖維素和果膠組成，纖維素酶與半纖維素酶、果膠酶共同作用，以破壞植物的細(xì)胞壁，使胞內(nèi)原生質(zhì)暴露出來(lái)，由內(nèi)源酶進(jìn)一步降解，提高了胞內(nèi)物質(zhì)的消化率，由纖維素酶半纖維素酶和果膠酶的協(xié)同作用，可有效破壞植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)使細(xì)胞內(nèi)容物溶解釋放出來(lái)，由淀粉酶和蛋白酶進(jìn)一步降解[9]，纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被打亂導(dǎo)致變形，使纖維素酶能深入纖維素分子界面之間，從而使纖維素孔壁、腔壁和微裂隙壁的壓力增大。Savory用14C標(biāo)記單糖研究外源酶對(duì)飼料中植物細(xì)胞壁的降解作用，認(rèn)為從纖維素中釋放出的葡萄糖可能是酶降解細(xì)胞壁而促進(jìn)能量利用的方式[10]。韓東等在電子顯微鏡下觀察到纖維素酶使部分細(xì)胞因胞間層的分解而離散，結(jié)構(gòu)規(guī)則的細(xì)胞破解，用DNS法測(cè)定酶解后鼓皮中還原糖的含量，是未酶解前的兩倍左右[11]。水分子的介入又使纖維素分子之間的氫鍵被破壞，產(chǎn)生部分可溶性的纖維的微結(jié)品，利于進(jìn)一步降解。

2.2 可補(bǔ)充草食動(dòng)物內(nèi)源酶的不足

在草食動(dòng)物胃中雖有一定量的能分解纖維素的微生物存在，可以分解一定量的纖維素，但產(chǎn)生的纖維素酶量有限，使粗纖維的消化吸收受到限制。添加纖維素酶后，動(dòng)物消化道酶系的組成、酶分泌量及活性可以得到改善，并改善消化道環(huán)境，增加酸度，激活胃蛋白酶。幼齡動(dòng)物及病態(tài)和應(yīng)激狀態(tài)（如斷奶、接種疫苗和環(huán)境應(yīng)激）下的成年畜禽消化酶分泌量明顯下降，因此，在日糧中添加纖維素酶以補(bǔ)充幼齡動(dòng)物消化酶的不足[12]。錢(qián)利純也認(rèn)為日糧中添加適宜的外源酶制劑可使胃腸道內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化，使腸壁變薄并減少腸道微生物數(shù)量，改善營(yíng)養(yǎng)吸收[13]。牛雪佳等通過(guò)研究不同水平纖維素酶對(duì)綿羊血液中生化指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明日糧中添加0.2%纖維素酶沒(méi)有損害綿羊各組織器官[14]。

2.3 消除抗?fàn)I養(yǎng)因子

果膠、半纖維素、葡聚糖和戊聚糖部分溶解在水中產(chǎn)生黏性，增加了動(dòng)物胃腸道內(nèi)容物的黏度，對(duì)內(nèi)源酶而言是一個(gè)物理障礙，導(dǎo)致飼料消化吸收利用率降低，同時(shí)黏稠的消化道內(nèi)容物容易引起有害微生物的滋生，增加胃腸疾病的發(fā)生率。添加纖維素酶可減低黏稠度，促進(jìn)內(nèi)源酶的擴(kuò)散，增強(qiáng)養(yǎng)分的消化吸收，增大腸道內(nèi)容物的流動(dòng)性，有效降低有害微生物附著生長(zhǎng)的可能性。在非淀粉多糖含量比較多的飼料中，添加多糖降解酶不僅可以將非淀粉多糖轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)還消除其抗?fàn)I養(yǎng)作用[15]。秸稈青貯添木聚糖酶是其中較為重要的一種酶。首先，它可以降低胃腸道內(nèi)容物的粘性，而發(fā)揮促進(jìn)生長(zhǎng)和提高飼料轉(zhuǎn)化率的作用。其次，它能夠提高內(nèi)源性消化酶的活性，促進(jìn)養(yǎng)分的消化吸收，還能減少腸道微生物的數(shù)量，減少疾病，利于健康，并能減少糞便排泄物，降低污染。

2.4 維持小腸絨毛形態(tài)完整、促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收

纖維素酶可促進(jìn)有益微生物生長(zhǎng)，提高微生物對(duì)飼料的分解，同時(shí)增加單細(xì)胞蛋白含量，還具有維持小腸絨毛形態(tài)完整，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收的功能。趙恒波等研究纖維素復(fù)合酶提高羔羊飼料消化率的消化道組織學(xué)基礎(chǔ)，試驗(yàn)研究表明纖維素酶提高3月齡十二指腸腸絨毛的長(zhǎng)度，并且纖維素酶有增加小腸隱窩深度和黏膜厚度的趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著水平[16]。

3 纖維素酶在反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)中的應(yīng)用

3.1 對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃的影響

在瘤胃微生物中，對(duì)纖維素降解起主要作用的是瘤胃細(xì)菌。反芻動(dòng)物利用其瘤胃中固有的細(xì)菌、原生動(dòng)物和真菌來(lái)消化草料中的纖維，主要是通過(guò)這此細(xì)菌產(chǎn)生的大量的酶的作用來(lái)分解植物細(xì)胞壁。Nsereko等研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中添加分解纖維素酶制劑可以顯著增加瘤胃微生物數(shù)量，分解纖維一糖的細(xì)菌數(shù)猛增；分解木聚糖酶的細(xì)菌數(shù)量也劇增；不過(guò)，分解纖維素的瘤胃細(xì)菌數(shù)量變化不大[17]。纖維素酶能與半纖維素酶、果膠酶，葡聚糖酶等其它內(nèi)源酶酶協(xié)同作用改善瘤胃內(nèi)環(huán)境[18]。另外焦平林等在治療患前胃遲緩的黃牛病例中，每天服纖維素40 g有良好的治愈效果[19]。

3.2 對(duì)反芻動(dòng)物飼料消化率的影響

Martins等用來(lái)自黑曲霉和長(zhǎng)枝木霉的纖維素酶處理青貯玉米和秸稈。結(jié)果表明，纖維素酶能提高青貯玉米可溶性干物質(zhì)和粗蛋白含量，提高秸稈的酸性洗滌纖維和總氮水平，但不改變青貯玉米酸性洗滌纖維和總氮水平。在電鏡下觀察，纖維素酶的添加增加了細(xì)菌在粗料細(xì)胞壁上的定值，但對(duì)粗料細(xì)胞壁的降解和瘤胃降解沒(méi)有明顯影響[20]。Pinos-Rodrcguez等添加外源性纖維素酶對(duì)不同混合比例的牧草以及羔羊消化和瘤胃發(fā)酵的影響，發(fā)現(xiàn)外源性纖維素酶能提高瘤胃對(duì)干物質(zhì)和中性洗滌纖維的降解率[21]。Avellaneda等用羊草飼喂裝有瘤胃、十二指腸瘺管的薩?？搜蚋醄22]，結(jié)果表明，纖維素酶降低了十二指腸中性洗滌纖維含量，促進(jìn)了前胃對(duì)飼草的消化。反芻動(dòng)物主要以粗纖維含量較高的植物莖葉等粗飼料為主要飼料，焦平林用閹牛作對(duì)照試驗(yàn)，在日糧中每頭牛添加纖維素酶40 g·d-1飼喂60 d，結(jié)果加酶組日增重892.78 g，對(duì)照組日增重746.8 g，差異極顯著。荷斯坦奶牛添加50 g纖維素酶制劑時(shí)，產(chǎn)奶量提高6.17%[23]。尹清強(qiáng)奶牛日糧中加入50 g纖維素酶時(shí)，奶量提高8.30%，每千克產(chǎn)奶量的耗料量下降10%，同時(shí)纖維素酶對(duì)牛奶的營(yíng)養(yǎng)成分無(wú)明顯影響[24]。蘇輝在奶牛精料中添加50 g纖維素酶，結(jié)果表明，在同等飼養(yǎng)管理?xiàng)l件下，纖維素酶能增強(qiáng)奶牛食欲，增加粗飼料的采食量，提高飼料的消化率、利用率，提高產(chǎn)奶，同時(shí)，還能降低奶牛消化道的發(fā)病率[25]。李曉東等利用復(fù)合酶制劑對(duì)羔羊進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明在低能日糧基礎(chǔ)上添加酶制劑并沒(méi)有提高羔羊?qū)τ诟晌镔|(zhì)、粗纖維的消化率及磷的吸收率，但能顯著提高脂肪的消化率和對(duì)鈣的吸收率[26]。鄭曉靈等研究表明，添加纖維素酶0.2 g·kg-1能顯著提高青貯甘蔗梢干物質(zhì)和粗灰分含量，同時(shí)提高了粗脂肪、無(wú)氮浸出物和可溶性糖的含量，降低青貯料粗纖維、粗蛋白質(zhì)、鈣、磷、氨態(tài)氮和游離水的含量，但對(duì)pH和乳酸無(wú)顯著影響[27]。飼用纖維素酶之所以具有提高反芻動(dòng)物體增重、降低料肉比的功效，還因?yàn)槔w維素酶制劑本身是一種由蛋白酶、淀粉酶、果膠酶和纖維素酶等組成的多酶復(fù)合物。在這種多酶復(fù)合體系中一種酶的產(chǎn)物可以成為另一種酶的底物，從而使消化道內(nèi)的消化作用得以順利進(jìn)行。纖維素酶除直接降解纖維素，促進(jìn)其分解為易被動(dòng)物所消化吸收的低分子化合物外，還可與其他酶共同作用以提高反芻動(dòng)物對(duì)飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解和消化。

3.3 對(duì)反芻動(dòng)物生產(chǎn)性能的影響

在瘤胃微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)正常的情況下，添加纖維素酶能以幾倍的效率提高粗纖維和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的酵解強(qiáng)度，提高其消化吸收水平。在瘤胃發(fā)生病理變化即微生物區(qū)系失去平衡進(jìn)入腐解過(guò)程時(shí)，高活性纖維素酶能迅速調(diào)整微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)，恢復(fù)平衡關(guān)系和正常酵解、吸收、合成過(guò)程。張學(xué)成等[28]以添加纖維素復(fù)合酶0.1%的玉米秸稈為粗飼料飼喂荷斯坦奶牛60 d，奶牛的標(biāo)準(zhǔn)乳量提高了63.03%，平均乳脂率提高了18.29%；Beauchemm等對(duì)16頭雜交奶牛進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，添加纖維素酶制劑的奶牛較對(duì)照組每天攝入干物質(zhì)量增加1.6 kg，且產(chǎn)奶量每天增加1.3 kg，增幅為4.2%，在奶牛飼料中添加纖維素降解酶制劑不僅能提高飼料利用率，而且還能提高產(chǎn)奶量[29]。劉建昌等在奶牛的精飼料添中加復(fù)合酶，測(cè)定每頭奶牛平均日產(chǎn)奶量，試驗(yàn)組比對(duì)照組提高14.89%，差異較顯著[30]。在飼料中添加纖維素酶，在降低采食量的同時(shí)會(huì)提高產(chǎn)奶量，其主要原因是奶牛的攝食主要受血液內(nèi)的揮發(fā)性脂肪酸（VFA）的濃度的調(diào)節(jié)，VFA是纖維素的分解產(chǎn)物。外源纖維素酶增加了瘤胃中VFA的生成量，而瘤胃對(duì)VFA的吸收較快，大量的VFA進(jìn)入血液且隨其濃度的升高反饋性作用于食物調(diào)節(jié)中樞，導(dǎo)致采食量下降。一般認(rèn)為奶牛的產(chǎn)奶量和乳脂率呈負(fù)相關(guān)，而試驗(yàn)表明，在奶?？诩Z中添加纖維素酶后，隨著產(chǎn)奶量的上升乳脂率也呈上升趨勢(shì)。這說(shuō)明，纖維素酶通過(guò)提高奶牛血液中的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量，增強(qiáng)乳腺細(xì)胞對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取能力，從而維持牛奶中的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量始終處于平衡狀態(tài)。Schingoelhe等報(bào)道了泌乳早期的奶牛飼喂草料前在草料中添加木聚糖酶和纖維素酶的混合物并沒(méi)有影響奶牛的采食量，并且與飼喂沒(méi)有用此方法處理的草料相比，消耗率是基本相似的，具體原因有待于進(jìn)一步研究[31]。

4 纖維素酶在生產(chǎn)應(yīng)用中存在的問(wèn)題與展望

纖維素酶作為綠色飼料添加劑，其應(yīng)用前景非常廣闊，但在目前推廣應(yīng)用中還存在如下問(wèn)題：

a.生產(chǎn)纖維素酶的菌株產(chǎn)量低，成本偏高。要加強(qiáng)菌種選育和發(fā)酵提取工藝等基礎(chǔ)研究工作，提高產(chǎn)酶活性，降低生產(chǎn)成本，特別注意利用基因重組技術(shù)選育高活性菌株。

b.纖維素酶對(duì)飼料的作用機(jī)制尚未清楚，對(duì)不同飼料最佳添加量、添加時(shí)間和方式也不十分清楚。國(guó)內(nèi)外有關(guān)纖維素酶應(yīng)用的研究報(bào)道很多，但纖維素酶對(duì)畜禽消化生理的影響，對(duì)于不同酶活性的產(chǎn)品、不同動(dòng)物種類、不同發(fā)育階段動(dòng)物消化酶系的變化及纖維素酶添加后對(duì)內(nèi)源酶活力影響的研究尚不夠深入，因此在實(shí)際應(yīng)用中往往因用量不當(dāng)而影響應(yīng)用效果。

c.穩(wěn)定性問(wèn)題纖維素酶是一種微生物制劑，對(duì)溫度、濕度、酸和堿等敏感，處理不當(dāng)易失活，而對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定化處理的研究還不多，導(dǎo)致飼用效果不穩(wěn)定。

d.沒(méi)有統(tǒng)一的纖維素酶活性標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)方法，其生物學(xué)評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法不規(guī)范。因此，須加強(qiáng)科研部門(mén)間的協(xié)作，盡快制定我國(guó)統(tǒng)一的纖維素酶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法。

5 小結(jié)

纖維素酶是一種無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)副作用的綠色生物制劑，是可再生的重要資源和能源。動(dòng)物飼料中添加適量纖維素酶可提高飼料利用率，在促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)、減少糞便排放、改善生態(tài)環(huán)境和防治動(dòng)物疾病等方而均有明顯效果，且在很大程度上避免了因添加抗生素、激素等物質(zhì)所產(chǎn)生的負(fù)面影響，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義。隨著生物技術(shù)的發(fā)展和酶應(yīng)用技術(shù)的深入研究，必將加速纖維素酶在飼料工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

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