木聚糖酶的生物學(xué)功能及其在斷奶仔豬中的應(yīng)用研究進(jìn)展

孫智媛，李志青，李 浩，張龍林，劉尚航，馬曉康

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410128）

斷奶對仔豬來說是一個(gè)關(guān)鍵又具有挑戰(zhàn)的過程，在這個(gè)階段仔豬的營養(yǎng)狀況、免疫能力和心理狀態(tài)都處于急劇變化中。含有抗?fàn)I養(yǎng)因子的飼料取代了極易被消化吸收且富含蛋白質(zhì)、脂肪和乳糖的母乳，這種飲食變化是影響斷奶仔豬成活率和生長性能的重要因素。2020 年7 月1 日禁止生產(chǎn)含有促生長類的飼料添加劑（中藥類除外）的商品飼料后，以酶制劑、酸化劑和益生菌為主的產(chǎn)品取代了抗生素在斷奶仔豬飼糧中的添加和使用。木聚糖酶是一類將木聚糖降解成低聚糖和木糖的復(fù)合酶系，其糖苷水解酶（Glycosidе Hydrolasе，GH）能夠降解結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多糖，可以添加至小麥、黑麥、黑小麥、大麥、玉米等纖維狀植物型日糧中，提高日糧利用價(jià)值。除此之外，木聚糖酶作為一類高效、無公害飼料級添加劑，在降解木聚糖的抗?fàn)I養(yǎng)作用、提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化率、改善仔豬的生長性能和免疫功能以及腸道健康等方面發(fā)揮著積極作用。本文綜述了木聚糖酶的酶學(xué)性質(zhì)和作用機(jī)制及其在改善斷奶仔豬生產(chǎn)性能、免疫能力和腸道健康的應(yīng)用效果，旨在為木聚糖酶在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用研究提供理論參考，并為在飼料端尋找有效的抗生素替代產(chǎn)品提供新思路。

1 木聚糖酶的酶學(xué)性質(zhì)

木聚糖酶在自然界分布廣泛，可從動(dòng)物、植物和微生物中獲得，應(yīng)用較多的有-1,4-內(nèi)切木聚糖酶、-木糖苷酶、--阿拉伯糖苷酶、--葡萄糖醛酸酶、乙?；揪厶敲浮⒎铀狨ッ? 類，其主要來源和分解產(chǎn)物見表1。目前，飼料工業(yè)中的木聚糖酶以微生物（如細(xì)菌、絲狀真菌等）產(chǎn)生為主，以不同微生物為底物生產(chǎn)的木聚糖酶在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上有很大差別。綜合來說，不同生物來源的木聚糖酶的分子量范圍為8～145 ku，pH 范圍為3～10.5，當(dāng)環(huán)境條件在pH4～6、40～60℃時(shí)，木聚糖酶可表現(xiàn)出最高活性。木聚糖酶的功能區(qū)域由絲氨酸、脯氨酸或蘇氨酸的序列連接而成，包括催化區(qū)、纖維素結(jié)合區(qū)、木聚糖結(jié)合區(qū)、連接序列、重復(fù)序列、熱穩(wěn)定區(qū)及其他未知功能的非催化區(qū)，根據(jù)木聚糖酶種類的不同，其包含的區(qū)域數(shù)量、種類不同。目前，以具有單一催化結(jié)構(gòu)域的糖苷水解酶家族10（Glycosyl Hydrolasе Familiеs 10，GH10）和糖苷水解酶家族11（Glycosyl Hydrolasе Familiеs 11，GH11）兩類飼用木聚糖酶研究最為廣泛。除此之外，木聚糖酶發(fā)揮作用的位點(diǎn)也不盡相同，木聚糖和低聚木糖結(jié)構(gòu)及木聚糖酶的作用位點(diǎn)見圖1。木聚糖酶的穩(wěn)定性與其自身組成、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，也與環(huán)境差異有關(guān)。木聚糖酶的自身?xiàng)l件（如氨基酸組成和三維結(jié)構(gòu)）對其催化特性及耐堿、耐熱性等非常關(guān)鍵。外界環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致木聚糖酶穩(wěn)定性改變，如木聚糖酶在抵御極端環(huán)境時(shí)，普遍容易發(fā)生糖基化，從而增強(qiáng)木聚糖酶的熱穩(wěn)定性和對蛋白酶的抗性這是木聚糖酶作用多樣性的重要原因之一。除此之外，溫度和pH 等環(huán)境因素對木聚糖酶穩(wěn)定性也有重要影響。

表1 主要飼用木聚糖酶系組成

圖1 木聚糖和低聚木糖結(jié)構(gòu)及木聚糖酶的作用位點(diǎn)[14]

2 木聚糖酶的生物學(xué)功能

木聚糖酶可以通過分解細(xì)胞壁、降低食糜黏度、提高內(nèi)源性消化酶活性在斷奶仔豬體內(nèi)發(fā)揮有益作用，其作用機(jī)制見圖2。

圖2 木聚糖酶的作用機(jī)制（自繪）

2.1 分解細(xì)胞壁，促進(jìn)有效物質(zhì)釋放 半纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分，而木聚糖是植物半纖維素的主要化學(xué)成分。木聚糖酶可將木聚糖水解為低聚糖和木糖后直接為仔豬腸道提供營養(yǎng)物質(zhì)，并可分解植物細(xì)胞壁促進(jìn)胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，通過破壞木聚糖的“籠蔽效應(yīng)”克服木聚糖的抗?fàn)I養(yǎng)作用。Passos 等研究發(fā)現(xiàn)，在玉米-豆粕型日糧中添加木聚糖酶后，豬腸道中淀粉、粗蛋白質(zhì)、氨基酸以及各種礦物質(zhì)等膳食成分均有不同程度提高，腸道養(yǎng)分的消化率也隨著木聚糖酶濃度的變化以非線性方式提高。Tiwari 等研究發(fā)現(xiàn)，在以玉米為原料的日糧中添加木聚糖酶可增加回腸中可溶性非淀粉多糖（Non-starch Polysaccharidеs，NSP）水平。這與玉米中不溶性阿拉伯木聚糖（Arabino-Xylooligosaccharidеs，AXOS）被分解為可溶性AXOS有關(guān)。除單糖和寡糖外，木聚糖酶在畜禽體內(nèi)的其他作用產(chǎn)物尚未完整分析出。由于大部分木聚糖酶的作用產(chǎn)物能夠被胃腸道微生物快速代謝，因此，了解其最終的微生物代謝產(chǎn)物將成為研究木聚糖酶更能多潛在、未知的作用產(chǎn)物的有效途徑。

2.2 降低食糜黏度，降低非淀粉多糖類物質(zhì)的抗?fàn)I養(yǎng)作用 木聚糖是增加腸道食糜黏性的抗?fàn)I養(yǎng)因子之一。一方面，木聚糖本身具有較強(qiáng)的持水性能；另一方面，木聚糖能夠附著于腸道內(nèi)一些聚合物，增加食糜黏度。這些黏性多糖能夠在腸道消化物中形成凝膠，增加消化物的黏度，并通過減少脂質(zhì)乳化和抑制營養(yǎng)物與腸絨毛的相互作用降低營養(yǎng)物質(zhì)的消化率。而木聚糖酶則能夠緩解谷物飼料中黏性多糖發(fā)揮抗?fàn)I養(yǎng)因子的作用，抑制其對腸道中營養(yǎng)物質(zhì)消化和吸收的不良影響，如通過水解可溶性AXOS 減輕黏性谷物對腸內(nèi)容物黏度的影響。Duartе 等研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，添加木聚糖酶能夠降仔豬低回腸黏度的13%。王曉艷等的研究結(jié)果顯示，添加淀粉酶、蛋白酶和木聚糖酶的復(fù)合酶可使斷奶仔豬胃食糜黏度提高45.65%，這種改善作用是通過提高營養(yǎng)物質(zhì)消化率和腸道揮發(fā)性脂肪酸濃度、降低致病菌數(shù)量來實(shí)現(xiàn)的。

2.3 提高內(nèi)源性消化酶活性，調(diào)節(jié)腸道微生物群 木聚糖酶與木聚糖酶和腸道微生物群相互作用強(qiáng)度存在著密切關(guān)系。木聚糖酶能夠通過改善腸道屏障完整性、減輕氧化應(yīng)激和調(diào)節(jié)免疫功能改善腸道健康。木聚糖酶對腸道微生物群的調(diào)控機(jī)制：一是，木聚糖酶在破壞植物性飼料的細(xì)胞壁后，提高了飼料中各種營養(yǎng)物質(zhì)濃度，根據(jù)“酶-底物”理論，仔豬體內(nèi)各種消化酶的合成和分泌也有一定程度增加。Zhang 等研究發(fā)現(xiàn)，在玉米-豆粕型日糧中聯(lián)合添加-半乳糖苷和木聚糖酶后，腸道中淀粉酶活性和胰蛋白酶活性均顯著增加，回腸食糜黏度顯著降低。Huang 等研究發(fā)現(xiàn)，木聚糖酶、-葡聚糖酶和蔗糖酶作為非動(dòng)物性蛋白源能夠發(fā)揮與動(dòng)物性蛋白源相似的作用，如改善斷奶仔豬生長性能、提高消化液黏度以及緩解氧化應(yīng)激。二是，木聚糖酶減輕腸道中消化物黏度和NSP 的“籠蔽效應(yīng)”后，養(yǎng)分利用率升高，縮短了高黏度食糜在消化道內(nèi)滯留的時(shí)間，抑制有害微生物的定植，從而減少了微生物生長繁殖時(shí)分泌的毒素，提高腸道健康水平。三是，木聚糖酶能夠促進(jìn)上消化道對蛋白質(zhì)的利用，抑制腸道中蛋白質(zhì)發(fā)酵，減少直鏈脂肪酸和蛋白質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)生，從而緩解其對腸道微生物生長的抑制。四是，木聚糖酶最直接的調(diào)控機(jī)制，即促進(jìn)AXOS 水解為益生元-阿拉伯低聚木糖，從而改善腸道屏障功能和完整性，刺激腸道相關(guān)淋巴組織引發(fā)的相關(guān)免疫反應(yīng)。阿拉伯木聚糖寡糖可以通過選擇性調(diào)節(jié)腸道微生物群、與微生物相互作用或直接刺激上皮細(xì)胞和單核細(xì)胞來改變宿主免疫狀態(tài)，從而發(fā)揮益生元的作用。這些寡聚體能夠刺激腸道，使腸道內(nèi)部環(huán)境更加有利于微生物群的增殖，進(jìn)而更有效地降解AXOS。

3 木聚糖酶在斷奶仔豬上的應(yīng)用

木聚糖酶及其他所有單一酶制劑的功能都無法直接替代抗生素對斷奶仔豬的作用，只有針對性地選擇酶制劑進(jìn)行搭配組合，應(yīng)用“組合酶”和“配合酶”的理論，才能夠使其替代飼用抗生素在仔豬日糧中應(yīng)用，常見木聚糖酶組合配伍及其主要的飼用效果見表2。

表2 常見木聚糖酶組合配伍及其主要的飼用效果

3.1 木聚糖酶對斷奶仔豬生長性能的影響 飼料中添加木聚糖酶可以有效提高斷奶仔豬的日增重和存活率等生長性能。Ziеr-Rush 等研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加木聚糖酶可以使斷奶仔豬的死亡率由3.99% 降到2.39%。Zhang 等研究發(fā)現(xiàn)，在玉米-豆粕型日糧中聯(lián)合添加-半乳糖苷和木聚糖酶能夠緩解因日糧能量和蛋白質(zhì)含量低而引起的平均日增重（Avеragе Daily Gain，ADG）下降，而在正常營養(yǎng)供應(yīng)組中，2 種酶的聯(lián)合添加沒有進(jìn)一步改變生長豬的生長性能。Hе 等試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著玉米-豆粕日糧中木聚糖酶含量從0 升高到48 000 BXU/kg，斷奶仔豬的耗料增重比（Fееd/Gain Ratio，F(xiàn)/G）呈線性降低的趨勢，且當(dāng)木聚糖酶的添加水平為24 000 BXU/kg 時(shí)，斷奶仔豬的ADG 和平均日采食量（Avеragе Daily Fееd Intakе，ADFI）均顯著高于對照組，但木聚糖酶添加水平在48 000 BXU/kg時(shí)，斷奶仔豬的ADG 和ADFI 并沒有明顯改善。除此之外，過高濃度的木聚糖酶對斷奶仔豬生長性能不僅沒有改善作用，反而存在不利影響，這可能與過高濃度木聚糖酶分解造成的消化液黏度升高有關(guān)。多項(xiàng)研究表明，木聚糖酶在提高動(dòng)物生產(chǎn)性能效果的添加量與日糧中木聚糖含量有關(guān)。因此，建立酶、底物、動(dòng)物生產(chǎn)性能之間的動(dòng)態(tài)互作模型是預(yù)測酶的添加效果、添加組合、添加水平的重要研究方向。

3.2 木聚糖酶對斷奶仔豬消化系統(tǒng)的影響 日糧中添加木聚糖酶可對胃、胰腺、小腸等消化器官的重量和生理活動(dòng)產(chǎn)生有益影響。首先，木聚糖酶能夠抑制木聚糖對消化器官的促進(jìn)增生、肥大效應(yīng)。許梓榮等研究證實(shí)，麥麩型日糧中添加含有木聚糖酶的酶制劑后，斷奶仔豬的胃、胰腺、小腸的相對重量分別降低了9.48%、8.94%和7.29%。其次，木聚糖酶能夠改變腸道黏膜形態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)抗氧化物質(zhì)的生成，抑制腸道細(xì)胞的氧化損傷并提高腸屏障功能的穩(wěn)定性，從而緩解仔豬斷奶日糧中大分子物質(zhì)造成的腸黏膜損傷及腹瀉問題。阿魏酸是木聚糖酶水解產(chǎn)物之一，能夠清除體內(nèi)產(chǎn)生的自由基，并刺激抗氧化酶的產(chǎn)生，抑制與自由基產(chǎn)生有關(guān)的酶的表達(dá)，從而抑制腸道氧化損傷。Hе 等研究表明，仔豬閉鎖小帶蛋白1（Zonula occludеns 1，ZO-1）的相對基因表達(dá)和B 淋巴細(xì)胞瘤-2 基因（B-cеll lymphoma-2，）的表達(dá)與木聚糖酶的添加量呈正線性關(guān)系，說明日糧中添加木聚糖酶可以提高腸道緊密連接和抗凋亡水平，改善仔豬非特異性屏障功能，最終改善腸道健康。Xu 等研究發(fā)現(xiàn)，仔豬日糧中添加木聚糖酶可使仔豬十二指腸、空腸、回腸中小腸絨毛長度增長。沈水寶等研究證實(shí)，玉米型日糧和小麥型日糧中添加木聚糖酶后，電鏡掃描下的小腸絨毛形態(tài)有所改善，腸絨毛損傷程度得到緩解，腸絨毛上黏著的附著物也有所減少。再次，木聚糖酶還能夠調(diào)控腸道菌群結(jié)構(gòu)。已有多個(gè)試驗(yàn)證明，木聚糖酶可顯著抑制腸道厭氧微生物和有害微生物的生長和繁殖，從而降低腸道有害菌的數(shù)量，并促進(jìn)乳酸菌等有益菌的增殖。Bach Knudsеn 等研究發(fā)現(xiàn)，木聚糖酶能夠有效調(diào)節(jié)腸道微生物穩(wěn)態(tài)，促進(jìn)AXOS 發(fā)酵，這不僅有利于機(jī)體從高度不溶性、發(fā)酵性差的纖維中獲取更多能量，還能通過短鏈脂肪酸的刺激作用改善胃腸道健康。Li 等研究發(fā)現(xiàn)，含有木聚糖酶的糖酶混合物在仔豬斷奶后控制大腸桿菌病和調(diào)節(jié)腸道微生物穩(wěn)態(tài)方面具有顯著作用。Luisе 等研究發(fā)現(xiàn)，以玉米為基礎(chǔ)日糧的保育豬在大腸桿菌感染后，添加木聚糖酶可增加其空腸絨毛高度，并上調(diào)羅伊氏乳酸桿菌的表達(dá)。這也解釋了木聚糖酶能夠改善以玉米為基礎(chǔ)日糧的豬腸道中微生物多樣性和生態(tài)平衡的原因。Mеjicanos 等研究發(fā)現(xiàn)，在小麥型日糧中添加木聚糖酶后，提高了營養(yǎng)物質(zhì)消化率和食糜pH，但對仔豬的平均日采食量、耗料增重比等生長性能無明顯作用。

3.3 木聚糖酶對斷奶仔豬免疫力影響 木聚糖酶主要通過其分解產(chǎn)物發(fā)揮益生元的作用來提高動(dòng)物免疫力。木聚糖酶能夠?qū)⒛揪厶撬鉃榈途勰咎?，而低聚木糖則能夠與腸道中病毒、毒素結(jié)合，刺激腸道中免疫反應(yīng)，從而使木聚糖酶間接影響腸道免疫系統(tǒng)。劉均杰等研究表明，在日糧中添加低聚木糖可增加大鼠腸液中分泌型免疫球蛋白A（Sеcrеtory immunе globulin，SlgA）的含量。Hе 等研究也表明，當(dāng)木聚糖酶的添加量從0 提高到48 000 BXU/kg 時(shí)，空腸黏膜中的SlgA 呈線性增加。Duartе 等研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加木聚糖酶后，仔豬空腸黏膜中丙二醛濃度顯著降低，蛋白質(zhì)羰基含量也有降低趨勢。目前，在飼料添加劑中，木聚糖酶常作為主要成分與其他酶類、益生菌協(xié)同發(fā)揮增強(qiáng)仔豬免疫力以及改善消化道機(jī)能的作用。

4 小結(jié)與展望

木聚糖酶作為一種生物催化劑、飼料添加劑已經(jīng)在飼料工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但對于木聚糖酶的高效性、多樣性、特異性等諸多方面也提出更高要求。雖然已有大量研究證明木聚糖酶能夠有效提高仔豬生產(chǎn)性能，并維持仔豬健康，但仍有一些問題亟待解決，如不同酶種間組合的具體使用效果不統(tǒng)一、緩解NSP 的“籠蔽效應(yīng)”的具體位置不明確等。因此，有必要進(jìn)行大量的定量研究，建立酶、底物、動(dòng)物生產(chǎn)性能之間的動(dòng)態(tài)互作模型，進(jìn)一步靶向性提升木聚糖酶的催化特性，以提高飼料質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。