纖維素酶在畜牧業中的應用及研究進展

纖維素酶是一種重要的復合酶，能催化纖維素轉化成寡糖或單糖，在我國食品、紡織、飼料業中有著不可替代的位置。纖維素酶作為一種飼料添加劑，能提高粗飼料的轉化率、改善動物的生產性能，在畜牧業中有著廣闊的研究和應用前景。文章介紹了纖維素酶在畜牧業中的應用現狀及其研究進展，以期為生產實踐提供理論依據。

　　纖維素約占植物總干重的1 /2［1］，是地球上最古老、最豐富的天然高分子材料，是取之不盡用之不竭的人類最寶貴的天然可再生資源。但是，由于植物纖維的高聚合度及其分子結構的高結晶度，使得纖維素這一資源未被充分利用。高等動物中除反芻動物能夠借助瘤胃微生物利用纖維素外，其他動物幾乎不能直接消化和利用纖維素。近年來，隨著集約化養殖業的迅速擴大，我國養殖業面臨嚴重的飼料短缺問題。在飼料中添加纖維素酶，提高畜禽飼料的轉化率，是緩解日益匱乏飼料資源的重要途徑，有助于我國畜牧業又好又快地發展。本文對纖維素酶的來源、組成、營養作用機制等研究情況和在畜牧業生產中的應用前景進行了論述。

　　1? 纖維素酶的來源

　　能分泌纖維素酶的微生物是纖維素酶的主要來源，主要有真菌、細菌、放線菌和一些原生動物等。真菌類的木霉屬( Trichoderma) 、曲霉屬( Aspergillus) 、青霉屬( Penicillium) 、枝頂孢雄屬( Acremonium) 能產生三類纖維素酶且降解纖維素能力較強［2］，是目前人們研究纖維素酶的熱點領域; 細菌產纖維素酶的量較低，其中酶活力較強的菌種有纖維黏菌屬、纖維桿菌屬等［3］; 放線菌中有鏈霉屬、高溫放線菌屬等能產纖維素酶。

　　2? 纖維素酶的組成及分子結構

　　2． 1 纖維素酶的組成

　　纖維素酶是一類復合酶系的總稱。一般按照其催化功能可分為三大類: 1) 外切－ β － 1，4－ 葡聚糖酶( exo － β － 1，4－ glucanases，EC 3． 2． 1． 91) ，又稱為纖維二糖水解酶( cellobiohydrolases) ，簡稱為外切酶( CBH) 。這類酶可以水解纖維素結晶區，從纖維素鏈的還原端( CBHⅠ) 或非還原端( CBHⅡ) 開始持續水解，釋放纖維二糖。2) 內切－ β － 1，4－ 葡聚糖( endo － － 1，4－ glucanases ，EC 3． 2． 1． 4) ，簡稱為內切酶( EG) 。EG 主要作用于纖維素的非結晶區，隨機水解纖維素鏈中的糖苷鍵，把纖維素長鏈切斷，轉化成大量不同聚合度的纖維素短鏈，降低纖維素分子的聚合度，增加可供外切酶作用的纖維素鏈末端數。3) β － 葡萄糖苷酶( β － 1，4 － glucosidases ，EC 3． 2．1． 21) 主要水解纖維二糖和可溶性纖維寡糖，最終將纖維素轉化為可利用的葡萄糖［4］。天然纖維的組成和結構不同，三種酶必須同時參與才能將纖維素晶體降解為簡單糖類。

　　2． 2 纖維素酶的分子結構

　　早在1986 年，H． Van Tilbeurgh 等人用木瓜蛋白酶對瑞氏木霉( Trichoderma reesei，又譯成里氏木霉) 的CBHⅠ分子進行限制性酶切，得到2 個具有獨立活性的結構域: 具有催化功能的催化域( catalyticdomain，CD) 和具有結合纖維素功能的纖維素結合域( cellulosebinding domain，CBD) 。CD 作為纖維素酶的催化活性中心，特異性識別纖維素內切酶和外切酶底物; CBD 執行調節酶對可溶性和非可溶性底物專一活性的作用，對酶的催化活力是非必需的。CBD與CD 通過一段高度糖基化的連接橋連接，連接橋可使CD 和CBD 之間保持距離，有助于不同酶分子之間形成較為穩定的聚集體［5］。

　　3? 纖維素酶的營養作用機制

　　纖維素酶在改善動物營養上主要有以下幾個方面的效果: 1) 破壞植物細胞壁，使營養物質被充分吸收。將纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶制成復合酶劑，協同作用破壞植物細胞壁，使細胞內營養物質溶解出來，然后再由淀粉酶和蛋白酶進一步降解，可提高營養物質的吸收率。2) 補充動物內源酶的不足。反芻動物瘤胃中雖存在一些能分泌纖維素酶的微生物，但產纖維素酶的量是有限的，這使纖維素的消化、利用率不高。單胃動物的胃內缺乏內源性纖維素酶，不能消化、利用纖維素，添加纖維素酶后，不僅能幫助動物消化、利用纖維素，而且還能改善腸道內環境。3) 減輕或消除飼料抗營養因子。纖維素、半纖維素和果膠等大分子物質部分溶解在水中會產生黏性，這種黏性對內源酶來說是一種屏障，阻礙了纖維素酶的降解，降低了營養物質的吸收，補充纖維素酶后黏性降低，內源性酶的擴散和與營養物質的接觸增加，使飼料能夠被充分消化、吸收。

　　4? 纖維素酶在畜牧業生產中的應用

　　4． 1 纖維素酶在青貯飼料中的應用

　　飼料青貯技術是將青綠飼料切碎后，在密閉缺氧的條件下控制發酵使飼草保持多汁狀態而長期貯存的一種飼草調制技術。利用該技術生產的青貯飼料具有五方面好處: 營養損失較少、適口性好、單位容積內貯量大、可長期保存、可減少消化系統和寄生蟲病的發生。研究發現，在青貯飼料中適當使用添加劑能降低青貯的pH 值，提高乳酸含量，改善青貯飼料的品質。萬里強等［6］研究表明，青貯中加入纖維素酶能發酵纖維素分解產生戊糖，產生乳酸和少量乙酸，而無CO2生成，有利于抑制腐敗菌生長，提高飼料的貯藏期。陳娥英等［7］應用象草進行青貯，在象草中添加綠汁發酵液和纖維素酶，結果表明，單獨添加綠汁發酵液和添加綠汁發酵液與纖維素酶的復合物，均可降低青貯的pH 值和氨態氮含量，提高干物質回收率和粗蛋白含量，從而提高青貯品質。Ｒ． P．Tengerdy 等［8］進行苜蓿青貯時，利用纖維素酶處理可降低pH 值，同時乳酸和還原糖含量明顯增加。纖維素酶能水解青貯飼料中的部分多糖使其轉化成單糖，從而保證產生足量的乳酸，提高青貯飼料的品質，尤其在含糖量低的豆類飼料的青貯過程中作用顯著。朱國生等［9］在玉米青貯飼料中添加纖維素酶，可明顯提高奶山羊的體重、產乳量和飼料利用率。

　　盡管在青貯飼料中添加纖維素酶有很多優點，但是目前該研究領域仍有許多問題制約其發展: 如商業化纖維素酶制劑并未大規模投入生產，生產成本較高，青貯飼料中添加纖維素酶穩定性不高等。

　　4． 2 纖維素酶在反芻動物生產中的應用

　　纖維素酶作為一種新型飼料添加劑，已成為目前動物飼料生產中的研究熱點。將外源性纖維素酶添加到反芻動物飼料中能與半纖維素酶、果膠酶和葡聚糖酶等瘤胃微生物產生的內源酶協同作用改善瘤胃內環境。賈仙寶等［10］將外源纖維素酶添加到奶牛日糧中改善了瘤胃的發酵環境，試驗組奶牛瘤胃pH 值的變化范圍比對照組小，加酶后降低瘤胃NH3 － N 濃度，瘤胃內乙酸、丙酸、總揮發性脂肪酸濃度與對照組比較有提高趨勢，乙酸/丙酸有降低趨勢，并提高了瘤胃菌體蛋白濃度。劉建昌等［11］在荷斯坦奶牛的精飼料中添加0． 1%的纖維素酶制劑，并對每頭奶牛平均日產奶量進行測定，結果發現，試驗組日產奶量比對照組提高了14． 89%，但是乳脂率沒有降低。這也打破了一般觀念里產奶量與乳脂率呈負相關的傳統，表明產奶率上升，乳脂率不變或有上升趨勢。這一結果可能是由于外源性纖維素酶的增加改善了瘤胃內環境，增加了對營養物質的吸收率，使得乳脂率與產奶量呈正相關。D． P． Morgavi 等人研究表明，長梗木霉產生的纖維素酶能與瘤胃內酶協同降解玉米青貯，從而釋放更多的還原糖。J ． M ． Pinos － Ｒodriguez等人研究發現，外源性纖維素酶能提高瘤胃對纖維素干物質的降解率。但是李曉東等［12］在低能日糧中添加復合酶制劑未能提高羔羊對干物質、粗纖維的消化率及磷的吸收率。就國內外目前研究情況而言，纖維素酶在反芻動物生產應用上的研究仍停留在表面，作用機理尚不明確。大量研究表明，添加纖維素酶能提高反芻動物的生產性能，可是往往結果很不穩定。纖維素酶是一種生物酶，對溫度、濕度、酸堿度等敏感，不同的試驗環境對纖維素酶活力的影響不同，這也可能是造成目前試驗結果差異較大的原因之一。

　　4． 3 纖維素酶在豬、家禽生產中的應用

　　在豬、家禽等動物的生產上，纖維素酶制劑的應用已較為廣泛。豬、家禽等動物的胃液中缺乏消化粗纖維的酶類，但近年來已證實飼喂一定量的粗纖維能改善動物的消化、生理、繁殖、胴體品質等。在日糧中添加少量粗纖維能促進胃腸道蠕動，刺激胃腸消化酶的分泌，提高動物的消化能力。但豬、家禽等動物并不能很好地消化、吸收粗纖維，因此如果在日糧中添加纖維素酶幫助其消化粗纖維飼料，這樣不僅能提高飼料的轉化率，還有利于緩解當前人畜爭糧的問題。

　　楊桂芹等［13］在雛鵝日糧中添加2 000 U/g 纖維素酶制劑，可以提高日糧中粗纖維、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維、干物質、粗蛋白、粗脂肪和能量的表觀利用率。夏素銀等［14］研究發現，在蛋雞飼糧中使用苜蓿草粉和纖維素酶，可降低膽固醇含量和提高抗氧化性能，并能改善腸道微生物菌群。周娟等［15］對整個試驗期肉仔雞日增重進行研究，結果表明: 添加0． 05%和0． 10% 纖維素酶時，日增重分別是對照組的1． 13 倍和1． 56 倍; 添加0． 05% 和0． 10% 纖維素酶時，料重比分別比對照組降低了10． 79% 和18． 26%。申瑞玲等［16］在含10%苜蓿草粉日糧中添加0． 05%、0． 1%、0． 15%的復合纖維素酶，結果表明，顯著提高了生長肥育豬的平均日增重與飼料轉化率，改善了胴體品質。任繼平等［17］在6% 魯梅克斯K － 1草粉日糧中添加0． 15%纖維素酶，結果表明，可提高生長豬前2 周的日增重( P ＜ 0． 05) 和日糧中干物質、有機物、總能和酸性洗滌纖維的消化率( P ＜ 0． 05) 。但在肥育豬飼料中添加纖維素酶對其飼喂效果尚有爭議，試驗結果尚不穩定。李寶玉等［18］研究發現，將纖維素酶添加到以玉米大豆為基礎的日糧中對生長豬的生產性能沒有明顯改善作用。

　　4． 4 纖維素酶在中獸藥生產中的應用

　　90%以上的中獸藥是植物藥，植物藥細胞壁的主要成分是纖維素，利用纖維素酶可以破壞植物藥的細胞壁，促進植物藥中有效成分的溶出，從而增強植物藥的藥效。李艷玲［19］研究發現: 用纖維素酶處理過的梔子，其抗炎作用均優于不加酶者，但酶的用量會影響梔子的抗炎效果，并不是酶量越多越好; 在茵陳蒿散中按0． 2%比例加入活力為2 000 U/g 的纖維素酶可以節約1 /3 藥材。目前，纖維素酶在中獸藥中的應用研究還處于起步階段，有待進一步研究。

　　5? 存在的問題

纖維素酶作為一種新型的綠色飼料添加劑，其應用價值已成為國內外研究的熱點，但是就目前已有的研究來看，纖維素酶在應用中還存在以下問題。

　　5． 1 纖維素酶降解機制不完全清楚

　　纖維素酶的分離、純化和結晶是研究纖維素酶的一個瓶頸，導致纖維素酶降解機制和協同作用仍未完全研究清楚，同時纖維素酶與飼料的配比量缺乏統一標準，對不同種類、不同發育階段的動物腸道內源酶變化，以及添加外源纖維素酶后對內源酶活力代謝影響的研究不夠深入。

　　5． 2 纖維素酶成本較高

　　自然界中木霉產纖維素酶活性較高，可是真菌類微生物是好氧菌，不適宜進行大規模的飼料厭氧發酵工藝，而厭氧性細菌產纖維素酶的活性及產量均較低，因此生產纖維素酶添加劑的成本大大提高。高產菌株的選育和極端環境產纖維素酶的微生物篩選是目前基礎研究中的當務之急。

　　5． 3 添加效果不穩定

　　就現有的研究結果表明，纖維素酶的添加效果不穩定。纖維素酶活性易受環境溫度、pH 值、濕度等因素影響，因此纖維素酶在加工和貯存過程中的酶活性變化、飼料中的其他物質對纖維素酶活性的影響、添加纖維素酶后對飼料中其他營養物質吸收的影響等問題需要進一步研究。

　　5． 4 檢測方法不統一

　　飼料工業中尚無統一的纖維素酶檢測方法，不同部門、不同實驗室、不同人員因技術差異和分析條件不同，對同一樣品纖維素酶活力的檢測差異較大，使得檢測結果不可靠。

　　6? 展望

　　目前，酶類生產普遍存在規模小、工藝落后、菌種酶活力低、生產成本高等問題。隨著生物化學、分子生物學、生物信息學及基因工程等多種交叉學科的快速發展，使人們對纖維素酶的基礎研究工作逐漸深入，以期通過從自然界中篩選高效纖維素降解菌，運用基因工程手段構建出活性高、產酶量大的“工程菌”，同時改進現有的纖維素酶生產工藝，降低纖維素酶的生產成本，發展具有自主知識產權的穩定的綠色酶制劑，使纖維素酶更好地運用于畜牧業生產，這對于改善飼料的營養價值、提高飼料的轉化率、生產新型飼料，從根本上解決人畜爭糧問題有積極作用，可以極大地促進我國畜牧業的發展。