纖維素酶及其在反芻動(dòng)物上的應(yīng)用

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　　纖維素酶及其在反芻動(dòng)物上的應(yīng)用

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　　李世霞 徐愛秋 顏懷宇

　　(揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州，225009)

　　摘要：纖維素酶能降解纖維物質(zhì)生成葡萄糖，是一種新型的飼料添加劑。本文綜述了纖維素酶的分類與作用機(jī)制、生產(chǎn)工藝、營養(yǎng)功能以及在奶牛、肉牛、綿羊、山羊上的應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：纖維素酶;反芻動(dòng)物;應(yīng)用
　　纖維素作為植物光合作用的主要多糖類產(chǎn)物,是地球上最為豐富的可再生性天然資源。但是目前我國大部分的纖維素資源如秸稈都被燒掉，不僅造成了資源的浪費(fèi)，也給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。纖維素是由β- D 葡萄糖分子以β(1→4) 糖苷鍵連接而成的直鏈多糖類物質(zhì)[1]。纖維素酶能降解纖維素生成葡萄糖，在飼料中添加纖維素酶能提高纖維素的降解率，而且也能有效地利用了纖維素資源。
　　1 纖維素酶的分類與作用機(jī)制
　　纖維素酶包括多種水解酶,分為三大類: (1)外切型葡聚糖酶，又被稱為Cl酶、微晶纖維素酶、纖維二糖水解酶，此酶廣泛存在于菌絲狀真菌。外切型葡聚糖酶能有效地降解晶體纖維素，但對(duì)羧甲基纖維素?zé)o效，此酶的催化作用可將短鏈的非還原性末端纖維二糖殘基逐個(gè)切下。(2)內(nèi)切型葡聚糖酶，又被稱為Cx酶、CMC酶(羧甲基纖維素酶)，所有纖維素分解菌均能產(chǎn)生此酶。內(nèi)切型葡聚糖酶主要分解酸膨脹纖維素和羧甲基纖維素，但不能有效地分解晶體形態(tài)纖維素。此酶能以隨機(jī)切割方式內(nèi)切纖維素聚合體并產(chǎn)生纖維素糊精、纖維二糖及葡萄糖。(3)β-葡聚糖苷酶，又稱纖維二糖酶、β-1，4-糖苷酶，此酶廣泛存在于微生物中，纖維二糖、七葉樹苷均被此酶水解產(chǎn)生葡萄糖或芳基殘基。一般將纖維二糖或纖維寡糖水解成葡萄糖分子，不直接作用于纖維素分子[2]。
　　2 纖維素酶的生產(chǎn)工藝
　　纖維素酶同其它酶制劑一樣主要通過微生物發(fā)酵的方法制得，大體工藝是[3]：通過篩選、誘變、純化，篩選出具有分泌所需酶能力的微生物菌株(主要是細(xì)菌、真菌)，或通過基因重組技術(shù)，將產(chǎn)酶基因轉(zhuǎn)移到成本低、能大規(guī)模生產(chǎn)的微生物內(nèi)，進(jìn)行菌株擴(kuò)大培養(yǎng)，接種于滅菌原料中，液體或固體發(fā)酵后，提取、濃縮、包被(提高其抗熱、抗酸堿性能)、載體吸附、干燥、粉碎，制成粗(濃)酶制劑，分裝。其生產(chǎn)工藝流程圖如下：
　　
　　3 纖維素酶的營養(yǎng)功能
　　纖維素酶作為飼料添加劑，在動(dòng)物體內(nèi)的營養(yǎng)功能主要是：(1)補(bǔ)充內(nèi)源酶，特別是
　　對(duì)于草食動(dòng)物來說，可以補(bǔ)充體內(nèi)微生物含纖維素酶量的不足。如同時(shí)增加其他酶制劑如半纖維素酶、淀粉酶、果膠酶和蛋白酶等，它們與纖維素酶協(xié)同作用于天然纖維素原料，可以
　　更多的形成葡萄糖及揮發(fā)性脂肪酸為動(dòng)物利用。(2)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)生粘性，增加了動(dòng)物胃腸道內(nèi)容物的粘度，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)粘稠的消化道內(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粘稠度，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滋生的可能性[4]。(3)改善胃中菌群關(guān)系，纖維素酶可促進(jìn)有益微生物生長，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[5]。(4)飼用纖維素酶之所以具有提高畜禽體增重、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。也就是說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，還和其他酶共同作用提高畜禽對(duì)飼料營養(yǎng)物質(zhì)的分解和消化。(5)纖維素酶可以提高小腸絨毛完整性，促進(jìn)小腸對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[6]，對(duì)于無瘤胃動(dòng)物來說，可改善消化道的環(huán)境，增加酸度，激活胃蛋白酶。
　　4 纖維素酶在反芻動(dòng)物生產(chǎn)上的應(yīng)用
　　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養(yǎng)物質(zhì)的酵解強(qiáng)度,提高消化吸收水平。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、合成過程。
　　4.1 纖維素酶在奶牛上的應(yīng)用
　　奶牛主要以粗纖維含量較高的植物莖葉等粗飼料為主要飼料，通過瘤胃微生物發(fā)酵產(chǎn)生的纖維酶將纖維素降解為易吸收的低分子糖。但由于瘤胃微生物產(chǎn)生的纖維素酶是有限的，外源補(bǔ)充可提高瘤胃中纖維素酶含量，達(dá)到提高降解纖維素的目的。金宏等[7]通過試驗(yàn)研究表明：在泌乳中期奶牛日糧種加入飼用纖維素酶對(duì)產(chǎn)奶量、乳脂率具有顯著性影響，雖然各試驗(yàn)組的奶料比無顯著差異，但與對(duì)照組相比差異顯著，這樣說明了添加纖維素酶可在一定程度上提高飼養(yǎng)效益，并得出纖維素酶既然能夠提高奶牛產(chǎn)奶量，降低飼料消耗，就必將降低飼料報(bào)酬的結(jié)論。AKHMEDOV等 [8]在奶牛日糧中加入0.3g/飼料單位纖維素酶，可提高產(chǎn)奶量13.3%-22.8%，同時(shí)可使每公斤產(chǎn)奶量所耗飼料下降12%-17%。劉建昌等[9]在日糧的配合精飼料中添加0.1%的纖維酶制劑，研究其對(duì)荷斯坦奶牛生產(chǎn)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明添加纖維酶的試驗(yàn)組與酶添加纖維酶的對(duì)照組每頭牛平均日產(chǎn)奶量分別為16.36kg和14.24
　　kg，試驗(yàn)組比對(duì)照組提高了14.89%，乳汁率也較對(duì)照組有所提高。
　　4.2 纖維素酶在肉牛上的應(yīng)用
　　大多數(shù)試驗(yàn)表明，在肉牛精料中無論以何種形式添加纖維素酶等非淀粉多糖酶，均可促進(jìn)對(duì)日糧營養(yǎng)物質(zhì)的利用。朱元招等[10]報(bào)道，飼喂添加纖維素酶日糧的犢牛，日增重提高了7.51%(P<0.05)，混合精料、粗料與增重比各下降7.0%(P<0.05)和1.23%(P<0.05)并且犢牛斷奶后對(duì)粗料的適應(yīng)性有所增加。祁宏偉等[11]證實(shí)，飼喂含復(fù)合纖維素酶日糧的肉牛，其平均日增重有隨復(fù)合纖維素酶添加量增加而增加的趨勢(shì)，通過日增重及經(jīng)濟(jì)效益綜合分析，確定了纖維素酶添加量以0.2%為宜。
　　4.3 纖維素酶在綿羊上的應(yīng)用
　　尹清強(qiáng)等添加30g/頭·d纖維素酶到綿羊日糧中，使處于牧草豐盛期和干枯期的惡綿羊日增重分別提高了5.4%和4.9%，同時(shí)使羊毛產(chǎn)量提高5.04%。何長芳[12]等經(jīng)過試驗(yàn)表明：飼喂羔羊時(shí),日糧中纖維素復(fù)合酶的添加量達(dá)到一定量時(shí),可提高舍飼羔羊?qū)︼暳现欣w維素、半纖維素的消化率。尹清強(qiáng)等[13]經(jīng)試驗(yàn)表明：纖維素酶可提高綿羊瘤胃內(nèi)胃蛋白酶和羧甲基纖維素酶的活性，提高瘤胃內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)量，通過提高日糧中粗纖維和其它營養(yǎng)物質(zhì)的消化率而達(dá)到促進(jìn)動(dòng)物生產(chǎn)的目的。
　　4.4 纖維素酶在山羊上的應(yīng)用
　　制作玉米秸青貯料時(shí)添加纖維素酶，可以提高青貯飼料的營養(yǎng)價(jià)值。朱國生等[14]用添加纖維素酶的玉米秸青貯料飼喂奶山羊得出：采食添加纖維素酶的玉米秸青貯料使奶山羊的體增重、產(chǎn)乳量、飼料利用率及經(jīng)濟(jì)效益等指標(biāo)均優(yōu)于不添加纖維素酶的對(duì)照組。
　　5 纖維素酶的研究前景
　　纖維素酶作為一種新型飼料添加劑，可提高粗飼料的消化率和利用率，改善飼料營養(yǎng)價(jià)值，降低飼料消耗，使不能消化的營養(yǎng)物質(zhì)得到部分消化，降低飼料成本，提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。隨著纖維素酶的檢測(cè)方法、作用機(jī)制、酶系組成、耐熱性、作用溫度、pH 值和抗蛋白酶水解能力等方面的深入研究, 采用基因克隆、基因表達(dá)、纖維素酶蛋白分子的改造和設(shè)計(jì)等, 可獲得高產(chǎn)纖維素酶, 擴(kuò)大纖維素酶的應(yīng)用范圍。但纖維素酶目前在應(yīng)用方面還存在一些問題，如：各種動(dòng)物的最佳添加量問題;加工、貯存對(duì)酶活的影響以及飼料中的其他物質(zhì)對(duì)纖維素酶的影響等。總之，隨著人們對(duì)纖維素酶研究工作的深入，纖維素酶必將在飼料領(lǐng)域中發(fā)揮越來越大的作用。
　　參考文獻(xiàn)：
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這里借花獻(xiàn)佛，也貼一篇有關(guān)纖維素酶的資料，在此分享：

纖維素酶的研究進(jìn)展

地球每年通過光合作用可以產(chǎn)生數(shù)億噸的植物干物質(zhì)，其中最主要的成分是纖維素和半纖維素，纖維素和半纖維素也因此成為世界上最豐富的可再生資源，然而，目前為止，這部分資源還沒有得到充分的開發(fā)利用。

纖維素半纖維素“酶學(xué)降解生產(chǎn)簡單糖”是公認(rèn)最理想的轉(zhuǎn)化方法，因此，纖維素酶和半纖維素酶的研究也就成為了生物學(xué)領(lǐng)域的重要課題之一。纖維素酶可以將纖維素直接降解為簡單糖及葡萄糖，因此在飼料、食品、造紙及紡織等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用價(jià)值。

纖維素酶用于飼料中，可明顯提高飼料利用率，改善粗飼料的營養(yǎng)價(jià)值，降低飼料成本，具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。

1.纖維素酶的結(jié)構(gòu)及功能

纖維素酶根據(jù)其催化反應(yīng)功能的不同可分為內(nèi)切葡萄糖苷酶(來自真菌的簡稱為EG,來自細(xì)菌的簡稱Cen)、外切葡萄糖苷酶(來自真菌的簡稱CBH,來自細(xì)菌的簡稱Cex)和纖維二糖酶(簡稱BG)。大多數(shù)纖維素酶都有一個(gè)或幾個(gè)催化結(jié)構(gòu)域(catalytic domain,CD)和纖維素結(jié)合結(jié)構(gòu)域(cellulose bingding domain,CBD)組成。由一段柔性的連接肽(lingker peptide)連接CD與CBD。內(nèi)切葡聚糖酶隨機(jī)切割纖維素多糖鏈內(nèi)部的無定性區(qū),產(chǎn)生不同長度的寡糖和新鏈的末端。外切葡聚糖酶作用于這些還原性和非還原性的纖維素多糖鏈的末端,釋放葡萄糖或纖維二糖。葡萄糖苷酶水解可溶的纖維糊精和纖維二糖產(chǎn)生葡萄糖。

2.纖維素酶的基因克隆及表達(dá)

工業(yè)化生產(chǎn)纖維素酶常會(huì)碰到一些問題，如:產(chǎn)生纖維素酶的菌種容易退化，導(dǎo)致產(chǎn)酶能力降低；因?yàn)槔w維素酶是3種酶共同起作用，所以產(chǎn)生的纖維素酶難于進(jìn)行提純。隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過基因克隆得到編碼纖維素酶的核苷酸序列，并進(jìn)行異源表達(dá)，可以很好的解決這些問題，并已取得一定的進(jìn)展。2003年，我國中科院上海生物化學(xué)所王驥從軟體動(dòng)物福壽螺中分離得到了一個(gè)同時(shí)具有外切-β-1,4-葡聚糖酶、內(nèi)切-β-1,4-葡聚糖酶和內(nèi)切-β-1,4-木聚糖酶3種活性的多功能酶(EGX)。并將該多功能纖維素酶基因重組進(jìn)畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)中，成功表達(dá)出具有多種活性的多功能纖維素酶。在50～55℃具有最大酶活力,在pH值5.0～10.8下顯示出較高的穩(wěn)定性。EGX可以把未經(jīng)處理的天然干稻草水解成為簡單糖,并且100Mm
的纖維二糖對(duì)其無反饋抑制作用,顯示出了較好的應(yīng)用潛力。2007年從福壽螺中克隆得到EG65內(nèi)切-β-1,4-葡聚糖酶，并在畢赤酵母中成功表達(dá)出有活性的酶蛋白。

3.纖維素酶在飼料中的應(yīng)用

纖維素酶作為飼料添加劑，在動(dòng)物體內(nèi)的主要營養(yǎng)作用有：

①增加內(nèi)源酶，既可補(bǔ)充體內(nèi)微生物形成纖維素酶量的不足，又可增加其他酶，如半纖維素酶、淀粉酶、果膠酶和蛋白酶等，它們與纖維素酶協(xié)同作用于天然纖維素，形成可被動(dòng)物利用的還原糖及揮發(fā)性脂肪酸；

②改善胃中菌群關(guān)系。纖維素酶可促進(jìn)有益微生物生長，提高微生物對(duì)飼料的消化作用，同時(shí)增加單細(xì)胞蛋白含量；

③消除抗?fàn)I養(yǎng)因素。纖維素酶可降低因部分果膠、半纖維素、葡聚糖和戊聚糖溶解在水中而產(chǎn)生的黏性，促進(jìn)內(nèi)源酶的擴(kuò)散；

④提高粗蛋白和粗脂肪的消化以及與細(xì)胞壁結(jié)合的礦物質(zhì)的吸收；

⑤提高小腸絨毛的完整性，促進(jìn)小腸對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；

⑥對(duì)無瘤胃動(dòng)物來說，可改善其消化道的環(huán)境，增加酸度，激活胃蛋白酶。

4.飼用纖維素酶的應(yīng)用前景

飼料纖維素酶可明顯提高飼料利用率，改善粗飼料的營養(yǎng)價(jià)值，降低飼料成本，具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的飛速發(fā)展，酶的生產(chǎn)技術(shù)和菌種篩選的不斷探索，酶的活力單位在不斷提高，酶的生產(chǎn)成本不斷下降，對(duì)酶的應(yīng)用研究不斷加強(qiáng)，使纖維素酶在飼料中的應(yīng)用出現(xiàn)了光明的前景。在沒有找到新的飼料源取代常規(guī)飼料之前，纖維素酶在未來的動(dòng)物生產(chǎn)中，將會(huì)起到不可低估的作用。

hahachina

成纖維素酶專欄了, 這樣挺好.