纖維素酶及其在反芻動物上的應用

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　　纖維素酶及其在反芻動物上的應用

　　Cellulase and Application in Ruminant

　　李世霞 徐愛秋 顏懷宇

　　(揚州大學動物科學與技術學院，揚州，225009)

　　摘要：纖維素酶能降解纖維物質生成葡萄糖，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制、生產工藝、營養功能以及在奶牛、肉牛、綿羊、山羊上的應用。
　　關鍵詞：纖維素酶;反芻動物;應用
　　纖維素作為植物光合作用的主要多糖類產物,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，也給環境造成了嚴重的污染。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[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，但對羧甲基纖維素無效，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切下。(2)內切型葡聚糖酶，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生此酶。內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纖維素。此酶能以隨機切割方式內切纖維素聚合體并產生纖維素糊精、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 纖維素酶的生產工藝
　　纖維素酶同其它酶制劑一樣主要通過微生物發酵的方法制得，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(主要是細菌、真菌)，或通過基因重組技術，將產酶基因轉移到成本低、能大規模生產的微生物內，進行菌株擴大培養，接種于滅菌原料中，液體或固體發酵后，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。其生產工藝流程圖如下：
　　
　　3 纖維素酶的營養功能
　　纖維素酶作為飼料添加劑，在動物體內的營養功能主要是：(1)補充內源酶，特別是
　　對于草食動物來說，可以補充體內微生物含纖維素酶量的不足。如同時增加其他酶制劑如半纖維素酶、淀粉酶、果膠酶和蛋白酶等，它們與纖維素酶協同作用于天然纖維素原料，可以
　　更多的形成葡萄糖及揮發性脂肪酸為動物利用。(2)消除抗營養因子，果膠、半纖維素、葡聚糖和戊聚糖部分溶解在水中產生粘性，增加了動物胃腸道內容物的粘度，對內源酶而言是一個物理障礙，導致飼料消化吸收利用率降低，同時粘稠的消化道內容物容易引起有害微生物的滋生，增加胃腸疾病的發生率。添加纖維素酶可減低粘稠度，促進內源酶的擴散，增強養分的消化吸收，增大腸道內容物的流動性，有效降低有害微生物附著滋生的可能性[4]。(3)改善胃中菌群關系，纖維素酶可促進有益微生物生長，提高微生物對飼料的分解，同時增加單細胞蛋白含量[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，還因為纖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合物。在這種多酶復合體系中一種酶的產物可以成為另一種酶的底物，從而使消化道內的消化作用得以順利進行。也就是說纖維素酶除直接降解纖維素，促進其分解為易被動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飼料營養物質的分解和消化。(5)纖維素酶可以提高小腸絨毛完整性，促進小腸對營養物質的吸收[6]，對于無瘤胃動物來說，可改善消化道的環境，增加酸度，激活胃蛋白酶。
　　4 纖維素酶在反芻動物生產上的應用
　　在瘤胃微生物區系結構正常的情況下,添加纖維素酶能以幾倍的效率提高粗纖維和其他營養物質的酵解強度,提高消化吸收水平。在瘤胃發生病理變化即微生物區系失去平衡進入腐解過程時，高活性纖維素酶能迅速調整微生物區系結構,恢復平衡關系和正常酵解、吸收、合成過程。
　　4.1 纖維素酶在奶牛上的應用
　　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，通過瘤胃微生物發酵產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生的纖維素酶是有限的，外源補充可提高瘤胃中纖維素酶含量，達到提高降解纖維素的目的。金宏等[7]通過試驗研究表明：在泌乳中期奶牛日糧種加入飼用纖維素酶對產奶量、乳脂率具有顯著性影響，雖然各試驗組的奶料比無顯著差異，但與對照組相比差異顯著，這樣說明了添加纖維素酶可在一定程度上提高飼養效益，并得出纖維素酶既然能夠提高奶牛產奶量，降低飼料消耗，就必將降低飼料報酬的結論。AKHMEDOV等 [8]在奶牛日糧中加入0.3g/飼料單位纖維素酶，可提高產奶量13.3%-22.8%，同時可使每公斤產奶量所耗飼料下降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，研究其對荷斯坦奶牛生產性能的影響，試驗結果表明添加纖維酶的試驗組與酶添加纖維酶的對照組每頭牛平均日產奶量分別為16.36kg和14.24
　　kg，試驗組比對照組提高了14.89%，乳汁率也較對照組有所提高。
　　4.2 纖維素酶在肉牛上的應用
　　大多數試驗表明，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，均可促進對日糧營養物質的利用。朱元招等[10]報道，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)并且犢牛斷奶后對粗料的適應性有所增加。祁宏偉等[11]證實，飼喂含復合纖維素酶日糧的肉牛，其平均日增重有隨復合纖維素酶添加量增加而增加的趨勢，通過日增重及經濟效益綜合分析，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用
　　尹清強等添加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%，同時使羊毛產量提高5.04%。何長芳[12]等經過試驗表明：飼喂羔羊時,日糧中纖維素復合酶的添加量達到一定量時,可提高舍飼羔羊對飼料中纖維素、半纖維素的消化率。尹清強等[13]經試驗表明：纖維素酶可提高綿羊瘤胃內胃蛋白酶和羧甲基纖維素酶的活性，提高瘤胃內揮發性脂肪酸的產量，通過提高日糧中粗纖維和其它營養物質的消化率而達到促進動物生產的目的。
　　4.4 纖維素酶在山羊上的應用
　　制作玉米秸青貯料時添加纖維素酶，可以提高青貯飼料的營養價值。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、產乳量、飼料利用率及經濟效益等指標均優于不添加纖維素酶的對照組。
　　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，改善飼料營養價值，降低飼料消耗，使不能消化的營養物質得到部分消化，降低飼料成本，提高經濟價值。隨著纖維素酶的檢測方法、作用機制、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、纖維素酶蛋白分子的改造和設計等, 可獲得高產纖維素酶, 擴大纖維素酶的應用范圍。但纖維素酶目前在應用方面還存在一些問題，如：各種動物的最佳添加量問題;加工、貯存對酶活的影響以及飼料中的其他物質對纖維素酶的影響等?？傊?，隨著人們對纖維素酶研究工作的深入，纖維素酶必將在飼料領域中發揮越來越大的作用。
　　參考文獻：
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　　[2] Sunsan J, Crennell, Gudmundur O, et al. The structure of rhodothermus marinus Cell2A, a highly thermostable family 12 endoglucanase, at 1.8 A resolution[J]. Mol Biol, 2002, 320:883-897.
　　[3] 石波. 新型飼料添加劑開發與應用[M]. 北京：化學工業出版社，2005. 14-15.
　　[4] 張勇，陶青燕. 纖維素酶的應用進展[J]. 中國飼料，2002，(4)：17-18.
　　[5] 戴四發，金光明，王立克，等. 纖維素酶研究現狀及其在畜牧業中的應用[J]. 安徽技術師范學院學報，2001，15(3)：32-38.
　　[6] 尹清強，陳俠甫. 纖維素酶對兔日增重、腸絨毛結構、胃內容物及肝、睪丸內無機元素含量的影響[J]. 黑龍江畜牧獸醫，1992，(1)：14-15.
　　[7] 金宏，陳清華，沈建新，等. 纖維素酶對奶牛生產性能影響的研究[J]. 湖南飼料，2004，(3)：24-25
　　[8] AKHMEDOV, G. A. et al. Nutrition abstract and Reviews, 1982, 52(8):3984.
　　[9] 劉建昌，林潔榮，蘇水金，等. 添加纖維酶制劑對奶牛產奶性能的影響[J].中國畜牧雜志，2001，37(3)：31-32.
　　[10] 朱元招，劉亞力，陳宏，等. 補飼不同配方酶制劑對斷奶犢牛生產性能的影響[J]. 中國草食動物，2001，3(3)：15-16.
　　[11] 祁宏偉，胡成華，蘇秀俠，等. 不同水平復合纖維素酶對肉牛增重的影響[J]. 飼料工業，2000，21(5)：28-29.
　　[12] 何長芳，韓增祥，李長慧，等. 纖維素復合酶不同添加量對舍飼綿羊增重的影響[J]. 中國飼料，2004，(5)：28-30.
　　[13] 尹清強，陳樹興. 纖維素酶制劑對綿羊瘤胃內蛋白酶、CMC酶活及揮發性脂肪酸產量的影響[J]. 草與畜雜志，1998，(2)：9-10.
　　[14] 朱國生，李中利. 添加纖維素酶制作玉米秸青貯料飼喂奶山羊的試驗效果[J]. 飼料博覽，2002，(9)：42.

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這里借花獻佛，也貼一篇有關纖維素酶的資料，在此分享：

纖維素酶的研究進展

地球每年通過光合作用可以產生數億噸的植物干物質，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利用。

纖維素半纖維素“酶學降解生產簡單糖”是公認最理想的轉化方法，因此，纖維素酶和半纖維素酶的研究也就成為了生物學領域的重要課題之一。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、造紙及紡織等領域都有很大的應用價值。

纖維素酶用于飼料中，可明顯提高飼料利用率，改善粗飼料的營養價值，降低飼料成本，具有廣闊的開發應用前景。

1.纖維素酶的結構及功能

纖維素酶根據其催化反應功能的不同可分為內切葡萄糖苷酶(來自真菌的簡稱為EG,來自細菌的簡稱Cen)、外切葡萄糖苷酶(來自真菌的簡稱CBH,來自細菌的簡稱Cex)和纖維二糖酶(簡稱BG)。大多數纖維素酶都有一個或幾個催化結構域(catalytic domain,CD)和纖維素結合結構域(cellulose bingding domain,CBD)組成。由一段柔性的連接肽(lingker peptide)連接CD與CBD。內切葡聚糖酶隨機切割纖維素多糖鏈內部的無定性區,產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生葡萄糖。

2.纖維素酶的基因克隆及表達

工業化生產纖維素酶常會碰到一些問題，如:產生纖維素酶的菌種容易退化，導致產酶能力降低；因為纖維素酶是3種酶共同起作用，所以產生的纖維素酶難于進行提純。隨著生物技術的迅猛發展，通過基因克隆得到編碼纖維素酶的核苷酸序列，并進行異源表達，可以很好的解決這些問題，并已取得一定的進展。2003年，我國中科院上海生物化學所王驥從軟體動物福壽螺中分離得到了一個同時具有外切-β-1,4-葡聚糖酶、內切-β-1,4-葡聚糖酶和內切-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畢赤酵母表達系統中，成功表達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下顯示出較高的穩定性。EGX可以把未經處理的天然干稻草水解成為簡單糖,并且100Mm
的纖維二糖對其無反饋抑制作用,顯示出了較好的應用潛力。2007年從福壽螺中克隆得到EG65內切-β-1,4-葡聚糖酶，并在畢赤酵母中成功表達出有活性的酶蛋白。

3.纖維素酶在飼料中的應用

纖維素酶作為飼料添加劑，在動物體內的主要營養作用有：

①增加內源酶，既可補充體內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，它們與纖維素酶協同作用于天然纖維素，形成可被動物利用的還原糖及揮發性脂肪酸；

②改善胃中菌群關系。纖維素酶可促進有益微生物生長，提高微生物對飼料的消化作用，同時增加單細胞蛋白含量；

③消除抗營養因素。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生的黏性，促進內源酶的擴散；

④提高粗蛋白和粗脂肪的消化以及與細胞壁結合的礦物質的吸收；

⑤提高小腸絨毛的完整性，促進小腸對營養物質的吸收；

⑥對無瘤胃動物來說，可改善其消化道的環境，增加酸度，激活胃蛋白酶。

4.飼用纖維素酶的應用前景

飼料纖維素酶可明顯提高飼料利用率，改善粗飼料的營養價值，降低飼料成本，具有廣闊的開發應用前景。隨著現代生物技術的飛速發展，酶的生產技術和菌種篩選的不斷探索，酶的活力單位在不斷提高，酶的生產成本不斷下降，對酶的應用研究不斷加強，使纖維素酶在飼料中的應用出現了光明的前景。在沒有找到新的飼料源取代常規飼料之前，纖維素酶在未來的動物生產中，將會起到不可低估的作用。

hahachina

成纖維素酶專欄了, 這樣挺好.