木聚糖酶在畜禽生产上的应用

mche2005

木聚糖酶在畜禽生产上的应用
如何合理利用麦类及杂粕类等非常规饲料原料来降低养殖成本,已成为近年国内动物营养与饲料科学领域的一个研究热点。 但非常规饲料原料小麦和杂粕中含有的阿拉伯木聚糖等抗营养因子难于被单胃动物消化吸收,使谷物籽实中的营养物质不能被充分暴露于动物消化液的表面,并能使消化道食糜粘度增加,导致饲粮养分消化率和饲养效果降低,从而制约了麦类饲料的大量应用。 经研究者发现, 绿色、 无残留木聚糖酶的添加可将木聚糖降解成低聚糖和木糖,提高谷物类饲料养分的利用率,提高畜禽的生产性能,具有很好的社会效益和经济效益。
1 木聚糖的分布和结构
阿拉伯木聚糖(Arabinoxylan)是一种多聚五碳糖,在植物细胞壁中的含量仅次于纤维素, 约占细胞干重的 7%～ 35%,在小麦中的含量高达 48%。它存在于陆生植物的细胞壁中, 几乎植株的所有部位都含有。主要由阿拉伯糖和木糖组成,主链由吡喃木糖残基以 β -1,4 糖苷键相连,阿拉伯糖残基、 少数己糖和己糖醛酸等取代基与木糖残基 C- 2 或者 C- 3 发生取代反应。
木聚糖的水溶性和持水性由分子的大小和结构决定。大多数木聚糖的溶解性都很差,但是当木聚糖的侧链发生阿拉伯糖取代时, 增加了木聚糖分子与水的接触面积, 就会使阿拉伯木聚糖的水溶性大大增加,其抗营养作用就更为突出。阿拉伯木聚糖的水溶性还受到阿拉伯糖和木糖组成比例的影响。阿拉伯木聚糖的粘度主要是由大分子量的可溶性聚合物引起的。
2 木聚糖酶的来源、 结构和酶学性质
木聚糖酶的酶源在自然界分布广泛而且相当丰富,在海洋及陆地细菌、 海洋藻类、 真菌和酵母以及反刍动物瘤胃、 蜗牛、 甲壳动物、 陆地植物组织和各种无脊椎动物中都存在。 目前在饲料工业中使用的酶制剂基本上是由微生物发酵生产的。在分子水平上, 木聚糖酶由功能或非功能结构域和连接区组成, 功能结构域又可进一步分为催化结构域和纤维素结合结构域( Cellulose Binding Domain,CBD)。木聚糖酶的催化结构域决定酶的水解特性, 并作为该酶分类的基础。 木聚糖酶的氨基酸组成在数量上变化很大, 但其催化结构域趋向一致。CBD存在于许多木聚糖酶分子中, 它在功能和氨基酸组成上与纤维素酶分子中的 CBD相似: ①在靠近 N末端和 C末端分别有一个半胱氨酸;②除甘氨酸、 天冬氨酸之外,还含有 4 个高度保守的色氨酸残基;③带电荷氨基酸的含量较少。非功能构域主要是连接序列, 连接区连接在催化结构域和 CBD之间, 并赋予了蛋白质结构的柔韧性。 此序列的长度变化很大, 为 6～ 59 个氨基酸。该序列中或含有较多的脯氨酸, 或带羟基的氨基酸, 或两者都有。根据酶的来源不同, 连接区的序列长度和它们所含有的脯氨酸和带羟基的氨基酸数量都不同。
木聚糖酶类主要包括 3 类: ①内切-β - 1,4- 木聚糖酶, 从木聚糖主链的内部切割 β - 1,4 糖苷键,使木聚糖溶液的粘度迅速降低,是木聚糖降解酶中最关键的酶;②外切-β - 1,4- 木聚糖酶,以单个木糖为切割单位作用于木聚糖的非还原性末端,使反应体系的还原性不断增加;③β - 木糖苷酶,切割低聚木糖和木二糖,有助于木聚糖彻底降解为木糖。
曾莹等研究表明, 用黑曲霉 An54- 3 发酵啤酒糟生产的木聚糖酶最适反应温度为 55 ℃, 温度适应性较宽,在 30~60 ℃范围内相对酶活力都在 85%以上;最适反应 pH 值为 4.6~5.0;该粗酶粉热稳定性良好。 在干燥的条件下,90 ℃高温处理 60 min 后, 虽然酶活力有所下降,但大部分酶活力可以保持,说明此酶可耐受饲料制粒过程中的 80 ℃、 30 s 的热处理, 是一种较为理想的饲用酶制剂。王爱娜等研究报道, 嗜热毛壳菌木聚糖酶在 40~60 ℃表现较高的水平, 实验室条件下的100 ℃以内的加热不会导致酶活性的严重损失。嗜热毛壳菌木聚糖酶活性的适宜的 pH 值范围为3.2~4.4。
Ingelbrecht 等( 2000)比较了分别来自枯草杆菌、曲霉菌和木霉菌的 3 种木聚糖酶的水解效率, 结果表明, 来自枯草杆菌的细菌性木聚糖酶的水解效率最高, 能高效降解底物, 而且细菌性木聚糖酶较真菌性木聚糖酶有更广的 pH 值活性范围, 可以更加有效地在不同动物的胃肠道中发挥作用。
张晓晖等运用平板初筛和发酵复筛的方法, 从 6 株斜面保存菌中, 筛选出 3 株产木聚糖酶的菌种: 康氏木霉 3.590、 康氏木霉3.549 和里氏木霉 QM9414, 其中康氏木霉 3.590 产木聚糖酶活力最高, 达 40.781 52 U/ml, 并对其酶学性质进行了初步研究, 得到其反应的最适温度为 60 ℃和最适 pH 值 5.6。
3 木聚糖酶的理化性质
木聚糖酶的来源不同,组成和性质也因此不同,但它们的理化性质有很多相似性。通常分子量为 8～ 145 kD,等电点一般 3～ 10, 在 pH 值 3～ 10 时稳定, 反应的最适 pH 值范围 4～ 7, 在 pH 值 2.5～ 12 内能保持 85%的酶活性; 它的最适温度为 40～ 60 ℃, 60 ℃时酶活性保持在 80%, 以后随温度升高而下降。一般细菌所产木聚糖酶比真菌所产木聚糖酶热稳定性好, 通常干燥的酶有较大的抗热性, 但湿热很快失活。木聚糖酶的氨基酸组成主要为丙氨酸、 谷氨酸、 甘氨酸、 丝氨酸和苏氨酸等。根据酶分子量大小可将其分为分子量小于30 kD的通常为碱性蛋白的酶和分子量大于 30 kD的通常为酸性蛋白的酶两大类。
4 木聚糖酶的营养生理功能
破坏植物细胞壁,释放被束缚的营养物质,提高养分和能量的利用率;提高内源消化酶的活性,促进养分的消化吸收,也能克服幼年动物由于内源酶不足而引起的消化不良;酶水解产物低聚木糖和木糖能增加肠道内有益菌的数量,降低畜禽腹泻率, 增强体质健康,减少排泄物及对环境的污染;降低肠道内容物的粘度,提高饲料转化率, 促进畜禽的生长;畜禽日粮中的蛋白质在酶制剂的作用下产生具有某些免疫活性的小肽,提高畜禽的免疫力。
5 木聚糖酶在畜禽生产中的应用
5.1 提高畜禽生产性能    Danicke 等( 2001)研究表明, 添加木聚糖酶显著增加肉鸡 0～ 21 d 体增重, 料重比稍有降低。Math-louthi 等( 2002)研究, 在小麦与大麦为基础的日粮中添加木聚糖酶与 β -葡聚糖酶显著降低了火鸡小肠内容物粘性, 提高增重和采食量与饲料转化率。张辉华等研究报道肉鸭日粮中添加木聚糖酶后, 肉鸭的末重、 日增重和日耗料量显著高于对照组(P<0.05);料重比显著低于对照组( P<0.05) ,但各木聚糖酶组之间差异不显著。但添加木聚糖酶并非添加越多效果越好,添加量超过一定水平, 生长性能并未有上升的趋势。
     王金全研究表明日粮小麦水平越高, 肉鸡的生产性能越差( 1～ 42 日龄) , 添加木聚糖酶后, 可以抵消小麦的抗营养作用。 添加木聚糖酶在 1～ 3 周龄肉鸡的效果明显好于 4～ 6 周。袁巧灵等研究表明, 仔猪日粮中添加木聚糖酶后, 平均日增重和饲料转化率分别比对照组提高了 23.32%和 7.25%, 差异均显著( P<0.05)。廖细古等研究报道, 在肉鸭玉米-豆粕-杂粕型日粮基础上添加 250 g/t 和 500 g/t 的木聚糖酶, 可以使整个阶段肉鸭生长增重比对照组提高 2.77%和 4.96%; 料重比下降 1.85%和 2.11%。
5.2 提高营养物质利用率
徐骏等研究报道, 在低蛋白水平日粮中通过添加木聚糖酶可以改善能量和蛋白的利用率, 使低蛋白水平日粮生长速度与正常水平相同甚至略有超过。 黄金秀等研究表明,仔猪饲粮中添加木聚糖酶后, 1 440 U/kg水平组的粗蛋白、 有机物、 钙、 磷、 ADF 和能量的消化率分别提高了 5.56%、 1.98%、 17.86%、 10.56%、 6.59%和 2.80%; 其中粗蛋白、钙和磷消化率达到了显著水平。除钙磷外,随着日粮中木聚糖酶的添加量由 0 增至 1 440 U/kg, 各养分消化率不断增加,改善作用至日粮中酶的添加量为 1 440 U/kg时达到最大; 而后加大酶的用量,养分消化率没有进一步的提高。
5.3 提高饲料的表观代谢能
王金全研究表明,木聚糖酶能够提高日粮代谢能0.29%～ 6.69%, 并且随着日粮中小麦水平和酶的添加量的提高, AME 的提高幅度越大, 平均为 3.18%。廖细古等研究报道, 在玉米- 豆粕- 杂粕型日粮基础上分别降低日粮表观代谢能 209、 313.5 kJ/kg 后再添加250 g/t 和 500 g/t 的木聚糖酶,对整个阶段肉鸭的生产性能都有所提高。何丽霞等研究表明, 添加木聚糖酶对提高家禽饲料的能值有较好的效果。 在能量饲料原料中,主要成分为细菌性内切酶的酶 A, 其木聚糖酶的代谢能当量值在 ME 0.25～ 1.22 MJ/kg之间; 主要成分为真菌性外切酶的酶 B, 其木聚糖酶的代谢能当量值在 ME 240.27～ 0.53 MJ/kg之间。 在产蛋鸡日粮中,酶 A的代谢能当量值在 ME 0.21～ 0.38 MJ/kg之间,酶 B的代谢能当量值在 ME 0.25～ 0.45 MJ/kg之间。
5.4 对小肠食靡和小肠绒毛组织形态的影响
木聚糖酶使食糜在整个肠道的停留时间缩短,一方面加快了食糜的排空速度, 减少了营养成分积累, 有利于养分在小肠的吸收扩散, 提高营养物质的总消化率; 另一方面降低了由于养分积累而滋生的有害微生物种类和数量, 从而减少动物疾病的发生,对动物的健康有利。
Danicke( 1999)也曾报道黑麦添加木聚糖酶饲喂仔鸡, 食糜在肠道停留时间比对照组缩短了 1 h。汪祖荣( 2005)研究的木聚糖酶使食糜在肉鸡整个消化道排空速率加快。王佳丽等研究报道, 0.05%、 0.1%0.2%、 0.3%水平木聚糖酶组雏鹅十二指肠段食糜 pH值皆比小麦组提高, 其中 0.3%酶制剂组的值最高, 比小麦组提高了 0.18( P>0.05) ; 小肠绒毛高度较小麦组改善效率分别为 24.12%、 53.34%、 60.64%、 33.32%0.2%、 0.3%水平酶组的小肠绒毛宽度比小麦组略有提高。
5.5 对消化器官指数的影响
杨桂芹等研究报道,小麦饲粮中添加 0.2%和 0.3%木聚糖酶能降低胃及十二指肠指数( P>0.05) , 添加0.3%木聚糖酶能降低空回肠及盲肠指数( P>0.05) ; 添加 0.1%和 0.2%木聚糖酶能降低肝脏指数( P>0.05) ;添加 0.3%木聚糖酶时能降低胰腺指数( P>0.05)。王金全等研究报道, 肉仔鸡小麦基础日粮添加木聚糖酶后能降低胰脏、 肝脏、 小肠、 肌胃和腺胃消化器官的相对重量( P>0.05)。
5.6 提高动物机体免疫力和体质健康
王金全等研究报道, 肉仔鸡小麦基础日粮添加木聚糖酶后, 肉仔鸡的脾脏、 胸腺和法氏囊的相对重量均提高(P>0.05),死淘率下降 60%(P<0.05)。 添加木聚糖酶对 T3、 GH、 INS激素水平表现出增高趋势( P>0.05)而 T4、 TSH 和 GLU水平加酶后有所降低(P>0.05)。陈清华等研究表明, 断乳仔猪的小麦基础日粮中添加木聚糖酶后仔猪血液尿素氮含量极显著升高( P<0.01)血糖、 T4、 白细胞介素 2(IL- 2)和血清胃泌素含量显著升高(P<0.05), T3 含量有上升趋势, 胰岛素(INS)含量却略有下降, 木聚糖酶可以通过影响仔猪代谢和免疫而促进仔猪生长。
5.7 对消化道酶活的影响
杨桂芹等研究报道, 在小麦饲粮中添加木聚糖酶能够改善肉鹅蛋白酶活性, 添加量为 0.2%时比小麦对照组高出 34.38%(P<0.01),效果最佳;木聚糖酶的添加同样能够改善肉鹅淀粉酶的活性,添加量 0.1%时比小麦对照组高出 20.57%(P<0.05),为最适添加量。
6 影响木聚糖酶作用效果的因素
6.1 存放时间对木聚糖酶活性的影响
    各种料型中木聚糖酶的活性都随时间的延长而逐渐降低。沈明泉等对不同储存条件对木聚糖酶活性影响的研究中表明, A、 B、 C、 D 4 种酶制剂中的木聚糖酶活力在室温条件下储存 40 d 后损失程度分别为 32.3%、 41.5%、 33.4%、 33.3%。其中 B 酶的活力损失最大,表明 B 酶中木聚糖酶的质量不高,其酶活易损失。且木聚糖酶的活力在储存的第 20 d 到第 30 d的损失相对较大, 而在第 30 d 到第 40 d, 其活力损失相对较小。
6.2 制粒过程对木聚糖酶活性的影响
     现在颗粒料制粒过程中有一个短暂的 75～ 93 ℃高温过程, 多数木聚糖酶在此高温下会大幅度地丧失活性。付生慧等研究表明木聚糖酶在 75、 85和 95 ℃温度条件下,制粒 5 min,酶活性的损失率分别为 15.58%、24.54%和 59.96%; 制粒 10 min, 酶活性的损失率分别为 19.80%、 27.40%和 61.93%。不同制粒温度间, 酶活性损失率差异极显著( P<0.01) , 不同制粒时间, 酶活性损失率差异显著( P<0.05)。所以对酶制剂采用包被处理可以提高其稳定性。
6.3 不同料型对木聚糖酶活性的影响
     王爱娜等研究报道, 将嗜热毛壳菌纤维酶加入预混合饲料、 浓缩饲料和配合饲料中,木聚糖酶的活性有一定程度的损失。其中,预混合饲料对木聚糖酶的活性影响最大,剩余的酶活为 15.41%,浓缩饲料剩余的酶活为 23.22%, 配合饲料剩余的酶活为 26.97%,且三者之间差异极显著(P<0.01)。
     不同的动物, 其胃肠道中的温度以及 pH 值环境是存在差异的, 作为饲料添加剂添加到饲料中的木聚糖酶, 要能够耐受动物胃肠道中的环境, 才能发挥其应有的功效。猪的消化道温度为 40 ℃,小肠 pH 值为5~7;鸡的体温为 41 ℃,腺胃至结肠内容物的 pH 值为2~7。 这与黑曲霉 An54- 3 所产木聚糖酶的酶学特性参数基本相吻合,因而将其用作饲料添加剂可发挥较高的活力。
6.5 金属离子对木聚糖酶活性的影响
      赵玉蓉等试验结果表明, 除 Na+和 Ca2+对木聚糖酶具有激活作用以及磷酸二氢钾和碘化钾对其酶活基本无影响外, 其它金属离子对木聚糖酶均起抑制作用,特别是 Cu2+
, 低浓度的 Cu2+可使木聚糖酶活性降低63.26%, 随着 Cu2+浓度的增加,木聚糖酶失活现象越来越严重,可高达 64.09%。另外,Mg2+、 Mn2+、 Zn2+、 Fe3+对木聚糖酶均有不同程度的抑制作用,且其抑制作用随其离子浓度的增加而有不同程度的加强。 王俊丽等研究表明, 不同水平梯度的离子组合对木聚糖酶活性有显著的影响。由于木聚糖酶来源不同,无机离子对其活性的影响情况也不尽相同。不同种类无机离子、 不同浓度的同种无机离子对木聚糖酶活性的影响各不相同。 同种离子在不同浓度下可表现出激活或抑制作用,不同离子之间还存在着互作效应。因此,在实际生产中还应考虑各种离子的综合影响。
6.6 木聚糖酶的稳定性
      稳定性对酶制剂特别是饲用酶制剂至关重要, 是影响酶制剂使用效果的关键因素。 细菌来源的木聚糖酶中普遍含有增加热稳定性的结构域, 与其中的催化结构域紧密连结在一起, 在热稳定性上要好于来自真菌的木聚糖酶。
6.7 饲用酶制剂性质
     酶制剂来源不同, 最适温度和最适 pH 值等条件也就不同。 此外不同菌株所产的酶, 其耐高温加工、 耐酸碱处理能力不同, 因而在生产中应用的效果不同。
7 小结
     随着生态畜牧业的发展, 饲用酶制剂作为一种无毒、 无害、 无残留的绿色添加剂, 在饲料工业和养殖业中得到越来越广泛的应用。目前玉米作为饲料原料供应日趋紧张, 制约了饲料工业及养殖业的持续发展, 而小麦则在某些地区出现积压趋势, 因此将小麦作为饲料原料开发利用具有一定的经济效益和社会效益。到目前为止, 已有近百种不同菌株的木聚糖酶被克隆或表达出来, 蛋白质工程技术、 定点突变技术二硫键的引入以及蛋白质体外定向进化技术等生物技术手段的运用, 对改造木聚糖酶的特性, 使酶的活性、 适应性、 抗逆性增强, 实现低成本、 产业化的商品生产。

虚竹

现在木聚糖酶的应用还是比较普遍的

renato

哪位高手有使用木聚糖酶的心得吗？