纤维素酶及其在反刍动物上的应用

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　　纤维素酶及其在反刍动物上的应用

　　Cellulase and Application in Ruminant

　　李世霞 徐爱秋 颜怀宇

　　(扬州大学动物科学与技术学院，扬州，225009)

　　摘要：纤维素酶能降解纤维物质生成葡萄糖，是一种新型的饲料添加剂。本文综述了纤维素酶的分类与作用机制、生产工艺、营养功能以及在奶牛、肉牛、绵羊、山羊上的应用。
　　关键词：纤维素酶;反刍动物;应用
　　纤维素作为植物光合作用的主要多糖类产物,是地球上最为丰富的可再生性天然资源。但是目前我国大部分的纤维素资源如秸秆都被烧掉，不仅造成了资源的浪费，也给环境造成了严重的污染。纤维素是由β- D 葡萄糖分子以β(1→4) 糖苷键连接而成的直链多糖类物质[1]。纤维素酶能降解纤维素生成葡萄糖，在饲料中添加纤维素酶能提高纤维素的降解率，而且也能有效地利用了纤维素资源。
　　1 纤维素酶的分类与作用机制
　　纤维素酶包括多种水解酶,分为三大类: (1)外切型葡聚糖酶，又被称为Cl酶、微晶纤维素酶、纤维二糖水解酶，此酶广泛存在于菌丝状真菌。外切型葡聚糖酶能有效地降解晶体纤维素，但对羧甲基纤维素无效，此酶的催化作用可将短链的非还原性末端纤维二糖残基逐个切下。(2)内切型葡聚糖酶，又被称为Cx酶、CMC酶(羧甲基纤维素酶)，所有纤维素分解菌均能产生此酶。内切型葡聚糖酶主要分解酸膨胀纤维素和羧甲基纤维素，但不能有效地分解晶体形态纤维素。此酶能以随机切割方式内切纤维素聚合体并产生纤维素糊精、纤维二糖及葡萄糖。(3)β-葡聚糖苷酶，又称纤维二糖酶、β-1，4-糖苷酶，此酶广泛存在于微生物中，纤维二糖、七叶树苷均被此酶水解产生葡萄糖或芳基残基。一般将纤维二糖或纤维寡糖水解成葡萄糖分子，不直接作用于纤维素分子[2]。
　　2 纤维素酶的生产工艺
　　纤维素酶同其它酶制剂一样主要通过微生物发酵的方法制得，大体工艺是[3]：通过筛选、诱变、纯化，筛选出具有分泌所需酶能力的微生物菌株(主要是细菌、真菌)，或通过基因重组技术，将产酶基因转移到成本低、能大规模生产的微生物内，进行菌株扩大培养，接种于灭菌原料中，液体或固体发酵后，提取、浓缩、包被(提高其抗热、抗酸碱性能)、载体吸附、干燥、粉碎，制成粗(浓)酶制剂，分装。其生产工艺流程图如下：
　　
　　3 纤维素酶的营养功能
　　纤维素酶作为饲料添加剂，在动物体内的营养功能主要是：(1)补充内源酶，特别是
　　对于草食动物来说，可以补充体内微生物含纤维素酶量的不足。如同时增加其他酶制剂如半纤维素酶、淀粉酶、果胶酶和蛋白酶等，它们与纤维素酶协同作用于天然纤维素原料，可以
　　更多的形成葡萄糖及挥发性脂肪酸为动物利用。(2)消除抗营养因子，果胶、半纤维素、葡聚糖和戊聚糖部分溶解在水中产生粘性，增加了动物胃肠道内容物的粘度，对内源酶而言是一个物理障碍，导致饲料消化吸收利用率降低，同时粘稠的消化道内容物容易引起有害微生物的滋生，增加胃肠疾病的发生率。添加纤维素酶可减低粘稠度，促进内源酶的扩散，增强养分的消化吸收，增大肠道内容物的流动性，有效降低有害微生物附着滋生的可能性[4]。(3)改善胃中菌群关系，纤维素酶可促进有益微生物生长，提高微生物对饲料的分解，同时增加单细胞蛋白含量[5]。(4)饲用纤维素酶之所以具有提高畜禽体增重、降低料肉比的功效，还因为纤维素酶制剂本身是一种由蛋白酶、淀粉酶、果胶酶和纤维素酶等组成的多酶复合物。在这种多酶复合体系中一种酶的产物可以成为另一种酶的底物，从而使消化道内的消化作用得以顺利进行。也就是说纤维素酶除直接降解纤维素，促进其分解为易被动物所消化吸收的低分子化合物外，还和其他酶共同作用提高畜禽对饲料营养物质的分解和消化。(5)纤维素酶可以提高小肠绒毛完整性，促进小肠对营养物质的吸收[6]，对于无瘤胃动物来说，可改善消化道的环境，增加酸度，激活胃蛋白酶。
　　4 纤维素酶在反刍动物生产上的应用
　　在瘤胃微生物区系结构正常的情况下,添加纤维素酶能以几倍的效率提高粗纤维和其他营养物质的酵解强度,提高消化吸收水平。在瘤胃发生病理变化即微生物区系失去平衡进入腐解过程时，高活性纤维素酶能迅速调整微生物区系结构,恢复平衡关系和正常酵解、吸收、合成过程。
　　4.1 纤维素酶在奶牛上的应用
　　奶牛主要以粗纤维含量较高的植物茎叶等粗饲料为主要饲料，通过瘤胃微生物发酵产生的纤维酶将纤维素降解为易吸收的低分子糖。但由于瘤胃微生物产生的纤维素酶是有限的，外源补充可提高瘤胃中纤维素酶含量，达到提高降解纤维素的目的。金宏等[7]通过试验研究表明：在泌乳中期奶牛日粮种加入饲用纤维素酶对产奶量、乳脂率具有显著性影响，虽然各试验组的奶料比无显著差异，但与对照组相比差异显著，这样说明了添加纤维素酶可在一定程度上提高饲养效益，并得出纤维素酶既然能够提高奶牛产奶量，降低饲料消耗，就必将降低饲料报酬的结论。AKHMEDOV等 [8]在奶牛日粮中加入0.3g/饲料单位纤维素酶，可提高产奶量13.3%-22.8%，同时可使每公斤产奶量所耗饲料下降12%-17%。刘建昌等[9]在日粮的配合精饲料中添加0.1%的纤维酶制剂，研究其对荷斯坦奶牛生产性能的影响，试验结果表明添加纤维酶的试验组与酶添加纤维酶的对照组每头牛平均日产奶量分别为16.36kg和14.24
　　kg，试验组比对照组提高了14.89%，乳汁率也较对照组有所提高。
　　4.2 纤维素酶在肉牛上的应用
　　大多数试验表明，在肉牛精料中无论以何种形式添加纤维素酶等非淀粉多糖酶，均可促进对日粮营养物质的利用。朱元招等[10]报道，饲喂添加纤维素酶日粮的犊牛，日增重提高了7.51%(P<0.05)，混合精料、粗料与增重比各下降7.0%(P<0.05)和1.23%(P<0.05)并且犊牛断奶后对粗料的适应性有所增加。祁宏伟等[11]证实，饲喂含复合纤维素酶日粮的肉牛，其平均日增重有随复合纤维素酶添加量增加而增加的趋势，通过日增重及经济效益综合分析，确定了纤维素酶添加量以0.2%为宜。
　　4.3 纤维素酶在绵羊上的应用
　　尹清强等添加30g/头·d纤维素酶到绵羊日粮中，使处于牧草丰盛期和干枯期的恶绵羊日增重分别提高了5.4%和4.9%，同时使羊毛产量提高5.04%。何长芳[12]等经过试验表明：饲喂羔羊时,日粮中纤维素复合酶的添加量达到一定量时,可提高舍饲羔羊对饲料中纤维素、半纤维素的消化率。尹清强等[13]经试验表明：纤维素酶可提高绵羊瘤胃内胃蛋白酶和羧甲基纤维素酶的活性，提高瘤胃内挥发性脂肪酸的产量，通过提高日粮中粗纤维和其它营养物质的消化率而达到促进动物生产的目的。
　　4.4 纤维素酶在山羊上的应用
　　制作玉米秸青贮料时添加纤维素酶，可以提高青贮饲料的营养价值。朱国生等[14]用添加纤维素酶的玉米秸青贮料饲喂奶山羊得出：采食添加纤维素酶的玉米秸青贮料使奶山羊的体增重、产乳量、饲料利用率及经济效益等指标均优于不添加纤维素酶的对照组。
　　5 纤维素酶的研究前景
　　纤维素酶作为一种新型饲料添加剂，可提高粗饲料的消化率和利用率，改善饲料营养价值，降低饲料消耗，使不能消化的营养物质得到部分消化，降低饲料成本，提高经济价值。随着纤维素酶的检测方法、作用机制、酶系组成、耐热性、作用温度、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、基因表达、纤维素酶蛋白分子的改造和设计等, 可获得高产纤维素酶, 扩大纤维素酶的应用范围。但纤维素酶目前在应用方面还存在一些问题，如：各种动物的最佳添加量问题;加工、贮存对酶活的影响以及饲料中的其他物质对纤维素酶的影响等。总之，随着人们对纤维素酶研究工作的深入，纤维素酶必将在饲料领域中发挥越来越大的作用。
　　参考文献：
　　[1] 王燕. 纤维素酶与饲料生产[J]. 黑龙江畜牧兽医，1999，(7)22-23.
　　[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. 新型饲料添加剂开发与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2005. 14-15.
　　[4] 张勇，陶青燕. 纤维素酶的应用进展[J]. 中国饲料，2002，(4)：17-18.
　　[5] 戴四发，金光明，王立克，等. 纤维素酶研究现状及其在畜牧业中的应用[J]. 安徽技术师范学院学报，2001，15(3)：32-38.
　　[6] 尹清强，陈侠甫. 纤维素酶对兔日增重、肠绒毛结构、胃内容物及肝、睾丸内无机元素含量的影响[J]. 黑龙江畜牧兽医，1992，(1)：14-15.
　　[7] 金宏，陈清华，沈建新，等. 纤维素酶对奶牛生产性能影响的研究[J]. 湖南饲料，2004，(3)：24-25
　　[8] AKHMEDOV, G. A. et al. Nutrition abstract and Reviews, 1982, 52(8):3984.
　　[9] 刘建昌，林洁荣，苏水金，等. 添加纤维酶制剂对奶牛产奶性能的影响[J].中国畜牧杂志，2001，37(3)：31-32.
　　[10] 朱元招，刘亚力，陈宏，等. 补饲不同配方酶制剂对断奶犊牛生产性能的影响[J]. 中国草食动物，2001，3(3)：15-16.
　　[11] 祁宏伟，胡成华，苏秀侠，等. 不同水平复合纤维素酶对肉牛增重的影响[J]. 饲料工业，2000，21(5)：28-29.
　　[12] 何长芳，韩增祥，李长慧，等. 纤维素复合酶不同添加量对舍饲绵羊增重的影响[J]. 中国饲料，2004，(5)：28-30.
　　[13] 尹清强，陈树兴. 纤维素酶制剂对绵羊瘤胃内蛋白酶、CMC酶活及挥发性脂肪酸产量的影响[J]. 草与畜杂志，1998，(2)：9-10.
　　[14] 朱国生，李中利. 添加纤维素酶制作玉米秸青贮料饲喂奶山羊的试验效果[J]. 饲料博览，2002，(9)：42.

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感谢楼主分享好资料，收藏。

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纤维素酶的研究进展

地球每年通过光合作用可以产生数亿吨的植物干物质，其中最主要的成分是纤维素和半纤维素，纤维素和半纤维素也因此成为世界上最丰富的可再生资源，然而，目前为止，这部分资源还没有得到充分的开发利用。

纤维素半纤维素“酶学降解生产简单糖”是公认最理想的转化方法，因此，纤维素酶和半纤维素酶的研究也就成为了生物学领域的重要课题之一。纤维素酶可以将纤维素直接降解为简单糖及葡萄糖，因此在饲料、食品、造纸及纺织等领域都有很大的应用价值。

纤维素酶用于饲料中，可明显提高饲料利用率，改善粗饲料的营养价值，降低饲料成本，具有广阔的开发应用前景。

1.纤维素酶的结构及功能

纤维素酶根据其催化反应功能的不同可分为内切葡萄糖苷酶(来自真菌的简称为EG,来自细菌的简称Cen)、外切葡萄糖苷酶(来自真菌的简称CBH,来自细菌的简称Cex)和纤维二糖酶(简称BG)。大多数纤维素酶都有一个或几个催化结构域(catalytic domain,CD)和纤维素结合结构域(cellulose bingding domain,CBD)组成。由一段柔性的连接肽(lingker peptide)连接CD与CBD。内切葡聚糖酶随机切割纤维素多糖链内部的无定性区,产生不同长度的寡糖和新链的末端。外切葡聚糖酶作用于这些还原性和非还原性的纤维素多糖链的末端,释放葡萄糖或纤维二糖。葡萄糖苷酶水解可溶的纤维糊精和纤维二糖产生葡萄糖。

2.纤维素酶的基因克隆及表达

工业化生产纤维素酶常会碰到一些问题，如:产生纤维素酶的菌种容易退化，导致产酶能力降低；因为纤维素酶是3种酶共同起作用，所以产生的纤维素酶难于进行提纯。随着生物技术的迅猛发展，通过基因克隆得到编码纤维素酶的核苷酸序列，并进行异源表达，可以很好的解决这些问题，并已取得一定的进展。2003年，我国中科院上海生物化学所王骥从软体动物福寿螺中分离得到了一个同时具有外切-β-1,4-葡聚糖酶、内切-β-1,4-葡聚糖酶和内切-β-1,4-木聚糖酶3种活性的多功能酶(EGX)。并将该多功能纤维素酶基因重组进毕赤酵母表达系统中，成功表达出具有多种活性的多功能纤维素酶。在50～55℃具有最大酶活力,在pH值5.0～10.8下显示出较高的稳定性。EGX可以把未经处理的天然干稻草水解成为简单糖,并且100Mm
的纤维二糖对其无反馈抑制作用,显示出了较好的应用潜力。2007年从福寿螺中克隆得到EG65内切-β-1,4-葡聚糖酶，并在毕赤酵母中成功表达出有活性的酶蛋白。

3.纤维素酶在饲料中的应用

纤维素酶作为饲料添加剂，在动物体内的主要营养作用有：

①增加内源酶，既可补充体内微生物形成纤维素酶量的不足，又可增加其他酶，如半纤维素酶、淀粉酶、果胶酶和蛋白酶等，它们与纤维素酶协同作用于天然纤维素，形成可被动物利用的还原糖及挥发性脂肪酸；

②改善胃中菌群关系。纤维素酶可促进有益微生物生长，提高微生物对饲料的消化作用，同时增加单细胞蛋白含量；

③消除抗营养因素。纤维素酶可降低因部分果胶、半纤维素、葡聚糖和戊聚糖溶解在水中而产生的黏性，促进内源酶的扩散；

④提高粗蛋白和粗脂肪的消化以及与细胞壁结合的矿物质的吸收；

⑤提高小肠绒毛的完整性，促进小肠对营养物质的吸收；

⑥对无瘤胃动物来说，可改善其消化道的环境，增加酸度，激活胃蛋白酶。

4.饲用纤维素酶的应用前景

饲料纤维素酶可明显提高饲料利用率，改善粗饲料的营养价值，降低饲料成本，具有广阔的开发应用前景。随着现代生物技术的飞速发展，酶的生产技术和菌种筛选的不断探索，酶的活力单位在不断提高，酶的生产成本不断下降，对酶的应用研究不断加强，使纤维素酶在饲料中的应用出现了光明的前景。在没有找到新的饲料源取代常规饲料之前，纤维素酶在未来的动物生产中，将会起到不可低估的作用。

hahachina

成纤维素酶专栏了, 这样挺好.