小議畜牧生產中纖維素酶的應用

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纖維素酶對底物分子必須先進行吸附作用才能再產生降解作用。纖維素酶反應與其他一般酶反應的最主要區別是纖維素酶是底物結構十分復雜的多組分酶系，因底物的水不溶性，纖維素酶與底物形成酶－底物復合物(ES)的過程被其吸附作用所代替。纖維素酶首先是特異性地吸附在底物纖維素上，纖維素再經幾種組分酶的作用而被降解為葡萄糖。目前纖維素酶對纖維素的降解作用機制并不十分明確。至今關于C1酶、Cx酶和β－1，4葡萄糖苷酶3種酶的作用機制有C1－Cx假說、順序作用假說和協同作用模型，其中協同理論被廣為接受。Reese等(1950)提出了C1－Cx假說，認為必須經不同的酶協同作用，才能將纖維素徹底水解為葡萄糖。C1酶作用于纖維素酶的非結晶區，使纖維素膨脹變形，然后在外切酶和β－葡萄糖苷酶的作用下產生二糖和葡萄糖。順序作用假說則認為，先是內切酶隨機作用于纖維素的葡萄糖苷鍵上而打開缺口，再在外切酶作用下，在新生鏈末端切下1個纖維二糖，然后β－葡萄糖苷酶使其水解成葡萄糖。協同作用模型理論認為，首先內切葡萄糖酶作用于纖維素非結晶區，形成外切纖維素酶需要的新游離末端，外切纖維素酶再從多糖鏈的非還原端切下纖維二糖單位，然后纖維二糖單位經過β－葡萄糖苷酶的水解，從而得到葡萄糖。

生產纖維素酶的生物在自然界中廣泛存在，其中可以分泌纖維素酶的微生物主要有霉菌和擔子菌等真菌，也有細菌、放線菌和一些原生動物，并且在一些動物的體內也都含有豐富的纖維素酶，如:在牛胃、蝸牛胃液及木蠹蛾唾液中都發現了纖維素酶的存在。傳統的生產纖維素酶的工藝主要有液體發酵和固體發酵2種方式。固體發酵法生產工藝是主要用玉米和稻草等植物秸稈作為原料，接種微生物以進行發酵工藝，具有投資少、工藝簡單且產品價格低廉等優點。但固體發酵同時也有一些缺點，如:其勞動強度較大、大規模生產所需成本高、其生產效率低且容易受雜菌污染等。液體發酵法生產過程是以低于20目的標準粉碎玉米秸稈，然后滅菌處理，再進發酵罐發酵，接入纖維素酶菌種，在低于60℃發酵70h，隨之從發酵罐底部通進凈化無菌空氣，氣流攪拌物料，物料發酵完后需要經過壓濾機壓濾、超濾濃縮及噴霧干燥過程，從而得到纖維素酶產品。此法在某些方面彌補了固體發酵的缺點，但因其培養周期較長，設備要求較高和產生的廢水不易處理等缺點而制約著纖維素酶的生產。目前在生產纖維素酶中應用固定化細胞與生物床等現代技術，這些方法融合了固體發酵與液體發酵的優點，相比更適于規?；a纖維素酶，應得到不斷研究與發展。

纖維素酶的生物學功能

纖維素酶可以消除飼料中的抗營養因素，提高飼料養分消化率。在單胃動物體中，有助于消化道環境的改善，增加酸度，激活胃蛋白酶;利于改善小腸絨毛完整性和營養物質的吸收強度。在反芻動物日糧中添加纖維素酶，能彌補動物體內微生物產生纖維素酶量的不足，同時增強與半纖維素酶、淀粉酶和蛋白酶等酶的協同作用，利于改善營養物質的吸收狀況。另外，在治療草食家畜的胃腸疾病時，纖維素酶也得到了應用。有相關研究表明:纖維素酶可以促使飼料中纖維素和半纖維素的分解，直接降低其致病因素，也可增加可溶性物質含量，促進有益微生物的活動。同時，纖維素酶產生菌可形成一些能調整胃腸道菌群并促進廢物及有害物排出的物質。陳俠甫等認為，纖維素酶在牛的前胃遲緩、瘤胃膨脹和積食及馬的急慢性消化不良和便秘等疾病方面都有較好的治療效果，并且經多位研究者的治療試驗，其治愈率高達98.9%，表現出此酶制劑的療效高、療程短、無不良反應且經濟方便。

纖維素酶在反芻動物生產中的應用

反芻動物日糧中添加適量的纖維素酶，可以提高飼料消化率和利用率、改善瘤胃的發酵功能、加強營養物質的吸收、增加動物體的日增質量，且可改善產奶量和奶品質。瘤胃微生物區系結構正常時，纖維素酶的添加能提高粗纖維和一些營養物質的酵解強度及消化吸收水平。若瘤胃發生病理變化，微生物區系失去平衡而進入腐解過程，此時高活性纖維素酶會迅速發揮作用，調整微生物區系結構，使區系的平衡關系與酵解、吸收及合成過程得到恢復。焦平林等(1996)在閹牛日糧中添加纖維素酶，每頭牛每天添加纖維素酶量40g，進行60d飼喂，結果表明:加酶組的日增質量比對照組提高了19.6%，差異極顯著。在用荷斯坦奶牛進行的試驗中，試驗組奶牛的纖維素酶以每天每頭牛50g的量添加，結果表明:試驗組奶牛在68d總產奶量與對照組相比提高了8.5%，差異顯著。付連勝等(1998)在成年奶牛及育成牛的瘤胃功能狀態正常時，飼喂纖維素酶5d，相比飼喂前，糞便干物質減少了30%，封閉式牛舍在1周后的氨含量降低了約70%，采食粗飼料量增加了8%～10%，尿中尿素降低58.9%，對懷孕奶牛于產前30d飼喂纖維素酶，在其分娩后，沒有出現生理性消化不良癥狀，胎兒無畸形和弱胎且增質量1.5～3kg。趙長友等(1998)對纖維素酶在草食動物日糧中較好的應用效果進行了綜述。尹清強和陳樹興(1998)在對綿羊的研究中，每天每只羊飼喂30g纖維素酶能顯著提高其瘤胃液中的蛋白酶和羧甲基纖維素鈉(CMC)酶的活力及乙酸、丙酸和丁酸的產量(P＞0.05)。金加明等(2007)使小麥秸稈經纖維素酶酶解后飼喂小尾寒羊，每只試驗羊的平均日增質量148g，與對照組相比提高68.2%(P＜0.05);56.1元的盈利高出對照組32.7元，提高經濟效益139.7%。

纖維素酶在單胃動物生產中的應用

在雞和豬等單胃動物的日糧中，主要以玉米、餅粕和糠麩等植物性飼料進行配制，因而含有一定量的纖維素。單胃動物的腸道中，存在一些微生物可降解部分的纖維素，卻不可以分泌能斷裂β－1，4糖苷鍵的內源酶，故單胃動物對飼料中存在的纖維素不能夠進行有效地利用。此外，動物體對營養物質的消化和吸收會因纖維素的交錯、纏繞和黏附而受到阻礙，纖維素的這種性質也會對腸道微生物菌群的平衡產生影響。添加纖維素酶于單胃動物的日糧中可以起到營養和保健雙重作用。秦江帆等(1996)以提高肉用仔雞日糧中富含纖維素的麥麩的比例來進行試驗，分別添加了0、0.05%和0.1%的纖維素酶制劑，結果與對照組相比，添加0.1%纖維素酶組在1～2、3～6和7～8周生長階段的日增質量分別提高4.31%、4.54%和4.13%，耗料比分別下降1.56%、4.50%和4.3%。說明添加外源酶制劑可以在一定程度上補充不足的內源酶，并且可以消除一些抑制營養消化吸收的物質，大大促進仔雞生長發育。徐奇友(1998)在蛋雞的產蛋期間，在日糧中分別添加0.1%、0.15%和0.5%纖維素酶，結果產蛋率分別提高了0.53%、1.25%和2.88%，添加酶量為0.15%和0.5%組的破蛋率分別降低了34.49%和16.19%，蛋殼強度則相對提高了14.71%和8.41%。尹清強等(1993)研究了在AA肉雞日糧中添加0.02%和0.05%纖維素酶的試驗，56d后，2組AA肉雞的體質量分別提高了3.10%和2.88%(P＜0.05)。前蘇聯學者在生長育肥豬日糧中添加0.04%的纖維素酶，結果使豬的平均日增質量提高了10.07%(P＜0.05)，而添加0.3%木霉纖維素酶于以大麥為主的生長豬日糧中，飼料養分消化利用率可以提高2.5%～3.5%(P＜0.05)。李德發等(2001)做了纖維素酶對生長豬的作用效果試驗，結果表明，適量添加纖維素酶可以改善生長育肥豬的生長性能和品質。

纖維素酶的發展前景

我國的飼料資源比較短缺，影響著我國畜牧業的發展，所以必須解決好飼料問題以發展畜牧業。纖維素是自然界中十分豐富的資源，可通過有效利用農副產品的下腳料、秸稈和糠類來生產纖維素酶制劑，進而提高畜禽的生產性能，提高飼料的消化率和利用率，改善飼料的營養價值，提高經濟效益，故而纖維素酶具有廣闊的發展前景。目前，纖維素酶在有著工業和市場潛力的同時也存在大量需要解決的問題。在今后的飼料工業纖維素酶的相關研究與應用中，需要不斷加強基礎性研究工作，包括菌種選育和發酵提取工藝等;要合理利用基因重組技術進行高活性菌株的選育，降低生產成本的同時提高產酶活性;并且要合理制定與規范國內纖維素酶統一的質量標準與檢測方法。（本文作者：袁翠林、王利華 單位：青島農業大學動物科技學院）