小議畜牧生產(chǎn)中纖維素酶的應(yīng)用

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纖維素酶對(duì)底物分子必須先進(jìn)行吸附作用才能再產(chǎn)生降解作用。纖維素酶反應(yīng)與其他一般酶反應(yīng)的最主要區(qū)別是纖維素酶是底物結(jié)構(gòu)十分復(fù)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(fù)合物(ES)的過(guò)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(jīng)幾種組分酶的作用而被降解為葡萄糖。目前纖維素酶對(duì)纖維素的降解作用機(jī)制并不十分明確。至今關(guān)于C1酶、Cx酶和β－1，4葡萄糖苷酶3種酶的作用機(jī)制有C1－Cx假說(shuō)、順序作用假說(shuō)和協(xié)同作用模型，其中協(xié)同理論被廣為接受。Reese等(1950)提出了C1－Cx假說(shuō)，認(rèn)為必須經(jīng)不同的酶協(xié)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(jié)晶區(qū)，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(chǎn)生二糖和葡萄糖。順序作用假說(shuō)則認(rèn)為，先是內(nèi)切酶隨機(jī)作用于纖維素的葡萄糖苷鍵上而打開(kāi)缺口，再在外切酶作用下，在新生鏈末端切下1個(gè)纖維二糖，然后β－葡萄糖苷酶使其水解成葡萄糖。協(xié)同作用模型理論認(rèn)為，首先內(nèi)切葡萄糖酶作用于纖維素非結(jié)晶區(qū)，形成外切纖維素酶需要的新游離末端，外切纖維素酶再?gòu)亩嗵擎湹姆沁€原端切下纖維二糖單位，然后纖維二糖單位經(jīng)過(guò)β－葡萄糖苷酶的水解，從而得到葡萄糖。

生產(chǎn)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(dān)子菌等真菌，也有細(xì)菌、放線菌和一些原生動(dòng)物，并且在一些動(dòng)物的體內(nèi)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(fā)現(xiàn)了纖維素酶的存在。傳統(tǒng)的生產(chǎn)纖維素酶的工藝主要有液體發(fā)酵和固體發(fā)酵2種方式。固體發(fā)酵法生產(chǎn)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(jìn)行發(fā)酵工藝，具有投資少、工藝簡(jiǎn)單且產(chǎn)品價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但固體發(fā)酵同時(shí)也有一些缺點(diǎn)，如:其勞動(dòng)強(qiáng)度較大、大規(guī)模生產(chǎn)所需成本高、其生產(chǎn)效率低且容易受雜菌污染等。液體發(fā)酵法生產(chǎn)過(guò)程是以低于20目的標(biāo)準(zhǔn)粉碎玉米秸稈，然后滅菌處理，再進(jìn)發(fā)酵罐發(fā)酵，接入纖維素酶菌種，在低于60℃發(fā)酵70h，隨之從發(fā)酵罐底部通進(jìn)凈化無(wú)菌空氣，氣流攪拌物料，物料發(fā)酵完后需要經(jīng)過(guò)壓濾機(jī)壓濾、超濾濃縮及噴霧干燥過(guò)程，從而得到纖維素酶產(chǎn)品。此法在某些方面彌補(bǔ)了固體發(fā)酵的缺點(diǎn)，但因其培養(yǎng)周期較長(zhǎng)，設(shè)備要求較高和產(chǎn)生的廢水不易處理等缺點(diǎn)而制約著纖維素酶的生產(chǎn)。目前在生產(chǎn)纖維素酶中應(yīng)用固定化細(xì)胞與生物床等現(xiàn)代技術(shù)，這些方法融合了固體發(fā)酵與液體發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)，相比更適于規(guī)模化生產(chǎn)纖維素酶，應(yīng)得到不斷研究與發(fā)展。

纖維素酶的生物學(xué)功能

纖維素酶可以消除飼料中的抗?fàn)I養(yǎng)因素，提高飼料養(yǎng)分消化率。在單胃動(dòng)物體中，有助于消化道環(huán)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收強(qiáng)度。在反芻動(dòng)物日糧中添加纖維素酶，能彌補(bǔ)動(dòng)物體內(nèi)微生物產(chǎn)生纖維素酶量的不足，同時(shí)增強(qiáng)與半纖維素酶、淀粉酶和蛋白酶等酶的協(xié)同作用，利于改善營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收狀況。另外，在治療草食家畜的胃腸疾病時(shí)，纖維素酶也得到了應(yīng)用。有相關(guān)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(zhì)含量，促進(jìn)有益微生物的活動(dòng)。同時(shí)，纖維素酶產(chǎn)生菌可形成一些能調(diào)整胃腸道菌群并促進(jìn)廢物及有害物排出的物質(zhì)。陳俠甫等認(rèn)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(jīng)多位研究者的治療試驗(yàn)，其治愈率高達(dá)98.9%，表現(xiàn)出此酶制劑的療效高、療程短、無(wú)不良反應(yīng)且經(jīng)濟(jì)方便。

纖維素酶在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

反芻動(dòng)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(fā)酵功能、加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、增加動(dòng)物體的日增質(zhì)量，且可改善產(chǎn)奶量和奶品質(zhì)。瘤胃微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)正常時(shí)，纖維素酶的添加能提高粗纖維和一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的酵解強(qiáng)度及消化吸收水平。若瘤胃發(fā)生病理變化，微生物區(qū)系失去平衡而進(jìn)入腐解過(guò)程，此時(shí)高活性纖維素酶會(huì)迅速發(fā)揮作用，調(diào)整微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)，使區(qū)系的平衡關(guān)系與酵解、吸收及合成過(guò)程得到恢復(fù)。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(jìn)行60d飼喂，結(jié)果表明:加酶組的日增質(zhì)量比對(duì)照組提高了19.6%，差異極顯著。在用荷斯坦奶牛進(jìn)行的試驗(yàn)中，試驗(yàn)組奶牛的纖維素酶以每天每頭牛50g的量添加，結(jié)果表明:試驗(yàn)組奶牛在68d總產(chǎn)奶量與對(duì)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(tài)正常時(shí)，飼喂纖維素酶5d，相比飼喂前，糞便干物質(zhì)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(duì)懷孕奶牛于產(chǎn)前30d飼喂纖維素酶，在其分娩后，沒(méi)有出現(xiàn)生理性消化不良癥狀，胎兒無(wú)畸形和弱胎且增質(zhì)量1.5～3kg。趙長(zhǎng)友等(1998)對(duì)纖維素酶在草食動(dòng)物日糧中較好的應(yīng)用效果進(jìn)行了綜述。尹清強(qiáng)和陳樹(shù)興(1998)在對(duì)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(chǎn)量(P＞0.05)。金加明等(2007)使小麥秸稈經(jīng)纖維素酶酶解后飼喂小尾寒羊，每只試驗(yàn)羊的平均日增質(zhì)量148g，與對(duì)照組相比提高68.2%(P＜0.05);56.1元的盈利高出對(duì)照組32.7元，提高經(jīng)濟(jì)效益139.7%。

纖維素酶在單胃動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

在雞和豬等單胃動(dòng)物的日糧中，主要以玉米、餅粕和糠麩等植物性飼料進(jìn)行配制，因而含有一定量的纖維素。單胃動(dòng)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(nèi)源酶，故單胃動(dòng)物對(duì)飼料中存在的纖維素不能夠進(jìn)行有效地利用。此外，動(dòng)物體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收會(huì)因纖維素的交錯(cuò)、纏繞和黏附而受到阻礙，纖維素的這種性質(zhì)也會(huì)對(duì)腸道微生物菌群的平衡產(chǎn)生影響。添加纖維素酶于單胃動(dòng)物的日糧中可以起到營(yíng)養(yǎng)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(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，分別添加了0、0.05%和0.1%的纖維素酶制劑，結(jié)果與對(duì)照組相比，添加0.1%纖維素酶組在1～2、3～6和7～8周生長(zhǎng)階段的日增質(zhì)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(shuō)明添加外源酶制劑可以在一定程度上補(bǔ)充不足的內(nèi)源酶，并且可以消除一些抑制營(yíng)養(yǎng)消化吸收的物質(zhì)，大大促進(jìn)仔雞生長(zhǎng)發(fā)育。徐奇友(1998)在蛋雞的產(chǎn)蛋期間，在日糧中分別添加0.1%、0.15%和0.5%纖維素酶，結(jié)果產(chǎn)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(qiáng)度則相對(duì)提高了14.71%和8.41%。尹清強(qiáng)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(yàn)，56d后，2組AA肉雞的體質(zhì)量分別提高了3.10%和2.88%(P＜0.05)。前蘇聯(lián)學(xué)者在生長(zhǎng)育肥豬日糧中添加0.04%的纖維素酶，結(jié)果使豬的平均日增質(zhì)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(zhǎng)豬日糧中，飼料養(yǎng)分消化利用率可以提高2.5%～3.5%(P＜0.05)。李德發(fā)等(2001)做了纖維素酶對(duì)生長(zhǎng)豬的作用效果試驗(yàn)，結(jié)果表明，適量添加纖維素酶可以改善生長(zhǎng)育肥豬的生長(zhǎng)性能和品質(zhì)。

纖維素酶的發(fā)展前景

我國(guó)的飼料資源比較短缺，影響著我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展，所以必須解決好飼料問(wèn)題以發(fā)展畜牧業(yè)。纖維素是自然界中十分豐富的資源，可通過(guò)有效利用農(nóng)副產(chǎn)品的下腳料、秸稈和糠類來(lái)生產(chǎn)纖維素酶制劑，進(jìn)而提高畜禽的生產(chǎn)性能，提高飼料的消化率和利用率，改善飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，提高經(jīng)濟(jì)效益，故而纖維素酶具有廣闊的發(fā)展前景。目前，纖維素酶在有著工業(yè)和市場(chǎng)潛力的同時(shí)也存在大量需要解決的問(wèn)題。在今后的飼料工業(yè)纖維素酶的相關(guān)研究與應(yīng)用中，需要不斷加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究工作，包括菌種選育和發(fā)酵提取工藝等;要合理利用基因重組技術(shù)進(jìn)行高活性菌株的選育，降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高產(chǎn)酶活性;并且要合理制定與規(guī)范國(guó)內(nèi)纖維素酶統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)方法。（本文作者：袁翠林、王利華 單位：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院）