木聚糖酶的作用機理及其在飼料中的應(yīng)用

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 方 微 單玉萍 李 峰 單安山＊

我國飼料產(chǎn)量位居世界第二，但飼料資源并不豐富，玉米作為能量飼料供應(yīng)日趨緊張。充分開發(fā)和利用我國資源豐富的麥類、谷物、糠麩等來代替玉米，這是緩解玉米短缺的重要措施之一。但是麥類、谷物、糠麩等谷物籽粒中含有抗?fàn)I養(yǎng)因子——木聚糖，它是由β-1，4-糖苷鍵連接而成的木糖聚合物，是構(gòu)成細(xì)胞壁的主要成分之一。木聚糖酶則是能夠降解木聚糖的最主要酶之一，如果將木聚糖酶加以合理利用，則可提高木質(zhì)纖維素的利用率。

1 木聚糖酶的來源及菌種的選育

木聚糖酶在自然界分布相當(dāng)廣泛，在海洋及陸地細(xì)菌、真菌和酵母以及反芻動物瘤胃、蝸牛、甲殼動物、陸地植物組織和各種無脊椎動物中都存在。在飼料中使用的木聚糖酶多數(shù)是由微生物發(fā)酵生產(chǎn)的，目前產(chǎn)木聚糖酶的微生物多為木霉、曲霉、青霉、鏈霉菌等真菌及芽孢桿菌，其中由黑曲霉產(chǎn)生的木聚糖酶具有良好的耐酸性 （陳紅歌等，1999）。

酶活偏低是木聚糖酶研究開發(fā)中遇到的普遍問題，獲得木聚糖酶高產(chǎn)菌株是解決這一問題的有效途徑，因此通過一定的選育手段獲得高產(chǎn)酶菌提高木聚糖酶酶活十分重要。徐同寶等（2009）通過對黑曲霉XE6進(jìn)行微波和硫酸二乙酯誘變處理后獲得了一株遺傳性狀穩(wěn)定的高產(chǎn)木聚糖酶菌株mAn1。李市場等（2008）研究發(fā)現(xiàn)，利用離子束注入技術(shù)對木聚糖酶產(chǎn)生菌黑曲霉A3進(jìn)行誘變篩選，得到高產(chǎn)菌株N212，與出發(fā)菌A3相比其木聚糖酶的活力提高了近一倍，且傳代穩(wěn)定。鄧萍等（2006）報道，從黑曲霉mafic-005中克隆得到木聚糖酶基因xynB，并將該基因定向插入大腸桿菌表達(dá)載體上，并獲得重組菌株，重組酶蛋白的比活力提高了約50倍，在酸性和常溫條件下具有良好的穩(wěn)定性。

2 木聚糖酶的生產(chǎn)

目前木聚糖酶主要依靠微生物發(fā)酵生產(chǎn)。按發(fā)酵工藝的不同，可分為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵兩種。針對真菌，液體發(fā)酵產(chǎn)酶條件的研究較多，方法也較為成熟，具有產(chǎn)量大、機械化程度高、轉(zhuǎn)化率高的優(yōu)點，但這種工藝存在投資大、能耗高、成本高的缺點，特別是存在大量廢液污染環(huán)境的問題。由于上述限制，加上世界性能源危機的出現(xiàn)和環(huán)保意識的增強，固態(tài)發(fā)酵受到重視并得到了廣泛的應(yīng)用。固體發(fā)酵存在很多優(yōu)點，例如，操作成本低、培養(yǎng)基含水量小、不易污染雜菌、沒有大量有機廢液產(chǎn)生等，這在真菌酶制劑的實際生產(chǎn)中具有很大的競爭優(yōu)勢。固態(tài)發(fā)酵是一項古老的發(fā)酵技術(shù)，由于培養(yǎng)基含水量小，減少了污染雜菌的機會，因此近年來利用固體發(fā)酵產(chǎn)木聚糖酶發(fā)展勢頭良好，而優(yōu)化發(fā)酵條件對木聚糖酶的生產(chǎn)十分重要。周晨妍等（2010）采用黑曲霉進(jìn)行木聚糖酶的固態(tài)發(fā)酵，考察了pH值、培養(yǎng)時間、培養(yǎng)溫度和接種量對黑曲霉產(chǎn)生木聚糖酶的影響，結(jié)果顯示最佳培養(yǎng)基組成為：麩皮與玉米芯質(zhì)量比5∶3，最優(yōu)培養(yǎng)條件為：pH值7.5、培養(yǎng)溫度28℃、培養(yǎng)時間60 h，在此工藝條件下，木聚糖酶的活力可達(dá)14698.21 IU/g。劉喚明等（2008）對黑曲霉L15進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)時，確定優(yōu)化培養(yǎng)基為麩皮 14 g，玉米芯 6 g，豆粕 1 g，水 36 mL。在此培養(yǎng)基上，菌株L15發(fā)酵所產(chǎn)木聚糖酶酶活達(dá)52500 U/g。李惠軍和劉暢（2007）對黑曲霉MI菌株的最適固態(tài)發(fā)酵條件的研究顯示，選擇70%玉米芯粉，30%麩皮，0.6%（NH4）2SO4作培養(yǎng)基，其加水質(zhì)量比為1∶2，30℃培養(yǎng)84 h，其木聚糖活力最高可達(dá) 3689 μmol/min·g。

3 木聚糖酶的作用機理

消除飼料中木聚糖的抗?fàn)I養(yǎng)作用，其中簡便而有效的方法就是在日糧中添加木聚糖酶。木聚糖酶可將木聚糖水解為木二糖和木二糖以上的低聚木糖，以及少量木糖和阿拉伯糖，可有效消除木聚糖的抗?fàn)I養(yǎng)作用。日糧中添加木聚糖酶可以降解植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，降低畜禽腸道內(nèi)容物黏度，提高內(nèi)源性消化酶活性，減少腸道有害微生物數(shù)量，影響激素的調(diào)節(jié)，從而改善動物對養(yǎng)分的消化吸收以及飼料轉(zhuǎn)化率，最終提高生長性能。

3.1 破碎植物細(xì)胞壁，釋放細(xì)胞內(nèi)養(yǎng)分 木聚糖是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的主要成分之一，與細(xì)胞壁其他物質(zhì)共同發(fā)揮屏障作用，阻止細(xì)胞內(nèi)養(yǎng)分的釋放。木聚糖酶能夠有效降解飼料的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，使包裹在細(xì)胞壁內(nèi)的蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪等養(yǎng)分釋放出來，從而提高這部分養(yǎng)分的消化率。另外，細(xì)胞壁本身的一些蛋白質(zhì)與木聚糖等非淀粉多糖之間形成的牢固化學(xué)鍵很難被消化，木聚糖酶可使這些交聯(lián)于細(xì)胞壁的蛋白質(zhì)釋放，使之得到消化和利用。

3.2 降低食糜黏度，提高飼糧養(yǎng)分利用率和表觀代謝能 木聚糖酶可以將木聚糖降解為小分子，使之失去親水性和黏性，從而降低食糜黏度，有利于消化酶與營養(yǎng)物質(zhì)的混合，進(jìn)而有效地改善動物對養(yǎng)分的消化吸收，改善飼料轉(zhuǎn)化率和表觀代謝能（AME），提高生長性能。 Choct等（1996）研究表明，向富含木聚糖的日糧中添加木聚糖酶可降低食糜黏度，增加日增重、飼料轉(zhuǎn)化效率和AME。Fuente等（1998）報道，食糜黏度和飼糧AMEn呈負(fù)相關(guān)，添加木聚糖酶可將飼糧AMEn提高2%。Preston等（2000）研究證實，添加以木聚糖酶為主的復(fù)合酶制劑，可顯著降低肉雞消化道食糜黏度，提高飼料AME，改善其生產(chǎn)性能。譚權(quán)和張克英（2008）試驗結(jié)果表明，木聚糖酶水平為3000 IU/kg時，干物質(zhì)、能量和蛋白質(zhì)利用率分別提高7.02%、6.78%和22.31%。王永偉等（2010）研究發(fā)現(xiàn)，小麥日糧中添加木聚糖酶 257.56 mg/kg時，平均提高小麥AME 790 kJ/kg。

3.3 提高內(nèi)源消化酶活性 木聚糖可直接與腸道胰蛋白酶、脂肪酶絡(luò)合，降低其活性，而木聚糖酶可通過降解木聚糖來提高內(nèi)源酶的活性。同時木聚糖酶的使用，也可以激活動物體內(nèi)多種消化酶更多的分泌，提高消化酶的有效含量，加速營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。 Engberg等（2004）報道，向小麥飼糧添加木聚糖酶，使胰脂酶和胰凝乳蛋白酶的活性增強。韓正康（2000）在雛雞大麥飼糧中添加酶制劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加酶組小腸食糜的淀粉酶活性比對照組提高30.7%。奚剛等（1999）在試驗中也證實，高麩皮飼糧中添加木聚糖酶、β-葡聚糖酶和纖維素酶可使49日齡AA肉雞腸胰蛋白酶活性提高46.5%。

3.4 抑制腸道有害微生物繁殖，增進(jìn)動物健康

胃腸道微生物的過度發(fā)酵會干擾正常的消化過程，木聚糖酶的添加降低了消化道食糜黏度，加快了食糜的排空速度，降低了小腸內(nèi)的發(fā)酵，有效防止有害微生物的滋生。Schutte等（1995）報道，在小麥飼糧或黑麥飼糧中添加木聚糖酶降低了胃腸道的細(xì)菌數(shù)。Danicke等 （1999）和 Vahjen等（1998）也得出相同的結(jié)論。另外，李路勝等（2010）試驗結(jié)果顯示，肉雞日糧中添加以木聚糖酶為主的液體復(fù)合酶，可降低回腸和盲腸大腸桿菌數(shù)量。

3.5 影響激素的調(diào)節(jié) 木聚糖酶不僅影響消化和吸收，同時還影響激素調(diào)節(jié)的作用。飼料中添加木聚糖酶可以通過調(diào)控動物外周血激素含量，提高仔豬血液中甲狀腺素和白細(xì)胞介素-2水平，從而提高動物整體代謝和免疫水平（高峰等，2002）。韓正康等（2000）報道，在大麥飼糧中添加復(fù)合酶，可顯著提高蛋用雛雞三碘甲腺原氨酸、促甲狀腺激素及21日齡肉雞胰島素、胰高血糖素。結(jié)果提示，粗酶制劑可通過調(diào)節(jié)代謝激素的分泌而提高雞的生產(chǎn)性能。

4 木聚糖酶在飼料中的應(yīng)用

對于非反芻類動物，因其體內(nèi)缺乏合適的降解酶類，幾乎不能消化飼料中的半纖維素，使其在動物腸道中增加食物的黏度，不利于其降解，最終影響食物的消化和吸收。而在飼料中添加木聚糖酶可有效地消除其抗?fàn)I養(yǎng)作用，可以提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化率和生產(chǎn)性能。對于反芻動物，日糧中添加以木聚糖酶為主的外源酶可增強微生物對飼料的吸附作用，使瘤胃內(nèi)水解能力增強，刺激瘤胃微生物的繁殖，增強瘤胃內(nèi)酶活力，提高反芻動物對纖維素及其他養(yǎng)分的消化率，改善其生產(chǎn)性能。

4.1 木聚糖酶在豬飼料中的應(yīng)用 日糧中添加木聚糖酶能提高豬對高纖維飼料的利用率，消除非淀粉多糖的抗?fàn)I養(yǎng)作用，并提高生長豬淀粉、粗蛋白質(zhì)及灰分的回腸消化率，從而提高豬的生產(chǎn)性能。袁巧靈和張美麗（2008）試驗結(jié)果顯示，在豬日糧中添加木聚糖酶，豬的日增重和飼料轉(zhuǎn)化率分別提高了23.32%和7.25%。汪儆（1997）試驗表明，在次粉日糧中添加木聚糖酶制劑，可有效提高生長肥育豬的日增重、飼料轉(zhuǎn)化率，減少腹瀉頻率和降低飼料成本，便于調(diào)整日糧配方，這樣既可有效地緩解玉米供應(yīng)緊缺，又能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 木聚糖酶在雞飼料中的應(yīng)用 在肉雞的小麥飼糧中，添加木聚糖酶能有效地改善生產(chǎn)性能和能量轉(zhuǎn)化率。試驗結(jié)果表明，小麥日糧中添加木聚糖酶提高了肉仔雞的采食量，改善了肉仔雞的飼料轉(zhuǎn)化效率（武書庚等，2006）。王修啟等（2004）在小麥基礎(chǔ)日糧中添加1‰木聚糖酶，飼養(yǎng)肉仔雞至4周齡的日增重提高4.81%，料重比改善5.00%。譚權(quán)等（2008）試驗表明，添加3000 IU/kg木聚糖酶對小麥的干物質(zhì)、能量和粗蛋白質(zhì)利用率提高幅度最大。蔣桂韜（2009）試驗結(jié)果顯示，小麥日糧中添加細(xì)菌性木聚糖酶可提高21～49日齡黃羽肉仔雞日增重、飼料轉(zhuǎn)化率和經(jīng)濟(jì)效益，且以添加250 mL/t效果最佳。Preston等（2000）研究證實，添加以木聚糖酶為主的復(fù)合酶制劑，可顯著降低肉雞消化道食糜黏度，提高飼料表觀代謝能，改善其生產(chǎn)性能。

4.3 木聚糖酶在養(yǎng)牛業(yè)中的應(yīng)用 在奶牛飼料中添加木聚糖酶等非淀粉多糖酶，可起到促進(jìn)奶牛對日糧營養(yǎng)物質(zhì)的利用和改善其生產(chǎn)性能的作用。杜瑞平等（2008）在奶牛日糧中添加復(fù)合酶（含木聚糖酶和纖維素酶等）后發(fā)現(xiàn)，酶制劑提高了試驗?zāi)膛５漠a(chǎn)奶量，改善了乳品質(zhì)，降低了乳中體細(xì)胞數(shù)，從而增加了奶牛養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益，并改善了奶牛健康狀況。Yang等（2000）報道，在大麥基礎(chǔ)日糧上噴灑木聚糖酶和纖維素酶復(fù)合酶能顯著提高營養(yǎng)物質(zhì)消化率，產(chǎn)奶量提高3.6 kg/d。劉華等（2001）認(rèn)為，復(fù)合酶（主要含木聚糖酶、纖維素酶、β-葡聚糖酶、果膠酶等酸性酶）的使用能夠延長產(chǎn)奶高峰期，提高泌乳量。

5 前景與展望

我國農(nóng)業(yè)部制定的 《允許使用的飼料和飼料添加劑品種目錄》中，將木聚糖酶列入飼料級酶制劑。木聚糖酶作為一種新型的飼料添加劑，必將帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，因此獲得性質(zhì)優(yōu)良的飼用木聚糖酶成為亟待解決的問題。另外，在加強產(chǎn)業(yè)化的同時，還應(yīng)對木聚糖酶的作用機制及促生長機理進(jìn)行深入研究，以期研制出更適合于不同飼料原料和需求的酶制劑產(chǎn)品，更好推動木聚糖酶在飼料中的廣泛應(yīng)用（丁強，2010）。隨著人們對木聚糖酶認(rèn)識的逐漸加深，木聚糖酶必將在未來的畜牧業(yè)發(fā)展中，發(fā)揮出巨大的潛力和作用。

[1]陳紅歌，朱靜，梁改芹，等.酸性木聚糖酶產(chǎn)生菌的篩選及產(chǎn)酶條件[J].微生物學(xué)報，1999，39（4）：350 ～ 354.

[2]鄧萍，曹云鶴，陸文清，等.黑曲霉木聚糖酶基因xynB在大腸桿菌中的表達(dá)及重組木聚糖酶的特性[J].農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報，2006，14（5）：774～778.

[3]丁強.飼用木聚糖酶的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].中國飼料，2010，3：22～25.

[4]杜瑞平，段智勇，盧德勛，等.復(fù)合酶制劑對奶牛產(chǎn)奶量和乳品質(zhì)的影響[J].飼料工業(yè)，2008，29（17）：41 ～ 43.

[5]高峰，江蕓，周光宏，等.小麥基礎(chǔ)日糧添加酶制劑對斷奶仔豬生長、代謝和血液 IL-2 水平的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，25（1）：14 ～ 17.

[6]韓正康.大麥日糧添加酶制劑影響家禽營養(yǎng)生理及改善生產(chǎn)性能的研究[J].畜牧與獸醫(yī)，2000，32（1）：1 ～ 4.

[7]蔣桂韜，張石蕊，戴求仲，等.細(xì)菌性木聚糖酶對21～49日齡黃羽肉仔雞生產(chǎn)性能的影響[J].中國飼料，2009，8：19 ～ 21.

[8]李惠軍，劉暢.木聚糖酶高產(chǎn)菌株的篩選及固態(tài)發(fā)酵條件的研究[J].鄭州牧業(yè)工程高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2007，27（3）：10 ～ 12.

[9]李路勝，薛秀梅，吳延博.液體復(fù)合酶對肉雞生產(chǎn)性能和腸道微生物菌群的影響[J].試驗研究，2010，19（1）：25 ～ 27.

[10]李市場，李愛江，潘仁瑞，等.低能離子注入技術(shù)誘變選育木聚糖酶高產(chǎn)菌[J].激光生物學(xué)報，2008，17（1）：90 ～ 94.

[11]劉華，張桂芬，王曉華，等.復(fù)合酶制劑對奶牛產(chǎn)奶性能的影響[J].草食家畜，2001，3：39 ～ 41.

[12]劉喚明，梁運祥，吳健.木聚糖酶高產(chǎn)菌株的選育及其產(chǎn)酶條件的研究[J].中國釀造，2008，18：17 ～ 19.

[13]劉燕強，韓正康.大麥日糧中添加粗酶制劑對雞外周血液中代謝激素的影響[J].中國獸醫(yī)學(xué)報，1998，18（6）：577.

[14]譚權(quán)，張克英.木聚糖酶水平與肉雞生產(chǎn)性能的關(guān)系 [J].飼料工業(yè)，2008，29（14）：17 ～ 19.

[15]譚權(quán)，張克英，張慎忠，等.木聚糖酶對肉雞能量飼料養(yǎng)分利用率和表觀代謝能值的影響[J].動物營養(yǎng)報，2008，20（3）：311 ～ 317.

[16]武書庚，齊廣海，姚斌.木聚糖酶對肉仔雞生產(chǎn)性能的影響[J].中國飼料，2006，6：20 ～ 24.

[17]汪儆.木聚糖酶制劑對生長肥育豬次粉日糧飼養(yǎng)效果的影晌[J].中國飼料，1997，3：17 ～ 19.

[18]王修啟，邢寶松，張兆敏.小麥基礎(chǔ)日糧添加木聚糖酶對肉雞生產(chǎn)性能的影響[J].2004，1：47 ～ 49.

[19]王永偉，劉國華，汝應(yīng)俊，等.添加木聚糖酶的小麥型日糧對肉仔雞表觀代謝能的影響[J].飼料工業(yè)，2010，31（22）：8 ～ 10.

[20]奚剛，許梓榮，錢利純，等.添加外源酶對豬、雞內(nèi)源消化酶活性的影響[J].中國獸醫(yī)學(xué)報，1999，19（3）：286 ～ 289.

[21]徐同寶，王德培，李寧，等.誘變選育木聚糖酶高產(chǎn)菌株及其發(fā)酵條件的研究[J].飼料工業(yè)，2009，30（12）：40 ～ 43.

[22]袁巧靈，張美麗.木聚糖酶對仔豬生長性能的影響[J].河套大學(xué)學(xué)報，2008，5（2）：46 ～ 48.

[23]周晨妍，張金華，馬雪婷.黑曲霉產(chǎn)木聚糖酶的固態(tài)發(fā)酵條件優(yōu)化[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（21）：11052 ～ 11054.

[24]Choct M，Hughes R J，Wang J，et al.Increased small intestinalfermentation is partly responsible for the anti-nutritive activity ofnonstarch polysaccharides in chickens[J].Br Poult Sci，1996，37（3）：609 ～ 621.

[25]Danicke S，Vahjen W，Simon O，et al.Effects of dietary fat type and xylanase supplementation to rye-based broiler diets on se-lected bacterial groups adhering to the intestinal epithelium，ontransit time of feed，and on nutrient digestibility[J].Poult Sci，1999，78（9）：1292 ～ 1299.

[26]Engberg R M，Hedemann M S，Steenfeldt S，et al.Influence of whole wheat and xylanase on broiler performance and microbial composition andactivity in the digestivetract[J].Poultry Science，2004，83：925 ～ 938.

[27]Fuente J M，Perez de Ayala P，F(xiàn)lores A，et al.Effect of storage time and dietary enzyme on the metabolizable energy and digesta viscosity of barleybased diets for poultry[J].Poultry Science，1998，77：90 ～ 97.

[28]Preston C M，Mccracken K J，Mcallister A.Effect of diet form and enzyme supplementation on growth，efficiencey and energy utilization of wheatbased diets for broilers[J].British Poultry Science，2000，41：324 ～ 331.

[29]Schutte J B，de Jong L，Langhout D J.Effect of an endoxylanase preparation in wheat based rations for broilers[J].Feed Compounder，1995，15（1）：20～24.

[30]Vahjen W，Glser K，Schfer K，et al.Influence of xylanase-supplemented feed on the development of selected bacterial groups in the intestinaltract of broiler chicks[J].Journal of Agricultural Sciences，1998，130（4）：489 ～ 500.

[31]Yang W Z，K A B，L M R A.Comparison of Methods of Adding Fibrolytic Enzymes to Lactating Cow Diets[J].J Dairy Sci，2000，83：2512 ～2520.