纖維素酶在奶牛營養(yǎng)中的應用研究

曹杰　張德中　陳科杰　蔣宗浩

摘要：纖維素是植物細胞壁的組成成分，也是自然界中最豐富的多糖資源之一。纖維素酶是催化纖維素水解成較小的寡糖或者低聚糖的一種酶，具有高效性和安全性。該文對纖維素酶在奶牛營養(yǎng)和飼料中的作用及其使用中存在的問題和發(fā)展前景進行了綜述。

關(guān)鍵詞：纖維素酶；奶牛營養(yǎng)；應用

中圖分類號：S816.7 文獻標識碼：B 文章編號：1007-273X（2013）07-0067-04

反芻動物特殊的消化系統(tǒng)，決定其可以利用大量的粗飼料，通過瘤胃發(fā)酵可提供大約70%～80%的能量需要。纖維素是地球上最豐富、最廉價的可再生資源。為充分利用纖維素資源，目前許多國家已利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)纖維素酶來降解纖維素，在技術(shù)研究開發(fā)方面已初見成效。

纖維素酶是指能催化纖維素水解成較小的寡糖或者低聚糖的一種酶，它通過破壞纖維素內(nèi)部的糖苷鍵而起作用，主要由各種細菌和真菌等產(chǎn)生。纖維素酶具有高效性和安全性，是當前開發(fā)非常規(guī)飼料及提高現(xiàn)有常規(guī)飼料資源利用率和提高畜禽生產(chǎn)性能的重要途徑之一。

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，纖維廢棄物數(shù)量巨大。據(jù)統(tǒng)計，我國每年有農(nóng)作物秸稈9億～13億t，甘蔗渣400多萬t，森林采伐加工纖維剩余物1 000多萬t[1]。對于反芻動物，粗飼料的有效供給十分重要，雖然只有約50%的纖維素能被其很好地消化利用，但它依然是反芻動物能量的主要來源[2]。開發(fā)和利用纖維素作為飼料來源，對解決我國飼料資源緊張具有重大現(xiàn)實意義，也是促進我國畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。因此，飼用纖維素酶將在未來的動物生產(chǎn)中具有不可低估的作用。

1 粗纖維對反芻動物的作用及提高粗纖維利用率的措施

1.1 粗纖維對反芻動物的作用

粗纖維是反芻動物的一種必需營養(yǎng)素，對維持動物胃腸道的健康起著重要作用。其主要功能有：提供能量；控制采食量；維持瘤胃正常生理功能；促進胃腸道的消化吸收；維持乳脂率和產(chǎn)奶量。但是粗飼料也存在自身固有的營養(yǎng)缺陷，容積大、適口性差、采食量低、粗蛋白含量低，總能高但消化能低等。雖然隨著作物育種和先進栽培技術(shù)的發(fā)展，粗飼料在家畜體內(nèi)的消化率有所提高，但低消化率依然是限制反芻動物能量攝入的主要因素[3]。

1.2 提高粗纖維利用率的措施

提高粗飼料利用價值的關(guān)鍵在于破壞植物細胞壁，弱化或破壞木質(zhì)素與纖維素或半纖維素之間的酯鍵，促進纖維素和半纖維素在瘤胃內(nèi)的發(fā)酵，軟化粗飼料，提高其適口性。

對粗纖維行之有效的加工方法主要有物理、化學和生物學方法。物理方法是將粗飼料切短及粉碎，破壞纖維素的結(jié)構(gòu)，增加其與消化液的接觸面積。該方法在提高粗飼料適口性與采食量方面有一定作用，但對提高粗飼料的營養(yǎng)價值作用不大?；瘜W方法是利用化學試劑對粗飼料進行處理，使其內(nèi)部化學結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，更易被瘤胃微生物所消化，主要方法有堿化法和氨化法。生物學方法主要是利用酶制劑-復合纖維素酶對粗纖維進行處理，該方法有用量小、可明顯提高飼料利用率、安全系數(shù)高、使用方法簡便等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。

2 纖維素酶的分類及作用

2.1 飼用纖維素酶的分類

纖維素酶的種類很多，根據(jù)功能的差異分為3類，即內(nèi)切纖維素酶、外切纖維素酶、β-葡萄糖苷酶[4]。①內(nèi)切纖維素酶（又稱內(nèi)切-β-1，4-葡聚糖酶，羧甲基纖維素酶）。主要作用：在纖維素酶分子內(nèi)部隨機斷裂β-1，4-糖苷鍵，將長鏈纖維素分子截短，產(chǎn)生大量小分子纖維素，如纖維素糊精、纖維二糖及葡萄糖；②外切纖維素酶（又稱外切-β-1，4-葡聚糖酶、微晶纖維素酶或纖維二糖水解酶）。主要作用：可將短鏈的非還原性末端纖維二糖殘基逐個切下。③β-葡萄糖苷酶。主要作用：可將纖維二糖及其他低分子纖維糊精水解成葡萄糖或芳基殘基。

實際上在分解晶體纖維素時任何一種酶都不能單獨裂解晶體纖維素，只有這3類酶共同存在、協(xié)同作用方能完成水解過程。

2.2 飼用纖維素酶的作用

反芻動物瘤胃內(nèi)微生物自身能夠合成一定量的纖維素酶，使粗飼料的消化吸收受到一定程度的限制。有研究證實，外源酶在瘤胃和十二指腸內(nèi)都具有穩(wěn)定的活性[5]。外源性纖維素酶可以提高纖維素在瘤胃內(nèi)的消化率，增加可利用能量的攝入[3]。使用酶制劑可以：①打破細胞壁。纖維素是植物體內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)性多糖，是細胞壁的主要組成成分。細胞壁阻礙畜禽體內(nèi)消化酶與細胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的接觸，纖維素酶與半纖維素酶、果膠酶等協(xié)同作用，可破壞植物的細胞壁，使細胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)外泄，從而被淀粉酶和蛋白酶等內(nèi)源酶進一步降解，所以除了細胞壁被降解供能外，還提高了胞內(nèi)物質(zhì)的消化率，從而有效地提高了飼料的有效能值。②補充內(nèi)源酶不足。反芻動物體內(nèi)雖有一定量的分解纖維素的微生物存在，但其產(chǎn)生的纖維素酶有限。添加纖維素酶可補充內(nèi)源酶的不足，提高動物對粗纖維的利用率。③消除抗營養(yǎng)因子。日糧中添加纖維素酶后，在半纖維素酶、果膠酶等共同作用下，可將植物性飼料中的纖維素、半纖維素、果膠等大分子物質(zhì)降解為單糖和寡糖，從而加速內(nèi)源酶的擴散，增大酶與營養(yǎng)物質(zhì)的接觸面積，提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化率。

3 纖維素酶在奶牛營養(yǎng)與飼料中的作用

早期，在生產(chǎn)中對反芻動物添加外源性酶制劑的做法并不被人們認可，認為酶蛋白會被瘤胃內(nèi)的蛋白酶所降解[6]。而后來許多學者的研究結(jié)果則反駁了這樣的說法。Fontes等[7]報道某木聚糖酶在瘤胃液中非常的穩(wěn)定。另外，Hristov等[8]報道纖維素酶直接加入瘤胃依然能保持部分活力。

3.1 纖維素酶在奶牛精料中的應用

Yang等[9]報道，在奶牛泌乳早期的精料中添加纖維素酶和木聚糖酶后其干物質(zhì)、有機物、粗蛋白質(zhì)的消化率由63.9%、64.7%、62.7%提高到66.6%、68.4%、67.0%。日產(chǎn)奶量也由35.3 kg提高到37.4 kg（提高了6%）。Hristov等[8]報道在日糧中添加纖維素酶和木聚糖酶，可提高可溶性糖的含量（P<0.05）和降低中性洗滌纖維的含量（P<0.05），但對于物質(zhì)消失率和瘤胃發(fā)酵影響較小。Yang等[10]報道在泌乳牛日糧中添加纖維素酶和木聚糖酶不僅提高了有機物質(zhì)和中性洗滌纖維的消化率，而且微生物蛋白質(zhì)合成量也相應增加。

3.2 纖維素酶在青貯飼料中的應用

青貯飼料在我國已成為奶牛日糧中不可缺少的常規(guī)組成部分，也是反芻動物日糧中采食量最大的一類飼料。在青貯飼料調(diào)制過程中，添加纖維素酶制劑可以加快青貯發(fā)酵進程，改善青貯飼料品質(zhì)，降低青貯飼料中NDF的含量，提高青貯飼料利用率和奶牛生產(chǎn)性能。

Eun等[11]在以青貯玉米和苜蓿干草為主的飼料中使用纖維素酶和木聚糖酶（1.4 mg/g干物質(zhì)）飼喂奶牛，青貯玉米和苜蓿干草NDF的降解度分別提高到60.3%和20.6%。Kung等[12]在飼草中噴灑纖維素酶和木聚糖酶可以顯著提高反芻動物瘤胃內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量，這與Wallace等[13]的結(jié)果相一致。Stokes 等[14]報道在奶牛粗飼料中噴灑纖維素酶可以使干物質(zhì)采食量提高10.7%，產(chǎn)奶量提高14.7%。Schingoethe等[15]的試驗結(jié)果表明當奶牛飼喂纖維素酶和木聚糖酶處理后的玉米和苜蓿混合青貯時2～4周后其產(chǎn)奶量提高10.8%，但對泌乳中期奶牛的產(chǎn)奶量影響較小，飼喂加酶青貯和低精粗比（45︰55）日糧的奶牛生產(chǎn)性能和飼喂未加酶青貯和高精粗比日糧（55︰45）相比無顯著差異。

4 不同飼料條件和奶牛泌乳階段對纖維素酶利用效果的影響

4.1 不同飼料條件對纖維素酶利用效果的影響

酶制劑的不同的飼料條件，如添加在干燥的飼草、新鮮的飼草、青貯飼料中[16，17]或者纖維素酶直接灌注瘤胃、添加在全混合日糧或者精料部分[18，19]添加效果并不相同。還有研究者表明纖維素酶添加在干燥的飼料中比相對濕潤的飼料中利用效果更好[16，17]。Rode等[20]和Yang等[10]都報道在精料和干草中添加液體纖維素酶均可提高產(chǎn)奶量，但是在TMR中效果并不明顯。Beauchemin等[16]研究提出，干燥的飼料中添加酶制劑可以增強酶與飼料中酶底物的結(jié)合力，使酶抵抗瘤胃內(nèi)蛋白酶水解力增強，從而延長酶在瘤胃內(nèi)的停留時間。Morgavi等[21]也提出向干燥的飼料噴灑纖維素酶，外源酶和瘤胃微生物酶產(chǎn)生協(xié)同作用，可提高粗纖維在瘤胃中的消化率。在瘤胃中，瘤胃微生物與飼料顆粒相結(jié)合，各種消化酶作用于各自的酶底物。但在青貯飼料或者TMR等含水量較大的飼料中添加酶制劑，酶與飼料結(jié)合不緊密而易被溶入瘤胃液中，并在酶制劑發(fā)揮作用之前就隨瘤胃液通過瘤胃。因此酶制劑并不能充分發(fā)揮其作用[9]。在奶牛精飼料中添加纖維素酶可提高干物質(zhì)消化率，增加產(chǎn)奶量。但干物質(zhì)采食量并沒有明顯增加。而在TMR日糧中添加纖維素酶雖然可以提高飼料有機物和蛋白質(zhì)消化率，但是對產(chǎn)奶量提高效果并不明顯[9]，這與Beauchemin等[16]報道相一致。

4.2 奶牛不同泌乳階段對纖維素酶利用效果的影響

Schingoethe等[15]報道對泌乳初期奶牛飼喂纖維素酶處理過的飼草效果較好，而對泌乳中、后期奶牛效果并不明顯。Nussio等[22]同樣發(fā)現(xiàn)纖維素酶對泌乳初期奶牛產(chǎn)奶量有較大的提高。日糧中添加纖維素酶可以提高粗纖維的消化率，增加消化能的攝入，可以減弱能量負平衡對泌乳早期奶牛的影響，增加產(chǎn)奶量[17]。

5 纖維素酶應用中存在的問題

纖維素酶作為一種新型飼料添加劑，已顯示出良好的應用前景。但還是存在以下問題：①缺乏基礎(chǔ)理論研究。對于飼用纖維素酶的應用研究很多，基礎(chǔ)理論研究卻很少有人問津。纖維素酶與基礎(chǔ)日糧及其他酶類的互作關(guān)系、在消化道內(nèi)的作用模式、對于生理及內(nèi)分泌的影響等尚需進一步研究。②添加量問題。外源纖維素酶可以提高瘤胃對粗纖維的消化率，其中酶的用量和活性是關(guān)鍵因素[11]。雖然國內(nèi)外有關(guān)纖維素酶應用的研究報道很多，但添加水平和結(jié)論并不一致。對于不同酶活性的產(chǎn)品、不同動物種類、不同生理階段以及不同飼料品種的適宜添加量尚未明確。③纖維素酶的使用與動物消化生理條件相適應的問題。飼喂纖維素酶對于不同種類、不同發(fā)育階段動物消化酶系的變化及纖維素酶添加后對內(nèi)源酶活力影響的研究尚不夠深入，難以合理地根據(jù)動物內(nèi)源酶狀況補充各種纖維素復合酶制劑，以改善纖維素酶單獨使用效果不佳的狀況。Eun等[11]報道大部分外源纖維素酶都含有纖維素酶和木聚糖酶，但是兩種酶之間的比例以及酶制劑對不同的飼草發(fā)揮作用的最適條件都還不明確。④穩(wěn)定性問題。纖維素酶是一種微生物制劑。對溫度、濕度、酸、堿等敏感，處理不當易失活，導致飼用效果不穩(wěn)定。⑤纖維素酶作為新型飼料添加劑進入我國市場時間不長，所以纖維素酶的質(zhì)量標準、檢驗方法標準特別是添加纖維素酶以后的飼料產(chǎn)品質(zhì)量標準在我國還是空白。因此，建立一種檢測飼用纖維素酶活性的標準方法，是飼料工業(yè)發(fā)展的迫切需求。

6 小結(jié)

纖維素酶作為新型飼料添加劑進入我國市場時間不長，近年來的研究結(jié)果也表明在奶牛飼料中無論以何種形式添加纖維素酶均可提高飼料利用率，改善粗飼料的營養(yǎng)價值，提高生產(chǎn)性能，降低飼料成本，這是對傳統(tǒng)的反芻動物營養(yǎng)理論的一種突破。因此纖維素酶具有廣闊的開發(fā)應用前景。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著纖維素酶的檢測方法、作用機制、酶系組成、耐熱性、作用溫度、pH和抗蛋白酶水解能力等方面的深入研究，纖維素酶在未來的動物生產(chǎn)中將會起到不可低估的作用。

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