纖維素酶在反芻動物生產中的應用及其研究進展

劉喜生，任有蛇，岳文斌

（山西農業(yè)大學動物科技學院，太谷030801）

纖維素酶在反芻動物生產中的應用及其研究進展

劉喜生，任有蛇，岳文斌

（山西農業(yè)大學動物科技學院，太谷030801）

纖維素酶（cellulase）作為一種綠色飼料添加劑，能提高飼料的轉化率以及動物的生產性能，從而為養(yǎng)殖業(yè)提供相當數(shù)量的飼料來源。文章主要從纖維素酶的分類、作用機理、在反芻動物生產中的應用及其研究進展等方面作了論述，以期為生產實踐提供理論依據(jù)。

纖維素酶；反芻動物；應用；研究進展

纖維素在植物體中的含量最多，約占植物干重的1/2，是自然界中數(shù)量最大的可再生自然資源。纖維素酶是降解纖維素生成葡萄糖的一組酶的總稱，它不是單成分酶，而是起協(xié)同作用的多組分酶系。在家畜中除反芻動物借瘤胃微生物可以利用纖維素外，其他高等動物幾乎不能消化和利用纖維素［1］。20世紀70年代纖維素酶類作為飼用添加劑被引入到飼料工業(yè)的研究中，在實踐中已有很大成效。纖維素酶作為一種綠色飼料添加劑，能將飼料中的纖維素降解成可消化吸收的還原糖，提高飼料的營養(yǎng)價值。目前，纖維素酶在反芻動物生產應用中取得了良好的生產效益和巨大的經濟效益。本文從纖維素酶的分類、作用機理及其在反芻動物中的應用現(xiàn)狀等方面進行了論述，以期為生產實踐提供理論參考。

1 纖維素酶的分類和來源

1.1 纖維素酶的種類

纖維素酶是指能降解纖維素的一類酶的總稱。是由多種水解酶組成的復雜酶系，主要來自于真菌和細菌。根據(jù)纖維素酶的不同功能，可分為三大類：內切纖維素酶、外切纖維素酶和β-葡萄糖苷酶。還有分解纖維素的其他酶類，如木聚糖酶（xylase）和果膠酶。

1.2 纖維素酶的來源

纖維素酶按其來源主要有微生物來源、動物性來源和生物工程來源［2］。能分泌產生纖維素酶的微生物，主要有真菌、細菌、放線菌和一些原生動物等。動物性來源是指反芻動物依靠瘤胃微生物消化飼料中的纖維物質，可以利用瘤胃液獲得纖維素酶的粗酶制劑。隨著生物工程技術的發(fā)展，產生了新的飼用纖維素酶。迄今，人們已從40多種細菌和數(shù)種真菌中克隆纖維素酶基因，其中一些纖維素酶基因已在大腸桿菌和酵母中得到表達。

2 纖維素酶在反芻動物生產中的應用

盡管人們在不知不覺地利用酶的歷史已有一萬年之久，但對纖維素酶的研究也不過是100年的歷史，而作為飼料添加劑應用于動物飼料乃是近50年的事，直到1975年才出現(xiàn)了商品飼用酶制劑［3］。

我國飼用酶制劑的研究始于20世紀70年代酶曲的生產，并應用于發(fā)酵飼料。到了80年代后期，由于分子生物學的發(fā)展、生物工程技術的興起，同時，隨著改革開放和我國飼料工業(yè)的發(fā)展，國外飼用酶制劑先后進入我國市場，如八寶威（美國）、愛維生（芬蘭）、保安生（芬蘭），也刺激了我國酶制劑的研究。國家“八五”攻關和部分省市也相繼立項研究，并陸續(xù)生產出酶制劑產品。進入20世紀90年代以來，我國飼用酶制劑業(yè)有了較大發(fā)展，涌現(xiàn)出溢多利、太湖酶、華芬酶、佳益酶、太博爾酶等酶制劑，且研究和應用相對集中在單胃動物如豬、雞等養(yǎng)殖業(yè)生產中，而在反芻動物生產中的應用正處于起步階段。

2.1 纖維素酶的作用機理

20世紀70年代，有些學者就提出纖維素酶的作用必須有多種酶協(xié)同才能表現(xiàn)出很強的活性。纖維素酶對纖維素的降解次序至今并不明了，大部分研究者接受的是協(xié)同理論學說。該學說認為，當以內切纖維素酶、外切纖維素酶和β-葡萄糖苷酶，3個主要成分的活素復合酶處理小麥秸稈粗飼料時，復合酶中各種酶不僅能協(xié)同作用，破壞植物性飼料的細胞壁，使小麥秸稈纖維素和半纖維素含量均有不同程度的下降，而且可溶物、酶解率含量也有不同程度的提高［4］。

2.1.1 摧毀植物細胞壁，提高營養(yǎng)物質的利用率 植物細胞內的營養(yǎng)物質由植物細胞壁包裹，植物細胞壁主要由纖維素、半纖維素和果膠組成。纖維素酶可在半纖維素酶、果膠酶等協(xié)同作用下破壞細胞壁，使胞內原生質暴露出來，由內源酶進一步降解。代行慧等［5］選用4只裝有永久性瘺管的綿羊，研究在日糧中添加Tween80、纖維素酶及其復合處理對綿羊日糧消化的影響。結果表明，添加酶的綿羊日糧干物質（DM）、中性洗滌纖維（NDF）、酸性洗滌纖維（ADF）瘤胃消失率均有提高；而對綿羊采食量和日糧ADF的消化率沒有影響，對DM、NDF、CP的消化率都有一定程度的提高。

2.1.2 補充內源酶的不足及增強畜體抵抗力 纖維素酶可以補充動物內源酶的不足，激活內源酶的分泌。反芻動物瘤胃中，雖有一些分解纖維素的微生物存在，可以分解一定量的纖維素，但產生的纖維素酶量有限，使纖維素的消化吸收受到一定程度的限制，而添加纖維素酶可明顯提高反芻動物對纖維素的利用率。飼用纖維素酶可以降解飼料中的β-葡聚糖、阿拉伯木聚糖、果膠和戊聚糖，降低其粘性，提高飼料的消化吸收率，減少疾病的發(fā)生，并且對其本身沒有損害作用。牛雪佳等［6］研究了不同水平纖維素酶對綿羊血液中生化指標的影響，結果表明，日糧中添加0.2%纖維素酶沒有損害綿羊各組織器官。

2.1.3 改善腸道形態(tài)結構，促進動物健康 由于纖維素復合酶能提高養(yǎng)分的消化率，進入后腸可供微生物發(fā)酵的養(yǎng)分減少，抑制了細菌繁殖。還可使腸道形態(tài)結構發(fā)生有利于營養(yǎng)物質消化、吸收的改變。即小腸絨毛高度和微絨毛高寬比、密度有所提高。趙恒波等［7］為了探明纖維素復合酶提高羔羊飼料消化率的消化道組織學基礎，通過對2～4月齡羔羊飼料中添加酶制劑試驗，發(fā)現(xiàn)添加纖維素酶能提高3～4月齡羔羊瘤胃乳頭長度、寬度和單位面積瘤胃乳頭表面積，減少單位面積乳頭數(shù)。顯著提高3月齡十二指腸腸絨毛的長度。在3～4月齡，纖維素酶有增加小腸隱窩深度和黏膜厚度的趨勢，但未達到顯著水平。

2.1.4 提高增重、降低料肉比 纖維素酶制劑本身是一種由蛋白酶、淀粉酶、果膠酶和纖維素酶等組成的多酶復合物。纖維素酶除直接降解纖維素，促進其分解為易被動物所消化吸收的低分子化合物外，還和其他酶共同作用提高畜禽對飼料營養(yǎng)物質的分解和消化。何長芳等［8］通過以纖維素酶為主的復合酶來研究對舍飼綿羊增重的影響，結果表明，飼喂羔羊時，日糧中纖維素復合酶的添加量達到一定量時，可提高舍飼羔羊對飼料中纖維素、半纖維素的消化率，從而提高增重。

2.2 纖維素酶在反芻動物生產中的應用

2.2.1 纖維復合酶處理青（黃）貯秸稈類飼料的研究進展

秸稈的處理距今已有100多年的歷史，19世紀末，人們就開始用氫氧化鈉處理秸稈來提高消化率的試驗，1919年Bechman總結出了氫氧化鈉的濕法處理方法。1964年之后，科學家的注意力轉向干法氫氧化鈉處理，使工業(yè)化處理和農場處理的方法得到了發(fā)展。1979年挪威的農場開始推行氨化處理。我國1987年開始大范圍推廣秸稈氨化技術，同時也推廣堿化和鹽化秸稈技術，20世紀90年代興起應用微生物和酶制劑處理秸稈的應用和開發(fā)。

國外有關纖維復合酶處理粗飼料的研究主要集中在青貯方面。對不同生長階段的玉米秸稈進行青貯時，添加纖維復合酶顯著降低了NDF、ADF和HC的含量，且酶的劑量越大，細胞壁纖維物質的降解也越多。在青貯玉米秸中添加纖維復合酶，試驗組酶的添加量為原料重量500、750、1 000 mL/t。結果發(fā)現(xiàn)，NDF含量分別降低2.1%、2.4%和4.3%，ADF含量分別降低0.6%、0.8%和1.9%。將纖維復合酶作為青貯添加劑的研究表明，在青黃貯玉米秸及黃貯玉米秸中添加0.10%的采用綠色木霉菌株提取的纖維復合酶，對青黃貯玉米秸及黃貯玉米秸纖維成分的影響是青黃貯玉米秸ADF、CEL、HC含量顯著下降（P＜0.05），黃貯玉米秸NDF、ADF、DEL含量顯著下降（P＜0.05）［3］。

也有研究表明，青貯料中添加纖維復合酶對纖維物質含量沒有顯著影響。國內有關纖維復合酶處理秸稈類飼料的研究報道不多，并且處理效果也不佳。

2.2.2 纖維素酶在反芻動物日糧中的應用 大量研究表明，纖維素酶應用于養(yǎng)牛業(yè)日糧中，具有很好的經濟效益。額外添加不僅可促進瘤胃微生物對粗纖維的降解，而且可提高反芻動物的生產性能。在肉牛日糧中添加纖維素酶，對提高飼料利用率、縮短育肥周期及增加經濟效益等方面的效果很顯著。奶牛日糧中添加纖維素酶可顯著提高產奶量，降低料奶比，提高乳脂率。陳三有等［9］在育肥肉牛日糧中，按干物質總量加入0.3%的“三高一號”纖維素復合飼料酶，平均日增重提高43%。尹清強等［10］在荷斯坦奶牛日糧中添加纖維素酶50 g/頭，結果其產奶量提高8.9%，飼料轉化率提高10.0%。吳建設等［11］在奶牛日糧中，添加瘤胃保護纖維素酶（15 g/頭），顯著提高了標準乳量，乳脂率也有一定提高，采食量和乳蛋白含量各組間差異不顯著。尹清強等［10］添加30 g/頭纖維素酶到綿羊日糧中，使處于牧草豐盛期和干枯期的綿羊日增重分別提高了5.4%和4.9%，同時使羊毛產量提高5.04%。Autunovic等在研究多酶制劑對羔羊育肥和屠宰性能的試驗中發(fā)現(xiàn)，添加纖維素酶對羔羊混合料轉化率、干草轉化率及日增重均顯著提高。李蒙等用纖維素酶和酵母菌處理玉米秸稈飼喂育肥羊的試驗結果表明，平均日增重提高了41.3 g，減少精料用量8.71%，對降低飼喂成本和提高經濟效益都有顯著效果。因此，纖維素酶對飼料中蛋白質、纖維素和半纖維素的消化率均有一定程度的提高，能顯著提高飼料的轉化率。

2.2.3 纖維素酶在疾病治療方面的應用 纖維素酶能直接分解纖維素，促進胃腸蠕動和營養(yǎng)物質的吸收，同時促進胃腸道正常菌群的平衡生長，從而達到治療某些疾病的目的。王貴權等［12］用纖維素酶治療牛消化道疾病取得了滿意的效果，在150例疾病中治愈率達100%。焦平林等［13］用纖維素酶治療黃犢牛的白痢、前胃弛緩、瘤胃積食，治愈率達94%。滕海波等［14］研究發(fā)現(xiàn)，用纖維素酶治療消化道和結石類疾病效果明顯，在胃鏡下結石內多點注射纖維素酶與5%碳酸氫鈉混合溶液，總碎石成功率明顯提高。

2.3 不同的試驗結果需進一步研究

由于缺乏使用酶制劑的相關信息及其在動物生產上的使用方法，對不同研究結果比較就很困難。這些結果的不一致是由一些因素造成的。這些因素包括酶活性、種類、添加方式、添加量，溫度，日糧組成及飼養(yǎng)水平等。

3 纖維素酶在生產應用中存在的問題

纖維素酶作為綠色飼料添加劑，其應用前景非常廣闊，但在目前推廣應用中還存在如下問題：

（1）生產纖維素酶的菌株產量低，成本偏高。要加強菌種選育和發(fā)酵提取工藝等基礎研究工作，提高產酶活性，降低生產成本，特別注意利用基因重組技術選育高活性菌株。

（2）纖維素酶對飼料的作用機制尚未清楚，對不同飼料最佳添加量、添加時間和方式也不十分清楚。國內外有關纖維素酶應用的研究報道很多，但纖維素酶對畜禽消化生理的影響，對于不同酶活性的產品、不同動物種類、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源酶活力影響的研究尚不夠深入，因此在實際應用中往往因用量不當而影響應用效果。

（3）穩(wěn)定性問題。纖維素酶是一種微生物制劑，對溫度、濕度、酸和堿等敏感，處理不當易失活，而對其進行穩(wěn)定化處理的研究還不多，導致飼用效果不穩(wěn)定。

（4）沒有統(tǒng)一的纖維素酶活性標準與檢測方法，其生物學評價試驗方法不規(guī)范。因此，須加強科研部門間的協(xié)作，盡快制定我國統(tǒng)一的纖維素酶質標準和檢測方法。

4 展望

纖維素酶是一種無毒、無害、無副作用的綠色生物制劑，是可再生的重要資源和能源。動物飼料中添加適量纖維素酶可提高飼料利用率，在促進動物生長、減少糞便排放、改善生態(tài)環(huán)境和防治動物疾病等方面均有明顯效果，且在很大程度上避免了因添加抗生素、激素等物質所產生的負面影響，有明顯的經濟效益和環(huán)保意義。隨著生物技術的發(fā)展和酶應用技術的深入研究，必將加速纖維素酶在反芻動物生產中的廣泛應用。

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Application and Research Progress of Cellulase in Ruminant Production

Liu Xisheng，Ren Youshe，Yue Wenbin
（College ofAnimal Science and Technology，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

Cellulase，as a green feed additive，can improve the feed conversion rate and animal production performance，soas to provide a considerable number offeed sources for the aquaculture industry.In this paper，the classification，mechanismofaction，application and prospects ofthe application ofcellulase in ruminant production were discussed，in order toprovide the theoretical basis for the production practice.

cellulase；ruminant；application；research progress

S816.7

A

2095-3887（2016）02-0062-04

10.3969/j.issn.2095-3887.2016.02.017

2016-01-21

劉喜生（1957－），男，副教授。研究方向：畜禽健康養(yǎng)殖。