葡萄糖氧化酶在動物日糧中的應用及其作用機理

葉幫同，陳清華

（湖南農業(yè)大學動物科技學院，長沙　410128）

葡萄糖氧化酶在動物日糧中的應用及其作用機理

葉幫同，陳清華

（湖南農業(yè)大學動物科技學院，長沙410128）

葡萄糖氧化酶是從黑曲霉的無細胞提取液中發(fā)現(xiàn)的一種需氧脫氫酶，在有氧氣存在的環(huán)境下，能高度專一地催化β-D-葡萄糖生成葡萄糖酸和過氧化氫，其廣泛地分布于動物、植物和微生物體內且對機體無害。文章探討了葡萄糖氧化酶在動物日糧中的應用及其作用機理。

葡萄糖氧化酶；機制；應用

在過去的畜牧生產實踐中，抗生素作為飼料添加劑發(fā)揮了很大作用，但抗生素的弊端也隨之顯現(xiàn)，例如藥物殘留、動物體內菌群失調、耐藥菌株的出現(xiàn)等，目前世界各國都在禁止抗生素作為飼料添加劑的使用。因此，對無污染無殘留的環(huán)保型飼料添加劑的研究愈來愈受到重視。飼用酶制劑是微生物發(fā)酵的天然產物，是一種安全的綠色飼料添加劑。飼料中外源添加酶制劑能夠充分利用和節(jié)約飼料資源，提高飼料轉化率，減少環(huán)境污染。

1　葡萄糖氧化酶

葡萄糖氧化酶（GOD）是一種需氧脫氫酶，屬于氧化還原酶類，有氧環(huán)境下，β-D-葡萄糖能夠被葡萄糖氧化酶專一氧化成D-葡萄糖酸-δ-內脂和過氧化氫，D-葡萄糖酸-δ-內脂自發(fā)水解成葡萄糖酸。Reed指出，早在1904年，葡萄糖氧化酶就被發(fā)現(xiàn)，只是當時并沒有引起足夠的重視[1]。方軍成等指出，直至20世紀20年代末，Muller首先從黑曲霉菌絲體無細胞提取液中發(fā)現(xiàn)了葡萄糖氧化酶，對其進行了葡萄糖酸形成的酶學研究，并且進一步研究闡述了葡萄糖氧化酶的作用機理[2]。目前GOD主要由青霉和黑曲霉等菌株生產，是一種安全無污染，無毒無害的綠色飼料添加劑。

1.1酶學性質

葡萄糖氧化酶通常呈黃色或淡黃色，粉末狀，易溶于水，可制成液體制劑，但完全不溶于酒精、乙醚等有機溶劑。此外，濃度為55%的丙酮和66%的甲醇都能使葡萄糖氧化酶沉淀，氧化鋁和弱酸性的離子交換樹脂能有效吸附葡萄糖氧化酶。葡萄糖氧化酶的最大光吸收波長是377和455 nm。不同來源的葡萄糖氧化酶的相對分子質量較大[4]。葡萄糖氧化酶在pH 5.0~5.6時，酶活性最高并基本保持不變，葡萄糖氧化酶的反應溫度為30~60℃。李艷等指出在溫度為-15℃的條件下，葡萄糖氧化酶可保存8年[5]。宋海彬等研究表明，葡萄糖氧化酶的穩(wěn)定性很高，氰化鉀、氟化鈉等并不能抑制其活性，但Na2SO3和Ag+等能夠抑制其活性，而Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+等對葡萄糖氧化酶有激活作用[6]。肖志明等研究表明，葡萄糖氧化酶的反應速率與底物-葡萄糖的濃度無關，當葡萄糖濃度為5%~20%，反應速率幾乎保持不變[4]。

1.2空間構造

葡萄糖氧化酶的空間結構是同型二聚體結構，有兩個相同的糖蛋白經過二硫鍵共價結合，且每個糖蛋白單體還含有兩個區(qū)域：部分輔基通過非共價的β折疊形式緊密結合；與底物β-D-葡萄糖通過4個α螺旋與支撐一個反向平行的β折疊形式結合。

1.3反應特性

劉超等研究表明，葡萄糖氧化酶能夠通過消耗氧分子或者氧原子從而達到保護食品中易氧化成分的目的[7]。其催化反應的類型按照反應條件可以劃分為3種：存在過氧化氫酶時，C6H12O6+1/2O2→C6H12O7，反應氧化1 mol C6H12O6消耗1 mol氧；無氧化氫酶時，C6H12O6+O2→C6H12O7+H2O2，反應每氧化1 mol葡萄糖消耗1 mol氧；過氧化氫酶和乙醇同時存在時，C6H12O6+CH3CH2OH+O2→C6H12O7+H2O2+ CH3CHO，過氧化氫酶用于氧化乙醇。

1.4催化反應底物特異性

劉欣研究表明，葡萄糖氧化酶具有高度專一的底物特性，如葡萄糖氧化酶對α-D-葡萄糖的催化活性不及對β-D-葡萄糖的1%，而且對L-葡萄糖完全沒有活性[8]。葡萄糖氧化酶在不同底物條件下的催化速率見附表。

2　葡萄糖氧化酶的功能

葡萄糖氧化酶自20世紀末中國農業(yè)部批準使用以來，其作為一種安全的綠色飼料添加劑具有抑菌、促生長作用，且無毒，無抗藥性，其不同于抗生素，不產生抗藥性也沒有藥物殘留等情況。

附表　葡萄糖氧化酶在不同底物條件下的催化速率

2.1改善飼料質量，防霉抗氧化

葡萄糖氧化酶在參加反應生成過氧化氫的同時消耗氧氣，使其在畜牧生產中可同時作為抗氧化劑和防霉抑菌劑。反應過程中消耗氧氣抑制需氧型細菌的生長，保證了飼料營養(yǎng)不流失；過氧化氫具有的殺菌作用可以抑制霉菌的生長，使飼料中霉菌毒素的含量得到明顯的降低，從而延長飼料保質期。

2.2改善腸道消化環(huán)境，促進營養(yǎng)物質消化吸收

腸道內的葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下產生葡萄糖酸，葡萄糖酸作為一種酸性物質使腸道內的酸性增加，食糜pH降低，有害細菌的生長得到抑制，促進有益細菌如乳酸桿菌的生長繁殖，為其創(chuàng)造良好的生長環(huán)境條件，使畜禽的免疫力也有一定程度的提高。酸性條件還能保持蛋白酶的活性，促進氨基酸、脂肪酸等營養(yǎng)物質的吸收利用，飼料利用率得到有效提高。Biagi等研究表明，葡萄糖酸通過促進更多的短鏈脂肪酸的產生來提高斷奶仔豬的平均日增重[9]。

2.3解除霉菌毒素中毒，降低霉菌超標危害

霉菌毒素是霉菌在生長繁殖過程中的二次代謝產物，影響動物腸道的健康。相比于普通的飼料防霉劑以及霉菌毒素吸附劑，葡萄糖氧化酶在解除動物霉菌毒素中毒以降低危害方面有獨特的作用。防霉劑只能抑制霉菌毒素，一旦飼料發(fā)生霉變，則難以消除霉變飼料所帶來的危害；霉菌毒素吸附劑能夠吸附黃曲霉毒素等嚴重危害動物健康的毒素，對已中毒的動物并無解毒作用。相反，葡萄糖氧化酶不但能夠直接抑制黃曲霉和青霉等霉菌，還能直接參與到動物體內的氧化還原反應，進入肝臟后能夠加速肝臟的氧化還原反應，加速有毒物質的代謝。胡常英等試驗表明，500 ppm黃曲霉毒素B1濃度下，加入固體葡萄糖氧化酶，小雞35周內存活率較不加酶組高出21%，完全解除體內黃曲霉毒素B1毒性，體征也恢復正常[10]。趙艷姣等研究表明，當飼料中黃曲霉毒素B1<67.77·kg-1時，葡萄糖氧化酶0.35%添加到飼料中可緩解霉變飼料對小鼠造成的不利影響[11]。

2.4清除自由基，保護腸道上皮細胞

畜禽處于應激狀態(tài)時，機體發(fā)生氧化，產生過量的自由基，超過機體自身清除自由基的極限，從而破壞腸道上皮細胞，但其能被具有抗氧化作用的葡萄糖氧化酶清除而保持腸道上皮細胞的完整性，有效阻止病原體的入侵。宋海彬等研究表明，機體重要的抗氧化酶-超氧化物歧化酶（SOD）能夠通過清除超氧陰離子自由基（AOR）從而使細胞免受損傷[12]。機體內脂質過氧化物丙二醛（MDA）的含量以及超氧化物歧化酶的活性能夠反映機體清除AOR的能力和細胞受損的程度，其在肉雞飼糧中添加不同劑量的GOD，肉雞血清中丙二醛的水平和超氧化物歧化酶的水平得到了不同程度的改善。此外，董秀梅等試驗表明，在肉雞飲水中添加復合微生態(tài)制劑使血液中SOD和谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）得到極顯著的提高（P< 0.01），極顯著降低MDA的含量（P<0.01）[13]。

2.5保護腸道菌群平衡，提高機體免疫力

趙國先等研究試驗表明，飼糧中添加葡萄糖氧化酶制劑能夠極顯著的抑制42日齡肉雞盲腸內大腸桿菌的數量，此外雙歧桿菌和乳酸桿菌的數量有了明顯的提升[14]。Tsukahara等研究表明，葡萄糖可能發(fā)揮類似于益生元的作用，增加腸道的酸性，乳酸菌等微生物利用完葡萄糖酸后，產生的短鏈脂肪酸仍持續(xù)影響著腸道的酸性[15]。湯海鷗等在仔豬基礎日糧中添加葡萄糖氧化酶100 g·t-1后，仔豬糞便中的沙門氏菌數量顯著降低，仔豬腸道健康得到很好的改善[16]。

3　葡萄糖氧化酶的應用

葡萄糖氧化酶作為一種飼料添加劑，當前研究集中在于肉雞、蛋雞和仔豬的養(yǎng)殖上。

3.1豬

斷奶仔豬由于斷奶所導致的應激反應以及飼料形狀的改變加之其本身免疫系統(tǒng)不夠完善，抵抗力低下，且消化道系統(tǒng)發(fā)育還未完善，造成仔豬的營養(yǎng)物質消化吸收不好，從而影響發(fā)育。據報道日糧中加入葡萄糖氧化酶制劑之后，情況能夠得到一定程度的改善。方金津等研究表明，28日齡的斷奶二元雜交仔豬（杜洛克×山豬）試驗組添加葡萄糖氧化酶500 g·t-1相比于對照組，仔豬日增重提高10.96%，料肉比降低10.6%，毛利潤增加28.07元·頭-1，促生長效果顯著[17]。湯海鷗等試驗表明，添加葡萄糖氧化酶組仔豬的糞便中所含沙門氏菌數顯著低于對照組（P<0.05），且其血液中三碘甲腺原氨酸（T3）、促甲狀腺激素（TSH）、生長激素（GH）含量均顯著高于對照組[16]。安文亭等選用28日齡斷奶的杜×長×大三元雜交仔豬試驗，結果表明，飼糧中添加葡萄糖氧化酶不但有助于脂肪、蛋白質、纖維和能量的消化率（P<0.05）得到顯著的提高，而且腹瀉率以及死淘率較對照組分別降低24.58%~49.76%和12.35%~55.76%[18]。

3.2雞

趙國先等研究表明，按照單因子隨機分組試驗測定葡萄糖氧化酶對蛋雞產蛋性能和血液生化指標的影響，在日糧中分別添加葡萄糖氧化酶0.3%后，與對照組相比，產蛋率提高16.06%（P> 0.05）；破殼率降低49.66%（P>0.05）。當飼料中葡萄糖氧化酶的添加量為0.3%和0.4%時，飼料的轉化率得到顯著提高，葡萄糖氧化酶4%添加組能使肌酸激酶的活性顯著降低，血清總蛋白含量降低[19]。龐加滿等研究表明，飼料中添加葡萄糖氧化酶對35日齡黃羽肉雞的生產性能無影響，但能影響36~70日齡的黃羽肉雞的日增重以及料重比[20]。孫春陽等將葡萄糖氧化酶和酵母硒作為復合添加劑研究對規(guī)?；子鹑怆u肉品質，抗氧化性能和生長性能的影響，結果表明，試驗組肉雞胸肌肉色a值和b值分別顯著高于對照組和顯著低于對照組（P<0.05）；42日齡時，試驗組肉雞血清超氧化物岐化酶，總抗氧化能力以及谷胱甘肽過氧化物酶較對照組顯著提高7.96%、13.23%、19.01%（P> 0.05），丙二醛（MDA）則降低34.93%；死淘率顯著降低32.41%，料重比降低3.85%，平均日增重顯著提高1.53%（P<0.05）[21]。

3.3其他動物

葡萄糖氧化酶作為被農業(yè)部批準允許添加的酶制劑之一，其不但廣泛應用到養(yǎng)豬以及養(yǎng)雞等行業(yè)，應用在反芻動物和家兔中也有報道，葡萄糖氧化酶能夠影響青貯飼料以及降低幼兔的腹瀉率和料肉比等。呂進宏等研究表明，將葡萄糖氧化酶加入到長膘的牛的青貯飼料中有很好的效果，這與青貯的制作原理有關，葡萄糖氧化酶反應消耗氧氣，正好對青貯有利，提高飼料青貯的程度，缺氧加速乳酸菌的繁殖發(fā)酵過程，迅速降低pH，從而保證青貯的質量[22]。吳艷芳等對斷奶仔兔進行葡萄糖氧化酶試驗，仔兔的料肉比隨著葡萄糖氧化酶濃度的提高而降低，各個試驗組之間脾腺和胸腺等免疫器官指數并無明顯差異[23]。劉亞娟等研究表明，幼兔中添加葡萄糖氧化酶能夠降低腹瀉率，且隨濃度的提高，呈現(xiàn)降低的趨勢[24]。

3.4食品行業(yè)

某些食品由于其化學特性，導致在加工、儲藏、運輸和銷售等環(huán)節(jié)容易腐敗而變質，從而使其營養(yǎng)價值和經濟價值受到一定程度的影響?，F(xiàn)大多采用低溫冷凍的保存方式，但這種方式并非適用于所有的食品，如蝦類由于體內存在一種多酚氧化酶，這種酶即使在冷凍冰藏時卻依然保持著酶活性，因此褐變難以避免。馬清河等研究表明，葡萄糖氧化酶具有很好的保鮮性能，蝦類經過以葡萄糖氧化酶為主要成分的保鮮劑浸漬處理后，冷藏120 h，依然能保持二級鮮度，冷凍儲存12個月依然能保持二級鮮度[25]。研究表明，葡萄糖氧化酶在防止果汁氧化和抑制果汁褐變方面有很好的效果，而且能夠延長果汁的保質期，保持果汁風味[26]。

4　小結

盡管此前有較多關于葡萄糖化氧化酶在畜牧生產中應用的報道，但是相關機理研究尚不明確，有待進一步研究。此外，由于葡萄糖氧化酶分離和純化的復雜性，導致尚不能規(guī)模化生產活性較高的葡萄糖氧化酶。利用基因工程等創(chuàng)新技術來提高葡萄糖氧化酶產量、活性以及純度，是未來的研究方向之一。

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The Application of Glucose Oxidase in the Diet of Animals and Its Mechanism

YE Bangtong,CHEN Qinghua
（College of Animal Science and Technology,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China）

Glucose oxidase is an aerobic dehydrogenase from the Aspergillus niger of a cell-free extract,it can catalyze with highly specific β-D-glucose to generate C6H12O7and H2O2with oxygen existing,and distributed in ani?mals,plants and microorganisms widely and harmless to body.This paper discussed the application of Glucose oxi?dase in the diet of animals and its mechanism.

glucose oxidase;mechanism;application

S816.7；TQ925+.4

A

1001-0084（2016）05-0014-04

2016-04-18

葉幫同（1991-），男，江西南昌人，碩士研究生，研究方向為飼料酶制劑的開發(fā)與應用。