β-甘露聚糖酶的生物學功能及其在動物生產(chǎn)中的應用

翟彩寧 陳 佩

（陜西開放大學，陜西 西安 710119）

甘露聚糖廣泛存在于豆粕、芝麻粕和棕櫚仁粕等植物性飼料原料中，主要由β-1,4 糖苷鍵連接而成[1]。β-甘露聚糖作為一種抗營養(yǎng)因子，在單胃動物體內(nèi)甘露聚糖酶的缺乏會影響畜禽對營養(yǎng)成分的消化吸收[2]。β-甘露聚糖酶是水解甘露聚糖的關鍵酶[3]，可以分解細胞壁中的甘露聚糖，使消化酶與營養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，促進營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。β-甘露聚糖酶還可直接作用于腸黏膜，減少病原微生物與腸黏膜上皮細胞的結(jié)合，改善腸道環(huán)境。β-甘露聚糖酶水解甘露聚糖的產(chǎn)物——甘露寡糖具有益生元的作用，可以調(diào)節(jié)免疫反應，提高機體免疫力[4-6]。目前，β-甘露聚糖酶廣泛應用于飼料等領域，可降解飼料中的抗營養(yǎng)因子，提高能量的利用率，提高畜禽的生長和生產(chǎn)性能以及機體免疫能力[7-8]。文章主要綜述了β-甘露聚糖酶的生物學功能及其在動物生產(chǎn)中的研究結(jié)果，為β-甘露聚糖酶進一步在動物養(yǎng)殖中的應用提供參考。

1 β-甘露聚糖酶的來源和結(jié)構(gòu)

甘露聚糖是自然界中半纖維素的第二大組成部分，廣泛存在于豆科植物中，是由β-1,4-D-吡喃甘露糖連接而成的線狀多聚體[1]。甘露聚糖可作為多糖存儲在植物種子的胚乳中。此外，甘露聚糖還是植物細胞壁的主要組成成分，作為結(jié)構(gòu)多糖維持植物細胞結(jié)構(gòu)的完整性[9]。甘露聚糖通常結(jié)構(gòu)比較復雜，不同來源的甘露聚糖結(jié)構(gòu)也不相同。按照不同的連接方式和單糖組成，甘露聚糖主要包括線性甘露聚糖、半乳甘露聚糖、葡甘露聚糖和半乳葡甘露聚糖等4 種[10]（見圖1）。

圖1 甘露聚糖的分類

張建新等[11]研究表明，甘露聚糖作為一種抗營養(yǎng)因子影響動物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，完全被降解需要多種水解酶的協(xié)同作用。β-甘露聚糖酶是甘露聚糖水解過程中最關鍵的酶之一，通過內(nèi)切的方式水解甘露聚糖的β-1,4-D-甘露糖苷鍵，得到不同類型的寡糖，之后在β-葡萄糖苷酶和β-甘露糖苷酶的協(xié)同作用下進一步水解寡糖的β-1,4 糖苷鍵，釋放甘露糖和葡萄糖[12]。

β-甘露聚糖酶來源廣泛，在一些植物（番茄、芝麻、豆兒瓜、長角豆）、微生物（細菌、真菌、放線菌）以及部分低等動物（蝸牛、翡翠貽貝）的腸道分泌液中均有存在[13]。飼用甘露聚糖酶主要由微生物產(chǎn)生，具有提取方便、生產(chǎn)成本低、pH 值和溫度作用范圍廣、底物專一和酶活性高等優(yōu)點[14-16]，目前在理論研究和工業(yè)化生產(chǎn)中均得到廣泛應用。

根據(jù)氨基酸序列的相似性，β-甘露聚糖酶可分為4 個糖苷水解酶家族（GH），即GH5、GH26、GH113 和GH134[17]。許多真菌、動植物來源的β-甘露聚糖酶和部分細菌來源的β-甘露聚糖酶均屬于GH5 家族[18]。GH5、GH26 和GH113 家族的β-甘露聚糖酶均是GH-A 家族成員[19]。β-甘露聚糖酶由催化域和非催化域兩部分組成，催化域經(jīng)折疊形成典型的（β/α）8-TIM 桶狀結(jié)構(gòu)，由8 個α 螺旋和8 個β 折疊交替排列組成，8 個β 折疊在中部平行排列形成一個桶狀結(jié)構(gòu)，α 螺旋主要負責連接這些折疊片段，主要位于桶的外圍[20]（見圖2）。β-甘露聚糖酶具有兩個保守的活性位點（酸堿催化位點和親核催化位點），分別位于第4 和第7 個β 折疊的C 末端[19]。除催化域外，部分β-甘露聚糖酶還存在非催化域，如碳水化合物結(jié)合模塊（CBM） 中的經(jīng)典β 三明治（β sandwich）結(jié)構(gòu)，由13 個β 折疊、1 個α 螺旋和1 個鈣離子構(gòu)成[21]，可增強酶對含纖維素甘露糖的水解能力。

圖2 β-甘露聚糖酶的分子結(jié)構(gòu)

2 β-甘露聚糖酶的生物學功能

2.1 促進營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收

飼料中主要的抗營養(yǎng)因子是非淀粉多糖，β-甘露聚糖普遍存在于植物性飼料中，占畜禽飼糧中非淀粉多糖的15%～37%。甘露聚糖酶能夠消除β-甘露聚糖的抗營養(yǎng)作用，促進畜禽生長[22]。β-甘露聚糖因其高親水性，易在單胃動物的消化道內(nèi)吸水形成凝膠狀結(jié)構(gòu)，增加消化道中內(nèi)容物的黏度，影響消化酶與營養(yǎng)物質(zhì)的相互作用[23]。β-甘露聚糖酶能夠水解β-甘露聚糖分子中的β-1,4 糖苷鍵，水解得到甘露寡糖，降低食糜黏度，促進消化酶（淀粉酶、胰蛋白酶等）的分泌，利于機體對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收[24]。此外，β-甘露聚糖酶能夠降解植物性飼料細胞壁中的β-甘露聚糖，促進營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，提高飼料的營養(yǎng)價值[25]。薛瑞婷等[26]研究表明，在玉米-豆粕型基礎飼糧中添加β-甘露聚糖酶能夠提高生長豬的養(yǎng)分表觀消化率。

2.2 改善腸道健康

在畜禽飼糧中添加β-甘露聚糖酶后，甘露聚糖被水解為甘露寡糖。甘露寡糖能夠調(diào)節(jié)腸道內(nèi)菌群平衡，促進腸道中益生菌等有益菌的生長，抑制腐敗菌和外源菌在消化道的定植，保障腸道黏膜的完整性[27-28]。此外，β-甘露聚糖酶直接作用于腸黏膜，通過與病原微生物表面的特異性蛋白結(jié)合，減少細菌與腸黏膜上皮細胞的結(jié)合，改善腸道健康[11]。喬海云等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在肉仔雞的基礎飼糧中添加0.06%的β-甘露聚糖酶，能夠顯著降低大腸桿菌的數(shù)量，維持腸道酸堿度平衡，增加腸道乳酸桿菌等有益菌的數(shù)量，改善肉雞腸道菌群平衡。李路勝等[30]研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，在低能量飼糧中添加500 g/t 的β-甘露聚糖酶，肉雞的胸腺指數(shù)顯著提高29.70%。高會戰(zhàn)[31]研究發(fā)現(xiàn)，在低豆粕飼糧中添加β-甘露聚糖酶能夠顯著增加十二指腸和回腸的長度，降低肉雞十二指腸指數(shù)，改善肉雞的腸道形態(tài)。

2.3 提高機體免疫功能

β-甘露聚糖酶能夠降解甘露聚糖緩解機體腸道的免疫應激，提高動物機體免疫力。飼料中的β-甘露聚糖是一種病原相關分子結(jié)構(gòu)（PAMP），在腸道中可以被模式識別受體（PRR）識別，刺激腸道中的先天免疫細胞，誘發(fā)一系列的免疫反應，導致生產(chǎn)效益下降[32]。在飼料中添加β-甘露聚糖酶可以消除甘露聚糖的負面作用，提高動物的生產(chǎn)性能[33]。此外，甘露寡糖可以促進細胞分泌糖蛋白，這些含有甘露糖基的糖蛋白能夠與入侵的病原菌結(jié)合，激發(fā)機體的免疫反應，提高動物免疫力[25]。Arsenault 等[34]研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加β-甘露聚糖酶可增加肉雞淋巴細胞的數(shù)量，調(diào)節(jié)腸道炎癥反應，提高機體的免疫力。Roque 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在荷斯坦奶牛的基礎飼糧中添加0.1%的β-甘露聚糖酶能夠減輕產(chǎn)奶牛的炎癥反應。喬海云等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在玉米-豆粕型飼糧中添加0.01%的β-甘露聚糖酶后，肉仔雞的法氏囊指數(shù)和脾臟指數(shù)均顯著提高，對免疫性能起到積極的促進作用。黃鐵生等[35]在肉雞飼糧中添加β-甘露聚糖酶，1～21 日齡肉雞的脾臟指數(shù)、法氏囊指數(shù)、胸腺指數(shù)分別提高3.37%、4.20%、4.93%，一定程度上提高了機體的免疫力。

3 β-甘露聚糖酶在動物生產(chǎn)中的應用

常規(guī)飼料原料中均含有β-甘露聚糖，β-甘露聚糖在豆粕中含量最高，為1.1%～1.3%[36]。在飼料中添加豆粕能夠降低飼料成本，但甘露聚糖酶的缺乏使畜禽無法充分利用甘露聚糖。因此，在畜禽飼料中添加β-甘露聚糖酶可以提高飼料的利用率，改善動物健康[37]。

3.1 β-甘露聚糖酶在家禽生產(chǎn)中的應用

劉遠斌等[38]在肉雞低能量飼糧中分別添加36、72、108 U/g 的耐熱β-甘露聚糖酶，與對照組相比，72 U/g添加組肉雞回腸隱窩深度降低22.65%，干物質(zhì)、粗蛋白、粗脂肪和能量的表觀代謝率分別提高6.84%、23.00%、5.04%、6.33%，表明低能量飼糧中添加適量的β-甘露聚糖酶對肉雞的小腸形態(tài)和表觀代謝率均有改善作用。張榮春等[39]研究發(fā)現(xiàn)，在適當降低代謝能水平的肉雞飼糧中添加100 g/t 的β-甘露聚糖酶，料重比有所降低，肉仔雞的成活率和日增重有所提高，試驗組比對照組多盈利0.51 元/只，提高了養(yǎng)殖效益。鄭允志等[40]研究發(fā)現(xiàn)，在夏季高溫時期，向低能飼糧（代謝能11.34 MJ/kg，粗蛋白質(zhì)水平15%）中添加500 mg/kg 的β-甘露聚糖酶，蛋雞的代謝能顯著提高2.41%，蛋殼強度也有所改善，但對高溫熱應激引發(fā)的蛋雞生產(chǎn)性能無緩解作用。萬新穎等[41]研究3 種酶制劑（復合酶、葡萄糖氧化酶、β-甘露聚糖酶）對肉雞生長性能的影響，發(fā)現(xiàn)β-甘露聚糖酶組肉雞平均日增重提高了9.38%，料重比降低了8.86%，經(jīng)濟效益提高了22.86%；與其他試驗組相比，β-甘露聚糖酶對肉雞生長性能和經(jīng)濟效益的影響效果最好。辛禹秀等[42]在對不同水平（50、70、100 g/kg）β-甘露聚糖酶的肉雞飼糧的研究中發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，70 g/kg β-甘露聚糖酶添加組顯著提高了肉雞的日增重和體重均勻度，同時料重比顯著降低了5.43%。黃李蓉等[43]在產(chǎn)蛋后期鵪鶉的基礎飼糧中添加120 mg/kg 的β-甘露聚糖酶，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不影響其生產(chǎn)性能的前提下具有降低軟蛋率的趨勢。Carvalho 等[44]在蛋雞的飼糧中添加300 g/t 的β-甘露聚糖酶并觀察母雞的行為變化，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，添加β-甘露聚糖酶能夠使蛋雞的取食頻率顯著提高49%，減少蛋雞的啄食和頸部損傷，因此β-甘露聚糖酶成為改善禽類福利的有效策略。Yaqoob 等[45]研究發(fā)現(xiàn)，在肉雞飼糧中添加600 mg/kg 的β-甘露聚糖酶對生長性能和屠體品質(zhì)無負面影響，但肉仔雞回腸干物質(zhì)和粗纖維的消化率分別提高7.68%和14.48%，表明β-甘露聚糖酶能夠提高肉仔雞對營養(yǎng)物質(zhì)的消化率。

3.2 β-甘露聚糖酶在豬生產(chǎn)中的應用

薛瑞婷等[26]在玉米-豆粕型基礎飼糧中分別添加0、150、300、450 U/kg 的β-甘露聚糖酶，發(fā)現(xiàn)隨著β-甘露聚糖酶添加量增加，豬的日增重分別提高了4.59%、6.53%、3.42%，同時也提高了豬對粗蛋白質(zhì)、干物質(zhì)、鈣、磷、中性洗滌纖維的表觀消化率以及生長性能。余璐璐等[46]在仿生消化試驗和斷奶仔豬生產(chǎn)試驗中發(fā)現(xiàn)，當酸性與中性β-甘露聚糖酶酶活比為50∶50，斷奶仔豬飼糧中的添加量為6 000 U/kg 時，與對照組相比，β-甘露聚糖酶對飼糧中還原糖的釋放量提高7.64%，斷奶仔豬的末重、日均采食量、日增重分別顯著提高了3.17%、5.51%、5.24%；同時顯著提高了斷奶仔豬血清中的血糖含量。朱曉彤等[47]研究發(fā)現(xiàn)，在豆粕添加水平為37%的斷奶仔豬飼糧中添加0.02%的β-甘露聚糖酶，可顯著降低斷奶仔豬血清中半乳甘露聚糖的含量，顯著增加前腔靜脈血清中葡萄糖、鈣、磷和尿素氮的含量，空腸氨基酸轉(zhuǎn)運載體基因SLC7A1、SLC7A11 和SLC38A2 的相對表達量均顯著升高，提高了仔豬對氨基酸的吸收利用。Kim 等[48]在基礎飼糧中分別添加400、800、1 600 U/kg 的β-甘露聚糖酶，發(fā)現(xiàn)隨著β-甘露聚糖酶濃度的增加，豬的末重、平均日增重和血糖均顯著提高；當添加量為400 U/kg 時，對提高豬生產(chǎn)性能的作用效果最好。Jeon 等[22]研究發(fā)現(xiàn)，當豬基礎飼糧中β-甘露聚糖酶的添加水平為0.5 g/kg 時，生長豬的料重比和糞氨濃度顯著降低，豬回腸的氨基酸消化率顯著提高。此外，Vangroenweghe 等[49]研究發(fā)現(xiàn)，添加β-甘露聚糖酶可緩解仔豬斷奶后引起的腹瀉。

3.3 β-甘露聚糖酶在反芻動物生產(chǎn)中的應用

Seo 等[50]在母牛的玉米-大豆基礎飼糧和含有高甘露聚糖的飼糧中添加1 g/kg 的β-甘露聚糖酶濃縮液，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，試驗組母牛的平均日增重分別提高111、90 g/d，表明在母牛飼糧中添加β-甘露聚糖酶有利于提高母牛的飼料利用率和生長速度。Tewoldebrhan等[51]研究發(fā)現(xiàn)，在荷斯坦奶牛干物質(zhì)添加量為0.1%的基礎飼糧中補充0.2%的β-甘露聚糖酶，可以提高奶牛的飼料轉(zhuǎn)化效率，奶牛每千克干物質(zhì)產(chǎn)奶量提高90 g，同時降低牛乳中的體細胞計數(shù)，但對奶牛的產(chǎn)奶量無顯著影響。Roque 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛的基礎飼糧中添加0.1%的β-甘露聚糖酶，奶牛血清中結(jié)合珠蛋白水平顯著降低，表明β-甘露聚糖酶在抗炎方面發(fā)揮積極作用。Jeong 等[52]研究發(fā)現(xiàn)，向犢牛的基礎飼糧中添加0.1%的β-甘露聚糖酶能夠顯著提高精料的干物質(zhì)質(zhì)量采食量，犢牛的平均日增重與對照組相比提高148 g/d，但差異不顯著。Lee 等[53]在山羊的基礎飼糧中分別添加0.1%和0.3%的β-甘露聚糖酶，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，添加β-甘露聚糖酶組的山羊平均日增重、飼料轉(zhuǎn)化率和對氮的利用率均顯著提高，不同添加水平的β-甘露聚糖酶對山羊的影響效果無顯著差異，表明飼料中添加β-甘露聚糖酶可以改善山羊的生長性能和對養(yǎng)分的消化率。

4 結(jié)論

近年來，通過添加外源酶制劑提高畜禽飼料的飼用價值受到越來越多研究者的關注。β-甘露聚糖酶能夠有效降解β-甘露聚糖釋放營養(yǎng)成分，利于營養(yǎng)成分的消化吸收，提高能量利用率。β-甘露聚糖的水解產(chǎn)物甘露寡糖能夠有效改善畜禽腸道菌群環(huán)境，緩解腸道免疫應激，提高機體免疫力。將β-甘露聚糖酶用于動物生產(chǎn)，能夠提高動物的生長性能、改善機體健康、減少畜禽糞便中氮、磷的排量。但目前我國對β-甘露聚糖酶的研究體系還不夠成熟，特別在提高菌種產(chǎn)酶水平、評定酶制劑在飼糧中的作用效果、提高酶的耐熱性和酶活力、改善產(chǎn)酶發(fā)酵工藝等方面仍需繼續(xù)努力。同時，繼續(xù)深入了解β-甘露聚糖酶的作用機制，也是未來需要重點研究的方向。綜上所述，β-甘露聚糖酶作為一種新型的促生長飼料添加劑，未來具有廣闊的應用前景。