瘤胃微生物內(nèi)源酶種類及調(diào)控方法研究進展

■ 馬天一 王 祚 肖定福

（湖南農(nóng)業(yè)大學動物科學技術(shù)學院，湖南長沙 410128）

牛羊肉在我國國民膳食結(jié)構(gòu)中占有重要地位[1]，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和居民生活水平的提高，牛羊肉受到廣大消費者的青睞，消費需求不斷增長[2]。日益增長的市場需求需要研究者們更加精準地把握反芻動物的營養(yǎng)需要。瘤胃微生物在反芻動物營養(yǎng)代謝過程中發(fā)揮著重要作用，諸多因素影響瘤胃微生物內(nèi)源酶活性，通過這些因素調(diào)控瘤胃微生物內(nèi)源酶活性可以提高動物飼料利用效率、生產(chǎn)性能以及畜產(chǎn)品質(zhì)量。文章對影響瘤胃微生物內(nèi)源酶活性的因素（如日糧組成、動物品種、日齡、生理階段和晝夜節(jié)律等）進行綜述，旨在為合理調(diào)控瘤胃微生物內(nèi)源酶活性、提高反芻動物生產(chǎn)性能提供參考。

1 瘤胃微生物內(nèi)源酶的種類及作用

在反芻動物瘤胃中存在著多種微生物，包括原蟲、細菌和厭氧真菌。這些微生物可以通過自身分泌的消化酶（如纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等）對飼料中的營養(yǎng)物質(zhì)進行分解和利用。其中部分營養(yǎng)物質(zhì)被分解用于合成菌體蛋白，進一步被宿主消化吸收，未降解的營養(yǎng)物質(zhì)則直接進入小腸，被宿主利用。

1.1 纖維素酶

纖維素酶是降解纖維素生成葡萄糖的一組酶的總稱，是一種復合酶，可以促進纖維素水解并產(chǎn)生葡萄糖。根據(jù)催化反應(yīng)功能的不同可以分為內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡聚糖苷酶。主要由瘤胃球菌（Ruminococcus）、產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌（Fibrobacter succinogenes）、溶纖維丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）和梭菌（Clostridium）產(chǎn)生。

1.2 淀粉酶

淀粉酶是水解淀粉和糖原的酶類總稱，一般作用于可溶性淀粉、直鏈淀粉以及糖原等α-1，4-葡聚糖，水解α-1，4-糖苷鍵的酶。根據(jù)酶水解產(chǎn)物異構(gòu)類型不同可分為α-淀粉酶與β-淀粉酶?？煞置诘矸勖傅奈⑸镉兴缶?Clostridium)、產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌和溶纖維丁酸弧菌的部分菌株，以及牛鏈球菌(Streptococcus bovis)、嗜淀粉瘤胃桿菌(Ruminobacter amylophilus)、棲瘤胃普雷沃氏菌(Prevotella)、溶淀粉琥珀酸單胞菌(Succinimonas amylolytica)，以及反芻獸新月形單胞菌(Selenomonas ruminatium)等。

1.3 其他瘤胃微生物內(nèi)源酶

半纖維素酶是一種能水解植物細胞壁多糖類（纖維素和果膠質(zhì)除外）的酶類，半纖維素酶為復合酶系，主要包括木聚糖酶和甘露聚糖酶。真細菌(Eubacterium)、棲瘤胃普雷沃氏菌、溶纖維丁酸弧菌、瘤胃球菌、多毛毛螺菌(Lachospira multipara)、螺旋體(Spirochaetaceae)、溶糊精琥珀酸弧菌(Succinivibrio dextinosolvens)等均可分泌半纖維素酶。蛋白酶是水解蛋白質(zhì)肽鍵的一類酶的總稱，按其水解多肽的方式可以分為內(nèi)肽酶和外肽酶兩類。除了主要的纖維降解菌外，大多數(shù)瘤胃細菌都可分泌蛋白酶（如噬淀粉瘤胃桿菌、溶纖維丁酸弧菌和棲瘤胃普雷沃氏菌）。脂肪酶屬于羧基酯水解酶類，能夠逐步將三酰甘油水解成甘油和脂肪酸，主要由脂解厭氧弧桿菌（Anaerovibrio lipolytica）分泌。

2 影響瘤胃微生物內(nèi)源酶活性的因素

2.1 動物品種

諸多研究表明，不同的動物品種因其所處的地理位置不同以及遺傳信息三酰甘油存在差異會導致其瘤胃中細菌組成不同[3-6]。以我國特色品種黃牛、牦牛為例，在放牧的條件下牦牛瘤胃纖維降解類酶活性顯著高于黃牛[7]。Islam 等[8]研究也表明在飼喂相同的日糧且生活環(huán)境相同的前提下荷斯坦奶牛和娟姍奶牛瘤胃微生物群存在差異，飼喂前兩者均以普雷沃氏菌為主，在飼喂6 h 后娟姍奶牛主要菌群為甲烷擬桿菌(Methanobrevibacter millerae)，而荷斯坦奶牛主要菌群為甲烷擬桿菌(Methanobrevibacter olleyae)。張寧等[9]研究表明80～160 日齡階段小尾寒羊瘤胃中淀粉酶和脂肪酶顯著高于灘羊，200 日齡時小尾寒羊瘤胃中纖維素酶、淀粉酶和脂肪酶活性均顯著低于灘羊。

2.2 日齡與生理階段

動物的年齡因素也顯著影響瘤胃內(nèi)各種微生物酶的種類、數(shù)量和活性[10]。以羔羊為例，放牧羔羊可大致分為非反芻階段、過渡階段以及成年反芻階段[11]。在各個階段瘤胃中微生物酶的種類、數(shù)量和活性各不相同。幼畜早期采食的固體日糧少，瘤胃微生物營養(yǎng)需要得不到滿足，因此繁殖發(fā)育緩慢，微生物分泌的內(nèi)源酶也處于較低水平。早期斷奶可以促進瘤胃微生物的增殖，使瘤胃中羧甲基纖維素酶、木聚糖酶、纖維素酶以及淀粉酶含量增加[12-13]。

不同生理階段的動物體內(nèi)激素等條件的改變也會影響動物體內(nèi)內(nèi)源酶的含量。鈔瑞敏等[14]研究表明杜寒雜交二代母羊在妊娠期、空懷期和泌乳期瘤胃內(nèi)纖維素酶活性存在差異，在妊娠第120 天纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶和內(nèi)切葡聚糖酶的活性高于空懷期、泌乳期以及妊娠前期和中期時的活性。Hao等[15]研究表明初產(chǎn)奶牛與經(jīng)產(chǎn)奶牛瘤胃內(nèi)纖維素酶的活性也存在顯著差異。

2.3 日糧組成

反芻動物瘤胃中微生物內(nèi)源酶的活性受各種環(huán)境因素和發(fā)酵底物的影響。在動物生產(chǎn)中改變飼料原料種類[16]、能量水平[17]、精粗比例以及加工方式[18]等均能影響微生物內(nèi)源酶的活性。Belanche 等[19]發(fā)現(xiàn)在體外法使用棕色海藻代替部分飼料，可以顯著提高木聚糖酶（+70%）和羧甲基纖維素酶（+41%）的活性。Ge 等[20]研究發(fā)現(xiàn)使用高能量飼料飼喂羔羊可以上調(diào)碳水化合物活性酶基因以及下調(diào)植物細胞壁降解酶基因的表達量。研究表明日糧中添加大豆油可降低羧甲基纖維素酶、纖維素酶和木聚糖酶的活性[21-22]。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物也會對瘤胃內(nèi)源酶活性有較大影響，尹夢杰等[23]研究發(fā)現(xiàn)提高斷奶羔羊日糧中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比值可顯著提高瘤胃中木聚糖酶活性。

2.4 晝夜節(jié)律

在自然界中，幾乎所有動物都遵循與日照相關(guān)的晝夜節(jié)律。自然光的周期變化會帶動動物飲食和睡眠等有節(jié)律性的行為。瘤胃與瘤胃微生物具有24 h晝夜節(jié)律，這會影響飼料營養(yǎng)物質(zhì)的分解和吸收[24-25]。早、晚飼喂不同營養(yǎng)濃度的日糧可以減少氮排放、增加沉積氮、降低飼養(yǎng)成本、提高家畜的生長性能[26]。楊寶鈺等[27]研究表明消化酶的活性在采食前維持在相對較低的水平，采食后酶的活性升高，其中蛋白酶、淀粉酶、木聚糖酶活性上升的速度較快，果膠酶、纖維酶活性上升速度較慢，最終這5 種酶均能恢復至原來的水平，木聚糖酶、果膠酶和纖維素酶的活性會在很長一段時間維持在較高水平。Raffrenato等[28]在研究夜間禁食是否對瘤胃微生物內(nèi)源酶活性有影響時發(fā)現(xiàn)，夜間禁食并不影響淀粉酶、地衣聚糖酶、內(nèi)切葡萄糖酶、木聚糖酶和蛋白酶的活性，除蛋白酶外其余酶的活性均與瘤胃液收集時間有關(guān)，在11∶30和19∶30 酶活性達到峰值，在其余時間點均保持較低水平。Zhang 等[29]的研究表明在不改變總營養(yǎng)的前提下，通過改變湖羊日糧早晚的營養(yǎng)濃度可以顯著的提高瘤胃中淀粉酶和脂肪酶的活性。

3 調(diào)控瘤胃內(nèi)源酶活性的措施

3.1 調(diào)整日糧結(jié)構(gòu)

不同精粗比例結(jié)構(gòu)的日糧對牛的生長性能和營養(yǎng)物質(zhì)代謝均有重要影響[30]。同時日糧精粗比例也是影響瘤胃微生物區(qū)系以及微生物內(nèi)源酶活性的關(guān)鍵因素[31]。適宜的精粗比可以增加反芻動物的體重增長速度，提高營養(yǎng)物質(zhì)利用率，減少資源浪費。但如果精粗比過高，可能會導致代謝紊亂，導致生長性能下降，甚至死亡[32]。提高日糧中中性洗滌纖維（NDF）水平會影響瘤胃微生物的種類和數(shù)量以及微生物酶的活性，當日糧精粗比例為3∶7 時其瘤胃中的纖維素酶活性最高[33-35]。

3.2 使用添加劑

部分飼料添加劑對反芻動物瘤胃微生物酶活性調(diào)控有著顯著的作用，目前有諸多添加劑可用于反芻動物生產(chǎn)，被證實對反芻動物瘤胃微生物內(nèi)源酶有調(diào)控作用的添加劑有酶制劑、微生物、植物精油以及維生素等。

3.2.1 酶制劑與微生物

酶制劑是細菌、真菌等微生物的代謝產(chǎn)物，具有專一性、高效性、綠色安全的特性[36]。宋善丹等[37]研究發(fā)現(xiàn)在山羊日糧中添加外源纖維素酶能夠同時提高瘤胃內(nèi)纖維素酶和木聚糖酶的活性并提高了纖維的降解效率。Liu 等[38]研究結(jié)果表明，在泌乳早期奶牛日糧中添加70 g/（只·d）的纖維素酶和淀粉酶的組合（纖維素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、淀粉酶）能夠顯著提高α-淀粉酶、木聚糖酶的活性。Gull[39]等使用釀酒酵母和嗜酸乳桿菌作為復合微生態(tài)制劑，飼喂考力代綿羊可以顯著提高瘤胃中羧甲基纖維素酶、木聚糖酶、淀粉酶、葡萄糖苷酶、乙酰酯酶和蛋白酶的活性。仲偉光等[40]使用復合微生物制劑（釀酒酵母、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌）可使荷斯坦牛瘤胃液中蛋白酶和淀粉酶活性分別提高8.87%和10.27%，果膠酶活性提高18.63%。韓林等[41]研究發(fā)現(xiàn)在荷斯坦公牛日糧中加入5 g/d的木聚糖酶和2 g/d的枯草芽孢桿菌可以顯著提高α-淀粉酶活性和蛋白酶活性。通過添加酶制劑與微生物可以有效影響瘤胃微生物內(nèi)源酶的活性，從而充分發(fā)揮動物體潛在生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)性能。但其中機制尚不清楚，還需進一步研究。

3.2.2 精油

植物精油是植物的次生代謝產(chǎn)物，具有抑制腸道致病菌的定植，提高動物機體抗氧化水平，增強動物免疫功能等。反芻動物的微生物生態(tài)系統(tǒng)較為復雜，這使得植物精油在反芻動物上的應(yīng)用效果不如單胃動物廣泛[42]。研究表明在日糧中添加植物精油可以改變瘤胃微生物的菌群結(jié)構(gòu)[43]，因此瘤胃微生物內(nèi)源酶的活性也會受到影響。Zhang 等[44]的研究結(jié)果表明在小尾寒羊日糧中添加10 mL/kg 的花椒精油可顯著提高果膠酶和脂肪酶的活性。El-Zaiat 等[45]的研究表明在日糧中添加廣藿香精油90 μg/g 顯著降低了瘤胃中羧甲基纖維素酶的活性。Zhang 等[46]發(fā)現(xiàn)在平?jīng)黾t牛日糧中加入適量牛至精油可以調(diào)節(jié)瘤胃中微生物的相對豐度，顯著提高β-葡萄糖苷酶和纖維素酶的活性，降低淀粉酶的活性。綜上所述，植物精油可通過調(diào)控瘤胃微生物數(shù)量及區(qū)系從而影響瘤胃微生物內(nèi)源酶的活性。

3.2.3 其他添加劑

李亞學等[47]通過體外法發(fā)現(xiàn)添加維生素B12可以使羧甲基纖維素酶、木聚糖酶、淀粉酶活性提高。在荷斯坦奶牛日糧中添加葉酸和泛酸可使木聚糖酶和果膠酶活性提高，葉酸可使羧甲基纖維素酶、纖維二糖酶、α-淀粉酶和蛋白酶活性增強[48]。Wu 等[49]發(fā)現(xiàn)在湖羊日糧中添加濃度為1%的谷氨酰胺可以提高瘤胃中脂肪酶的活性，降低胃蛋白酶和纖維素酶的活性。Su 等[50]的研究表明適當劑量的酵母產(chǎn)物可以緩解由于大量飼喂谷物飼料導致的瘤胃酸中毒。酵母產(chǎn)物能夠提高瘤胃纖維素酶的活性，降低淀粉酶的活性。Shi 等[51]發(fā)現(xiàn)在閹公牛日糧中加入抗菌肽可以顯著提高蛋白酶、木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的活性。

4 小結(jié)

瘤胃微生物內(nèi)源酶行使其正常生理功能是保證家畜生產(chǎn)性能以及畜產(chǎn)品優(yōu)良的基礎(chǔ)。日糧可以直接影響瘤胃微生物的相對豐度，從而改變瘤胃微生物內(nèi)源酶的活性，調(diào)整日糧是人為改變瘤胃微生物內(nèi)源酶活性的重要手段，宿主的狀態(tài)和環(huán)境的影響也是研究瘤胃微生物內(nèi)源酶所必須要考慮的因素。目前主要存在瘤胃內(nèi)微生物不同內(nèi)源酶的最佳酶活性以及各種添加劑調(diào)控內(nèi)源酶活性的作用機制等研究較少，微生物內(nèi)源酶功能了解有限以及研究方法存在局限性等問題?？蛇M一步研究微生物內(nèi)源酶的生物學功能、開發(fā)新的研究方法和技術(shù)、完善對瘤胃微生物內(nèi)源酶的認識，從而達到針對性調(diào)控的目的。