纤维素是地球上最丰富的可再生的生物质(ｂｉｏｍａｓｓ)资源。据报道,全球每年通过光合作用产生的纤维素超过1000亿ｔ,但被利用的极少。当前,饲料原料资源的严重匮乏阻碍了我国畜牧业的发展,如何提高饲料原料的消化利用率,尽早解决畜牧业发展中所存在的人畜争粮的问题,已经成为业内科研工作者正在积极研究的重要课题。因此,成功开发这一潜在饲料资源显得尤为迫切和重要。
1 纤维素酶的种类
纤维素酶包括多种水解酶成员,构成了一个复杂的纤维素酶家族。目前普遍认为,完全降解纤维素至少需要由3种功能不同但又互补的纤维素酶的3类组分。
1.1 葡聚糖内切酶(ｅｎｄｏ-1,4-β-Ｄ-ｇｌｕｃａｎａｓｅ,ＥＣ3.2.1.4,来自真菌简称ＥＧ,来自细菌简称Ｌｅｎ),又称为Ｃ1酶,这类酶作用于纤维素内部的非结晶区,随机水解β-1,4-糖苷键,将长链纤维素分子截短,产生大量带非还原性末端的小分子纤维素。葡聚糖内切酶相对分子质量介于23～146ｋｄ之间,如真菌的异构酶ＥＧＩ为54ｋｄ,ＥＧⅢ约为49.8ｋｄ,而纤维粘菌ＥＧ有2种菌的内切酶相对分子质量只有6.3ｋｄ。
1.2 葡聚糖外切酶(ｅｘｏ-1,4-β-Ｄ-ｇｌｕｃａｎａｓｅ,ＥＣ3.2.1.91,来自真菌简称ＣＢＨ,来自细菌简称Ｃｅｘ),又称为Ｃｘ酶,这类酶作用于纤维素线状分子末端,水解1,4-β-Ｄ糖苷键,每次切下1个纤维二糖分子,故又称为纤维二糖水解酶(Ｃｅｌｌｏｂｉｏｈｙｄｒｏｌａｓｅ简称ＣＢＨ),外切酶的相对分子质量介于38～118ｋｄ之间,如木霉的ＣＢＨ有2种异构酶,ＣＢＨＩ相对分子质量约为66ｋｄ,ＣＢＨⅡ约为53ｋｄ。
1.3 β-葡萄糖苷酶(β-Ｇｌｕｃｏｓｉｄａｓｅ,ＥＣ3.2.1.21,简称ＢＧ)这类酶一般将纤维二糖或纤维寡糖水解成葡萄糖分子,一般不直接作用于纤维素分子,β-葡萄糖苷酶相对分子质量约为76ｋｄ。
2 纤维素酶的营养作用
在动物饲料中添加纤维素酶的作用机制在于:
1)它可打破植物细胞壁使胞内原生质暴露出来,由内源酶进一步降解,所以除了细胞壁被降解供能外,还提高了胞内物质的消化率,从而有效地提高了饲料的有效能值。
2)可补充草食动物内源酶的不足。在草食动物胃中虽有一定量的能分解纤维素的微生物存在,可以分解一定量的纤维素,但产生的纤维素酶量有限,而添加纤维素酶制剂可明显提高草食动物对粗纤维的消化利用率。另外,对单胃动物而言,纤维素酶可改善消化道环境,使酸度增加,以激活胃蛋白酶。消化酶不足可能与酶产量低,各种应激(如断奶、接种疫苗和环境应激)的产生有关,外源酶可以补充幼龄动物消化酶的不足。
3)消除抗营养因子。果胶、半纤维素、葡聚糖和戊聚糖部分溶解在水中产生黏性,增加了动物胃肠道内容物的黏度,对内源酶而言是一个物理障碍,导致饲料消化吸收利用率降低,同时黏稠的消化道内容物容易引起有害微生物的滋生,增加胃肠疾病的发生率。而添加纤维素酶可减低黏稠度,促进内源酶的扩散,增强养分的消化吸收,增大肠道内容物的流动性,有效降低有害微生物附着滋生的可能性。
4)饲用纤维素酶之所以具有提高畜禽体增重、降低料肉比的功效,还因为纤维素酶制剂本身是一种由蛋白酶、淀粉酶、果胶酶和纤维素酶等组成的多酶复合物。在这种多酶复合体系中一种酶的产物可以成为另一种酶的底物,从而使消化道内的消化作用得以顺利进行。也就是说纤维素酶除直接降解纤维素,促进其分解为易被动物所消化吸收的低分子化合物外,还和其他酶共同作用提高畜禽对饲料营养物质的分解和消化。
5)纤维素酶还具有维持小肠绒毛形态完整、促进营养物质吸收的功能。
3 国内外研究纤维素酶对奶牛营养的影响
3.1 纤维素酶对奶牛精料的影响
许多动物生理学家曾担心添加外源酶会破坏内源酶或抑制内源酶的产生。研究表明,外源酶的添加不仅不破坏抑制内源酶,而且能帮助和促进动物的消化吸收。Ｈｒｉｓｔｏｖ等(1998)报道,在日粮中添加纤维素酶和木聚糖酶,可提高可溶性糖的含量(Ｐ<0.05)和降低中性洗涤纤维的含量(Ｐ<0.05)。但对于物质消失率和瘤胃发酵影响较小,且日粮中直接加酶要好于真菌灌注的效果。Ｒｏｄｅ等(1999)研究结果表明,在奶牛泌乳早期的精料中添加1.3ｇ/ｋｇ纤维素酶和木聚糖酶,使干物质、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和粗蛋白的消化率分别由61.7%、42.5%、31.7%和61.7%增至69.1%、51.0%、41.9%和69.8%,产奶量也由35.9ｋｇ/ｄ增至39.5ｋｇ/ｄ,但乳脂率和乳中蛋白的含量略有降低,采食量不受酶影响。Ｙａｎｇ(1999)报道,在泌乳牛日粮中添加纤维素酶和木聚糖酶,不但提高了有机物质和中性洗涤纤维的消化率,而且微生物蛋白质合成量也相应增加。刘建昌(2001)在荷斯坦奶牛的配合精料中添加0.1%的纤维素酶制剂,经过60ｄ的试验观察,结果表明,添加纤维素酶,每头牛日平均产奶量提高了14.89%,试验组每头牛每日多收入5.41元,经济效益显著,与焦平林等的试验结果一致。呼和等(2001)在奶牛日粮中添加0.1%以纤维素酶为主的复合酶,奶牛产奶量比试验前平均增加2.5ｋｇ,提高9.47%,试验组的乳脂率、乳蛋白、乳糖、乳中干物质并不随产奶量的增加而下降,而略有提高或保持不变,且经济效益显著。大多数试验表明,在奶牛精料中无论以何种形式添加纤维素酶等非淀粉性多糖酶,均可促进对日粮营养物质的利用。有试验表明,纤维素酶在降低采食量的同时提高产奶量,其主要原因是奶牛的摄食量主要受血液内的挥发性脂肪酸ＶＦＡ的浓度的调节。ＶＦＡ是纤维素的分解产物。外源纤维素酶增加了瘤胃中ＶＦＡ的生成量,而瘤胃对ＶＦＡ的吸收较快,大量的ＶＦＡ进入血液并随其浓度的升高反馈性作用于食物调节中枢,导致采食量下降。一般认为奶牛的产奶量和乳脂率呈负相关,而试验表明,在奶牛日粮中添加纤维素酶后,随着产奶量的上升乳脂率呈上升趋势。这说明,纤维素酶通过提高奶牛血液中的各种营养物质的含量,增强乳腺细胞对各种营养物质的摄取能力,从而维持牛奶中的各种营养物质的含量始终处于平衡状态。
3.2 纤维素酶对奶牛青贮饲料消化率和生产性能的影响
青贮饲料在我国已成为奶牛日粮中不可缺少的常规组成部分。在青贮饲料调制过程中,加入适量的纤维素酶制剂可补充青贮饲料中不足的营养成分,使其发酵充分,降低青贮饲料的56值,形成乳酸菌增殖的适宜环境,抑制其他有害菌类的生长,有目的地调节青贮饲料中微生物活动和生长进程,保证青贮成功,从而达到加快青贮速度,改善青贮饲料品质,提高青贮饲料利用率和奶牛生产性能的目的,纤维素酶制剂已成为当前动物营养学研究的一个热点。Ｓａｎｃｈｅｉ(1996)和Ｌｅｗｉｓ(1999)在青贮或苜蓿草为主的饲料中喷洒纤维素酶和半纤维素酶饲喂奶牛,明显提高产奶量。Ｋｕｎｇ(2000)通过试验证明,在玉米青贮或以苜蓿草为主的饲料中喷洒液体羧甲基纤维素酶和木聚糖酶可以提高奶牛产奶量,但酶源和酶的用量十分关键。Ｓｃｈｉｎｇｏｅｔｈｅ(1999)试验结果表明,当奶牛饲喂纤维素酶和木聚糖酶处理后的玉米和苜蓿混合青贮时,2～4周后产奶量提高10.8%并持续整个试验期,但对泌乳中期奶牛的产奶量影响较小,饲喂加酶青贮和低精粗比(45∶55)日粮的奶牛生产性能和饲喂未加酶青贮和高精粗比日粮(55∶45)相比无显著差异,这与Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎ(1992)研究结果一致。综上所述,纤维素酶具有改善大部分青贮饲料品质,提高其营养价值的作用,但如要在生产中充分发挥其作用,在今后的研究中还需进一步研究青贮时青贮饲料的化学变化及微生物存在状态。
3.3 饲喂草料前添加纤维素酶对泌乳期奶牛的产奶量的影响
在瘤胃微生物区系结构正常的情况下,添加纤维素酶能以几倍的效率提高粗纤维和其他营养物质的酵解强度,提高消化吸收水平。在瘤胃发生病理变化即微生物区系失去平衡进入腐解过程时,高活性纤维素酶能迅速调整微生物区系结构,恢复平衡关系和正常酵解、吸收、合成过程。高产奶牛正常情况下平均每天消耗8～11ｋｇ富含纤维的草料。反刍动物利用其瘤胃中固有的细菌、原生动物和真菌来消化草料中的纤维,主要是通过这些细菌产生的大量的酶的作用来分解植物细胞壁。Ｌｅｗｉｓ等(1996),Ｐｒｉｔｃｈａｒｄ等(1996),Ｓａｎｃｈｅｚ等(1996),Ｌｕｎｃｈｉｎｉ等(1997),Ｎｕｓｓｉｏ等(1997),Ｒｏｄｅ等(1999)已经通过试验证明了添加外源纤维素酶能提高反刍动物对纤维素的消化力,同时反刍动物可利用的能量也增加了。Ｓａｎｃｈｅｚ等(1996),Ｙａｎｇ等(1999)分别报道了外源纤维素酶对奶牛产奶量的影响与所用酶的水平、奶牛的泌乳阶段和草料的湿度有关。Ｐｒｉｔｃｈａｒｄ等(1996)报道,运用纤维素酶和木聚糖酶的混合物比只用纤维素酶更能提高其对纤维素消化力;Ｎｕｓｓｉｏ等(1997)研究证明,饲喂前1～3ｄ在草料中添加外源纤维素酶与在饲喂前片刻添加具有同样的效果。但是Ｌｕｃｈｉｎｉ等(1997)研究证明,纤维素酶和木聚糖酶的混合物添加在紫花苜蓿青贮料、紫花苜蓿干草或者紫花苜蓿青贮料、谷物青贮料和紫花苜蓿干草的混合物的时候,并不能提高泌乳期奶牛的产奶量。相反,Ｋｕｎｇ等(1996)研究报道,纤维素酶和木聚糖酶的混合物添加在谷物青贮料中能提高其产奶量,并且牛奶的组成成分不变。Ｄｈｉｍａｎ等(2002)报道了给泌乳早期的奶牛饲喂草料前在草料中添加木聚糖酶和纤维素酶的混合物并没有影响奶牛的采食量、产奶量、牛奶组成成分,并且与饲喂没有用此方法处理的草料相比,消耗率是基本相似的。
3.4 纤维素酶对处于生长期的小奶牛的消化力的促进作用
瘤胃中的纤维素消化力是反刍动物生产力的一个限制因素,因此,许多科学家已经在研究如何通过控制瘤胃的活动来使反刍动物生产力得到最大限度的发挥。为此,已经有很多市售的纤维素酶用于反刍动物了,这些纤维素酶可以有效的提高反刍动物对草料的营养利用率,并能产生更多的代谢能。付连胜等(1998)报道,在瘤胃功能正常状态下,成年奶牛及育成牛饲喂纤维素酶5ｄ后,其粪便中氮减少30%,1周后下降70%左右,粗饲料采食量提高8%～10%,尿中尿素含量下降58.9%。Ｂｅａｕ ｃｈｅｍｉｎ等(2000)报道,反刍动物对纤维素消化力的提高与其瘤胃中微生物的数量增多有关。Ｈｒｉｓｔｏｖ等(1998)报道,纤维素消化力的提高能够促进瘤胃微生物菌体蛋白的合成。国外学者最新报道了外源纤维素酶能促进小奶牛对纤维素的消化力并能促进其生长。
4 纤维素酶应用中存在的问题与研究展望
纤维素酶作为绿色饲料添加剂,其应用前景非常广阔,但在目前推广应用中还存在如下问题:
1)生产纤维素酶的菌株产量低,成本偏高;
2)纤维素酶对饲料的作用机制尚未清理,对不同饲料最佳添加量、添加时间和方式不十分清楚;
3)全国没有统一的纤维素酶活性标准与检测方法,其生物学评价试验方法不规范。要解决上述问题,必须加强科技投入,加强科研部门间的协作,要加强菌种选育和发酵提取工艺等基础研究工作,提高产酶活性,降低生产成本,特别注意利用基因重组技术选育高活性株,尽快制定我国统一的纤维素酶质量标准和检测方法。近年来国内外的研究结果表明,在奶牛饲料中无论以何种形式添加纤维素酶均可起到改善其生产性能的作用,这是对传统的反刍动物营养理论的一种突破。随着生物技术的发展和酶应用技术的深入研究,必将加速纤维素酶在饲料工业中的广泛应用。
