劉喜生，任有蛇，岳文斌

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，太谷030801）

纖維素酶在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用及其研究進(jìn)展

劉喜生，任有蛇，岳文斌

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)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(zhuǎn)化率以及動(dòng)物的生產(chǎn)性能，從而為養(yǎng)殖業(yè)提供相當(dāng)數(shù)量的飼料來源。文章主要從纖維素酶的分類、作用機(jī)理、在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用及其研究進(jìn)展等方面作了論述，以期為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

纖維素酶；反芻動(dòng)物；應(yīng)用；研究進(jìn)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(dòng)物借瘤胃微生物可以利用纖維素外，其他高等動(dòng)物幾乎不能消化和利用纖維素［1］。20世紀(jì)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(shí)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值。目前，纖維素酶在反芻動(dòng)物生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好的生產(chǎn)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文從纖維素酶的分類、作用機(jī)理及其在反芻動(dòng)物中的應(yīng)用現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了論述，以期為生產(chǎn)實(shí)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(fù)雜酶系，主要來自于真菌和細(xì)菌。根據(jù)纖維素酶的不同功能，可分為三大類：內(nèi)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(dòng)物性來源和生物工程來源［2］。能分泌產(chǎn)生纖維素酶的微生物，主要有真菌、細(xì)菌、放線菌和一些原生動(dòng)物等。動(dòng)物性來源是指反芻動(dòng)物依靠瘤胃微生物消化飼料中的纖維物質(zhì)，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(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了新的飼用纖維素酶。迄今，人們已從40多種細(xì)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(dá)。

2 纖維素酶在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

盡管人們?cè)诓恢挥X地利用酶的歷史已有一萬年之久，但對(duì)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(yīng)用于動(dòng)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(guó)飼用酶制劑的研究始于20世紀(jì)70年代酶曲的生產(chǎn)，并應(yīng)用于發(fā)酵飼料。到了80年代后期，由于分子生物學(xué)的發(fā)展、生物工程技術(shù)的興起，同時(shí)，隨著改革開放和我國(guó)飼料工業(yè)的發(fā)展，國(guó)外飼用酶制劑先后進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，如八寶威（美國(guó)）、愛維生（芬蘭）、保安生（芬蘭），也刺激了我國(guó)酶制劑的研究。國(guó)家“八五”攻關(guān)和部分省市也相繼立項(xiàng)研究，并陸續(xù)生產(chǎn)出酶制劑產(chǎn)品。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)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(yīng)用相對(duì)集中在單胃動(dòng)物如豬、雞等養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)中，而在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用正處于起步階段。

2.1 纖維素酶的作用機(jī)理

20世紀(jì)70年代，有些學(xué)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(qiáng)的活性。纖維素酶對(duì)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(xué)說。該學(xué)說認(rèn)為，當(dāng)以內(nèi)切纖維素酶、外切纖維素酶和β-葡萄糖苷酶，3個(gè)主要成分的活素復(fù)合酶處理小麥秸稈粗飼料時(shí)，復(fù)合酶中各種酶不僅能協(xié)同作用，破壞植物性飼料的細(xì)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(xì)胞壁，提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率 植物細(xì)胞內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)由植物細(xì)胞壁包裹，植物細(xì)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(xì)胞壁，使胞內(nèi)原生質(zhì)暴露出來，由內(nèi)源酶進(jìn)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(fù)合處理對(duì)綿羊日糧消化的影響。結(jié)果表明，添加酶的綿羊日糧干物質(zhì)（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(duì)綿羊采食量和日糧ADF的消化率沒有影響，對(duì)DM、NDF、CP的消化率都有一定程度的提高。

2.1.2 補(bǔ)充內(nèi)源酶的不足及增強(qiáng)畜體抵抗力 纖維素酶可以補(bǔ)充動(dòng)物內(nèi)源酶的不足，激活內(nèi)源酶的分泌。反芻動(dòng)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(chǎn)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(dòng)物對(duì)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(duì)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(duì)綿羊血液中生化指標(biāo)的影響，結(jié)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(jié)構(gòu)，促進(jìn)動(dòng)物健康 由于纖維素復(fù)合酶能提高養(yǎng)分的消化率，進(jìn)入后腸可供微生物發(fā)酵的養(yǎng)分減少，抑制了細(xì)菌繁殖。還可使腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(fù)合酶提高羔羊飼料消化率的消化道組織學(xué)基礎(chǔ)，通過對(duì)2～4月齡羔羊飼料中添加酶制劑試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加纖維素酶能提高3～4月齡羔羊瘤胃乳頭長(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)，但未達(dá)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(fù)合物。纖維素酶除直接降解纖維素，促進(jìn)其分解為易被動(dòng)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(duì)飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解和消化。何長(zhǎng)芳等［8］通過以纖維素酶為主的復(fù)合酶來研究對(duì)舍飼綿羊增重的影響，結(jié)果表明，飼喂羔羊時(shí)，日糧中纖維素復(fù)合酶的添加量達(dá)到一定量時(shí)，可提高舍飼羔羊?qū)︼暳现欣w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(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.2.1 纖維復(fù)合酶處理青（黃）貯秸稈類飼料的研究進(jìn)展

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

國(guó)外有關(guān)纖維復(fù)合酶處理粗飼料的研究主要集中在青貯方面。對(duì)不同生長(zhǎng)階段的玉米秸稈進(jìn)行青貯時(shí)，添加纖維復(fù)合酶顯著降低了NDF、ADF和HC的含量，且酶的劑量越大，細(xì)胞壁纖維物質(zhì)的降解也越多。在青貯玉米秸中添加纖維復(fù)合酶，試驗(yàn)組酶的添加量為原料重量500、750、1 000 mL/t。結(jié)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(fù)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(fù)合酶，對(duì)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(fù)合酶對(duì)纖維物質(zhì)含量沒有顯著影響。國(guó)內(nèi)有關(guān)纖維復(fù)合酶處理秸稈類飼料的研究報(bào)道不多，并且處理效果也不佳。

2.2.2 纖維素酶在反芻動(dòng)物日糧中的應(yīng)用 大量研究表明，纖維素酶應(yīng)用于養(yǎng)牛業(yè)日糧中，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。額外添加不僅可促進(jìn)瘤胃微生物對(duì)粗纖維的降解，而且可提高反芻動(dòng)物的生產(chǎn)性能。在肉牛日糧中添加纖維素酶，對(duì)提高飼料利用率、縮短育肥周期及增加經(jīng)濟(jì)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(chǎn)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(zhì)總量加入0.3%的“三高一號(hào)”纖維素復(fù)合飼料酶，平均日增重提高43%。尹清強(qiáng)等［10］在荷斯坦奶牛日糧中添加纖維素酶50 g/頭，結(jié)果其產(chǎn)奶量提高8.9%，飼料轉(zhuǎn)化率提高10.0%。吳建設(shè)等［11］在奶牛日糧中，添加瘤胃保護(hù)纖維素酶（15 g/頭），顯著提高了標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(shí)使羊毛產(chǎn)量提高5.04%。Autunovic等在研究多酶制劑對(duì)羔羊育肥和屠宰性能的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，添加纖維素酶對(duì)羔羊混合料轉(zhuǎn)化率、干草轉(zhuǎn)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(yàn)結(jié)果表明，平均日增重提高了41.3 g，減少精料用量8.71%，對(duì)降低飼喂成本和提高經(jīng)濟(jì)效益都有顯著效果。因此，纖維素酶對(duì)飼料中蛋白質(zhì)、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(zhuǎn)化率。

2.2.3 纖維素酶在疾病治療方面的應(yīng)用 纖維素酶能直接分解纖維素，促進(jìn)胃腸蠕動(dòng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，同時(shí)促進(jìn)胃腸道正常菌群的平衡生長(zhǎng)，從而達(dá)到治療某些疾病的目的。王貴權(quán)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(dá)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(dá)94%。滕海波等［14］研究發(fā)現(xiàn)，用纖維素酶治療消化道和結(jié)石類疾病效果明顯，在胃鏡下結(jié)石內(nèi)多點(diǎn)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(yàn)結(jié)果需進(jìn)一步研究

由于缺乏使用酶制劑的相關(guān)信息及其在動(dòng)物生產(chǎn)上的使用方法，對(duì)不同研究結(jié)果比較就很困難。這些結(jié)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(chǎn)應(yīng)用中存在的問題

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

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

（2）纖維素酶對(duì)飼料的作用機(jī)制尚未清楚，對(duì)不同飼料最佳添加量、添加時(shí)間和方式也不十分清楚。國(guó)內(nèi)外有關(guān)纖維素酶應(yīng)用的研究報(bào)道很多，但纖維素酶對(duì)畜禽消化生理的影響，對(duì)于不同酶活性的產(chǎn)品、不同動(dòng)物種類、不同發(fā)育階段動(dòng)物消化酶系的變化及纖維素酶添加后對(duì)內(nèi)源酶活力影響的研究尚不夠深入，因此在實(shí)際應(yīng)用中往往因用量不當(dāng)而影響應(yīng)用效果。

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

（4）沒有統(tǒng)一的纖維素酶活性標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)方法，其生物學(xué)評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法不規(guī)范。因此，須加強(qiáng)科研部門間的協(xié)作，盡快制定我國(guó)統(tǒng)一的纖維素酶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)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(dòng)物飼料中添加適量纖維素酶可提高飼料利用率，在促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)、減少糞便排放、改善生態(tài)環(huán)境和防治動(dòng)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(zhì)所產(chǎn)生的負(fù)面影響，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義。隨著生物技術(shù)的發(fā)展和酶應(yīng)用技術(shù)的深入研究，必將加速纖維素酶在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)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。