翟彩寧 陳 佩

（陜西開(kāi)放大學(xué)，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?fàn)I養(yǎng)因子，在單胃動(dòng)物體內(nèi)甘露聚糖酶的缺乏會(huì)影響畜禽對(duì)營(yíng)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(guān)鍵酶[3]，可以分解細(xì)胞壁中的甘露聚糖，使消化酶與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，促進(jìn)營(yíng)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(xì)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(yīng)，提高機(jī)體免疫力[4-6]。目前，β-甘露聚糖酶廣泛應(yīng)用于飼料等領(lǐng)域，可降解飼料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，提高能量的利用率，提高畜禽的生長(zhǎng)和生產(chǎn)性能以及機(jī)體免疫能力[7-8]。文章主要綜述了β-甘露聚糖酶的生物學(xué)功能及其在動(dòng)物生產(chǎn)中的研究結(jié)果，為β-甘露聚糖酶進(jìn)一步在動(dòng)物養(yǎng)殖中的應(yīng)用提供參考。

1 β-甘露聚糖酶的來(lái)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(xiàn)狀多聚體[1]。甘露聚糖可作為多糖存儲(chǔ)在植物種子的胚乳中。此外，甘露聚糖還是植物細(xì)胞壁的主要組成成分，作為結(jié)構(gòu)多糖維持植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性[9]。甘露聚糖通常結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不同來(lái)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(xiàn)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(jiàn)圖1）。

圖1 甘露聚糖的分類(lèi)

張建新等[11]研究表明，甘露聚糖作為一種抗?fàn)I養(yǎng)因子影響動(dòng)物對(duì)營(yíng)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(guò)程中最關(guān)鍵的酶之一，通過(guò)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(lèi)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(jìn)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(lái)源廣泛，在一些植物（番茄、芝麻、豆兒瓜、長(zhǎng)角豆）、微生物（細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌）以及部分低等動(dòng)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(zhuān)一和酶活性高等優(yōu)點(diǎn)[14-16]，目前在理論研究和工業(yè)化生產(chǎn)中均得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)氨基酸序列的相似性，β-甘露聚糖酶可分為4 個(gè)糖苷水解酶家族（GH），即GH5、GH26、GH113 和GH134[17]。許多真菌、動(dòng)植物來(lái)源的β-甘露聚糖酶和部分細(xì)菌來(lái)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(gè)α 螺旋和8 個(gè)β 折疊交替排列組成，8 個(gè)β 折疊在中部平行排列形成一個(gè)桶狀結(jié)構(gòu)，α 螺旋主要負(fù)責(zé)連接這些折疊片段，主要位于桶的外圍[20]（見(jiàn)圖2）。β-甘露聚糖酶具有兩個(gè)保守的活性位點(diǎn)（酸堿催化位點(diǎn)和親核催化位點(diǎn)），分別位于第4 和第7 個(gè)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(gè)β 折疊、1 個(gè)α 螺旋和1 個(gè)鈣離子構(gòu)成[21]，可增強(qiáng)酶對(duì)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(xué)功能

2.1 促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收

飼料中主要的抗?fàn)I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?fàn)I養(yǎng)作用，促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)[22]。β-甘露聚糖因其高親水性，易在單胃動(dòng)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(yíng)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(jìn)消化酶（淀粉酶、胰蛋白酶等）的分泌，利于機(jī)體對(duì)營(yíng)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(xì)胞壁中的β-甘露聚糖，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放，提高飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[25]。薛瑞婷等[26]研究表明，在玉米-豆粕型基礎(chǔ)飼糧中添加β-甘露聚糖酶能夠提高生長(zhǎng)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(jìn)腸道中益生菌等有益菌的生長(zhǎng)，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(guò)與病原微生物表面的特異性蛋白結(jié)合，減少細(xì)菌與腸黏膜上皮細(xì)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(chǔ)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(duì)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(huì)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(zhǎng)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(jī)體免疫功能

β-甘露聚糖酶能夠降解甘露聚糖緩解機(jī)體腸道的免疫應(yīng)激，提高動(dòng)物機(jī)體免疫力。飼料中的β-甘露聚糖是一種病原相關(guān)分子結(jié)構(gòu)（PAMP），在腸道中可以被模式識(shí)別受體（PRR）識(shí)別，刺激腸道中的先天免疫細(xì)胞，誘發(fā)一系列的免疫反應(yīng)，導(dǎo)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(fù)面作用，提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能[33]。此外，甘露寡糖可以促進(jìn)細(xì)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(jī)體的免疫反應(yīng)，提高動(dòng)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(xì)胞的數(shù)量，調(diào)節(jié)腸道炎癥反應(yīng)，提高機(jī)體的免疫力。Roque 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在荷斯坦奶牛的基礎(chǔ)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(yīng)。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(duì)免疫性能起到積極的促進(jìn)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(jī)體的免疫力。

3 β-甘露聚糖酶在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)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(wú)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(dòng)物健康[37]。

3.1 β-甘露聚糖酶在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉遠(yuǎn)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(duì)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(duì)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(dāng)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(yàn)組比對(duì)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(shí)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(qiáng)度也有所改善，但對(duì)高溫?zé)釕?yīng)激引發(fā)的蛋雞生產(chǎn)性能無(wú)緩解作用。萬(wàn)新穎等[41]研究3 種酶制劑（復(fù)合酶、葡萄糖氧化酶、β-甘露聚糖酶）對(duì)肉雞生長(zhǎng)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(jì)效益提高了22.86%；與其他試驗(yàn)組相比，β-甘露聚糖酶對(duì)肉雞生長(zhǎng)性能和經(jīng)濟(jì)效益的影響效果最好。辛禹秀等[42]在對(duì)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(duì)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(shí)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(chǔ)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(shì)。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(duì)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(lèi)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(duì)生長(zhǎng)性能和屠體品質(zhì)無(wú)負(fù)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(duì)營(yíng)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(yīng)用

薛瑞婷等[26]在玉米-豆粕型基礎(chǔ)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(shí)也提高了豬對(duì)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(zhǎng)性能。余璐璐等[46]在仿生消化試驗(yàn)和斷奶仔豬生產(chǎn)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(shí)，與對(duì)照組相比，β-甘露聚糖酶對(duì)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(shí)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(yùn)載體基因SLC7A1、SLC7A11 和SLC38A2 的相對(duì)表達(dá)量均顯著升高，提高了仔豬對(duì)氨基酸的吸收利用。Kim 等[48]在基礎(chǔ)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(dāng)添加量為400 U/kg 時(shí)，對(duì)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(dāng)豬基礎(chǔ)飼糧中β-甘露聚糖酶的添加水平為0.5 g/kg 時(shí)，生長(zhǎng)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(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

Seo 等[50]在母牛的玉米-大豆基礎(chǔ)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(duì)照組相比，試驗(yàn)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(zhǎng)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(chǔ)飼糧中補(bǔ)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(shí)降低牛乳中的體細(xì)胞計(jì)數(shù)，但對(duì)奶牛的產(chǎn)奶量無(wú)顯著影響。Roque 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛的基礎(chǔ)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(chǔ)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(duì)照組相比提高148 g/d，但差異不顯著。Lee 等[53]在山羊的基礎(chǔ)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(duì)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(duì)氮的利用率均顯著提高，不同添加水平的β-甘露聚糖酶對(duì)山羊的影響效果無(wú)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(zhǎng)性能和對(duì)養(yǎng)分的消化率。

4 結(jié)論

近年來(lái)，通過(guò)添加外源酶制劑提高畜禽飼料的飼用價(jià)值受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。β-甘露聚糖酶能夠有效降解β-甘露聚糖釋放營(yíng)養(yǎng)成分，利于營(yíng)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(yīng)激，提高機(jī)體免疫力。將β-甘露聚糖酶用于動(dòng)物生產(chǎn)，能夠提高動(dòng)物的生長(zhǎng)性能、改善機(jī)體健康、減少畜禽糞便中氮、磷的排量。但目前我國(guó)對(duì)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(píng)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(shí)，繼續(xù)深入了解β-甘露聚糖酶的作用機(jī)制，也是未來(lái)需要重點(diǎn)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(zhǎng)飼料添加劑，未來(lái)具有廣闊的應(yīng)用前景。