曹杰　張德中　陳科杰　蔣宗浩

摘要：纖維素是植物細(xì)胞壁的組成成分，也是自然界中最豐富的多糖資源之一。纖維素酶是催化纖維素水解成較小的寡糖或者低聚糖的一種酶，具有高效性和安全性。該文對(duì)纖維素酶在奶牛營(yíng)養(yǎng)和飼料中的作用及其使用中存在的問(wèn)題和發(fā)展前景進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：纖維素酶；奶牛營(yíng)養(yǎng)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S816.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1007-273X（2013）07-0067-04

反芻動(dòng)物特殊的消化系統(tǒng)，決定其可以利用大量的粗飼料，通過(guò)瘤胃發(fā)酵可提供大約70%～80%的能量需要。纖維素是地球上最豐富、最廉價(jià)的可再生資源。為充分利用纖維素資源，目前許多國(guó)家已利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)纖維素酶來(lái)降解纖維素，在技術(shù)研究開(kāi)發(fā)方面已初見(jiàn)成效。

纖維素酶是指能催化纖維素水解成較小的寡糖或者低聚糖的一種酶，它通過(guò)破壞纖維素內(nèi)部的糖苷鍵而起作用，主要由各種細(xì)菌和真菌等產(chǎn)生。纖維素酶具有高效性和安全性，是當(dāng)前開(kāi)發(fā)非常規(guī)飼料及提高現(xiàn)有常規(guī)飼料資源利用率和提高畜禽生產(chǎn)性能的重要途徑之一。

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，纖維廢棄物數(shù)量巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年有農(nóng)作物秸稈9億～13億t，甘蔗渣400多萬(wàn)t，森林采伐加工纖維剩余物1 000多萬(wàn)t[1]。對(duì)于反芻動(dòng)物，粗飼料的有效供給十分重要，雖然只有約50%的纖維素能被其很好地消化利用，但它依然是反芻動(dòng)物能量的主要來(lái)源[2]。開(kāi)發(fā)和利用纖維素作為飼料來(lái)源，對(duì)解決我國(guó)飼料資源緊張具有重大現(xiàn)實(shí)意義，也是促進(jìn)我國(guó)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。因此，飼用纖維素酶將在未來(lái)的動(dòng)物生產(chǎn)中具有不可低估的作用。

1 粗纖維對(duì)反芻動(dòng)物的作用及提高粗纖維利用率的措施

1.1 粗纖維對(duì)反芻動(dòng)物的作用

粗纖維是反芻動(dòng)物的一種必需營(yíng)養(yǎng)素，對(duì)維持動(dòng)物胃腸道的健康起著重要作用。其主要功能有：提供能量；控制采食量；維持瘤胃正常生理功能；促進(jìn)胃腸道的消化吸收；維持乳脂率和產(chǎn)奶量。但是粗飼料也存在自身固有的營(yíng)養(yǎng)缺陷，容積大、適口性差、采食量低、粗蛋白含量低，總能高但消化能低等。雖然隨著作物育種和先進(jìn)栽培技術(shù)的發(fā)展，粗飼料在家畜體內(nèi)的消化率有所提高，但低消化率依然是限制反芻動(dòng)物能量攝入的主要因素[3]。

1.2 提高粗纖維利用率的措施

提高粗飼料利用價(jià)值的關(guān)鍵在于破壞植物細(xì)胞壁，弱化或破壞木質(zhì)素與纖維素或半纖維素之間的酯鍵，促進(jìn)纖維素和半纖維素在瘤胃內(nèi)的發(fā)酵，軟化粗飼料，提高其適口性。

對(duì)粗纖維行之有效的加工方法主要有物理、化學(xué)和生物學(xué)方法。物理方法是將粗飼料切短及粉碎，破壞纖維素的結(jié)構(gòu)，增加其與消化液的接觸面積。該方法在提高粗飼料適口性與采食量方面有一定作用，但對(duì)提高粗飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值作用不大?；瘜W(xué)方法是利用化學(xué)試劑對(duì)粗飼料進(jìn)行處理，使其內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，更易被瘤胃微生物所消化，主要方法有堿化法和氨化法。生物學(xué)方法主要是利用酶制劑-復(fù)合纖維素酶對(duì)粗纖維進(jìn)行處理，該方法有用量小、可明顯提高飼料利用率、安全系數(shù)高、使用方法簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 纖維素酶的分類及作用

2.1 飼用纖維素酶的分類

纖維素酶的種類很多，根據(jù)功能的差異分為3類，即內(nèi)切纖維素酶、外切纖維素酶、β-葡萄糖苷酶[4]。①內(nèi)切纖維素酶（又稱內(nèi)切-β-1，4-葡聚糖酶，羧甲基纖維素酶）。主要作用：在纖維素酶分子內(nèi)部隨機(jī)斷裂β-1，4-糖苷鍵，將長(zhǎng)鏈纖維素分子截短，產(chǎn)生大量小分子纖維素，如纖維素糊精、纖維二糖及葡萄糖；②外切纖維素酶（又稱外切-β-1，4-葡聚糖酶、微晶纖維素酶或纖維二糖水解酶）。主要作用：可將短鏈的非還原性末端纖維二糖殘基逐個(gè)切下。③β-葡萄糖苷酶。主要作用：可將纖維二糖及其他低分子纖維糊精水解成葡萄糖或芳基殘基。

實(shí)際上在分解晶體纖維素時(shí)任何一種酶都不能單獨(dú)裂解晶體纖維素，只有這3類酶共同存在、協(xié)同作用方能完成水解過(guò)程。

2.2 飼用纖維素酶的作用

反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)微生物自身能夠合成一定量的纖維素酶，使粗飼料的消化吸收受到一定程度的限制。有研究證實(shí)，外源酶在瘤胃和十二指腸內(nèi)都具有穩(wěn)定的活性[5]。外源性纖維素酶可以提高纖維素在瘤胃內(nèi)的消化率，增加可利用能量的攝入[3]。使用酶制劑可以：①打破細(xì)胞壁。纖維素是植物體內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)性多糖，是細(xì)胞壁的主要組成成分。細(xì)胞壁阻礙畜禽體內(nèi)消化酶與細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的接觸，纖維素酶與半纖維素酶、果膠酶等協(xié)同作用，可破壞植物的細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外泄，從而被淀粉酶和蛋白酶等內(nèi)源酶進(jìn)一步降解，所以除了細(xì)胞壁被降解供能外，還提高了胞內(nèi)物質(zhì)的消化率，從而有效地提高了飼料的有效能值。②補(bǔ)充內(nèi)源酶不足。反芻動(dòng)物體內(nèi)雖有一定量的分解纖維素的微生物存在，但其產(chǎn)生的纖維素酶有限。添加纖維素酶可補(bǔ)充內(nèi)源酶的不足，提高動(dòng)物對(duì)粗纖維的利用率。③消除抗?fàn)I養(yǎng)因子。日糧中添加纖維素酶后，在半纖維素酶、果膠酶等共同作用下，可將植物性飼料中的纖維素、半纖維素、果膠等大分子物質(zhì)降解為單糖和寡糖，從而加速內(nèi)源酶的擴(kuò)散，增大酶與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的接觸面積，提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化率。

3 纖維素酶在奶牛營(yíng)養(yǎng)與飼料中的作用

早期，在生產(chǎn)中對(duì)反芻動(dòng)物添加外源性酶制劑的做法并不被人們認(rèn)可，認(rèn)為酶蛋白會(huì)被瘤胃內(nèi)的蛋白酶所降解[6]。而后來(lái)許多學(xué)者的研究結(jié)果則反駁了這樣的說(shuō)法。Fontes等[7]報(bào)道某木聚糖酶在瘤胃液中非常的穩(wěn)定。另外，Hristov等[8]報(bào)道纖維素酶直接加入瘤胃依然能保持部分活力。

3.1 纖維素酶在奶牛精料中的應(yīng)用

Yang等[9]報(bào)道，在奶牛泌乳早期的精料中添加纖維素酶和木聚糖酶后其干物質(zhì)、有機(jī)物、粗蛋白質(zhì)的消化率由63.9%、64.7%、62.7%提高到66.6%、68.4%、67.0%。日產(chǎn)奶量也由35.3 kg提高到37.4 kg（提高了6%）。Hristov等[8]報(bào)道在日糧中添加纖維素酶和木聚糖酶，可提高可溶性糖的含量（P<0.05）和降低中性洗滌纖維的含量（P<0.05），但對(duì)于物質(zhì)消失率和瘤胃發(fā)酵影響較小。Yang等[10]報(bào)道在泌乳牛日糧中添加纖維素酶和木聚糖酶不僅提高了有機(jī)物質(zhì)和中性洗滌纖維的消化率，而且微生物蛋白質(zhì)合成量也相應(yīng)增加。

3.2 纖維素酶在青貯飼料中的應(yīng)用

青貯飼料在我國(guó)已成為奶牛日糧中不可缺少的常規(guī)組成部分，也是反芻動(dòng)物日糧中采食量最大的一類飼料。在青貯飼料調(diào)制過(guò)程中，添加纖維素酶制劑可以加快青貯發(fā)酵進(jìn)程，改善青貯飼料品質(zhì)，降低青貯飼料中NDF的含量，提高青貯飼料利用率和奶牛生產(chǎn)性能。

Eun等[11]在以青貯玉米和苜蓿干草為主的飼料中使用纖維素酶和木聚糖酶（1.4 mg/g干物質(zhì)）飼喂奶牛，青貯玉米和苜蓿干草NDF的降解度分別提高到60.3%和20.6%。Kung等[12]在飼草中噴灑纖維素酶和木聚糖酶可以顯著提高反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量，這與Wallace等[13]的結(jié)果相一致。Stokes 等[14]報(bào)道在奶牛粗飼料中噴灑纖維素酶可以使干物質(zhì)采食量提高10.7%，產(chǎn)奶量提高14.7%。Schingoethe等[15]的試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)奶牛飼喂纖維素酶和木聚糖酶處理后的玉米和苜?；旌锨噘A時(shí)2～4周后其產(chǎn)奶量提高10.8%，但對(duì)泌乳中期奶牛的產(chǎn)奶量影響較小，飼喂加酶青貯和低精粗比（45︰55）日糧的奶牛生產(chǎn)性能和飼喂未加酶青貯和高精粗比日糧（55︰45）相比無(wú)顯著差異。

4 不同飼料條件和奶牛泌乳階段對(duì)纖維素酶利用效果的影響

4.1 不同飼料條件對(duì)纖維素酶利用效果的影響

酶制劑的不同的飼料條件，如添加在干燥的飼草、新鮮的飼草、青貯飼料中[16，17]或者纖維素酶直接灌注瘤胃、添加在全混合日糧或者精料部分[18，19]添加效果并不相同。還有研究者表明纖維素酶添加在干燥的飼料中比相對(duì)濕潤(rùn)的飼料中利用效果更好[16，17]。Rode等[20]和Yang等[10]都報(bào)道在精料和干草中添加液體纖維素酶均可提高產(chǎn)奶量，但是在TMR中效果并不明顯。Beauchemin等[16]研究提出，干燥的飼料中添加酶制劑可以增強(qiáng)酶與飼料中酶底物的結(jié)合力，使酶抵抗瘤胃內(nèi)蛋白酶水解力增強(qiáng)，從而延長(zhǎng)酶在瘤胃內(nèi)的停留時(shí)間。Morgavi等[21]也提出向干燥的飼料噴灑纖維素酶，外源酶和瘤胃微生物酶產(chǎn)生協(xié)同作用，可提高粗纖維在瘤胃中的消化率。在瘤胃中，瘤胃微生物與飼料顆粒相結(jié)合，各種消化酶作用于各自的酶底物。但在青貯飼料或者TMR等含水量較大的飼料中添加酶制劑，酶與飼料結(jié)合不緊密而易被溶入瘤胃液中，并在酶制劑發(fā)揮作用之前就隨瘤胃液通過(guò)瘤胃。因此酶制劑并不能充分發(fā)揮其作用[9]。在奶牛精飼料中添加纖維素酶可提高干物質(zhì)消化率，增加產(chǎn)奶量。但干物質(zhì)采食量并沒(méi)有明顯增加。而在TMR日糧中添加纖維素酶雖然可以提高飼料有機(jī)物和蛋白質(zhì)消化率，但是對(duì)產(chǎn)奶量提高效果并不明顯[9]，這與Beauchemin等[16]報(bào)道相一致。

4.2 奶牛不同泌乳階段對(duì)纖維素酶利用效果的影響

Schingoethe等[15]報(bào)道對(duì)泌乳初期奶牛飼喂纖維素酶處理過(guò)的飼草效果較好，而對(duì)泌乳中、后期奶牛效果并不明顯。Nussio等[22]同樣發(fā)現(xiàn)纖維素酶對(duì)泌乳初期奶牛產(chǎn)奶量有較大的提高。日糧中添加纖維素酶可以提高粗纖維的消化率，增加消化能的攝入，可以減弱能量負(fù)平衡對(duì)泌乳早期奶牛的影響，增加產(chǎn)奶量[17]。

5 纖維素酶應(yīng)用中存在的問(wèn)題

纖維素酶作為一種新型飼料添加劑，已顯示出良好的應(yīng)用前景。但還是存在以下問(wèn)題：①缺乏基礎(chǔ)理論研究。對(duì)于飼用纖維素酶的應(yīng)用研究很多，基礎(chǔ)理論研究卻很少有人問(wèn)津。纖維素酶與基礎(chǔ)日糧及其他酶類的互作關(guān)系、在消化道內(nèi)的作用模式、對(duì)于生理及內(nèi)分泌的影響等尚需進(jìn)一步研究。②添加量問(wèn)題。外源纖維素酶可以提高瘤胃對(duì)粗纖維的消化率，其中酶的用量和活性是關(guān)鍵因素[11]。雖然國(guó)內(nèi)外有關(guān)纖維素酶應(yīng)用的研究報(bào)道很多，但添加水平和結(jié)論并不一致。對(duì)于不同酶活性的產(chǎn)品、不同動(dòng)物種類、不同生理階段以及不同飼料品種的適宜添加量尚未明確。③纖維素酶的使用與動(dòng)物消化生理?xiàng)l件相適應(yīng)的問(wèn)題。飼喂纖維素酶對(duì)于不同種類、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，難以合理地根據(jù)動(dòng)物內(nèi)源酶狀況補(bǔ)充各種纖維素復(fù)合酶制劑，以改善纖維素酶單獨(dú)使用效果不佳的狀況。Eun等[11]報(bào)道大部分外源纖維素酶都含有纖維素酶和木聚糖酶，但是兩種酶之間的比例以及酶制劑對(duì)不同的飼草發(fā)揮作用的最適條件都還不明確。④穩(wěn)定性問(wèn)題。纖維素酶是一種微生物制劑。對(duì)溫度、濕度、酸、堿等敏感，處理不當(dāng)易失活，導(dǎo)致飼用效果不穩(wěn)定。⑤纖維素酶作為新型飼料添加劑進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)時(shí)間不長(zhǎng)，所以纖維素酶的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)特別是添加纖維素酶以后的飼料產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)還是空白。因此，建立一種檢測(cè)飼用纖維素酶活性的標(biāo)準(zhǔn)方法，是飼料工業(yè)發(fā)展的迫切需求。

6 小結(jié)

纖維素酶作為新型飼料添加劑進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)時(shí)間不長(zhǎng)，近年來(lái)的研究結(jié)果也表明在奶牛飼料中無(wú)論以何種形式添加纖維素酶均可提高飼料利用率，改善粗飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，提高生產(chǎn)性能，降低飼料成本，這是對(duì)傳統(tǒng)的反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)理論的一種突破。因此纖維素酶具有廣闊的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著纖維素酶的檢測(cè)方法、作用機(jī)制、酶系組成、耐熱性、作用溫度、pH和抗蛋白酶水解能力等方面的深入研究，纖維素酶在未來(lái)的動(dòng)物生產(chǎn)中將會(huì)起到不可低估的作用。

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