纖維素酶對(duì)奶牛營養(yǎng)的研究

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纖維素酶對(duì)奶牛營養(yǎng)的研究

纖維素是地球上最豐富的可再生的生物質(zhì)(ｂｉｏｍａｓｓ)資源。據(jù)報(bào)道,全球每年通過光合作用產(chǎn)生的纖維素超過1000億ｔ,但被利用的極少。當(dāng)前,飼料原料資源的嚴(yán)重匱乏阻礙了我國畜牧業(yè)的發(fā)展,如何提高飼料原料的消化利用率,盡早解決畜牧業(yè)發(fā)展中所存在的人畜爭糧的問題,已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)科研工作者正在積極研究的重要課題。因此,成功開發(fā)這一潛在飼料資源顯得尤為迫切和重要。
    1　纖維素酶的種類
    纖維素酶包括多種水解酶成員,構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的纖維素酶家族。目前普遍認(rèn)為,完全降解纖維素至少需要由3種功能不同但又互補(bǔ)的纖維素酶的3類組分。
1.1　葡聚糖內(nèi)切酶(ｅｎｄｏ-1,4-β-Ｄ-ｇｌｕｃａｎａｓｅ,ＥＣ3.2.1.4,來自真菌簡稱ＥＧ,來自細(xì)菌簡稱Ｌｅｎ),又稱為Ｃ1酶,這類酶作用于纖維素內(nèi)部的非結(jié)晶區(qū),隨機(jī)水解β-1,4-糖苷鍵,將長鏈纖維素分子截短,產(chǎn)生大量帶非還原性末端的小分子纖維素。葡聚糖內(nèi)切酶相對(duì)分子質(zhì)量介于23～146ｋｄ之間,如真菌的異構(gòu)酶ＥＧＩ為54ｋｄ,ＥＧⅢ約為49.8ｋｄ,而纖維粘菌ＥＧ有2種菌的內(nèi)切酶相對(duì)分子質(zhì)量只有6.3ｋｄ。
1.2　葡聚糖外切酶(ｅｘｏ-1,4-β-Ｄ-ｇｌｕｃａｎａｓｅ,ＥＣ3.2.1.91,來自真菌簡稱ＣＢＨ,來自細(xì)菌簡稱Ｃｅｘ),又稱為Ｃｘ酶,這類酶作用于纖維素線狀分子末端,水解1,4-β-Ｄ糖苷鍵,每次切下1個(gè)纖維二糖分子,故又稱為纖維二糖水解酶(Ｃｅｌｌｏｂｉｏｈｙｄｒｏｌａｓｅ簡稱ＣＢＨ),外切酶的相對(duì)分子質(zhì)量介于38～118ｋｄ之間,如木霉的ＣＢＨ有2種異構(gòu)酶,ＣＢＨＩ相對(duì)分子質(zhì)量約為66ｋｄ,ＣＢＨⅡ約為53ｋｄ。
1.3　β-葡萄糖苷酶(β-Ｇｌｕｃｏｓｉｄａｓｅ,ＥＣ3.2.1.21,簡稱ＢＧ)這類酶一般將纖維二糖或纖維寡糖水解成葡萄糖分子,一般不直接作用于纖維素分子,β-葡萄糖苷酶相對(duì)分子質(zhì)量約為76ｋｄ。
    2　纖維素酶的營養(yǎng)作用
    在動(dòng)物飼料中添加纖維素酶的作用機(jī)制在于:
    1)它可打破植物細(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,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)可補(bǔ)充草食動(dòng)物內(nèi)源酶的不足。在草食動(dòng)物胃中雖有一定量的能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,而添加纖維素酶制劑可明顯提高草食動(dòng)物對(duì)粗纖維的消化利用率。另外,對(duì)單胃動(dòng)物而言,纖維素酶可改善消化道環(huán)境,使酸度增加,以激活胃蛋白酶。消化酶不足可能與酶產(chǎn)量低,各種應(yīng)激(如斷奶、接種疫苗和環(huán)境應(yīng)激)的產(chǎn)生有關(guān),外源酶可以補(bǔ)充幼齡動(dòng)物消化酶的不足。
    3)消除抗?fàn)I養(yǎng)因子。果膠、半纖維素、葡聚糖和戊聚糖部分溶解在水中產(chǎn)生黏性,增加了動(dòng)物胃腸道內(nèi)容物的黏度,對(duì)內(nèi)源酶而言是一個(gè)物理障礙,導(dǎo)致飼料消化吸收利用率降低,同時(shí)黏稠的消化道內(nèi)容物容易引起有害微生物的滋生,增加胃腸疾病的發(fā)生率。而添加纖維素酶可減低黏稠度,促進(jìn)內(nèi)源酶的擴(kuò)散,增強(qiáng)養(yǎng)分的消化吸收,增大腸道內(nèi)容物的流動(dòng)性,有效降低有害微生物附著滋生的可能性。
    4)飼用纖維素酶之所以具有提高畜禽體增重、降低料肉比的功效,還因?yàn)槔w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。在這種多酶復(fù)合體系中一種酶的產(chǎn)物可以成為另一種酶的底物,從而使消化道內(nèi)的消化作用得以順利進(jìn)行。也就是說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)飼料營養(yǎng)物質(zhì)的分解和消化。
5)纖維素酶還具有維持小腸絨毛形態(tài)完整、促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)吸收的功能。
    3　國內(nèi)外研究纖維素酶對(duì)奶牛營養(yǎng)的影響
    3.1　纖維素酶對(duì)奶牛精料的影響
    許多動(dòng)物生理學(xué)家曾擔(dān)心添加外源酶會(huì)破壞內(nèi)源酶或抑制內(nèi)源酶的產(chǎn)生。研究表明,外源酶的添加不僅不破壞抑制內(nèi)源酶,而且能幫助和促進(jìn)動(dòng)物的消化吸收。Ｈｒｉｓｔｏｖ等(1998)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,且日糧中直接加酶要好于真菌灌注的效果。Ｒｏｄｅ等(1999)研究結(jié)果表明,在奶牛泌乳早期的精料中添加1.3ｇ/ｋｇ纖維素酶和木聚糖酶,使干物質(zhì)、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和粗蛋白的消化率分別由61.7%、42.5%、31.7%和61.7%增至69.1%、51.0%、41.9%和69.8%,產(chǎn)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,采食量不受酶影響。Ｙａｎｇ(1999)報(bào)道,在泌乳牛日糧中添加纖維素酶和木聚糖酶,不但提高了有機(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。劉建昌(2001)在荷斯坦奶牛的配合精料中添加0.1%的纖維素酶制劑,經(jīng)過60ｄ的試驗(yàn)觀察,結(jié)果表明,添加纖維素酶,每頭牛日平均產(chǎn)奶量提高了14.89%,試驗(yàn)組每頭牛每日多收入5.41元,經(jīng)濟(jì)效益顯著,與焦平林等的試驗(yàn)結(jié)果一致。呼和等(2001)在奶牛日糧中添加0.1%以纖維素酶為主的復(fù)合酶,奶牛產(chǎn)奶量比試驗(yàn)前平均增加2.5ｋｇ,提高9.47%,試驗(yàn)組的乳脂率、乳蛋白、乳糖、乳中干物質(zhì)并不隨產(chǎn)奶量的增加而下降,而略有提高或保持不變,且經(jīng)濟(jì)效益顯著。大多數(shù)試驗(yàn)表明,在奶牛精料中無論以何種形式添加纖維素酶等非淀粉性多糖酶,均可促進(jìn)對(duì)日糧營養(yǎng)物質(zhì)的利用。有試驗(yàn)表明,纖維素酶在降低采食量的同時(shí)提高產(chǎn)奶量,其主要原因是奶牛的攝食量主要受血液內(nèi)的揮發(fā)性脂肪酸ＶＦＡ的濃度的調(diào)節(jié)。ＶＦＡ是纖維素的分解產(chǎn)物。外源纖維素酶增加了瘤胃中ＶＦＡ的生成量,而瘤胃對(duì)ＶＦＡ的吸收較快,大量的ＶＦＡ進(jìn)入血液并隨其濃度的升高反饋性作用于食物調(diào)節(jié)中樞,導(dǎo)致采食量下降。一般認(rèn)為奶牛的產(chǎn)奶量和乳脂率呈負(fù)相關(guān),而試驗(yàn)表明,在奶牛日糧中添加纖維素酶后,隨著產(chǎn)奶量的上升乳脂率呈上升趨勢(shì)。這說明,纖維素酶通過提高奶牛血液中的各種營養(yǎng)物質(zhì)的含量,增強(qiáng)乳腺細(xì)胞對(duì)各種營養(yǎng)物質(zhì)的攝取能力,從而維持牛奶中的各種營養(yǎng)物質(zhì)的含量始終處于平衡狀態(tài)。
    3.2　纖維素酶對(duì)奶牛青貯飼料消化率和生產(chǎn)性能的影響
    青貯飼料在我國已成為奶牛日糧中不可缺少的常規(guī)組成部分。在青貯飼料調(diào)制過程中,加入適量的纖維素酶制劑可補(bǔ)充青貯飼料中不足的營養(yǎng)成分,使其發(fā)酵充分,降低青貯飼料的56值,形成乳酸菌增殖的適宜環(huán)境,抑制其他有害菌類的生長,有目的地調(diào)節(jié)青貯飼料中微生物活動(dòng)和生長進(jìn)程,保證青貯成功,從而達(dá)到加快青貯速度,改善青貯飼料品質(zhì),提高青貯飼料利用率和奶牛生產(chǎn)性能的目的,纖維素酶制劑已成為當(dāng)前動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。Ｓａｎｃｈｅｉ(1996)和Ｌｅｗｉｓ(1999)在青貯或苜蓿草為主的飼料中噴灑纖維素酶和半纖維素酶飼喂奶牛,明顯提高產(chǎn)奶量。Ｋｕｎｇ(2000)通過試驗(yàn)證明,在玉米青貯或以苜蓿草為主的飼料中噴灑液體羧甲基纖維素酶和木聚糖酶可以提高奶牛產(chǎn)奶量,但酶源和酶的用量十分關(guān)鍵。Ｓｃｈｉｎｇｏｅｔｈｅ(1999)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周后產(chǎn)奶量提高10.8%并持續(xù)整個(gè)試驗(yàn)期,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)相比無顯著差異,這與Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎ(1992)研究結(jié)果一致。綜上所述,纖維素酶具有改善大部分青貯飼料品質(zhì),提高其營養(yǎng)價(jià)值的作用,但如要在生產(chǎn)中充分發(fā)揮其作用,在今后的研究中還需進(jìn)一步研究青貯時(shí)青貯飼料的化學(xué)變化及微生物存在狀態(tài)。
    3.3　飼喂草料前添加纖維素酶對(duì)泌乳期奶牛的產(chǎn)奶量的影響
    在瘤胃微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)正常的情況下,添加纖維素酶能以幾倍的效率提高粗纖維和其他營養(yǎng)物質(zhì)的酵解強(qiáng)度,提高消化吸收水平。在瘤胃發(fā)生病理變化即微生物區(qū)系失去平衡進(jìn)入腐解過程時(shí),高活性纖維素酶能迅速調(diào)整微生物區(qū)系結(jié)構(gòu),恢復(fù)平衡關(guān)系和正常酵解、吸收、合成過程。高產(chǎn)奶牛正常情況下平均每天消耗8～11ｋｇ富含纖維的草料。反芻動(dòng)物利用其瘤胃中固有的細(xì)菌、原生動(dòng)物和真菌來消化草料中的纖維,主要是通過這些細(xì)菌產(chǎn)生的大量的酶的作用來分解植物細(xì)胞壁。Ｌｅｗｉｓ等(1996),Ｐｒｉｔｃｈａｒｄ等(1996),Ｓａｎｃｈｅｚ等(1996),Ｌｕｎｃｈｉｎｉ等(1997),Ｎｕｓｓｉｏ等(1997),Ｒｏｄｅ等(1999)已經(jīng)通過試驗(yàn)證明了添加外源纖維素酶能提高反芻動(dòng)物對(duì)纖維素的消化力,同時(shí)反芻動(dòng)物可利用的能量也增加了。Ｓａｎｃｈｅｚ等(1996),Ｙａｎｇ等(1999)分別報(bào)道了外源纖維素酶對(duì)奶牛產(chǎn)奶量的影響與所用酶的水平、奶牛的泌乳階段和草料的濕度有關(guān)。Ｐｒｉｔｃｈａｒｄ等(1996)報(bào)道,運(yùn)用纖維素酶和木聚糖酶的混合物比只用纖維素酶更能提高其對(duì)纖維素消化力;Ｎｕｓｓｉｏ等(1997)研究證明,飼喂前1～3ｄ在草料中添加外源纖維素酶與在飼喂前片刻添加具有同樣的效果。但是Ｌｕｃｈｉｎｉ等(1997)研究證明,纖維素酶和木聚糖酶的混合物添加在紫花苜蓿青貯料、紫花苜蓿干草或者紫花苜蓿青貯料、谷物青貯料和紫花苜蓿干草的混合物的時(shí)候,并不能提高泌乳期奶牛的產(chǎn)奶量。相反,Ｋｕｎｇ等(1996)研究報(bào)道,纖維素酶和木聚糖酶的混合物添加在谷物青貯料中能提高其產(chǎn)奶量,并且牛奶的組成成分不變。Ｄｈｉｍａｎ等(2002)報(bào)道了給泌乳早期的奶牛飼喂草料前在草料中添加木聚糖酶和纖維素酶的混合物并沒有影響奶牛的采食量、產(chǎn)奶量、牛奶組成成分,并且與飼喂沒有用此方法處理的草料相比,消耗率是基本相似的。
    3.4　纖維素酶對(duì)處于生長期的小奶牛的消化力的促進(jìn)作用
    瘤胃中的纖維素消化力是反芻動(dòng)物生產(chǎn)力的一個(gè)限制因素,因此,許多科學(xué)家已經(jīng)在研究如何通過控制瘤胃的活動(dòng)來使反芻動(dòng)物生產(chǎn)力得到最大限度的發(fā)揮。為此,已經(jīng)有很多市售的纖維素酶用于反芻動(dòng)物了,這些纖維素酶可以有效的提高反芻動(dòng)物對(duì)草料的營養(yǎng)利用率,并能產(chǎn)生更多的代謝能。付連勝等(1998)報(bào)道,在瘤胃功能正常狀態(tài)下,成年奶牛及育成牛飼喂纖維素酶5ｄ后,其糞便中氮減少30%,1周后下降70%左右,粗飼料采食量提高8%～10%,尿中尿素含量下降58.9%。Ｂｅａｕ
ｃｈｅｍｉｎ等(2000)報(bào)道,反芻動(dòng)物對(duì)纖維素消化力的提高與其瘤胃中微生物的數(shù)量增多有關(guān)。Ｈｒｉｓｔｏｖ等(1998)報(bào)道,纖維素消化力的提高能夠促進(jìn)瘤胃微生物菌體蛋白的合成。國外學(xué)者最新報(bào)道了外源纖維素酶能促進(jìn)小奶牛對(duì)纖維素的消化力并能促進(jìn)其生長。
    4　纖維素酶應(yīng)用中存在的問題與研究展望
    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;
    2)纖維素酶對(duì)飼料的作用機(jī)制尚未清理,對(duì)不同飼料最佳添加量、添加時(shí)間和方式不十分清楚;
    3)全國沒有統(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。要解決上述問題,必須加強(qiáng)科技投入,加強(qiáng)科研部門間的協(xié)作,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)選育高活性株,盡快制定我國統(tǒng)一的纖維素酶質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法。近年來國內(nèi)外的研究結(jié)果表明,在奶牛飼料中無論以何種形式添加纖維素酶均可起到改善其生產(chǎn)性能的作用,這是對(duì)傳統(tǒng)的反芻動(dòng)物營養(yǎng)理論的一種突破。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飼料工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。