纖維素酶對奶牛營養(yǎng)的研究進(jìn)展

suo_bao

　　纖維素酶對奶牛營養(yǎng)的研究進(jìn)展

　　纖維素是地球上最豐富的可再生生物資源。據(jù)報道，全球每年通過光合作用產(chǎn)生的纖維素高達(dá)1000億t以上(David和Hou，1998)，但能被利用的極少。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，已經(jīng)成為科研工作者研究的重要課題。因此，成功開發(fā)這一潛在飼料資源顯得尤為迫切和重要。
　　l纖維素酶的種類
　　1.1 葡聚糖內(nèi)切酶葡聚糖內(nèi)切酶(endo-1，4-B-D-glucanase，EC 3.2.1,4，來自真菌簡稱 EG，來自細(xì)菌簡稱Len)，又稱為cl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B-l，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)切酶分子質(zhì)量介于23—146 ku之間，如真菌的異構(gòu)酶EGI和EGⅢ分子質(zhì)量分別為54 ku和49.8 ku，而纖維粘菌EG分子質(zhì)量只有6.3 ku。
　　1.2葡聚糖外切酶葡聚糖外切酶(exo-1，4-β-D-gJucanase，EC 3.21.9t，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，每次切下一個纖維二糖分子，故又稱為纖維二糖水解酶(cellobiohydrolase，簡稱CBH)，外切酶的分子質(zhì)量介于38～118 ku之間，如木霉的CBH有兩種異構(gòu)酶：CBHI和CBHⅡ，分子質(zhì)量分別約為66 ku和53 ku。
　　1.3 β-葡萄糖苷酶 β-葡萄糖苷酶(B- Glucosidase，EC 3.2.1.21，簡稱BG)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-葡萄糖苷酶分子質(zhì)量約為76 ku(SuNsaN等，2002;Schulein，2000)。
　　2纖維素酶的營養(yǎng)作用
　　在動物飼料中添加纖維素酶的作用機(jī)制在于：1)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，從而提高了飼料的有效能值。2)可補(bǔ)充草食動物內(nèi)源酶的不足。草食動物胃中雖有一定量的微生物，可以分泌纖維素酶分解纖維素，但纖維素酶分泌量有限，而添加纖維素酶制劑可顯著提高草食動物對粗纖維的消化利用率。另外，對單胃動物而言，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)有關(guān)，外源酶可以補(bǔ)充幼齡動物消化酶的不足(David和 Hutcheson，2002)。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，增加了動物胃腸道內(nèi)容物的黏度，對內(nèi)源酶而言是一個物理障礙，導(dǎo)致飼料消化吸收利用率降低，同時黏稠的消化道內(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。而添加纖維素酶可降低黏稠度，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)容物的流動性，有效降低有害微生物附著滋生的可能性(陳洪章等，1995)。4)提高畜禽體增重、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。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索，促進(jìn)其分解為易被動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(張勇和陶青燕，2002)。
　　3纖維素酶對奶牛營養(yǎng)物質(zhì)消化率和生產(chǎn)性能的影響
　　3,1 纖維素酶對奶牛精料的影響
　　許多動物生理學(xué)家曾擔(dān)心添加外源酶會破壞內(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會破壞和抑制內(nèi)源酶，而且還能促進(jìn)動物的消化吸收。
　　Hristov(1998)報道，在日糧中添加纖維素酶和術(shù)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)。但對干物質(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(1999)研究結(jié)果表明，在奶牛泌乳早期的精料中添加13 g/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質(zhì)的消化率分別由61.7%、42.5%、31.7%和61.7%增至69.1%、51.O%、4l 9%和69.8%，產(chǎn)奶量也由35.9 kg/d增至39.5 kg/d，但乳脂率和乳蛋白含量略有降低，采食量不受酶影響。Yang(1999)報道，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。劉建昌等(2001)在荷斯坦奶牛的配合精料中添加0.1%纖維素酶制劑，經(jīng)過60 d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)效益顯著提高，此結(jié)果與焦平林等 (1997)的試驗(yàn)結(jié)果一致。劉德海等(2000)在奶牛飼料中添加纖維素酶復(fù)合酶53 g/t·d，奶牛平
　　均日產(chǎn)奶量提高4 50%(P<0.05)，料奶比下降4 32%，對乳成分無影響。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% (P<0.05)，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)效益顯著提高。
　　大量試驗(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)奶牛對日糧營養(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)濃度調(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 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)，而在奶牛日糧中添加纖維素酶后試驗(yàn)表明，隨著產(chǎn)奶量的上升乳脂率呈上升趨勢。這說明纖維素酶可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)胞對各種營養(yǎng)物質(zhì)的攝取能力，從而維持牛奶中各種營養(yǎng)物質(zhì)的含量始終處于平衡狀態(tài)。
　　3.2纖維素酶對奶牛青貯飼料消化率和奶牛生產(chǎn)性能的影響
　　在我國，青貯飼料已成為奶牛日糧中不可缺少的常規(guī)組分。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)充青貯飼料的營養(yǎng)物質(zhì)不足，使其發(fā)酵充分，降低青貯飼料的 pH值，形成適宜乳酸菌增殖的環(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和生長進(jìn)程，保證青貯成功。除此之外，添加纖維素酶還能加快青貯速度，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。
　　Lewis(1999)在以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，產(chǎn)奶量顯著提高。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)認(rèn)為當(dāng)給奶牛飼喂經(jīng)纖維素酶和木聚糖酶處理的玉米和苜蓿混合青貯時，2—4周后產(chǎn)奶量提高10.8%并持續(xù)整個試驗(yàn)期，但對泌乳中期奶牛的產(chǎn)奶量影響較小。
　　綜上所述，纖維素酶具有改善青貯飼料品質(zhì)，提高營養(yǎng)價值的作用，但如要在生產(chǎn)中充分發(fā)揮其作用，在今后的研究中還須進(jìn)一步研究青貯時青貯飼料的化學(xué)變化及微生物存在狀態(tài)。
　　3.3草料飼喂前添加纖維素酶對泌乳期奶牛的影響
　　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，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8～11 kg富含纖維的草料。反芻動物消化草料中的纖維，主要是通過瘤胃中的細(xì)胞、原生動物和真菌產(chǎn)生的大量的酶分解。Rode等(1999)、Lunchini等 (1997)、Nussio等(1997)、Lewis等(1996)、 Pritehard等(1996)和Sanchez等(1996)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物對纖維素的消化力，同時，反芻動物可利用能量增加。Yang等(1999)、Sanchez等(1996)認(rèn)為外源纖維素酶對奶牛產(chǎn)奶量的影響跟所用酶的水平、奶牛的泌乳階段和草料的濕度有關(guān)。Pfitchm'd等(1996)報道，應(yīng)用纖維素酶和木聚糖酶的混合物比只用纖維素酶更加有效地提高其對纖維素消化力。Nussio等(1997) 研究證明，飼喂前1～3 d，在草料中添加外源纖維素酶跟就在飼喂前片刻添加具有同樣的效果。但是，Luchini等(1997)試驗(yàn)表明，在紫花苜蓿青貯料、紫花苜蓿干草、谷物青貯料和紫花苜蓿干草的混合料中添加纖維素酶和木聚糖酶的混合物，并不能提高泌乳期奶牛的產(chǎn)奶量。相反，Kung(1996)研究報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和Zaman(2002)報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對奶牛的采食量、產(chǎn)奶量、牛奶組成成分無顯著影響。
　　3.4纖維素酶對生長期奶牛消化力的影響
　　瘤胃中纖維素消化率是反芻動物生產(chǎn)力的一個限制因素，因此，許多科學(xué)家已致力于通過控制瘤胃的活動來使反芻動物生產(chǎn)力得到最大限度發(fā)揮的研究。為此，已經(jīng)有很多市售的纖維素酶用于反芻動物，這些酶可以有效地提高反芻動物對草料的利用率，并能產(chǎn)生更多的代謝能。付連勝和呂興有(1998)報道，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5 d后，粗飼料采食量提高8%一10%，糞便中氮減少30%，1周后下降70%左右，尿中氮含量下降58.9%。Beauchemin等(2000)報道，反芻動物對纖維素消化率的提高與其瘤胃中微生物的數(shù)量增多有關(guān)。Hristov等(1998)報道，纖維素消化率的提高能夠促進(jìn)瘤胃微生物菌體蛋白的合成。國外學(xué)者最近報道了外源纖維素酶能促進(jìn)小奶牛對纖維素的消化并能促進(jìn)其生長(Titi和Tabbaa，2004)。
　　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)纖維素酶對飼料的作用機(jī)理、對不同飼料最佳添加量、添加時間和添加方式尚不十分清楚;3)沒有統(tǒng)一的纖維素酶活性標(biāo)準(zhǔn)與檢測方法，其生物學(xué)評價試驗(yàn)方法不規(guī)范。要解決上述問題，必須加強(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)選育高活菌株。盡快制定我國統(tǒng)一的纖維素酶質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法(方俊和王濤，2003)。
　　近年來，研究表明，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生產(chǎn)性能的作用，這是對傳統(tǒng)的反芻動物營養(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)研究的深入，必將加速纖維素酶在飼料工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。