畜牧人
標(biāo)題:
木聚糖酶在畜禽生產(chǎn)上的應(yīng)用
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作者:
mche2005
時(shí)間:
2009-5-20 16:03
標(biāo)題:
木聚糖酶在畜禽生產(chǎn)上的應(yīng)用
木聚糖酶在畜禽生產(chǎn)上的應(yīng)用
如何合理利用麥類(lèi)及雜粕類(lèi)等非常規(guī)飼料原料來(lái)降低養(yǎng)殖成本,已成為近年國(guó)內(nèi)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 但非常規(guī)飼料原料小麥和雜粕中含有的阿拉伯木聚糖等抗?fàn)I養(yǎng)因子難于被單胃動(dòng)物消化吸收,使谷物籽實(shí)中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能被充分暴露于動(dòng)物消化液的表面,并能使消化道食糜粘度增加,導(dǎo)致飼糧養(yǎng)分消化率和飼養(yǎng)效果降低,從而制約了麥類(lèi)飼料的大量應(yīng)用。 經(jīng)研究者發(fā)現(xiàn), 綠色、 無(wú)殘留木聚糖酶的添加可將木聚糖降解成低聚糖和木糖,提高谷物類(lèi)飼料養(yǎng)分的利用率,提高畜禽的生產(chǎn)性能,具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
1 木聚糖的分布和結(jié)構(gòu)
阿拉伯木聚糖(Arabinoxylan)是一種多聚五碳糖,在植物細(xì)胞壁中的含量?jī)H次于纖維素, 約占細(xì)胞干重的 7%～ 35%,在小麥中的含量高達(dá) 48%。它存在于陸生植物的細(xì)胞壁中, 幾乎植株的所有部位都含有。主要由阿拉伯糖和木糖組成,主鏈由吡喃木糖殘基以 β -1,4 糖苷鍵相連,阿拉伯糖殘基、 少數(shù)己糖和己糖醛酸等取代基與木糖殘基 C- 2 或者 C- 3 發(fā)生取代反應(yīng)。
木聚糖的水溶性和持水性由分子的大小和結(jié)構(gòu)決定。大多數(shù)木聚糖的溶解性都很差,但是當(dāng)木聚糖的側(cè)鏈發(fā)生阿拉伯糖取代時(shí), 增加了木聚糖分子與水的接觸面積, 就會(huì)使阿拉伯木聚糖的水溶性大大增加,其抗?fàn)I養(yǎng)作用就更為突出。阿拉伯木聚糖的水溶性還受到阿拉伯糖和木糖組成比例的影響。阿拉伯木聚糖的粘度主要是由大分子量的可溶性聚合物引起的。
2 木聚糖酶的來(lái)源、 結(jié)構(gòu)和酶學(xué)性質(zhì)
木聚糖酶的酶源在自然界分布廣泛而且相當(dāng)豐富,在海洋及陸地細(xì)菌、 海洋藻類(lèi)、 真菌和酵母以及反芻動(dòng)物瘤胃、 蝸牛、 甲殼動(dòng)物、 陸地植物組織和各種無(wú)脊椎動(dòng)物中都存在。 目前在飼料工業(yè)中使用的酶制劑基本上是由微生物發(fā)酵生產(chǎn)的。在分子水平上, 木聚糖酶由功能或非功能結(jié)構(gòu)域和連接區(qū)組成, 功能結(jié)構(gòu)域又可進(jìn)一步分為催化結(jié)構(gòu)域和纖維素結(jié)合結(jié)構(gòu)域( Cellulose Binding Domain,CBD)。木聚糖酶的催化結(jié)構(gòu)域決定酶的水解特性, 并作為該酶分類(lèi)的基礎(chǔ)。 木聚糖酶的氨基酸組成在數(shù)量上變化很大, 但其催化結(jié)構(gòu)域趨向一致。CBD存在于許多木聚糖酶分子中, 它在功能和氨基酸組成上與纖維素酶分子中的 CBD相似: ①在靠近 N末端和 C末端分別有一個(gè)半胱氨酸;②除甘氨酸、 天冬氨酸之外,還含有 4 個(gè)高度保守的色氨酸殘基;③帶電荷氨基酸的含量較少。非功能構(gòu)域主要是連接序列, 連接區(qū)連接在催化結(jié)構(gòu)域和 CBD之間, 并賦予了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的柔韌性。 此序列的長(zhǎng)度變化很大, 為 6～ 59 個(gè)氨基酸。該序列中或含有較多的脯氨酸, 或帶羥基的氨基酸, 或兩者都有。根據(jù)酶的來(lái)源不同, 連接區(qū)的序列長(zhǎng)度和它們所含有的脯氨酸和帶羥基的氨基酸數(shù)量都不同。
木聚糖酶類(lèi)主要包括 3 類(lèi): ①內(nèi)切-β - 1,4- 木聚糖酶, 從木聚糖主鏈的內(nèi)部切割 β - 1,4 糖苷鍵,使木聚糖溶液的粘度迅速降低,是木聚糖降解酶中最關(guān)鍵的酶;②外切-β - 1,4- 木聚糖酶,以單個(gè)木糖為切割單位作用于木聚糖的非還原性末端,使反應(yīng)體系的還原性不斷增加;③β - 木糖苷酶,切割低聚木糖和木二糖,有助于木聚糖徹底降解為木糖。
曾瑩等研究表明, 用黑曲霉 An54- 3 發(fā)酵啤酒糟生產(chǎn)的木聚糖酶最適反應(yīng)溫度為 55 ℃, 溫度適應(yīng)性較寬,在 30~60 ℃范圍內(nèi)相對(duì)酶活力都在 85%以上;最適反應(yīng) pH 值為 4.6~5.0;該粗酶粉熱穩(wěn)定性良好。 在干燥的條件下,90 ℃高溫處理 60 min 后, 雖然酶活力有所下降,但大部分酶活力可以保持,說(shuō)明此酶可耐受飼料制粒過(guò)程中的 80 ℃、 30 s 的熱處理, 是一種較為理想的飼用酶制劑。王愛(ài)娜等研究報(bào)道, 嗜熱毛殼菌木聚糖酶在 40~60 ℃表現(xiàn)較高的水平, 實(shí)驗(yàn)室條件下的100 ℃以?xún)?nèi)的加熱不會(huì)導(dǎo)致酶活性的嚴(yán)重?fù)p失。嗜熱毛殼菌木聚糖酶活性的適宜的 pH 值范圍為3.2~4.4。
Ingelbrecht 等( 2000)比較了分別來(lái)自枯草桿菌、曲霉菌和木霉菌的 3 種木聚糖酶的水解效率, 結(jié)果表明, 來(lái)自枯草桿菌的細(xì)菌性木聚糖酶的水解效率最高, 能高效降解底物, 而且細(xì)菌性木聚糖酶較真菌性木聚糖酶有更廣的 pH 值活性范圍, 可以更加有效地在不同動(dòng)物的胃腸道中發(fā)揮作用。
張曉暉等運(yùn)用平板初篩和發(fā)酵復(fù)篩的方法, 從 6 株斜面保存菌中, 篩選出 3 株產(chǎn)木聚糖酶的菌種: 康氏木霉 3.590、 康氏木霉3.549 和里氏木霉 QM9414, 其中康氏木霉 3.590 產(chǎn)木聚糖酶活力最高, 達(dá) 40.781 52 U/ml, 并對(duì)其酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了初步研究, 得到其反應(yīng)的最適溫度為 60 ℃和最適 pH 值 5.6。
3 木聚糖酶的理化性質(zhì)
木聚糖酶的來(lái)源不同,組成和性質(zhì)也因此不同,但它們的理化性質(zhì)有很多相似性。通常分子量為 8～ 145 kD,等電點(diǎn)一般 3～ 10, 在 pH 值 3～ 10 時(shí)穩(wěn)定, 反應(yīng)的最適 pH 值范圍 4～ 7, 在 pH 值 2.5～ 12 內(nèi)能保持 85%的酶活性; 它的最適溫度為 40～ 60 ℃, 60 ℃時(shí)酶活性保持在 80%, 以后隨溫度升高而下降。一般細(xì)菌所產(chǎn)木聚糖酶比真菌所產(chǎn)木聚糖酶熱穩(wěn)定性好, 通常干燥的酶有較大的抗熱性, 但濕熱很快失活。木聚糖酶的氨基酸組成主要為丙氨酸、 谷氨酸、 甘氨酸、 絲氨酸和蘇氨酸等。根據(jù)酶分子量大小可將其分為分子量小于30 kD的通常為堿性蛋白的酶和分子量大于 30 kD的通常為酸性蛋白的酶兩大類(lèi)。
4 木聚糖酶的營(yíng)養(yǎng)生理功能
破壞植物細(xì)胞壁,釋放被束縛的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),提高養(yǎng)分和能量的利用率;提高內(nèi)源消化酶的活性,促進(jìn)養(yǎng)分的消化吸收,也能克服幼年動(dòng)物由于內(nèi)源酶不足而引起的消化不良;酶水解產(chǎn)物低聚木糖和木糖能增加腸道內(nèi)有益菌的數(shù)量,降低畜禽腹瀉率, 增強(qiáng)體質(zhì)健康,減少排泄物及對(duì)環(huán)境的污染;降低腸道內(nèi)容物的粘度,提高飼料轉(zhuǎn)化率, 促進(jìn)畜禽的生長(zhǎng);畜禽日糧中的蛋白質(zhì)在酶制劑的作用下產(chǎn)生具有某些免疫活性的小肽,提高畜禽的免疫力。
5 木聚糖酶在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用
5.1 提高畜禽生產(chǎn)性能 Danicke 等( 2001)研究表明, 添加木聚糖酶顯著增加肉雞 0～ 21 d 體增重, 料重比稍有降低。Math-louthi 等( 2002)研究, 在小麥與大麥為基礎(chǔ)的日糧中添加木聚糖酶與 β -葡聚糖酶顯著降低了火雞小腸內(nèi)容物粘性, 提高增重和采食量與飼料轉(zhuǎn)化率。張輝華等研究報(bào)道肉鴨日糧中添加木聚糖酶后, 肉鴨的末重、 日增重和日耗料量顯著高于對(duì)照組(P<0.05);料重比顯著低于對(duì)照組( P<0.05) ,但各木聚糖酶組之間差異不顯著。但添加木聚糖酶并非添加越多效果越好,添加量超過(guò)一定水平, 生長(zhǎng)性能并未有上升的趨勢(shì)。
王金全研究表明日糧小麥水平越高, 肉雞的生產(chǎn)性能越差( 1～ 42 日齡) , 添加木聚糖酶后, 可以抵消小麥的抗?fàn)I養(yǎng)作用。 添加木聚糖酶在 1～ 3 周齡肉雞的效果明顯好于 4～ 6 周。袁巧靈等研究表明, 仔豬日糧中添加木聚糖酶后, 平均日增重和飼料轉(zhuǎn)化率分別比對(duì)照組提高了 23.32%和 7.25%, 差異均顯著( P<0.05)。廖細(xì)古等研究報(bào)道, 在肉鴨玉米-豆粕-雜粕型日糧基礎(chǔ)上添加 250 g/t 和 500 g/t 的木聚糖酶, 可以使整個(gè)階段肉鴨生長(zhǎng)增重比對(duì)照組提高 2.77%和 4.96%; 料重比下降 1.85%和 2.11%。
5.2 提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用率
徐駿等研究報(bào)道, 在低蛋白水平日糧中通過(guò)添加木聚糖酶可以改善能量和蛋白的利用率, 使低蛋白水平日糧生長(zhǎng)速度與正常水平相同甚至略有超過(guò)。 黃金秀等研究表明,仔豬飼糧中添加木聚糖酶后, 1 440 U/kg水平組的粗蛋白、 有機(jī)物、 鈣、 磷、 ADF 和能量的消化率分別提高了 5.56%、 1.98%、 17.86%、 10.56%、 6.59%和 2.80%; 其中粗蛋白、鈣和磷消化率達(dá)到了顯著水平。除鈣磷外,隨著日糧中木聚糖酶的添加量由 0 增至 1 440 U/kg, 各養(yǎng)分消化率不斷增加,改善作用至日糧中酶的添加量為 1 440 U/kg時(shí)達(dá)到最大; 而后加大酶的用量,養(yǎng)分消化率沒(méi)有進(jìn)一步的提高。
5.3 提高飼料的表觀代謝能
王金全研究表明,木聚糖酶能夠提高日糧代謝能0.29%～ 6.69%, 并且隨著日糧中小麥水平和酶的添加量的提高, AME 的提高幅度越大, 平均為 3.18%。廖細(xì)古等研究報(bào)道, 在玉米- 豆粕- 雜粕型日糧基礎(chǔ)上分別降低日糧表觀代謝能 209、 313.5 kJ/kg 后再添加250 g/t 和 500 g/t 的木聚糖酶,對(duì)整個(gè)階段肉鴨的生產(chǎn)性能都有所提高。何麗霞等研究表明, 添加木聚糖酶對(duì)提高家禽飼料的能值有較好的效果。 在能量飼料原料中,主要成分為細(xì)菌性?xún)?nèi)切酶的酶 A, 其木聚糖酶的代謝能當(dāng)量值在 ME 0.25～ 1.22 MJ/kg之間; 主要成分為真菌性外切酶的酶 B, 其木聚糖酶的代謝能當(dāng)量值在 ME 240.27～ 0.53 MJ/kg之間。 在產(chǎn)蛋雞日糧中,酶 A的代謝能當(dāng)量值在 ME 0.21～ 0.38 MJ/kg之間,酶 B的代謝能當(dāng)量值在 ME 0.25～ 0.45 MJ/kg之間。
5.4 對(duì)小腸食靡和小腸絨毛組織形態(tài)的影響
木聚糖酶使食糜在整個(gè)腸道的停留時(shí)間縮短,一方面加快了食糜的排空速度, 減少了營(yíng)養(yǎng)成分積累, 有利于養(yǎng)分在小腸的吸收擴(kuò)散, 提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的總消化率; 另一方面降低了由于養(yǎng)分積累而滋生的有害微生物種類(lèi)和數(shù)量, 從而減少動(dòng)物疾病的發(fā)生,對(duì)動(dòng)物的健康有利。
Danicke( 1999)也曾報(bào)道黑麥添加木聚糖酶飼喂仔雞, 食糜在腸道停留時(shí)間比對(duì)照組縮短了 1 h。汪祖榮( 2005)研究的木聚糖酶使食糜在肉雞整個(gè)消化道排空速率加快。王佳麗等研究報(bào)道, 0.05%、 0.1%0.2%、 0.3%水平木聚糖酶組雛鵝十二指腸段食糜 pH值皆比小麥組提高, 其中 0.3%酶制劑組的值最高, 比小麥組提高了 0.18( P>0.05) ; 小腸絨毛高度較小麥組改善效率分別為 24.12%、 53.34%、 60.64%、 33.32%0.2%、 0.3%水平酶組的小腸絨毛寬度比小麥組略有提高。
5.5 對(duì)消化器官指數(shù)的影響
楊桂芹等研究報(bào)道,小麥飼糧中添加 0.2%和 0.3%木聚糖酶能降低胃及十二指腸指數(shù)( P>0.05) , 添加0.3%木聚糖酶能降低空回腸及盲腸指數(shù)( P>0.05) ; 添加 0.1%和 0.2%木聚糖酶能降低肝臟指數(shù)( P>0.05) ;添加 0.3%木聚糖酶時(shí)能降低胰腺指數(shù)( P>0.05)。王金全等研究報(bào)道, 肉仔雞小麥基礎(chǔ)日糧添加木聚糖酶后能降低胰臟、 肝臟、 小腸、 肌胃和腺胃消化器官的相對(duì)重量( P>0.05)。
5.6 提高動(dòng)物機(jī)體免疫力和體質(zhì)健康
王金全等研究報(bào)道, 肉仔雞小麥基礎(chǔ)日糧添加木聚糖酶后, 肉仔雞的脾臟、 胸腺和法氏囊的相對(duì)重量均提高(P>0.05),死淘率下降 60%(P<0.05)。 添加木聚糖酶對(duì) T3、 GH、 INS激素水平表現(xiàn)出增高趨勢(shì)( P>0.05)而 T4、 TSH 和 GLU水平加酶后有所降低(P>0.05)。陳清華等研究表明, 斷乳仔豬的小麥基礎(chǔ)日糧中添加木聚糖酶后仔豬血液尿素氮含量極顯著升高( P<0.01)血糖、 T4、 白細(xì)胞介素 2(IL- 2)和血清胃泌素含量顯著升高(P<0.05), T3 含量有上升趨勢(shì), 胰島素(INS)含量卻略有下降, 木聚糖酶可以通過(guò)影響仔豬代謝和免疫而促進(jìn)仔豬生長(zhǎng)。
5.7 對(duì)消化道酶活的影響
楊桂芹等研究報(bào)道, 在小麥飼糧中添加木聚糖酶能夠改善肉鵝蛋白酶活性, 添加量為 0.2%時(shí)比小麥對(duì)照組高出 34.38%(P<0.01),效果最佳;木聚糖酶的添加同樣能夠改善肉鵝淀粉酶的活性,添加量 0.1%時(shí)比小麥對(duì)照組高出 20.57%(P<0.05),為最適添加量。
6 影響木聚糖酶作用效果的因素
6.1 存放時(shí)間對(duì)木聚糖酶活性的影響
各種料型中木聚糖酶的活性都隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低。沈明泉等對(duì)不同儲(chǔ)存條件對(duì)木聚糖酶活性影響的研究中表明, A、 B、 C、 D 4 種酶制劑中的木聚糖酶活力在室溫條件下儲(chǔ)存 40 d 后損失程度分別為 32.3%、 41.5%、 33.4%、 33.3%。其中 B 酶的活力損失最大,表明 B 酶中木聚糖酶的質(zhì)量不高,其酶活易損失。且木聚糖酶的活力在儲(chǔ)存的第 20 d 到第 30 d的損失相對(duì)較大, 而在第 30 d 到第 40 d, 其活力損失相對(duì)較小。
6.2 制粒過(guò)程對(duì)木聚糖酶活性的影響
現(xiàn)在顆粒料制粒過(guò)程中有一個(gè)短暫的 75～ 93 ℃高溫過(guò)程, 多數(shù)木聚糖酶在此高溫下會(huì)大幅度地喪失活性。付生慧等研究表明木聚糖酶在 75、 85和 95 ℃溫度條件下,制粒 5 min,酶活性的損失率分別為 15.58%、24.54%和 59.96%; 制粒 10 min, 酶活性的損失率分別為 19.80%、 27.40%和 61.93%。不同制粒溫度間, 酶活性損失率差異極顯著( P<0.01) , 不同制粒時(shí)間, 酶活性損失率差異顯著( P<0.05)。所以對(duì)酶制劑采用包被處理可以提高其穩(wěn)定性。
6.3 不同料型對(duì)木聚糖酶活性的影響
王愛(ài)娜等研究報(bào)道, 將嗜熱毛殼菌纖維酶加入預(yù)混合飼料、 濃縮飼料和配合飼料中,木聚糖酶的活性有一定程度的損失。其中,預(yù)混合飼料對(duì)木聚糖酶的活性影響最大,剩余的酶活為 15.41%,濃縮飼料剩余的酶活為 23.22%, 配合飼料剩余的酶活為 26.97%,且三者之間差異極顯著(P<0.01)。
不同的動(dòng)物, 其胃腸道中的溫度以及 pH 值環(huán)境是存在差異的, 作為飼料添加劑添加到飼料中的木聚糖酶, 要能夠耐受動(dòng)物胃腸道中的環(huán)境, 才能發(fā)揮其應(yīng)有的功效。豬的消化道溫度為 40 ℃,小腸 pH 值為5~7;雞的體溫為 41 ℃,腺胃至結(jié)腸內(nèi)容物的 pH 值為2~7。 這與黑曲霉 An54- 3 所產(chǎn)木聚糖酶的酶學(xué)特性參數(shù)基本相吻合,因而將其用作飼料添加劑可發(fā)揮較高的活力。
6.5 金屬離子對(duì)木聚糖酶活性的影響
趙玉蓉等試驗(yàn)結(jié)果表明, 除 Na+和 Ca2+對(duì)木聚糖酶具有激活作用以及磷酸二氫鉀和碘化鉀對(duì)其酶活基本無(wú)影響外, 其它金屬離子對(duì)木聚糖酶均起抑制作用,特別是 Cu2+
, 低濃度的 Cu2+可使木聚糖酶活性降低63.26%, 隨著 Cu2+濃度的增加,木聚糖酶失活現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重,可高達(dá) 64.09%。另外,Mg2+、 Mn2+、 Zn2+、 Fe3+對(duì)木聚糖酶均有不同程度的抑制作用,且其抑制作用隨其離子濃度的增加而有不同程度的加強(qiáng)。 王俊麗等研究表明, 不同水平梯度的離子組合對(duì)木聚糖酶活性有顯著的影響。由于木聚糖酶來(lái)源不同,無(wú)機(jī)離子對(duì)其活性的影響情況也不盡相同。不同種類(lèi)無(wú)機(jī)離子、 不同濃度的同種無(wú)機(jī)離子對(duì)木聚糖酶活性的影響各不相同。 同種離子在不同濃度下可表現(xiàn)出激活或抑制作用,不同離子之間還存在著互作效應(yīng)。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中還應(yīng)考慮各種離子的綜合影響。
6.6 木聚糖酶的穩(wěn)定性
穩(wěn)定性對(duì)酶制劑特別是飼用酶制劑至關(guān)重要, 是影響酶制劑使用效果的關(guān)鍵因素。 細(xì)菌來(lái)源的木聚糖酶中普遍含有增加熱穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)域, 與其中的催化結(jié)構(gòu)域緊密連結(jié)在一起, 在熱穩(wěn)定性上要好于來(lái)自真菌的木聚糖酶。
6.7 飼用酶制劑性質(zhì)
酶制劑來(lái)源不同, 最適溫度和最適 pH 值等條件也就不同。 此外不同菌株所產(chǎn)的酶, 其耐高溫加工、 耐酸堿處理能力不同, 因而在生產(chǎn)中應(yīng)用的效果不同。
7 小結(jié)
隨著生態(tài)畜牧業(yè)的發(fā)展, 飼用酶制劑作為一種無(wú)毒、 無(wú)害、 無(wú)殘留的綠色添加劑, 在飼料工業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前玉米作為飼料原料供應(yīng)日趨緊張, 制約了飼料工業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)的持續(xù)發(fā)展, 而小麥則在某些地區(qū)出現(xiàn)積壓趨勢(shì), 因此將小麥作為飼料原料開(kāi)發(fā)利用具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。到目前為止, 已有近百種不同菌株的木聚糖酶被克隆或表達(dá)出來(lái), 蛋白質(zhì)工程技術(shù)、 定點(diǎn)突變技術(shù)二硫鍵的引入以及蛋白質(zhì)體外定向進(jìn)化技術(shù)等生物技術(shù)手段的運(yùn)用, 對(duì)改造木聚糖酶的特性, 使酶的活性、 適應(yīng)性、 抗逆性增強(qiáng), 實(shí)現(xiàn)低成本、 產(chǎn)業(yè)化的商品生產(chǎn)。
作者:
虛竹
時(shí)間:
2010-1-27 18:53
現(xiàn)在木聚糖酶的應(yīng)用還是比較普遍的
作者:
renato
時(shí)間:
2010-2-6 08:34
哪位高手有使用木聚糖酶的心得嗎？
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