轉(zhuǎn)貼：飼用β-甘露聚糖酶的研究及應(yīng)用

小馬哥 · 發(fā)表于 2007-12-11 08:57:38

作者:李富偉周響艷馮定遠(yuǎn) 飼料工業(yè) 期號(hào)：2006年第22期

近年來，飼料酶制劑作為一種綠色飼料添加劑，在飼料工業(yè)和養(yǎng)殖行業(yè)中得到了普遍重視并廣泛應(yīng)用。例如，在以小麥為基礎(chǔ)的日糧中添加木聚糖酶，在以大麥為基礎(chǔ) 的日糧中添加β-葡聚糖酶，可消除由可溶性的非淀粉多糖（SNSP），如木聚糖和β-葡聚糖等導(dǎo)致的抗?fàn)I養(yǎng)作用，提高日糧的消化率，進(jìn)而提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能；應(yīng)用植酸酶來消除飼料中植酸的抗?fàn)I養(yǎng)作用，節(jié)約磷酸氫鈣，并減輕磷的排放所帶來的環(huán)境污染等。但是，目前酶制劑在以玉米、豆粕為基礎(chǔ)的單胃動(dòng)物日糧中的應(yīng)用還非常有限。盡管單胃動(dòng)物對(duì)玉米的消化率較高，但對(duì)豆粕的能量利用率僅為50%～60%，單胃動(dòng)物對(duì)豆粕能量的利用率如此低的原因可能是豆粕中含有 22.7%左右的半纖維素是不能被單胃動(dòng)物消化的非淀粉多糖（Stephen，1983）。如能降解或去除這些不可消化的成分就能提高豆粕的飼喂價(jià)值（汪儆，1996）。β-甘露聚糖是非淀粉多糖中的一種，具有較強(qiáng)的抗?fàn)I養(yǎng)作用。甘露聚糖酶能有效地分解餅粕類飼料中的甘露聚糖，生成甘露寡糖等物質(zhì)。多數(shù)試驗(yàn)研究表明，在玉米—豆粕型日糧中添加β-甘露聚糖酶可以提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能和健康水平。
1 β-甘露聚糖的抗?fàn)I養(yǎng)作用
β-甘露聚糖是非淀粉多糖中的一種，它是以1, 4-β-D-吡喃甘露糖苷鍵連結(jié)的線狀多糖，如果主鏈某些殘基被葡萄糖取代，或半乳糖通過1,6-α-糖苷鍵與甘露糖殘基相連形成分支，則稱之為異甘露聚糖，主要有半乳甘露聚糖（galactomannan）、葡聚甘露聚糖（glucomannan）、半乳葡萄甘露聚糖（galactoglucomannan）(Elisabetta等，2000；Puls等，1993)。這些物質(zhì)構(gòu)成了植物半纖維素的第二大組分。大多數(shù)陸生植物細(xì)胞壁的半纖維素主要由木聚糖和甘露聚糖組成，需要很多酶系協(xié)同作用才能完全水解為可溶性糖（Biely等，1992；Hazlewood等， 1998a）。
β-甘露聚糖及其衍生物是豆科植物細(xì)胞壁固有的組分之一，在豆科植物中的含量約為1.3%～1.6%（Jackson等， 1999）。單胃動(dòng)物腸道中不能分泌相關(guān)酶，因而β-甘露聚糖及其衍生物不能被消化酶分解，從而對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能造成負(fù)面影響。β-甘露聚糖對(duì)單胃動(dòng)物的抗營養(yǎng)作用表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
① β-甘露聚糖及其衍生物在單胃動(dòng)物的消化道內(nèi)溶于水后形成凝膠狀，使消化道內(nèi)容物具有較強(qiáng)的粘性。食糜黏性的提高，一方面減少了動(dòng)物消化酶與飼料中各種營養(yǎng)物質(zhì)的接觸機(jī)會(huì)，同時(shí)使已經(jīng)消化了的養(yǎng)分向小腸壁的擴(kuò)散速度減慢，降低了已經(jīng)消化養(yǎng)分的吸收；此外，食糜黏性的增加還可以造成畜禽糞便含水量和黏稠度增加，影響了畜禽舍和周圍的環(huán)境。
② β-甘露聚糖具有高的持水活性，可通過其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)吸收超過自身重量數(shù)倍的水分，改變其物理特性，抵制腸道的蠕動(dòng)，影響消化。
③ 高親水性的β-甘露聚糖與腸黏膜表面的脂類微團(tuán)和多糖蛋白復(fù)合物相互作用，導(dǎo)致黏膜表面水層厚度增加，降低了養(yǎng)分的吸收（Johnson等，1981），表面水層厚度是養(yǎng)分吸收的限制因素。
④ β-甘露聚糖是表層帶負(fù)電荷的活性物質(zhì)，在溶液中極易與帶相反電荷的養(yǎng)分物質(zhì)結(jié)合，從而影響?zhàn)B分的吸收；β-甘露聚糖還能吸附Ca2+、Zn2+、Na+ 等金屬離子以及有機(jī)質(zhì)，造成這些物質(zhì)的代謝受阻（李劍芳等，2004）；β-甘露聚糖與消化酶、膽鹽結(jié)合，可降低消化酶的活性，并使膽酸呈束縛狀態(tài)，導(dǎo)致膽固醇等脂類和類酯吸收減少，同時(shí)也影響脂類吸收微團(tuán)的形成，影響了脂肪的消化吸收。
⑤ 未消化的β-甘露聚糖等非淀粉多糖可以與消化道后段微生物區(qū)系相互作用，造成厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生大量的毒素（生孢梭菌等分泌的），抑制動(dòng)物的生長；還可造成胃腸功能紊亂。
總之，β-甘露聚糖不僅阻礙了營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，還可以導(dǎo)致動(dòng)物不同程度的腹瀉，最終影響畜禽生長和飼料利用率（Cherbut等，1995）。
2 β－甘露聚糖酶的作用機(jī)理
β- 1,4-甘露聚糖酶簡稱β-甘露聚糖酶，是一類能夠水解含β-1,4-甘露糖苷鍵的甘露寡糖和甘露多糖（包括甘露聚糖、半乳甘露聚糖、葡萄甘露聚糖等）的內(nèi)切水解酶，屬于半纖維素酶類。β-甘露聚糖酶能將廣泛存在于豆類籽實(shí)中的甘露聚糖等多糖降解為甘露寡糖等低聚糖，不僅消除了甘露聚糖對(duì)單胃動(dòng)物各種營養(yǎng) 素的抗?fàn)I養(yǎng)作用，同時(shí)生成的甘露低聚糖在動(dòng)物腸道中起著重要的調(diào)節(jié)作用。近年來隨著對(duì)自然界半纖維素資源的開發(fā)應(yīng)用，微生物β-甘露聚糖酶的開發(fā)和研究進(jìn) 入了一個(gè)新階段。研究表明，在富含β-甘露聚糖的動(dòng)物飼糧中添加外源β-甘露聚糖酶可以有效消除β-甘露聚糖的抗?fàn)I養(yǎng)作用，從而提高動(dòng)物的生長性能（Jackson，2001）。針對(duì)β-甘露聚糖的抗?fàn)I養(yǎng)作用，β-甘露聚糖酶的作用機(jī)理主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
① 降低消化道內(nèi)容物黏度。甘露聚糖在β-甘露聚糖酶的作用下降解為甘露寡糖等低聚糖，大大減少了β-甘露聚糖與水分子的相互作用，從而降低腸道內(nèi)容物的黏度，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的進(jìn)一步消化吸收。
② 破壞植物性飼料細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)與消化酶充分接觸。植物細(xì)胞中淀粉和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)被細(xì)胞壁包裹，細(xì)胞壁是由纖維素、半纖維素、果膠等組成的一種復(fù)雜化合物，單胃動(dòng)物不能很好地消化這一類物質(zhì)。飼料中適當(dāng)?shù)靥砑幽軌蚍纸膺@類物質(zhì)的酶，可以破壞飼料中存在的植物細(xì)胞壁，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)釋放出來，提高飼料的營養(yǎng)價(jià)值。β-甘露聚糖是半纖維素的主要組成成分之一，添加β－甘露聚糖酶可起到降解細(xì)胞壁的作用。
③ 改善腸道微生物菌群和保護(hù)腸黏膜的完整性。甘露聚糖的降解產(chǎn)物為甘露低聚糖(MOS)，它能減少病原菌在腸道的定植，調(diào)節(jié)動(dòng)物的免疫反應(yīng)，保護(hù)腸黏膜的完整性，顯著地促進(jìn)動(dòng)物腸道內(nèi)以雙歧桿菌(Bifidobacterium)為代表的有益菌的增殖，最終提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能(毛勝勇，2000)。甘露寡糖作為一種綠色飼料添加劑已經(jīng)在飼料工業(yè)中得到較廣泛的應(yīng)用，甘露寡糖可選擇性地抑制有害微生物在腸道中的增殖。微生物病原菌致病時(shí)，第一步是結(jié)合在消化道腸黏膜表面，這種結(jié)合是特異性的，其機(jī)理為細(xì)菌細(xì)胞壁表面蛋白，如植物凝血素(lectin)與動(dòng)物腸道黏膜上皮細(xì)胞表面糖脂或糖蛋白的糖殘基結(jié)合。但當(dāng) 腸道內(nèi)存在一定量的MOS等寡糖時(shí)可結(jié)合細(xì)菌的植物凝血素，而減少了細(xì)菌與腸黏膜上皮細(xì)胞結(jié)合的機(jī)會(huì)，這樣外源病菌就會(huì)被排出體外，根據(jù)競爭性排阻作用，促進(jìn)有益菌在腸道中增殖。MOS 等類寡糖能促進(jìn)細(xì)胞分泌含甘露糖基的糖蛋白，這些糖蛋白可結(jié)合侵入機(jī)體的細(xì)菌，從而調(diào)節(jié)機(jī)體的多級(jí)免疫反應(yīng)，提高動(dòng)物對(duì)抗疾病的能力。長期使用甘露低聚糖還可防止沙門氏菌、肉梭狀芽孢桿菌等致病菌的感染及其在腸道的繁殖和定植，減少抗生素的添加量(Jackson，2001)。
3 β-甘露聚糖酶的來源及生物學(xué)特性
β- 甘露聚糖酶廣泛存在于自然界中，在一些低等動(dòng)物（如海洋軟體動(dòng)物L(fēng)ittorina brevicula）的腸道分泌液中、某些豆類植物（如長角豆、瓜兒豆等）發(fā)芽的種子中以及天南星科植物魔芋萌發(fā)的球莖中都發(fā)現(xiàn)了β－甘露聚糖酶酶活的存在。而微生物（包括真菌、細(xì)菌和放線菌等）則是飼用β－甘露聚糖酶的主要來源，各種微生物產(chǎn)生β－甘露聚糖酶的條件和所產(chǎn)酶活性的高低、酶的性質(zhì)和作用方式以及蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)等均有所不同。微生物來源的β－甘露聚糖酶具有活性高、成本低、提取方便以及比動(dòng)植物來源的有更廣的作用pH值、溫度范圍和底物專一性等顯著特點(diǎn)，已在工業(yè)化生產(chǎn)和理論研究中得到了廣泛的應(yīng)用。
目前，已有許多不同來源的β-甘露聚糖酶獲得了純化，如田新玉（1993）首先報(bào)道了嗜堿性芽孢桿菌Bacillus sp.N16-5產(chǎn)生的3種胞外堿性β－甘露聚糖酶。楊文博（1995）、余紅英（2003）、吳襟（2000）分別對(duì)地衣芽孢桿菌Bacillus lichienoformis NK-27產(chǎn)生的堿性β-甘露聚糖酶、枯草芽孢桿菌SA-22產(chǎn)生的中性β-甘露聚糖酶、諾卡氏菌形放線菌Nocardioform actinomycetesNA3-540C產(chǎn)生堿性β-甘露聚糖酶的純化及性質(zhì)作了報(bào)道。在真菌方面，田亞平（1998）、王和平（2003）分別就黑曲霉WX-96所產(chǎn)的β-甘露聚糖酶、里氏木酶RutC-30所產(chǎn)的酸性β-甘露聚糖酶進(jìn)行了酶純化和性質(zhì)研究。國外Ademark（1998）和 Yosida（1997）分別報(bào)道了黑曲霉、環(huán)狀芽孢桿菌β-甘露聚糖酶的純化和性質(zhì)。微生物產(chǎn)生的β-甘露聚糖酶為多組分型，這些酶組分可能在分子量或等電點(diǎn)上有著微小的差別，但在水解甘露聚糖時(shí)活性卻明顯不同，存在一定的互補(bǔ)關(guān)系，這說明微生物β-甘露聚糖酶的誘導(dǎo)和分泌是一個(gè)復(fù)雜的代謝調(diào)節(jié)過程。
不同來源的β-甘露聚糖酶對(duì)不同來源的底物作用深度及其水解產(chǎn)物是不相同的。β-甘露聚糖酶水解底物的方式和深度主要與α-半乳糖殘基和葡萄糖殘基在主鏈中的位置、含量、酯酰化的程度有關(guān)。底物本身的物理狀態(tài)也會(huì)影響酶對(duì)底物的作用，如結(jié)晶狀態(tài)的甘露聚糖不易被降解。甘露聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶作用后，通過 HPLC或紙層析方法分析，主要產(chǎn)物是低聚糖（一般含2~10個(gè)殘基），產(chǎn)物聚合度的大小與酶和底物的來源有關(guān)（McCleary，1988；田新玉等， 1993；楊文博等，1995；Arison-Atac 等，1993），但相對(duì)來說很少或根本不產(chǎn)生單糖（甘露糖）。國內(nèi)外對(duì)來源于不同菌種的β-甘露聚糖酶的生產(chǎn)有所報(bào)道，但多集中在堿性和中性β-甘露聚糖酶方面，而關(guān)于酸性β-甘露聚糖酶的微生物發(fā)酵生產(chǎn)國內(nèi)很少有報(bào)道；而單胃動(dòng)物飼料中使用的β-甘露聚糖酶要求是酸性的，因此，對(duì)酸性β-甘露聚糖酶的研究及進(jìn)行工業(yè)化推廣將在飼料工業(yè)中具有較大的應(yīng)用潛力。
利用分子生物學(xué)手段，可以開發(fā)產(chǎn)酶活性高、適應(yīng)性強(qiáng)的微生物菌種。β-甘露聚糖酶分子生物學(xué)的研究進(jìn)展較快，到目前為止有Rhodothermus marinus（Politz等，2000）、Dictyoglomus thermophilum Rt46B1（Gibbs等，1999）、Aspergillus aculeatus（Christgau等，1994）、Bacillus stearothermophilus（Ethier等，1998）、西紅柿種子（Bewley等，1997）等多種微生物和動(dòng)植物的β-甘露聚糖酶基因先后被克隆和表達(dá)，這些為開發(fā)新的、能滿足飼料工業(yè)需要的產(chǎn)酶菌提供了條件。
4 β－甘露聚糖酶在飼料工業(yè)中的應(yīng)用
4.1 提高日糧能量的利用
最近，在國外進(jìn)行的一些試驗(yàn)研究了β-甘露聚糖酶對(duì)典型玉米—豆粕型肉雞、火雞和豬日糧中能量的利用率的影響情況。其結(jié)果表明，飼喂加酶的低能日糧的肉雞，其生長率和飼料利用率與飼喂不加酶的高能日糧的肉雞相同；在火雞試驗(yàn)中，低能日糧代謝能比高能日糧降低171.38～392.92 kJ/kg，而加酶低能日糧組的飼料利用率顯著優(yōu)于不加酶的高能日糧組，這表明加酶使飼料能量利用率得以改善(Jackson，2001)；在豬的試驗(yàn) 中，日糧能量和酶對(duì)于飼料利用率的有利影響與肉雞試驗(yàn)相同。這些試驗(yàn)結(jié)果表明，β-甘露聚糖酶可提高能量的利用率，具體表現(xiàn)為飼料利用率得到了改善，生長率得到了提高。加酶對(duì)低能日糧能量的補(bǔ)償，肉雞日糧代謝能為597.74 kJ/kg、豬日糧代謝能為418 kJ/kg (Jackson，2001)。Jackson等(1999)在玉米—豆粕型蛋雞日糧中添加β-甘露聚糖酶，結(jié)果顯著增加了蛋的重量，產(chǎn)蛋時(shí)間和總產(chǎn)蛋量也有所提高。在降低了蛋雞日糧的能量水平后，添加酶制劑可以維持蛋雞的生產(chǎn)性能。
4.2 提高畜禽體重整齊度
動(dòng)物體重的整齊度是衡量生產(chǎn) 性能的重要指標(biāo)，在家禽生產(chǎn)中更是如此。有研究者用肉雞和火雞做的多次試驗(yàn)表明，添加β-甘露聚糖酶顯著降低不同日齡時(shí)體重的變異系數(shù)（Jackson， 2001）。這些研究結(jié)果表明，酶對(duì)飼料利用率和生產(chǎn)率提高的程度，不是僅僅用日糧能量利用率改善就能解釋的。
4.3 促進(jìn)動(dòng)物健康
有研究者用肉雞進(jìn)行了兩項(xiàng)試驗(yàn)來研究在可誘變疾病條件下日糧加酶的效果，其結(jié)果表明，加酶處理顯著改善了感染雞的生產(chǎn)性能，盡管差異不顯著，但加酶和加藥都使死亡率降低到了未感染雞的水平(Jackson，2001)。這些試驗(yàn)表明，β-甘露聚糖酶能通過非去除β-甘露聚糖的途徑來改善雞的健康狀況，這可能是 β-甘露聚糖酶降解β-甘露聚糖的產(chǎn)物(甘露低聚糖)在發(fā)揮作用。因?yàn)楦事兜途厶悄苡行ё柚鼓c道內(nèi)病原菌的繁殖，使有益菌大量增殖，從而提高腸黏膜的免疫力，增強(qiáng)動(dòng)物抵御疾病的能力(楊文博等，1995)。因此，酶在實(shí)際使用中的作用是一個(gè)綜合效果的體現(xiàn)。
4.4 改善豆粕等谷物飼料的營養(yǎng)價(jià)值
豆粕在許多國家都是畜禽的主要蛋白源。豆粕中因含有大量非淀粉多糖，其能量利用率很低（&lt60%）。β-甘露聚糖作為NSP的一種成分，在豆粕中含量較高，這一成分對(duì)豬和家禽具有若干不良作用，包括減少葡萄糖、脂肪、水和氨基酸等在腸道的吸收。許多研究結(jié)果都表明，β-甘露聚糖酶能減少β-甘露聚糖對(duì)畜禽的抗?fàn)I養(yǎng)作用，如降解β-甘露聚糖為低聚糖，提高豆粕的能量利用率等。β-甘露聚糖酶已被證實(shí)能提高玉米—豆粕型日糧的飼料轉(zhuǎn)化率，并促進(jìn)肉雞及火雞的日增重和飼料利用率，提高蛋雞的生產(chǎn)性能（Jackson，2001）。
5 結(jié)語
外源酶對(duì)植物性蛋白飼料的作用效果，許多試驗(yàn)得出的結(jié)果并不一致。對(duì)這些觀察結(jié)果有許多不同的解釋。因?yàn)橛绊懨钢苿┳饔眯Ч囊蛩靥啵貏e是要準(zhǔn)確地評(píng)定酶制劑在全價(jià)日糧中對(duì)特定底物的作用效果是很困難的。很多試驗(yàn)結(jié)果都表明，復(fù)合酶制劑的效果要優(yōu)于單一酶制劑的效果，因此，進(jìn)一步了解不同酶制劑之間的互作，尤其是碳水化合物酶，如纖維素酶、NSP 酶（木聚糖酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶等）、植酸酶和蛋白酶之間的關(guān)系，使得人們能在不同的日糧底物和飼養(yǎng)環(huán)境下均能獲得最大的投入產(chǎn)出比是以后研究復(fù)合酶制劑的方向之一。
另外，一些酶的降解產(chǎn)物，如甘露聚糖酶水解甘露聚糖的產(chǎn)物——低聚甘露糖，其本身并不能被動(dòng)物利用，但它能抑制病原菌的定植，從而促進(jìn)后腸道有益菌的大量增殖。因此，我們有必要更好地了解酶制劑在調(diào)控腸道微生物平衡中的潛在作用。今后的動(dòng)物生產(chǎn)體系肯定是不能完全依賴預(yù)防和治療藥物的，這將為酶制劑與其它添加劑的協(xié)同作用提供參考依據(jù)。