朱崇

（南京农业大学动物科技学院，江苏南京  210095）

中国分类号：S816.5+1  文献标识码：A  文章编号：1004-0084（2002）09-12-03

    目前，利用纤维素酶降解饲料中的纤维素，从而提高饲料利用率，开发饲料新资源，已引起了国内外营养学家的广泛关注。为此，本文就饲用纤维素酶的种类、开发和生产、测定方法、应用效果及其存在问题和发展前景作一综述。

1饲料中纤维素的结构与特点

   纤维素是D-脱水葡萄糖以β-l，4糖苷键结合而成的线性大分子物质。每分子纤维素含800～1200个葡萄糖分子，分子量为60～150万道尔顿，分子链内、键间及分子链与表面分子间易形成氢键。

常见的畜禽饲料如谷物、豆类、麦类及牧草都含有大量纤维素，并且常与半纤维素、果胶等物质结合在一起。除反刍动物可以利用一部分纤维素外，单胃动物如猪、鸡等则不能利用纤维素。

2  纤维素酶的种类

   纤维素酶是由多种水解酶组成的一个复杂酶系，根据其各酶功能的差异，被分为以下三大类：C1酶、CX酶、BG酶。

    C1酶又称葡聚糖内切酶（endo-1，4-β-D-glucanase  E．C3．2．1．4，来自真菌简称EG；来自细菌简称Len），它作用于不溶性纤维素表面，随机水解β-l，4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量非还原性末端的小分子纤维素；②Cx酶又称葡聚糖外切酶（exo-l，4-β-D-gluCanaseE.C3．2．l．91，来自真菌简称Cbh；来自细菌简称Cex），作用于纤维素线性分子末端，水解β-l，4糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子，故又称纤维二糖水解酶（Cellobiohydrolase）；③BG酶（β-葡萄糖苷酶）可将纤维二糖、纤维三糖水解成葡萄糖分子。纤维素在这3类酶的协同作用下完成水解，一般情况下，其酶促降解示意图如下：（图略）

3  纤维素酶的开发和生产

   纤维素酶主要来源于绿色木霉、里氏木霉、根霉、青霉、病吸霉菌、真菌等。其生产工艺和大多数酶一样，主要包括菌株选育。发酵培养及酶提取阶段。

3．1  菌株选育

    菌株选育是纤维素酶生产的基础性工作，国内外许多专家对此进行了大量研究。陈侠甫、王景林等（1994）采用野生康氏木霉（Trichoderma koningii）和黑曲霉（Aspergillus niger）为出发菌，经多种物理化学处理方法，获得两株形态明显改变、酶活性显著提高的变异菌株。一株为康氏木霉NN－15B7株，其固体培养物的滤纸糖活性（FPA）为34U／g，羧甲基纤维素酶（CMCase）活性为1472U／g，β-葡萄糖苷酶活性为29U／g，分别较出发菌株提高了5. 9、7.6和4.2倍；另一株为黑曲霉XX－15，其固体培养物FPA为19U／g，CMCase活性为453U／g，β-葡萄糖苷酶活性为154U／g，分别较出发菌株提高了2.2、2.8和4.l倍。

    纤维素酶菌菌种易退化，退化后其产酶力明显降低，其原因可能有3个方面：经诱变筛选的菌种发生回复突变；自然负突变；菌种长时间低温斜面保藏，会在分生孢子上长出次生菌丝，而次生菌丝所形成的分生孢子生命力弱，这可能是菌种退化的主要原因。选择合适的菌种保藏方法，如用土壤或砂子作为载体的干燥保藏法可减缓菌种退化速度。此外，提供良好的环境条件、定期纯化菌种亦是防止菌种退化的主要措施。

3.2  发酵培养

    发酵方法是影响酶产量的重要因素，发酵条件如培养温度、水分、pH、基质、培养时间等均影响纤维素酶的产量和活力。郭松林（2001）在综述前人研究的基础上指出，对发酵的不同阶段分别进行不同控制，可能会在很大程度上提高酶产量。在发酵过程中，污染菌的控制亦非常重要。目前，在用康氏木霉发酵生产饲用纤维素酶中，普遍存在“白毛菌”的污染，污染后轻者酶活下降，重者发酵失败。在发酵液中加入适当的杀菌剂或抗生素，可抑制“白毛菌”的生长速度。

3.3  酶提取

    当发酵至纤维素酶酶活力最高或发酵产率最大时，应及时停止发酵进行纤维素酶的提取。纤维素酶的提取一般要经过过滤、浓缩、干燥、纯化等过程。纤维素酶和其他蛋白质一样，在外界条件作用下很容易发生变性，所以在提纯过程中应注意温度、pH。盐浓度对其溶解度和活性的影响。

4  饲用纤维素酶活性的测定方法

   纤维素酶的测定方法很多，美国全国饲料协会（FNIA）介绍了以下两种方法：

   羟甲基纤维素酶酶活测定法。该分析方法能对2种或更多种酶制剂的“纤维素酶活性”进行精确的比较。纤维素酶活性被定义为在分析条件下，能使羧甲基纤维素发生降解的活性。当用纤维素酶培养时，羧甲基纤维素溶液的部度迅速降低。在进行控制的实验条件下（温度、pH等），任何酶达到某一新度降低值所需要的时间与酶的效力成反比。黏度降低速率近似为对数函数关系，这种近似对于黏度降低曲线上的限定部分（允许范围）是比较理想的。该分析方法先用标准纤维素酶制标准曲线，经过几次加热培养后来测定黏度降低的程度。将允许范围内的数值标注到半对数坐标纸上，得到一直线。当在同一条件下用新鲜底物加热培养某一活性所产生的黏度减低时，可通过黏度减低值来计算“相对纤维素酶活性”。相对纤维素酶活性被定义为Ts／Tu，TS为标准品的加热培养时间，Tu为未知酶的加热培养时间，此时标准品所产生的新度减低与未知酶所产生的粘度减低相同；②滤纸纤维素酶活性分析法。一个滤纸活性单位（FPU）是以在特定条件下，在1分钟内释放出lμmol的还原糖（葡萄糖当量）来表示。

5  饲用纤维素酶的应用

   饲用纤维素酶对于反刍动物来说，可以补充体内微生物形成纤维素酶的不足，促进胃肠道有益微生物生长，提高饲料利用率。对于单胃动物来说，可以降低可溶性非淀粉多糖在食糜中产生的部性，促进内源酶扩散，改善消化道环境，上述纤维素酶功能已为国内外许多研究所证明。

5.1  在反刍动物生产中的应用

   尹清强等（1991）在荷斯坦奶牛日粮中添加纤维素酶50g／头·日，结果其产奶量提高8.9％，饲料转化率提高10.0％。陈侠甫、王景林等（1994）在奶牛日粮中添加纤维素酶亦有类似报道。Beau－chemin等（1995）报道，在去势牛日粮中添加含纤维素酶的复合酶，提高了纤维素消化率和生长速度。尹清强等（1991）添加30g／头·日纤维素酶到绵羊日粮中，使处于牧草丰盛期和枯期的绵羊日增重分别提高5.41％和4.91％，同时使羊毛产量提高5.04％。

5.2  在单胃动物生产中的应用

    Grujic等（2000）报道，在仔猪基础日粮中添加复合纤维素酶，饲料转化率提高2.66％。但饲用纤维素酶对于肥育猪的饲喂效果却颇有争议，尹清强等（1992）在生长肥育猪基础日粮中添加0.6％和1.2％的复合纤维素酶，结果其增重比对照组分别提高16.84％和21．86％，而Thacker（2001）报道，在以大麦为基础的肥有猪日粮中添加0.l％的复合纤维素酶，其增重、饲料转化率没有得到改善，但其腰部瘦肉厚度显著提高（P＝0.01）。由此可见，饲用纤维素酶对于肥育猪的饲喂效果可能与基础日粮有关，尚需进一步研究。徐奇友（1998）在蛋鸡日粮中分别添加 0.l％、0.15％、0.5％水平的纤维素酶，结果表明，0.5％组在6～13周的饲料转化率提高2.7％ ；在14～20周的饲料转化率提高2．46％，鸡蛋破壳率降低16．19％，蛋壳强度提高8．4％。秦江帆等（1995）在肉仔鸡日粮中提高富含纤维素的麦麸比例，添加0.05％、0．l％水平的纤维素酶，0．l％组的鸡在1～2周、3～6周、7～8周3个生长阶段日增重分别提高4.31、4．54％、4．13％，料重比分别降低l．56％、45％、4．3％，其中0.05％组在7～8周与0.1％组相比差异极显著，该结果表明，在不同的饲养阶段添加纤维素酶，其饲喂效果表现不一。此外，其它报道还表明，饲料中添加纤维素酶有助于改善马、鹿等动物胃肠道内环境，减少后肠中病原菌繁殖，从而提高食欲和体质。

6  饲用纤维素酶存在问题及发展前景
   综上可知，尽管纤维素酶在饲料业中已显示出良好的应用前景，但尚存在许多问题：①目前，对于饲用纤维素酶的应用研究很多，基础理论研究却很少有人问津。纤维素酶与基础日粮及其他酶类的互作关系、在消化道内的作用模式、对于生理及内分泌的影响等尚需进一步研究；②纤维素酶是一种微生物制剂，菌种选育、发酵工艺、储存保管等过程均会影响其活性。目前，纤维素酶成本高，产量低，活性和稳定性亦不理想。纤维素酶生产技术需进一步改进，以便生产出高活性、低成本、耐受热处理及低pH值、贮存寿命长的纤维素酶；③纤维素酶的检测方法很多，但真正适合饲料中纤维素酶的方法却不多。因饲料中的还原糖浓度与酶产生的还原糖浓度相互关联。即使对同一种产品，在给定的方法内，因底物的纯度、分析条件和技术的差异，不同实验室所测纤维素酶活性不同，因此，建立一种检测饲用纤维素酶活性的标准方法，是饲料工业发展的迫切需求；④由于纤维素酶的作用机制尚不清楚，其添加量从理论上很难确定，只能根据试验结果来定。养殖者对于不同厂家的纤维素酶、不同饲粮类型、不同动物品种无法采取准确的添加方式和添加量，这都严重制约着纤维素酶的推广应用。

    基于以上问题，相关研究机构应该加强饲用纤维素酶的基础理论研究；纤维素酶产量、活性和稳定性的提高可以通过固化酶、基因重组、纤维素酶蛋白分子的改造等技术来完成；监督机构、酶生产厂家、饲料工业和研究单位应联合起来制订一种分析饲用纤维素酶活性的标准方法，使畜牧生产者可测定添加到日粮中的酶活性及日粮经各种加工后的酶活性，并以此来决定纤维素酶的添加方式和添加量。随着科学研究的进步和畜牧业的发展，我们相信，饲用纤维素酶必将在畜牧业方面带来更高的经济效益和社会效益。