纤维素酶在奶牛营养中的应用研究

发布时间：2015-03-03 18:03

曹  杰，张德中，陈科杰，蒋宗浩
（河南三色鸽乳业有限公司，河南 南阳  473000）

摘要：纤维素是植物细胞壁的组成成分，也是自然界中最丰富的多糖资源之一。纤维素酶是催化纤维素水解成较小的寡糖或者低聚糖的一种酶，具有高效性和安全性。该文对纤维素酶在奶牛营养和饲料中的作用及其使用中存在的问题和发展前景进行了综述。
关键词：纤维素酶；奶牛营养；应用
中图分类号：S816.7                文献标识码：B                文章编号：1007－273X（２０１３）０7-0067-04

反刍动物特殊的消化系统，决定其可以利用大量的粗饲料，通过瘤胃发酵可提供大约70%～80%的能量需要。纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。为充分利用纤维素资源，目前许多国家已利用微生物发酵法生产纤维素酶来降解纤维素，在技术研究开发方面已初见成效。
纤维素酶是指能催化纤维素水解成较小的寡糖或者低聚糖的一种酶，它通过破坏纤维素内部的糖苷键而起作用，主要由各种细菌和真菌等产生。纤维素酶具有高效性和安全性，是当前开发非常规饲料及提高现有常规饲料资源利用率和提高畜禽生产性能的重要途径之一。
中国是一个农业大国，纤维废弃物数量巨大。据统计，我国每年有农作物秸秆9亿～13亿t，甘蔗渣400多万t，森林采伐加工纤维剩余物1 000多万t［1］。对于反刍动物，粗饲料的有效供给十分重要，虽然只有约50%的纤维素能被其很好地消化利用，但它依然是反刍动物能量的主要来源［2］。开发和利用纤维素作为饲料来源，对解决我国饲料资源紧张具有重大现实意义，也是促进我国畜牧业可持续发展的有效途径。因此，饲用纤维素酶将在未来的动物生产中具有不可低估的作用。
1  粗纤维对反刍动物的作用及提高粗纤维利用率的措施
1.1  粗纤维对反刍动物的作用
     粗纤维是反刍动物的一种必需营养素，对维持动物胃肠道的健康起着重要作用。其主要功能有：提供能量；控制采食量；维持瘤胃正常生理功能；促进胃肠道的消化吸收；维持乳脂率和产奶量。但是粗饲料也存在自身固有的营养缺陷，，容积大、适口性差、采食量低、粗蛋白含量低，总能高但消化能低等。虽然随着作物育种和先进栽培技术的发展，粗饲料在家畜体内的消化率有所提高，但低消化率依然是限制反刍动物能量摄入的主要因素［3］。
1.2  提高粗纤维利用率的措施
    提高粗饲料利用价值的关键在于破坏植物细胞壁，弱化或破坏木质素与纤维素或半纤维素之间的酯键，促进纤维素和半纤维素在瘤胃内的发酵，软化粗饲料，提高其适口性。
    对粗纤维行之有效的加工方法主要有物理、化学和生物学方法。物理方法是将粗饲料切短及粉碎，破坏纤维素的结构，增加其与消化液的接触面积。该方法在提高粗饲料适口性与采食量方面有一定作用，但对提高粗饲料的营养价值作用不大。化学方法是利用化学试剂对粗饲料进行处理，使其内部化学结构发生改变，更易被瘤胃微生物所消化，主要方法有碱化法和氨化法。生物学方法主要是利用酶制剂-复合纤维素酶对粗纤维进行处理，该方法有用量小、可明显提高饲料利用率、安全系数高、使用方法简便等优点，具有广阔的应用前景。
2  纤维素酶的分类及作用
2.1  饲用纤维素酶的分类
    纤维素酶的种类很多，根据功能的差异分为3类，即内切纤维素酶、外切纤维素酶、β-葡萄糖苷酶［4］。①内切纤维素酶（又称内切-β-1,4-葡聚糖酶，羧甲基纤维素酶）。主要作用：在纤维素酶分子内部随机断裂β-1,4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量小分子纤维素，如纤维素糊精、纤维二糖及葡萄糖；②外切纤维素酶（又称外切-β-1,4-葡聚糖酶、微晶纤维素酶或纤维二糖水解酶）。主要作用：可将短链的非还原性末端纤维二糖残基逐个切下。③β-葡萄糖苷酶。主要作用：可将纤维二糖及其他低分子纤维糊精水解成葡萄糖或芳基残基。
    实际上在分解晶体纤维素时任何一种酶都不能单独裂解晶体纤维素，只有这3类酶共同存在、协同作用方能完成水解过程。
2.2  饲用纤维素酶的作用
    反刍动物瘤胃内微生物自身能够合成一定量的纤维素酶，使粗饲料的消化吸收受到一定程度的限制。有研究证实，外源酶在瘤胃和十二指肠内都具有稳定的活性［5］。外源性纤维素酶可以提高纤维素在瘤胃内的消化率，增加可利用能量的摄入［3］。使用酶制剂可以：①打破细胞壁。纤维素是植物体内的重要结构性多糖，是细胞壁的主要组成成分。细胞壁阻碍畜禽体内消化酶与细胞内营养物质的接触，纤维素酶与半纤维素酶、果胶酶等协同作用，可破坏植物的细胞壁，使细胞内营养物质外泄，从而被淀粉酶和蛋白酶等内源酶进一步降解，所以除了细胞壁被降解供能外，还提高了胞内物质的消化率，从而有效地提高了饲料的有效能值。②补充内源酶不足。反刍动物体内虽有一定量的分解纤维素的微生物存在，但其产生的纤维素酶有限。添加纤维素酶可补充内源酶的不足，提高动物对粗纤维的利用率。③消除抗营养因子。日粮中添加纤维素酶后，在半纤维素酶、果胶酶等共同作用下，可将植物性饲料中的纤维素、半纤维素、果胶等大分子物质降解为单糖和寡糖，从而加速内源酶的扩散，增大酶与营养物质的接触面积，提高营养物质的消化率。
3  纤维素酶在奶牛营养与饲料中的作用
    早期，在生产中对反刍动物添加外源性酶制剂的做法并不被人们认可，认为酶蛋白会被瘤胃内的蛋白酶所降解［6］。而后来许多学者的研究结果则反驳了这样的说法。Fontes等［7］报道某木聚糖酶在瘤胃液中非常的稳定。另外，Hristov等［8］报道纤维素酶直接加入瘤胃依然能保持部分活力。
3.1  纤维素酶在奶牛精料中的应用
    Yang等［9］报道，在奶牛泌乳早期的精料中添加纤维素酶和木聚糖酶后其干物质、有机物、粗蛋白质的消化率由63.9%、64.7%、62.7%提高到66.6%、68.4%、67.0%。日产奶量也由35.3 kg提高到37.4 kg（提高了6%）。Hristov等［8］报道在日粮中添加纤维素酶和木聚糖酶，可提高可溶性糖的含量（P＜0.05）和降低中性洗涤纤维的含量（P＜0.05），但对于物质消失率和瘤胃发酵影响较小。Yang等［10］报道在泌乳牛日粮中添加纤维素酶和木聚糖酶不仅提高了有机物质和中性洗涤纤维的消化率，而且微生物蛋白质合成量也相应增加。
3.2  纤维素酶在青贮饲料中的应用
    青贮饲料在我国已成为奶牛日粮中不可缺少的常规组成部分，也是反刍动物日粮中采食量最大的一类饲料。在青贮饲料调制过程中，添加纤维素酶制剂可以加快青贮发酵进程，改善青贮饲料品质，降低青贮饲料中NDF的含量，提高青贮饲料利用率和奶牛生产性能。
Eun等［11］在以青贮玉米和苜蓿干草为主的饲料中使用纤维素酶和木聚糖酶（1.4 mg/g干物质）饲喂奶牛，青贮玉米和苜蓿干草NDF的降解度分别提高到60.3%和20.6%。Kung等［12］在饲草中喷洒纤维素酶和木聚糖酶可以显著提高反刍动物瘤胃内挥发性脂肪酸产量，这与Wallace等［13］的结果相一致。Stokes 等［14］报道在奶牛粗饲料中喷洒纤维素酶可以使干物质采食量提高10.7%，产奶量提高14.7%。Schingoethe等［15］的试验结果表明当奶牛饲喂纤维素酶和木聚糖酶处理后的玉米和苜蓿混合青贮时2～4周后其产奶量提高10.8%，但对泌乳中期奶牛的产奶量影响较小，饲喂加酶青贮和低精粗比（45︰55）日粮的奶牛生产性能和饲喂未加酶青贮和高精粗比日粮（55︰45）相比无显著差异。
4  不同饲料条件和奶牛泌乳阶段对纤维素酶利用效果的影响
4.1  不同饲料条件对纤维素酶利用效果的影响
     酶制剂的不同的饲料条件，如添加在干燥的饲草、新鲜的饲草、青贮饲料中［16,17］或者纤维素酶直接灌注瘤胃、添加在全混合日粮或者精料部分［18,19］添加效果并不相同。还有研究者表明纤维素酶添加在干燥的饲料中比相对湿润的饲料中利用效果更好［16,17］。Rode等［20］和Yang等［10］都报道在精料和干草中添加液体纤维素酶均可提高产奶量，但是在TMR中效果并不明显。Beauchemin等［16］研究提出，干燥的饲料中添加酶制剂可以增强酶与饲料中酶底物的结合力，使酶抵抗瘤胃内蛋白酶水解力增强，从而延长酶在瘤胃内的停留时间。Morgavi等［21］也提出向干燥的饲料喷洒纤维素酶，外源酶和瘤胃微生物酶产生协同作用，可提高粗纤维在瘤胃中的消化率。在瘤胃中，瘤胃微生物与饲料颗粒相结合，各种消化酶作用于各自的酶底物。但在青贮饲料或者TMR等含水量较大的饲料中添加酶制剂，酶与饲料结合不紧密而易被溶入瘤胃液中，并在酶制剂发挥作用之前就随瘤胃液通过瘤胃。因此酶制剂并不能充分发挥其作用［9］。在奶牛精饲料中添加纤维素酶可提高干物质消化率，增加产奶量。但干物质采食量并没有明显增加。而在TMR日粮中添加纤维素酶虽然可以提高饲料有机物和蛋白质消化率，但是对产奶量提高效果并不明显［9］，这与Beauchemin等［16］报道相一致。
4.2  奶牛不同泌乳阶段对纤维素酶利用效果的影响
    Schingoethe等［15］报道对泌乳初期奶牛饲喂纤维素酶处理过的饲草效果较好，而对泌乳中、后期奶牛效果并不明显。Nussio等［22］同样发现纤维素酶对泌乳初期奶牛产奶量有较大的提高。日粮中添加纤维素酶可以提高粗纤维的消化率，增加消化能的摄入，可以减弱能量负平衡对泌乳早期奶牛的影响，增加产奶量［17］。
5  纤维素酶应用中存在的问题
    纤维素酶作为一种新型饲料添加剂，已显示出良好的应用前景。但还是存在以下问题：①缺乏基础理论研究。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添加量问题。外源纤维素酶可以提高瘤胃对粗纤维的消化率，其中酶的用量和活性是关键因素［11］。虽然国内外有关纤维素酶应用的研究报道很多，但添加水平和结论并不一致。对于不同酶活性的产品、不同动物种类、不同生理阶段以及不同饲料品种的适宜添加量尚未明确。③纤维素酶的使用与动物消化生理条件相适应的问题。饲喂纤维素酶对于不同种类、不同发育阶段动物消化酶系的变化及纤维素酶添加后对内源酶活力影响的研究尚不够深入，难以合理地根据动物内源酶状况补充各种纤维素复合酶制剂，以改善纤维素酶单独使用效果不佳的状况。Eun等［11］报道大部分外源纤维素酶都含有纤维素酶和木聚糖酶，但是两种酶之间的比例以及酶制剂对不同的饲草发挥作用的最适条件都还不明确。④稳定性问题。纤维素酶是一种微生物制剂。对温度、湿度、酸、碱等敏感，处理不当易失活，导致饲用效果不稳定。⑤纤维素酶作为新型饲料添加剂进入我国市场时间不长，所以纤维素酶的质量标准、检验方法标准特别是添加纤维素酶以后的饲料产品质量标准在我国还是空白。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。
6  小结
    纤维素酶作为新型饲料添加剂进入我国市场时间不长，近年来的研究结果也表明在奶牛饲料中无论以何种形式添加纤维素酶均可提高饲料利用率，改善粗饲料的营养价值，提高生产性能，降低饲料成本，这是对传统的反刍动物营养理论的一种突破。因此纤维素酶具有广阔的开发应用前景。随着现代生物技术的飞速发展，随着纤维素酶的检测方法、作用机制、酶系组成、耐热性、作用温度、pH和抗蛋白酶水解能力等方面的深入研究，纤维素酶在未来的动物生产中将会起到不可低估的作用。
参考文献：
［1］ 余燕春.加快纤维素资源开发利用的思考［J］.技术经济与管理研究，1999 (4):42-43.
［2］ HATFIELD R D, RALPH J, GRABBER J H. Cell wall structural foundations: Molecular basis for improving forage digestibilities［J］. Crop Sci， 1999,39:27-37.
［3］ BEAUCHEMIN K A, COLOMBATTO D, MORGAVI D P, et al. Use of exogenous fibrolytic enzymes to improve feed utilization by ruminants［J］. J Anim Sci,2003,81(Suppl. 2E):E37-E47.
［4］ 李德发.中国饲料大全［M］.北京：中国农业出版社,2001.
［5］ HRISTOV A N, MCALLISTER T A, CHENG K J. Stability of exogenous polysaccharide degrading emzymes in rumen［J］.Animal Feed Science and Technology,1998,76:161-168.
［6］ KOPECNY J, MAROUNEK M, HOLUB K. Testing the suitability of the addition of Trichoderma viride cellulases to feed rations for ruminants［J］.Zivocisna Vyroba,1987,32:587-592.
［7］ FONTES C M, HALL J, HIRST B H,et al. The resistance of cellulases and zylanases to proteolytic inactivation［J］.Appl Microbiol Biotechnol,1995, 43:52-57.
［8］ HRISTOV A, MCALLISTER T A, CHENG K J. Effect of dietary or abomasal supplementation of exogenous polysaccharide-degrading enzymes on rumen fermentation and nutrient digestibility［J］. J Anim Sci,1998,76:3146-3156.
［9］ YANG W Z, BEAUCHEMIN K A, RODE L M. A comparison of methods of adding fibrolytic enzymes to lactating cow diets［J］. J Dairy Sci, 2000, 83:2512-2520.
［10］ YANG W Z, BEAUCHEMIN K A, RODE L M. Effects of an enzyme feed additive on extent of digestion and milk production of lactating dairy cows［J］. J Dairy Sci,1999,82:391-403.
［11］ EUN J S, BEAUCHEMIN K A, SCHULZE H.Use of exogenous fibrolytic enzymes to enhance in vitro fermentation of alfalfa hay and corn silage［J］. J Dairy Sci， 2007,90(3):1440-1451.
［12］ KUNG L J R, COHEN M A , RODE L M, et al. The effect of fibrolytic enzymes sprayed onto forages and fed in a total mixed ratio to lactating dairy cows［J］. J Dairy Sci,2002, 85(9):2396-2402
［13］ WALLACE R J, WALLACE S J A, MCKAIN N, et al. Influence of supplementary fibrolytic enzymes on the fermentation of corn and grass silages by mixed ruminal microorganisms invitro［J］. J Anim Sci,2001,79:1905-1916.
［14］ STOKES M, ZHENG S. The use of carbohydrase enzymes as feed additives for early lactation cows［A］. Chicago: 23rd Biennial Conf Rumen Function, II［C］.1995. 35.
［15］ SCHINGOETHE D J, STEGEMAN G A, TREACHER R J.Response of lactating dairy cows to a cellulase and xylanase enzyme mixture applied to forages at the time of feeding［J］.Journal of Dairy Science, 1999,82(5):996-1003.
［16］ BEAUCHEMIN K A, RODE L M, SEWALT V J H. Fibrolytic enzymes increase fiber digestibility and growth rate of steers fed dry forages［J］. Can J Anim Sci, 1995,75:641-644.
［17］ FENG P, HUNT C W, PRITCHARD G T, et al. Effect of enzyme preparations on in situ and in vitro degradation and in vivo digestive characteristics of mature cool-season grass forage in beef steers［J］. J Anim Sci, 1996,74:1349-1357.
［18］ BEAUCHEMIN K A, YANG W Z, RODE L M. Effect of grain source and enzyme additive on site and extent of nutrient digestion in dairy cows［J］. J Dairy Sci,1999,82:378-390.
［19］ LEWIS G E, SANCHEZ W K, HUNT C W, et al. Effect of  direct-fed fibrolytic enzymes on the lactational performance of dairy cows［J］.J Dairy Sci,1999, 82:611-617.
［20］ RODE L M, YANG W Z, BEAUCHEMIN K A. Fibrolytic enzyme supplements for dairy cows in early lactation［J］. J Dairy Sci,1999,82:2121-2126.
［21］ MORGAVI D P, BEAUCHEMIN K A, NSEREKO V L, et al. Synergy between ruminal fibrolytic enzymes and enzymes from Trichoderma longibrachiatum［J］. J Dairy Sci,2000,83:1310-1321.
［22］ NUSSIO L G, HUBER J T, THEURER C B,et al. Influence of a cellulase/xylanase complex (C/X) on lactational performance of dairy cows fed alfalfa hay based diets［J］. J Dairy Sci,1997,80 (S1):220.

COPYRIGHT © 2011 版权所有：湖北省畜牧兽医

本文编号：16206