轉貼：飼用β-甘露聚糖酶的研究及應用

小馬哥

作者:李富偉 周響艷 馮定遠   飼料工業   期號：2006年第22期

近年來，飼料酶制劑作為一種綠色飼料添加劑，在飼料工業和養殖行業中得到了普遍重視并廣泛應用。例如，在以小麥為基礎的日糧中添加木聚糖酶，在以大麥為基礎 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-葡聚糖等導致的抗營養作用，提高日糧的消化率，進而提高動物的生產性 能；應用植酸酶來消除飼料中植酸的抗營養作用，節約磷酸氫鈣，并減輕磷的排放所帶來的環境污染等。但是，目前酶制劑在以玉米、豆粕為基礎的單胃動物日糧中 的應用還非常有限。盡管單胃動物對玉米的消化率較高，但對豆粕的能量利用率僅為50%～60%，單胃動物對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值（汪 儆，1996）。β-甘露聚糖是非淀粉多糖中的一種，具有較強的抗營養作用。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。多數試 驗研究表明，在玉米—豆粕型日糧中添加β-甘露聚糖酶可以提高動物的生產性能和健康水平。
1 β-甘露聚糖的抗營養作用
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)。這些物質構成了植物半纖維素的第二大組分。大多 數陸生植物細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）。單胃動物腸道中不能分泌相關酶，因而β-甘露聚糖及其衍生物不能被消化酶分解，從而對動物生產性能造成負面影響。β-甘露聚糖對單胃動物的抗 營養作用表現在以下幾個方面：
① β-甘露聚糖及其衍生物在單胃動物的消化道內溶于水后形成凝膠狀，使消化道內容物具有較強的粘性。食糜黏性的提高，一方面減少了動物消化酶與飼料中各種營 養物質的接觸機會，同時使已經消化了的養分向小腸壁的擴散速度減慢，降低了已經消化養分的吸收；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境。
② β-甘露聚糖具有高的持水活性，可通過其網狀結構吸收超過自身重量數倍的水分，改變其物理特性，抵制腸道的蠕動，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和多糖蛋白復合物相互作用，導致黏膜表面水層厚度增加，降低了養分的吸收（Johnson等，1981），表面水層厚度是養分吸收的限制因素。
④ β-甘露聚糖是表層帶負電荷的活性物質，在溶液中極易與帶相反電荷的養分物質結合，從而影響養分的吸收；β-甘露聚糖還能吸附Ca2+、Zn2+、Na+ 等金屬離子以及有機質，造成這些物質的代謝受阻（李劍芳等，2004）；β-甘露聚糖與消化酶、膽鹽結合，可降低消化酶的活性，并使膽酸呈束縛狀態，導致 膽固醇等脂類和類酯吸收減少，同時也影響脂類吸收微團的形成，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系相互作用，造成厭氧發酵，產生大量的毒素（生孢梭菌等分泌的），抑制動物的生長；還可造成胃腸功能紊亂。
總之，β-甘露聚糖不僅阻礙了營養物質的消化吸收，還可以導致動物不同程度的腹瀉，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單胃動物各種營養 素的抗營養作用，同時生成的甘露低聚糖在動物腸道中起著重要的調節作用。近年來隨著對自然界半纖維素資源的開發應用，微生物β-甘露聚糖酶的開發和研究進 入了一個新階段。研究表明，在富含β-甘露聚糖的動物飼糧中添加外源β-甘露聚糖酶可以有效消除β-甘露聚糖的抗營養作用，從而提高動物的生長性能 （Jackson，2001）。針對β-甘露聚糖的抗營養作用，β-甘露聚糖酶的作用機理主要表現在以下幾個方面：
① 降低消化道內容物黏度。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，從而降低腸道內容物的黏度，有利于營養物質的進一步消化吸收。
② 破壞植物性飼料細胞壁結構，使營養物質與消化酶充分接觸。植物細胞中淀粉和蛋白質等營養物質被細胞壁包裹，細胞壁是由纖維素、半纖維素、果膠等組成的一種 復雜化合物，單胃動物不能很好地消化這一類物質。飼料中適當地添加能夠分解這類物質的酶，可以破壞飼料中存在的植物細胞壁，使營養物質釋放出來，提高飼料 的營養價值。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胞壁的作用。
③ 改善腸道微生物菌群和保護腸黏膜的完整性。甘露聚糖的降解產物為甘露低聚糖(MOS)，它能減少病原菌在腸道的定植，調節動物的免疫反應，保護腸黏膜的完 整性，顯著地促進動物腸道內以雙歧桿菌(Bifidobacterium)為代表的有益菌的增殖，最終提高動物的生產性能(毛勝勇，2000)。甘露寡糖 作為一種綠色飼料添加劑已經在飼料工業中得到較廣泛的應用，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，第一步是結合在消化道 腸黏膜表面，這種結合是特異性的，其機理為細菌細胞壁表面蛋白，如植物凝血素(lectin)與動物腸道黏膜上皮細胞表面糖脂或糖蛋白的糖殘基結合。但當 腸道內存在一定量的MOS等寡糖時可結合細菌的植物凝血素，而減少了細菌與腸黏膜上皮細胞結合的機會，這樣外源病菌就會被排出體外，根據競爭性排阻作用， 促進有益菌在腸道中增殖。MOS 等類寡糖能促進細胞分泌含甘露糖基的糖蛋白，這些糖蛋白可結合侵入機體的細菌，從而調節機體的多級免疫反應，提高動物對抗疾病的能力。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特性
β- 甘露聚糖酶廣泛存在于自然界中，在一些低等動物（如海洋軟體動物Littorina brevicula）的腸道分泌液中、某些豆類植物（如長角豆、瓜兒豆等）發芽的種子中以及天南星科植物魔芋萌發的球莖中都發現了β－甘露聚糖酶酶活的存 在。而微生物（包括真菌、細菌和放線菌等）則是飼用β－甘露聚糖酶的主要來源，各種微生物產生β－甘露聚糖酶的條件和所產酶活性的高低、酶的性質和作用方 式以及蛋白質一級結構等均有所不同。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，已在工業化生產和理論研究中得到了廣泛的應用。
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）首先報道 了嗜堿性芽孢桿菌Bacillus sp.N16-5產生的3種胞外堿性β－甘露聚糖酶。楊文博（1995）、余紅英（2003）、吳襟（2000）分別對地衣芽孢桿菌Bacillus lichienoformis NK-27產生的堿性β-甘露聚糖酶、枯草芽孢桿菌SA-22產生的中性β-甘露聚糖酶、諾卡氏菌形放線菌Nocardioform actinomycetesNA3-540C產生堿性β-甘露聚糖酶的純化及性質作了報道。在真菌方面，田亞平（1998）、王和平（2003）分別就黑 曲霉WX-96所產的β-甘露聚糖酶、里氏木酶RutC-30所產的酸性β-甘露聚糖酶進行了酶純化和性質研究。國外Ademark（1998）和 Yosida（1997）分別報道了黑曲霉、環狀芽孢桿菌β-甘露聚糖酶的純化和性質。微生物產生的β-甘露聚糖酶為多組分型，這些酶組分可能在分子量或 等電點上有著微小的差別，但在水解甘露聚糖時活性卻明顯不同，存在一定的互補關系，這說明微生物β-甘露聚糖酶的誘導和分泌是一個復雜的代謝調節過程。
不 同來源的β-甘露聚糖酶對不同來源的底物作用深度及其水解產物是不相同的。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。底物本身的物理狀態也會影響酶對底物的作用，如結晶狀態的甘露聚糖不易被降解。甘露聚糖經β-甘露聚糖酶作用后，通過 HPLC或紙層析方法分析，主要產物是低聚糖（一般含2~10個殘基），產物聚合度的大小與酶和底物的來源有關（McCleary，1988；田新玉等， 1993；楊文博等，1995；Arison-Atac 等，1993），但相對來說很少或根本不產生單糖（甘露糖）。國內外對來源于不同菌種的β-甘露聚糖酶的生產有所報道，但多集中在堿性和中性β-甘露聚糖 酶方面，而關于酸性β-甘露聚糖酶的微生物發酵生產國內很少有報道；而單胃動物飼料中使用的β-甘露聚糖酶要求是酸性的，因此，對酸性β-甘露聚糖酶的研 究及進行工業化推廣將在飼料工業中具有較大的應用潛力。
利用分子生物學手段，可以開發產酶活性高、適應性強的微生物菌種。β-甘露聚糖酶分子生物 學的研究進展較快，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）等多種微生物和動植物的β-甘露聚糖酶基因 先后被克隆和表達，這些為開發新的、能滿足飼料工業需要的產酶菌提供了條件。
4 β－甘露聚糖酶在飼料工業中的應用
4.1 提高日糧能量的利用
最 近，在國外進行的一些試驗研究了β-甘露聚糖酶對典型玉米—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 中，日糧能量和酶對于飼料利用率的有利影響與肉雞試驗相同。這些試驗結果表明，β-甘露聚糖酶可提高能量的利用率，具體表現為飼料利用率得到了改善，生長 率得到了提高。加酶對低能日糧能量的補償，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，結果顯著增加了蛋的重量，產蛋時間和總產蛋量 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性能。
4.2 提高畜禽體重整齊度
動物體重的整齊度是衡量生產 性能的重要指標，在家禽生產中更是如此。有研究者用肉雞和火雞做的多次試驗表明，添加β-甘露聚糖酶顯著降低不同日齡時體重的變異系數（Jackson， 2001）。這些研究結果表明，酶對飼料利用率和生產率提高的程度，不是僅僅用日糧能量利用率改善就能解釋的。
4.3 促進動物健康
有研 究者用肉雞進行了兩項試驗來研究在可誘變疾病條件下日糧加酶的效果，其結果表明，加酶處理顯著改善了感染雞的生產性能，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-甘露聚糖的產物(甘露低聚糖)在發揮作用。因為甘露低聚糖能有效阻止腸道內病原菌的繁殖，使有益菌大量增殖，從而提高腸黏膜的免疫 力，增強動物抵御疾病的能力(楊文博等，1995)。因此，酶在實際使用中的作用是一個綜合效果的體現。
4.4 改善豆粕等谷物飼料的營養價值
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。許多研究結果都表明，β-甘露聚糖酶能減少β-甘露 聚糖對畜禽的抗營養作用，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能提高玉米—豆粕型日糧的飼料轉化率，并促進肉雞 及火雞的日增重和飼料利用率，提高蛋雞的生產性能（Jackson，2001）。
5 結語
外源酶對植物性蛋白飼料的作用效果，許多試驗得 出的結果并不一致。對這些觀察結果有許多不同的解釋。因為影響酶制劑作用效果的因素太多，特別是要準確地評定酶制劑在全價日糧中對特定底物的作用效果是很 困難的。很多試驗結果都表明，復合酶制劑的效果要優于單一酶制劑的效果，因此，進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系，使得人們能在不同的日糧底物和飼養環境下均能獲得最大的投入產出比是以后研究復合酶 制劑的方向之一。
另外，一些酶的降解產物，如甘露聚糖酶水解甘露聚糖的產物——低聚甘露糖，其本身并不能被動物利用，但它能抑制病原菌的定植，從 而促進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控腸道微生物平衡中的潛在作用。今后的動物生產體系肯定是不能完全依賴預防和治療藥 物的，這將為酶制劑與其它添加劑的協同作用提供參考依據。

小馬哥

我對這個酶，情有獨鐘的，提供原文下載。

[ 本帖最后由 小馬哥 于 2007-12-11 09:09 編輯 ]

bjinlong

不錯的資料。請問LZ甘露聚糖酶有國標嗎？華芬復合酶中該酶的酶活定義是什么呢？謝謝

sh1945

但是這種多糖在豆粕中含量也不多，使用該酶的效果真的很好嗎？

lw198098

目前很多產家都在用該酶制劑，效果都還挺好，比如正大集團，華港集團都在用。