木聚糖酶在畜禽生產上的應用

mche2005

木聚糖酶在畜禽生產上的應用
如何合理利用麥類及雜粕類等非常規飼料原料來降低養殖成本,已成為近年國內動物營養與飼料科學領域的一個研究熱點。 但非常規飼料原料小麥和雜粕中含有的阿拉伯木聚糖等抗營養因子難于被單胃動物消化吸收,使谷物籽實中的營養物質不能被充分暴露于動物消化液的表面,并能使消化道食糜粘度增加,導致飼糧養分消化率和飼養效果降低,從而制約了麥類飼料的大量應用。 經研究者發現, 綠色、 無殘留木聚糖酶的添加可將木聚糖降解成低聚糖和木糖,提高谷物類飼料養分的利用率,提高畜禽的生產性能,具有很好的社會效益和經濟效益。
1 木聚糖的分布和結構
阿拉伯木聚糖(Arabinoxylan)是一種多聚五碳糖,在植物細胞壁中的含量僅次于纖維素, 約占細胞干重的 7%～ 35%,在小麥中的含量高達 48%。它存在于陸生植物的細胞壁中, 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、 少數己糖和己糖醛酸等取代基與木糖殘基 C- 2 或者 C- 3 發生取代反應。
木聚糖的水溶性和持水性由分子的大小和結構決定。大多數木聚糖的溶解性都很差,但是當木聚糖的側鏈發生阿拉伯糖取代時, 增加了木聚糖分子與水的接觸面積, 就會使阿拉伯木聚糖的水溶性大大增加,其抗營養作用就更為突出。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 木聚糖酶的來源、 結構和酶學性質
木聚糖酶的酶源在自然界分布廣泛而且相當豐富,在海洋及陸地細菌、 海洋藻類、 真菌和酵母以及反芻動物瘤胃、 蝸牛、 甲殼動物、 陸地植物組織和各種無脊椎動物中都存在。 目前在飼料工業中使用的酶制劑基本上是由微生物發酵生產的。在分子水平上, 木聚糖酶由功能或非功能結構域和連接區組成, 功能結構域又可進一步分為催化結構域和纖維素結合結構域( Cellulose Binding Domain,CBD)。木聚糖酶的催化結構域決定酶的水解特性, 并作為該酶分類的基礎。 木聚糖酶的氨基酸組成在數量上變化很大, 但其催化結構域趨向一致。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末端分別有一個半胱氨酸;②除甘氨酸、 天冬氨酸之外,還含有 4 個高度保守的色氨酸殘基;③帶電荷氨基酸的含量較少。非功能構域主要是連接序列, 連接區連接在催化結構域和 CBD之間, 并賦予了蛋白質結構的柔韌性。 此序列的長度變化很大, 為 6～ 59 個氨基酸。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。根據酶的來源不同, 連接區的序列長度和它們所含有的脯氨酸和帶羥基的氨基酸數量都不同。
木聚糖酶類主要包括 3 類: ①內切-β - 1,4- 木聚糖酶, 從木聚糖主鏈的內部切割 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鍵的酶;②外切-β - 1,4- 木聚糖酶,以單個木糖為切割單位作用于木聚糖的非還原性末端,使反應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 發酵啤酒糟生產的木聚糖酶最適反應溫度為 55 ℃, 溫度適應性較寬,在 30~60 ℃范圍內相對酶活力都在 85%以上;最適反應 pH 值為 4.6~5.0;該粗酶粉熱穩定性良好。 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,說明此酶可耐受飼料制粒過程中的 80 ℃、 30 s 的熱處理, 是一種較為理想的飼用酶制劑。王愛娜等研究報道, 嗜熱毛殼菌木聚糖酶在 40~60 ℃表現較高的水平, 實驗室條件下的100 ℃以內的加熱不會導致酶活性的嚴重損失。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, 結果表明, 來自枯草桿菌的細菌性木聚糖酶的水解效率最高, 能高效降解底物, 而且細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物的胃腸道中發揮作用。
張曉暉等運用平板初篩和發酵復篩的方法, 從 6 株斜面保存菌中, 篩選出 3 株產木聚糖酶的菌種: 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 產木聚糖酶活力最高, 達 40.781 52 U/ml, 并對其酶學性質進行了初步研究, 得到其反應的最適溫度為 60 ℃和最適 pH 值 5.6。
3 木聚糖酶的理化性質
木聚糖酶的來源不同,組成和性質也因此不同,但它們的理化性質有很多相似性。通常分子量為 8～ 145 kD,等電點一般 3～ 10, 在 pH 值 3～ 10 時穩定, 反應的最適 pH 值范圍 4～ 7, 在 pH 值 2.5～ 12 內能保持 85%的酶活性; 它的最適溫度為 40～ 60 ℃, 60 ℃時酶活性保持在 80%, 以后隨溫度升高而下降。一般細菌所產木聚糖酶比真菌所產木聚糖酶熱穩定性好, 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。
4 木聚糖酶的營養生理功能
破壞植物細胞壁,釋放被束縛的營養物質,提高養分和能量的利用率;提高內源消化酶的活性,促進養分的消化吸收,也能克服幼年動物由于內源酶不足而引起的消化不良;酶水解產物低聚木糖和木糖能增加腸道內有益菌的數量,降低畜禽腹瀉率, 增強體質健康,減少排泄物及對環境的污染;降低腸道內容物的粘度,提高飼料轉化率, 促進畜禽的生長;畜禽日糧中的蛋白質在酶制劑的作用下產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中的應用
5.1 提高畜禽生產性能    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容物粘性, 提高增重和采食量與飼料轉化率。張輝華等研究報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照組(P<0.05);料重比顯著低于對照組( 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,添加量超過一定水平, 生長性能并未有上升的趨勢。
     王金全研究表明日糧小麥水平越高, 肉雞的生產性能越差( 1～ 42 日齡) , 添加木聚糖酶后, 可以抵消小麥的抗營養作用。 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化率分別比對照組提高了 23.32%和 7.25%, 差異均顯著( P<0.05)。廖細古等研究報道, 在肉鴨玉米-豆粕-雜粕型日糧基礎上添加 250 g/t 和 500 g/t 的木聚糖酶, 可以使整個階段肉鴨生長增重比對照組提高 2.77%和 4.96%; 料重比下降 1.85%和 2.11%。
5.2 提高營養物質利用率
徐駿等研究報道, 在低蛋白水平日糧中通過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速度與正常水平相同甚至略有超過。 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時達到最大; 而后加大酶的用量,養分消化率沒有進一步的提高。
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%。廖細古等研究報道, 在玉米- 豆粕- 雜粕型日糧基礎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,對整個階段肉鴨的生產性能都有所提高。何麗霞等研究表明, 添加木聚糖酶對提高家禽飼料的能值有較好的效果。 在能量飼料原料中,主要成分為細菌性內切酶的酶 A, 其木聚糖酶的代謝能當量值在 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量值在 ME 240.27～ 0.53 MJ/kg之間。 在產蛋雞日糧中,酶 A的代謝能當量值在 ME 0.21～ 0.38 MJ/kg之間,酶 B的代謝能當量值在 ME 0.25～ 0.45 MJ/kg之間。
5.4 對小腸食靡和小腸絨毛組織形態的影響
木聚糖酶使食糜在整個腸道的停留時間縮短,一方面加快了食糜的排空速度, 減少了營養成分積累, 有利于養分在小腸的吸收擴散, 提高營養物質的總消化率; 另一方面降低了由于養分積累而滋生的有害微生物種類和數量, 從而減少動物疾病的發生,對動物的健康有利。
Danicke( 1999)也曾報道黑麥添加木聚糖酶飼喂仔雞, 食糜在腸道停留時間比對照組縮短了 1 h。汪祖榮( 2005)研究的木聚糖酶使食糜在肉雞整個消化道排空速率加快。王佳麗等研究報道, 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 對消化器官指數的影響
楊桂芹等研究報道,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( P>0.05) , 添加0.3%木聚糖酶能降低空回腸及盲腸指數( P>0.05) ; 添加 0.1%和 0.2%木聚糖酶能降低肝臟指數( P>0.05) ;添加 0.3%木聚糖酶時能降低胰腺指數( P>0.05)。王金全等研究報道, 肉仔雞小麥基礎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重量( P>0.05)。
5.6 提高動物機體免疫力和體質健康
王金全等研究報道, 肉仔雞小麥基礎日糧添加木聚糖酶后, 肉仔雞的脾臟、 胸腺和法氏囊的相對重量均提高(P>0.05),死淘率下降 60%(P<0.05)。 添加木聚糖酶對 T3、 GH、 INS激素水平表現出增高趨勢( 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, 胰島素(INS)含量卻略有下降, 木聚糖酶可以通過影響仔豬代謝和免疫而促進仔豬生長。
5.7 對消化道酶活的影響
楊桂芹等研究報道, 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%時比小麥對照組高出 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%時比小麥對照組高出 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 存放時間對木聚糖酶活性的影響
    各種料型中木聚糖酶的活性都隨時間的延長而逐漸降低。沈明泉等對不同儲存條件對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 酶中木聚糖酶的質量不高,其酶活易損失。且木聚糖酶的活力在儲存的第 20 d 到第 30 d的損失相對較大, 而在第 30 d 到第 40 d, 其活力損失相對較小。
6.2 制粒過程對木聚糖酶活性的影響
     現在顆粒料制粒過程中有一個短暫的 75～ 93 ℃高溫過程, 多數木聚糖酶在此高溫下會大幅度地喪失活性。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) , 不同制粒時間, 酶活性損失率差異顯著( P<0.05)。所以對酶制劑采用包被處理可以提高其穩定性。
6.3 不同料型對木聚糖酶活性的影響
     王愛娜等研究報道, 將嗜熱毛殼菌纖維酶加入預混合飼料、 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,預混合飼料對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)。
     不同的動物, 其胃腸道中的溫度以及 pH 值環境是存在差異的, 作為飼料添加劑添加到飼料中的木聚糖酶, 要能夠耐受動物胃腸道中的環境, 才能發揮其應有的功效。豬的消化道溫度為 40 ℃,小腸 pH 值為5~7;雞的體溫為 41 ℃,腺胃至結腸內容物的 pH 值為2~7。 這與黑曲霉 An54- 3 所產木聚糖酶的酶學特性參數基本相吻合,因而將其用作飼料添加劑可發揮較高的活力。
6.5 金屬離子對木聚糖酶活性的影響
      趙玉蓉等試驗結果表明, 除 Na+和 Ca2+對木聚糖酶具有激活作用以及磷酸二氫鉀和碘化鉀對其酶活基本無影響外, 其它金屬離子對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,木聚糖酶失活現象越來越嚴重,可高達 64.09%。另外,Mg2+、 Mn2+、 Zn2+、 Fe3+對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。 王俊麗等研究表明, 不同水平梯度的離子組合對木聚糖酶活性有顯著的影響。由于木聚糖酶來源不同,無機離子對其活性的影響情況也不盡相同。不同種類無機離子、 不同濃度的同種無機離子對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出激活或抑制作用,不同離子之間還存在著互作效應。因此,在實際生產中還應考慮各種離子的綜合影響。
6.6 木聚糖酶的穩定性
      穩定性對酶制劑特別是飼用酶制劑至關重要, 是影響酶制劑使用效果的關鍵因素。 細菌來源的木聚糖酶中普遍含有增加熱穩定性的結構域, 與其中的催化結構域緊密連結在一起, 在熱穩定性上要好于來自真菌的木聚糖酶。
6.7 飼用酶制劑性質
     酶制劑來源不同, 最適溫度和最適 pH 值等條件也就不同。 此外不同菌株所產的酶, 其耐高溫加工、 耐酸堿處理能力不同, 因而在生產中應用的效果不同。
7 小結
     隨著生態畜牧業的發展, 飼用酶制劑作為一種無毒、 無害、 無殘留的綠色添加劑, 在飼料工業和養殖業中得到越來越廣泛的應用。目前玉米作為飼料原料供應日趨緊張, 制約了飼料工業及養殖業的持續發展, 而小麥則在某些地區出現積壓趨勢, 因此將小麥作為飼料原料開發利用具有一定的經濟效益和社會效益。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出來, 蛋白質工程技術、 定點突變技術二硫鍵的引入以及蛋白質體外定向進化技術等生物技術手段的運用, 對改造木聚糖酶的特性, 使酶的活性、 適應性、 抗逆性增強, 實現低成本、 產業化的商品生產。

虛竹

現在木聚糖酶的應用還是比較普遍的

renato

哪位高手有使用木聚糖酶的心得嗎？