纖維素酶對奶牛營養影響的研究

纖維素是地球上最豐富的可再生的生物質（biomass）資源。據報道，全球每年通過光合作用產生的纖維素高達1 000億噸以上[1]，但被利用的極少。當前, 飼料原料資源的嚴重匱乏阻礙了我國畜牧業的發展, 如何提高飼料原料的消化利用率, 盡早解決畜牧業發展中所存在的人畜爭糧的問題, 已經成為業內科研工作者正在積極研究的重要課題。因此,成功開發這一潛在飼料資源顯得尤為迫切和重要。
1 纖維素酶的種類
1.1 葡聚糖內切酶（endo-1,4-β-D-glucanase E.C 3.2.1.4，來自真菌簡稱EG，來自細菌簡稱Len），又稱為C1酶，這類酶作用于纖維素內部的非結晶區，隨機水解β－1，4－糖苷鍵，將長鏈纖維素分子截短，產生大量帶非還原性末端的小分子纖維素。葡聚糖內切酶分子量介于23～146之間，如真菌的異構酶EGI為54，EGⅢ約為49.8，而纖維粘菌EG有兩種菌的內切酶分子量只有6.3。
1.2 葡聚糖外切酶（exo-1,4-β-D-glucanase E.C 3.2.1.91，來自真菌簡稱CBH,來自細菌簡稱Cex），又稱為Cx酶，這類酶作用于纖維素線狀分子末端，水解1，4－β－D糖苷鍵，每次切下一個纖維二糖分子，故又稱為纖維二糖水解酶（Cellobiohydrolase簡稱CBH），外切酶的分子量介于38～118之間，如木霉的CBH有兩種異構酶，CBHI分子量約為66，CBHⅡ約為53。
1.3 β-葡萄糖苷酶（β-Glucosidase,E.C 3.2.1.21，簡稱BG）這類酶一般將纖維二糖或纖維寡糖水解成葡萄糖分子，一般不直接作用于纖維素分子，β－葡萄糖苷酶分子量約為76[2,3]。
2 纖維素酶的營養作用
在動物飼料中添加纖維素酶的作用機制在于：①它可打破植物細胞壁使胞內原生質暴露出來，由內源酶進一步降解，所以除了細胞壁被降解供能外，還提高了胞內物質的消化率，從而有效地提高了飼料的有效能值；②可補充草食動物內源酶的不足。在草食動物胃中雖有一定量的能分解纖維素的微生物存在，可以分解一定量的纖維素，但產生的纖維素酶量有限，而添加纖維素酶制劑可明顯提高草食動物對粗纖維的消化利用率。另外，對單胃動物而言，纖維素酶可改善消化道環境，使酸度增加，以激活胃蛋白酶。消化酶不足可能與酶產量低，各種應激(如斷奶、接種疫苗和環境應激)的產生有關，外源酶可以補充幼齡動物消化酶的不足[4]；③消除抗營養因子。果膠、半纖維素、葡聚糖和戊聚糖部分溶解在水中產生粘性，增加了動物胃腸道內容物的粘度，對內源酶而言是一個物理障礙，導致飼料消化吸收利用率降低，同時粘稠的消化道內容物容易引起有害微生物的滋生，增加胃腸疾病的發生率。而添加纖維素酶可降低粘稠度，促進內源酶的擴散,增強養分的消化吸收，增大腸道內容物的流動性，有效降低有害微生物附著滋生的可能性[5]；④飼用纖維素酶之所以具有提高畜禽體增重、降低料肉比的功效，還因為纖維素酶制劑本身是一種由蛋白酶、淀粉酶、果膠酶和纖維素酶等組成的多酶復合物。在這種多酶復合體系中一種酶的產物可以成為另一種酶的底物,從而使消化道內的消化作用得以順利進行。也就是說纖維素酶除直接降解纖維素,促進其分解為易被動物所消化吸收的低分子化合物外,還和其它酶共同作用提高畜禽對飼料營養物質的分解和消化；⑤ 纖維素酶還具有維持小腸絨毛形態完整、促進營養物質吸收的功能[6]。
3 國內外對纖維素酶對奶牛營養的研究
3.1 纖維素酶對奶牛精料的影響
許多動物生理學家曾擔心添加外源酶會破壞內源酶或抑制內源酶的產生。研究表明，外源酶的添加不僅不破壞抑制內源酶，而且能幫助和促進動物的消化吸收。
Hristov等(1998)報道在日糧中添加纖維素酶和木聚糖酶，可提高可溶性糖的含量(P<0.05) 和降低中性洗滌纖維的含量(P<0.05)。但對于物質消失率和瘤胃發酵影響較小，且日糧中直接加酶要好于真菌灌注的效果[7]。Rode等（1999）研究結果表明，在奶牛泌乳早期的精料中添加1.3g/kg纖維素酶和木聚糖酶，使干物質、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和粗蛋白的消化率分別由61.7% 、42.5%、31.7%和61.7% 增至69.1%、51.0%、41.9%和69.8%,產奶量也由35.9kg/d增至39.5kg/d，但乳脂率和乳中蛋白的含量略有降低，采食量不受酶影響[8]。Yang（1999） 報道在泌乳牛日糧中添加纖維素酶和木聚糖酶，不但提高了有機物質和中性洗滌纖維的消化率，而且微生物蛋白質合成量也相應增加[9]。劉建昌(2001)在荷斯坦奶牛的配合精料中添加0.1%的纖維素酶制劑， 經過60d的試驗觀察，結果表明添加纖維素酶，每頭牛日平均產奶量提高了14.89%，試驗組每頭牛每日多收入5.41 元，經濟效益顯著[10],與焦平林等的試驗結果一致[13]。劉德海等(2000)在奶牛飼料中添加纖維素酶復合酶53g/h·d,奶牛平均日產奶量提高4.50%(P<0.05),料奶比下降4.32%,對乳成分無影響[11]。呼和等（2001） 在奶牛日糧中添加0.1%以纖維素酶為主的復合酶，奶牛產奶量比試驗前平均增加2.5kg,提高9.47%(P<0.05),試驗組的乳脂率、乳蛋白、乳糖、乳中干物質并不隨產奶量的增加而下降，而略有提高或保持不變，且經濟效益顯著[12]。
大多數試驗表明，在奶牛精料中無論以何種形式添加纖維素酶等非淀粉性多糖酶，均可促進對日糧營養物質的利用。有試驗表明纖維素酶在降低采食量的同時提高產奶量，其主要原因是奶牛的攝食量主要受血液內的揮發性脂肪酸VFA濃度的調節。VFA是纖維素的分解產物。外源纖維素酶增加了瘤胃中VFA的生成量，而瘤胃對VFA的吸收較快，大量的VFA進入血液并隨其濃度的升高反饋性作用于食物調節中樞，導致采食量下降。一般認為奶牛的產奶量和乳脂率呈負相關，而試驗表明在奶牛日糧中添加纖維素酶后，隨著產奶量的上升乳脂率呈上升趨勢。這說明纖維素酶通過提高奶牛血液中的各種營養物質的含量，增強乳腺細胞對各種營養物質的攝取能力，從而維持牛奶中的各種營養物質的含量始終處于平衡狀態。
3.2 纖維素酶對奶牛青貯飼料消化率和奶牛生產性能的影響
青貯飼料在我國已成為奶牛日糧中不可缺少的常規組成部分。在青貯飼料調制過程中，加入適量的纖維素酶制劑可補充青貯飼料中不足的營養成分，使其發酵充分，降低青貯飼料的pH值，形成乳酸菌增殖的適宜環境，抑制其它有害菌類的生長，有目的地調節青貯飼料中微生物活動和生長進程，保證青貯成功，從而達到加快青貯速度，改善青貯飼料品質，提高青貯飼料利用率和奶牛生產性能的目的,纖維素酶制劑已成為當前動物營養學研究的一個熱點。
Sanchei(1996)和Lewis(1999)在青貯或苜蓿草為主的飼料中噴灑纖維素酶和半纖維素酶飼喂奶牛，明顯提高產奶量[14,15]。Kung(2000)通過試驗證明在玉米青貯或以苜蓿草為主的飼料中噴灑液體羧甲基纖維素酶和木聚糖酶可以提高奶牛產奶量，但酶源和酶的用量十分關鍵[16]。Schingoethe(1999)試驗結果表明當奶牛飼喂纖維素酶和木聚糖酶處理后的玉米和苜蓿混合青貯時,2～4周后產奶量提高10.8％并持續整個試驗期，但對泌乳中期奶牛的產奶量影響較小，飼喂加酶青貯和低精粗比（45：55）日糧的奶牛生產性能和飼喂未加酶青貯和高精粗比日糧（55：45）相比無顯著差異，這與Chamber lain(1992)研究結果一致[17,18]。
綜上所述，纖維素酶具有改善大部分青貯飼料品質，提高其營養價值的作用，但如要在生產中充分發揮其作用，在今后的研究中還需進一步研究青貯時青貯飼料的化學變化及微生物存在狀態。
3.3 草料飼喂前添加纖維素酶對泌乳期奶牛的產奶量的影響
在瘤胃微生物區系結構正常的情況下,添加纖維素酶能以幾倍的效率提高粗纖維和其它營養物質的酵解強度,提高消化吸收水平。在瘤胃發生病理變化即微生物區系失去平衡進入腐解過程時,高活性纖維素酶能迅速調整微生物區系結構,恢復平衡關系和正常酵解、吸收、合成過程。
高產奶牛正常情況下平均每天消耗8～11kg富含纖維的草料。反芻動物利用其瘤胃中固有的細菌、原生動物和真菌來消化草料中的纖維，主要是通過這些細菌產生的大量的酶的作用來分解植物細胞壁。Lewis等（1996），Pritchard等（1996），Sanchez等（1996），Lunchini等（1997），Nussio等（1997），Rode等（1999）已經通過試驗證明了添加外源纖維素酶能提高反芻動物對纖維素的消化力，同時反芻動物可利用的能量也增加了[19-24]。Sanchez等（1996），Yang等（1999）分別報道了外源纖維素酶對奶牛產奶量的影響跟所用酶的水平、奶牛的泌乳階段和草料的濕度有關[21,25]。Pritchard等（1996）報道運用纖維素酶和木聚糖酶的混合物比只用纖維素酶更能提高其對纖維素的消化力[20]；Nussio等（1997）研究證明飼喂前1～3d在草料中添加外源纖維素酶跟就在飼喂前片刻添加具有同樣的效果[23]。但是Luchini等（1997）研究證明纖維素酶和木聚糖酶的混合物添加在紫花苜蓿青貯料、紫花苜蓿干草或者紫花苜蓿青貯料、谷物青貯料和紫花苜蓿干草的混合物的時候，并不能提高泌乳期奶牛的產奶量[22]。相反，Kung等（1996）研究報道纖維素酶和木聚糖酶的混合物添加在谷物青貯料中能提高其產奶量，并且牛奶的組成成分不變[26]。Dhiman等（2002）報道了給泌乳早期的奶牛飼喂草料前在草料中添加木聚糖酶和纖維素酶的混合物并沒有影響奶牛的采食量、產奶量、牛奶組成成分，并且與飼喂沒有用此方法處理的草料相比，消耗率是基本相似的[27]。
3.4 纖維素酶對牛奶場處于生長期的小奶牛的消化力的促進作用
瘤胃中的纖維素消化力是反芻動物生產力的一個限制因素，因此，許多科學家已經在研究如何通過控制瘤胃的活動來使反芻動物生產力得到最大限度的發揮。為此，已經有很多市售的纖維素酶用于反芻動物了，這些酶可以有效的提高反芻動物對草料的營養利用率，并能產生更多的代謝能[27，29]。付連勝等(1998)報道在瘤胃功能正常狀態下,成年奶牛及育成牛飼喂纖維素酶5d后,其糞便中氮減少30%,一周后下降70%左右,粗飼料采食量提高8%～10%,尿中尿素含量下降58.9%[30]。Beauchemin等（2000）報道反芻動物對纖維素消化力的提高跟其瘤胃中微生物的數量增多有關[28]。Hristov等（1998）報道纖維素消化力的提高能夠促進瘤胃微生物菌體蛋白的合成[31]。國外學者最新報道了外源纖維素酶能促進小奶牛對纖維素的消化力并能促進其生長[32]。
4 纖維素酶應用中存在的問題與研究展望
纖維素酶作為綠色飼料添加劑，其應用前景非常廣闊，但在目前推廣應用中還存在如下問題：①生產纖維素酶的菌株產量低，成本偏高；②纖維素酶對飼料的作用機理尚未清楚，對不同飼料最佳添加量、添加時間和方式不十分清楚；③全國沒有統一的纖維素酶活性標準與檢測方法，其生物學評價試驗方法不規范。要解決上述問題，必須加強科技投入，加強科研部門間的協作，要加強菌種選育和發酵提取工藝等基礎研究工作，提高產酶活性，降低生產成本，特別注意利用基因重組技術選育高活性株，盡快制定我國統一的纖維素酶質量標準和檢測方法[33]。
近年來國內外的研究結果表明，在奶牛飼料中無論以何種形式添加纖維素酶均可起到改善其生產性能的作用，這是對傳統的反芻動物營養理論的一種突破。隨著生物技術的發展和酶應用技術的深入研究，必將加速纖維素酶在飼料工業中的廣泛應用。

參考文獻
1 David N S. Hou.polymer[J].New,1998, 1(13):134～140
2 Schulein,M..Proteinengineering of cellulases .Biochim.Biophys.Acta.,2000,1543:239～252
3 Sunsan J，Crennell,Gudmundur O.Hreggvidsson .et al. The structure of rhodothermus marinus Cel12A,a highly thermostable family 12 endoglucanase, at 1.8 resolution [J ] .Mol. Biol.,2002,320:883～897
4 David, Hutcheson. Fibrolytic enzyme for beef and dairy cows. Agriculture consulting,2002
5 陳洪章, 馬夢瑞, 王鍵鵬等.纖維素酶在飼料中的應用現狀與展望. 飼料研究, 1995, (3):14～16
6 張勇，陶青燕.纖維素酶的應用進展[J].中國飼料，2002，（4）：17～18
7 Hristov V N. Journal of Animal Science.1998,76(12):3 146～3 156
8 Rode L M. Journal of Dairy Science.1999, 82(10):2 121～2 126
9 Yang W Z.Jouranl of Dairy Science.1999,82(2):391～430
10 劉建昌，林潔榮，蘇水金等.添加纖維素酶制劑對奶牛產奶性能的影響[J].中國畜牧雜志，2001,（3）：31～32
11 劉德海,楊玉華,李新杰等.纖維素復合酶對奶牛的應用效果[J].飼料研究,2000,(5):29
12 呼和,孫海洲,徐桂梅等. 纖維素為主的復合酶對乳牛生產性能的影響[J].飼料博覽,2001,(3):4～5
13 焦平林，蘇輝，吳名樓等.纖維素酶制劑對肉牛及奶牛生產性能的影響[J].中國畜牧雜志,1997，（2）：43～44
14 Sanchei W K.Journal of Dairy Science.1996,79:183
15 Lewis G E.Journal of Dairy Science.1999,82:611～617
16 Kung L.Journal of Dairy Science.2000,83:115～122
17 Schingoethe D J.Journal of Dairy Science.1999,82(5):996～1 003
18 Chanber Lain D G.Animal Feed Science and Technology.1992,37:257～264
19 Lewis, G.E., Hunt, C.W., Sanchez,W.K., Treacher, R., Pritchard, G.T., Feng, P. Effect of direct-fed fibrolytic enzymes on the digestive characteristics of a forage-based diet fed to beef steers. J. Anim. Sci.,1996, 74:3 020～3 028
20 Pritchard, G., Hunt, C., Allen, A., Treacher, R.. Effect of direct-fed fibrolytic enzymes on digestion and growth performance of beef cattle. J. Anim. Sci.,1996, 74(1):296
21 Sanchez, W.K., Hunt, C.W., Guy, M.A., Pritchard, G.T., Swanson, B.I., Warner, T.B., Higgins, J.M.. Effect of fibrolytic enzymes on lactational performance of dairy cows. J. Dairy Sci.,1996, 79(1):183
22 Luchini, N.D., Broderick, G.A., Hefner, D.L., Derosa, R., Reynal, S., Treacher, R., Production response to treating forage with fibrolytic enzymes prior to feeding to lactating cows. J. Dairy Sci., 1997, 80(1):262
23 Nussio, L.G., Huber, J.T., Theurer, C.B., Nussio, C.B., Santos, J., Tarazon, M., Lima-Filho, R.O., Riggs,B., Lamoreaux, M., Treacher, R.J. Influence of a cellulase/xylanase complex (C/X) on lactationalperformance of dairy cows fed alfalfa hay (AH)-based diets. J. Dairy Sci.,1997, 80(1):220
24 Rode, L.M.,Yang,W.Z., Beauchemin, K.A. Fibrolytic enzyme supplements for dairy cows in early lactation.J. Dairy Sci.,1999, 82:2 121～2 126
25 Yang,W.Z., Beauchemin, K.A., Rode, L.M. Effects of an enzyme feed additives on extent of digestion and milk production of lactating dairy cows. J. Dairy Sci.,1999, 82:391～403
26 Kung Jr., L. Direct-fed microbial and enzyme feed additives. In: Muirhead, S. (Ed.), Direct-Fed Microbial, Enzyme and Forage Additives Compendium. The Miller Publishing Company, Minnetonka, MN, USA,1996,15～20
27 T.R.Dhiman,M.S.Zaman,etc.Performance of dairy cows fed forage treated with fibrolytic enzymes prior to feeding. Animal Feed Science and Technology,2002, 101:115～125
28 Beauchemin, K.A., Rode, L.M., Maekawa, M., Morgavi, D.P.,Kampen, R.Evaluation of a non starch polysaccharidase feed enzyme in dairy cow diets. J. Dairy Sci.,2000, 83：543
29 Yang, W.Z., Beauchemin, K.A., Rode, L.M. A comparisonof methods of adding fibrolytic enzymes to lactating cow diets.J. Dairy Sci.,2000,83：2 512
30 付連勝,呂興有.奶牛飼喂高活性纖維素酶的效果觀察[J].中國飼料,1998,(3):25
31 Hristov, A.N., McAllister, T.A., Cheng, K. Effect of dietaryor abomasal supplementation of exogenous polysaccharide-degrading enzymes on rumen fermentation and nutrient digestibility[J]. Anim. Sci.,1998,76：3 146
32 H.H.Titi,M.J.Tabbaa.Efficacy of exogenous cellulase on digestibility in lambs and growth of dairy calves.Livestock Production Science,2004,87:207～214
33 方俊，王濤.纖維素酶在奶牛營養中的研究與應用[J].獸藥與飼料添加劑，2003，(8)：30～32