飼用木聚糖酶的研究進(jìn)展及應(yīng)用

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所 丁 強(qiáng)

當(dāng)前玉米等常規(guī)飼料原料供應(yīng)日趨緊張，可將麥類及雜粕類等非常規(guī)原料用于飼料生產(chǎn)以降低養(yǎng)殖成本，但其含有一定量的抗?fàn)I養(yǎng)因子，飼料利用效率較低。研究表明，添加木聚糖酶可以提高麥類及雜粕類等非常規(guī)飼料的飼料轉(zhuǎn)化效率，促進(jìn)養(yǎng)分的消化吸收，維持腸道微生態(tài)以及降低污染。目前，已將不同來源的木聚糖酶應(yīng)用于畜禽及水產(chǎn)生產(chǎn)中，并取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文就木聚糖酶的研究進(jìn)展及其在飼料中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 木聚糖酶的研究進(jìn)展

1.1 木聚糖酶的分子結(jié)構(gòu)域 木聚糖酶是可將木聚糖降解成低聚糖和木糖的一類酶的總稱。內(nèi)切-1，4-β-木聚糖酶（EC3.2.1.8）作用于木聚糖主鏈，隨機(jī)切開木聚糖內(nèi)部的木糖苷鍵，將其分解為低聚糖。不同來源的木聚糖酶在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上有很大的差別。有的木聚糖酶只含有單一區(qū)域即催化區(qū)，有的同時(shí)具備催化區(qū)和多種非催化區(qū)。多區(qū)域木聚糖酶分子結(jié)構(gòu)中含有催化區(qū)（Catalytic domain，CD）、纖維素結(jié)合區(qū)（cellulose-binding domain，CBD）、 木聚糖結(jié)合區(qū) （xylan-binding domain，XBD）、錨定區(qū)（dockerin domain，DD）、連接序列 （linker sequence）、 重復(fù)序列 （repeated sequence）、熱穩(wěn)定區(qū)（thermostabilising domain）及其他未知功能的非催化區(qū)等，這些區(qū)域承擔(dān)著不同的生理功能。

木聚糖酶的催化區(qū)承擔(dān)著酶的水解功能，并作為該酶分類的基礎(chǔ)。雖然不同木聚糖酶分子在其氨基酸組成的數(shù)目和種類上相差很大，但其催化區(qū)大小比較一致。谷氨酸和天冬氨酸在催化區(qū)的特定位置是決定其催化特性的關(guān)鍵因素。研究表明，同一族的木聚糖酶的催化結(jié)構(gòu)域具有同源性。Zui等（2000）發(fā)現(xiàn)，有6種以上第10族木聚糖酶的催化區(qū)表現(xiàn)高清晰度的X－Ray結(jié)構(gòu)。木聚糖酶的底物結(jié)合區(qū)差異較大，一些木聚糖酶的底物結(jié)合區(qū)對(duì)木聚糖有特異性，所以又稱之為木聚糖結(jié)合區(qū)（XBD）。一般這些底物結(jié)合區(qū)并不影響酶的催化活性，但對(duì)不溶性底物有著特殊作用。木聚糖酶分子中的功能區(qū)域之間由連接序列相連，此序列的長(zhǎng)度變化很大，一般為6～59個(gè)氨基酸（Black等，1994）。該序列中或含有較多的絲氨酸殘基，或含有較多的脯氨酸和蘇氨酸，不同來源木聚糖酶的連接序列間的同源性一般不高。

1.2 酶的家族 Henrissat等（1989）按照酶催化結(jié)構(gòu)域的初級(jí)結(jié)構(gòu)將常見的糖苷水解酶分為不同的家族，到2005年達(dá)到96個(gè)家族。同一家族的酶具有相似的三維結(jié)構(gòu)和分子機(jī)制。在這一分類系統(tǒng)中，一般認(rèn)為木聚糖酶僅局限于家族10和11。近年來的研究發(fā)現(xiàn)在 5、7、8、16、26、43、52 和 62家族中也有酶具有木聚糖酶活性。在這一分類系統(tǒng)中，10和11家族是最主要的木聚糖酶家族。10家族不僅包括內(nèi)切-1，4-β-木聚糖酶，還包括內(nèi)切-1，3-β-木聚糖酶和纖維二糖水解酶等其他酶系。這一家族的酶具有高分子量低等電點(diǎn)，分子結(jié)構(gòu)中有（α/β）8 桶狀結(jié)構(gòu)（Lo等，1999）。 與 10 族木聚糖酶相比，11家族的酶具有較多的底物結(jié)合位點(diǎn)，主要作用于長(zhǎng)鏈的木寡糖，作用產(chǎn)物可以被10族木聚糖酶進(jìn)一步分解（Biely等，1993）。

1.3 木聚糖酶的理化性質(zhì) 微生物木聚糖酶是分子質(zhì)量在8～145 kDa的單亞基蛋白質(zhì)。來源于真菌或細(xì)菌的內(nèi)切型木聚糖酶的最適溫度一般為40～60℃。通常細(xì)菌所產(chǎn)木聚糖酶熱穩(wěn)定性比真菌所產(chǎn)木聚糖酶好。不同微生物所產(chǎn)木聚糖酶所能耐受的pH值為3～10，最適pH值一般為4～7。不同木聚糖酶的等電點(diǎn)為3～10（Kulkarni等，1999）。許多真核微生物所產(chǎn)木聚糖酶可發(fā)現(xiàn)糖基化的現(xiàn)象，通常認(rèn)為糖基化與酶抵御極端環(huán)境維持其穩(wěn)定性相關(guān)。不同的糖基化作用和蛋白酶解是木聚糖酶多樣性的重要原因之一。

1.4 木聚糖酶的基因工程 Panbangred和Fukusaki（1985）首次利用大腸桿菌表達(dá)矮小芽孢桿菌（Bacillus.pumilus IOP）β-木聚糖酶。隨后已有數(shù)十種不同來源的木聚糖酶基因在原核生物表達(dá)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了表達(dá)。由于克隆的木聚糖酶基因表達(dá)水平往往比在原始菌株中低，許多研究者嘗試通過改變宿主菌和使用具有高效表達(dá)啟動(dòng)子的載體構(gòu)建新型高效表達(dá)基因工程菌，這不但可以提高酶的表達(dá)量而且使一些木聚糖酶能分泌到胞外 （Ruller等，2006；Ernst等，1990；Whitehead 和Hespell，1990）。

目前，對(duì)木聚糖在不同真核系統(tǒng)中的表達(dá)也進(jìn)行了研究。在真核基因的表達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的是酵母表達(dá)系統(tǒng)、昆蟲細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)、動(dòng)物乳腺表達(dá)系統(tǒng)、絲狀真菌外源表達(dá)系統(tǒng)、植物基因表達(dá)系統(tǒng)以及T7RNA聚合酶-Φ10啟動(dòng)子偶聯(lián)表達(dá)系統(tǒng)等。研究證實(shí)，酵母表達(dá)系統(tǒng)作為成熟的表達(dá)系統(tǒng)已使多種不同來源的木聚糖酶實(shí)現(xiàn)了高效表達(dá)（張紅蓮等，2003；Moreau 等，1992）。

研究發(fā)現(xiàn)，在哺乳動(dòng)物和植物中也可表達(dá)木聚糖酶基因。Fontes等（1999）將來源于Clostridium thermocellum的木聚糖酶基因XYLY'轉(zhuǎn)入哺乳動(dòng)物細(xì)胞MDCK和轉(zhuǎn)基因小鼠的胰臟實(shí)現(xiàn)了木聚糖酶的表達(dá)。楊培龍等（2006）發(fā)現(xiàn)，來源于橄欖綠鏈霉菌（Streptomyces olivaceoviridis）A1 的木聚糖酶XYNB在煙草中可高效表達(dá)木聚糖XYNB，所表達(dá)的目的蛋白約占葉片總蛋白含量的6%，酶活性約為170 IU/g鮮葉片。

由于木聚糖酶在天然材料中表達(dá)水平低，難以大規(guī)模生產(chǎn)，并且產(chǎn)物難以純化，因而木聚糖酶尚未得到廣泛應(yīng)用。通過基因工程在分子水平上對(duì)木聚糖酶基因進(jìn)行改造，可以提高木聚糖酶的應(yīng)用價(jià)值。陸建等（2002）和楊浩萌等（2006）分別對(duì)木聚糖酶的比活性和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了有效的改良，提高了其應(yīng)用潛力。

2 木聚糖酶在飼料中的應(yīng)用

2.1 家禽日糧 木聚糖酶在家禽日糧中的應(yīng)用較為廣泛。研究表明，木聚糖酶能有效促進(jìn)飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收消化，提高家禽的生產(chǎn)性能。徐駿等（2007）報(bào)道，添加0.05%木聚糖酶使試驗(yàn)組仔雞增重提高，而料重比降低。王海英等（2003）在小麥日糧中添加木聚糖酶后，肉雞耗料增重比和小腸食糜黏度顯著降低，死淘率降低71.9%，能量利用率和蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉的消化率顯著提高，改善了肉仔雞的生產(chǎn)性能，達(dá)到甚至超過玉米日糧的飼喂效果。廖細(xì)古等（2006）試驗(yàn)表明，在玉米-豆粕型日糧中添加250 g/t和500 g/t的木聚糖酶，可以使整個(gè)階段肉鴨生長(zhǎng)增重分別比正對(duì)照組提高2.77%和4.96%；料重比分別下降1.85%和2.11%。木聚糖酶也可以用于提高日糧的表觀代謝能（AME）。王修啟（2003）在肉雞的不同小麥型日糧中添加木聚糖酶，AME提高了6.53%～7.07%。王金全等（2004）報(bào)道，添加木聚糖酶能夠提高肉雞糞AME，并且隨著日糧中小麥水平的提高，AME的提高幅度越大，木聚糖酶在1～3周齡肉雞的效果顯著好于4～6周齡。研究表明，木聚糖酶還有利于提高家禽對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率。王修啟（2003）在肉雞不同小麥日糧中添加木聚糖酶，提高了干物質(zhì)和有機(jī)物的消化率。譚權(quán)和張克英（2008）試驗(yàn)表明，添加3000 IU/kg木聚糖酶對(duì)小麥的干物質(zhì)、能量和粗蛋白質(zhì)利用率提高幅度最大。

2.2 家畜日糧 木聚糖酶的添加也可以促進(jìn)纖維在反芻動(dòng)物瘤胃中的消化。Beauchemin（2000）在育肥期公牛大麥基礎(chǔ)日糧中添加高活性的木聚糖酶制劑，其飼料轉(zhuǎn)化率提高11%，采食量降低5%。Yang等（2000）使用含有高活性的木聚糖酶和纖維素酶的復(fù)合酶有效提高了奶牛的全消化道消化率。還有研究表明，木聚糖酶制劑會(huì)影響奶牛產(chǎn)奶量。Kung等（2007）報(bào)道，低劑量復(fù)合酶處理（每千克飼料含纖維素酶3500 IU和木聚糖酶16000 IU）能提高日產(chǎn)奶量。穆天龍（2008）的研究也獲得類似的結(jié)果，最佳復(fù)合酶制劑用量是2∶1的纖維素酶和木聚糖酶，大約是每千克干物質(zhì)的粗飼料添加3500 IU的纖維素酶和13350 IU的木聚糖酶。袁巧靈和張美麗（2006）報(bào)道，在雜交仔豬飼料中添加木聚糖酶，其日增重和飼料轉(zhuǎn)化率分別比對(duì)照組提高了22.32%和7.25%，試驗(yàn)組仔豬腹瀉發(fā)病率比對(duì)照組降低了10%，表明在日糧中添加木聚糖酶可提高日糧中養(yǎng)分的消化率，降低仔豬腹瀉發(fā)病率，對(duì)仔豬的生長(zhǎng)性能具有明顯改善作用。俞沛初等（2005）研究表明，添加木聚糖酶可顯著提高仔豬對(duì)能量、干物質(zhì)、粗蛋白質(zhì)、粗脂肪、粗纖維、粗灰分的表觀消化率，同時(shí)結(jié)果還顯示，添加外源性酶可刺激仔豬腸道某些內(nèi)源性消化酶的分泌。

2.3 水產(chǎn)動(dòng)物日糧 高春生等（2006）報(bào)道，在基礎(chǔ)飼料中添加0.05%～0.2%木聚糖酶飼喂草魚，結(jié)果發(fā)現(xiàn)草魚增重率提高，餌料系數(shù)降低，干物質(zhì)、粗蛋白質(zhì)、粗脂肪和粗纖維的消化率提高。目前有關(guān)水產(chǎn)用飼料中飼用酶制劑的研究及應(yīng)用較少。水產(chǎn)動(dòng)物消化道pH一般呈中性或微堿性（李馨等，2009）。因此，水產(chǎn)用木聚糖酶的研制應(yīng)以開發(fā)獲取中性或堿性等性質(zhì)適宜的木聚糖酶為主。

3 木聚糖酶在飼料中應(yīng)用存在的問題

3.1 穩(wěn)定性 目前，飼用木聚糖酶主要來源于細(xì)菌、鏈霉菌、曲霉、青霉和木霉等微生物。真菌木聚糖酶的活性通常高于細(xì)菌木聚糖酶，但是耐熱穩(wěn)定性低于細(xì)菌來源。溫度和pH值是影響酶有效性的關(guān)健因素。由于飼料制粒過程中有一個(gè)短暫的高溫過程和動(dòng)物胃腸道內(nèi)寬泛的pH值條件，理想的的飼用木聚糖酶應(yīng)是耐高溫和在廣泛的pH范圍內(nèi)仍能保持高酶活的酶種。針對(duì)此問題，一方面可以通過多種選育方式篩選耐高溫的產(chǎn)酶菌株，另一方面也可以通過生物工程手段對(duì)已有酶種進(jìn)行有效改良，產(chǎn)生具有多種優(yōu)良工業(yè)性質(zhì)的復(fù)合酶。目前，一些酶制劑生產(chǎn)工藝條件粗放（如高溫、高壓、重金屬離子、氧化劑和極端pH條件），天然酶的酶活性會(huì)遭到極大破壞，使酶的生產(chǎn)和使用受到限制。固體發(fā)酵飼料用酶制劑生產(chǎn)工藝還不成熟，造成產(chǎn)品質(zhì)量不如液體發(fā)酵穩(wěn)定，在生產(chǎn)中有時(shí)帶入雜菌，給應(yīng)用帶來一定的不利因素（張曉暉等，2006）。

3.2 添加量 有關(guān)木聚糖酶在不同飼料中的添加水平報(bào)道并不一致。在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)考慮不同產(chǎn)品的酶活性、飼喂對(duì)象、生理階段以及飼料組合，否則可能因用量不當(dāng)難以達(dá)到最優(yōu)的應(yīng)用效果。

3.3 酶活性檢測(cè) 酶活測(cè)定方法的不同會(huì)導(dǎo)致評(píng)估工作的困難，長(zhǎng)時(shí)間以來不同的研究人員已對(duì)木聚糖酶的活性測(cè)定方法進(jìn)行了摸索。GB/T 23874-2009《飼料添加劑木聚糖酶活力的測(cè)定分光光度法》已于2009年10月1日開始實(shí)施，為今后飼用木聚糖酶的活性測(cè)定制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

飼料業(yè)的快速發(fā)展對(duì)當(dāng)前的飼用酶制劑的生產(chǎn)開發(fā)提出了更高的要求。利用多種手段篩選分離改良最終獲得性質(zhì)優(yōu)良的飼用木聚糖酶，對(duì)緩解我國(guó)飼料資源的不足，提高飼料的利用率以及動(dòng)物的生產(chǎn)性能起到巨大的推動(dòng)作用。另外，在加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)木聚糖酶的作用機(jī)制及促生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行深入研究，以期研制出更適合于不同飼料原料和需求的酶制劑產(chǎn)品，更好推動(dòng)木聚糖酶在飼料中的廣泛應(yīng)用。

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