纖維素酶協(xié)同作用研究概況

程時軍，付大波，張 偉

（武漢新華揚生物股份有限公司，武漢 430074）

纖維素是植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)性多糖的重要組分，占植物生物活性物質(zhì)約40%，其維持植物完整性的特性在一定程度上對單胃動物來說是一種抗?fàn)I養(yǎng)因子[1]。纖維素能被纖維素酶消化為可溶性單糖，而微生物能產(chǎn)生3種主要的纖維素酶（內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡糖苷酶），故纖維素是反芻動物的主要營養(yǎng)素來源。由于單胃動物有別于反芻動物的消化生理，一般通過外源添加纖維素酶來提高植物性飼料的利用率。

近些年來，隨著飼料行業(yè)及生物酶制劑的迅猛發(fā)展，纖維素酶在飼料工業(yè)中發(fā)揮了重要作用。本文就纖維素酶的相關(guān)性質(zhì)和及其與其他酶的協(xié)同作用作一簡介，以期為更好的使用纖維素酶提供參考。

1 纖維素

纖維素是由葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵鏈接而成的線狀結(jié)構(gòu)分子，具有簡單的初級和復(fù)雜的三級結(jié)構(gòu)，其重復(fù)單位是纖維二糖，纖維素鏈的聚合度（葡萄糖殘基數(shù)）為500～14 000不等[2]。

纖維素可作為反芻動物的主要營養(yǎng)素來源，促進(jìn)胃腸道正常蠕動、消化液的分泌、填充胃腸道并給動物以“飽腹感”，但纖維素能包裹營養(yǎng)成分，阻礙營養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收及增加內(nèi)源氮的損失，非淀粉多糖（NSP）酶制劑可降低這種負(fù)面效果[3-4]。

2 纖維素酶

纖維素酶最早由Seilliere于1906年研究發(fā)現(xiàn)，我國約從20世紀(jì)70年代開始纖維素酶的研究，且已被正式批準(zhǔn)為飼料添加劑在動物生產(chǎn)中應(yīng)用。不同來源的纖維素酶理化性質(zhì)不相同，纖維素酶分子一般由球狀的催化結(jié)構(gòu)域（CD）、連接橋（Linker）和纖維素結(jié)合結(jié)構(gòu)域（CBD）3部分組成。纖維素酶是由葡聚糖內(nèi)切酶（endo-1,4-β-D-glucanases）、葡聚糖外切酶（exo-1,4-β-D-glucanases，又稱纖維二糖水解酶，cellobiohydrolases）和 β-葡萄糖苷酶（β-1,4-glucosidases）3種水解酶組成的一個復(fù)雜酶系，其簡要作用模式見附表。

附表 纖維素酶的簡要作用模式

纖維素酶中單酶系的作用機(jī)理與溶菌酶類似，遵循雙置換機(jī)理，其復(fù)合體水解纖維素的精確機(jī)制目前也還不清楚，但有一點已有報道，復(fù)雜多酶復(fù)合體的四級結(jié)構(gòu)是其發(fā)揮作用的關(guān)鍵，并且取決于葡聚糖內(nèi)切酶的協(xié)同作用和復(fù)合酶與底物表面的聚集作用[4]。但該酶系的作用順序不是絕對的，各種酶的功能也不能簡單固定。

3 纖維素酶的協(xié)同作用研究

近些年來，纖維素酶在畜牧業(yè)中作為飼料添加劑提高動物生產(chǎn)性能、對青貯和草料預(yù)處理及谷物脫殼等方面得到了廣泛應(yīng)用，且效果明顯[2,5-6]。兩個或更多酶的有效復(fù)合，其作用效果好于單一添加其中一種酶的作用，這種現(xiàn)象就是酶制劑的協(xié)同作用。對纖維素酶來講分為纖維素酶系內(nèi)的協(xié)同增效和纖維素酶與其他酶的協(xié)同增效。

3.1 纖維素酶系內(nèi)的協(xié)同作用

有研究人員在水解纖維素的過程中，首次證實了不同纖維素酶間的協(xié)同增效作用，類似的研究同樣驗證了在晶體纖維素的溶解過程中內(nèi)切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的協(xié)同作用[7－9]。外切酶作用于不溶性纖維表面，使纖維素長分子鏈開裂，分子末端發(fā)生游離，從而使纖維素易于水化，內(nèi)切酶則作用于經(jīng)外切酶活化的纖維素，分解其β-1,4鍵，產(chǎn)生短鏈低聚糖，β-葡聚糖酶再將短鏈低聚糖如纖維二糖、三糖等分解成葡萄糖。這種協(xié)同作用是由這兩類酶的不同立體空間結(jié)構(gòu)所致，也有報道稱這些協(xié)同作用源于CBHs和內(nèi)切葡聚糖酶對纖維素的強吸附作用[8]。纖維素酶系內(nèi)的其他酶的協(xié)同作用也有報道[8,10]。

3.2 纖維素酶與其他酶的協(xié)同作用

纖維素酶與其他酶的協(xié)同作用在飼料行業(yè)中的應(yīng)用研究國外早有報道。Meng等通過肉雞體內(nèi)試驗驗證，碳水化合物水解酶的組合可進(jìn)一步提升酶的作用效力，不同酶的組合可更有效水解NSPs，降低腸道黏度，進(jìn)而提升養(yǎng)分利用率和肉雞增重、氮校正表觀代謝能（AMEn）、淀粉和蛋白表觀回腸消化率以及 NSP 的消化率（P＜0.05）[11]。

豆粕中近一半的NSP是果膠，其包裹了近10%（DM基礎(chǔ)）的蛋白質(zhì)，半乳糖醛酸是果膠酶降解果膠效果的指標(biāo)[12]。Tahir等在肉雞玉米-豆粕型日糧中使用不同組合的酶，研究結(jié)果表明，混合酶能更有效的降解細(xì)胞壁，提高蛋白質(zhì)消化率，并暗示半纖維素酶是細(xì)胞壁降解的限制性因子。纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶的協(xié)同作用顯著（P＜0.05），蛋白質(zhì)消化率提高了13.4%（P＜0.05），干物質(zhì)消化率也顯著提高（P＜0.05），該項研究還表明，對于蛋白質(zhì)消化率，蛋白質(zhì)與酶的交互作用達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）。由于這些酶的協(xié)同作用，蛋白質(zhì)消化率得到提升，使得15～27 d肉雞日糧配方蛋白水平從21%降到19%而不影響肉雞生產(chǎn)性能，這些結(jié)論對指導(dǎo)實際生產(chǎn)意義重大[13]。

4 小結(jié)

除用作動物飼料添加劑外，纖維素酶還廣泛應(yīng)用于食品、造紙、紡織、再生能源等行業(yè)中。世界多國已經(jīng)把纖維素酶在再生能源研制中的應(yīng)用提升到國家戰(zhàn)略高度，如何生產(chǎn)更適合動物消化道內(nèi)環(huán)境發(fā)揮活力的纖維素酶、纖維素酶的添加方式及對不同種類階段動物消化道酶系的影響、添加纖維素酶后飼料原料營養(yǎng)價值的提升等都是目前亟待研究解決的問題。此外，有關(guān)混合酶制劑（纖維素酶和其他酶如木聚糖酶、蛋白酶等）的協(xié)同效果研究，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫和模型并應(yīng)用于實際生產(chǎn)等都值得深入探討，相信纖維素酶的研究應(yīng)用會極大的推動飼料酶制劑的發(fā)展，其社會效益也越加顯著。

[1]Ladisch M R,Lin K W,Voloch M.et al.Process considerations in the enzymatic hydrolysis of biomass[J].Enzyme Microbial Technology,1983（2）:82-100.

[2]Marx-Figini M,Schulz G V.Zur biosynthese der cellulose[J].Naturwissenschaften,1966,53（18）:466-474.

[3]Yin Y L,McEvoy J D G,Schulze H,et al.Apparent digestibility（ileal and overall）of nutrients and endogenous nitrogen losses in growing pigs fed wheat（var.Soissons）or its by-products without or with xylanase supplementation[J].Livest Prod Sci,2000,62（2）:119-132.

[4]Begum P,Lemaire M.The cellulosome:an exocellular,multipro tein complex specialized in cellulose degradation[J].Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology,1996,31（3）:201-236.

[5]王安.纖維素復(fù)合酶在飼料中的作用及其應(yīng)用的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1998,29（3）:236-251.

[6]Lewis G E,Hunt C W,Sanchez WK,et al.Effect of direct-fed fibrolytic enzymes on the digestive characteristics of a for agebased diet fed to beef steers[J].Journal of animal Science 1996,74（12）:3 020-3 028.

[7]Wood T M.Preparation of crystalline,amorphous,and dyed cellulase substrates[M].In:Wood,W.A.and Kellogg,S.T.（eds）Methods in Enzymology,London:Academic Press,1988.

[8]Klyosov A.Trends in biochemistry and enzymology of cellulose degradation[J].Biochemistry 1990,29:10 577-10 585.

[9]Bhat S,Goodenough P W,Bhat M K,et al.Isolation of four ma-jor subunits from Clostridium thermocellum cel1ulosome and their synergism in the hydrolysis of crystalline cellulose[J].International Journal of biological Macromolecules,1994,16（6）:335-342.

[10]Wong K Y K,Tan L U L,Saddler J N.Functional interactions among three xylanases from trichoderma harzianum[J].Enzyme and Microbial Technology,1986（10）:617-622.

[11]Meng X,Slominski B A,Nyachoti C M,et al.Degradation of cell wall polysaccharides by combinations of carbohydrase enzymes and their effect on nutrient utilization and broiler chicken performance[J].Poultry Science,2005,84（1）:37-47.

[12]Chesson A.Non-starch polysaccharide degrading enzymes in poultry diets:Infuence of ingredients on the selection of activities[J].World′s Poult Sci,2001,57:251-263.

[13]Tahir M,Saleh F,Ohtsuka A,et al.An effective combination of carbohydrases that enables reduction of dietary protein in broilers:importance of hemicellulase[J].Poultry Science,2008,87:713-718.