木聚糖酶在青貯及反芻動物日糧中的應用

劉 偉,于鳳民,馬千鵬,特古斯巴雅爾,張曉華,張興軍,譚藝沅,賈玉山*

(1.內蒙古農業大學草原與資源環境學院/農業農村部飼草栽培、加工與高效利用重點實驗室/草地資源教育部重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010019; 2.巴林左旗農牧局,內蒙古 赤峰 024000; 3.巴林左旗林業和草原局,內蒙古 赤峰 024000;4.巴林左旗工信和科技局,內蒙古 赤峰 024000)

農業剩余物(秸稈)與飼草中存在豐富的多糖與木質素。纖維素、半纖維素、果膠組成了植物體細胞壁中最主要的三種多糖[4]。木聚糖作為半纖維素中最主要的多糖,是細胞壁中含量第二的多糖,僅次于纖維素[5]。木聚糖酶在20世紀80年代開始被使用,最初就用于制備動物飼料,后來用于食品、紡織、造紙等領域。Polizeli等[6]發現,木聚糖酶、纖維素酶及果膠酶可占世界市場酶的20%。木聚糖酶可催化木聚糖酶解,產生低聚糖和木糖[7]。木聚糖酶在飼草青貯與反芻動物日糧中已經進行了添加利用,且效果顯著[8],酶通過與瘤胃微生物菌群協同作用可提升高瘤胃對纖維的降解,從而提高瘤胃的水解能力[9]。用木聚糖酶預處理的青貯和谷物飼料,可提高飼料的營養價值,有利于動物消化。木聚糖酶可通過分解黑麥(SecalecerealeL.)和大麥(HordeumvulgareL.)飼料中的多糖來降低飼料的粘度來增加反芻動物吸收[5]。通過在青貯(作為日糧)中添加酶制劑,可提高反芻動物瘤胃中微生物對青貯的利用效率,提高青貯飼料的消化率[10]。研究發現,在象草(PennisetumpurpureumSchum.)青貯中添加木聚糖酶,發酵后期可提高可溶性碳水化合物與乳酸含量,降低半纖維素含量[11]。此外,在反芻動物日糧中使用纖維化酶可增加干物質(DM)攝入量、降解纖維素與半纖維素含量、提高營養物質消化率,從而提高動物的生產性能[12]。本文通過探究關于木聚糖酶在青貯及反芻動物日糧中的應用,闡明木聚糖酶的作用及優勢,為后續木聚糖酶在青貯或反芻動物日糧中的應用提供理論依據。

1 木聚糖與木聚糖酶

1.1 植物中木聚糖的組成

木聚糖是植物細胞中主要的結構多糖,多存在于植物細胞壁的次生壁上,約占植物生物量的20%～40%。木聚糖最常見的是以β-1,4-D-木糖鏈接的聚合物[13]。木聚糖中常見的主要結構有線性同木聚糖、阿拉伯木聚糖、葡糖醛酸木聚糖和葡糖醛酸阿拉伯木聚糖[14]。圖1為木聚糖結構組成示意圖,這些不同的木聚糖結構存在于不同種類的植物細胞壁中,不同的植物中的木聚糖組成、含量、分布各不相同,對比牧草來說,多數禾本科中的木聚糖含量比豆科要多[15]。木聚糖位于木質素殘基鞘之間的中心位置,并在幾個點上與該鞘共價連接和纏繞,同時通過氫鍵在纖維素底層鏈周圍產生一層涂層[16]。木聚糖層與木質素的共價連接及其與纖維素的非共價相互作用可能是保持原位纖維素的完整性,同時為植物提供剛性和結構,保護細胞免受微生物攻擊,但也降低了反芻動物對多糖的利用率[17]。

圖1 木聚糖結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of xylan structure

1.2 木聚糖酶的來源及組成

木聚糖酶是解聚植物細胞壁中木聚糖的水解酶,木聚糖酶來源廣泛,可由真菌、細菌、酵母、海藻、原生動物、蝸牛、甲殼類、昆蟲、種子等產生,但木聚糖的商業來源主要是絲狀真菌產生[5]。木聚糖水解酶可以將木聚糖水解,β-1,4-內切木聚糖酶通過催化木糖鍵水解,在木聚糖主鏈的降解中起著最重要的作用[17]。但木聚糖完全水解涉及一個多酶協同作用的系統,包括內切木聚糖酶、β-木糖苷酶、α-阿拉伯呋喃糖苷酶、α-葡萄糖醛酸酶、乙酰木聚糖酯酶、阿魏酸酯酶和對香豆素酸酯酶,通過這些酶的協同作用,木聚糖才能完全水解(圖2)[4]。秸稈與飼草中含有大量的木聚糖,通過木聚糖酶預處理,可增加木糖含量,進而提高反芻動物對飼草的消化率[18],在生產實踐中木聚糖酶通常與其他酶(葡聚糖酶、果膠酶、纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶、植酸酶、半乳糖苷酶和脂肪酶等)共同使用來提高青貯或反芻動物日糧的利用效率,提高動物的生產性能。

圖2 木聚糖的結構和參與其降解的木聚糖水解酶的作用位點Fig.2 Structure of xylan and the action sites of xylan hydrolase involved in its degradation

2 木聚糖酶在青貯中的應用及效果

酶是安全的天然添加劑,具有安全無毒、無殘留、無污染等特點[19]。目前在多個研究領域中,為提高飼草營養品質與發酵品質,酶制劑正在取代化學添加劑,青貯中酶制劑的使用也越來越多[20]。青貯中添加木聚糖酶可有效降解原料中的木聚糖,增加木糖含量,提高微生物發酵底物濃度,促進微生物發酵,更快地達到青貯保存條件,同時降低了半纖維素濃度,提高青貯飼料纖維利用率(圖3)[21]。

圖3 木聚糖酶在青貯中的利用Fig.3 Utilization of xylanase in silage

2.1 青貯中木聚糖酶的添加量

木聚糖酶的活性表示為每毫升酶每分鐘釋放木糖的微(μ)摩爾值,酶活性單位可用U或IU表示,添加濃度一般用μg·mL-1,μL·g-1,U·g-1或IU·g-1干物質(DM)或鮮重(FW)等表示。Jin等[22]研究中木聚糖酶和內切葡聚糖對大麥青貯添加量分別為424和180 U·kg-1FW。Thomas等[23]研究纖維化酶(木聚糖酶、纖維素酶,50∶50)活性為35 000 U·g-1對5 kg高粱(SorghumbicolorL.)青貯的使用量為1.34 mL,并溶于200 mL的蒸餾水中混合添加。Del等[24]研究甘蔗(Saccharumspp.)青貯中添加不同濃度的纖維化酶(0,100,200,300和400 mg·kg-1DM),根據回歸分析得出,當青貯飼料中木聚糖酶含量為211 mg·kg-1DM時,其pH含量最低,同樣,在185 mg·kg-1DM時,乙酸濃度最高。Eun等[25]研究發現玉米(ZeamaysL.)青貯中添加木聚糖酶(807 U·g-1DM)與內切葡聚糖酶(477 U·g-1DM)可有效釋放酶制劑的活性,提高纖維降解的效率。Tang等[26]研究了纖維化酶(纖維素酶+木聚糖酶)不同添加量(0,2.5,5.0,7.5 g·kg-1DM)對水稻(OryzasativaL.)青貯體外消化的研究,發現酶制劑水平在7.5 g·kg-1DM時,干物質體外消化率(IVDMD)與有機物體外消化率(IVOMD)的值最大。Mariana等[27]指出木聚糖酶與纖維素酶在中間水平(313 000～342 000 mL·kg-1DM)時可降低纖維含量,并提高可溶性碳水化合物的含量,促進乳酸發酵。

因此,青貯中木聚糖酶的用量可綜合所用木聚糖酶的活性程度與青貯材料本身的木聚糖含量,來估算或找出適宜的添加濃度,這樣可有效節約酶的成本,達到較好的預期目標。

2.2 木聚糖酶促進青貯微生物發酵

乳酸菌發酵需要利用青貯原料中的戊糖、己糖進行發酵從而產生乳酸,進而降低青貯pH值,抑制有害微生物發酵,減少發酵營養損失,使青貯飼料得以長期保存[28]。同型發酵乳酸菌(Homofermentative lactic bacteria)一般利用葡萄糖進行發酵,異型發酵乳酸菌(Heterofermentative lactic bacteria)一般可利用戊糖或葡萄糖進行發酵[29],但青貯原料中可代謝糖含量不足時將導致乳酸發酵不完全或發酵失敗。Dehghani等[30]指出在青貯飼料中添加木聚糖酶+纖維素酶可以溶解細胞壁碳水化合物中一些易于消化的部分,從而為微生物發酵提供底物,因此,在低糖、高蛋白質和高緩沖能值而難以青貯的牧草中,添加酶制劑可以有效地提高青貯發酵質量。乳酸菌(LAB)以可代謝的糖為能量來源進行厭氧發酵,酶制劑的作用是可以提高原料中可代謝糖的含量來促進青貯[31]。Campana等[27]指出木聚糖酶+纖維素酶可降低纖維含量,增加微生物發酵底物濃度,進而促進異型乳酸發酵,并降低有氧暴露后的青貯溫度。

復雜的青貯原料導致了青貯發酵的諸多問題,其中原料的可代謝糖含量低是限制青貯發酵的主要原因之一,通過木聚糖酶與其它酶制劑聯合使用來降解植物中多糖,為青貯中微生物發酵提供充足的底物,使青貯快速的達到保存條件,降低營養損失,是提高飼草利用率有效手段。

為了滿足高放射性核廢料處置庫中對膨脹性能的要求，使膨潤土的膨脹力處于一個合適的值，論文擬充分利用納米氧化硅和納米氧化鈣的優點，開展納米氧化硅聯合納米氧化鈣調控膨潤土的膨脹性試驗，研究納米氧化硅和氧化鈣對膨潤土膨脹特性的協同影響，并從微觀角度揭示其調控的機理。

2.3 木聚糖酶對青貯營養與發酵品質的影響

添加外源性纖維水解酶(即木聚糖酶和纖維素酶等)和接種劑(菌劑)已成為提高青貯飼料中纖維利用率的策略之一[32]。在苜蓿青貯中,酶制劑可通過清除結構屏障,促進微生物對可消化部分的利用,從而提高降解速率[33]。添加木聚糖酶與β-葡聚糖酶可提高乳酸(LA)含量,青貯發酵三天后pH顯著降低,同時提高了有氧穩定性,最終提高了玉米青貯飼料的飼料價值[34]。Thomas等[23]表明木聚糖酶與纖維素酶(50∶50)降低了所有高粱品種的中性洗滌纖維(NDF)的含量,改善了MMR和S700D(MMR與S700D均為高粱品種)青貯的DM、NDF、酸性洗滌纖維(ADF)和粗蛋白(CP)的消失動力學,尤其是結構碳水化合物濃度最大的品種S700D,同時增加了MMR青貯的有氧穩定性。Bruna等[35]通過在全株玉米青貯中添加可產復合酶的白腐真菌(Phanerochaetcchrysosporium),發現這種復合酶可有效降低材料中的木質素濃度。Dehghani等[30]研究表明在青貯前添加木聚糖酶與纖維素酶可增加乳酸和葡萄糖含量,降低丁酸濃度,降低青貯液中的pH值,同時降低了NDF的濃度。利用外源性纖維水解酶和乳酸菌接種劑對甘蔗進行預處理,可改善發酵特性和提高木質纖維素降解,此外,外源性纖維水解酶和乳酸菌接種劑可以有效降低草酸[36]。

Kuprys-Caruk等[37]研究發現,與市售木聚糖酶相比,布氏乳桿菌(Lactobacillusbuchneri)M B 00077菌株產生的木聚糖酶有更好降解木聚糖的能力,提升了青貯飼料品質。纖維素酶+木聚糖酶(75∶25)可顯著提高玉米青貯飼料的中性洗滌纖維降解率(NDFD)和酸性洗滌纖維降解率(ADFD)[38]。同時也有研究表明,添加木聚糖酶與內切葡聚糖降低了纖維消化率,發現酶制劑對全大麥作物青貯效果較差[22]。Del等[24]研究發現在甘蔗青貯中使用木聚糖酶與纖維素酶改變了發酵特性和化學成分而對有氧穩定性沒有產生顯著影響,但中間水平的酶制劑(約200 mg·kg-1)降低了NDF的水解程度。

木聚糖酶與其它酶制劑混合使用表現出了很好的NDFD特性,不同植物對木聚糖酶響應程度不同,這也導致木聚糖酶在青貯中有不同的作用效果,最終影響營養和發酵品質。

3 木聚糖酶在反芻動物日糧中的應用及效果

用木聚糖酶與其它酶制劑預處理的反芻動物日糧飼料可以降低其纖維含量[39],提高瘤胃微生物的數量,從而提高反芻動物對植物細胞壁的消化速率[40],使反芻動物獲得更多的能量,最終可以提高動物的生產性能(圖4)。

圖4 木聚糖酶在反芻動物日糧中的應用Fig.4 Application of xylanase in ruminant diet

3.1 反芻動物日糧中木聚糖酶添加量的研究

反芻動物日糧中木聚糖酶的使用量也是根據所用日糧纖維含量、組成與酶活性進行添加的,通過測定動物瘤胃中NDF和ADF變化,可進行調整和優化酶的使用量[33]。Eun等[25]研究在奶牛飼草日糧中外源纖維化酶使用量為1.25 mL·kg-1DM。Yang等[39]研究日糧蠶豆(ViciafabaL.)青貯中混合添加了7個劑量(0,0.25,0.5,0.75,1,1.25和1.5 mL·kg-1DM)的木聚糖酶與纖維素酶,酶活性依次為350 000 BXU·g-1,10 000 U·g-1(一個BXU表示每分鐘能從樺木木聚糖中釋放0.06 μmol木糖當量),酶制劑使用量在0.5 mL體外NDFD最高,可達30%。Tao等[41]研究了以60%大麥青貯、30%大麥秸稈和10%補充劑(依據DM)作為反芻動物日糧的飼料配比,飼喂前噴灑在大麥秸稈的木聚糖酶用量為6.6×104IU·kg-1DM。Phakachoed等[33]表明,通過青貯玉米中添加活性程度不同酶制劑(0,2,4,8 μL·g-1DM),得出纖維素酶+木聚糖酶添加活性在8 μL·g-1DM飼喂效果最佳。Elghandour等[42]研究含玉米青貯的反芻動物日糧中木聚糖酶與纖維素酶添加量分別為0.038 U·g-1DM和0.033 U·g-1DM,當反芻動物日糧中青貯玉米比例增加時,酶制劑的作用更大。Schingoethe等[43]研究在反芻動物日糧中添加三種模式的纖維化酶(分別是7 500,10 700,16 050 U·kg-1DM木聚糖酶組合 2 000,2 850,4 300 U·kg-1DM羧甲基纖維素酶)都具有較好的效果。Silva等[44]研究了不同木聚糖添加量在反芻動物日糧中的作用,試驗添加量分別為0,8,16,24 g·d-1,綜合結果得出木聚糖添加量在8和16 g·d-1效果較好。

木聚糖酶與其它酶制劑混合使用應考慮動物日糧中纖維含量及瘤胃消化效率,并綜合酶制劑活性進行適量添加,通過飼喂試驗可以進行酶制劑的優化,同時提高飼料利用率的還要考慮酶制劑的成本,這樣可更有效、科學的使用酶制劑。

3.2 木聚糖酶對反芻動物日糧利用率的影響

外源性纖維水解酶通過增強附著或改善瘤胃微生物對細胞壁基質利用來加速消化速度,在含有玉米和高粱的低粘度飼料中添加木聚糖酶,可以改善消化道初始部分的營養物質消化,從而更好地利用能量[45]。Yang等[39]發現木聚糖酶與纖維素酶高度影響了全株蠶豆青貯奶牛的瘤胃降解特性,提高了全株蠶豆青貯利用效果。王國秀等[46]發現,纖維素酶和木聚糖酶處理的大麥秸稈可提高瘤胃中12 h、36 h的NDFD和ADFD,提高了玉米秸稈在瘤胃中12 h的DM降解率。外源性纖維水解酶(木聚糖酶+羧甲基纖維素酶+淀粉酶)不僅可以通過作用飼料底物來改善反芻動物的消化率,還具有降低蛋白質水解和改善營養物質消化的潛力,瘤胃中木聚糖酶和β-葡聚糖酶活性水平的增加還可以提高十二指腸食糜纖維化活性[47]。木聚糖酶+內切葡聚糖酶添加降低了NDF和半纖維素的濃度,增加了可代謝糖濃度和干物質消化率(DMD)[48]。酶制劑處理的底物在水中比在瘤胃液中孵育產生更大的DMD,添加酶可使水中的DMD和NDFD分別增加10%和39%,但對瘤胃液中的DMD和NDFD沒有影響,表明酶制劑的消化前作用大于瘤胃作用[49]。研究表明,木聚糖酶+纖維素酶可用于提高大麥基礎日糧的消化率,但大麥日糧中酶制劑的最佳配方和添加量有待進一步探討[50]。

反芻動物日糧主要以粗飼料為主,并且粗飼料的來源非常廣泛,高效利用粗飼料需要酶制劑進行輔助,通過木聚糖酶與其它酶制劑預處理可提高反芻動物日糧中粗飼料的NDFD,但在提升反芻動物日糧利用率的同時還要保證酶制劑最佳的使用量,這樣可以保證飼喂效益與動物健康[51]。

3.3 木聚糖酶對瘤胃微生物的影響

木聚糖水解的產物是許多瘤胃菌群的營養來源。植物細胞壁被瘤胃細菌、真菌和原生動物的組合降解,細菌和真菌占約80%的降解活性,原生動物占20%[52]。琥珀酸纖維桿菌(Fibrobactersuccinogenes)、黃相瘤胃球菌(Ruminococcusflavefaciens)和白色瘤胃球菌(Ruminococcusalbus)通常被認為是瘤胃植物細胞壁降解的主要微生物[53]。瘤胃微生物可以產生水解纖維的酶,但是復雜的細胞壁結構和飼草在瘤胃中停留的時間限制了反芻動物對纖維的消化程度,尤其是細胞壁成分的不溶性、結構的復雜性和初始的難以接近性[54]。Wang等[55]報道,在使用瘤胃液的分批培養系統中,補充酶制劑可增加非纖維化和纖維化細菌的數量。通過使用酶制劑刺激瘤胃微生物數量,可以產生更大的微生物生物量,從而提供更多酶活性來消化飼料。Yang等[56]表明,奶牛日糧中添加酶制劑增加了瘤胃對飼料消化和瘤胃微生物的蛋白流量。外源酶制劑在反芻動物中的作用模式是直接和間接作用的結合,同時作用于飼料和瘤胃微生物群[57]。

瘤胃菌群的健康是保證反芻動物高產的保障,通過木聚糖酶結合其它酶制劑來調節和幫助瘤胃微生物對高纖維日糧的消化是必要的,在減輕瘤胃微生物壓力的同時使反芻動物獲得更多的能量。

3.4 木聚糖酶對反芻動物生產性能的影響

木聚糖酶可以分解飼料成分中的阿拉伯木聚糖,降低原料的粘度,通過在反芻動物動物飼料中添加木聚糖酶,可以提高肉牛乳脂含量和肉牛的酮體產量[1]。木聚糖酶具有提高奶牛消化率和產奶量的潛力,因為消化率相對于潛在的消化率較低。但當消化率較高時,酶制劑將不會提高消化率[58]。研究表明木聚糖酶與纖維素酶混合添加到反芻動物日糧中,牛奶產量可增加3.6%～10.8%,能量校正乳產量可增加7%～16%[44]。在全株蠶豆青貯飼料中添加木聚糖酶,施用量在0.5 mL·kg-1DM可提高奶牛的乳酸性能、采食量和消化率,然而添加更高的酶活性水平會對動物的生產性能產生負面影響[59]。Nair等[34]表明,與對照相比,添加木聚糖酶與纖維素酶沒有提高奶牛的任何生長性能。纖維素酶和木聚糖酶可提高體外瘤胃氣體動力學,從而在進一步的體內實驗中證實可提高反芻動物的生產性能[42]。

在含玉米青貯的反芻動物日糧中使用高濃度內切葡聚糖酶與低濃度木聚糖酶的組合酶可顯著提高奶牛生產性能[25]。Kung等[60]研究指出干物質攝入量、產奶量、乳脂均不受木聚糖酶與纖維素酶影響,但經酶制劑預處理青貯體外氣體產量(GP)高于對照。研究表明,補充木聚糖酶可改善DM和NDF的攝入量,增加了咀嚼和反芻的時間,導致瘤胃中短鏈脂肪酸總量增加,但木聚糖酶沒有提高泌乳期奶牛的產奶量或改變牛奶成分[44]。以百慕大草為基礎的反芻動物日糧中添加木聚糖酶,發現DMI和產奶量顯著增加,木聚糖酶可以提高日糧中百慕大草10%的利用效率,進而提高泌乳奶牛的生產性能[61]。Tao等[41]則指出DM、NDF和ADF的采食量和總食道消化率不受木聚糖酶影響,瘤胃pH在不同處理之間也無差異,木聚糖酶添加沒有提高幼體母牛的NDFD。

粗飼料中纖維含量較高,限制了反芻動物對粗飼料的采食量和消化率,通過木聚糖酶與其它酶制劑的添加,有助于提高反芻動物的纖維消化能力和生產潛力,進而提高動物生產性能。

4 結論

近年來,以提高農業殘留物(玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈等)利用率來解決粗飼料短缺問題已成為熱點研究問題,關鍵的步驟是將植物中的多糖和木質素進行水解。通過在高纖維青貯或反芻動物日糧中添加木聚糖酶,可有效促進微生物發酵,提高飼料利用率,改善反芻動物生產性能,獲得更高的效益。在反芻動物日糧中酶制劑的使用量及飼喂效果還存在很多爭議,但是,酶制劑對植物多糖的降解是非常有效的措施,同時,在多糖降解過程中減少酶制劑的使用成本尤為重要。對于不同來源的青貯材料及不同組成的反芻動物日糧,建立特定酶制劑種類及最佳使用量非常關鍵,酶制劑的使用量直接影響反芻動物的瘤胃健康與飼喂成本。木聚糖酶與其它酶制劑聯合使用已經表現出非常好的效果,后續的研究中應根據不同的青貯原料、反芻動物日糧及飼喂對象來調整優化酶制劑的使用策略,在保證反芻動物健康的同時提高飼料利用率,提高動物生產性能。