纤维素酶协同作用研究概况

程时军，付大波，张 伟

（武汉新华扬生物股份有限公司，武汉 430074）

纤维素是植物细胞结构性多糖的重要组分，占植物生物活性物质约40%，其维持植物完整性的特性在一定程度上对单胃动物来说是一种抗营养因子[1]。纤维素能被纤维素酶消化为可溶性单糖，而微生物能产生3种主要的纤维素酶（内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡糖苷酶），故纤维素是反刍动物的主要营养素来源。由于单胃动物有别于反刍动物的消化生理，一般通过外源添加纤维素酶来提高植物性饲料的利用率。

近些年来，随着饲料行业及生物酶制剂的迅猛发展，纤维素酶在饲料工业中发挥了重要作用。本文就纤维素酶的相关性质和及其与其他酶的协同作用作一简介，以期为更好的使用纤维素酶提供参考。

1 纤维素

纤维素是由葡萄糖通过β-1,4糖苷键链接而成的线状结构分子，具有简单的初级和复杂的三级结构，其重复单位是纤维二糖，纤维素链的聚合度（葡萄糖残基数）为500～14 000不等[2]。

纤维素可作为反刍动物的主要营养素来源，促进胃肠道正常蠕动、消化液的分泌、填充胃肠道并给动物以“饱腹感”，但纤维素能包裹营养成分，阻碍营养物质的消化、吸收及增加内源氮的损失，非淀粉多糖（NSP）酶制剂可降低这种负面效果[3-4]。

2 纤维素酶

纤维素酶最早由Seilliere于1906年研究发现，我国约从20世纪70年代开始纤维素酶的研究，且已被正式批准为饲料添加剂在动物生产中应用。不同来源的纤维素酶理化性质不相同，纤维素酶分子一般由球状的催化结构域（CD）、连接桥（Linker）和纤维素结合结构域（CBD）3部分组成。纤维素酶是由葡聚糖内切酶（endo-1,4-β-D-glucanases）、葡聚糖外切酶（exo-1,4-β-D-glucanases，又称纤维二糖水解酶，cellobiohydrolases）和 β-葡萄糖苷酶（β-1,4-glucosidases）3种水解酶组成的一个复杂酶系，其简要作用模式见附表。

附表 纤维素酶的简要作用模式

纤维素酶中单酶系的作用机理与溶菌酶类似，遵循双置换机理，其复合体水解纤维素的精确机制目前也还不清楚，但有一点已有报道，复杂多酶复合体的四级结构是其发挥作用的关键，并且取决于葡聚糖内切酶的协同作用和复合酶与底物表面的聚集作用[4]。但该酶系的作用顺序不是绝对的，各种酶的功能也不能简单固定。

3 纤维素酶的协同作用研究

近些年来，纤维素酶在畜牧业中作为饲料添加剂提高动物生产性能、对青贮和草料预处理及谷物脱壳等方面得到了广泛应用，且效果明显[2,5-6]。两个或更多酶的有效复合，其作用效果好于单一添加其中一种酶的作用，这种现象就是酶制剂的协同作用。对纤维素酶来讲分为纤维素酶系内的协同增效和纤维素酶与其他酶的协同增效。

3.1 纤维素酶系内的协同作用

有研究人员在水解纤维素的过程中，首次证实了不同纤维素酶间的协同增效作用，类似的研究同样验证了在晶体纤维素的溶解过程中内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的协同作用[7－9]。外切酶作用于不溶性纤维表面，使纤维素长分子链开裂，分子末端发生游离，从而使纤维素易于水化，内切酶则作用于经外切酶活化的纤维素，分解其β-1,4键，产生短链低聚糖，β-葡聚糖酶再将短链低聚糖如纤维二糖、三糖等分解成葡萄糖。这种协同作用是由这两类酶的不同立体空间结构所致，也有报道称这些协同作用源于CBHs和内切葡聚糖酶对纤维素的强吸附作用[8]。纤维素酶系内的其他酶的协同作用也有报道[8,10]。

3.2 纤维素酶与其他酶的协同作用

纤维素酶与其他酶的协同作用在饲料行业中的应用研究国外早有报道。Meng等通过肉鸡体内试验验证，碳水化合物水解酶的组合可进一步提升酶的作用效力，不同酶的组合可更有效水解NSPs，降低肠道黏度，进而提升养分利用率和肉鸡增重、氮校正表观代谢能（AMEn）、淀粉和蛋白表观回肠消化率以及 NSP 的消化率（P＜0.05）[11]。

豆粕中近一半的NSP是果胶，其包裹了近10%（DM基础）的蛋白质，半乳糖醛酸是果胶酶降解果胶效果的指标[12]。Tahir等在肉鸡玉米-豆粕型日粮中使用不同组合的酶，研究结果表明，混合酶能更有效的降解细胞壁，提高蛋白质消化率，并暗示半纤维素酶是细胞壁降解的限制性因子。纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶的协同作用显著（P＜0.05），蛋白质消化率提高了13.4%（P＜0.05），干物质消化率也显著提高（P＜0.05），该项研究还表明，对于蛋白质消化率，蛋白质与酶的交互作用达到了显著水平（P＜0.05）。由于这些酶的协同作用，蛋白质消化率得到提升，使得15～27 d肉鸡日粮配方蛋白水平从21%降到19%而不影响肉鸡生产性能，这些结论对指导实际生产意义重大[13]。

4 小结

除用作动物饲料添加剂外，纤维素酶还广泛应用于食品、造纸、纺织、再生能源等行业中。世界多国已经把纤维素酶在再生能源研制中的应用提升到国家战略高度，如何生产更适合动物消化道内环境发挥活力的纤维素酶、纤维素酶的添加方式及对不同种类阶段动物消化道酶系的影响、添加纤维素酶后饲料原料营养价值的提升等都是目前亟待研究解决的问题。此外，有关混合酶制剂（纤维素酶和其他酶如木聚糖酶、蛋白酶等）的协同效果研究，建立相关数据库和模型并应用于实际生产等都值得深入探讨，相信纤维素酶的研究应用会极大的推动饲料酶制剂的发展，其社会效益也越加显著。

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