纤维素酶在养猪生产中的应用

2015-04-04李晓玲李少宁于衍男宋春阳

饲料博览 2015年8期

李晓玲，李少宁，于衍男，宋春阳

（青岛农业大学，山东青岛 266109）

近年来，随着饲料工业的飞速发展以及养殖业的迅速崛起，饲料应用安全、饲料可利用资源的短缺以及造成的环境污染等问题引起了有关部门重视。合理利用现有饲料资源，寻找合适新型饲料添加剂已成为目前亟需解决的问题。酶制剂是一种安全、高效的生物活性催化剂，已经逐渐得以应用，也为饲料工业向高效利用、无污染、无残留方向发展提供了可能。纤维素酶是一种分布广、蕴藏量丰富的生物物质，也是较廉价的可再生资源，纤维素酶在养殖业中的应用具有广阔的发展前景。

1 饲用酶制剂与纤维素酶

1.1 饲用酶制剂

酶是由动物机体活细胞产生的一种具有高效生物催化活性的蛋白质，不同酶在生物体内可以将各种大分子营养物质（脂肪、蛋白质、淀粉等）分解成可供机体吸收利用的小分子营养物质。酶作为一种绿色的生物催化剂，具有高效性、高选择性、能耗低、绿色环保等特性，酶的使用将极大提高营养物质利用的效率。酶制剂作为一种特殊的新型饲料添加剂，具有营养性和非营养性双向作用。有研究表明，酶制剂在改善动物营养物质消化和利用、消除饲料中的抗营养因子、促进胃肠道健康、正常生理反应和机体免疫调控、体内脱毒解毒、抑菌杀菌、抗氧化等方面具有特殊作用[1]。饲用酶制剂还具有无毒、无害、无残留、可降解等特性，使用酶制剂不但可以提高畜禽的生产性能，而且还可提高营养物质原料，特别是氮和磷的消化利用率，可有效减少畜禽氮、磷的排放，减少环境污染[2]。从最初的淀粉酶和蛋白酶，到现在的植酸酶和非淀粉多糖复合酶等，从用于补充内源酶分泌的不足，到用于消除饲料中各种抗营养因子和各种毒素等，饲用酶制剂的应用种类越来越多，使用范围也越来越广。

目前在动物饲料中添加应用的酶制剂主要包括单-酶制剂和复合酶制剂两大类。单-酶制剂分为内源性消化酶和外源性消化酶，内源性消化酶的种类包括淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等，外源性消化酶主要有植酸酶、非淀粉多糖酶等。复合酶制剂具有不同的功能特点，主要分为以β-葡聚糖酶为主的饲用复合酶剂、以蛋白酶和淀粉酶为主的饲用复合酶剂、以纤维素酶、木聚糖酶和果胶酶为主的饲用复合酶剂等。过去动物饲料中主要以植酸酶和非淀粉多糖酶应用较为广泛，现在动物饲料以复合酶制剂的使用为主，复合酶制剂能够更广泛、更高效地分解植物性饲料及动物性饲料，既节约成本又提高饲料的利用率。

1.2 纤维素酶

纤维素酶是指能够降解纤维素的一类酶的总称，纤维素酶是由多种水解酶组成，属于复杂酶系。纤维素酶广泛存在于自然界的生物体内，细菌、真菌、动物体内都可以产生。纤维素酶的来源主要包括微生物的分泌、反刍动物胃肠道产生以及工业生产等方式，用于生产实践的纤维素酶一般来自于真菌，较为典型的有木霉属、曲霉属和青霉属等。根据各种酶催化功能的不同可以分为葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶和β-葡聚糖苷酶[3]。一般情况下，植物性饲料中含有大量的纤维素、半纤维素、果胶等物质，动物机体本身难以直接消化吸收利用，只有通过相关酶的分解才能吸收。纤维素的保护层是由多种物质高度聚合而成，其分子结构的结晶区中存有大量氢键（包括分子链内、链间及分子链与表面分子之间形成的氢键），是导致纤维素难以被动物机体利用的主要原因[4]。纤维素酶的水解作用可以将纤维素彻底分解，降低纤维素性日粮所造成的猪生长不良和对环境的污染，是一种高效和环保的利用方法。

纤维素酶作用于动物饲料的机理包括：补充内源酶并同时刺激其分泌，由于单胃动物体内缺乏内源性纤维素酶，不能消化食入的植物纤维素，添加纤维素酶能够使粗纤维得以消化，提高动物对粗纤维的利用，还改善了消化道酶系组成、酶量及活性，极大提高了食入物质的消化利用率；能够破坏植物的细胞壁，植物细胞壁是细胞外的一层坚固的外壳，主要保护细胞免受外界的伤害，也会阻止畜禽对细胞内营养物质的吸收，纤维素酶与各种酶的共同作用下可破坏细胞壁，释放细胞内容物，细胞内容物进而被进一步降解，利于动物吸收营养物质；消除抗营养因子，纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等可将植物饲料的纤维素等大分子物质降解为单糖和寡糖，利于吸收，同时增加内源酶的扩散，增加酶与各种物质的接触面，促进大物质分解，利于营养物质的吸收。

2 影响猪消化吸收的内在因素

目前，猪常规型饲料主要以玉米-豆粕（豆饼）型为主，这些饲料中含有多种抗营养因子，这些抗营养因子能够增加猪胃肠道食糜的黏度，影响肠胃消化，引起营养物质难分解，易导致消化不良，同时也会腐生大量的有害细菌，造成肠道黏膜绒毛与微绒毛的形态结构损伤，容易引起腹泻，降低营养物质的吸收率[5]。单胃动物（尤其是仔猪）体内不能分泌消除抗营养因子作用的相关酶，进而食入的饲料中抗营养因子难以消除，将进一步影响动物机体对营养物质的消化和吸收利用率，甚至导致环境污染等问题。

3 纤维素酶在养猪生产中的应用

3.1 纤维素酶在断奶仔猪中的应用

断奶仔猪的消化机能发育并不完善，消化道内的各种酶系统尚未发育成熟。纤维素酶可以破坏富含纤维的细胞壁，使细胞内容物中的淀粉和蛋白质等营养成分释放出来，增强仔猪对这些养分的消化利用、提高营养物质的利用率，促进仔猪的生长。孙守田等在仔猪的玉米-豆粕型日粮中添加复合纤维素酶0.15%，经统计分析，对照组和试验组差异极显著（P＜0.01），加酶后断乳仔猪总体平均日增重比未添加酶增加0.1455 kg，试验结果表明，纤维素酶能促进仔猪的生长，对仔猪的生长速度有很好的促进效果，同时添加复合纤维素酶还能减轻断乳仔猪的腹泻问题，改善仔猪胃肠道的消化能力[6]。于桂阳等在28日龄断奶仔猪的玉米-豆粕型日粮中添加了复合酶制剂，结果表明，添加酶制剂0.10%对断奶仔猪生产性能作用最佳，此水平下粗蛋白质、粗脂肪、无氮浸出物的消化率达到最大值，试验组断奶仔猪平均日增重比对照组提高42.11%，且饲料转化率提高12.32%[7]。王振来等在仔猪次粉日粮中添加以木聚糖酶和β-葡聚糖酶、纤维素酶为主的复合酶制剂，结果表明，复合酶制剂能促进仔猪生长，与未加酶组相比，日增重提高15.16%，平均日采食量提高5.34%，表明饲料中添加纤维素酶能提高血清中生长激素水平，促进蛋白沉积、骨骼生长等，改善断奶仔猪胃肠道消化能力，提高饲料转化率[8]。

3.2 纤维素酶在生长育肥猪中的应用

猪机体内缺乏内源纤维素酶，对日粮中粗纤维的利用十分有限，日粮中的粗纤维在猪体内不仅消化率低，而且阻碍日粮中蛋白质的消化，影响其他营养物质的利用。为提高粗纤维的利用，实践中多利用外源纤维素酶制剂水解细胞壁的纤维素结构，摧毁植物细胞壁，释放植物细胞的内容物（包括淀粉、蛋白质、脂肪等）。纤维素酶对生长肥育猪的饲喂效果也十分显著。杨叶东等研究发现，在基础日粮中添加纤维素酶0.1%，皮×大×长杂交生长猪的平均日增重提高15.64%（P＜0.01），饲料报酬提高7.21%[9]。李德发等在平均体重为19 kg的生长肥育猪的小麦麸日粮中适量添加纤维素酶，结果发现，在试验期0～2周，生长肥育猪的平均日采食、平均日增重分别提高5.0%、6.2%；3～4周的生长肥育猪平均日增重提高了8.1%，料重比降低了6%，说明酶制剂的添加促进了生长肥育猪的生长，料重比得以提高[10]。任继平等在含鲁梅克斯K-1草粉6%日粮中添加纤维素酶0.15%，观察其对生长猪生长性能的影响时发现，纤维素酶能够显著提高生长猪2周的日增重（P＜0.05），而且日粮中干物质、有机物、总能和酸性洗涤纤维（ADF）的消化率均显著提高（P＜0.05），干物质、粗蛋白质、粗纤维等的表观消化率也得以提高[11]。王敏奇等试验表明，在35 kg生长猪的早籼稻型日粮中添加复合酶制剂0.2%，生长肥育猪的日增重显著提高（P＜0.05），料重比显著降低（P＜0.05）[12]。倪良振等在含ADF 5.8%水平日粮中添加纤维素酶组合，发现其对促进烟台黑猪和杜×鲁烟白猪养分消化率、氮的吸收利用率及回肠氨基酸表观消化率方面效果显著（P＜0.05或P＜0.01），进一步试验研究表明，ADF 5.8%水平试验日粮添加纤维素酶0.15%能极显著提高杜×鲁烟白生长猪的平均日增重（P＜0.01），降低料重比（P＜0.05），减少腹泻率（P＞0.05）[13]。申瑞玲等的研究表明，在含苜蓿草粉10%的日粮中添加复合纤维素酶0.1%可以显著提高育肥猪的平均日增重与饲料转化率（P＜0.05），对猪的胴体品质也有一定改善作用[14]。

4 纤维素酶的应用方法与注意问题

4.1 纤维素酶的应用方法

目前，国内外利用纤维素酶的方法主要包括体外酶解法和体内酶解法两种。体外酶解法是把纤维素酶与秸秆或其他粗饲料拌匀后，在一定温度、湿度和pH环境下堆积或密封发酵一定时间后，晾干或直接饲喂动物，该方法主要是在动物机体外将植物粗纤维降解，饲喂给动物后可以在体内直接被吸收。体内酶解法是把纤维素酶以添加剂的形式加入饲料中，与饲料拌匀后饲喂动物，借助动物消化道的内环境而发挥作用。纤维素酶在动物体内将食入的粗纤维逐渐降解，动物体内合适的温度、湿度、pH等使酶能够发挥极大的分解作用，充分利用酶制剂[15]。大量试验研究表明，饲料中添加纤维素酶对其他动物的饲喂效果也十分显著。许梓荣等在含麸皮30%的肉鸡日粮中添加β-葡聚糖酶、木聚糖酶和纤维素酶，结果表明，肉鸡日增重提高9.79%，饲料转化率增加4.76%，干物质、粗纤维、粗脂肪和粗灰分的消化率均有不同程度提高[16]。在实际生产中，通常将纤维素酶与半纤维素酶、果胶酶、β-葡聚糖酶等组成复合酶添加到饲料中，补足机体内缺乏的各种酶，在其共同作用下使得植物饲料中的各种物质得以分解[17]。复合酶制剂作为一种绿色饲料添加剂，不但可以促进动物对营养物质的消化吸收，提高饲料利用率，改善动物生长性能，且无毒副作用，无残留，在畜牧业生产中有着广泛的应用前景[18]。

4.2 纤维素酶应用的注意问题

纤维素酶解反应受温度、pH、底物浓度及纤维素、木质素含量的影响，不同种微生物产生的纤维素酶，其最适反应温度差别较大，多数研究表明，纤维素酶作用底物的最适温度为45～65℃；大部分纤维素酶的活性受pH的影响也较大，在最适pH下，酶反应速度最快，一般认为纤维素酶的最适pH为4.0～5.5[19]。因此饲料纤维素酶在实际生产应用中应注意以下几方面的问题：应根据动物机体本身的生理特点、营养需要以及动物饲料的结构来选择所需的酶制剂；注意尽量保持酶的稳定性，避免酶活性受到不必要因素的影响；饲用酶制剂反应条件必须与动物消化道生理条件相适应，动物消化道的生理条件不可更改，只有和酶制剂的反应条件相适应，酶活性才会最高；酶制剂经加工后应尽快使用，尽量缩短贮存时间，贮存时应放于干燥阴凉处，低温贮藏，温度过高、湿度过大、储存时间过长都会导致酶制剂失效[20]。

饲料成分复杂，其中很多物质都会影响酶制剂的活性，例如植物凝集素以及Cu2+、Ag+、Fe2+等金属离子对酶制剂均有负效应，Zn2+、Mg2+、Ca2+等金属离子对酶制剂具有激活作用[21]。而植物组织中含有天然的纤维素酶抑制剂，保护植物免遭霉菌的腐烂，例如植物体组织中存在高的氧化酶活力，能将酚类化合物氧化成醌类化合物，后者能抑制纤维素酶[22]。因此，在饲料酶制剂的保存及分级预混合过程中，尽量避免对酶制剂有不利影响的因素[23]。提高纤维素酶降解率的方法主要包括：通过筛选产酶菌种，筛选菌种培养条件，寻找高活性纤维素酶；采用各种方法处理纤维素（如物理、化学、生物等方法），使其更易于分解；筛选酶解工艺条件，包括温度、pH、酶促反应时间、激活剂等[24]。