葡萄糖氧化酶在动物日粮中的应用及其作用机理

叶帮同，陈清华

（湖南农业大学动物科技学院，长沙　410128）

葡萄糖氧化酶在动物日粮中的应用及其作用机理

叶帮同，陈清华

（湖南农业大学动物科技学院，长沙410128）

葡萄糖氧化酶是从黑曲霉的无细胞提取液中发现的一种需氧脱氢酶，在有氧气存在的环境下，能高度专一地催化β-D-葡萄糖生成葡萄糖酸和过氧化氢，其广泛地分布于动物、植物和微生物体内且对机体无害。文章探讨了葡萄糖氧化酶在动物日粮中的应用及其作用机理。

葡萄糖氧化酶；机制；应用

在过去的畜牧生产实践中，抗生素作为饲料添加剂发挥了很大作用，但抗生素的弊端也随之显现，例如药物残留、动物体内菌群失调、耐药菌株的出现等，目前世界各国都在禁止抗生素作为饲料添加剂的使用。因此，对无污染无残留的环保型饲料添加剂的研究愈来愈受到重视。饲用酶制剂是微生物发酵的天然产物，是一种安全的绿色饲料添加剂。饲料中外源添加酶制剂能够充分利用和节约饲料资源，提高饲料转化率，减少环境污染。

1　葡萄糖氧化酶

葡萄糖氧化酶（GOD）是一种需氧脱氢酶，属于氧化还原酶类，有氧环境下，β-D-葡萄糖能够被葡萄糖氧化酶专一氧化成D-葡萄糖酸-δ-内脂和过氧化氢，D-葡萄糖酸-δ-内脂自发水解成葡萄糖酸。Reed指出，早在1904年，葡萄糖氧化酶就被发现，只是当时并没有引起足够的重视[1]。方军成等指出，直至20世纪20年代末，Muller首先从黑曲霉菌丝体无细胞提取液中发现了葡萄糖氧化酶，对其进行了葡萄糖酸形成的酶学研究，并且进一步研究阐述了葡萄糖氧化酶的作用机理[2]。目前GOD主要由青霉和黑曲霉等菌株生产，是一种安全无污染，无毒无害的绿色饲料添加剂。

1.1酶学性质

葡萄糖氧化酶通常呈黄色或淡黄色，粉末状，易溶于水，可制成液体制剂，但完全不溶于酒精、乙醚等有机溶剂。此外，浓度为55%的丙酮和66%的甲醇都能使葡萄糖氧化酶沉淀，氧化铝和弱酸性的离子交换树脂能有效吸附葡萄糖氧化酶。葡萄糖氧化酶的最大光吸收波长是377和455 nm。不同来源的葡萄糖氧化酶的相对分子质量较大[4]。葡萄糖氧化酶在pH 5.0~5.6时，酶活性最高并基本保持不变，葡萄糖氧化酶的反应温度为30~60℃。李艳等指出在温度为-15℃的条件下，葡萄糖氧化酶可保存8年[5]。宋海彬等研究表明，葡萄糖氧化酶的稳定性很高，氰化钾、氟化钠等并不能抑制其活性，但Na2SO3和Ag+等能够抑制其活性，而Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+等对葡萄糖氧化酶有激活作用[6]。肖志明等研究表明，葡萄糖氧化酶的反应速率与底物-葡萄糖的浓度无关，当葡萄糖浓度为5%~20%，反应速率几乎保持不变[4]。

1.2空间构造

葡萄糖氧化酶的空间结构是同型二聚体结构，有两个相同的糖蛋白经过二硫键共价结合，且每个糖蛋白单体还含有两个区域：部分辅基通过非共价的β折叠形式紧密结合；与底物β-D-葡萄糖通过4个α螺旋与支撑一个反向平行的β折叠形式结合。

1.3反应特性

刘超等研究表明，葡萄糖氧化酶能够通过消耗氧分子或者氧原子从而达到保护食品中易氧化成分的目的[7]。其催化反应的类型按照反应条件可以划分为3种：存在过氧化氢酶时，C6H12O6+1/2O2→C6H12O7，反应氧化1 mol C6H12O6消耗1 mol氧；无氧化氢酶时，C6H12O6+O2→C6H12O7+H2O2，反应每氧化1 mol葡萄糖消耗1 mol氧；过氧化氢酶和乙醇同时存在时，C6H12O6+CH3CH2OH+O2→C6H12O7+H2O2+ CH3CHO，过氧化氢酶用于氧化乙醇。

1.4催化反应底物特异性

刘欣研究表明，葡萄糖氧化酶具有高度专一的底物特性，如葡萄糖氧化酶对α-D-葡萄糖的催化活性不及对β-D-葡萄糖的1%，而且对L-葡萄糖完全没有活性[8]。葡萄糖氧化酶在不同底物条件下的催化速率见附表。

2　葡萄糖氧化酶的功能

葡萄糖氧化酶自20世纪末中国农业部批准使用以来，其作为一种安全的绿色饲料添加剂具有抑菌、促生长作用，且无毒，无抗药性，其不同于抗生素，不产生抗药性也没有药物残留等情况。

附表　葡萄糖氧化酶在不同底物条件下的催化速率

2.1改善饲料质量，防霉抗氧化

葡萄糖氧化酶在参加反应生成过氧化氢的同时消耗氧气，使其在畜牧生产中可同时作为抗氧化剂和防霉抑菌剂。反应过程中消耗氧气抑制需氧型细菌的生长，保证了饲料营养不流失；过氧化氢具有的杀菌作用可以抑制霉菌的生长，使饲料中霉菌毒素的含量得到明显的降低，从而延长饲料保质期。

2.2改善肠道消化环境，促进营养物质消化吸收

肠道内的葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下产生葡萄糖酸，葡萄糖酸作为一种酸性物质使肠道内的酸性增加，食糜pH降低，有害细菌的生长得到抑制，促进有益细菌如乳酸杆菌的生长繁殖，为其创造良好的生长环境条件，使畜禽的免疫力也有一定程度的提高。酸性条件还能保持蛋白酶的活性，促进氨基酸、脂肪酸等营养物质的吸收利用，饲料利用率得到有效提高。Biagi等研究表明，葡萄糖酸通过促进更多的短链脂肪酸的产生来提高断奶仔猪的平均日增重[9]。

2.3解除霉菌毒素中毒，降低霉菌超标危害

霉菌毒素是霉菌在生长繁殖过程中的二次代谢产物，影响动物肠道的健康。相比于普通的饲料防霉剂以及霉菌毒素吸附剂，葡萄糖氧化酶在解除动物霉菌毒素中毒以降低危害方面有独特的作用。防霉剂只能抑制霉菌毒素，一旦饲料发生霉变，则难以消除霉变饲料所带来的危害；霉菌毒素吸附剂能够吸附黄曲霉毒素等严重危害动物健康的毒素，对已中毒的动物并无解毒作用。相反，葡萄糖氧化酶不但能够直接抑制黄曲霉和青霉等霉菌，还能直接参与到动物体内的氧化还原反应，进入肝脏后能够加速肝脏的氧化还原反应，加速有毒物质的代谢。胡常英等试验表明，500 ppm黄曲霉毒素B1浓度下，加入固体葡萄糖氧化酶，小鸡35周内存活率较不加酶组高出21%，完全解除体内黄曲霉毒素B1毒性，体征也恢复正常[10]。赵艳姣等研究表明，当饲料中黄曲霉毒素B1<67.77·kg-1时，葡萄糖氧化酶0.35%添加到饲料中可缓解霉变饲料对小鼠造成的不利影响[11]。

2.4清除自由基，保护肠道上皮细胞

畜禽处于应激状态时，机体发生氧化，产生过量的自由基，超过机体自身清除自由基的极限，从而破坏肠道上皮细胞，但其能被具有抗氧化作用的葡萄糖氧化酶清除而保持肠道上皮细胞的完整性，有效阻止病原体的入侵。宋海彬等研究表明，机体重要的抗氧化酶-超氧化物歧化酶（SOD）能够通过清除超氧阴离子自由基（AOR）从而使细胞免受损伤[12]。机体内脂质过氧化物丙二醛（MDA）的含量以及超氧化物歧化酶的活性能够反映机体清除AOR的能力和细胞受损的程度，其在肉鸡饲粮中添加不同剂量的GOD，肉鸡血清中丙二醛的水平和超氧化物歧化酶的水平得到了不同程度的改善。此外，董秀梅等试验表明，在肉鸡饮水中添加复合微生态制剂使血液中SOD和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）得到极显著的提高（P< 0.01），极显著降低MDA的含量（P<0.01）[13]。

2.5保护肠道菌群平衡，提高机体免疫力

赵国先等研究试验表明，饲粮中添加葡萄糖氧化酶制剂能够极显著的抑制42日龄肉鸡盲肠内大肠杆菌的数量，此外双歧杆菌和乳酸杆菌的数量有了明显的提升[14]。Tsukahara等研究表明，葡萄糖可能发挥类似于益生元的作用，增加肠道的酸性，乳酸菌等微生物利用完葡萄糖酸后，产生的短链脂肪酸仍持续影响着肠道的酸性[15]。汤海鸥等在仔猪基础日粮中添加葡萄糖氧化酶100 g·t-1后，仔猪粪便中的沙门氏菌数量显著降低，仔猪肠道健康得到很好的改善[16]。

3　葡萄糖氧化酶的应用

葡萄糖氧化酶作为一种饲料添加剂，当前研究集中在于肉鸡、蛋鸡和仔猪的养殖上。

3.1猪

断奶仔猪由于断奶所导致的应激反应以及饲料形状的改变加之其本身免疫系统不够完善，抵抗力低下，且消化道系统发育还未完善，造成仔猪的营养物质消化吸收不好，从而影响发育。据报道日粮中加入葡萄糖氧化酶制剂之后，情况能够得到一定程度的改善。方金津等研究表明，28日龄的断奶二元杂交仔猪（杜洛克×山猪）试验组添加葡萄糖氧化酶500 g·t-1相比于对照组，仔猪日增重提高10.96%，料肉比降低10.6%，毛利润增加28.07元·头-1，促生长效果显著[17]。汤海鸥等试验表明，添加葡萄糖氧化酶组仔猪的粪便中所含沙门氏菌数显著低于对照组（P<0.05），且其血液中三碘甲腺原氨酸（T3）、促甲状腺激素（TSH）、生长激素（GH）含量均显著高于对照组[16]。安文亭等选用28日龄断奶的杜×长×大三元杂交仔猪试验，结果表明，饲粮中添加葡萄糖氧化酶不但有助于脂肪、蛋白质、纤维和能量的消化率（P<0.05）得到显著的提高，而且腹泻率以及死淘率较对照组分别降低24.58%~49.76%和12.35%~55.76%[18]。

3.2鸡

赵国先等研究表明，按照单因子随机分组试验测定葡萄糖氧化酶对蛋鸡产蛋性能和血液生化指标的影响，在日粮中分别添加葡萄糖氧化酶0.3%后，与对照组相比，产蛋率提高16.06%（P> 0.05）；破壳率降低49.66%（P>0.05）。当饲料中葡萄糖氧化酶的添加量为0.3%和0.4%时，饲料的转化率得到显著提高，葡萄糖氧化酶4%添加组能使肌酸激酶的活性显著降低，血清总蛋白含量降低[19]。庞加满等研究表明，饲料中添加葡萄糖氧化酶对35日龄黄羽肉鸡的生产性能无影响，但能影响36~70日龄的黄羽肉鸡的日增重以及料重比[20]。孙春阳等将葡萄糖氧化酶和酵母硒作为复合添加剂研究对规模化白羽肉鸡肉品质，抗氧化性能和生长性能的影响，结果表明，试验组肉鸡胸肌肉色a值和b值分别显著高于对照组和显著低于对照组（P<0.05）；42日龄时，试验组肉鸡血清超氧化物岐化酶，总抗氧化能力以及谷胱甘肽过氧化物酶较对照组显著提高7.96%、13.23%、19.01%（P> 0.05），丙二醛（MDA）则降低34.93%；死淘率显著降低32.41%，料重比降低3.85%，平均日增重显著提高1.53%（P<0.05）[21]。

3.3其他动物

葡萄糖氧化酶作为被农业部批准允许添加的酶制剂之一，其不但广泛应用到养猪以及养鸡等行业，应用在反刍动物和家兔中也有报道，葡萄糖氧化酶能够影响青贮饲料以及降低幼兔的腹泻率和料肉比等。吕进宏等研究表明，将葡萄糖氧化酶加入到长膘的牛的青贮饲料中有很好的效果，这与青贮的制作原理有关，葡萄糖氧化酶反应消耗氧气，正好对青贮有利，提高饲料青贮的程度，缺氧加速乳酸菌的繁殖发酵过程，迅速降低pH，从而保证青贮的质量[22]。吴艳芳等对断奶仔兔进行葡萄糖氧化酶试验，仔兔的料肉比随着葡萄糖氧化酶浓度的提高而降低，各个试验组之间脾腺和胸腺等免疫器官指数并无明显差异[23]。刘亚娟等研究表明，幼兔中添加葡萄糖氧化酶能够降低腹泻率，且随浓度的提高，呈现降低的趋势[24]。

3.4食品行业

某些食品由于其化学特性，导致在加工、储藏、运输和销售等环节容易腐败而变质，从而使其营养价值和经济价值受到一定程度的影响。现大多采用低温冷冻的保存方式，但这种方式并非适用于所有的食品，如虾类由于体内存在一种多酚氧化酶，这种酶即使在冷冻冰藏时却依然保持着酶活性，因此褐变难以避免。马清河等研究表明，葡萄糖氧化酶具有很好的保鲜性能，虾类经过以葡萄糖氧化酶为主要成分的保鲜剂浸渍处理后，冷藏120 h，依然能保持二级鲜度，冷冻储存12个月依然能保持二级鲜度[25]。研究表明，葡萄糖氧化酶在防止果汁氧化和抑制果汁褐变方面有很好的效果，而且能够延长果汁的保质期，保持果汁风味[26]。

4　小结

尽管此前有较多关于葡萄糖化氧化酶在畜牧生产中应用的报道，但是相关机理研究尚不明确，有待进一步研究。此外，由于葡萄糖氧化酶分离和纯化的复杂性，导致尚不能规模化生产活性较高的葡萄糖氧化酶。利用基因工程等创新技术来提高葡萄糖氧化酶产量、活性以及纯度，是未来的研究方向之一。

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The Application of Glucose Oxidase in the Diet of Animals and Its Mechanism

YE Bangtong,CHEN Qinghua
（College of Animal Science and Technology,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China）

Glucose oxidase is an aerobic dehydrogenase from the Aspergillus niger of a cell-free extract,it can catalyze with highly specific β-D-glucose to generate C6H12O7and H2O2with oxygen existing,and distributed in ani⁃mals,plants and microorganisms widely and harmless to body.This paper discussed the application of Glucose oxi⁃dase in the diet of animals and its mechanism.

glucose oxidase;mechanism;application

S816.7；TQ925+.4

A

1001-0084（2016）05-0014-04

2016-04-18

叶帮同（1991-），男，江西南昌人，硕士研究生，研究方向为饲料酶制剂的开发与应用。