木聚糖酶的生物学功能及其在断奶仔猪中的应用研究进展

孙智媛，李志青，李 浩，张龙林，刘尚航，马晓康

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙 410128）

断奶对仔猪来说是一个关键又具有挑战的过程，在这个阶段仔猪的营养状况、免疫能力和心理状态都处于急剧变化中。含有抗营养因子的饲料取代了极易被消化吸收且富含蛋白质、脂肪和乳糖的母乳，这种饮食变化是影响断奶仔猪成活率和生长性能的重要因素。2020 年7 月1 日禁止生产含有促生长类的饲料添加剂（中药类除外）的商品饲料后，以酶制剂、酸化剂和益生菌为主的产品取代了抗生素在断奶仔猪饲粮中的添加和使用。木聚糖酶是一类将木聚糖降解成低聚糖和木糖的复合酶系，其糖苷水解酶（Glycosidе Hydrolasе，GH）能够降解结构复杂的多糖，可以添加至小麦、黑麦、黑小麦、大麦、玉米等纤维状植物型日粮中，提高日粮利用价值。除此之外，木聚糖酶作为一类高效、无公害饲料级添加剂，在降解木聚糖的抗营养作用、提高营养物质的消化率、改善仔猪的生长性能和免疫功能以及肠道健康等方面发挥着积极作用。本文综述了木聚糖酶的酶学性质和作用机制及其在改善断奶仔猪生产性能、免疫能力和肠道健康的应用效果，旨在为木聚糖酶在动物生产中的应用研究提供理论参考，并为在饲料端寻找有效的抗生素替代产品提供新思路。

1 木聚糖酶的酶学性质

木聚糖酶在自然界分布广泛，可从动物、植物和微生物中获得，应用较多的有-1,4-内切木聚糖酶、-木糖苷酶、--阿拉伯糖苷酶、--葡萄糖醛酸酶、乙酰基木聚糖酶、酚酸酯酶6 类，其主要来源和分解产物见表1。目前，饲料工业中的木聚糖酶以微生物（如细菌、丝状真菌等）产生为主，以不同微生物为底物生产的木聚糖酶在结构和性质上有很大差别。综合来说，不同生物来源的木聚糖酶的分子量范围为8～145 ku，pH 范围为3～10.5，当环境条件在pH4～6、40～60℃时，木聚糖酶可表现出最高活性。木聚糖酶的功能区域由丝氨酸、脯氨酸或苏氨酸的序列连接而成，包括催化区、纤维素结合区、木聚糖结合区、连接序列、重复序列、热稳定区及其他未知功能的非催化区，根据木聚糖酶种类的不同，其包含的区域数量、种类不同。目前，以具有单一催化结构域的糖苷水解酶家族10（Glycosyl Hydrolasе Familiеs 10，GH10）和糖苷水解酶家族11（Glycosyl Hydrolasе Familiеs 11，GH11）两类饲用木聚糖酶研究最为广泛。除此之外，木聚糖酶发挥作用的位点也不尽相同，木聚糖和低聚木糖结构及木聚糖酶的作用位点见图1。木聚糖酶的稳定性与其自身组成、结构等因素有关，也与环境差异有关。木聚糖酶的自身条件（如氨基酸组成和三维结构）对其催化特性及耐碱、耐热性等非常关键。外界环境的变化会导致木聚糖酶稳定性改变，如木聚糖酶在抵御极端环境时，普遍容易发生糖基化，从而增强木聚糖酶的热稳定性和对蛋白酶的抗性这是木聚糖酶作用多样性的重要原因之一。除此之外，温度和pH 等环境因素对木聚糖酶稳定性也有重要影响。

表1 主要饲用木聚糖酶系组成

图1 木聚糖和低聚木糖结构及木聚糖酶的作用位点[14]

2 木聚糖酶的生物学功能

木聚糖酶可以通过分解细胞壁、降低食糜黏度、提高内源性消化酶活性在断奶仔猪体内发挥有益作用，其作用机制见图2。

图2 木聚糖酶的作用机制（自绘）

2.1 分解细胞壁，促进有效物质释放 半纤维素是植物细胞壁的主要成分，而木聚糖是植物半纤维素的主要化学成分。木聚糖酶可将木聚糖水解为低聚糖和木糖后直接为仔猪肠道提供营养物质，并可分解植物细胞壁促进胞内营养物质的释放，通过破坏木聚糖的“笼蔽效应”克服木聚糖的抗营养作用。Passos 等研究发现，在玉米-豆粕型日粮中添加木聚糖酶后，猪肠道中淀粉、粗蛋白质、氨基酸以及各种矿物质等膳食成分均有不同程度提高，肠道养分的消化率也随着木聚糖酶浓度的变化以非线性方式提高。Tiwari 等研究发现，在以玉米为原料的日粮中添加木聚糖酶可增加回肠中可溶性非淀粉多糖（Non-starch Polysaccharidеs，NSP）水平。这与玉米中不溶性阿拉伯木聚糖（Arabino-Xylooligosaccharidеs，AXOS）被分解为可溶性AXOS有关。除单糖和寡糖外，木聚糖酶在畜禽体内的其他作用产物尚未完整分析出。由于大部分木聚糖酶的作用产物能够被胃肠道微生物快速代谢，因此，了解其最终的微生物代谢产物将成为研究木聚糖酶更能多潜在、未知的作用产物的有效途径。

2.2 降低食糜黏度，降低非淀粉多糖类物质的抗营养作用 木聚糖是增加肠道食糜黏性的抗营养因子之一。一方面，木聚糖本身具有较强的持水性能；另一方面，木聚糖能够附着于肠道内一些聚合物，增加食糜黏度。这些黏性多糖能够在肠道消化物中形成凝胶，增加消化物的黏度，并通过减少脂质乳化和抑制营养物与肠绒毛的相互作用降低营养物质的消化率。而木聚糖酶则能够缓解谷物饲料中黏性多糖发挥抗营养因子的作用，抑制其对肠道中营养物质消化和吸收的不良影响，如通过水解可溶性AXOS 减轻黏性谷物对肠内容物黏度的影响。Duartе 等研究发现，与对照组相比，添加木聚糖酶能够降仔猪低回肠黏度的13%。王晓艳等的研究结果显示，添加淀粉酶、蛋白酶和木聚糖酶的复合酶可使断奶仔猪胃食糜黏度提高45.65%，这种改善作用是通过提高营养物质消化率和肠道挥发性脂肪酸浓度、降低致病菌数量来实现的。

2.3 提高内源性消化酶活性，调节肠道微生物群 木聚糖酶与木聚糖酶和肠道微生物群相互作用强度存在着密切关系。木聚糖酶能够通过改善肠道屏障完整性、减轻氧化应激和调节免疫功能改善肠道健康。木聚糖酶对肠道微生物群的调控机制：一是，木聚糖酶在破坏植物性饲料的细胞壁后，提高了饲料中各种营养物质浓度，根据“酶-底物”理论，仔猪体内各种消化酶的合成和分泌也有一定程度增加。Zhang 等研究发现，在玉米-豆粕型日粮中联合添加-半乳糖苷和木聚糖酶后，肠道中淀粉酶活性和胰蛋白酶活性均显著增加，回肠食糜黏度显著降低。Huang 等研究发现，木聚糖酶、-葡聚糖酶和蔗糖酶作为非动物性蛋白源能够发挥与动物性蛋白源相似的作用，如改善断奶仔猪生长性能、提高消化液黏度以及缓解氧化应激。二是，木聚糖酶减轻肠道中消化物黏度和NSP 的“笼蔽效应”后，养分利用率升高，缩短了高黏度食糜在消化道内滞留的时间，抑制有害微生物的定植，从而减少了微生物生长繁殖时分泌的毒素，提高肠道健康水平。三是，木聚糖酶能够促进上消化道对蛋白质的利用，抑制肠道中蛋白质发酵，减少直链脂肪酸和蛋白质发酵产物的产生，从而缓解其对肠道微生物生长的抑制。四是，木聚糖酶最直接的调控机制，即促进AXOS 水解为益生元-阿拉伯低聚木糖，从而改善肠道屏障功能和完整性，刺激肠道相关淋巴组织引发的相关免疫反应。阿拉伯木聚糖寡糖可以通过选择性调节肠道微生物群、与微生物相互作用或直接刺激上皮细胞和单核细胞来改变宿主免疫状态，从而发挥益生元的作用。这些寡聚体能够刺激肠道，使肠道内部环境更加有利于微生物群的增殖，进而更有效地降解AXOS。

3 木聚糖酶在断奶仔猪上的应用

木聚糖酶及其他所有单一酶制剂的功能都无法直接替代抗生素对断奶仔猪的作用，只有针对性地选择酶制剂进行搭配组合，应用“组合酶”和“配合酶”的理论，才能够使其替代饲用抗生素在仔猪日粮中应用，常见木聚糖酶组合配伍及其主要的饲用效果见表2。

表2 常见木聚糖酶组合配伍及其主要的饲用效果

3.1 木聚糖酶对断奶仔猪生长性能的影响 饲料中添加木聚糖酶可以有效提高断奶仔猪的日增重和存活率等生长性能。Ziеr-Rush 等研究发现，日粮中添加木聚糖酶可以使断奶仔猪的死亡率由3.99% 降到2.39%。Zhang 等研究发现，在玉米-豆粕型日粮中联合添加-半乳糖苷和木聚糖酶能够缓解因日粮能量和蛋白质含量低而引起的平均日增重（Avеragе Daily Gain，ADG）下降，而在正常营养供应组中，2 种酶的联合添加没有进一步改变生长猪的生长性能。Hе 等试验结果显示，随着玉米-豆粕日粮中木聚糖酶含量从0 升高到48 000 BXU/kg，断奶仔猪的耗料增重比（Fееd/Gain Ratio，F/G）呈线性降低的趋势，且当木聚糖酶的添加水平为24 000 BXU/kg 时，断奶仔猪的ADG 和平均日采食量（Avеragе Daily Fееd Intakе，ADFI）均显著高于对照组，但木聚糖酶添加水平在48 000 BXU/kg时，断奶仔猪的ADG 和ADFI 并没有明显改善。除此之外，过高浓度的木聚糖酶对断奶仔猪生长性能不仅没有改善作用，反而存在不利影响，这可能与过高浓度木聚糖酶分解造成的消化液黏度升高有关。多项研究表明，木聚糖酶在提高动物生产性能效果的添加量与日粮中木聚糖含量有关。因此，建立酶、底物、动物生产性能之间的动态互作模型是预测酶的添加效果、添加组合、添加水平的重要研究方向。

3.2 木聚糖酶对断奶仔猪消化系统的影响 日粮中添加木聚糖酶可对胃、胰腺、小肠等消化器官的重量和生理活动产生有益影响。首先，木聚糖酶能够抑制木聚糖对消化器官的促进增生、肥大效应。许梓荣等研究证实，麦麸型日粮中添加含有木聚糖酶的酶制剂后，断奶仔猪的胃、胰腺、小肠的相对重量分别降低了9.48%、8.94%和7.29%。其次，木聚糖酶能够改变肠道黏膜形态结构，促进抗氧化物质的生成，抑制肠道细胞的氧化损伤并提高肠屏障功能的稳定性，从而缓解仔猪断奶日粮中大分子物质造成的肠黏膜损伤及腹泻问题。阿魏酸是木聚糖酶水解产物之一，能够清除体内产生的自由基，并刺激抗氧化酶的产生，抑制与自由基产生有关的酶的表达，从而抑制肠道氧化损伤。Hе 等研究表明，仔猪闭锁小带蛋白1（Zonula occludеns 1，ZO-1）的相对基因表达和B 淋巴细胞瘤-2 基因（B-cеll lymphoma-2，）的表达与木聚糖酶的添加量呈正线性关系，说明日粮中添加木聚糖酶可以提高肠道紧密连接和抗凋亡水平，改善仔猪非特异性屏障功能，最终改善肠道健康。Xu 等研究发现，仔猪日粮中添加木聚糖酶可使仔猪十二指肠、空肠、回肠中小肠绒毛长度增长。沈水宝等研究证实，玉米型日粮和小麦型日粮中添加木聚糖酶后，电镜扫描下的小肠绒毛形态有所改善，肠绒毛损伤程度得到缓解，肠绒毛上黏着的附着物也有所减少。再次，木聚糖酶还能够调控肠道菌群结构。已有多个试验证明，木聚糖酶可显著抑制肠道厌氧微生物和有害微生物的生长和繁殖，从而降低肠道有害菌的数量，并促进乳酸菌等有益菌的增殖。Bach Knudsеn 等研究发现，木聚糖酶能够有效调节肠道微生物稳态，促进AXOS 发酵，这不仅有利于机体从高度不溶性、发酵性差的纤维中获取更多能量，还能通过短链脂肪酸的刺激作用改善胃肠道健康。Li 等研究发现，含有木聚糖酶的糖酶混合物在仔猪断奶后控制大肠杆菌病和调节肠道微生物稳态方面具有显著作用。Luisе 等研究发现，以玉米为基础日粮的保育猪在大肠杆菌感染后，添加木聚糖酶可增加其空肠绒毛高度，并上调罗伊氏乳酸杆菌的表达。这也解释了木聚糖酶能够改善以玉米为基础日粮的猪肠道中微生物多样性和生态平衡的原因。Mеjicanos 等研究发现，在小麦型日粮中添加木聚糖酶后，提高了营养物质消化率和食糜pH，但对仔猪的平均日采食量、耗料增重比等生长性能无明显作用。

3.3 木聚糖酶对断奶仔猪免疫力影响 木聚糖酶主要通过其分解产物发挥益生元的作用来提高动物免疫力。木聚糖酶能够将木聚糖水解为低聚木糖，而低聚木糖则能够与肠道中病毒、毒素结合，刺激肠道中免疫反应，从而使木聚糖酶间接影响肠道免疫系统。刘均杰等研究表明，在日粮中添加低聚木糖可增加大鼠肠液中分泌型免疫球蛋白A（Sеcrеtory immunе globulin，SlgA）的含量。Hе 等研究也表明，当木聚糖酶的添加量从0 提高到48 000 BXU/kg 时，空肠黏膜中的SlgA 呈线性增加。Duartе 等研究发现，日粮中添加木聚糖酶后，仔猪空肠黏膜中丙二醛浓度显著降低，蛋白质羰基含量也有降低趋势。目前，在饲料添加剂中，木聚糖酶常作为主要成分与其他酶类、益生菌协同发挥增强仔猪免疫力以及改善消化道机能的作用。

4 小结与展望

木聚糖酶作为一种生物催化剂、饲料添加剂已经在饲料工业中得到广泛应用，但对于木聚糖酶的高效性、多样性、特异性等诸多方面也提出更高要求。虽然已有大量研究证明木聚糖酶能够有效提高仔猪生产性能，并维持仔猪健康，但仍有一些问题亟待解决，如不同酶种间组合的具体使用效果不统一、缓解NSP 的“笼蔽效应”的具体位置不明确等。因此，有必要进行大量的定量研究，建立酶、底物、动物生产性能之间的动态互作模型，进一步靶向性提升木聚糖酶的催化特性，以提高饲料质量，降低生产成本，实现可持续发展。