木聚糖酶在青贮及反刍动物日粮中的应用

刘 伟,于凤民,马千鹏,特古斯巴雅尔,张晓华,张兴军,谭艺沅,贾玉山*

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院/农业农村部饲草栽培、加工与高效利用重点实验室/草地资源教育部重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010019; 2.巴林左旗农牧局,内蒙古 赤峰 024000; 3.巴林左旗林业和草原局,内蒙古 赤峰 024000;4.巴林左旗工信和科技局,内蒙古 赤峰 024000)

农业剩余物(秸秆)与饲草中存在丰富的多糖与木质素。纤维素、半纤维素、果胶组成了植物体细胞壁中最主要的三种多糖[4]。木聚糖作为半纤维素中最主要的多糖,是细胞壁中含量第二的多糖,仅次于纤维素[5]。木聚糖酶在20世纪80年代开始被使用,最初就用于制备动物饲料,后来用于食品、纺织、造纸等领域。Polizeli等[6]发现,木聚糖酶、纤维素酶及果胶酶可占世界市场酶的20%。木聚糖酶可催化木聚糖酶解,产生低聚糖和木糖[7]。木聚糖酶在饲草青贮与反刍动物日粮中已经进行了添加利用,且效果显著[8],酶通过与瘤胃微生物菌群协同作用可提升高瘤胃对纤维的降解,从而提高瘤胃的水解能力[9]。用木聚糖酶预处理的青贮和谷物饲料,可提高饲料的营养价值,有利于动物消化。木聚糖酶可通过分解黑麦(SecalecerealeL.)和大麦(HordeumvulgareL.)饲料中的多糖来降低饲料的粘度来增加反刍动物吸收[5]。通过在青贮(作为日粮)中添加酶制剂,可提高反刍动物瘤胃中微生物对青贮的利用效率,提高青贮饲料的消化率[10]。研究发现,在象草(PennisetumpurpureumSchum.)青贮中添加木聚糖酶,发酵后期可提高可溶性碳水化合物与乳酸含量,降低半纤维素含量[11]。此外,在反刍动物日粮中使用纤维化酶可增加干物质(DM)摄入量、降解纤维素与半纤维素含量、提高营养物质消化率,从而提高动物的生产性能[12]。本文通过探究关于木聚糖酶在青贮及反刍动物日粮中的应用,阐明木聚糖酶的作用及优势,为后续木聚糖酶在青贮或反刍动物日粮中的应用提供理论依据。

1 木聚糖与木聚糖酶

1.1 植物中木聚糖的组成

木聚糖是植物细胞中主要的结构多糖,多存在于植物细胞壁的次生壁上,约占植物生物量的20%～40%。木聚糖最常见的是以β-1,4-D-木糖链接的聚合物[13]。木聚糖中常见的主要结构有线性同木聚糖、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]。图1为木聚糖结构组成示意图,这些不同的木聚糖结构存在于不同种类的植物细胞壁中,不同的植物中的木聚糖组成、含量、分布各不相同,对比牧草来说,多数禾本科中的木聚糖含量比豆科要多[15]。木聚糖位于木质素残基鞘之间的中心位置,并在几个点上与该鞘共价连接和缠绕,同时通过氢键在纤维素底层链周围产生一层涂层[16]。木聚糖层与木质素的共价连接及其与纤维素的非共价相互作用可能是保持原位纤维素的完整性,同时为植物提供刚性和结构,保护细胞免受微生物攻击,但也降低了反刍动物对多糖的利用率[17]。

图1 木聚糖结构示意图Fig.1 Schematic diagram of xylan structure

1.2 木聚糖酶的来源及组成

木聚糖酶是解聚植物细胞壁中木聚糖的水解酶,木聚糖酶来源广泛,可由真菌、细菌、酵母、海藻、原生动物、蜗牛、甲壳类、昆虫、种子等产生,但木聚糖的商业来源主要是丝状真菌产生[5]。木聚糖水解酶可以将木聚糖水解,β-1,4-内切木聚糖酶通过催化木糖键水解,在木聚糖主链的降解中起着最重要的作用[17]。但木聚糖完全水解涉及一个多酶协同作用的系统,包括内切木聚糖酶、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、阿魏酸酯酶和对香豆素酸酯酶,通过这些酶的协同作用,木聚糖才能完全水解(图2)[4]。秸秆与饲草中含有大量的木聚糖,通过木聚糖酶预处理,可增加木糖含量,进而提高反刍动物对饲草的消化率[18],在生产实践中木聚糖酶通常与其他酶(葡聚糖酶、果胶酶、纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、植酸酶、半乳糖苷酶和脂肪酶等)共同使用来提高青贮或反刍动物日粮的利用效率,提高动物的生产性能。

图2 木聚糖的结构和参与其降解的木聚糖水解酶的作用位点Fig.2 Structure of xylan and the action sites of xylan hydrolase involved in its degradation

2 木聚糖酶在青贮中的应用及效果

酶是安全的天然添加剂,具有安全无毒、无残留、无污染等特点[19]。目前在多个研究领域中,为提高饲草营养品质与发酵品质,酶制剂正在取代化学添加剂,青贮中酶制剂的使用也越来越多[20]。青贮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,提高微生物发酵底物浓度,促进微生物发酵,更快地达到青贮保存条件,同时降低了半纤维素浓度,提高青贮饲料纤维利用率(图3)[21]。

图3 木聚糖酶在青贮中的利用Fig.3 Utilization of xylanase in silage

2.1 青贮中木聚糖酶的添加量

木聚糖酶的活性表示为每毫升酶每分钟释放木糖的微(μ)摩尔值,酶活性单位可用U或IU表示,添加浓度一般用μg·mL-1,μL·g-1,U·g-1或IU·g-1干物质(DM)或鲜重(FW)等表示。Jin等[22]研究中木聚糖酶和内切葡聚糖对大麦青贮添加量分别为424和180 U·kg-1FW。Thomas等[23]研究纤维化酶(木聚糖酶、纤维素酶,50∶50)活性为35 000 U·g-1对5 kg高粱(SorghumbicolorL.)青贮的使用量为1.34 mL,并溶于200 mL的蒸馏水中混合添加。Del等[24]研究甘蔗(Saccharumspp.)青贮中添加不同浓度的纤维化酶(0,100,200,300和400 mg·kg-1DM),根据回归分析得出,当青贮饲料中木聚糖酶含量为211 mg·kg-1DM时,其pH含量最低,同样,在185 mg·kg-1DM时,乙酸浓度最高。Eun等[25]研究发现玉米(ZeamaysL.)青贮中添加木聚糖酶(807 U·g-1DM)与内切葡聚糖酶(477 U·g-1DM)可有效释放酶制剂的活性,提高纤维降解的效率。Tang等[26]研究了纤维化酶(纤维素酶+木聚糖酶)不同添加量(0,2.5,5.0,7.5 g·kg-1DM)对水稻(OryzasativaL.)青贮体外消化的研究,发现酶制剂水平在7.5 g·kg-1DM时,干物质体外消化率(IVDMD)与有机物体外消化率(IVOMD)的值最大。Mariana等[27]指出木聚糖酶与纤维素酶在中间水平(313 000～342 000 mL·kg-1DM)时可降低纤维含量,并提高可溶性碳水化合物的含量,促进乳酸发酵。

因此,青贮中木聚糖酶的用量可综合所用木聚糖酶的活性程度与青贮材料本身的木聚糖含量,来估算或找出适宜的添加浓度,这样可有效节约酶的成本,达到较好的预期目标。

2.2 木聚糖酶促进青贮微生物发酵

乳酸菌发酵需要利用青贮原料中的戊糖、己糖进行发酵从而产生乳酸,进而降低青贮pH值,抑制有害微生物发酵,减少发酵营养损失,使青贮饲料得以长期保存[28]。同型发酵乳酸菌(Homofermentative lactic bacteria)一般利用葡萄糖进行发酵,异型发酵乳酸菌(Heterofermentative lactic bacteria)一般可利用戊糖或葡萄糖进行发酵[29],但青贮原料中可代谢糖含量不足时将导致乳酸发酵不完全或发酵失败。Dehghani等[30]指出在青贮饲料中添加木聚糖酶+纤维素酶可以溶解细胞壁碳水化合物中一些易于消化的部分,从而为微生物发酵提供底物,因此,在低糖、高蛋白质和高缓冲能值而难以青贮的牧草中,添加酶制剂可以有效地提高青贮发酵质量。乳酸菌(LAB)以可代谢的糖为能量来源进行厌氧发酵,酶制剂的作用是可以提高原料中可代谢糖的含量来促进青贮[31]。Campana等[27]指出木聚糖酶+纤维素酶可降低纤维含量,增加微生物发酵底物浓度,进而促进异型乳酸发酵,并降低有氧暴露后的青贮温度。

复杂的青贮原料导致了青贮发酵的诸多问题,其中原料的可代谢糖含量低是限制青贮发酵的主要原因之一,通过木聚糖酶与其它酶制剂联合使用来降解植物中多糖,为青贮中微生物发酵提供充足的底物,使青贮快速的达到保存条件,降低营养损失,是提高饲草利用率有效手段。

为了满足高放射性核废料处置库中对膨胀性能的要求，使膨润土的膨胀力处于一个合适的值，论文拟充分利用纳米氧化硅和纳米氧化钙的优点，开展纳米氧化硅联合纳米氧化钙调控膨润土的膨胀性试验，研究纳米氧化硅和氧化钙对膨润土膨胀特性的协同影响，并从微观角度揭示其调控的机理。

2.3 木聚糖酶对青贮营养与发酵品质的影响

添加外源性纤维水解酶(即木聚糖酶和纤维素酶等)和接种剂(菌剂)已成为提高青贮饲料中纤维利用率的策略之一[32]。在苜蓿青贮中,酶制剂可通过清除结构屏障,促进微生物对可消化部分的利用,从而提高降解速率[33]。添加木聚糖酶与β-葡聚糖酶可提高乳酸(LA)含量,青贮发酵三天后pH显著降低,同时提高了有氧稳定性,最终提高了玉米青贮饲料的饲料价值[34]。Thomas等[23]表明木聚糖酶与纤维素酶(50∶50)降低了所有高粱品种的中性洗涤纤维(NDF)的含量,改善了MMR和S700D(MMR与S700D均为高粱品种)青贮的DM、NDF、酸性洗涤纤维(ADF)和粗蛋白(CP)的消失动力学,尤其是结构碳水化合物浓度最大的品种S700D,同时增加了MMR青贮的有氧稳定性。Bruna等[35]通过在全株玉米青贮中添加可产复合酶的白腐真菌(Phanerochaetcchrysosporium),发现这种复合酶可有效降低材料中的木质素浓度。Dehghani等[30]研究表明在青贮前添加木聚糖酶与纤维素酶可增加乳酸和葡萄糖含量,降低丁酸浓度,降低青贮液中的pH值,同时降低了NDF的浓度。利用外源性纤维水解酶和乳酸菌接种剂对甘蔗进行预处理,可改善发酵特性和提高木质纤维素降解,此外,外源性纤维水解酶和乳酸菌接种剂可以有效降低草酸[36]。

Kuprys-Caruk等[37]研究发现,与市售木聚糖酶相比,布氏乳杆菌(Lactobacillusbuchneri)M B 00077菌株产生的木聚糖酶有更好降解木聚糖的能力,提升了青贮饲料品质。纤维素酶+木聚糖酶(75∶25)可显著提高玉米青贮饲料的中性洗涤纤维降解率(NDFD)和酸性洗涤纤维降解率(ADFD)[38]。同时也有研究表明,添加木聚糖酶与内切葡聚糖降低了纤维消化率,发现酶制剂对全大麦作物青贮效果较差[22]。Del等[24]研究发现在甘蔗青贮中使用木聚糖酶与纤维素酶改变了发酵特性和化学成分而对有氧稳定性没有产生显著影响,但中间水平的酶制剂(约200 mg·kg-1)降低了NDF的水解程度。

木聚糖酶与其它酶制剂混合使用表现出了很好的NDFD特性,不同植物对木聚糖酶响应程度不同,这也导致木聚糖酶在青贮中有不同的作用效果,最终影响营养和发酵品质。

3 木聚糖酶在反刍动物日粮中的应用及效果

用木聚糖酶与其它酶制剂预处理的反刍动物日粮饲料可以降低其纤维含量[39],提高瘤胃微生物的数量,从而提高反刍动物对植物细胞壁的消化速率[40],使反刍动物获得更多的能量,最终可以提高动物的生产性能(图4)。

图4 木聚糖酶在反刍动物日粮中的应用Fig.4 Application of xylanase in ruminant diet

3.1 反刍动物日粮中木聚糖酶添加量的研究

反刍动物日粮中木聚糖酶的使用量也是根据所用日粮纤维含量、组成与酶活性进行添加的,通过测定动物瘤胃中NDF和ADF变化,可进行调整和优化酶的使用量[33]。Eun等[25]研究在奶牛饲草日粮中外源纤维化酶使用量为1.25 mL·kg-1DM。Yang等[39]研究日粮蚕豆(ViciafabaL.)青贮中混合添加了7个剂量(0,0.25,0.5,0.75,1,1.25和1.5 mL·kg-1DM)的木聚糖酶与纤维素酶,酶活性依次为350 000 BXU·g-1,10 000 U·g-1(一个BXU表示每分钟能从桦木木聚糖中释放0.06 μmol木糖当量),酶制剂使用量在0.5 mL体外NDFD最高,可达30%。Tao等[41]研究了以60%大麦青贮、30%大麦秸秆和10%补充剂(依据DM)作为反刍动物日粮的饲料配比,饲喂前喷洒在大麦秸秆的木聚糖酶用量为6.6×104IU·kg-1DM。Phakachoed等[33]表明,通过青贮玉米中添加活性程度不同酶制剂(0,2,4,8 μL·g-1DM),得出纤维素酶+木聚糖酶添加活性在8 μL·g-1DM饲喂效果最佳。Elghandour等[42]研究含玉米青贮的反刍动物日粮中木聚糖酶与纤维素酶添加量分别为0.038 U·g-1DM和0.033 U·g-1DM,当反刍动物日粮中青贮玉米比例增加时,酶制剂的作用更大。Schingoethe等[43]研究在反刍动物日粮中添加三种模式的纤维化酶(分别是7 500,10 700,16 050 U·kg-1DM木聚糖酶组合 2 000,2 850,4 300 U·kg-1DM羧甲基纤维素酶)都具有较好的效果。Silva等[44]研究了不同木聚糖添加量在反刍动物日粮中的作用,试验添加量分别为0,8,16,24 g·d-1,综合结果得出木聚糖添加量在8和16 g·d-1效果较好。

木聚糖酶与其它酶制剂混合使用应考虑动物日粮中纤维含量及瘤胃消化效率,并综合酶制剂活性进行适量添加,通过饲喂试验可以进行酶制剂的优化,同时提高饲料利用率的还要考虑酶制剂的成本,这样可更有效、科学的使用酶制剂。

3.2 木聚糖酶对反刍动物日粮利用率的影响

外源性纤维水解酶通过增强附着或改善瘤胃微生物对细胞壁基质利用来加速消化速度,在含有玉米和高粱的低粘度饲料中添加木聚糖酶,可以改善消化道初始部分的营养物质消化,从而更好地利用能量[45]。Yang等[39]发现木聚糖酶与纤维素酶高度影响了全株蚕豆青贮奶牛的瘤胃降解特性,提高了全株蚕豆青贮利用效果。王国秀等[46]发现,纤维素酶和木聚糖酶处理的大麦秸秆可提高瘤胃中12 h、36 h的NDFD和ADFD,提高了玉米秸秆在瘤胃中12 h的DM降解率。外源性纤维水解酶(木聚糖酶+羧甲基纤维素酶+淀粉酶)不仅可以通过作用饲料底物来改善反刍动物的消化率,还具有降低蛋白质水解和改善营养物质消化的潜力,瘤胃中木聚糖酶和β-葡聚糖酶活性水平的增加还可以提高十二指肠食糜纤维化活性[47]。木聚糖酶+内切葡聚糖酶添加降低了NDF和半纤维素的浓度,增加了可代谢糖浓度和干物质消化率(DMD)[48]。酶制剂处理的底物在水中比在瘤胃液中孵育产生更大的DMD,添加酶可使水中的DMD和NDFD分别增加10%和39%,但对瘤胃液中的DMD和NDFD没有影响,表明酶制剂的消化前作用大于瘤胃作用[49]。研究表明,木聚糖酶+纤维素酶可用于提高大麦基础日粮的消化率,但大麦日粮中酶制剂的最佳配方和添加量有待进一步探讨[50]。

反刍动物日粮主要以粗饲料为主,并且粗饲料的来源非常广泛,高效利用粗饲料需要酶制剂进行辅助,通过木聚糖酶与其它酶制剂预处理可提高反刍动物日粮中粗饲料的NDFD,但在提升反刍动物日粮利用率的同时还要保证酶制剂最佳的使用量,这样可以保证饲喂效益与动物健康[51]。

3.3 木聚糖酶对瘤胃微生物的影响

木聚糖水解的产物是许多瘤胃菌群的营养来源。植物细胞壁被瘤胃细菌、真菌和原生动物的组合降解,细菌和真菌占约80%的降解活性,原生动物占20%[52]。琥珀酸纤维杆菌(Fibrobactersuccinogenes)、黄相瘤胃球菌(Ruminococcusflavefaciens)和白色瘤胃球菌(Ruminococcusalbus)通常被认为是瘤胃植物细胞壁降解的主要微生物[53]。瘤胃微生物可以产生水解纤维的酶,但是复杂的细胞壁结构和饲草在瘤胃中停留的时间限制了反刍动物对纤维的消化程度,尤其是细胞壁成分的不溶性、结构的复杂性和初始的难以接近性[54]。Wang等[55]报道,在使用瘤胃液的分批培养系统中,补充酶制剂可增加非纤维化和纤维化细菌的数量。通过使用酶制剂刺激瘤胃微生物数量,可以产生更大的微生物生物量,从而提供更多酶活性来消化饲料。Yang等[56]表明,奶牛日粮中添加酶制剂增加了瘤胃对饲料消化和瘤胃微生物的蛋白流量。外源酶制剂在反刍动物中的作用模式是直接和间接作用的结合,同时作用于饲料和瘤胃微生物群[57]。

瘤胃菌群的健康是保证反刍动物高产的保障,通过木聚糖酶结合其它酶制剂来调节和帮助瘤胃微生物对高纤维日粮的消化是必要的,在减轻瘤胃微生物压力的同时使反刍动物获得更多的能量。

3.4 木聚糖酶对反刍动物生产性能的影响

木聚糖酶可以分解饲料成分中的阿拉伯木聚糖,降低原料的粘度,通过在反刍动物动物饲料中添加木聚糖酶,可以提高肉牛乳脂含量和肉牛的酮体产量[1]。木聚糖酶具有提高奶牛消化率和产奶量的潜力,因为消化率相对于潜在的消化率较低。但当消化率较高时,酶制剂将不会提高消化率[58]。研究表明木聚糖酶与纤维素酶混合添加到反刍动物日粮中,牛奶产量可增加3.6%～10.8%,能量校正乳产量可增加7%～16%[44]。在全株蚕豆青贮饲料中添加木聚糖酶,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会对动物的生产性能产生负面影响[59]。Nair等[34]表明,与对照相比,添加木聚糖酶与纤维素酶没有提高奶牛的任何生长性能。纤维素酶和木聚糖酶可提高体外瘤胃气体动力学,从而在进一步的体内实验中证实可提高反刍动物的生产性能[42]。

在含玉米青贮的反刍动物日粮中使用高浓度内切葡聚糖酶与低浓度木聚糖酶的组合酶可显著提高奶牛生产性能[25]。Kung等[60]研究指出干物质摄入量、产奶量、乳脂均不受木聚糖酶与纤维素酶影响,但经酶制剂预处理青贮体外气体产量(GP)高于对照。研究表明,补充木聚糖酶可改善DM和NDF的摄入量,增加了咀嚼和反刍的时间,导致瘤胃中短链脂肪酸总量增加,但木聚糖酶没有提高泌乳期奶牛的产奶量或改变牛奶成分[44]。以百慕大草为基础的反刍动物日粮中添加木聚糖酶,发现DMI和产奶量显著增加,木聚糖酶可以提高日粮中百慕大草10%的利用效率,进而提高泌乳奶牛的生产性能[61]。Tao等[41]则指出DM、NDF和ADF的采食量和总食道消化率不受木聚糖酶影响,瘤胃pH在不同处理之间也无差异,木聚糖酶添加没有提高幼体母牛的NDFD。

粗饲料中纤维含量较高,限制了反刍动物对粗饲料的采食量和消化率,通过木聚糖酶与其它酶制剂的添加,有助于提高反刍动物的纤维消化能力和生产潜力,进而提高动物生产性能。

4 结论

近年来,以提高农业残留物(玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆等)利用率来解决粗饲料短缺问题已成为热点研究问题,关键的步骤是将植物中的多糖和木质素进行水解。通过在高纤维青贮或反刍动物日粮中添加木聚糖酶,可有效促进微生物发酵,提高饲料利用率,改善反刍动物生产性能,获得更高的效益。在反刍动物日粮中酶制剂的使用量及饲喂效果还存在很多争议,但是,酶制剂对植物多糖的降解是非常有效的措施,同时,在多糖降解过程中减少酶制剂的使用成本尤为重要。对于不同来源的青贮材料及不同组成的反刍动物日粮,建立特定酶制剂种类及最佳使用量非常关键,酶制剂的使用量直接影响反刍动物的瘤胃健康与饲喂成本。木聚糖酶与其它酶制剂联合使用已经表现出非常好的效果,后续的研究中应根据不同的青贮原料、反刍动物日粮及饲喂对象来调整优化酶制剂的使用策略,在保证反刍动物健康的同时提高饲料利用率,提高动物生产性能。