李富伟 周响艳 冯定远
近年来，饲料酶制剂作为一种绿色饲料添加剂，在饲料工业和养殖行业中得到了普遍重视并广泛应用。例如，在以小麦为基础的日粮中添加木聚糖酶，在以大麦为基础的日粮中添加β-葡聚糖酶，可消除由可溶性的非淀粉多糖（SNSP），如木聚糖和β-葡聚糖等导致的抗营养作用，提高日粮的消化率，进而提高动物的生产性能；应用植酸酶来消除饲料中植酸的抗营养作用，节约磷酸氢钙，并减轻磷的排放所带来的环境污染等。但是，目前酶制剂在以玉米、豆粕为基础的单胃动物日粮中的应用还非常有限。尽管单胃动物对玉米的消化率较高，但对豆粕的能量利用率仅为50%～60%，单胃动物对豆粕能量的利用率如此低的原因可能是豆粕中含有22.7%左右的半纤维素是不能被单胃动物消化的非淀粉多糖（Stephen，1983）。如能降解或去除这些不可消化的成分就能提高豆粕的饲喂价值（汪儆，1996）。β-甘露聚糖是非淀粉多糖中的一种，具有较强的抗营养作用。甘露聚糖酶能有效地分解饼粕类饲料中的甘露聚糖，生成甘露寡糖等物质。多数试验研究表明，在玉米—豆粕型日粮中添加β-甘露聚糖酶可以提高动物的生产性能和健康水平。
1 β-甘露聚糖的抗营养作用
β-甘露聚糖是非淀粉多糖中的一种，它是以1, 4-β-D-吡喃甘露糖苷键连结的线状多糖，如果主链某些残基被葡萄糖取代，或半乳糖通过1,6-α-糖苷键与甘露糖残基相连形成分支，则称之为异甘露聚糖，主要有半乳甘露聚糖（galactomannan）、葡聚甘露聚糖（glucomannan）、半乳葡萄甘露聚糖（galactoglucomannan）(Elisabetta等，2000；Puls等，1993)。这些物质构成了植物半纤维素的第二大组分。大多数陆生植物细胞壁的半纤维素主要由木聚糖和甘露聚糖组成，需要很多酶系协同作用才能完全水解为可溶性糖（Biely等，1992；Hazlewood等，1998a）。
β-甘露聚糖及其衍生物是豆科植物细胞壁固有的组分之一，在豆科植物中的含量约为1.3%～1.6%（Jackson等，1999）。单胃动物肠道中不能分泌相关酶，因而β-甘露聚糖及其衍生物不能被消化酶分解，从而对动物生产性能造成负面影响。β-甘露聚糖对单胃动物的抗营养作用表现在以下几个方面：
① β-甘露聚糖及其衍生物在单胃动物的消化道内溶于水后形成凝胶状，使消化道内容物具有较强的粘性。食糜黏性的提高，一方面减少了动物消化酶与饲料中各种营养物质的接触机会，同时使已经消化了的养分向小肠壁的扩散速度减慢，降低了已经消化养分的吸收；此外，食糜黏性的增加还可以造成畜禽粪便含水量和黏稠度增加，影响了畜禽舍和周围的环境。
② β-甘露聚糖具有高的持水活性，可通过其网状结构吸收超过自身重量数倍的水分，改变其物理特性，抵制肠道的蠕动，影响消化。
③ 高亲水性的β-甘露聚糖与肠黏膜表面的脂类微团和多糖蛋白复合物相互作用，导致黏膜表面水层厚度增加，降低了养分的吸收（Johnson等，1981），表面水层厚度是养分吸收的限制因素。
④ β-甘露聚糖是表层带负电荷的活性物质，在溶液中极易与带相反电荷的养分物质结合，从而影响养分的吸收；β-甘露聚糖还能吸附Ca2+、Zn2+、Na+等金属离子以及有机质，造成这些物质的代谢受阻（李剑芳等，2004）；β-甘露聚糖与消化酶、胆盐结合，可降低消化酶的活性，并使胆酸呈束缚状态，导致胆固醇等脂类和类酯吸收减少，同时也影响脂类吸收微团的形成，影响了脂肪的消化吸收。
⑤ 未消化的β-甘露聚糖等非淀粉多糖可以与消化道后段微生物区系相互作用，造成厌氧发酵，产生大量的毒素（生孢梭菌等分泌的），抑制动物的生长；还可造成胃肠功能紊乱。
总之，β-甘露聚糖不仅阻碍了营养物质的消化吸收，还可以导致动物不同程度的腹泻，最终影响畜禽生长和饲料利用率（Cherbut等，1995）。
2 β－甘露聚糖酶的作用机理
β-1,4-甘露聚糖酶简称β-甘露聚糖酶，是一类能够水解含β-1,4-甘露糖苷键的甘露寡糖和甘露多糖（包括甘露聚糖、半乳甘露聚糖、葡萄甘露聚糖等）的内切水解酶，属于半纤维素酶类。β-甘露聚糖酶能将广泛存在于豆类籽实中的甘露聚糖等多糖降解为甘露寡糖等低聚糖，不仅消除了甘露聚糖对单胃动物各种营养素的抗营养作用，同时生成的甘露低聚糖在动物肠道中起着重要的调节作用。近年来随着对自然界半纤维素资源的开发应用，微生物β-甘露聚糖酶的开发和研究进入了一个新阶段。研究表明，在富含β-甘露聚糖的动物饲粮中添加外源β-甘露聚糖酶可以有效消除β-甘露聚糖的抗营养作用，从而提高动物的生长性能（Jackson，2001）。针对β-甘露聚糖的抗营养作用，β-甘露聚糖酶的作用机理主要表现在以下几个方面：
① 降低消化道内容物黏度。甘露聚糖在β-甘露聚糖酶的作用下降解为甘露寡糖等低聚糖，大大减少了β-甘露聚糖与水分子的相互作用，从而降低肠道内容物的黏度，有利于营养物质的进一步消化吸收。
② 破坏植物性饲料细胞壁结构，使营养物质与消化酶充分接触。植物细胞中淀粉和蛋白质等营养物质被细胞壁包裹，细胞壁是由纤维素、半纤维素、果胶等组成的一种复杂化合物，单胃动物不能很好地消化这一类物质。饲料中适当地添加能够分解这类物质的酶，可以破坏饲料中存在的植物细胞壁，使营养物质释放出来，提高饲料的营养价值。β-甘露聚糖是半纤维素的主要组成成分之一，添加β－甘露聚糖酶可起到降解细胞壁的作用。
③ 改善肠道微生物菌群和保护肠黏膜的完整性。甘露聚糖的降解产物为甘露低聚糖(MOS)，它能减少病原菌在肠道的定植，调节动物的免疫反应，保护肠黏膜的完整性，显著地促进动物肠道内以双歧杆菌(Bifidobacterium)为代表的有益菌的增殖，最终提高动物的生产性能(毛胜勇，2000)。甘露寡糖作为一种绿色饲料添加剂已经在饲料工业中得到较广泛的应用，甘露寡糖可选择性地抑制有害微生物在肠道中的增殖。微生物病原菌致病时，第一步是结合在消化道肠黏膜表面，这种结合是特异性的，其机理为细菌细胞壁表面蛋白，如植物凝血素(lectin)与动物肠道黏膜上皮细胞表面糖脂或糖蛋白的糖残基结合。但当肠道内存在一定量的MOS等寡糖时可结合细菌的植物凝血素，而减少了细菌与肠黏膜上皮细胞结合的机会，这样外源病菌就会被排出体外，根据竞争性排阻作用，促进有益菌在肠道中增殖。MOS 等类寡糖能促进细胞分泌含甘露糖基的糖蛋白，这些糖蛋白可结合侵入机体的细菌，从而调节机体的多级免疫反应，提高动物对抗疾病的能力。长期使用甘露低聚糖还可防止沙门氏菌、肉梭状芽孢杆菌等致病菌的感染及其在肠道的繁殖和定植，减少抗生素的添加量(Jackson，2001)。
3 β-甘露聚糖酶的来源及生物学特性
β-甘露聚糖酶广泛存在于自然界中，在一些低等动物（如海洋软体动物Littorina brevicula）的肠道分泌液中、某些豆类植物（如长角豆、瓜儿豆等）发芽的种子中以及天南星科植物魔芋萌发的球茎中都发现了β－甘露聚糖酶酶活的存在。而微生物（包括真菌、细菌和放线菌等）则是饲用β－甘露聚糖酶的主要来源，各种微生物产生β－甘露聚糖酶的条件和所产酶活性的高低、酶的性质和作用方式以及蛋白质一级结构等均有所不同。微生物来源的β－甘露聚糖酶具有活性高、成本低、提取方便以及比动植物来源的有更广的作用pH值、温度范围和底物专一性等显著特点，已在工业化生产和理论研究中得到了广泛的应用。
目前，已有许多不同来源的β-甘露聚糖酶获得了纯化，如田新玉（1993）首先报道了嗜碱性芽孢杆菌Bacillus sp.N16-5产生的3种胞外碱性β－甘露聚糖酶。杨文博（1995）、余红英（2003）、吴襟（2000）分别对地衣芽孢杆菌Bacillus lichienoformis NK-27产生的碱性β-甘露聚糖酶、枯草芽孢杆菌SA-22产生的中性β-甘露聚糖酶、诺卡氏菌形放线菌Nocardioform actinomycetesNA3-540C产生碱性β-甘露聚糖酶的纯化及性质作了报道。在真菌方面，田亚平（1998）、王和平（2003）分别就黑曲霉WX-96所产的β-甘露聚糖酶、里氏木酶RutC-30所产的酸性β-甘露聚糖酶进行了酶纯化和性质研究。国外Ademark（1998）和Yosida（1997）分别报道了黑曲霉、环状芽孢杆菌β-甘露聚糖酶的纯化和性质。微生物产生的β-甘露聚糖酶为多组分型，这些酶组分可能在分子量或等电点上有着微小的差别，但在水解甘露聚糖时活性却明显不同，存在一定的互补关系，这说明微生物β-甘露聚糖酶的诱导和分泌是一个复杂的代谢调节过程。
不同来源的β-甘露聚糖酶对不同来源的底物作用深度及其水解产物是不相同的。β-甘露聚糖酶水解底物的方式和深度主要与α-半乳糖残基和葡萄糖残基在主链中的位置、含量、酯酰化的程度有关。底物本身的物理状态也会影响酶对底物的作用，如结晶状态的甘露聚糖不易被降解。甘露聚糖经β-甘露聚糖酶作用后，通过HPLC或纸层析方法分析，主要产物是低聚糖（一般含2~10个残基），产物聚合度的大小与酶和底物的来源有关（McCleary，1988；田新玉等，1993；杨文博等，1995；Arison-Atac 等，1993），但相对来说很少或根本不产生单糖（甘露糖）。国内外对来源于不同菌种的β-甘露聚糖酶的生产有所报道，但多集中在碱性和中性β-甘露聚糖酶方面，而关于酸性β-甘露聚糖酶的微生物发酵生产国内很少有报道；而单胃动物饲料中使用的β-甘露聚糖酶要求是酸性的，因此，对酸性β-甘露聚糖酶的研究及进行工业化推广将在饲料工业中具有较大的应用潜力。
利用分子生物学手段，可以开发产酶活性高、适应性强的微生物菌种。β-甘露聚糖酶分子生物学的研究进展较快，到目前为止有Rhodothermus marinus（Politz等，2000）、Dictyoglomus thermophilum Rt46B1（Gibbs等，1999）、Aspergillus aculeatus（Christgau等，1994）、Bacillus stearothermophilus（Ethier等，1998）、西红柿种子（Bewley等，1997）等多种微生物和动植物的β-甘露聚糖酶基因先后被克隆和表达，这些为开发新的、能满足饲料工业需要的产酶菌提供了条件。
4 β－甘露聚糖酶在饲料工业中的应用
4.1 提高日粮能量的利用
最近，在国外进行的一些试验研究了β-甘露聚糖酶对典型玉米—豆粕型肉鸡、火鸡和猪日粮中能量的利用率的影响情况。其结果表明，饲喂加酶的低能日粮的肉鸡，其生长率和饲料利用率与饲喂不加酶的高能日粮的肉鸡相同；在火鸡试验中，低能日粮代谢能比高能日粮降低171.38～392.92 kJ/kg，而加酶低能日粮组的饲料利用率显著优于不加酶的高能日粮组，这表明加酶使饲料能量利用率得以改善(Jackson，2001)；在猪的试验中，日粮能量和酶对于饲料利用率的有利影响与肉鸡试验相同。这些试验结果表明，β-甘露聚糖酶可提高能量的利用率，具体表现为饲料利用率得到了改善，生长率得到了提高。加酶对低能日粮能量的补偿，肉鸡日粮代谢能为597.74 kJ/kg、猪日粮代谢能为418 kJ/kg (Jackson，2001)。Jackson等(1999)在玉米—豆粕型蛋鸡日粮中添加β-甘露聚糖酶，结果显著增加了蛋的重量，产蛋时间和总产蛋量也有所提高。在降低了蛋鸡日粮的能量水平后，添加酶制剂可以维持蛋鸡的生产性能。
4.2 提高畜禽体重整齐度
动物体重的整齐度是衡量生产性能的重要指标，在家禽生产中更是如此。有研究者用肉鸡和火鸡做的多次试验表明，添加β-甘露聚糖酶显著降低不同日龄时体重的变异系数（Jackson，2001）。这些研究结果表明，酶对饲料利用率和生产率提高的程度，不是仅仅用日粮能量利用率改善就能解释的。
4.3 促进动物健康
有研究者用肉鸡进行了两项试验来研究在可诱变疾病条件下日粮加酶的效果，其结果表明，加酶处理显著改善了感染鸡的生产性能，尽管差异不显著，但加酶和加药都使死亡率降低到了未感染鸡的水平(Jackson，2001)。这些试验表明，β-甘露聚糖酶能通过非去除β-甘露聚糖的途径来改善鸡的健康状况，这可能是β-甘露聚糖酶降解β-甘露聚糖的产物(甘露低聚糖)在发挥作用。因为甘露低聚糖能有效阻止肠道内病原菌的繁殖，使有益菌大量增殖，从而提高肠黏膜的免疫力，增强动物抵御疾病的能力(杨文博等，1995)。因此，酶在实际使用中的作用是一个综合效果的体现。
4.4 改善豆粕等谷物饲料的营养价值
豆粕在许多国家都是畜禽的主要蛋白源。豆粕中因含有大量非淀粉多糖，其能量利用率很低（<60%）。β-甘露聚糖作为NSP的一种成分，在豆粕中含量较高，这一成分对猪和家禽具有若干不良作用，包括减少葡萄糖、脂肪、水和氨基酸等在肠道的吸收。许多研究结果都表明，β-甘露聚糖酶能减少β-甘露聚糖对畜禽的抗营养作用，如降解β-甘露聚糖为低聚糖，提高豆粕的能量利用率等。β-甘露聚糖酶已被证实能提高玉米—豆粕型日粮的饲料转化率，并促进肉鸡及火鸡的日增重和饲料利用率，提高蛋鸡的生产性能（Jackson，2001）。
5 结语
外源酶对植物性蛋白饲料的作用效果，许多试验得出的结果并不一致。对这些观察结果有许多不同的解释。因为影响酶制剂作用效果的因素太多，特别是要准确地评定酶制剂在全价日粮中对特定底物的作用效果是很困难的。很多试验结果都表明，复合酶制剂的效果要优于单一酶制剂的效果，因此，进一步了解不同酶制剂之间的互作，尤其是碳水化合物酶，如纤维素酶、NSP酶（木聚糖酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶等）、植酸酶和蛋白酶之间的关系，使得人们能在不同的日粮底物和饲养环境下均能获得最大的投入产出比是以后研究复合酶制剂的方向之一。
另外，一些酶的降解产物，如甘露聚糖酶水解甘露聚糖的产物——低聚甘露糖，其本身并不能被动物利用，但它能抑制病原菌的定植，从而促进后肠道有益菌的大量增殖。因此，我们有必要更好地了解酶制剂在调控肠道微生物平衡中的潜在作用。今后的动物生产体系肯定是不能完全依赖预防和治疗药物的，这将为酶制剂与其它添加剂的协同作用提供参考依据。
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