饲用木聚糖酶的研究进展及应用

中国农业科学院饲料研究所 丁 强

当前玉米等常规饲料原料供应日趋紧张，可将麦类及杂粕类等非常规原料用于饲料生产以降低养殖成本，但其含有一定量的抗营养因子，饲料利用效率较低。研究表明，添加木聚糖酶可以提高麦类及杂粕类等非常规饲料的饲料转化效率，促进养分的消化吸收，维持肠道微生态以及降低污染。目前，已将不同来源的木聚糖酶应用于畜禽及水产生产中，并取得了良好的社会效益和经济效益。本文就木聚糖酶的研究进展及其在饲料中的应用进行综述。

1 木聚糖酶的研究进展

1.1 木聚糖酶的分子结构域 木聚糖酶是可将木聚糖降解成低聚糖和木糖的一类酶的总称。内切-1，4-β-木聚糖酶（EC3.2.1.8）作用于木聚糖主链，随机切开木聚糖内部的木糖苷键，将其分解为低聚糖。不同来源的木聚糖酶在结构和性质上有很大的差别。有的木聚糖酶只含有单一区域即催化区，有的同时具备催化区和多种非催化区。多区域木聚糖酶分子结构中含有催化区（Catalytic domain，CD）、纤维素结合区（cellulose-binding domain，CBD）、 木聚糖结合区 （xylan-binding domain，XBD）、锚定区（dockerin domain，DD）、连接序列 （linker sequence）、 重复序列 （repeated sequence）、热稳定区（thermostabilising domain）及其他未知功能的非催化区等，这些区域承担着不同的生理功能。

木聚糖酶的催化区承担着酶的水解功能，并作为该酶分类的基础。虽然不同木聚糖酶分子在其氨基酸组成的数目和种类上相差很大，但其催化区大小比较一致。谷氨酸和天冬氨酸在催化区的特定位置是决定其催化特性的关键因素。研究表明，同一族的木聚糖酶的催化结构域具有同源性。Zui等（2000）发现，有6种以上第10族木聚糖酶的催化区表现高清晰度的X－Ray结构。木聚糖酶的底物结合区差异较大，一些木聚糖酶的底物结合区对木聚糖有特异性，所以又称之为木聚糖结合区（XBD）。一般这些底物结合区并不影响酶的催化活性，但对不溶性底物有着特殊作用。木聚糖酶分子中的功能区域之间由连接序列相连，此序列的长度变化很大，一般为6～59个氨基酸（Black等，1994）。该序列中或含有较多的丝氨酸残基，或含有较多的脯氨酸和苏氨酸，不同来源木聚糖酶的连接序列间的同源性一般不高。

1.2 酶的家族 Henrissat等（1989）按照酶催化结构域的初级结构将常见的糖苷水解酶分为不同的家族，到2005年达到96个家族。同一家族的酶具有相似的三维结构和分子机制。在这一分类系统中，一般认为木聚糖酶仅局限于家族10和11。近年来的研究发现在 5、7、8、16、26、43、52 和 62家族中也有酶具有木聚糖酶活性。在这一分类系统中，10和11家族是最主要的木聚糖酶家族。10家族不仅包括内切-1，4-β-木聚糖酶，还包括内切-1，3-β-木聚糖酶和纤维二糖水解酶等其他酶系。这一家族的酶具有高分子量低等电点，分子结构中有（α/β）8 桶状结构（Lo等，1999）。 与 10 族木聚糖酶相比，11家族的酶具有较多的底物结合位点，主要作用于长链的木寡糖，作用产物可以被10族木聚糖酶进一步分解（Biely等，1993）。

1.3 木聚糖酶的理化性质 微生物木聚糖酶是分子质量在8～145 kDa的单亚基蛋白质。来源于真菌或细菌的内切型木聚糖酶的最适温度一般为40～60℃。通常细菌所产木聚糖酶热稳定性比真菌所产木聚糖酶好。不同微生物所产木聚糖酶所能耐受的pH值为3～10，最适pH值一般为4～7。不同木聚糖酶的等电点为3～10（Kulkarni等，1999）。许多真核微生物所产木聚糖酶可发现糖基化的现象，通常认为糖基化与酶抵御极端环境维持其稳定性相关。不同的糖基化作用和蛋白酶解是木聚糖酶多样性的重要原因之一。

1.4 木聚糖酶的基因工程 Panbangred和Fukusaki（1985）首次利用大肠杆菌表达矮小芽孢杆菌（Bacillus.pumilus IOP）β-木聚糖酶。随后已有数十种不同来源的木聚糖酶基因在原核生物表达系统中实现了表达。由于克隆的木聚糖酶基因表达水平往往比在原始菌株中低，许多研究者尝试通过改变宿主菌和使用具有高效表达启动子的载体构建新型高效表达基因工程菌，这不但可以提高酶的表达量而且使一些木聚糖酶能分泌到胞外 （Ruller等，2006；Ernst等，1990；Whitehead 和Hespell，1990）。

目前，对木聚糖在不同真核系统中的表达也进行了研究。在真核基因的表达系统中应用最普遍的是酵母表达系统、昆虫细胞表达系统、动物乳腺表达系统、丝状真菌外源表达系统、植物基因表达系统以及T7RNA聚合酶-Φ10启动子偶联表达系统等。研究证实，酵母表达系统作为成熟的表达系统已使多种不同来源的木聚糖酶实现了高效表达（张红莲等，2003；Moreau 等，1992）。

研究发现，在哺乳动物和植物中也可表达木聚糖酶基因。Fontes等（1999）将来源于Clostridium thermocellum的木聚糖酶基因XYLY'转入哺乳动物细胞MDCK和转基因小鼠的胰脏实现了木聚糖酶的表达。杨培龙等（2006）发现，来源于橄榄绿链霉菌（Streptomyces olivaceoviridis）A1 的木聚糖酶XYNB在烟草中可高效表达木聚糖XYNB，所表达的目的蛋白约占叶片总蛋白含量的6%，酶活性约为170 IU/g鲜叶片。

由于木聚糖酶在天然材料中表达水平低，难以大规模生产，并且产物难以纯化，因而木聚糖酶尚未得到广泛应用。通过基因工程在分子水平上对木聚糖酶基因进行改造，可以提高木聚糖酶的应用价值。陆建等（2002）和杨浩萌等（2006）分别对木聚糖酶的比活性和热稳定性进行了有效的改良，提高了其应用潜力。

2 木聚糖酶在饲料中的应用

2.1 家禽日粮 木聚糖酶在家禽日粮中的应用较为广泛。研究表明，木聚糖酶能有效促进饲料营养物质的吸收消化，提高家禽的生产性能。徐骏等（2007）报道，添加0.05%木聚糖酶使试验组仔鸡增重提高，而料重比降低。王海英等（2003）在小麦日粮中添加木聚糖酶后，肉鸡耗料增重比和小肠食糜黏度显著降低，死淘率降低71.9%，能量利用率和蛋白质、脂肪、淀粉的消化率显著提高，改善了肉仔鸡的生产性能，达到甚至超过玉米日粮的饲喂效果。廖细古等（2006）试验表明，在玉米-豆粕型日粮中添加250 g/t和500 g/t的木聚糖酶，可以使整个阶段肉鸭生长增重分别比正对照组提高2.77%和4.96%；料重比分别下降1.85%和2.11%。木聚糖酶也可以用于提高日粮的表观代谢能（AME）。王修启（2003）在肉鸡的不同小麦型日粮中添加木聚糖酶，AME提高了6.53%～7.07%。王金全等（2004）报道，添加木聚糖酶能够提高肉鸡粪AME，并且随着日粮中小麦水平的提高，AME的提高幅度越大，木聚糖酶在1～3周龄肉鸡的效果显著好于4～6周龄。研究表明，木聚糖酶还有利于提高家禽对营养物质的利用率。王修启（2003）在肉鸡不同小麦日粮中添加木聚糖酶，提高了干物质和有机物的消化率。谭权和张克英（2008）试验表明，添加3000 IU/kg木聚糖酶对小麦的干物质、能量和粗蛋白质利用率提高幅度最大。

2.2 家畜日粮 木聚糖酶的添加也可以促进纤维在反刍动物瘤胃中的消化。Beauchemin（2000）在育肥期公牛大麦基础日粮中添加高活性的木聚糖酶制剂，其饲料转化率提高11%，采食量降低5%。Yang等（2000）使用含有高活性的木聚糖酶和纤维素酶的复合酶有效提高了奶牛的全消化道消化率。还有研究表明，木聚糖酶制剂会影响奶牛产奶量。Kung等（2007）报道，低剂量复合酶处理（每千克饲料含纤维素酶3500 IU和木聚糖酶16000 IU）能提高日产奶量。穆天龙（2008）的研究也获得类似的结果，最佳复合酶制剂用量是2∶1的纤维素酶和木聚糖酶，大约是每千克干物质的粗饲料添加3500 IU的纤维素酶和13350 IU的木聚糖酶。袁巧灵和张美丽（2006）报道，在杂交仔猪饲料中添加木聚糖酶，其日增重和饲料转化率分别比对照组提高了22.32%和7.25%，试验组仔猪腹泻发病率比对照组降低了10%，表明在日粮中添加木聚糖酶可提高日粮中养分的消化率，降低仔猪腹泻发病率，对仔猪的生长性能具有明显改善作用。俞沛初等（2005）研究表明，添加木聚糖酶可显著提高仔猪对能量、干物质、粗蛋白质、粗脂肪、粗纤维、粗灰分的表观消化率，同时结果还显示，添加外源性酶可刺激仔猪肠道某些内源性消化酶的分泌。

2.3 水产动物日粮 高春生等（2006）报道，在基础饲料中添加0.05%～0.2%木聚糖酶饲喂草鱼，结果发现草鱼增重率提高，饵料系数降低，干物质、粗蛋白质、粗脂肪和粗纤维的消化率提高。目前有关水产用饲料中饲用酶制剂的研究及应用较少。水产动物消化道pH一般呈中性或微碱性（李馨等，2009）。因此，水产用木聚糖酶的研制应以开发获取中性或碱性等性质适宜的木聚糖酶为主。

3 木聚糖酶在饲料中应用存在的问题

3.1 稳定性 目前，饲用木聚糖酶主要来源于细菌、链霉菌、曲霉、青霉和木霉等微生物。真菌木聚糖酶的活性通常高于细菌木聚糖酶，但是耐热稳定性低于细菌来源。温度和pH值是影响酶有效性的关健因素。由于饲料制粒过程中有一个短暂的高温过程和动物胃肠道内宽泛的pH值条件，理想的的饲用木聚糖酶应是耐高温和在广泛的pH范围内仍能保持高酶活的酶种。针对此问题，一方面可以通过多种选育方式筛选耐高温的产酶菌株，另一方面也可以通过生物工程手段对已有酶种进行有效改良，产生具有多种优良工业性质的复合酶。目前，一些酶制剂生产工艺条件粗放（如高温、高压、重金属离子、氧化剂和极端pH条件），天然酶的酶活性会遭到极大破坏，使酶的生产和使用受到限制。固体发酵饲料用酶制剂生产工艺还不成熟，造成产品质量不如液体发酵稳定，在生产中有时带入杂菌，给应用带来一定的不利因素（张晓晖等，2006）。

3.2 添加量 有关木聚糖酶在不同饲料中的添加水平报道并不一致。在实际使用时应考虑不同产品的酶活性、饲喂对象、生理阶段以及饲料组合，否则可能因用量不当难以达到最优的应用效果。

3.3 酶活性检测 酶活测定方法的不同会导致评估工作的困难，长时间以来不同的研究人员已对木聚糖酶的活性测定方法进行了摸索。GB/T 23874-2009《饲料添加剂木聚糖酶活力的测定分光光度法》已于2009年10月1日开始实施，为今后饲用木聚糖酶的活性测定制定了统一的标准。

4 结语

饲料业的快速发展对当前的饲用酶制剂的生产开发提出了更高的要求。利用多种手段筛选分离改良最终获得性质优良的饲用木聚糖酶，对缓解我国饲料资源的不足，提高饲料的利用率以及动物的生产性能起到巨大的推动作用。另外，在加强产业化的同时，还应对木聚糖酶的作用机制及促生长机理进行深入研究，以期研制出更适合于不同饲料原料和需求的酶制剂产品，更好推动木聚糖酶在饲料中的广泛应用。

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