饲用β-甘露聚糖酶的研究进展

谢志恒，崔细鹏，周平发，史宝军

（广东溢多利生物科技股份有限公司，广东 珠海 519060）

β-甘露聚糖酶是一类能够水解含有β-1,4-甘露糖苷键的甘露聚糖及其衍生物（半乳甘露聚糖、葡萄甘露聚糖、半乳葡萄甘露聚糖）的内切水解酶，属于半纤维素酶类，能消除甘露聚糖对单胃动物各种营养物质的抗营养作用，其分解产物甘露寡糖在动物肠道中也起着重要的调节作用[1]。随着对自然界半纤维素资源的开发、饲料β-甘露聚糖抗营养因子的消除以及甘露低聚糖药用价值，β-甘露聚糖酶的研究和利用已进入一个新阶段。

1 β-甘露聚糖酶的来源及理化性质

1.1 来源

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翡翠贻贝、蜗牛、淡菜等肠道分泌液中，植物芝麻、番茄、胡萝卜等种子，豆类植物四棱豆、长角豆、瓜儿豆等发芽种子以及天南星科植物魔芋粉萌发的球茎中，微生物细菌中的芽孢杆菌、假单胞菌、弧菌等，真菌中的曲霉、木霉、青霉等，放线菌中链霉菌等都发现β-甘露聚糖酶活性的存在[2-3]。微生物是饲用β-甘露聚糖酶的主要来源，微生物来源的β-甘露聚糖酶具有很多优点，例如酶活性高、生产成本低、提取方便、pH和温度作用范围广以及底物专一性较高，因此已经在工业化生产和理论研究中得到广泛的应用。

赵娜等从蜗牛肝脏组织中分离出β-甘露聚糖酶[4]。赫崇慧研究发现番茄中存在甘露聚糖酶，并与多聚半乳糖苷酶、果胶酯酶和纤维素酶之间存在协同关系，影响着果实的软化[5]。张清霞等从土壤分离到1株β-甘露聚糖酶产量高的菌株Bacillus sp.N-6，通过比较16S rDNA序列相似性及生理生化性状鉴定为枯草芽孢杆菌[6]。吴襟等报道了诺卡氏菌形放线菌Nocardioform actinomucetes NA3-540可产生碱性β-甘露聚糖酶[7]。程池等以稻草和麸皮为基质通过里氏木霉Rut C-30进行固体发酵，对其产生的非淀粉多糖酶（NSP酶）进行分析，结果表明，里氏木霉Rut C-30产生的NSP酶系较全，其中包括β-甘露聚糖酶[8]。随着研究不断深入，越来越多的动物、植物和微生物被陆续地发现存在甘露聚糖酶活性。

大量研究表明，微生物生产β-甘露聚糖酶的机制虽然不尽相同，但大多数以胞外诱导酶的形式存在于生物体，只有很少的以结构酶形式存在，对于大部分产β-甘露聚糖酶的微生物，在培养基中添加少量的甘露聚糖（例如甘露聚糖、魔芋粉、槐豆胶或其水解物），能极大提高产酶水平。Lin等以脱脂椰子肉（含甘露聚糖）作为碳源进行Aspergillus niger NCH-189发酵，产酶能力提高400%[9]。随着微生物生产研究的不断深入，高产菌株的发现和发酵条件的优化，β-甘露聚糖酶的微生物产业生产进程进一步加速。邬敏辰等以黑曲霉LW2129菌株三角瓶固态发酵试验为基础，经曲盘固态发酵试验进一步放大到30 m3固态发酵罐生产的产业化规模，酶活性可达干曲26 725～29 218 U·g-1[10]。

1.2 理化性质

不同微生物所产的β-甘露聚糖酶的相对分子质量、pH和温度作用范围、等电点、酶动力学常数、底物专一性等都有一定差异。细菌中研究最多的是芽孢杆菌，其产生β-甘露聚糖酶等电点为4.0～5.0，最适pH除嗜碱芽孢杆菌为9.0～10.0外，其余多为5.5～7.0，最适反应温度为50～70℃，一般都有较强的耐热性；真菌来源的β-甘露聚糖酶等电点为4.0～5.0，最适pH为4.5～5.5，最适反应温度为55～75℃，相对细菌而言，其pH的稳定性、最适反应pH都偏低，耐热性也比芽孢杆菌弱；植物细胞产生的β-甘露聚糖酶最适反应温度和耐热性比细菌和真菌低，最适反应pH为4.5～5.5[11-12]。

周芳从土壤中筛选出一株较高产β-甘露聚糖酶的芽孢杆菌属菌种，并对其产的β-甘露聚糖酶进行分离纯化，此酶最适反应的pH为7.0，最适反应温度为50℃，＜50℃酶活力稳定。酶对魔芋胶、刺槐豆胶和瓜儿豆胶的Km值分别为3.97、8.79和17.56 mg·mL-1，Vmax值分别为 9.02、12.44和 20.92 μmol·min-1·mL-1[13]。朱劼等将纯化的黑曲霉Asper⁃gillus niger WM20-11所产的酸性β-甘露聚糖酶经IEF-PAGE测得酶的等电点为4.0，最适pH和温度分别为3.5和70℃，酶对角豆胶的Km和Vmax分别为 66.7 g·L-1和 333 μmol·min-1·mL-1[14]。

2 β-甘露聚糖酶的分子生物学结构和作用方式

2.1 分子生物学结构

近年来，随着β-甘露聚糖酶的应用越来越广泛，对β-甘露聚糖酶研究也不断深入，其结构研究也取得了突破性进展。目前，对β-甘露聚糖酶的结构研究主要集中在微生物产的β-甘露聚糖酶方面，已经有十几种微生物产的β-甘露聚糖酶分子生物学结构被解析。研究表明，大部分β-甘露聚糖酶具有催化域和非催化域两部分，催化域折叠成TIM桶状结构，参与底物的结合与催化；非催化域是碳水化合物结合域，采用经典的三明治结构，可以增强结合有纤维素的甘露糖水解能力，但是有一些复杂的β-甘露聚糖酶不止具有1个催化域。根据β-甘露聚糖酶催化域的特点，所有已知的β-甘露聚糖酶被分为2个糖苷水解酶家族，即家族5和家族26[15-16]。

细菌中研究最多的是芽孢杆菌产的β-甘露聚糖酶，Ma等从枯草芽孢杆菌N16-5中分离纯化出一种碱性β-甘露聚糖酶，该酶的基因（manA）包括一个长1 479 bp的开放阅读框（ORF），与糖苷水解酶家族5的基因具有高度同源性[17]。近年来真菌来源的β-甘露聚糖酶的结构研究也备受关注，Hag⁃glund等从里氏木霉产物中分离出的β-甘露聚糖酶基因（Man5A）包括一个N端的催化元件和一个C端碳水化合物结合元件（CBM），Man5A属于糖苷水解酶家族5，CBM起到结合纤维素的作用，促进纤维素的降解[18]。

2.2 作用方式

β-甘露聚糖酶是一类能够水解含有甘露糖的多糖水解酶的总称，一般可分为外切β-甘露聚糖酶和内切β-甘露聚糖酶。对于甘露聚糖类物质的降解主要依靠内切β-甘露聚糖酶，其对底物有严格的键专一性，即β-甘露聚糖酶能够降解甘露聚糖酶、半乳甘露聚糖、葡萄甘露聚糖和半乳葡萄甘露聚糖中的β-1,4-D-甘露糖苷键，而对其他的化学键不起作用。研究证明，β-甘露聚糖酶作用于魔芋胶或槐豆胶的作用位点是多糖链上非还原端的第3或第4个糖分子，水解产物为M-G，G-M，G-G，M-M，M-M-M，G-G-M，M-G-M，G-M-M， M-M-M-M， G-M-M-M， G-M-M-G，G-G-M-M，M-M-M-M-M。虽然不同来源的β-甘露聚糖酶对不同底物的作用方式和作用产物不同，但是产物主要是低聚糖，很少或根本不产生单糖。同时在分解甘露聚糖过程中，由于甘露聚糖的结构使得多种主链酶、侧链酶在降解甘露聚糖时会产生协同作用[19]。在Sclerotium rolfsi中两种β-甘露聚糖酶和β-甘露糖苷酶的协同作用使得降解半乳甘露聚糖产生的单体数量增多，水解产物的总量增加。T.neapolitana 5 068中的耐热型β-甘露聚糖酶、β-甘露糖苷酶和α-半乳糖苷酶也可协同水解半乳甘露糖为单糖[20]。

3 在动物生产中的应用

3.1 促进营养物质的消化吸收，提高饲料消化率

β-甘露聚糖是饲料原料细胞壁的主要组成部分，其能结合大量水分，使消化道内容物黏度升高，减少破壁后养分与消化酶的接触，阻碍已消化养分的扩散和吸收；其也能把淀粉、蛋白质、脂类和维生素等营养物质包裹在细胞壁内，阻碍机体消化酶对营养物质的消化。β-甘露聚糖酶能够把β-甘露聚糖降解为低聚糖，减少了β-甘露聚糖与水分子的相互作用，从而促进细胞外营养物质的消化吸收，同时能把细胞里的营养物质释放出来，提高饲料的营养价值和消化率。应琳琳等研究β-甘露聚糖酶对断奶仔猪消化率的影响，结果表明，在饲料中添加β-甘露聚糖酶可以降低腹泻率，提高动物的生产性能，可以不同程度地提高日粮营养成分的消化率[21]。付锦锋等研究甘露聚糖酶对猪生长性能和消化率的影响，结果表明，在含有DDGS 10%和15%的基础日粮中添加甘露聚糖酶400 U·kg-1，可以提高传统生长和育肥猪生长性能和粗蛋白质的表观消化率（P＜0.05）[22]。

3.2 提高饲料能量利用率

在常规饲料原料中，豆粕中β-甘露聚糖含量最高，为1.3%～1.6%，而豆粕的能量利用率仅为50%～60%，这与豆粕中存在的β-甘露聚糖有很大的关系。马成杰等研究表明，在樱桃谷商品肉鸭基础日粮中添加和美酵素（β-甘露聚糖酶）100 mL，可以提高饲料的能量利用率；降低饲粮代谢能商品肉鸭的生产性能不受影响，其遗传性能够发挥正常，同时可降低饲料成本22.19元·t-1[23]。张辉华等研究β-甘露聚糖酶对肉鸭椰籽粕消化率的影响，试验结果表明，A组（基础饲料70%+椰籽粕30%+β-甘露聚糖酶）蛋白质消化率与真实消化率比B组（基础饲料70%+椰籽粕30%）分别高8.04%与7.35%，差异均显著（P＜0.05）；A组能量利用率与真实利用率比B组分别高3.61%与3.38%，差异均显著（P＜0.05）[24]。

3.3 改善肠道微生物环境，提高动物免疫功能

动物胃肠道中存在有益菌和有害菌，当有害菌占优势时，动物会出现各种疾病。β-甘露聚糖酶降解β-甘露聚糖的产物甘露寡糖（MOS）能够选择性促进动物胃肠道有益菌大量增殖，使其在胃肠道中形成优势菌群，从而抑制外源菌和胃肠道内固有腐败菌的生长繁殖；MOS还能够结合细菌表面外源凝集素，从而减少细菌与肠黏膜上皮细胞结合的机会，最终使病原菌排除体外，减轻病原菌对机体的毒害作用，保护肠黏膜的完整性，改善胃肠道微生物环境。MOS能够促进细胞分泌含有甘露糖基的糖蛋白，这些糖蛋白可以结合侵入机体的细菌，从而调节动物机体的多级免疫反应，提高动物免疫功能。李路胜等选用公母混合的1日龄肉雏鸡考察甘露聚糖酶对肉鸡肠道微生物和免疫机能的影响，结果表明，与低能日粮组相比，试验组（低能日粮+甘露聚糖酶500 g·t-1）肉鸡的胸腺指数和新城疫抗体分别提高了29.70%和7.44%，差异显著（P＜0.05）；在肠道微生物菌群和pH方面，添加甘露聚糖酶与对照组相比均有改善[25]。乔海云等研究甘露聚糖酶对肉鸡肠道微生物和免疫指标的影响，测定各组肉仔鸡的免疫器官指数、肠道大肠杆菌数、乳酸杆菌数、肠道内容物pH，结果表明，在玉米豆粕型日粮中添加β-甘露聚糖酶可以提高肉鸡的免疫性能，降低肠道酸碱度，抑制大肠杆菌，增加乳酸菌等有益菌的数量（P＜0.05）[26]。

3.4 促进生长激素分泌，提高生长速度

有研究报道，β-甘露聚糖酶能够显著提高动物胰岛素生长因子（IGF-Ⅰ）水平，改善单胃动物的生长性能（P＜0.05）。IGF-Ⅰ是畜禽的生长调控因子，生长激素（GH）的促进作用也是IGF-Ⅰ介导的。IGF-Ⅰ作用于生长组织，刺激细胞为氨基酸的利用从而促进蛋白质的合成，抑制蛋白质的分解，最终导致蛋白质的净增长。韩国清研究β-甘露聚糖酶对仔猪血清中IGF-Ⅰ的影响，结果表明，添加β-甘露聚糖酶的试验组B、C和D分别比空白对照组A提高了3.22%、2.05%、3.17%，差异不显著（P＞0.05），但试验组有增加IGF-Ⅰ含量的趋势[27]。李海英等试验结果表明，β-甘露聚糖酶可提高肉仔鸡体重4.7%，提高胸肌率8.1%，差异显著（P＜0.05）[28]。

4 小结

在饲粮中添加β-甘露聚糖酶能够降解β-甘露聚糖，降低消化道内容物的黏度，释放细胞内营养成分，提高饲料转化率和能量利用率，其产物甘露寡糖能够改善肠道微生物菌群和保护肠黏膜的完整性，减少有害菌的生长繁殖，提高动物的免疫功能，同时β-甘露聚糖酶具有无毒害、无残留、可降解等优点，而且可以降低畜禽粪便中有机物、氮和磷的排放量，缓解发展畜牧业与保护环境之间的矛盾，因此开发前景十分广阔。

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