外源酶在反刍动物营养中应用研究进展

摘要:目前，人们普遍认识到，外源酶制剂能够提高反刍动物的生产性能。但是还没有弄清其在反刍动物中的作用机理。笔者对外源酶制剂在反刍动物中的应用现状；用外源酶制剂预处理反刍动物饲料和酶制剂在瘤胃及瘤胃后消化道中作用机理的研究进行了综述，以期在反刍动物营养学中推动外源酶制剂的进一步研究。

关键词：外源酶制剂；反刍动物；营养

中图分类号：S816.32；S823  文献标识码：A

文章顺序编号：1003-1642（2003）02-0014-06

    酶制剂通常用于单胃动物的饲养，但是还没有广泛应用于反刍动物。一些专家认为纤维酶（包括纤维素酶、葡聚糖酶、木聚精酶等）的活性在瘤胃环境中通常是很高的，简单地添加外源酶是否必要尚有疑问，尚且，人们通常认为外源酶很难逃过瘤胃中蛋白酶的降解。这些认识大大影响了酶制剂在反刍动物饲养中的应用。从饲养效果来看，现有的文献报道显示，反刍动物中应用外源酶所得的结果不一致（Burroush等，1960；Rovics等，1962；Rust等，1965），甚至有一些报道是否定的结果（Vandevoorde等，1987；Kopecny等，1987）。近年来，随着制酶工艺的不断改进、酶制剂成本的不断下降以及以提高粗饲料利用率为目的，在反刍动物中利用外源酶的试验越来越多（ Chen等，1995 ；Beauchemin等，1997； McAllister等，1999），并在提高反刍动物生产性能方面取得了显著的效果，从而人们重新认识到外源酶制剂在反刍动物中的应用潜能。

1动物试验

1．1奶牛上的应用

外源酶应用于奶牛生产上的研究是在20世纪 90年代初开始（Chamberlain等，1992），到中期进入高潮（Chen等，1995；Stokes等，1995；Lewis等，1995），而且近年来的研究报道越来越多（Luchini等，1997；Nussio等，1997；Kung等，1998；Yang等，1999；Beauchemin等，1999）。但他们得到的结果不同，以高粱为主的混合日粮中使用外源酶饲喂荷斯坦牛没有提高生产性能（Chen等，1995）。用含纤维素酶和木聚糖酶的复合酶同日粮含 45%－50%精料和苜蓿草青贮或苜蓿干草或玉米青贮和苜蓿干草一起喂奶牛也没提高产奶量（Lchin等，1997 Nusso等，1997）。然而，用相同的酶制剂喷洒在青贮玉米中，日粮组成为 50％的精料饲喂奶牛，使其产奶量每天增加 2．5 kg，乳中干物质没有变化（Kung，1996）。用相同的方法使用于大麦为主的日粮中，也得到了同样的结果（Beauchemin等，1999）。也有一些试验报道显示，这些酶制剂在以苜蓿干草或青贮为主的全价日粮中使用对奶牛产奶量有提高作用 （Lewis等，1995；Stokes等，1995；Sanchez等，1996），并确信乳牛产奶量与酶的使用浓度有很大关系（Sanchez等，1996）。例如：Lethbridge研究中心的试验结果显示，在苜蓿干草中使用的这些酶的浓度从lg/kg提高到 2g/kg时，奶牛产奶量分别从23.7kg/d（对照）提高到24.6 kg／d和25．6 kg／d（ Yang，等  1999）。在泌乳早期使用这些酶效果更为显著，处理组为24％的玉米青贮、15％的苜蓿干草和61％的以大麦为主的精料日粮时，产奶量提高工3.6kg/d（见表1）。在这个试验中酶制剂促进了饲料的消化率，采食量变化不明显（Beauchemin等，1998）。用纤维素酶、木聚糖酶、中性蛋白酶、α一淀粉酶组成的复合酶制剂按1．0‰直接加入以玉米为主的精料中，使其产奶量提高2.2 kg／d，乳中成分没有变化（呼和，2001）。

      表1以大麦为主要日粮中添加酶制剂引起泌乳牛干物质采食量和泌乳量的变化

1．2肉牛上的应用

    早在30多年前就有人报道出（Burroushs等，1960；Nelson等，1960；Rovics等，1962）使用含有淀粉酶、蛋白酶、纤维酶活性的饲料添加剂能够提高肉牛平均日增重（ADG）和饲料报酬（FCR）。提高生产性能是由于使动物提高于物质摄入量和促进纤维物质的消化率（Grainger等，1960； Ralston等，1962；Rust等，1965）。但是，不是每次用酶制剂饲喂肉牛试验都能得到这样的结果。Leatherwood等（1960）在以苜蓿草为主要日粮牛的谷物补充料中加入真菌产的酶对日增重和饲料报酬没有影响。把主要含淀粉酶和蛋白酶的制剂加入以 80 ％精料和切碎的前清草组成的日粮中也未影响牛的日增重和饲料报酬。甚至，用于无米秸秆青贮使育肥牛日增重下降 20．4 ％的现象也出现过（Perry等，1960）。

虽然早期的研究提供了酶制剂在育肥牛中有潜在的应用价值信息，但对日粮组成与酶的关系，酶活水平及种类的影响和酶的使用方法方面做的工作还很少。近年来的研究工作已经设计到每一个影响因素。不同的日粮类型（Beauchemin等，1995，1997）、酶的使用浓度（Beauchemin等，1996；Michal等，1996；McALLister等，1999）、酶产品（Pritchard等，1996）和使用方法（Beauchemin等，1998；Hristow等，1998；Yang等，1999）已经做了比较试验。使用不同浓度的（0．25－40L/t）木聚糖酶和纤维素酶的复合酶处理的苜蓿草或梯牧草（timothy）饲喂阉牛使其目增重分别提高 30％和36 ％，但是用同样的酶制剂处理大麦青贮饲喂阉牛对其日增重无影响（Beauehemin等，1995）。当与上同样的混合酶制剂用于 95％的谷物日粮时，饲喂大麦牛的饲料报酬提高 11％，但是饲喂玉米的牛没有受影响（Beauchemin等，1996）。然而，使用不同的真菌酶混合制剂，把浓度提高到5.L/t，用于苜蓿草青贮为主要日粮的育肥牛上使其本重和平均日增重都得到了提高（Michal等，1996；Pritchard等，1996），后来用于大麦为主要日粮育肥牛得到了同样的结果，但试验当中只在56d以内增重效果明显，见表2（McAllister等，1999）。用主要含纤维素酶和木聚糖酶制剂加入育肥牛高精料（92．2％ DM）日粮中未改变干物质采食量，但日增重提高9%，饲料转化率提高10％（Beauchemi等，1999）。

表2 用纤维酶处理以大麦为主要日粮的大麦青贮部分对肉牛增重的影响

1．3羔羊上的应用

在20世纪60年代，把淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶的混合制剂加入玉米和苜蓿干草中饲喂羔羊，对饲料转化率和日增重没有影响（Theurer等，1963）。近年来也证明，在羔羊的营信草或大麦为主要的日粮中加入纤维素酶对采食量和日增重没有影响（McAllister等，2000）。但也有报道，纤维素酶——果胶酶有利于断奶羔羊健全瘤胃微生物区系和发酵（Baran等，1987）。

1．4 从动物试验得到的启示

    外源酶对乳牛和育肥牛生产性能的提高作用是肯定的。但所得的试验结果不太一致，每项试验间很难进行比较，这是由于许多酶产品缺乏标准（Poorly defined）。更有甚者，有一些试验研究显示，过量使用酶制剂是可行的，这样所增加的使用成本不能从动物所提高的生产性能中补回来（Beauchemi等，1996；Mcallister等，1999）。使用方法也影响酶制剂的作用，用它们处理干饲料、鲜饲料和青贮饲料表现不同的结果（Beauchemin等，1995；Feng等，1996）。直接注入瘤胃或用于复合饲料或仅用于精料结果都不一致（Levis等，1996；Beauchemin等，1998；McAllister等，1999）。很显然，酶制剂在反刍动物中使用时有许多因素影响其效能。所以，解决酶在反刍动物营养上的作用机理是利用外源酶的关键。

2作用机理的研究

    最初认为，外源酶可能通过降解未进入消化道的饲料或通过提高瘤胃或瘤胃后消化道的消化率来促进反刍动物对饲料营养的吸收。实际上这些可能的作用方式是相互联系的。用酶制剂预处理饲料使其降解释放一些简单的可溶性碳水化合物或消除一些影响内源微生物消化的结构性障碍物。在瘤胃中，外源酶可以直接作用于瘤胃内容物或通过协同影响瘤胃微生物来间接促进消化活动。外源酶可以在后消化道中保持活性，在瘤胃后的肠道中消化纤维物质或通过降低肠道中的粘性来间接促进营养物质的吸收。外源酶可以在粪便中保持酶活，有利于粪便的降解。在反刍动物中，使用酶制剂的最终目的是提高饲料的营养价值，减少废物的产生。很显然，外源酶在反刍动物中作用机理十分复杂，它将是以后研究的焦点。

2.1饲料的预处理

    用外源酶预处理饲料后饲喂反刍动物产生的效果比把外源酶直接注入瘤胃产生的效果要好（Treacher等，1996）。Lewize等（1996）报道，酶制剂喷洒在干草上饲喂牛VFA产生和NDF的消化率都得到了提高，喷洒在青贮饲料上可提高降解糖的释放量和NDF的消化率。

    有足够的证据证明把饲料用外源酶预消化时释放降解糖（Beauchemin等，1996；Hristov等，1996）。释放可溶性糖的程度主要由日粮类型和酶的种类决定。经试验，在11种酶制剂中只有2种能够使大麦青贮释放有效量的降解糖(Hristov等，1996)。然而，这些酶制剂能够十分有效地从前情干草中释放降解糖（虽然不能从大麦青贮中释放足够的降解糖）。有证据表明，外源酶应用于干饲料的效果要比湿饲料和鲜饲料好（Feng等，1996；Beauchemin等，1998）。最初认为这种情况的可能性不大，然而，有人认为喂给反刍动物的饲料很少是绝对干燥的，即使是饲料学上所叙述的“干”（例如：谷物、干草）也含 6％－10 ％的水分。认为从这些“干”中释放可溶性糖时这些水分足够水解的。但也有报道从大麦青贮中分离出了能抑制β-1，4木聚糖内切酶和α一淀粉酶活性的而不影响纤维素酶活性的物质，分子量小于 10 kDa且耐高压（Nsereko等，2000）。

    在预处理中，周围温度对酶的作用没有明显的影响，Beauchemin等（1999）报道应用酶制剂的效果在30℃和一30℃之间没什么区别。在冬天一5℃以下乳牛产奶试验（Kung等，2000）进一步证明了这一点。

2．2瘤胃中的作用

2．2．1直接水解

自从证明一些纤维酶（纤维素酶和半纤维素酶）在蛋白酶中温育后仍保持其活性（Fontes等，1995）后重新激发了人们对酶制剂应用于反刍动物日粮的兴趣。实际上，真菌纤维素酶在瘤胃中很快被降解掉，6 h后原酶活低于 25％（Kopency等，1987；Vandevoorde等，1987；Kung等，1996）。然而，用其他酶产品试验显示羧甲基纤维素酶（CMCase）和木聚糖酶在瘤胃中温育6h后仍保持原活性（Hristov等，1998），更有甚者，在瘤胃中外源酶提高了木聚糖酶和纤维素酶的活性（Hristov等，1998；2000），并且瘤胃液中外源酶的活性下降和失活随瘤胃内容物的液相流出有关（Hristov等，1996）。这个事实说明，外源酶在瘤胃中仍保持活性，并通过直接水解瘤胃内容物来提高消化作用。在体内和体外试验研究结果显示，外源酶能够促进瘤胃微生物对纤维物质的降解（Forwood等，1990；Varel等，1993；Feng等，1996；Hristov等1996；Lewis等，1996）。这样的效果在一些试验中得到了进一步证实（Beauchemin等，1999；Yang等，1999）。但也有一些研究并未得到这样的结果（Firkins，1990；Varel等，1994）。通常瘤胃液中的酶活代表瘤胃总酶活的30％以下，其余70％以上的酶活与瘤胃内容物固相有关（Brook等，1982；Minato等， 1996）。例如：用纤维酶预处理绵羊饲用干草提高瘤胃液内葡聚糖酶和木聚糖酶的活性，但这样所提高的酶活仅仅是整个瘤胃葡聚糖内切酶活的 0．5 ％，见表 3（Dong，1998），所以补给的外源酶只代表瘤胃酶活的一小部分。虽然加外源酶可以提高瘤胃液中的木聚糖酶和纤维素酶的活性，瘤胃微生物本身就固有消化纤维物质的能力则cAllister，1994），这就很难证明外源酶直接水解纤维物质来提高反刍动物的生产性能。Newbold（1996）认为，这种微量的外源多糖酶促进瘤胃对纤维物质的消化可能是由于这些酶改变了植物表面结构，进而更有利于瘤胃纤维菌附着饲料表面的结果。

表３  外源酶预处理绵羊饲用干草影响瘤胃葡聚糖内切酶和木聚糖酶的活性（摘自Dong,1998）

a,b：同一行中不同的字母表示差异显著（P<0．05）。

＊：葡聚糖内切酶的活性是相对从P.funiculosum制备的市售酶（EC3．2．1．4，Sigema Chemical Co，St Louts，Missouri）的活性作为标准，木聚糖酶的活性是相对从Aniger制备（EC32．18，Sigema Chemical）市售木聚糖酶的活性作为标准。

2．2．2    同瘤胃微生物协同作用

    外源酶与瘤胃中的微生物协同作用来提高瘤胃中纤维物质的降解是无疑的（MOrgVi等，2000）。现在有四种不同的酶活已经得到鉴定，包括水解植物细胞壁上的多糖结构的酶，这些酶都产生于瘤胃微生物区系（White等，1993）。一般认为真菌添加剂能够提高反刍动物生产性能是由于增加了瘤胃中细菌的数量和活性，包括纤维菌（Martin等，1992Wallace等，1992；Dawson，1993；Newbold，1995）。研究结果显示米曲霉（AsPergillus oryzae）提取物能够增加瘤胃细菌数量（Newbold，等1992）和同瘤胃微生物提取物协同作用提高从干草中释放可溶性糖的量（Newbol，1995）。米曲霉产生的酯酶能够破坏阿槐酸和香豆酸、阿拉伯木聚糖形成的酯桥（Tenkanen等，1991），这些功能有利于同瘤胃微生物协同作用（Varel等，1993）。而且，瘤胃真菌的多数和部分种类细菌产生的酯酶能够水解具有酚酸的链。事实上外源酶通常仅仅提高了消化率而没有提高消化范围（Varel等，1993；Feng，1996；Hristov等，1996）。近年来，用寡核苷酸16SrRNA探针研究瘤胃微生态学显示，可能有几种瘤胃纤维菌可在实验室条件下培养（Forster等，1998）。如果这是事实，这些微生物的酶活组成木同的形式来满足有效的消化植物细胞壁。

    水解纤维素和半纤维素是由游离的酶或由非共价键结合的多酶复合体完成的（Teeri，

1997）。需氧真菌是商业外源酶的主要来源，降解植物细胞壁以游离酶的形式，而由 Clostridium ssp．和厌氧的瘤胃真菌是以多酶复核体形式（Begljin等，1998；Ljungdahl等，1998）。也有证据显示Ruminococci可以依靠多酶复合体样复合酶降解纤维（Flint等，1998；Ohara等，1998）。另外，多酶复合体在微生物细胞附着底物时起作用（Pell等，1993；BegUin等，1998）。在瘤胃中这个附着过程直接影响对饲料和谷物的消化（McAllister等，19941996凡用纤维素酶的水溶液（3．3 ％ VOI／VOI）直接注入瘤胃瘘管绵羊的瘤胃中，事实上降低了干物质（DM）的消化率（McAllister等，1999），当在小公牛上用时得到了相似的结果（Lewis等，1996）。这些研究结果显示瘤胃中直接注入酶不如直接食入那样有效。利用其他酶直接放入瘤胃中没有影响DM的消化（Hristov等，2000）。用外源酶预处理苜蓿草可增加细菌的克隆和瘤胃环境中温育 3－24 h时饲料中的DM减少（Yang等，1999）。这反应同步提高瘤胃中纤维物质的消化，也协同提高整个胃肠道中纤维物质的消化（Yang等，1999）。

    在低纤维的高精料日粮中，令人惊奇的是纤维酶促进消化（Krause，1998）含谷物多的日粮（Beauchemin等，1997；Iwaasa等，1997）。这种现象的解释可以从瘤胃微生物产生纤维酶的最适PH值和需氧微生物产生外源酶的最适pH值比较中得出。当pH值降到6．2以下时，纤维菌的生长受到限制（Russell等，1980）和对纤维物质的消化严重受阻。多数瘤胃生物产生的纤维酶活性最佳pH值为6．2以上（Greve等，1984Matte等，1992）。相比较由需氧菌产生的纤维酶活性最佳 pH值范围为40－6．0（Gashe，1992；Muzakhar等，1998）。所以PH值下降到6．0以下时，外源酶在消化纤维物质方面更有意义。

表４  添加和不添加外源酶牛的十二指肠内容物和粪中的酶活

    1：表示释放降解糖的nmol（ml^-1min^-1）2：EF为使用酶处理饲料；EA为把酶直接注入瘤胃（摘自Hristov等，1998）。3：酶直接注入瘤胃的量分别为0（对照），100g/d（EFH）、200g／d（EFM）和400g／d（EFH）（摘自Hristov等，2000）。4：酶制剂对酶活的线性影响（P＜0．001）。NS：无意义。

有一些研究报告提出，在粗制的酶提取物中的非酶因子可能与瘤胃微生物有协同作用。用真菌纤维素酶的早期试验中，在体外把提取物煮沸20 min没能够降低对纤维素酶的影响（Bowde等，1959）。在这个试验中，在温育介质中加入领氨酸和脯氨酸提高纤维素酶的消化程度同加真菌纤维素酶的一样。研究显示，高压处理米曲霉提取物（8 ％ vol／vol）在体外提高纤维素结构的降解（Varel等，1993）。酶提取物通常内含保护剂来延长其活性，象乳化剂（例如表面活性剂）保持酶的悬浮和便于酶产品饲用。表面活性剂能够改变瘤胃中的微生物活性和饲料的降解（McAllister等，2000）。

2．2．3   瘤胃后消化道中的作用

    外源酶不仅提高瘤胃纤维酶的活性，而且也增加小肠中纤维酶的活性出（Hristov等， 1998；2000）。这种现象特别是被木聚糖酶所证实。添加的酶提高十二指肠木聚糖酶活性达 30％（Hristov等，1998）。在同一个试验中纤维素酶的活性在小肠中只提高了2％－5％，这是因为这些酶的大部分被皱胃中的低pH值和胃蛋白酶失活。Morgavi等（2001）进一步证明，外源酶在小肠环境中保持足够的酶活来降解低物。另据报道，嗜适温微生物和嗜热微生物产生的木聚糖酶抵抗蛋白酶的降解（Fontes等，1995），可能是由于它们的高度糖基化有关（Gorbacheva等，1977），但是Hristov等（1998）认为，在皱胃中首先使木聚糖酶失去活性的因素是酸，而不是胃蛋白酶。

把大量的酶（400 g／d）直接放入瘤胃中能够显著提高小肠中纤维素酶的活性出ristov等，2000）。用这种方法提供的外源酶主要存在于瘤胃内容物的液相中（Hristov等，2000）和这些提高饲用量的纤维素酶一部分可以逃过皱胃的低PH值和胃蛋白酶的破坏。试验显示小肠中木聚糖酶的活性提高与小肠中黏性下降有关，见表4。（Hristov等，1998b，2000）。由于十二指肠内容物的部性随着日粮中谷物的增加而增加（Mir等，1998），当饲喂酶制剂时可降低这些黏性而促进小肠对营养物质的吸收。当把酶制剂饲喂给牛或直接注入皱胃中引起其小肠中黏性下降，同时提高整个消化道对DM消化率分别提高 1．2％和 1．5％（Hiristov等，1998）。在奶牛饲喂大麦为主的日粮中使用外源酶显示，提高整个消化道的消化率主要是由于在后肠道中促进了纤维物质和淀粉的消化率Beauchemin等，1999人现已确定粪中的木聚糖酶活性给动物供给的浓度成直线关系，见表4（Hristov等，2000），这样外源酶甚至能够与大肠中I微生物协同作用。这种较高的酶活性对降解环境中的粪便很重要。

文章来源：内蒙古畜牧科技