再进发酵罐发酵

纤维素酶在反刍动物生产中的应用

我国的饲料资源比较短缺,影响着我国畜牧业的发展,所以必须解决好饲料问题以发展畜牧业。纤维素是自然界中十分丰富的资源,可通过有效利用农副产品的下脚料、秸秆和糠类来生产纤维素酶制剂,进而提高畜禽的生产性能,提高饲料的消化率和利用率,改善饲料的营养价值,提高经济效益,故而纤维素酶具有广阔的发展前景。目前,纤维素酶在有着工业和市场潜力的同时也存在大量需要解决的问题。在今后的饲料工业纤维素酶的相关研究与应用中,需要不断加强基础性研究工作,包括菌种选育和发酵提取工艺等;要合理利用基因重组技术进行高活性菌株的选育,降低生产成本的同时提高产酶活性;并且要合理制定与规范国内纤维素酶统一的质量标准与检测方法。(本文作者:袁翠林、王利华 单位:青岛农业大学动物科技学院)

反刍动物日粮中添加适量的纤维素酶,可以提高饲料消化率和利用率、改善瘤胃的发酵功能、加强营养物质的吸收、增加动物体的日增质量,且可改善产奶量和奶品质。瘤胃微生物区系结构正常时,纤维素酶的添加能提高粗纤维和一些营养物质的酵解强度及消化吸收水平。若瘤胃发生病理变化,微生物区系失去平衡而进入腐解过程,此时高活性纤维素酶会迅速发挥作用,调整微生物区系结构,使区系的平衡关系与酵解、吸收及合成过程得到恢复。焦平林等(1996)在阉牛日粮中添加纤维素酶,每头牛每天添加纤维素酶量40g,进行60d饲喂,结果表明:加酶组的日增质量比对照组提高了19.6%,差异极显著。在用荷斯坦奶牛进行的试验中,试验组奶牛的纤维素酶以每天每头牛50g的量添加,结果表明:试验组奶牛在68d总产奶量与对照组相比提高了8.5%,差异显著。付连胜等(1998)在成年奶牛及育成牛的瘤胃功能状态正常时,饲喂纤维素酶5d,相比饲喂前,粪便干物质减少了30%,封闭式牛舍在1周后的氨含量降低了约70%,采食粗饲料量增加了8%~10%,尿中尿素降低58.9%,对怀孕奶牛于产前30d饲喂纤维素酶,在其分娩后,没有出现生理性消化不良症状,胎儿无畸形和弱胎且增质量1.5~3kg。赵长友等(1998)对纤维素酶在草食动物日粮中较好的应用效果进行了综述。尹清强和陈树兴(1998)在对绵羊的研究中,每天每只羊饲喂30g纤维素酶能显著提高其瘤胃液中的蛋白酶和羧甲基纤维素钠(cmc)酶的活力及乙酸、丙酸和丁酸的产量(p>0.05)。金加明等(2007)使小麦秸秆经纤维素酶酶解后饲喂小尾寒羊,每只试验羊的平均日增质量148g,与对照组相比提高68.2%(p<0.05);56.1元的盈利高出对照组32.7元,提高经济效益139.7%。

纤维素酶的发展前景

纤维素酶在单胃动物生产中的应用

在鸡和猪等单胃动物的日粮中,主要以玉米、饼粕和糠麸等植物性饲料进行配制,因而含有一定量的纤维素。单胃动物的肠道中,存在一些微生物可降解部分的纤维素,却不可以分泌能断裂β-1,4糖苷键的内源酶,故单胃动物对饲料中存在的纤维素不能够进行有效地利用。此外,动物体对营养物质的消化和吸收会因纤维素的交错、缠绕和黏附而受到阻碍,纤维素的这种性质也会对肠道微生物菌群的平衡产生影响。添加纤维素酶于单胃动物的日粮中可以起到营养和保健双重作用。秦江帆等(1996)以提高肉用仔鸡日粮中富含纤维素的麦麸的比例来进行试验,分别添加了0、0.05%和0.1%的纤维素酶制剂,结果与对照组相比,添加0.1%纤维素酶组在1~2、3~6和7~8周生长阶段的日增质量分别提高4.31%、4.54%和4.13%,耗料比分别下降1.56%、4.50%和4.3%。说明添加外源酶制剂可以在一定程度上补充不足的内源酶,并且可以消除一些抑制营养消化吸收的物质,大大促进仔鸡生长发育。徐奇友(1998)在蛋鸡的产蛋期间,在日粮中分别添加0.1%、0.15%和0.5%纤维素酶,结果产蛋率分别提高了0.53%、1.25%和2.88%,添加酶量为0.15%和0.5%组的破蛋率分别降低了34.49%和16.19%,蛋壳强度则相对提高了14.71%和8.41%。尹清强等(1993)研究了在aa肉鸡日粮中添加0.02%和0.05%纤维素酶的试验,56d后,2组aa肉鸡的体质量分别提高了3.10%和2.88%(p<0.05)。前苏联学者在生长育肥猪日粮中添加0.04%的纤维素酶,结果使猪的平均日增质量提高了10.07%(p<0.05),而添加0.3%木霉纤维素酶于以大麦为主的生长猪日粮中,饲料养分消化利用率可以提高2.5%~3.5%(p<0.05)。李德发等(2001)做了纤维素酶对生长猪的作用效果试验,结果表明,适量添加纤维素酶可以改善生长育肥猪的生长性能和品质。

生产纤维素酶的生物在自然界中广泛存在,其中可以分泌纤维素酶的微生物主要有霉菌和担子菌等真菌,也有细菌、放线菌和一些原生动物,并且在一些动物的体内也都含有丰富的纤维素酶,如:在牛胃、蜗牛胃液及木蠹蛾唾液中都发现了纤维素酶的存在。传统的生产纤维素酶的工艺主要有液体发酵和固体发酵2种方式。固体发酵法生产工艺是主要用玉米和稻草等植物秸秆作为原料,接种微生物以进行发酵工艺,具有投资少、工艺简单且产品价格低廉等优点。但固体发酵同时也有一些缺点,如:其劳动强度较大、大规模生产所需成本高、其生产效率低且容易受杂菌污染等。液体发酵法生产过程是以低于20目的标准粉碎玉米秸秆,然后灭菌处理,再进发酵罐发酵,接入纤维素酶菌种,在低于60℃发酵70h,随之从发酵罐底部通进净化无菌空气,气流搅拌物料,物料发酵完后需要经过压滤机压滤、超滤浓缩及喷雾干燥过程,从而得到纤维素酶产品。此法在某些方面弥补了固体发酵的缺点,但因其培养周期较长,设备要求较高和产生的废水不易处理等缺点而制约着纤维素酶的生产。目前在生产纤维素酶中应用固定化细胞与生物床等现代技术,这些方法融合了固体发酵与液体发酵的优点,相比更适于规模化生产纤维素酶,应得到不断研究与发展。

纤维素酶可以消除饲料中的抗营养因素,提高饲料养分消化率。在单胃动物体中,有助于消化道环境的改善,增加酸度,激活胃蛋白酶;利于改善小肠绒毛完整性和营养物质的吸收强度。在反刍动物日粮中添加纤维素酶,能弥补动物体内微生物产生纤维素酶量的不足,同时增强与半纤维素酶、淀粉酶和蛋白酶等酶的协同作用,利于改善营养物质的吸收状况。另外,在治疗草食家畜的胃肠疾病时,纤维素酶也得到了应用。有相关研究表明:纤维素酶可以促使饲料中纤维素和半纤维素的分解,直接降低其致病因素,也可增加可溶性物质含量,促进有益微生物的活动。同时,纤维素酶产生菌可形成一些能调整胃肠道菌群并促进废物及有害物排出的物质。陈侠甫等认为,纤维素酶在牛的前胃迟缓、瘤胃膨胀和积食及马的急慢性消化不良和便秘等疾病方面都有较好的治疗效果,并且经多位研究者的治疗试验,其治愈率高达98.9%,表现出此酶制剂的疗效高、疗程短、无不良反应且经济方便。

纤维素酶对底物分子必须先进行吸附作用才能再产生降解作用。纤维素酶反应与其他一般酶反应的最主要区别是纤维素酶是底物结构十分复杂的多组分酶系,因底物的水不溶性,纤维素酶与底物形成酶-底物复合物(es)的过程被其吸附作用所代替。纤维素酶首先是特异性地吸附在底物纤维素上,纤维素再经几种组分酶的作用而被降解为葡萄糖。目前纤维素酶对纤维素的降解作用机制并不十分明确。至今关于c1酶、cx酶和β-1,4葡萄糖苷酶3种酶的作用机制有c1-cx假说、顺序作用假说和协同作用模型,其中协同理论被广为接受。reese等(1950)提出了c1-cx假说,认为必须经不同的酶协同作用,才能将纤维素彻底水解为葡萄糖。c1酶作用于纤维素酶的非结晶区,使纤维素膨胀变形,然后在外切酶和β-葡萄糖苷酶的作用下产生二糖和葡萄糖。顺序作用假说则认为,先是内切酶随机作用于纤维素的葡萄糖苷键上而打开缺口,再在外切酶作用下,在新生链末端切下1个纤维二糖,然后β-葡萄糖苷酶使其水解成葡萄糖。协同作用模型理论认为,首先内切葡萄糖酶作用于纤维素非结晶区,形成外切纤维素酶需要的新游离末端,外切纤维素酶再从多糖链的非还原端切下纤维二糖单位,然后纤维二糖单位经过β-葡萄糖苷酶的水解,从而得到葡萄糖。

纤维素酶的生物学功能