瘤胃微生物内源酶种类及调控方法研究进展

■ 马天一 王 祚 肖定福

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙 410128）

牛羊肉在我国国民膳食结构中占有重要地位[1]，随着我国经济发展和居民生活水平的提高，牛羊肉受到广大消费者的青睐，消费需求不断增长[2]。日益增长的市场需求需要研究者们更加精准地把握反刍动物的营养需要。瘤胃微生物在反刍动物营养代谢过程中发挥着重要作用，诸多因素影响瘤胃微生物内源酶活性，通过这些因素调控瘤胃微生物内源酶活性可以提高动物饲料利用效率、生产性能以及畜产品质量。文章对影响瘤胃微生物内源酶活性的因素（如日粮组成、动物品种、日龄、生理阶段和昼夜节律等）进行综述，旨在为合理调控瘤胃微生物内源酶活性、提高反刍动物生产性能提供参考。

1 瘤胃微生物内源酶的种类及作用

在反刍动物瘤胃中存在着多种微生物，包括原虫、细菌和厌氧真菌。这些微生物可以通过自身分泌的消化酶（如纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等）对饲料中的营养物质进行分解和利用。其中部分营养物质被分解用于合成菌体蛋白，进一步被宿主消化吸收，未降解的营养物质则直接进入小肠，被宿主利用。

1.1 纤维素酶

纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称，是一种复合酶，可以促进纤维素水解并产生葡萄糖。根据催化反应功能的不同可以分为内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡聚糖苷酶。主要由瘤胃球菌（Ruminococcus）、产琥珀酸丝状杆菌（Fibrobacter succinogenes）、溶纤维丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）和梭菌（Clostridium）产生。

1.2 淀粉酶

淀粉酶是水解淀粉和糖原的酶类总称，一般作用于可溶性淀粉、直链淀粉以及糖原等α-1，4-葡聚糖，水解α-1，4-糖苷键的酶。根据酶水解产物异构类型不同可分为α-淀粉酶与β-淀粉酶。可分泌淀粉酶的微生物有梭菌(Clostridium)、产琥珀酸丝状杆菌和溶纤维丁酸弧菌的部分菌株，以及牛链球菌(Streptococcus bovis)、嗜淀粉瘤胃杆菌(Ruminobacter amylophilus)、栖瘤胃普雷沃氏菌(Prevotella)、溶淀粉琥珀酸单胞菌(Succinimonas amylolytica)，以及反刍兽新月形单胞菌(Selenomonas ruminatium)等。

1.3 其他瘤胃微生物内源酶

半纤维素酶是一种能水解植物细胞壁多糖类（纤维素和果胶质除外）的酶类，半纤维素酶为复合酶系，主要包括木聚糖酶和甘露聚糖酶。真细菌(Eubacterium)、栖瘤胃普雷沃氏菌、溶纤维丁酸弧菌、瘤胃球菌、多毛毛螺菌(Lachospira multipara)、螺旋体(Spirochaetaceae)、溶糊精琥珀酸弧菌(Succinivibrio dextinosolvens)等均可分泌半纤维素酶。蛋白酶是水解蛋白质肽键的一类酶的总称，按其水解多肽的方式可以分为内肽酶和外肽酶两类。除了主要的纤维降解菌外，大多数瘤胃细菌都可分泌蛋白酶（如噬淀粉瘤胃杆菌、溶纤维丁酸弧菌和栖瘤胃普雷沃氏菌）。脂肪酶属于羧基酯水解酶类，能够逐步将三酰甘油水解成甘油和脂肪酸，主要由脂解厌氧弧杆菌（Anaerovibrio lipolytica）分泌。

2 影响瘤胃微生物内源酶活性的因素

2.1 动物品种

诸多研究表明，不同的动物品种因其所处的地理位置不同以及遗传信息三酰甘油存在差异会导致其瘤胃中细菌组成不同[3-6]。以我国特色品种黄牛、牦牛为例，在放牧的条件下牦牛瘤胃纤维降解类酶活性显著高于黄牛[7]。Islam 等[8]研究也表明在饲喂相同的日粮且生活环境相同的前提下荷斯坦奶牛和娟姗奶牛瘤胃微生物群存在差异，饲喂前两者均以普雷沃氏菌为主，在饲喂6 h 后娟姗奶牛主要菌群为甲烷拟杆菌(Methanobrevibacter millerae)，而荷斯坦奶牛主要菌群为甲烷拟杆菌(Methanobrevibacter olleyae)。张宁等[9]研究表明80～160 日龄阶段小尾寒羊瘤胃中淀粉酶和脂肪酶显著高于滩羊，200 日龄时小尾寒羊瘤胃中纤维素酶、淀粉酶和脂肪酶活性均显著低于滩羊。

2.2 日龄与生理阶段

动物的年龄因素也显著影响瘤胃内各种微生物酶的种类、数量和活性[10]。以羔羊为例，放牧羔羊可大致分为非反刍阶段、过渡阶段以及成年反刍阶段[11]。在各个阶段瘤胃中微生物酶的种类、数量和活性各不相同。幼畜早期采食的固体日粮少，瘤胃微生物营养需要得不到满足，因此繁殖发育缓慢，微生物分泌的内源酶也处于较低水平。早期断奶可以促进瘤胃微生物的增殖，使瘤胃中羧甲基纤维素酶、木聚糖酶、纤维素酶以及淀粉酶含量增加[12-13]。

不同生理阶段的动物体内激素等条件的改变也会影响动物体内内源酶的含量。钞瑞敏等[14]研究表明杜寒杂交二代母羊在妊娠期、空怀期和泌乳期瘤胃内纤维素酶活性存在差异，在妊娠第120 天纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶和内切葡聚糖酶的活性高于空怀期、泌乳期以及妊娠前期和中期时的活性。Hao等[15]研究表明初产奶牛与经产奶牛瘤胃内纤维素酶的活性也存在显著差异。

2.3 日粮组成

反刍动物瘤胃中微生物内源酶的活性受各种环境因素和发酵底物的影响。在动物生产中改变饲料原料种类[16]、能量水平[17]、精粗比例以及加工方式[18]等均能影响微生物内源酶的活性。Belanche 等[19]发现在体外法使用棕色海藻代替部分饲料，可以显著提高木聚糖酶（+70%）和羧甲基纤维素酶（+41%）的活性。Ge 等[20]研究发现使用高能量饲料饲喂羔羊可以上调碳水化合物活性酶基因以及下调植物细胞壁降解酶基因的表达量。研究表明日粮中添加大豆油可降低羧甲基纤维素酶、纤维素酶和木聚糖酶的活性[21-22]。非结构性碳水化合物也会对瘤胃内源酶活性有较大影响，尹梦杰等[23]研究发现提高断奶羔羊日粮中直链淀粉和支链淀粉的比值可显著提高瘤胃中木聚糖酶活性。

2.4 昼夜节律

在自然界中，几乎所有动物都遵循与日照相关的昼夜节律。自然光的周期变化会带动动物饮食和睡眠等有节律性的行为。瘤胃与瘤胃微生物具有24 h昼夜节律，这会影响饲料营养物质的分解和吸收[24-25]。早、晚饲喂不同营养浓度的日粮可以减少氮排放、增加沉积氮、降低饲养成本、提高家畜的生长性能[26]。杨宝钰等[27]研究表明消化酶的活性在采食前维持在相对较低的水平，采食后酶的活性升高，其中蛋白酶、淀粉酶、木聚糖酶活性上升的速度较快，果胶酶、纤维酶活性上升速度较慢，最终这5 种酶均能恢复至原来的水平，木聚糖酶、果胶酶和纤维素酶的活性会在很长一段时间维持在较高水平。Raffrenato等[28]在研究夜间禁食是否对瘤胃微生物内源酶活性有影响时发现，夜间禁食并不影响淀粉酶、地衣聚糖酶、内切葡萄糖酶、木聚糖酶和蛋白酶的活性，除蛋白酶外其余酶的活性均与瘤胃液收集时间有关，在11∶30和19∶30 酶活性达到峰值，在其余时间点均保持较低水平。Zhang 等[29]的研究表明在不改变总营养的前提下，通过改变湖羊日粮早晚的营养浓度可以显著的提高瘤胃中淀粉酶和脂肪酶的活性。

3 调控瘤胃内源酶活性的措施

3.1 调整日粮结构

不同精粗比例结构的日粮对牛的生长性能和营养物质代谢均有重要影响[30]。同时日粮精粗比例也是影响瘤胃微生物区系以及微生物内源酶活性的关键因素[31]。适宜的精粗比可以增加反刍动物的体重增长速度，提高营养物质利用率，减少资源浪费。但如果精粗比过高，可能会导致代谢紊乱，导致生长性能下降，甚至死亡[32]。提高日粮中中性洗涤纤维（NDF）水平会影响瘤胃微生物的种类和数量以及微生物酶的活性，当日粮精粗比例为3∶7 时其瘤胃中的纤维素酶活性最高[33-35]。

3.2 使用添加剂

部分饲料添加剂对反刍动物瘤胃微生物酶活性调控有着显著的作用，目前有诸多添加剂可用于反刍动物生产，被证实对反刍动物瘤胃微生物内源酶有调控作用的添加剂有酶制剂、微生物、植物精油以及维生素等。

3.2.1 酶制剂与微生物

酶制剂是细菌、真菌等微生物的代谢产物，具有专一性、高效性、绿色安全的特性[36]。宋善丹等[37]研究发现在山羊日粮中添加外源纤维素酶能够同时提高瘤胃内纤维素酶和木聚糖酶的活性并提高了纤维的降解效率。Liu 等[38]研究结果表明，在泌乳早期奶牛日粮中添加70 g/（只·d）的纤维素酶和淀粉酶的组合（纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、淀粉酶）能够显著提高α-淀粉酶、木聚糖酶的活性。Gull[39]等使用酿酒酵母和嗜酸乳杆菌作为复合微生态制剂，饲喂考力代绵羊可以显著提高瘤胃中羧甲基纤维素酶、木聚糖酶、淀粉酶、葡萄糖苷酶、乙酰酯酶和蛋白酶的活性。仲伟光等[40]使用复合微生物制剂（酿酒酵母、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌）可使荷斯坦牛瘤胃液中蛋白酶和淀粉酶活性分别提高8.87%和10.27%，果胶酶活性提高18.63%。韩林等[41]研究发现在荷斯坦公牛日粮中加入5 g/d的木聚糖酶和2 g/d的枯草芽孢杆菌可以显著提高α-淀粉酶活性和蛋白酶活性。通过添加酶制剂与微生物可以有效影响瘤胃微生物内源酶的活性，从而充分发挥动物体潜在生产力，提高生产性能。但其中机制尚不清楚，还需进一步研究。

3.2.2 精油

植物精油是植物的次生代谢产物，具有抑制肠道致病菌的定植，提高动物机体抗氧化水平，增强动物免疫功能等。反刍动物的微生物生态系统较为复杂，这使得植物精油在反刍动物上的应用效果不如单胃动物广泛[42]。研究表明在日粮中添加植物精油可以改变瘤胃微生物的菌群结构[43]，因此瘤胃微生物内源酶的活性也会受到影响。Zhang 等[44]的研究结果表明在小尾寒羊日粮中添加10 mL/kg 的花椒精油可显著提高果胶酶和脂肪酶的活性。El-Zaiat 等[45]的研究表明在日粮中添加广藿香精油90 μg/g 显著降低了瘤胃中羧甲基纤维素酶的活性。Zhang 等[46]发现在平凉红牛日粮中加入适量牛至精油可以调节瘤胃中微生物的相对丰度，显著提高β-葡萄糖苷酶和纤维素酶的活性，降低淀粉酶的活性。综上所述，植物精油可通过调控瘤胃微生物数量及区系从而影响瘤胃微生物内源酶的活性。

3.2.3 其他添加剂

李亚学等[47]通过体外法发现添加维生素B12可以使羧甲基纤维素酶、木聚糖酶、淀粉酶活性提高。在荷斯坦奶牛日粮中添加叶酸和泛酸可使木聚糖酶和果胶酶活性提高，叶酸可使羧甲基纤维素酶、纤维二糖酶、α-淀粉酶和蛋白酶活性增强[48]。Wu 等[49]发现在湖羊日粮中添加浓度为1%的谷氨酰胺可以提高瘤胃中脂肪酶的活性，降低胃蛋白酶和纤维素酶的活性。Su 等[50]的研究表明适当剂量的酵母产物可以缓解由于大量饲喂谷物饲料导致的瘤胃酸中毒。酵母产物能够提高瘤胃纤维素酶的活性，降低淀粉酶的活性。Shi 等[51]发现在阉公牛日粮中加入抗菌肽可以显著提高蛋白酶、木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的活性。

4 小结

瘤胃微生物内源酶行使其正常生理功能是保证家畜生产性能以及畜产品优良的基础。日粮可以直接影响瘤胃微生物的相对丰度，从而改变瘤胃微生物内源酶的活性，调整日粮是人为改变瘤胃微生物内源酶活性的重要手段，宿主的状态和环境的影响也是研究瘤胃微生物内源酶所必须要考虑的因素。目前主要存在瘤胃内微生物不同内源酶的最佳酶活性以及各种添加剂调控内源酶活性的作用机制等研究较少，微生物内源酶功能了解有限以及研究方法存在局限性等问题。可进一步研究微生物内源酶的生物学功能、开发新的研究方法和技术、完善对瘤胃微生物内源酶的认识，从而达到针对性调控的目的。