纖維素約占植物總干重的1 /2,是地球上古老、豐富的天然高分子材料,是取之不盡用之不竭的人類寶貴的天然可再生資源。但是,由于植物纖維的高聚合度及其分子結構的高結晶度,使得纖維素這一資源未被充分利用。高等動物中除反芻動物能夠借助瘤胃微生物利用纖維素外,其他動物幾乎不能直接消化和利用纖維素。近年來,隨著集約化養殖業的迅速擴大,我國養殖業面臨嚴重的飼料短缺問題。在飼料中添加纖維素酶,提高畜禽飼料的轉化率,是緩解日益匱乏飼料資源的重要途徑,有助于我國畜牧業又好又快地發展。
1· 纖維素酶的來源
能分泌纖維素酶的微生物是纖維素酶的主要來源,主要有真菌、細菌、放線菌和一些原生動物等。真菌類的木霉屬( Trichoderma) 、曲霉屬( Aspergillus) 、青霉屬( Penicillium) 、枝頂孢雄屬( Acremonium) 能產生三類纖維素酶且降解纖維素能力較強,是目前人們研究纖維素酶的熱點領域; 細菌產纖維素酶的量較低,其中酶活力較強的菌種有纖維黏菌屬、纖維桿菌屬等; 放線菌中有鏈霉屬、高溫放線菌屬等能產纖維素酶。
2· 纖維素酶的組成及分子結構
2. 1 纖維素酶的組成
纖維素酶是一類復合酶系的總稱。一般按照其催化功能可分為三大類: 1) 外切-β - 1,4- 葡聚糖酶(exo - β - 1,4- glucanases,EC 3. 2. 1. 91) ,又稱為纖維二糖水解酶(cellobiohydrolases) ,簡稱為外切酶( CBH) 。這類酶可以水解纖維素結晶區,從纖維素鏈的還原端( CBHⅠ) 或非還原端( CBHⅡ) 開始持續水解,釋放纖維二糖。2) 內切- β - 1,4- 葡聚糖( endo -- 1,4-glucanases ,EC 3. 2. 1. 4) ,簡稱為內切酶( EG) 。EG 主要作用于纖維素的非結晶區,隨機水解纖維素鏈中的糖苷鍵,把纖維素長鏈切斷,轉化成大量不同聚合度的纖維素短鏈,降低纖維素分子的聚合度,增加可供外切酶作用的纖維素鏈末端數。3) β - 葡萄糖苷酶( β - 1,4 - glucosidases ,EC3. 2.1.21) 主要水解纖維二糖和可溶性纖維寡糖,終將纖維素轉化為可利用的葡萄糖。天然纖維的組成和結構不同,三種酶須同時參與才能將纖維素晶體降解為簡單糖類。
早在1986 年,H. Van Tilbeurgh 等人用木瓜蛋白酶對瑞氏木霉( Trichodermareesei,又譯成里氏木霉) 的CBHⅠ分子進行限制性酶切,得到2 個具有獨立活性的結構域: 具有催化功能的催化域( catalyticdomain,CD) 和具有結合纖維素功能的纖維素結合域( cellulosebinding domain,CBD) 。CD 作為纖維素酶的催化活性中 心,特異性識別纖維素內切酶和外切酶底物; CBD 執行調節酶對可溶性和非可溶性底物專一活性的作用,對酶的催化活力是非需的。CBD與CD 通過一段高度糖基化的連接橋連接,連接橋可使CD 和CBD 之間保持距離,有助于不同酶分子之間形成較為穩定的聚集體。
3· 纖維素酶的營養作用機制
纖維素酶在改善動物營養上主要有以下幾個方面的效果: 1) 破壞植物細胞壁,使營養物質被充分吸收。將纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶制成復合酶劑,協同作用破壞植物細胞壁,使細胞內營養物質溶解出來,然后再由淀粉酶和蛋白酶進一步降解,可提高營養物質的吸收率。2) 補充動物內源酶的不足。反芻動物瘤胃中雖存在一些能分泌纖維素酶的微生物,但產纖維素酶的量是有限的,這使纖維素的消化、利用率不高。單胃動物的胃內缺乏內源性纖維素酶,不能消化、利用纖維素,添加纖維素酶后,不僅能幫助動物消化、利用纖維素,而且還能改善腸道內環境。3) 減輕或消除飼料抗營養因子。纖維素、半纖維素和果膠等大分子物質部分溶解在水中會產生黏性,這種黏性對內源酶來說是一種屏障,阻礙了纖維素酶的降解,降低了營養物質的吸收,補充纖維素酶后黏性降低,內源性酶的擴散和與營養物質的接觸增加,使飼料能夠被充分消化、吸收。