纤维素酶是一类复合酶系的总称，可分解饲料中的纤维素。纤维素酶在水产动物肠道内可分解纤维素，补充内源酶，从而达到提高水产动物肠胃吸收能力、提高水产动物健康水平、提升生产性能的目的。随着集约化养殖业的迅速扩大，我国水产养殖业面临饲料短缺的问题，对植物性水产饲料的要求越来越高。在饲料中添加纤维素酶可提高饲料的转化率，是缓解日益匮乏饲料资源的重要途径。纤维素酶生产工艺良多，除传统的固态发酵和液态发酵外，还有正在研究的固液结合新型发酵、固定化细胞技术等，均可为纤维素的商业化生产在水产养殖中的应用提供思路。本文对纤维素酶的来源、组成、营养作用机制等研究及水产养殖中的应用情况、发展前景进行综述，以期为纤维素酶在水产养殖中的应用提供参考。1纤维素酶有关的基本定义1.1纤维素的结构纤维素酶是一类复合酶系[1]，主要由微生物产生。按照催化功能，一般可将复合酶大致分为：外切-β-1,4-葡聚糖酶、内切-β－1,4-葡聚糖和β-葡萄糖苷酶。自然界中，植物天然纤维的组成和结构各不相同[2]，在纤维素水解的过程中，此3种酶必须同时参与水解过程，才可将纤维素晶体降解为简单糖类，供给动物体吸收。纤维素酶具有2个独立活性的结构域[3]以及一段高度糖基化的连接桥将两段结合域相连，可起隔开两段结构域、使其不紧密联合的作用，此连接桥对不同酶分子之间形成较为稳定的聚集体起积极作用。1.2纤维素的主要营养作用纤维素酶可破坏植物细胞壁，使动物消化系统充分吸收植物细胞内的营养物质[4]。纤维素酶能够有效裂解植物性饲料中的纤维素，与其他酶制剂共同作用时可起破坏植物细胞壁的作用。植物细胞壁被破坏，内容营养物质流出，由淀粉酶和蛋白酶进行进一步的降解，分解产物被肠道吸收，可提高植物性水产饲料营养物质的吸收率。使用纤维素酶可以降低植物性饲料的抗营养作用。溶解于水中的纤维素、半纤维素、果胶等生物大分子在机体肠道内产生黏性[5]，对动物体本身的内源酶产生屏障作用，阻碍消化道内源纤维素酶对纤维素的降解，降低营养物质的吸收效率[6]。在饲料中合理添加纤维素酶可使植物性饲料中的纤维素被酶制剂裂解，促进内源性纤维素酶与营养物质接触[7]。抗营养作用的大分子物质在消化道内的黏度降低，对内源酶的屏障作用相对减弱[8]，进而减轻植物性饲料的抗营养作用，饲料营养物质可被更充分地消化、吸收。2纤维素酶的生产现状商业化的纤维素酶制剂在商业化酶制剂中位居前列[9]，说明纤维素酶的生产和发展对轻工业、畜牧养殖、水产养殖乃至石油生产[10]等重工业均具有重要作用。提高纤维素酶的生产量、降低纤维素酶的生产成本对水产养殖行业具有重要意义。纤维素酶生产工艺良多，除了目前应用较为广泛的固态发酵和液态发酵外，还包括固液结合新型发酵、固定化细胞技术等。2.1纤维素酶的生产工艺2.1.1固态发酵固态发酵法生产纤维素酶，即将原种与原料分别进行筛选，灭菌后冷却至40 ℃以下接种。接种过程即将物料分装到曲盘或者曲床，停止翻拌，通过发酵、酶解等生产流程，最终获得粗纤维素酶[11]。固态发酵法产酶量较高，比普通液态发酵高出2~3倍，且在良好培养条件下能够做到杜绝外界污染。固态发酵法生产纤维素酶因属于自然霉菌生产，产出酶类精度较低，为粗制品[12]。营养菌丝发育时期产酶量最旺盛，但霉菌固态发酵发育过程中翻拌易折断营养菌丝，故不可翻拌，只能够进行浅层发酵，导致产酶代谢下降，产酶量降低，难以投入大规模生产。2.1.2液态发酵液态深层发酵法即采用菌种孢子悬液同已经消毒灭菌后的发酵原料混合[13]，通过无菌气流搅拌，发酵、离心，最终获得纤维素酶。液态发酵法自动化程度高，人工成本低，发酵规模大，可进行大规模工业生产。液态发酵工程菌的研发费用较低，但工程菌基本只产单酶，纤维素水解通常需要多种酶配合作用，工程菌酶制剂实际应用效果较差。液态发酵中发酵原料成分、酸碱度、温度、湿度等因素对纤维素酶的最终产生也存在影响。原料成分的配比、菌种酸碱度以及温湿度的控制、低成本发酵原料的使用等均是目前纤维素酶规模化生产的热点研究方向。2.2纤维素酶的商业化生产纤维素酶商业化生产的主要方向是催化剂的改良与完善。目前，在发酵过程中获得更为高效、稳定的催化剂的研究较多。如Cu-Zn-Al催化剂的加氢作用，MnO等金属助剂的辅助功能等。固定化细胞发酵同混菌发酵已经成为纤维素酶商业化生产的主要研究方向，两种发酵方式均有利于规模化生产，但尚在研究阶段，若应用于实践生产将对纤维素酶的大量生产具有重要作用。3纤维素酶在水产动物养殖的应用3.1纤维素酶在水产动物养殖过程中的促营养作用3.1.1改善水产动物肠道内环境纤维素酶具有裂解纤维素、破坏植物细胞壁的作用[14]，可以使植物细胞内的营养因子更易被水产动物肠道消化吸收，提高饲料营养物质的吸收率，充分消化非淀粉多糖，提高饲料的适口性，促进水产动物摄食。研究表明，饵料中使用纤维素酶可提高草鱼的摄食量，使用纤维素酶可以提高大西洋鲑的肠道的消化性能。在探究金针菇菌渣在水产养殖中的应用的研究中发现，添加纤维素可使草鱼肠道中淀粉酶和胰蛋白酶活性显著高于对照组，能够增长其肠道绒毛高度、增加杯状细胞数量，显著增强草鱼肠道消化性能[15]。为鱼类消化道的环境特性以及纤维素酶是否能够提高鱼类的生长性能和干物质表观消化率提供参考。3.1.2提高高纤维饵料在水产动物养殖过程中的使用纤维素酶可以显著提高营养物质在水产动物消化道中的消化能力和高纤维饲料的利用率。随着规模化饲养的需求不断扩大，植物性饵料在水产动物养殖过程中的应用越来越广泛[16]。但植物性饵料批量大、含纤维较多，普遍具有饲料利用率低、消化效率低、废物排放高等问题[17]。纤维素酶对纤维素、半纤维素等抗营养因子的抗营养性的消除作用可推动植物性饵料在水产动物养殖中应用的发展。余丰年等[18]研究发现，采用豆饼和菜籽饼中添加2 400 U/kg纤维素酶的植物性饲料饵料喂可显著提高团头鲂的生长性能、干物质表观消化率、豆饼和菜籽饼的水产植物性饵料的饵料效率。3.1.3提高摄食量纤维素酶能够直接分解营养物质，使饵料品质和饲料的结构发生改变，水产动物对植物性饵料的摄食量得到提升，饵料系数降低[19]。高春生等[20]研究发现，在鲤鱼基础饵料中分别添加0.05%、0.10%、0.20%的纤维素酶时，各组鲤鱼的增重率分别提高32.97%、39.11%和37.70%，饵料系数则分别呈8.28%、8.88%和8.88%程度的下降，与对照组相比差异显著，表明纤维素酶具有改善饵料的营养结构、刺激内源消化酶分泌、促进动物肠道蠕动以及提高饲料消化率、提高饵料系数的作用。3.1.4补充水产动物内源性酶不足，增加肠道微生物的蛋白质合成量研究表明，水产动物消化道内产生纤维素酶菌群数量有限，难以支撑其对植物性饵料的消化吸收[21]，在水产动物饲料中添加纤维素酶，可改善内源性酶不足的问题。添加纤维素酶还可直接或间接促进水产动物内源蛋白质的合成。纤维素、半纤维素和果胶等抗营养因子溶解于水产生黏性，是植物性饲料饲喂水产动物导致食糜黏稠的主要原因[22]。食糜黏稠会阻碍水产动物肠道微生物内源性蛋白质产生，降低内源微生物产生的纤维素酶在消化道内对纤维素的降解作用。在植物性饵料中添加纤维素酶，除可提高中性洗涤纤维和有机物的降解率外，还可增加微生物的蛋白质合成量。周晓秋等[19]在以豆粕、棉籽粕和菜籽粕为主的植物性饵料中添加纤维素酶制剂水解其中的纤维素，缓解纤维素、半纤维素、果胶等在水产动物肠道内的黏稠度，降低消化道食糜的黏度，证实了在水产动物饵料中添加纤维素酶可缓解水产动物食糜黏稠对内源性蛋白质的生产抑制现象，增加了水产动物内源性微生物蛋白质的合成量，提高饵料转化效率，节省饲料资源，充分发挥植物性饵料在水产动物养殖中的作用，降低饲料成本。有研究发现，在β-葡聚糖酶的作用下，幼鱼消化道内的β-葡萄糖含量上升，中华鲟幼鱼的脂肪合成酶含量也随之增加，有利于提高中华鲟的生产性能[21]。3.1.5纤维素酶提高植物性水产动物饲料的抗氧化性纤维素酶具有一定的抗氧化性，在与特定植物性饵料共同施用时可提升观赏类水产动物的体色鲜艳度、增加观赏价值[23]。在锦鲤养殖过程中，纤维素酶在与螺旋藻共同施用可辅助锦鲤吸收螺旋藻含有的类胡萝卜素，提高螺旋藻的抗氧化性[24]，提高锦鲤的脾脏、血清、肝胰脏的抗氧化指标；当以螺旋藻为底物时，纤维素酶添加量为底物5％显著高于酶添加量为20％的酶解效果[25]。3.2纤维素酶在水产动物健康中的应用纤维素酶的分解产物如几丁质、β-葡聚糖等能够增强水产动物的免疫能力，提高水产动物巨噬细胞的杀菌能力，增加免疫球蛋白含量[26]，间接提高水产动物的溶菌酶活性，提高水产动物的非特异性免疫能力。在与金针菇菌渣[15]共同施用的试验中，添加纤维素酶的试验组免疫球蛋白M、补体3含量均显著高于对照组，抗超氧阴离子含量和超氧化酶歧化物活性均大幅度降低，尿素氮含量降低，表明纤维素酶可以促进草鱼对蛋白质的吸收、改善肾脏功能、改善肝组织的功能与结构、促进营养物质的吸收等功效，间接提高了草鱼的非特异性免疫能力。纤维素酶可分解大分子物质、促进水产动物肠道内容物流动，减少有害病原菌的附着和生长。适当使用纤维素酶也可增强某些鱼类食糜黏稠度，使益生菌更易在水产动物肠道内附着生长。如在鲤鱼饵料中添加纤维素酶制剂[27]，能够促进益生菌在鲤鱼肠道内的生长繁殖，增强鲤鱼非特异性免疫能力，说明纤维素酶在提高水产动物健康状况中起到极为重要的作用。4存在的问题纤维素酶作为一种新型的绿色饲料添加剂，在提高饲料转化率、提高饲料生产性能中发挥重要作用，但在水产养殖中的应用中还存在一些问题。4.1纤维素酶降解机制并不完全已知纤维素酶的分离、纯化和结晶是研究纤维素酶的瓶颈[28]，导致纤维素酶降解机制和协同作用尚未研究清楚。对纤维素酶在不同水产动物消化道内的作用效果及作用条件并不明确，饵料中加入外源纤维素酶后，内源酶活力代谢是否产生影响的研究还需要进一步研究探索。4.2开发工程菌研究困难，成本高纤维素酶至少含有4种不同的活性亚基，生产工程菌难度较大。现阶段能够保持高产纤维素酶的微生物主要是霉菌[29]，自然界中木霉产纤维素酶活性较高[30]，产量较大。霉菌在固态好氧发酵过程中产热量极大，但霉菌的散热十分困难，无法进行大量的翻拌散热，只能够进行浅层通风或者使用静态薄层发酵解决散热问题。随着劳动力成本不断上升，液态深层通风发酵成为真菌生产纤维素酶必然的选择[31]，但霉菌产酶主要是在孢子萌发阶段，液态深层环境却不利于孢子萌发，因而液态深层通风发酵中真菌的产酶能力大打折扣。此类工艺改进具有一定难度且生产成本高，厌氧性细菌产纤维素酶的活性及产量均较低[32]，故商业化纤维素酶制剂并未大规模投入生产。选育高产的厌氧性微生物细菌需要进行大量试验研究，在环境不稳定的情况下，选育出对环境效应反应不敏感的、生产稳定且高产的微生物，也是在纤维素酶的生产过程中必须研究的话题。4.3缺乏明确的纤维素酶使用标准、纤维素酶的添加效果并不稳定纤维素酶是酶制剂，酶制剂活性易受环境湿度、温度、酸碱度等因素影响[33]。纤维素酶最适pH值约为6，具有较强的耐热性，而水产动物消化道大多呈中性（如鲤科鱼类）或偏碱性。在使用纤维素酶的过程中要考虑不同水产动物的消化道内环境因素[34]以及不同鱼种（如有胃鱼种和无胃鱼种之间）消化道的差异，最大限度延长纤维素酶在体内存留时间[35]，保证纤维素酶制剂能够在鱼类消化道内发挥其酶解效力。判定饵料中其他物质对酶制剂活性的影响依旧是亟须解决的问题。纤维素酶在畜禽饲料中研究较多，水产动物中的应用研究少见。酶制剂在水产动物体内的用量大小与其能否发挥最大的水解效力有关[36]，只有添加合适数量的纤维素酶才能够保证纤维素酶在水产动物体内发挥作用[37]，过低过高对效果均有影响。如纤维素酶与金针菇菌渣一同使用时，纤维素酶过量会对鲤鱼的消化性能产生负面作用[38]。目前，纤维素酶的检测方法不统一，不同企业、实验室、研究人员对纤维素酶的检测和判定存在一定差异，检测同一样品纤维素酶活力也可能得到不同的结果，市场流通产生障碍，限制了纤维素酶的使用和发展。5结论随着水产动物养殖的规模化发展，饲料成本增加，低成本、高纤维的植物性饵料投入生产使用是当今水产养殖的热门话题。纤维素酶不仅可增强水产动物对高纤维植物性饲料的采食率，还可改善其生理性能，提高消化器官功能，直接或间接地增强机体免疫能力。纤维素酶也可生产蛋白质饵料，替代水产养殖过程中高成本动物性蛋白饵料。但纤维素酶的生产也存在一些问题，如纤维素酶生产普遍存在生产工艺落后、菌种酶规模化生产困难、在具体水产动物中的用量无确切标准等。随着分子生物学、生物化学及基因工程等多种交叉学科的快速发展，对纤维素酶的基础研究工作逐渐深入，纤维素酶生产工艺将不断改进升级，生产成本不断降低，对解决水产饵料在水产动物体内的纤维素降解的问题具有积极作用，可以促进我国水产养殖业的发展。