纤维素是广泛存在于植物细胞壁中的一种以β-1,4-糖苷键组成的多糖，容易形成结晶和原纤结构，不易被动物吸收，纤维素的存在使多种非常规原料在动物生产中的应用受到限制[1-2]。由于玉米、豆粕等常规原料价格高且资源紧缺，因此如何高效利用常规原料、开发利用非常规原料尤为重要。研究表明，饲粮中添加酶制剂可以提高肉仔鸡、肉牛等动物营养物质的消化率，改善畜禽的生长性能和屠宰性能，进而提高养殖的经济效益[3-4]。通过生物技术可以将纤维素转化为纤维素酶[5]，从而有效利用纤维素，实现“降本增效”的目的。本文综述纤维素酶的基本功能及其在畜禽生产中的研究进展，以期为纤维素酶在动物生产中的进一步应用提供参考。1纤维素酶的分类和作用机理纤维素酶是一种由多个具有协同作用的酶组成的复合酶系，属于糖苷水解酶类，可以催化降解纤维素及其衍生物[6-7]。纤维素酶可从细菌、真菌以及放线菌中提取，主要包括芽孢杆菌属（Bacillus）、木霉属（Trichoderma）、链霉菌属（Streptomyces）[8-9]。纤维素酶的本质为糖蛋白，其酶分子的一级结构包括纤维素结合域、核心催化域和衔接区3个组成部分，根据糖苷酶活性部位的氨基酸序列的相似性，可将纤维素酶分为内切葡聚糖酶（Endo-1,4-β-D-glucanase，E.C.3.2.1.4，C1酶）、纤维二糖水解酶（cellulose biohydrolase，CBH）以及β-葡萄糖苷酶（β-1,4-D-glucanase，E.C.3.2.1.21，BGL酶）[10-11]。C1酶是纤维素酶家族的关键酶分子，具有切断纤维素分子内部任意位置β-1,4糖苷键的能力，主要催化纤维素、半纤维素、地衣素和谷物β-D-葡聚糖中1,4-β-D-糖苷键的水解成为还原性寡糖[12-13]。Cx酶又称外切葡聚糖酶，即外切-l,4-β-D-葡聚糖聚酶（Exo-1,4-β-D-Glucanase），因与纤维素发生作用时水解产生1个纤维二糖分子而得名[14]。CBH由l,4-β-D-葡聚糖水解酶（CBH I，E.C.3.2.1.176，Cx酶）和l,4-β-D-葡聚糖纤维二糖水解酶（CBH Ⅱ，E.C.3.2.1.91，Cx酶）两种酶分子组成，这两种酶分子可以从纤维分子的非还原端破坏纤维素晶体结构，使纤维素释放纤维二糖或纤维四糖[15]，研究表明，Cx酶具有高耐热性和高耐酸性，且大部分Cx酶pH值最适区间为5.7~7.0，最适温度约50 ℃[16]。BGL酶又称β-D-葡萄糖苷葡萄糖水解酶，主要通过切断结合在纤维素分子末端和非还原性的β-D-糖苷键，将纤维素水解为β-D葡萄糖和相应的配体；在纤维素经历糖化作用时，纤维二糖和一些低分子纤维糊精可被BGL酶水解生成葡萄糖[17-18]。Walker等[19]发现，仅C1酶、Cx酶或GBL酶单独存在时无法破坏晶体纤维素结构，只有当3种酶同时存在并发挥协同作用时才具备水解纤维素的能力。但Mansfield等[20]发现，单一组分纤维素酶在纤维素降解过程中的作用是独立的，只在不同酶分子间存在补偿。此外，酶法和化学法分析发现纤维素酶在降解纤维素时具有功能区域选择的特性[21]。2纤维素酶的生理功能纤维素是植物细胞壁的主要成分，以木质纤维素形式存在，也是动物营养的重要组成部分，适量的纤维素可以增加饲粮的容积，促进肠道蠕动，增强肠道黏膜屏障和微生物屏障功能，刺激有益健康的肠道细菌生长，改善肠道养分吸收利用的环境。反刍瘤胃和后肠微生物能够在一定程度上利用纤维，并以挥发性脂肪酸（VFA）的形式向动物提供能量，对免疫功能有益；但纤维素与半纤维素、果胶等物质共同构成植物细胞壁，增加了肠道黏度和保水能力，阻碍胞内营养物质与内源消化酶作用和吸收等[22]。Jha等[23]研究表明，纤维的类型、形式和理化性质不同，动物发酵特性及其对肠道健康的有益作用也不同。纤维素在纤维素复合酶联合作用下可以催化降解纤维素及其衍生物[6-7]，降低抗营养作用，释放胞内营养物质。但纤维素基元原纤排列聚集，且纤丝结构之间伴生着木质素等杂质，被降解的纤维分子相互缠绕、交链和黏附，阻碍动物体吸收营养物质，破坏菌群平衡[24-25]。纤维素酶在半纤维素酶以及果胶酶的协同作用下可以进一步破坏细胞壁结构，释放非结晶纤维素、纤维二糖、低聚糖等物质，并在内源酶（如蛋白酶、淀粉酶等）作用下继续酶解[26]，提供能量，提高养分的消化吸收。动物的生产性能、饲料效率和整体健康在很大程度上取决于肠道健康。纤维低聚糖可以作为一种肠道益生元促进肠道微生物生长和发育，尤其是乳酸杆菌（Lactobacillus）和双歧杆菌（Bifidobacterium）[27]。纤维素酶还可以促进反刍动物瘤胃液和单胃动物肠道有益菌生长，优化肠道菌群结构，保护肠道健康，进而提高饲粮的分解和吸收[28-30]。3纤维素酶在畜禽生产中的应用3.1纤维素酶在反刍动物生产中的应用目前，纤维素酶在反刍动物上的应用研究较多。植物纤维中含大量纤维素、半纤维素、木质素和果胶，反刍动物经“采食植物纤维—咀嚼—吞咽至瘤胃—逆呕回口腔—再咀嚼—再吞咽回瘤胃”这一过程后，才能吸收植物纤维中的营养物质[31]。瘤胃微生物作为降解纤维素的主力军，瘤胃微生物产生酶的含量、比例和种类直接关系动物能否成功获得饲粮中的营养物质。研究表明，在草食动物消化系统微生物结构正常的情况下，添加纤维素酶制剂能够高效酵解粗纤维及其他难以消化的营养物质；若草食动物消化系统发生病理变化，或微生物结构异常时，纤维素酶制剂的营养补给会迅速对微生物结构进行调整，使机体恢复微生物区系结构[28-30]。研究表明，山羊和绵羊瘤胃液主要分离出假单胞菌属（Pseudomonas sp.）、牛瘤胃液主要分离出气单胞菌属（Aeromonas sp.），均可产生大量的纤维素酶（如羧甲基纤维素酶）[32]。但瘤胃及整个胃肠道系统中具有分解纤维素能力的微生物有限，产生的纤维素酶的含量也难以使粗纤维利用最大化。为了解决这一问题，可以将纤维素酶或纤维素酶制剂作为外源补给加入饲粮中，从而改善饲粮的适口性，提高饲料转化率。3.1.1纤维素酶在牛生产中的应用犊牛刚出生时瘤胃功能尚未完善，进食母乳外的食物（如青草）会增大消化系统负担，容易引起腹泻等不良疾病。研究发现，牦牛采食前后瘤胃的纤维素酶活性显著升高[33]。通过进食添加纤维素酶、果胶酶等形成的复合酶制剂或者健康成年牛瘤胃液的饲粮，可以弥补犊牛消化功能上的缺陷，增加消化道内有益菌的繁殖，提高犊牛抗病力，促进犊牛生长[34]。新生犊牛可通过饮用成年牛新鲜瘤胃液提高自身对中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维的利用能力[35]。对3~8月龄的中国荷斯坦公犊添加含纤维素酶的复合酶可以促进能量转化率和蛋白利用率，提高犊牛生长性能[36-37]。研究发现，给肉牛饲喂基础日粮+适量纤维素酶发酵玉米秸秆，可以显著提高瘤胃发酵、养分消化率、能量利用率以及氨利用率，降低氮、磷、甲烷的排放量[38]，增加育肥牛平均日增重[39]。饲粮中直接添加纤维素酶可以提高粗饲料采食量，提高肉牛消化、吸收能力，降低尿液中尿素含量[40-41]。在奶牛日粮中添加纤维素酶，可促进奶牛瘤胃发酵，提高乳脂率、泌乳量和乳品质[42-44]。给奶牛连续饲喂含适量纤维素酶的饲粮可有效减少粪便中约30%的干物质，提高产奶量[45]。除了直接给予动物纤维素酶之外，将白蚁体内分离得到木质纤维素降解菌（可以分泌纤维素酶）接种至反刍动物瘤胃中，可以增加原生动物和蛋白水解菌的含量，进而提高动物体蛋白酶活性和氨氮利用率[46]。但这些木质纤维素降解菌可以改变麦秸和枣叶的化学成分，提高动物对其养分的吸收利用能力[47]。为了对藏牦牛瘤胃中产生纤维素酶的肠球菌进行分离鉴定，Zhao等[48]通过16S rRNA测序，鉴定出粪肠杆菌（Enterococcus faecalis，EF85）和屎肠杆菌（E. faecium，EF83），发现将这两种纤维分解菌联合接种至各种饲粮中，能够显著提高乳酸含量和乳酸/乙酸比值，降低pH值、丁酸和氮气含量，促进纤维素的降解，释放游离糖。对云南地区的野牛瘤胃微生物进行宏基因组分析发现，其能够定向修饰瘤胃纤维素酶基因[49]，表明纤维素酶基因可能通过转录水平参与调控纤维素酶的产生及生理作用的发挥。因此，适时适量在饲粮中添加纤维素酶，对牛的生产性能具有促进作用，可以通过减少氨氮释放改善自然环境。3.1.2纤维素酶在其他反刍动物生产中的应用在反刍动物中，粗纤维消化和养分利用问题是限制反刍动物生产性能的主要因素。断奶羔羊摄入外源纤维素酶（300 000 U/kg）后，瘤胃发酵能力显著增强，微生物蛋白合成能力和氨态氮的利用率显著增加[50]。与进食未添加外源纤维素酶日粮的羔羊相比，食用添加纤维素酶日粮的羔羊具有更高的干物质和粗纤维消化率[51]。给湖羊饲喂含有1 500 IU/kg纤维素酶的基础日粮4个月发现，湖羊的饲料转化率显著提高，且平均日增重增加约32 g，最终体重增加2.67 kg，肝脏蛋白质的合成能力和肠道发育能力均明显优于对照组[52]。梁建勇[53]研究表明，绵羊瘤胃液成分与青贮玉米养分的瘤胃降解率具有明显关联。肥育纳伊迪山羊羔羊瘤胃液中纤维素酶活性与养分利用率在一定范围内呈正相关[54]。上述试验结果与Sultana等[55]发现羔羊瘤胃液中优势细菌均具有合成纤维素酶潜力的研究结果相同。在基础日粮中添加纤维素酶还可以改善马对碳水化合物消化能力，提高绵羊和羊驼的饲料转化率[56-57]。3.2纤维素酶在单胃动物生产中的应用与反刍动物不同，单胃动物不具备分泌具有切断β-1,4糖苷键内源酶的能力，单胃动物摄入的纤维素只能够依靠肠道微生物降解。因此，增强单胃动物粗纤维利用率具有捕获营养物质、促进动物生产性能、平衡肠道菌群、提高免疫力等多重功效。研究表明，在日粮中添加纤维素酶可以缓解病理或应激状态下的幼龄畜禽消化酶分泌不足问题[58]。利用生物化学和生物信息学分析发现，具有高碳源降解能力的关键细菌类群居绿藻菌（Ulvibacter）活性与纤维素酶活性呈正相关[59]，进一步证明纤维素酶与动物粗纤维的利用密不可分。3.2.1纤维素酶在猪生产中的应用纤维素酶可以提高猪对养分的利用率，优化猪肠道菌群结构，改善生长性能。Zhang等[60]研究发现，饲粮中添加含纤维素酶的酶制剂可以有效提高生长猪玉米-大豆DDGS日粮和小麦-大豆DDGS日粮的体外干物质消化率。朱晓峰等[61]发现，将200 g/L的菜籽粕置于pH值4.0，50 ℃中利用纤维素酶+果胶酶酶解28 h后，菜籽粕释放还原糖的能力大幅增加。利用未经处理和纤维素酶处理的菜籽粕研究猪肠道微生物对菜籽粕的降解作用，短链脂肪酸、乙酸、丙酸、戊酸、己酸含量增加；巨球菌（Megasphaera）、普氏菌（Prevotella）、脱硫弧菌（Desulfovibrio）、柠檬酸杆菌（Citrobacter）、酸性氨基球菌（Acidaminococcus）等表达丰度随时间增加[62-64]。纤维素酶也可以提高生长猪生长性能和饲粮消化吸收的能力，提高猪的抗病力等[65]。远德龙等[66]在含5.8%酸性洗涤纤维（ADF）水平的高纤维日粮中分别添加0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%的纤维素组合酶，饲喂“杜×鲁烟白”生长猪30 d，结果发现，0.15%酶组能够显著提高“杜×鲁烟白”生长猪的平均日增重，显著降低料重比。倪良振[67]通过4个试验研究纤维素酶在猪生产中的应用效果，体外消化模拟试验发现不同纤维素酶组合对饲料的作用效果不同；在分别含3.8％和5.8％ADF水平日粮中分别添加0、0.05％、0.10％、0.15％、0.20％纤维素酶，以烟台黑和鲁农2号生长猪为试验对象，结果表明，纤维素酶在5.8％ADF水平日粮中能够显著促进这两个品种猪养分消化率以及氮的吸收利用，但在3.8％ADF水平日粮中却不显著，烟台黑猪对同等纤维水平日粮的利用率略高于鲁农2号猪；发现在3.8％ADF水平日粮中，纤维素酶的添加量对不同品种猪回肠氨基酸表观消化率无明显影响，但烟台黑猪的各项氨基酸的消化率略高于鲁农2号猪，纤维素酶在5.8％ADF水平日粮中具有显著促进猪的回肠氨基酸表观消化率效果；在5.8％ADF水平日粮中添加不同水平纤维素酶，结果表明，0.15％酶组能够显著提高鲁农2号生长猪的平均日增重，显著降低料重比，具有降低腹泻率的趋势。Zhao等[68]发现，纤维降解酶复合物（木聚糖酶、纤维素酶和β-葡聚糖酶）可以显著改善3种高纤维日粮总能量、粗蛋白、干物质、有机物、总膳食纤维、中性洗涤纤维的表观回肠和粪便消化率，增加猪回肠食糜和粪便中的乙酸盐和总短链脂肪酸浓度，并且纤维组成不同，纤维成分消化率存在较大差异。因此纤维降解酶应用于纤维日粮以提高猪的生产效率时，需要考虑纤维消化率低的高纤维原料。考虑酶的添加剂量对动物生理的影响，Lessard等[69]将不同水平的具有β-1,4-葡聚糖酶、纤维素内酯酶和纤维生物水解酶活性的耐热糖酶AC1添加至5周龄猪的高纤维玉米-大豆-DDGS日粮中，结果表明，增加酶剂量可以降低食糜的黏度，增加中性洗涤纤维的表观回肠消化率；给猪饲喂高剂量AC1（2 126 U/kg，正常剂量的5~15倍）的高纤维日粮时，猪的生长性能（体重、平均日增重、平均日采食量和料重比）以及对营养吸收不良、疾病和其他生理障碍敏感的血液学特征和血液化学标志物与未加酶组差异不显著，表明AC1在幼猪日粮中具有良好的耐受性。3.2.2纤维素酶在家禽生产中的应用由于纤维对家禽生产性能和营养物质消化率的负面影响，通常被认为是一种抗营养因子。王俊花等[70-71]发现，纤维素酶参与伊犁鹅外周血葡萄糖、蛋白质相关酶活性的调控，能够提高拟杆菌属和脱硫弧菌属的相对丰度，结合代谢组学技术筛选出21种差异代谢物。毛倩倩[72]在高纤维基础饲粮中添加不同水平果胶酶（0、5 000、10 000、15 000 U/kg），不同水平果胶酶（5 000、10 000 U/kg）处理再额外添加40 000 U/kg纤维素酶，结果发现，果胶酶改善了五龙鹅的生产性能、屠宰性能、肉色，降低失水率，而纤维素酶的添加效果更优；果胶酶对4周龄和16周龄五龙鹅免疫性能和血清生化指标无明显影响，但纤维素酶添加后配合使用能够显著提高16周龄五龙鹅脾脏指数、法氏囊指数、血糖和血清总蛋白浓度，显著降低16周龄五龙鹅血清尿酸和尿素氮浓度；果胶酶对五龙鹅常规养分利用率影响不显著，但果胶酶和纤维素酶配合使用显著提高营养物质消化率；果胶酶仅能提高五龙鹅16周龄十二指肠淀粉酶酶活，果胶酶和纤维素酶配合使用可改善肠道菌群平衡。刘伟等[73]以岭南黄鸡为研究对象，发现含纤维素酶的复合酶提高了岭南黄鸡前期日增重，血清磷、铁、锌含量和后期血清磷含量，降低了后期及全期的耗料增重比以及后期的血清尿酸含量；提高了肉鸡十二指肠黏膜绒毛高度，降低了隐窝深度，促进肠道发育，并且提高了全期十二指肠内容物中淀粉酶活力和前期胰蛋白酶活力。Mandey等[74]在肉鸡日粮中分别添加瘤胃内容物（10%、20%）和纤维素酶（0、0.5 g/kg），结果发现，含纤维素酶+瘤胃内容物添加组肉鸡的平均日采食量显著低于对照组和不含纤维素酶+瘤胃内容物添加组；含纤维素酶+瘤胃内容物添加组粗纤维利用率和胴体产量显著高于其他组，纤维素酶还能够增加对腹部脂肪、血液胆固醇的耐受能力。Zulkarnain等[75]研究发现，饲料中添加纤维素酶对肉鸡的采食量和鸡肉脂肪含量无影响，但是可以显著改善35日龄肉鸡日增重、饲料转化率、腹部脂肪沉积等指标。添加纤维素酶对印度尼西亚本地鸡鸡肉[75]和番鸭鸭肉[76]中的脂肪、胆固醇和脂肪酸含量无影响，原因可能与纤维素酶的添加量，单胃动物对肠道营养物质的利用情况等因素有关。研究表明，纤维素酶制剂能够提高蛋鸡的养分利用率（降低蛋鸡粪便中氮、磷含量和鸡舍氨含量）、生产性能（增加产蛋率、平均产蛋量等）、肠道有益菌含量和免疫器官指数[77-80]。4展望植物性饲料原料占动物日粮配方的绝大部分，纤维素作为自然界中最普遍存在的能量物质，参与构成玉米、豆粕、麸皮等植源性饲料原料细胞壁骨架。纤维素酶能够帮助动物（特别是单胃动物）高效消化粗纤维，提高营养物质利用率，改善肠道微环境和抗病能力，进而提高畜禽的生产性能。利用纤维素酶可以有效解决饲料利用率低，缓解传统饲料原料供给危机，降低生产成本。纤维素酶主要从细菌（如霉菌）中提取，发酵过程中产生的热量极大，且高温高压的饲料加工过程会大幅降低酶活性，因此如何开发适应性好，稳定性强的纤维素酶，降低纤维素酶生产成本等仍是纤维素酶在畜禽生产应用中的一大难题，未来应加大此方面的研究力度。