我国拥有丰富的膳食纤维资源，随着工业技术发展，膳食纤维的功能逐渐受到重视。在饲粮中添加一定水平膳食纤维对动物的生长[1]、繁殖性能[2]和肠道健康[3]等具有重要作用，能够减少畜禽粪便中氮残留对环境的污染，实现废弃饲料资源的循环利用，节约饲料成本，进一步提高养殖的效益。膳食纤维具有丰富的营养价值，对疾病具有预防作用[4]，而原料中膳食纤维利用率较低，功能作用难以发挥。因此，从不同原料中提取产量高、品质优、利用率高的膳食纤维是目前亟待解决的问题。文章对纤维素酶在饲用膳食纤维制备中作用进行综述，以期为获得高品质的膳食纤维提供参考。1膳食纤维简介1.1膳食纤维的定义膳食纤维（dietary fiber，DF），最早出现在Gale所撰写的《关于食品的特性》中[5]。20世纪中后期，Hipsley首次将DF定义为不能被消化的植物细胞壁组分[6-7]。随后Trowell将DF的定义扩展为：不能被人类消化酶水解的植物细胞残余成分[8]。21世纪初期，各界组织协会对DF进一步定义为：具有3个或以上单体链节的碳水化合物多聚体[6]，能够抵抗小肠消化吸收，在大肠中可以部分或全部发酵且有益于人体健康的可食用植物性成分。1.2膳食纤维的来源膳食纤维资源在自然界中含量丰富、分布广泛，存在于植物、动物和海藻中，主要来源于植物——谷物类、豆类和果蔬类等[9]。谷物类膳食纤维来源于以粮食加工的副产品，如：燕麦麸皮、麦麸、玉米皮和米糠等[10]，其中，燕麦膳食纤维中含有约11.33%的水溶性膳食纤维β-葡聚糖，在所有谷物中含量最高。豆类除了为畜禽提供主要的蛋白饲料，其加工副产物豆皮和豆渣等也是优质的膳食纤维源[11-13]。果蔬类膳食纤维原料集中在甘蔗渣和甜菜粕两种原料，其中甘蔗渣中总膳食纤维含量占90%以上，纤维素、半纤维素和木质素总成分含量高达89%[14-15]。动物中膳食纤维占比少，多由壳聚糖和胶原组成。海藻是天然的膳食纤维，主要包括海带、马尾藻、江蓠等原料。1.3膳食纤维的生物学功能膳食纤维是一种多糖大分子化合物，又称为“第七大营养素”，其结构复杂，按照其水溶性差异，可分为水溶性膳食纤维（SDF）和水不溶性膳食纤维（IDF）。SDF主要包括β-葡聚糖、果胶、菊粉和低聚糖等，来自植物细胞存贮物、分泌物以及部分微生物多糖和部分合成多糖。IDF包括纤维素、半纤维素、木质素、抗性淀粉和壳聚糖等，存在于细胞壁中。在DF的化学结构中，含有大量的活性基团，如：氨基、羧基、羟基、醛基和酮基等，这些活性官能团使DF具有持水性、持油性、吸附作用和可逆交换等特点[16]。因此，DF具有润肠通便[17]、减少有害阳离子蓄积[18]、预防肥胖、高血压、糖尿病、冠心病等[19]多种疾病的生物学功能。2膳食纤维制备原理膳食纤维提取的方法有：化学法、酶解法、酶-化学法、膜分离法、发酵法、超声波法和微波法等[20]。目前，化学法和酶解法是国内外提取制备膳食纤维常用方法[21-23]，也可采用酶-化学结合法[24]和膜分离法提取膳食纤维。此外，可以采用发酵法[25-26]、超声[27]及微波法[28]从不同原料中提取膳食纤维。上述不同方法所制备膳食纤维的原理各不相同，但均是去除膳食纤维以外的成分，释放游离的SDF，从而提取膳食纤维。2.1化学法化学法一般分为直接水提法、碱法、酸法、絮凝剂法等，其中碱法提取的应用较为常见[29]。化学法制备膳食纤维的原理为：将原材料清洗、干燥、粉碎、过筛，加入化学试剂处理，调节溶液pH值，控制反应温度，水解一定时间，离心分离，滤液调至中性，使用乙醇沉淀，得到膳食纤维[30]。化学法提取成本低、操作简单，但易造成试剂残留和环境污染等问题。2.2酶解法酶解法制备膳食纤维主要分为纤维素酶解法和其他酶解法两种类型[23]。纤维素酶解法是采用纤维素酶处理纤维素，使其分解为小分子，增加纤维素在水中的溶解度，从而获取膳食纤维[31]。其他酶解法是利用α-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等酶类混合作用，去除DF以外的脂肪、蛋白、淀粉等物质，进而获得膳食纤维[16]。酶提取法相较化学法，膳食纤维纯度和提取率提高、环境污染少，但制备较为复杂、提取时间较长、花费较高。2.3酶-化学法酶-化学法是酶法和化学法相结合，利用酶去除原料中除膳食纤维以外的杂质，加入酸性溶液或碱性溶液进行提取，从而获得较高纯度的膳食纤维[24]。酶-化学法具有作用条件温和、产品纯度高和效率高等优势，能够有效降低产业成本、减少环境污染[24]。2.4膜分离法膜分离法是根据物质分子量大小进行分离和提取不同的膳食纤维[19]。膜分离法对设备要求高，只可制备可溶性膳食纤维，不可用于不溶性膳食纤维的提取。2.5发酵法微生物发酵法需要选择合适的菌种，以果蔬、谷物副产物为原料，通过微生物产酸和分泌纤维素酶酵解原料中的蛋白质、脂肪和抗性淀粉等营养物质，获得SDF[16]。此法获得的膳食纤维具有品质高、色泽高和气味清香等优点，但制备条件较为复杂，工艺流程有待优化。2.6超声波法超声波提取是物理破碎的过程[32]，是利用超声波辐射和强声压强产生的械振动作用及声波和负压力形成的空化作用，促进细胞壁的破坏，释放细胞内物质，加速扩散溶解，制得膳食纤维[27]。超声法具有提取效率高、时间短和操作简单等优点，广泛应用于植物成分的提取。2.7微波法微波法提取膳食纤维的原理为：原料中添加一定比例的氢氧化钠溶液，调节液体pH值，按照原料数量设定一定的功率和时间进行提取，进而获得膳食纤维[33]。该方法具有价格便宜、耗时短和穿透力强等优点，但需根据原料的不同进行参数调整。3纤维素酶的来源纤维素酶是可将纤维素发酵成单糖的复杂酶系，由多种水解酶组合而成[34]。纤维素酶在自然界广泛分布，来源于动植物及微生物。微生物具有培养周期短、繁殖快等优点。产纤维素酶的微生物种类繁多，目前已经分离获取200多种产纤维素酶的微生物[35]。3.1纤维素酶的组成纤维素酶不是单一的酶，而是完整的纤维素酶系，一般由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶组成，三种酶类水解机理各不相同，但协同对纤维素发挥水解作用[36]。内切葡聚糖酶主要在纤维素分子链内部区域的非结晶区产生作用，可以打断分子间β-1,4-糖苷键，将大分子纤维素切割成断链小分子纤维素。外切葡聚糖酶在纤维素链末端区发挥作用，可以逐渐释放纤维二糖分子。β-葡萄糖苷酶又称纤维二糖酶，该酶并不对纤维素发挥直接作用，而是基于内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶对纤维素降解后产生的纤维二糖酶及低聚糖，进一步发挥作用，水解为葡萄糖。3.2产纤维素酶的菌种目前，产纤维素酶的微生物主要分为真菌、细菌和放线菌[37]。产纤维素酶的真菌包括木霉属、青霉属和根霉属等[38-39]，是自然界中纤维素的主要降解者，所产纤维素酶多为胞外酶，且产生的纤维素酶活性一般高于细菌、放线菌[40]。产生纤维素酶的细菌主要有类芽孢杆菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属等[41]，其中好氧菌中降解纤维素能力较好的有噬纤维菌、假单胞菌、热酸菌和芽孢杆菌；厌氧菌中降解纤维素能力较强的有梭菌和醋弧菌等[42]。研究表明，细菌在木质纤维素降解方面具有潜力优势[35]。链霉菌属、诺卡氏菌属、高温放线菌属是产纤维素酶的放线菌，放线菌产生的纤维素酶一般对温度的耐受性较好。近年来，为实现微生物对目标产物最大转化效率，引入基因工程技术被深入研究。工程菌是利用生物工程技术对产纤维素酶基因进行改造或转化所产生的新型菌类细胞株系，具有多功能、高效和适应性强等特点。Fan等[43]敲除野生N. crassa菌株中的六个编码β-葡萄糖苷酶的基因，构建可以提高纤维素转化效率的基因工程菌N. crassa F5。陈小玲等[44]通过克隆手段构建能够产生纤维素酶的大肠杆菌工程菌，在一定条件下达到最大的产酶量，且产生的重组纤维素酶只有在酸性条件下具有酶活性。以冬麦为原料，克隆并构建TaEXPA8蛋白和膨胀素基因EXPB7的黑曲霉工程菌，工程菌的发酵液能够显著促进纤维素酶的水解，水解效率分别提高21.2%和32.9%[45-46]。3.3纤维素酶的诱导调控纤维二糖、槐糖、乳糖等多种二糖均可作为碳源诱导分子，能有效诱导纤维素酶的生产，其中，槐糖和纤维二糖被认为是最常见的纤维素酶诱导分子[47]。单糖中的木糖也可作为一种碳源诱导物，能够诱导黑曲霉产生纤维素酶和半纤维素酶，而且与槐糖和乳糖混合培养木霉后，提升纤维素酶和半纤维素酶产量[48]。不同碳源诱导不同微生物产酶的机理中，目前普遍认同的是以丝状真菌对碳源诱导物的反应机理。丝状真菌通过初始水平分泌的纤维素酶对外界的纤维素物质降解产生碳源诱导物时，由转运蛋白运输入细胞内，引起菌体产生纤维素酶[49]。参与纤维素酶基因转录相关的调控因子有XlnR、Xyr1、Cre1、ACE1、ACE2和McmA等[47]。XlnR是研究最多的转录激活调控因子，含有锌双核蔟结构域，能够激活木聚糖酶基因和内切葡聚糖酶基因的表达[50]。Xyr1在曲酶中与XlnR属于同源蛋白，同样是双核锌指类转录激活因子，可在木霉中有诱导物存在时激活纤维素酶和半纤维素酶的活性[51]。Cre1转录因子，在碳代谢阻遏过程中发挥作用。里氏木霉和曲霉中许多纤维素和半纤维素酶基因的表达受Cre1基因调控[52]。ACE1和ACE2是在酵母中发现的转录调控因子，前者属于转录抑制因子，后者属于转录激活因子，且与启动子结合时，需要磷酸化和二聚体化[47]。单独敲除里氏木霉中ACE1和ACE2基因后，纤维素酶基因表达量分别升高和减少[53-54]。McmA是非锌蔟蛋白，通过结合上游启动元件CeRE，可以诱导纤维素酶基因的表达[55]。此外，转运蛋白、反义RNA序列和光信号等均参与了纤维素酶基因诱导途径的潜在或关键调控点，进而促进纤维素酶基因的有效转录[49]。在实际情况下，产纤维素酶基因表达并不只受单一因素的调控，而是同时受多种因素共同调控。4纤维素酶制备饲用膳食纤维工艺中的应用研究进展关于纤维素酶在饲用膳食纤维制备工艺中的应用引起学者广泛关注。杭瑜瑜等[56]使用纤维素酶法制备百香果皮中水溶性膳食纤维进行条件最优化试验，得出液料比为26 mL/g，纤维素酶添加量为1.16%，酶解温度为54 ℃，酶解pH值为4.3时，百香果皮SDF提取率为27.78%；且提取的可溶性膳食纤维具有持水力、溶胀性和持油力的特点以及吸附胆固醇、清除羟基自由基和超氧阴离子的能力。张乔会等[57]对制备贡水白柚皮可溶性膳食纤维的工艺参数进行优化，得出发酵温度44 ℃、发酵时间24 h、液料比10 mL/g、发酵剂接种量4%，膳食纤维提取率为5.43%，此条件下获取的可溶性膳食纤维呈球形的颗粒状，颗粒表面光滑。覃引等[58]在刺梨-红枣果渣可溶性膳食纤维的制备工艺优化研究中发现，液料比22 mL/g、菌株接种量10%、发酵温度40 ℃、发酵时间65 h、原料粒度0.16 mm为SDF获取的最优发酵制备工艺；此外，与未发酵刺梨-红枣果渣可溶性膳食纤维相比，优化后的SDF持水力、膨胀力和持油力均有所升高，分别为18.22 g/g、13.14 mL/g、3.21 g/g。郭年红[59]对青稞可溶性膳食纤维工艺最佳条件研究发现，经过纤维素酶处理后提取的SDF，与未添加纤维素酶的膳食纤维相比，持水性、持油性和膨胀力分别增加了24.5%、30%和100%。陈闯等[60]发现，液料比12 mL/g、酶解时间90 min，纤维素酶和木聚糖酶添加量为30和40 mg/g底物时，玉米皮渣膳食纤维的SDF得率为2.996%。5展望虽然纤维素酶在膳食纤维中的研究应用已经取得一些成果，但应进一步突破不同微生物中纤维素酶合成诱导调控机制的研究。仍需要对各种原料中膳食纤维制备技术进行优化，从而提升膳食纤维品质和价值，进一步扩大膳食纤维在畜禽养殖中的应用。