酶制剂在饲料中的应用研究进展(精)

酶制剂在饲料中的应用研究进展(精)

自从 1975年美国饲料工业首次把酶制剂作为添加剂应用于配合饲料中并取得显著效果后, 饲用酶制剂日益受到世界养殖业的重视。而抗生素、激素和药物类添加剂大量应用于饲料中, 造成的动物食品污染和有害物质残留日益加重, 饲料安全问题日益突出。目前, 许多国家都在努力加强对饲料添加剂的管理, 西欧、日本、美国等国家相继颁布了一系列法律, 在饲料中禁止或限制使用抗生素、激素和药物类添加剂。“ 天然、绿色、无污染、无残留” 成为 21世纪世界畜牧业发展的主题。酶制剂作为一类高效、无毒副作用和环保的“ 绿色” 饲料添加剂在畜禽养殖业中具有广阔的应用前景, 正在逐步替代常用药物类添加剂, 实现添加剂“ 绿色化” 。

1饲用酶制剂的分类

酶是一种由活细胞产生的具有生物催化反应能力的蛋白质, 在动物体内消化与新陈代谢过程中起着重要的作用。根据饲料中所含酶的种类, 饲料用酶制剂主要可分为两类消化性酶和非消化性酶。 (1 消化性酶:饲料中常用的消化性酶制剂有α-淀粉酶、糖化酶、酸性蛋白酶和中性蛋白酶, 主要辅助动物消化道酶系作用, 降解淀粉和蛋白质成为易被吸收的小分子物质。 (2 非消化性酶:主要包括木聚糖酶、果胶酶、甘露聚糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶等非淀粉多糖酶和植酸酶。非淀粉多糖酶通过破坏植物细胞壁, 分解纤维素、半纤维素和果胶等非淀粉多糖 (NSP , 既把这些不可利用的多糖分解成可被消化吸收的小分子糖类, 又可以暴露细胞壁保护的淀粉、蛋白等, 使其更充分吸收利用, 同时降低因可溶 NSP 造成的粘稠食糜的粘度。植酸酶催化植酸盐的水解反应, 使其中的磷以无机磷的形式游离出来, 提高饲料中磷和其他养分的利用率。

1.1根据产品中所含酶的种类,饲用酶制剂一般分为饲用单一酶制剂和饲用复合酶制剂

目前市场上的商品饲用酶制剂大多数以复合酶制剂的形式销售, 如溢多酶、保安生等。一般来说, 复合酶制剂比单一酶制剂效果好, 但并不意味着复合酶制剂中酶种类愈多愈好。复合酶制剂有两种, 多数由几种单一酶混合调制而成, 还有一

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种是由一种微生物产生含多种酶系的复合酶制剂, 后者具有很好的发展前途,是饲用酶制剂发展的方向。与饲用单一酶制剂相比, 复合酶制剂中存在多种酶活, 其中主要为非淀粉多糖酶, 某些产品还含有一些外源消化性酶, 如蛋白酶、淀粉酶等; 复合酶中各种酶发挥着互相补充、相辅相成的效果, 在各种酶共同作用下,动物饲料中一些抗营养因子被破坏, 因而可以促进动物的生长,提高动物的免疫力, 增进动物健康。大量试验表明, 将复合酶添加到不同动物种类的不同基础日粮中, 均有显著, 动物生产性能都有一定程度的提高。

1.2根据酶作用的日粮底物,饲用复合酶制剂大致又可分为以下几类

(1 低粘度日粮用酶制剂:适用于常规玉米—豆粕日粮的酶制剂, 其主要酶种是消化性酶种及木聚糖酶、果胶酶和甘露聚糖酶等; (2 高粘度日粮用酶制剂:适用于大麦、小麦等麦类作物及麸皮、米糠等谷物副产物用量较多的日粮。以木聚糖酶、β-葡聚糖酶等半纤维素酶为主, 主要是解决动物肠道粘度的问题; (3 高纤维日粮用酶制剂:指稻谷、糟渣、草粉等含量较高的日粮, 其主要酶种是纤维素酶、果胶酶及木聚糖酶等, 主要作用是消除纤维对营养物质的屏障作用。

1.3根据酶活含量的高低及在饲料中添加量, 饲用酶制剂可分为普通酶和浓缩酶两大类

普通酶添加量一般在 1-2kg/t 配合饲料,浓缩

酶制剂在饲料中的应用研究进展史宝军

(广东溢多利生物科技股份有限公司, 广东饲料添加剂生物工程技术研究开发中心, 广东珠海 519060 [中图分类号 ]S816.7[文献标识码 ]C[文章编号 ]1005-

8613(2009 08-0025-04

[收稿日期 ]2009-08-03

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酶添加量多在 100-500g/t 配合饲料。浓缩酶由于添加量小, 相对单位使用成本低, 占用饲料配方空间小等优点, 发展很快, 多数饲用酶制剂厂家均推出了相应产品,甚至有厂家推出了添加量在 5-25g/t 配合饲料的超浓缩饲用复合酶制剂。

2饲用酶制剂的生产

目前饲用酶制剂主要采用微生物技术生产, 具有产量高、生产成本低等特点, 且不受季节限制。生产酶制剂的微生物一般认为是安全的, 如美国食品药品管理局 (FDA 规定枯草杆菌 (Bacillus Sub-tilis , 米曲杆菌 (Asp.niger , 啤酒酵母 (Sacch lere-visiae 和脆壁酵母 (Sacch fnagilis 等微生物无需经鉴定可直接生产。

微生物发酵生产饲用酶制剂有两种方法:固体发酵和液体发酵,其中固体发酵又称表层发酵, 生产规模小、生产成本低, 所得到的酶活性高, 酶系完全, 但也存在缺点:生产工人劳动强度大, 产量不易扩大; 而液体发酵具有操作劳动强度小、可自动化、产量可大规模生产等优点,但生产投资规模大, 生产成本高, 产生废水易污染环境。因此, 国内不论细菌还是真菌、放线菌均采用固体发酵的方法来生产酶制剂。经固体发酵生产的酶, 酶系复杂, 酶无需浓缩; 将发酵产品烘干后, 粉碎, 再添加填充剂, 以达到企业产品标准, 包装成成品。这样的复合酶制剂比单一酶制剂更受到使用单位的欢迎。

近年来随着科学技术的进步, 基因工程技术已成为世界各国尤其是发达国家进行酶制剂研究与生产的主要手段, 其应用主要包括:(1 利用重组微生物反应器高效表达目的酶, 降低生产成本。如黄火清等 (2006 将来源于柠檬酸杆菌的高比活植酸酶基因 AppA 进行了密码子优化改造, 改造后的基因 AppA(m按正确的阅读框架融合到毕赤酵母表达载体 pPIC9的α-因子信号肽编码序列3′ 端, 通过电击转化得到重组转化子; 植酸酶得到了高效分泌表达, 在 5L 发酵罐中植酸酶蛋白表达量达到3.2mg/mL 发酵液 , 发酵效价达到每 mL 发酵液 1.4×107IU 以上, 高于目前报道的各种植酸酶基因工程菌株的发酵效价。 (2 利用基因工程技术改良饲用酶制剂, 提高酶的质量与效率。通过基因工程手段将酶蛋白的基本结构改变,强化酶在某方面的功能的这一做法已成为商业上成功的典范。然而这种做法也给酶制剂的应用

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带来安全的隐患,所以对经改造, 尤其是经过基因技术改造的酶制剂, 必须经过合理的、必要安全评价后才能工业化生产和应用。 3饲用酶制剂的应用

饲料用酶制剂的基本功能在于补充动物内源酶的不足, 消除饲料中的抗营养因子, 达到提高饲料消化利用率, 改善生产性能, 减少饲料原料品质变异, 降低环境污染程度等目的。 2006年, 饲料用酶制剂产销量继续高速增长, 饲料中使用酶制剂的比率继续扩大, 浓缩料和预混料中酶制剂的使用增幅较大。从全球范围来看, 大约65%的含有粘性谷物的家禽饲料中添加了饲料酶制剂。

在非常规植物饲料中广泛存在大量的非淀粉多糖, 如大麦、小麦和黑麦都含有β-葡聚糖、木聚糖, 米糠中含有大量的纤维素和木聚糖。添加非淀粉多糖酶可在饲料日粮中加大非常规饲料的用量, 非常规饲料资源丰富, 价格低廉, 这样可以提高养殖业的经济效益, 如小麦在澳大利亚、加拿大、英国的饲料中用量高达60%, 在这些日粮中木聚糖酶已很普遍。武书庚等 (2006 研究了木聚糖酶在玉米 -豆粕型日粮和小麦 -玉米 -豆粕型日粮的应用效果,研究发现玉米 -豆粕型日粮中添加 1000IU/kg 的木聚糖酶对肉仔鸡前期和后期的生长性能无显著影响 (P <0.05 , 但有改善的趋势; 小麦 -玉米 -豆粕型日粮中添加木聚糖酶提高了肉仔鸡的采食量, 改善了肉仔鸡的饲料转化效率 (P<0.05 。最近在国外进行的一些试验测定了β-甘露聚糖酶对典型玉米-豆粕型肉鸡、火鸡和猪日粮中能量利用率的影响, 结果表明, 饲喂加酶的低能日粮和不加酶的高能日粮的肉鸡,其生长率和饲料利用率相同。在火鸡试验中, 低能日粮代谢能比高能日粮降低 41~94kcal/kg,而加酶低能日粮组的饲料利用率显著优于不加酶的高能日粮组, 这表明能量利用率的改善大于

41~94kcal/kg (Jackson ,2001 。在猪的试验中, 日粮能量和酶对于饲料利用率的有利影响与肉鸡试验相同。这些试验结果表明, β-甘露聚糖酶可提高能量的利用率, 具体表现为饲料利用率得到了改善而生长率得到了提高。

植酸酶是近年来开发应用的一类环保与新型的微生物饲料添加剂。夏中生等(2006 采用加 500 U/kg 植酸酶的玉米豆粕型基础日粮喂饲公猪, 研究发现, 蛋白质表观消化率提高了 2.45%, 蛋白质生物学价值提高了 6.29%,粗纤维表观消化率提高

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54.10%(P <0.05 ,钙的表观消化率提高了 13.82% (P<0.05 , 磷的表观消化率

提高了 47.36%(P < 0.05 , 饲粮可消化能提高了 7.69%(P <0.05 。 Litta 等 (2002 的试验表明, 植酸酶大约能分解释放日粮中 50%的植酸,降低 30%的磷排出。由于植酸酶提高了植酸磷的利用率, 因而添加适量植酸酶可减少畜禽日粮中无机磷的添加量, 在某些富含植酸磷的饲料中添加植酸酶甚至可完全代替无机磷。葡萄糖氧化酶是广泛应用在食品工业的一种酶。近年来, 人们开始将葡萄糖氧化酶作为药物促生长剂的替代品添加到饲料中, 研究葡萄糖氧化酶对多种病原菌的抑菌效果。临床观察表明, 葡萄糖氧化酶可以解除饲料中真菌毒素的危害, 提高动物免疫能力, 替代药物促生长剂使用。

近年来研究表明, 某些酯酶和环氧酶可作为饲用酶制剂, 用于降解饲料中的霉菌毒素, 如玉米赤酶烯酮, 所有的单端孢菌素, 包括 T-2毒素、呕吐毒素、瓜萎镰菌醇等, 而降解产物无毒无害。酯酶可裂解玉米赤酶烯酮的内酯环, 环氧酶则可裂解单端孢菌素的 12, 13-环氧基,生成的无毒的降解产物被消化或排出体外。

4饲料酶制剂应用前景与存在的问题

4.1应用前景

饲用酶制剂在发达国家 20世纪 20年代就已开始研究和应用, 20世纪 70年代酶才作为饲料添加剂较广泛应用于畜牧业中。随着抗菌素在饲料中的限制使用,抗菌素的促生长将有可能由酶制剂取代。

制约我国畜牧业发展的主要因素是畜禽疾病和药物残留, 美国从 1998年 1月开始实施“ 公害分析临界控制点” , 明确规定了食品中的有害物质 (包括细菌、药残等的临界值, 超标的一律不准上市。欧盟宣布从 1999年 1月起禁止在饲料中添加维吉尼亚霉素、磷酸泰乐菌素、螺旋霉素和杆菌肽锌等, 而且禁用范围有扩大趋势。发达国家畜牧业用药越来越少, 我国畜禽药物越来越多, 必将给我国畜牧业造成极大影响。欧盟曾就因检疫问题对我国关闭市场。

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随着我国加入 WTO 和国际畜产品一体化的即将来临, 随着我国人民生活水平的提高, 人们在食品安全和环保等方面的意识也在加强。还有我国各地主要粮食作物差异较大, 酶制剂对潜在饲料资源的利用和新饲料资源的开发有较大的作用。由此人们迫切需要发展酶制剂等环保节能型绿色饲料添加剂。我国政府也正积极通过禁止在饲料中使用抗生素、激素等方式来保障饲料和食品的安全, 维护生态平衡。预计未来 10年内, 随着科技水平不断提高, 生产成本的下降, 饲用酶的产销量必将大幅度提高。据悉, 现在我国沿海的一些大型酶制剂生产厂家的销售量明显上升。

4.2饲料加工过程对酶制剂的破坏作用

饲用酶制剂的化学本质是一类蛋白质, 如同所有蛋白质一样, 饲料加工过程中不可避免地出现的温度、水分和压力等因素都会对酶制剂的活性产生很大的影响,从而对酶制剂的应用效果产生影响。温度对酶制剂的影响包括两个方面:一方面是当温度升高时, 反应速度加快; 另一方面温度的升高, 引起酶蛋白分子中一些疏水

键断裂。一般酶的最适温度为 35￣50℃ , 最高不超过 60℃。但膨化制粒过程中温度可达 120℃以上, 并伴有高湿(引起饲料中较高的水分活度、高压(改变酶蛋白的空间结构而变性, 在这样的条件下, 大多数酶制剂的活性都将损失殆尽。一般情况下, 非淀粉多糖酶、木聚糖酶的热稳定性高于葡聚糖酶; 植酸酶比非淀粉多糖酶更易受温度的影响。

4.3现行饲用酶制剂-包衣、包被、微胶囊化等剂型的不足

酶是蛋白质, 对饲料加工处理非常敏感。为了避免配合饲料中的热敏性成分因加工而造成损失, 通常采用包被的办法对其进行保护,如采用包衣、包被、微囊化等剂型处理, 但尚有部分缺点。 (1 酶制剂进行“ 包被” 处理, 耐湿性差

酶制剂进行“ 包被” 处理制成微胶囊, 酶的热稳定性有所提高。一方面是防止了配合饲料加工过程中的热、湿等不利因素的破坏:另一方面是躲过了在胃液中作为蛋白质被降解而失活。但是水分含量对酶制剂活性同样有很大的影响, 经过“ 包被” 处理的饲用酶制剂, 在干燥条件下, 90℃加热 30分钟不会失活, 但在相

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同温度下供给蒸汽, 酶制剂就会迅速失活。还有一个因素就是通过包被处理后, 明显提高了饲用酶制剂的生产与应用成本。

(2 采用吸附方法, 耐温性差

采用吸附方法,酶的稳定性也可以得到增强, 这是因为有吸附载体的存在, 在制粒的湿热蒸汽环

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境中可对加入的饲用酶制剂起到一定的保护作用。然而有试验结果表明,这种保护作用也是有限的。当制粒的调质温度为 65℃时,载体可对酶制剂产生一定的保护作用, 而当调质温度升到 75℃时, 酶活性即会失去 70%左右。所以此种方法并不能确保酶制剂在制粒过程中的稳定性。将载体吸附酶技术同特殊的包被工艺结合, 尽管可以大大提高酶的耐热性能, 但由此而增加的成本将会使饲料企业更加难以承受。

(3 作用时间慢

剂型:为了提高酶制剂的热稳定性, 对颗粒酶制剂进行包被处理是减少饲料加

工过程中酶制剂活性损失的一种非常有效的方法, 但是采用包被处理来防止酶制剂被破坏会对其生物利用率产生很大的负面影响。 Guss 测试了饲喂肉用仔鸡缺磷

的玉米 -豆粕型日粮中三组不同配方形式 (粉末状、颗粒状和包被型、不同添加水平 (0、 100FTU/kg 、 200FTU/kg 、 300FTU/kg , 来源相似植酸酶的生物利用率。包被型植酸酶组日增重低于其他两组。颗粒状植酸酶和包被型植酸酶生物利用率不同的原因是包被型植酸酶在动物胃肠道中释放的速度更慢。饲料消化后, 酶因尽可能在胃肠道中变成生物活性物质, 因此时间是一个限制性因素。

5液体饲料酶制剂简介

5.1液体组分在饲料行业中的应用

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液体组分在饲料中的应用始于 19世纪末期。液体组分在饲料中应用的优点是:(1 可以满足某些动物对高能量饲料的需求,如肉鸡、仔猪等饲料; (2 可以满足

某些特种动物对脂肪需求量高的要求, 如特种海水鱼饲料、宠物饲料等; (3可以改善饲料的适口性, 如添加糖蜜; (4减小饲料生产运输中的粉尘; (5减少饲料机械磨损, 提高制粒生产效率; (6 以适当的比例添加可减少饲料混合后的分级, 保持营养均衡; (7可以提高特殊液体添加剂的利用效率, 降低生产成本, 如液体维生素、酶制剂等。然而, 科学、艺术、有效合理的添加液体组分一直是饲料工艺设备的研究

制造者和饲料生产者追求的目标。液体添加技术和设备在近 10年取得了显著的进步。

5.2液体饲料酶制剂

随着酶学研究的不断深入和饲料工业的发展, 国内外对饲用酶的应用范围已不断扩大, 逐步覆盖

饲养猪、鸡、牛、羊和水产等领域, 其品种也由单一到复合。已呈现出饲用酶制剂的良好应用效果, 促进了养殖业和饲料工业的发展。但是一般酶活性的

最适温度为 30￣45℃ ,超过 60℃时酶就会变性, 甚至丧失活性。而制粒、膨化过程中的温度可达 70-150℃以上, 并伴有高湿、高压。在这样的条件下, 大多数酶制剂的活性都将丧失殆尽。因此, 世界广泛采用于饲料调质制粒后在颗粒表面喷

涂液体酶制剂的技术。制粒、膨化后喷酶是将液态酶制剂在饲料制粒、膨化后添加到饲料中去的技术, 这样就可避免在饲料预处理和制粒、膨化过程中损失添

加剂的有效成分。美国的科学家 Ercaicher 则发明了一种“ 在颗粒饲料从制粒机

中出来并经过冷却器和筛选机以后喷涂脂肪酶” 技术。世界上各设备生产商, 如

瑞士的 Buhler 、德国的 Kahl 和 Chevita 、芬兰的 Finnfeeds 、丹麦的 Sprout-Matador 等公司纷纷投入到研制液体喷涂机的行列中来, 并不断有新产品问世。

液体饲料酶制剂应关注以下关键技术:(1 储存稳定性:酶制剂在液体、常温状态下, 非常容易变性失活, 是饲料用酶制剂领域的一个难点。通过应用酶蛋白分子修饰等技术及液体酶制剂稳定配方的筛选,确保酶制剂在液体状态下的稳定性; (2

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液体酶制剂后喷涂均匀性:饲料调质制粒后在颗粒表面喷涂液体酶制剂的技术,确保饲用液体酶制剂后喷涂均匀性达 90%以上,误差±10%; (3 “ 添加在饲料中微量酶的活性” 测定:应用先进的生化分离技术,准确测定添加在饲料中微量酶的活性。这些关键技术的解决, 将给液体酶制剂的广泛应用带来巨大潜力。

6展望

随着人们生活水平的提高及环境意识的增强, 饲用酶制剂以其不产生残留、无抗药性、不污染环境等优势将会进一步被推广应用。我国还需要加大科技投入, 加强新菌种筛选、微生物发酵、基因改造、作用机理和应用等工作, 研制出适合于饲料原料和市场特点的饲用酶制剂新产品, 以推动饲用酶制剂的生产和广泛应用; 并制定出饲用酶制剂检测方法标准和规范饲用酶制剂生物学评价试验方法。通过以上努力, 使酶谱优化、酶活稳定、饲喂效果好、价格合理的饲用酶制剂优质产品在市场竞争中能够得到更大的推广。

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