酶制剂在饲料中的应用(4.25).doc

酶制剂在饲料中的应用进入21世纪后，我国饲料工业和畜牧业继续保持快速发展，而主要粮食作物生产相对稳定，人畜争粮矛盾突出。随着人们生活水平的稳步提高，对畜产品的需求已开始转变为对质量的追求，要求优质、无残留，同时对环境污染问题也日益关注。因此，“高产、优质、节粮、无污染”成为本世纪畜牧业发展的主题。饲料用酶制剂是一种具有“节粮、环保”特点的绿色安全饲料添加剂，已越来越受到人们的关注，其研究、生产及应用都获得了长足的进展。1、饲料用酶制剂的分类饲料用酶制剂的分类方法很多，根据饲料用酶制剂中所含酶的种类及其构成可分为三类：饲料用单一酶制剂：产品为经过分离、提纯工艺而只含有一种功效酶成分，对饲料中一种成分具有酶催化作用的饲料用酶制剂称为饲料用单一酶制剂，如植酸酶；饲料用复合酶制剂：产品中含有二种或二种以上主要功效酶成分，这些酶是根据饲料原料和动物消化生理的不同而特定复配，对饲料中多种成分具有酶催化作用的饲料用酶制剂称为饲料用复合酶制剂，市面上大多数饲料用酶制剂多属此类，如溢多酶；饲料用混合酶制剂：产品中含有二种或二种以上主要酶活，对饲料中一些成分具有一定的酶催化作用的饲料用酶制剂称为饲料用混合酶制剂，一些技术力量薄弱的企业及部分工业级酶制剂生产企业生产的产品属于此类。根据饲料中所含酶的种类，饲料用酶制剂大致可分为两类：消化性酶：畜禽消化道可以合成和分泌，但因某种原因需要补充和强化的酶种，称为消化性酶，如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。非消化性酶（又称非淀粉多糖酶）：动物自身不能分泌到消化道内的酶，这类酶能消化动物自身不能消化的物质或降解一些抗营养因子，如木聚糖酶、果胶酶、甘露聚糖酶、一葡聚糖酶、纤维素酶、植酸酶等。根据饲料用酶制剂作用日粮底物类型，大致又可分为以下几类：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；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、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；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。2、饲料用酶的常用种类世界上已发现酶的品种有3700多种，生产用酶已达300多种，作为饲料添加剂用的酶制剂产品亦有20多种。目前饲料中常用的酶种主要有下面几类：（1）-淀粉酶-淀粉酶正式名称为-1，4葡聚糖-4-葡聚糖水解酶。主要作用于直链淀粉和支链淀粉中直链部分-1，4键，生成由数个葡萄糖聚合成的低聚糖和极限糊精。产物的末端葡萄糖残基C1碳原子为-构型，因此习惯称之为-淀粉酶。（2）糖化酶糖化酶正式名称为葡聚糖葡萄糖水解酶，主要作用于淀粉的非还原性末端，依次水解-1，4糖苷键生成葡萄糖。（3）蛋白酶 蛋白酶是作用于蛋白质或多肽，催化肽键水解的酶类。按酶的来源，可分为植物蛋白酶、动物蛋白酶和微生物蛋白酶。蛋白酶对蛋白质中的肽键水解有两种模式，一种是从蛋白质的N端(带游离基)，或C端(带游离羧酸)切下单个的氨基酸，这些酶被称为外切蛋白酶；第2种模式是分裂内肽键，通常水解产物为较小的多肽类和肽类，称为内切蛋白酶，大多数内切蛋白酶水解蛋白质生成最终产物并不是大量的游离氨基酸。各种蛋白酶水解蛋白质的最适作用pH值不同。按酶表现出最高活力的pH值范围分为酸性、中性和碱性蛋白酶3种。饲料工业中使用的是酸性和中性蛋白酶。（4）纤维素酶纤维素酶是指能降解纤维素的一类酶的总称，是一个由多种水解酶组成的复杂酶系，主要来自于真菌和细菌。根据各酶功能的不同主要分为三类： 葡聚糖内切酶（1，4-D-glucan glucanohydrolase或endo-1,4-D-glucanase，E.C3.2.1.4，来自于真菌简称为EG；来自于细菌简称为Len），这类酶一般作用于纤维素内部的非结晶区，随机水解-1，4糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素。 葡聚糖外切酶（1，4-D-glucan cellobilhydrolase或exo-1,4-D-glucanase，E.C3.2.1.91，来自于真菌简称Cbh；来自于细菌简称Cex），这类酶作用于纤维素线状分子末端，水解-1，4糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子，故又称为纤维二糖水解酶（cellobiohydrolase）。 -葡聚糖苷酶（-1，4-glucosidase, E.C3.2.1.21，简称BG），这类酶将纤维二糖水解成葡萄糖分子。（5）木聚糖酶木聚糖酶是专一降解木聚糖的复合酶。广义的木聚糖酶是指能够降解半纤维素木聚糖的一组酶的总称。主要包括三类: 内切-1，4木聚糖酶，优先在不同位点上作用于木聚糖和长链木寡糖，从-1，4木聚糖主链的内部切割木糖苷键，从而使木聚糖降解为木寡糖。其水解产物主要为木二糖与木二糖以上的寡聚木糖、也有少量的木糖和阿拉伯糖。 外切-1,4-木聚糖酶，作用于木聚糖和木寡糖的非还原端，产物为木糖。 -木糖苷酶，该酶通过切割木寡糖末端而释放木糖残基。狭义的木聚糖酶仅限于第一类内切-1.4-木聚糖酶。木聚糖酶破坏木聚糖分子中的共价交联（阿拉伯糖残基取代区）及通过氢键形成的连接区（主链上的非取代区），使木聚糖的水溶性及粘性大大下降，从而降低对肠道的负作用。（6）-葡聚糖酶广义的-葡聚糖酶主要包括内切-1,3-1,4-葡聚糖酶、外切-1,3-1,4-葡聚糖酶、内切-1,3-葡聚糖酶、内切-1,4-葡聚糖酶和外切-1,3-葡聚糖酶、外切-1,4-葡聚糖酶等。狭义的-葡聚糖酶指的就是内切-1,3-1,4-葡聚糖酶。已经证明，内切酶主要以随机的方式将-葡聚糖的长链切割成几条短链，它可明显降低-葡聚糖的粘度；而外切酶则是从非还原性末端开始作用，将葡聚糖切割成一单个葡萄糖，对-葡聚糖粘度的影响较小。在饲料业中广泛应用的是内切-葡聚糖酶。3、饲用酶制剂的作用机理3.1 消除日粮中抗营养因子3.1.1 消除麦类日粮中可溶性非淀粉多糖产生的粘性在麦类饲料中非淀粉多糖(Non-starch polysaccharide, NSP)的含量较高，尤其是其中的可溶性非淀粉多糖(Soluble non-starch polysaccharide, SNSP)部分具有较强的抗营养作用，主要为葡聚糖和阿拉伯木聚糖。SNSP本身的结构特点决定了其具有溶于水后产生粘性和持水力强等特性，这也正是SNSP产生抗营养作用的主要原因(White等，1981; Bedford等，1991),畜禽采食麦类日粮会导致小肠食糜粘性增加，胃肠运动和机械混合能力降低，从而阻碍消化酶与底物之间的相互结合及可吸收营养物质向肠壁的扩散，养分的消化与吸收也随之降低。3.1.2 破坏植物细胞壁植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶等非淀粉多糖组成，也含有少量蛋白质、酚类和脂肪酸等物质。这些物质通过氢键或共价键相互交联结合共同构成细胞壁结构，支持和保护细胞内容物。其中，纤维素主要形成细胞壁框架结构，而以阿拉伯木聚糖和R-葡聚糖为主的半纤维素及果胶等基质多糖，将纤维素骨架包围起来，起填充和连接作用。单胃动物消化道内不能分泌分解NSP的消化酶，一部分被包裹在其中养分不能被消化利用。3.1.3 消除a-半乳糖苷的抗营养作用豆科植物的籽实中a-半乳糖苷类低聚糖含量最高，菜籽粕中的含量居中。a-半乳糖苷具有降低日粮代谢能值，引起畜禽肠胃胀气等多种抗营养作用。在畜禽日粮中添加a-半乳糖苷酶则能够水解a-半乳糖苷，提高畜禽生产性能。3.1.4 消除蛋白类杭营养因子在植物性饲料中广泛地分布着多种蛋白类抗营养因子，如胰蛋白酶抑制剂和植物凝集素等。这些抗营养因子不能够被内源蛋白酶所水解破坏，并产生抗营养作用。杨丽杰等(2000)报道，5种微生物的蛋白酶在适宜的温度和pH条件下，均能够不同程度地水解大豆中的蛋白酶抑制因子和凝集素，使其失活。这说明在饲用酶中的蛋白酶不仅能够提高饲料蛋白质的消化率，而且能降解蛋白类营养因子。3.1.5 消除植酸的抗营养作用植物性饲料中植酸不仅影响畜禽对日粮中磷的利用，还影响蛋白、氨基酸及其它矿物质元素的利用，并能够对畜禽消化道中淀粉酶和蛋白酶产生抑制作用。植酸酶可从肌醇6位上的碳原子开始水解磷酸酯键，使磷以磷酸根的形式释放出来。大量的试验证明，在畜禽日粮中添加的植酸酶可提高日粮磷的利用率，减少日粮中无机磷添加量和粪便中磷的排泄量。与此同时，植酸酶还消除植酸与蛋白质以及2价金属离子的鳌合作用，提高蛋白质(Kemme等，1999)和部分微量元素(Sebastian等，1996)的利用率。3.2 优化畜禽消化道微生物菌群，保护肠道功能SNSP抗营养作用降低了畜禽对麦类日粮养分的利用，这些未被吸收利用的养分为消化道内微生物繁殖提供有利条件，导致消化道内微生物过度繁殖，影响畜禽的生长和健康。在日粮中添加饲用酶则有利于限制消化道内微生物过度繁殖，增加有益菌群的数量，调节肠道微生态平衡，防止肠道粘膜萎缩和支持肠粘膜屏障功能，维持维生素供应和促进矿物质的吸收，保护肝脏等都具有十分重要的作用。功能性低聚糖因其具有较高的稳定性，而难以被人和动物消化道的酶系分解。因此，功能性低聚糖可以直达大肠，被双歧杆菌等有益菌利用，促进这些有益菌增殖，而不能被有害菌所利用。这种选择性增殖作用不仅使得肠道菌群得到优化，而且使肠道微环境得到改善。3.3 影响畜禽外周血液激素水平畜禽的生长发育以及体内各种养分的消化和代谢过程都受神经和内分泌激素的调节。部分试验研究结果表明，大麦日粮中的粗酶制剂可影响畜禽外周血液激素水平，提高甲状腺素（T3和T4），生长激素和胰岛素水平，降低胰高血糖素水平，从而有利于增强畜禽营养物质代谢。但除了对T3的影响结果比较一致外，其它的激素水平的变化因畜禽的品种而异。同时，酶是如何影响畜禽外周血液激素水平的还不得而知。因此，影响畜禽的血液激素水平是否是饲用酶的作用机制之一，还有待于进一步研究。4、饲用酶制剂应用存在的问题和发展方向 饲用酶制剂应用中出现的问题饲料加工过程 （ 主要是制粒 ） 中的高温、配合饲料中的重金属离子、动物体内环境等导致酶制剂失活， 因此酶的稳定性是酶应用中的一个重大问题。应用中应注意对酶制剂进行稳定化处理。此外， 筛选优良菌种或通过基因工程技术对菌种进行改造 ， 使之生产的酶能耐高温、有较宽的 作用范围等适应不良外界条件的性能。在某些新的饲用酶制剂产品开发过程中 ， 对酶的最适活性单位或酶制剂添加量缺乏足够的试验基础， 复合酶的单项酶种及活性比例具有一定的盲目性。有些酶种是漫无目的地添加， 造成浪费和成本的提高。今后， 饲用酶制剂应向高效、专一方向发展， 开发特种动物专用酶以满足特殊需要。例如某一特定日粮类型的饲用酶 ， 某一特定的动物某一阶段的饲用酶， 或单一用途的饲用酶 （ 如消除某一中抗营养因子） 。微生物的生产属于微生物发酵的范畴 ， 而应用属于畜牧业的范畴， 由于专业间的差异 ， 给酶制剂管理造成一定的困难 ， 因此要尽快建立简易、快速、准确的饲料和养殖企业都能应用的体内或离体酶活性测定方法。对于饲料酶制剂生产国内大多数采用固体发酵法， 由于固体发酵生产工艺存在的一些缺陷目前无法克服， 造成产品质量不稳定 ， 在生产中有时带有杂菌， 给应用带来一定的不利因素。单纯使用外源性消化酶如淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶对动物的生产性能几乎没有正效应 ， 但是如果分解非淀粉多糖酶与蛋白酶或淀粉酶合用可以提高饲用酶的利用率。从理论上讲， 对幼龄畜禽由于消化酶分泌系统尚未完善 ， 对淀粉、蛋白质、脂肪的消化力较弱 ， 或畜禽处于疾病或应急状态时， 消化功能往往会发生紊乱 ， 消化酶的合成和分泌受到影响， 因此有必要在饲料里添加外源性淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、以补充内源酶分泌不足。但从实际生产来讲， 上述情况很难把握。从现有的文献资料来看 ， 只有复合酶才能提高日粮的消化率 ，所以很难确定哪种酶使用效果较好。6、 饲用酶制剂的发展方向迄今为止 ， 饲用酶制剂对畜禽业生产产生了很大的影响。日粮中添加酶制剂可以改变肠道微生物发酵， 进一步影响营养成分的可利用性以及动物的健康状况， 减少粪便和污染物的排放 ， 改善环境质量。相比较而言， 酶制剂对表观能低的谷物饲料的改善作用大于表观代谢能高的谷物饲料。在规模化饲养的情况下， 酶制剂可以降低动物种群之间的个体差异。关于酶制剂作为饲料添加剂的研