郭青海（尤特爾生化有限公司）

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機會和挑戰(zhàn)
——酶制劑對單胃動物性能的改善

郭青海（尤特爾生化有限公司）

2006年畢業(yè)于美國普渡大學動物科學系，獲動物科學博士學位。在美期間參與多項肉品項目研究，2002年獲得美國阿肯色大學“食品有害物分析和關鍵點控制技術(shù)”資格證書，被授權(quán)從事動物生產(chǎn)和肉品生產(chǎn)程序的制定和監(jiān)控，并獲得國際有害物分析和關鍵點控制技術(shù)聯(lián)合會認證?；貒笤趭W特奇公司、新華揚集團、諾偉司國際貿(mào)易公司等企業(yè)擔任技術(shù)總監(jiān)等職務，承擔國家“七五”、“八五”、“九五”黃土高原科技攻關項目，任畜牧業(yè)發(fā)展子項目負責人，實踐經(jīng)驗豐富，現(xiàn)任尤特爾生化有限公司飼料酶技術(shù)服務總監(jiān)，負責海內(nèi)外飼料酶技術(shù)服務、產(chǎn)品應用方案和項目規(guī)劃。

就國內(nèi)來說，從2000年左右開始，大規(guī)模使用酶制劑已有十幾年的時間，在此過程中飼料和養(yǎng)殖企業(yè)遇到了許多問題。今天我在此介紹在酶制劑使用過程中遇到的一些問題和挑戰(zhàn)。

1　概述

圖1　木聚糖酶系

就目前而言，全球飼用酶銷售5.5億美元（約合33億人民幣），節(jié)省飼料成本30億～50億美元（180億～300億人民幣），主要使用區(qū)域為中國、歐盟和美洲三大地區(qū)。其中中國酶制劑的使用在10億人民幣左右，美國和歐盟基本相等。從酶制劑的種類來說，美國主要以植酸酶為主，中國和歐盟還使用非淀粉多糖酶（NSP酶）等?？傮w來說，目前植酸酶占60 %，而非植酸酶占40 %。具體來說市場酶制劑主要由一些內(nèi)源性和外源性酶，如纖維素酶、木聚糖酶、葡聚糖酶、果膠酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶構(gòu)成。而國內(nèi)市場酶制劑主要以各種NSP酶以及部分內(nèi)源性酶等復合酶為主。

1.1碳水化合物水解酶

有些多聚糖類無法被機體天然產(chǎn)生的酶類水解，主要為木聚糖和葡聚糖。其中全球80 %的碳水化合物降解酶類是木聚糖酶（內(nèi)切-1，4-β-木聚糖酶）和葡聚糖酶［內(nèi)切-1，3（4）-β-葡聚糖酶］，此外還有纖維素酶。

1.1.1木聚糖酶系（圖1）

木聚糖酶系主要用于降解木聚糖。木聚糖是木糖以β-1和β-4連接構(gòu)成糖苷形成的長鏈聚糖。有些部位連接了一些阿拉伯糖和α-葡萄糖苷等作為側(cè)鏈。目前，國內(nèi)木聚糖酶主要以內(nèi)切1，4-β-木聚糖酶為主。尤特爾公司正在開發(fā)新的酶系，以便在降解主鏈的基礎上將側(cè)鏈的阿拉伯呋喃糖苷釋放出來加以利用。未來還將開發(fā)乙?；揪厶敲负挺?葡萄糖醛酸酶等，從而進一步提高對飼料中植物細胞壁的利用率。

1.1.2葡聚糖酶系

不同來源的葡聚糖存在形式不同，主要包括細菌的多縮葡萄糖（由α-1，6鍵的主鏈上支出α-1，4和α-1，6鍵的側(cè)鏈）、褐藻類的海帶多糖（Lami-narin，主要以β-1，3鍵）、地衣類的木聚糖（β-1，4和β-1，3鍵）、高等植物的纖維素（β-1，4結(jié)合）、直鏈淀粉（α-1，4鍵）、支鏈淀粉（由α-1，4鍵的主鏈上支出α-1，6鍵的側(cè)鏈）、動物的糖原等。飼料中的葡聚糖主要以β-1，3/1，4-葡聚糖形式存在，可以提升腸道黏度，影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。

葡聚糖酶不能等同于纖維素酶。葡聚糖酶作用底物有多種：β-1，3-糖苷鍵、β-1，4-糖苷鍵、β-1，6-糖苷鍵等。而纖維素酶不是單一的酶，主要有三個組分，作用的底物僅僅是β-1，4鍵。內(nèi)切葡聚糖酶（Endoglucanases，EG）作用于纖維素纖維內(nèi)部的非結(jié)晶區(qū)，隨機水解β-1，4-糖苷鍵，將長鏈纖維素分子截短，產(chǎn)生大量帶非還原性末端的小分子纖維素，外切葡聚糖酶（Cellobiohydrolases，CBH）從纖維素鏈的末端作用，每次切下一個纖維二糖單元。β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase，BG）將上述兩種酶水解產(chǎn)生的纖維二糖和短鏈的纖維寡糖進一步分解為葡萄糖。纖維素的完全降解需要這三種酶的協(xié)同作用。以往認為植物秸稈無法被動物利用，主要是由于纖維素酶降解效率不高，無法把纖維素降解成葡萄糖。隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展，在汽油中添加的生物乙醇是由谷物發(fā)酵而來，被視為第一代生物能源，而第二代生物能源是通過將秸稈降解為葡萄糖，進而發(fā)酵成乙醇。目前，生物技術(shù)已經(jīng)可以通過增加關鍵的β-葡萄糖苷酶實現(xiàn)該過程。該成果的利用將提升對纖維素的利用率，大大降低飼料成本。

將碳水化合物水解酶按照重要性排序：木聚糖酶＞葡聚糖酶＞纖維素酶＞α-淀粉酶＞甘露聚糖酶＞α-半乳糖苷酶＞果膠酶。而碳水化合物水解酶和植酸酶占到飼用酶的90 %。同時蛋白酶、脂肪酶、溶菌酶、漆酶（氧化酶）也逐漸受到重視。近幾年己糖氧化酶（葡萄糖氧化酶）逐漸受到重視。葡萄糖氧化酶的催化反應過程中可以生成過氧化氫，同時消耗大量的氧氣，能夠起到殺菌的作用。過氧化氫具有高效的殺菌能力，可以抑制霉菌的生長，降低霉菌毒素的含量，同時低氧環(huán)境可減少飼料的營養(yǎng)損失。催化葡萄糖生成葡萄糖酸，可以作為胃腸道中的酸化劑，為厭氧有益菌的生長創(chuàng)造有利環(huán)境。

1.2植酸酶

分解植酸（又稱肌酸6磷酸、環(huán)己六醇磷酸酯）的酶——植酸酶屬于水解酶類，市場上的植酸酶主要為3-植酸酶和6-植酸酶。目前，即使添加植酸酶也難以全部釋放6個磷酸，最多只能釋放50 %的磷，換言之有一半的磷難以被降解釋放，2位磷酸很難被水解。3-植酸酶由霉菌、酵母和細菌產(chǎn)生，它耐酸、耐高溫、性能穩(wěn)定；6-植酸酶存在于植物籽，穩(wěn)定性差。3-植酸酶在pH 2.5和5.5有兩個作用高峰，而6-植酸酶僅有pH 5.5一個高峰。因此，6-植酸酶的利用效果只有3-植酸酶的50 %。

2　NSP酶對動物生長性能的影響

2.1NSP酶對豬生長性能的影響

近10年的研究發(fā)現(xiàn)，在豬飼料中添加NSP酶有時對生長-育肥豬的增重并沒有顯著影響。眾多實驗中約一半的豬有明顯的添加效果，而另一半無影響。這與豬個體、養(yǎng)殖環(huán)境、仔豬生長的限制因素（腸道發(fā)育不全、營養(yǎng)攝入少、飼料含有抗營養(yǎng)因子）、動物日齡、營養(yǎng)水平等眾多因素有關，其中在NSP含量高的日糧中表現(xiàn)良好。

2.2NSP酶對家禽和魚性能的影響

NSP酶在家禽方面的添加效果比較明顯。Mathlouthi等（2002）研究了在黑麥和玉米基礎日糧中添加復合酶（木聚糖酶、纖維素酶和葡聚糖酶）對肉雞性能的影響。結(jié)果表明，在未添加酶時采用黑麥基礎日糧的肉雞生產(chǎn)性能比飼喂玉米基礎日糧的肉雞生長性能下降43 %，添加木聚糖和葡聚糖（分別為560 IU和2 800 IU）后，黑麥基礎日糧組肉雞的生長性能基本與玉米基礎日糧組的肉雞一致。

研究發(fā)現(xiàn)，NSP酶使用的效果與肉雞日糧的營養(yǎng)濃度有關，營養(yǎng)濃度越低，抗營養(yǎng)的效果越容易顯現(xiàn)，酶制劑作用的效果更加明顯。非淀粉多糖酶能改善青年產(chǎn)蛋母雞的生長性能，明顯改善雞蛋質(zhì)量，減少臟蛋率，提高蛋殼質(zhì)量；添加到麥類基礎日糧中，對火雞的生長性格提高明顯；肉鴨對麥類飼料原料反應敏感，尤其是高黏度的小麥；魚類飼料含有很高的蛋白，NSP酶可提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化率，減少營養(yǎng)物排泄，但生長性能改善不明顯。

2.3NSP含量與生長豬的氨基酸利用率

Nortey在2008年的一項實驗中，利用不同小麥次粉中非淀粉多糖的含量不同，將其用在不同實驗組的飼料中，添加NSP酶，測定該酶對豬氨基酸利用率的影響。發(fā)現(xiàn)NSP含量越高，氨基酸的改善程度越大。

圖2　非淀粉多糖與腸道健康的關系

2.4復合酶對妊娠和泌乳母豬回腸及腸道消化率的影響

研究探索復合酶對妊娠母豬和泌乳母豬腸道消化率的影響，發(fā)現(xiàn)復合酶對泌乳母豬的作用更為明顯（表1）。我們在菲律賓進行的實驗也發(fā)現(xiàn)，對于所有階段的母豬而言，添加復合酶均有改善效果，不僅表現(xiàn)在能量的改善、飼料利用率的提高上，還能改善母豬的便秘情況。

需要重點指出的是：日糧添加NSP酶對營養(yǎng)物質(zhì)消化率的提高并不意味著能夠明顯改善動物的生長性能。

2.4.1復合酶及所含酶之間的互作

酶制劑之間的相互作用（加性效應、協(xié)同效應和拮抗效應）已經(jīng)被廣泛證實，因此，酶制劑的添加種類和量并不是多多益善。有時添加多種酶制劑的效果遠小于兩者之和。酶類的溶解性不同，分可溶性和不可溶性，需要同時具有降解不可溶性和可溶性底物的酶。

2.5NSP酶的作用模式

單胃動物為何要使用NSP酶？因為單胃動物的飼料中含有大量NSP，它會阻礙消化酶的作用。因此，添加NSP酶可以減少NSP在腸道中的數(shù)量，降低聚糖的聚合度，從而降低腸道黏度。

2.5.1非淀粉多糖酶對能量利用的影響

纖維素酶、木聚糖酶和葡聚糖酶可提高回腸的單糖和寡糖數(shù)量、增加揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生、提高營養(yǎng)物質(zhì)在腸道前端的消化和吸收、降低腸道微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的競爭性吸收、減少腸道后端的發(fā)酵損失。而家禽對腸道黏度的反應比豬更加明顯，對腸道黏度的降低要比能量降低明顯。

2.5.2提高淀粉和脂肪的消化

NSP酶對脂肪的改善尤其重要，因為NSP會增加膽酸鹽的水解，會降低脂肪的利用效率。在用黑麥替代玉米的肉雞試驗中，肉雞的表觀代謝能和蛋白及其脂肪的消化率都下降。因為會造成膽酸的解離和小腸壁的肥大，日糧中添加木聚糖酶和葡聚糖酶可以降低膽酸鹽的水解程度。

2.5.3斷奶仔豬糞便中溶血性大腸桿菌的比例

McDonald的研究（2001）發(fā)現(xiàn)，纖維素的添加會影響斷奶仔豬腸道中溶血性大腸桿菌的含量，從而威脅動物健康；同時還會影響腸道不同位點大腸桿菌的比例。就其機理，非淀粉多糖酶與腸道健康的關系見圖2。

2.5.4油脂與非淀粉多糖酶

油脂具有能量補充作用，并有助于制粒，補充必需脂肪酸，還是一些脂溶性維生素的溶劑。非淀粉多糖酶能夠促進營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，減少飼料中油脂的使用。另一方面，脂肪酶也能夠通過提高油脂利用率來減少脂肪的使用量。有趣的是，低油脂含量可降低氨基酸的消化率。研究還發(fā)現(xiàn)，生長育肥豬日糧中添加木聚糖酶有利于改善豬舍的空氣質(zhì)量。

3　總結(jié)

現(xiàn)有證據(jù)表明，現(xiàn)有飼用酶的作用效果仍依賴于日糧所含NSP的量，而NSP的組分和濃度決定著飼用酶的使用效果。酶譜種類、酶活高低、添加量都會影響飼用酶的使用效果。如何提高NSP酶作用效果的一致性是未來酶制劑的挑戰(zhàn)?！酢?/p>