Research and development of enzymes used in feed
Abstract: Enzyme preparation is a kind of high-yield, high-quality and high-efficiency of new green feed additives, it can improve the animal production performance and welfare, improve the feed efficiency in resource utilization, reduce the environmental pollution, promote the development of feed industry. The classification, design philosophy, manufacturing technique, the function of enzyme preparation and its application in feed production were discussed in this article．
Keywords: feed enzymes; classification and philosophy; application;
飼用酶制劑是一種由細(xì)菌、真菌等益生微生物發(fā)酵產(chǎn)生[1]，以酶為主要功能因子的飼料添加劑，能顯著提高飼料的利用率。飼用酶制劑的功能很多，但最基本的功能只有兩點(diǎn)，補(bǔ)充內(nèi)源性消化酶的不足，消除、降解日糧抗?fàn)I養(yǎng)因子[2]。酶制劑雖已用于飼料生產(chǎn)中獲得了肯定的應(yīng)用效果但其還存在熱穩(wěn)定性差，容易失活等弊端，在調(diào)制、制粒、膨化等熱處理或是在常溫條件下長(zhǎng)期存放都會(huì)引起失活[3]，而且酶制劑的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，應(yīng)用效果變化較大，易受各種環(huán)境因素影響[4]。
1 酶制劑的分類
1.1根據(jù)是否在動(dòng)物體內(nèi)大量分泌將飼用酶制劑分為外源酶和內(nèi)源消化酶
外源酶包括植酸酶和非淀粉多糖酶，其中非淀粉多糖酶又包括木聚糖酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶、果膠酶、纖維素酶等。植酸酶用于催化植酸鹽的水解反應(yīng)，使飼料中的磷以無(wú)機(jī)磷的形式游離出來(lái)，提高飼料中磷和其它養(yǎng)分的利用率。非淀粉多糖酶通過(guò)破壞植物細(xì)胞壁，分解纖維素、半纖維素和果膠等非淀粉多糖，既把這些不可利用的多糖分解成可被消化吸收的的小分子糖類，又可以打開(kāi)細(xì)胞壁保護(hù)的淀粉、蛋白等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使其充分吸收利用，同時(shí)還可降低因可溶非淀粉多糖造成的粘稠食糜的粘度；
內(nèi)源消化酶包括蛋白酶、淀粉酶、糖化酶和脂肪酶等。主要作用是將淀粉和蛋白質(zhì)降解成易被吸收的小分子物質(zhì)。
1.2根據(jù)產(chǎn)品中所含酶的種類，飼用酶制劑一般可分為飼用單酶和飼用復(fù)合酶
復(fù)合酶制劑比單一酶制劑效果更完善，但并不意味著單一酶制劑就沒(méi)有使用優(yōu)勢(shì)[5]。復(fù)合酶在使用的過(guò)程中因?yàn)楦鲉蚊钢g具有互相補(bǔ)充、相輔相成的效果，在各種酶的共同作用下，飼料中一些抗?fàn)I養(yǎng)因子被破壞，因而可以更好的促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)，提高動(dòng)物的免疫力，增加動(dòng)物的健康。
1.3根據(jù)酶作用的日糧底物不同分類
低粘度日糧用酶制劑：適用于常規(guī)玉米－豆粕日糧，其主要酶種是消化酶及木聚糖酶、纖維素酶和果膠酶等；高粘度日糧用酶制劑：適用于大麥、小麥等麥類作物及麥麩、米糠等谷物副產(chǎn)物用量較多的日糧，以木聚糖酶、β-葡聚糖酶等半纖維素酶為主；高纖維日糧用酶制劑：指稻谷、糟渣、草粉等含量較高的日糧，其主要酶種是纖維素酶、果膠酶和木聚糖酶等，主要作用是消除纖維對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的屏障作用。
1.4 根據(jù)酶制劑的商品性分類，分為精制酶和粗制酶
精制酶是經(jīng)過(guò)提純精制處理的酶制劑，包括含有一種酶的單一酶制劑 和由一種以上酶配制的多酶制劑[6]。由于酶作用的高度特異性和飼料物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，精制酶，特別是精制單一 酶的作用單一，添加效應(yīng)小，而且生產(chǎn)成本高。因此，作為飼料添加劑應(yīng)用不多，只有少數(shù)幾種對(duì)主要養(yǎng)分有較強(qiáng)作用的酶，如蛋白酶、淀粉酶、酯酶、植酸酶、β -葡聚糖酶等有部分精制酶產(chǎn)品。
粗制酶是即將含酶豐富的動(dòng)、植物組織或微生物發(fā)酵物， 經(jīng)過(guò)一定的濃 縮等處理（未提純處理）所制得的酶制劑。包括單酶制劑和復(fù)合酶制劑。粗制單酶制劑是指具有特定分解能力的單一菌種（或菌株）培養(yǎng)物經(jīng)濃縮等處理制得，或直接將安全發(fā)酵培養(yǎng)物與其中的酶一起制成的酶制劑。復(fù)合粗制酶有單一來(lái)源的產(chǎn)品（如細(xì)菌酶、酵母酶、各種動(dòng)、植物組織提取物等），或由多種來(lái)源酶配制而得的產(chǎn)品[5]。
2 酶制劑的設(shè)計(jì)原則
2.1 根據(jù)飼料的特異性設(shè)計(jì)的原則
日糧消化中主要存在的問(wèn)題之一是抗?fàn)I養(yǎng)因子問(wèn)題, 這里所指的抗?fàn)I養(yǎng)因子是指大量存在的主要起物理性抗?fàn)I養(yǎng)作用的因子, 即非淀粉多糖(NSP)[7] 。酶制劑的一個(gè)重要的生物學(xué)特征就是“酶制劑具有專一性”，底物不同，所需要的酶也不一樣。玉米-豆粕型日糧是我國(guó)的常規(guī)日糧，通用的消除抗?fàn)I養(yǎng)因子的最適酶種主要為a-半乳糖苷酶、甘露聚糖酶、木聚糖酶、果膠酶等，若飼料中添加了其他非常規(guī)原料，則需補(bǔ)充相應(yīng)酶種[8]。
2.2 根據(jù)畜禽的特異性來(lái)設(shè)計(jì)配方的原則
目前的飼料酶絕大部分是加入飼料中在動(dòng)物消化道內(nèi)發(fā)揮作用的[9], 所以酶配方的設(shè)計(jì)必須適應(yīng)動(dòng)物消化道的特點(diǎn),并注意動(dòng)物的種類、生長(zhǎng)期、消化生理的差別等不同生理狀況下對(duì)酶的需求不同：①消化機(jī)能尚未健全的幼年動(dòng)物、由于疾病或衰老引起消化酶分泌不足的動(dòng)物必須添加酶制劑幫助消化；②健康成年動(dòng)物當(dāng)自身所產(chǎn)酶能完全滿足充分消化之需要時(shí)不需添加；③當(dāng)飼料中某些成分過(guò)多、有抗?fàn)I養(yǎng)因子存在，阻礙正常消化過(guò)程，自身所產(chǎn)生的酶不能將底物完全消化時(shí)應(yīng)添加酶制劑[10]。
2.3 根據(jù)酶制劑自身的生物學(xué)特性設(shè)計(jì)的原則
要全面衡量在體內(nèi)條件下的酶活力，而不應(yīng)片面追求酶對(duì)高溫或酸堿的耐受性。當(dāng)酶的最適條件與動(dòng)物消化道的生理?xiàng)l件差別較大時(shí)，很可能在試驗(yàn)中采用最適條件測(cè)定酶活性很高，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)酶活性卻很低。
3 酶制劑的生產(chǎn)方法
目前在飼料中添加的酶制劑，都是由微生物發(fā)酵生產(chǎn)的，其常規(guī)工藝為：菌株選育、發(fā)酵培養(yǎng)、酶的提取。利用微生物來(lái)生產(chǎn)飼用酶制劑，有兩種方法，一是固體發(fā)酵，—是液體發(fā)酵。
3.1 固體發(fā)酵法
固體發(fā)酵一般利用麩皮或者米糠為主要原料，再添加谷糠、豆餅等，加水拌成含水量適度的半固態(tài)物料作為培養(yǎng)基，供作微生物生產(chǎn)繁殖和產(chǎn)酶用[12]。固體發(fā)酵也具有很多液體發(fā)酵所不具備的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：(1)培養(yǎng)基簡(jiǎn)單，多為便宜的天然基質(zhì)；(2)基質(zhì)的低含水量可大大減少生化反應(yīng)器的體積，不需要廢水處理，較少環(huán)境污染，常不需要嚴(yán)格的無(wú)菌操作，后處理加工方便；(3)不一定連續(xù)通風(fēng)，一般可由間歇通風(fēng)或氣體擴(kuò)散完成；(4)產(chǎn)物的產(chǎn)量可較高；(5)設(shè)備簡(jiǎn)單，投資小，能耗低，但固體培養(yǎng)基利用不完全、勞動(dòng)強(qiáng)度大、易染雜菌、不適于細(xì)胞內(nèi)酶的生成。
3.2 液體發(fā)酵法
液體培養(yǎng)法根據(jù)通氣(供氧)方法的不同，又分為液體表面培養(yǎng)和液體深層培養(yǎng)兩種。液體深層發(fā)酵(又稱浸沒(méi)式培養(yǎng))法是指在液體培養(yǎng)基內(nèi)部(不僅僅在表面)進(jìn)行的微生物培養(yǎng)過(guò)程，利用液態(tài)培養(yǎng)基進(jìn)行微生物的生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)酶[13]，是目前酶制劑和其他發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)的主要培養(yǎng)方法，也是目前應(yīng)用最廣的方法。與固體發(fā)酵培養(yǎng)方式相比，液體深層發(fā)酵具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)液體懸浮狀態(tài)是許多微生物的最適生長(zhǎng)環(huán)境；(2)在液態(tài)環(huán)境中，菌體、底物，產(chǎn)物(包括熱)易于擴(kuò)散，使發(fā)酵在均質(zhì)或擬均質(zhì)條件下進(jìn)行，便于檢測(cè)、控制，易擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；(3)液體輸送方便，易于機(jī)械化操作；(4)產(chǎn)品易于提取精制[14]。
由于飼料工業(yè)附加值低，飼料用酶無(wú)需精制，因此，采用固態(tài)發(fā)酵更為合適。國(guó)內(nèi)復(fù)合酶制劑的生產(chǎn)一般采用固態(tài)發(fā)酵，液態(tài)發(fā)酵主要用于植酸酶的生產(chǎn)或生產(chǎn)單酶制劑用于復(fù)配合酶制劑[11]。
4 飼用酶制劑使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)
飼用酶制劑在使用過(guò)程中要注意添加量、添加方式等問(wèn)題，不同廠家生產(chǎn)的酶制劑活性不同,畜禽品種及所處生長(zhǎng)階段不同,因此適宜添加量應(yīng)視酶的活性、日糧纖維素含量、畜禽品種及年齡而定，還應(yīng)注意以下問(wèn)題：
4.1保持酶的活性及其最佳使用條件
延長(zhǎng)酶的半衰期, 以滿足運(yùn)輸、儲(chǔ)藏的需要, 降低酶對(duì)環(huán)境的敏感度, 使之在各種不同的加工環(huán)境中都能保持較高的活性。酶制劑對(duì)熱敏感，耐熱性差，酶制劑受溫度影響而破壞是影響其效果的重要原因之一[15]。各種酶發(fā)揮作用的最佳pH不同, 可以通過(guò)菌種篩選和生物技術(shù)加以改變。選擇出適合動(dòng)物消化道生理?xiàng)l件的酶制劑, 達(dá)到最佳生產(chǎn)效果。
4.2增加酶制劑穩(wěn)定性5tF中國(guó)飼料行業(yè)信息網(wǎng)-立足飼料，服務(wù)畜牧
酶制劑本身的穩(wěn)定性是影響飼用酶制劑產(chǎn)品質(zhì)量的最關(guān)鍵因素。影響酶穩(wěn)定性的因素很多，主要包括水分活度、飼料顆?；^(guò)程高溫、高壓、高濕的影響以及消化道內(nèi)pH值[16]。1998年中國(guó)農(nóng)科院飼料研究所的科研人員，采用基因工程技術(shù)，獲得了植酸酶高產(chǎn)菌株。近年浙江大學(xué)飼料科學(xué)研究所動(dòng)物分子營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在β-葡聚糖酶、黑曲霉木聚糖酶等的穩(wěn)定性的研究方面亦已取得顯著進(jìn)展[17]。
4.3日糧組成5tF中國(guó)飼料行業(yè)信息網(wǎng)-立足飼料，服務(wù)畜牧
不同的日糧類型由于植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和組成不同應(yīng)添加不同的酶制劑。酶制劑作用具有高度專一性，只能作用于具有特定化學(xué)鍵價(jià)的底物，日糧組成不同酶作用的底物就不同，因而應(yīng)選擇不同種類的飼用酶制劑[18]。在制定酶制劑配方時(shí)，尤其是我們飼料資源豐富的大國(guó)根據(jù)飼料配方設(shè)計(jì)合理的酶制劑配方就顯的更為重要5tF中國(guó)飼料行業(yè)信息網(wǎng)-立足飼料，服務(wù)畜牧
4.4 安全性問(wèn)題、
現(xiàn)在所使用的復(fù)合酶制劑大都由微生物發(fā)酵產(chǎn)生,但在發(fā)酵過(guò)程中是否產(chǎn)生毒素及選擇安全的菌種進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn), 應(yīng)該在毒性和安全性上滿足飼料添加劑的要求。
4.5完善酶制劑活力檢測(cè)方法5tF中國(guó)飼料行業(yè)信息網(wǎng)-立足飼料，服務(wù)畜牧
現(xiàn)階段測(cè)定酶活力有兩種方法，一種是檢測(cè)在給定條件下酶作用底物底消失程度，另一種是檢測(cè)在給定條件下形成產(chǎn)物的數(shù)量[19]。單純檢測(cè)酶活性一般并不復(fù)雜，但當(dāng)酶加入飼料再評(píng)定酶活性，技術(shù)上就要難的多。因?yàn)闇y(cè)試法都要先將酶從飼料中提取出來(lái)，對(duì)于占飼料比例干分之一的酶制劑來(lái)說(shuō)，需要有靈敏的檢測(cè)設(shè)備和較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間,并且飼料中存在某些妨礙酶活性測(cè)定的物質(zhì)。因此今后必須加大科技投入，完善酶制劑活力檢測(cè)方法。
5 飼用酶制劑產(chǎn)品發(fā)展的方向
酶制劑的發(fā)展方向主要集中在以下兩個(gè)方面：一方面是開(kāi)發(fā)專門的單項(xiàng)酶制劑，如植酸酶、木聚糖酶、口一葡聚糖酶、半乳糖苷酶等，因?yàn)檫@些產(chǎn)品同以往的復(fù)合酶產(chǎn)品相比更具有針對(duì)性、效率更高，同時(shí)使用面也廣，可以作為一種飼料原料直接提供給飼料生產(chǎn)企業(yè)；另一方面是根據(jù)不同類型日糧、不同動(dòng)物種類以及不同抗?fàn)I養(yǎng)因子的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)專門用途的“日糧酶”、“動(dòng)物酶”或“抗?fàn)I養(yǎng)因子酶”，如“玉米一豆粕”型專用酶，“小麥一豆粕”型專用酶、“玉米一小麥一豆粕”型專用酶[20]
隨著人們生活水平的提高及環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，飼用酶制劑以其無(wú)殘留、無(wú)抗藥性、不污染環(huán)境等優(yōu)勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步被推廣應(yīng)用，但飼用酶制劑的發(fā)展仍有許多問(wèn)題有待解決，仍需要加大科技投入[21]，加強(qiáng)新菌種篩選、微生物發(fā)酵、基因改良和應(yīng)用試驗(yàn)等研究工作，研制出更適合于飼料原料和市場(chǎng)特點(diǎn)的飼用酶制劑產(chǎn)品，以更好的推動(dòng)飼用酶制劑的生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1].張美莉，郭睿．復(fù)合酶制劑對(duì)奶牛產(chǎn)奶性能的影響[J]．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2007(6)：l14—115．
[2] 劉亞力，幺紅霞，楊建策. 2001.綠色飼料添加劑的研究和應(yīng)用.飼料博覽.2001，（6）：22—26.
[3].何萬(wàn)領(lǐng)，齊德生. 2002.抗生素替代物的作用效果及存在問(wèn)題.飼料研究.2002，(9)：10—12.
[4].宋代軍. 1999. 影響飼用酶制劑效果的因素. 飼料博覽，12：30-31
[5].汪儆.飼用復(fù)合酶應(yīng)用的回顧與展望.酶制劑在飼料工業(yè)中的應(yīng)用 2005
[6].解玉萍.飼用酶制劑及其在畜禽養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[期刊論文]-青海畜牧獸醫(yī)雜志2010,40(5)
[7].馮定遠(yuǎn). 酶制劑的功能與動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)[期刊論文]-飼料工業(yè)2011(z1)
[8].陳自峰. 如何正確使用酶制劑[期刊論文]-飼料工業(yè)2006,27(16)
[9].王春平.李永義.沈水寶正確合理選用飼用酶制劑為家禽業(yè)創(chuàng)造價(jià)值[期刊論文]-家禽,2004(2)
[10].段紅偉.于鋒.飼用酶制劑的選擇與應(yīng)用技巧[期刊論文]-中國(guó)畜牧雜志2008,44(6)
[11].李平化等. 1992. 飼用酶必須具有飼料特異性及畜種特異性[J ] . 國(guó)外畜牧學(xué)- 豬與禽(2) :13～14.
[12].王放銀. 1992. 飼料酶制劑及其應(yīng)用[J ] . 中國(guó)飼料,1.
[13].蔣宗勇. 1995. 飼用酶制劑的生產(chǎn)及其在動(dòng)物飼養(yǎng)中的應(yīng)用[A ] . 廣東省農(nóng)科院畜牧所:動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料學(xué)研究進(jìn)展
[14].Apajalahti J;Bedford M R Improve bird performance by feeding its microflora 1999
[15].Barrier-Guillot B; Casado P; Maupetit P Wheat phosphorus availability 2 In vivo study in broilers and pigs; relationship with endogenous phytasic activity and phytic phosphoruscontent in wheat[外文期刊] 1996
[16].Eustace A.Iyayi;Bina I.Davies Effect of Enzyme Supplementation of Palm Kernel Meal and Brewer's Dried Grain on the Performance of Broilers[外文期刊] 2005(02)
[17].王小軍.蔡青和.佴梅.WANG Xiaojun.CAI Qinghe.NAI Mei 飼用酶制劑應(yīng)用存在的問(wèn)題和解決方法[期刊論文]-中國(guó)家禽2009,31(5)
[18].李清峰.馬向東.彭虹旎.李鸝.于鋒木聚糖酶耐熱性研究進(jìn)展[期刊論文]-中國(guó)畜牧雜志 2009(11)
[19].郝志敏飼用酶制劑的開(kāi)發(fā)應(yīng)用及存在的問(wèn)題[期刊論文]-飼料與畜牧 2010(11)
[20].耿愛(ài)蓮.Geng Ai-lian 影響飼用酶制劑選擇及使用效果的因素分析[期刊論文]-中國(guó)畜牧雜志2006,42(10)
[21].Choet M.Enzymes for the feed industry：past, present and future[J]．World's Poultry Science Journal，2006，62：5．
