新型瘦肉型飼料添加劑生物基1,3-二羥基丙酮的開發(fā)與應(yīng)用

馬 駿 胡忠策 鄭裕國

摘要: 綜述了瘦肉型飼料添加劑的研究現(xiàn)狀,分析了生物基1,3-二羥基丙酮的生產(chǎn)及安全性,并對其前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞:瘦肉型飼料添加劑;生物基1,3-二羥基丙酮;動物營養(yǎng)

中圖分類號:S816.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: 1007-5739(2009)20-0332-02

隨著生活水平的提高,人們對膳食營養(yǎng)、口感、品質(zhì)、結(jié)構(gòu)的要求越來越高。動物食品是人們膳食結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,需求量在逐年上升,尤其是對高蛋白低脂肪、營養(yǎng)價值高、口感好、品質(zhì)高的動物食品需求量越來越大,要求也越來越高。這對禽畜養(yǎng)殖行業(yè)、飼料行業(yè)、食品加工行業(yè)提出了更高的要求。對于飼料及飼料添加劑行業(yè),為了滿足市場與消費者的需求,開發(fā)新型綠色安全飼料添加劑是當(dāng)務(wù)之急。目前,新型瘦肉型飼料添加劑的研究與開發(fā)是飼料科技研究領(lǐng)域的研究熱點,也是飼料工業(yè)企業(yè)科技創(chuàng)新、提升產(chǎn)品科技含量、提高企業(yè)競爭能力與盈利水平的重要手段。

1瘦肉型飼料添加劑的現(xiàn)狀

降低禽畜酮體脂肪含量、提高禽畜酮體瘦肉率在過去幾十年一直是動物育種、動物營養(yǎng)、飼料、養(yǎng)殖領(lǐng)域的重要研究方向和主要目標(biāo)。雖然有關(guān)瘦肉型禽畜的育種工作一直在有序的開展,也有一定的成效,但是培育一個穩(wěn)定高產(chǎn)的瘦肉型禽畜品種的周期長,工作量大,且對于瘦肉型品種的禽畜也要有相應(yīng)合理的配比飼料和科學(xué)的養(yǎng)殖方法,才能得到高品質(zhì)的動物酮體。

一直以來,世界各國科學(xué)家都在努力開發(fā)能提高禽畜瘦肉率的飼料添加劑。利用代謝調(diào)節(jié)劑促進(jìn)動物脂肪消耗、提高蛋白質(zhì)沉積是一條行之有效的方法。在生產(chǎn)實踐應(yīng)用中,使用腎上腺素受體激動劑、甾醇類藥物作為飼料添加劑,如鹽酸克倫特羅(俗稱“瘦肉精”),能促使體內(nèi)脂肪酶活化,促進(jìn)甘油三酯分解成游離脂肪酸和甘油,能有效地緩解、減少脂肪沉積,增加肌肉蛋白含量,從而改善禽畜酮體品質(zhì),提高瘦肉率。這些物質(zhì)雖然能有效提高瘦肉率,但是,卻能在禽畜酮體中殘留,對人體有一定的毒害作用,因此,國家相關(guān)部門已經(jīng)禁止在動物日糧中使用該類物質(zhì)[1-4]。

目前,市場上沒有一種綠色安全、價廉物美、高效、廣泛使用的瘦肉型飼料添加劑。同時,市場對瘦肉型飼料添加劑的需求量很大,當(dāng)年風(fēng)靡全國的“瘦肉精”足以說明瘦肉型飼料添加劑市場的龐大。這種突出的供需矛盾,促使不少的企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、大專院校投入大量的人力、物力、財力研發(fā)瘦肉型飼料添加劑,并取得了一定的研究成果。如國家發(fā)明專利(NO.ZL86105967)提供了一種從含莨菪烷類生物堿的茄科莨菪類植物中提取有效成分,制取提高禽畜瘦肉率的飼料添加劑的方法。該發(fā)明提供的生產(chǎn)方法工藝簡單、原料充足、無三廢污染,由該專利方法制備得到的產(chǎn)品能有效促進(jìn)禽畜生長,尤其能夠提高禽畜的瘦肉率,并能改善肉質(zhì)風(fēng)味,減少飼料消耗,增強(qiáng)禽畜的免疫抗病能力,對禽畜無毒、無致畸、無致突變等副作用。但是,該專利制備的飼料添加劑很少在市場上銷售[5]。

俞祖勛申請了一項“瘦肉型飼料添加劑”(NO.ZL0214-5029.3)國家發(fā)明專利,該專利提供的一種瘦肉型飼料添加劑為丙酮酸與一水肌酸混合物,其中丙酮酸鹽含量為55%～75%,該專利制備的飼料添加劑對人體安全,也能有效提高禽獸類的瘦肉率。但是,這些得到專利保護(hù)的能提高瘦肉率的飼料添加劑,由于各種原因沒有得到很好的應(yīng)用推廣,無法滿足消費市場對瘦肉型飼料添加劑的大量需求,沒能有效解決瘦肉型飼料添加劑供給問題[6]。

針對目前這種狀況,急需開發(fā)一種綠色安全、能廣泛使用的新型、安全、價廉的瘦肉型飼料添加劑,來填補(bǔ)市場需求的空白,以滿足人們對高品質(zhì)動物食品的需求。

2生物基1,3-二羥基丙酮的生產(chǎn)及其安全性

2.11,3-二羥基丙酮簡介及其生產(chǎn)

1,3-二羥基丙酮,也稱二羥基丙酮,分子量為90.08,分子式為C3H8O3。它是一種簡單酮糖,晶體呈白色,易溶于水以及乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑。1,3-二羥基丙酮可以以甘油為基質(zhì)通過微生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)獲得。由于甘油由動物脂肪、植物油脂轉(zhuǎn)化獲得,也可以通過微生物發(fā)酵生產(chǎn),因此,由微生物轉(zhuǎn)化甘油生產(chǎn)的1,3-二羥基丙酮是基于生物源和生物技術(shù)的一種化學(xué)品。

二羥基丙酮生產(chǎn)用的菌種與生產(chǎn)過程亦是綠色環(huán)保的,目前用于二羥基丙酮工業(yè)化生產(chǎn)的微生物菌種是葡糖桿菌(Gluconobacter oxydans),該菌株對人體與環(huán)境都安全。二羥基丙酮是人體糖代謝過程中的三碳化合物中間產(chǎn)物,在人體內(nèi)有存在,對人體無毒害作用,是一種綠色安全的化學(xué)品,目前已得到美國FDA認(rèn)證,廣泛應(yīng)用于化妝品、醫(yī)藥中間體、飼料添加劑等領(lǐng)域[7-12]。

2.2二羥基丙酮生物學(xué)功能

二羥基丙酮作為一個生物體糖代謝的中間產(chǎn)物,在生物體的代謝過程中有著十分重要的作用。一方面,二羥基丙酮在二羥基丙酮激酶(dihydroxyacetone kinase)催化作用下進(jìn)行磷酸化反應(yīng),生成磷酸二羥基丙酮;磷酸二羥基丙酮在磷酸丙糖異構(gòu)酶(trioseph-osphate isomerase)的催化下迅速轉(zhuǎn)化為3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛是糖代謝過程中重要的三碳中間產(chǎn)物,二羥基丙酮能通過生物體的糖酵解途徑,進(jìn)入生物體內(nèi)的新陳代謝。另一方面,二羥基丙酮能參與脂肪代謝,磷酸二羥丙酮在甘油磷酸脫氫酶作用下,還原生成α-磷酸甘油(或稱3-磷酸甘油);生成的α-磷酸甘油在脂酰轉(zhuǎn)移酶(acyl transferase)作用下,與2分子脂酰CoA反應(yīng)生成3-磷酸-1,2-甘油二酯,即磷脂酸(phosphatidic acid),磷脂酸是合成含甘油脂類的前體。此外,磷酸二羥丙酮也可先酯化,后還原生成溶血磷脂酸,然后再經(jīng)酯化合成磷脂酸。磷脂酸在磷脂酸磷酸酶作用下,水解釋放出無機(jī)磷酸,而轉(zhuǎn)變?yōu)楦视投?酯化生成甘油三酯[12]。二羥基丙酮在生物體內(nèi)的代謝過程比較復(fù)雜,它是聯(lián)系糖代謝和脂肪代謝重要的中間產(chǎn)物,能有效調(diào)節(jié)糖代謝與脂肪代謝的關(guān)系。

另外,體外供給二羥基丙酮,能有效提高生物體機(jī)體的性能,有效地減緩脂肪合成速率,從而起到減肥作用。二羥基丙酮喂養(yǎng)禽畜動物后,禽畜酮體的脂肪含量減少,蛋白質(zhì)含量增加,酮體的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更加合理,使酮體的瘦肉率大大提高。Stanko等用丙酮酸與二羥基丙酮的混合物口服喂養(yǎng)大鼠112d,結(jié)果表明,喂養(yǎng)丙酮酸與二羥基丙酮的大鼠的脂肪細(xì)胞中的脂肪合成速率下降,肌體的脂肪含量比對照組下降32%,血漿中胰島素水平下降,而且機(jī)體的能量消耗大大提高。二羥基丙酮與丙酮酸混合物(比例為3∶1)喂養(yǎng)豬的研究結(jié)果顯示,該混合物能有效降低酮體的脂肪含量,而肌肉的蛋白質(zhì)含量沒有變化。用二羥基丙酮與丙酮酸1∶1的混合物喂養(yǎng)96羽1d齡肉雞42d,隨著二羥基丙酮與丙酮酸喂養(yǎng)量的增加,肉雞的體重呈現(xiàn)曲線性減少。這些研究結(jié)果說明,二羥基丙酮和丙酮酸混合物對脂肪的穩(wěn)定作用是非種特異性,具有普遍性,而且作用效果非常明顯[13-18]。

3生物基1,3-二羥基丙酮的開發(fā)前景

利用改變生物體內(nèi)代謝流方向,調(diào)節(jié)糖代謝與脂肪代謝兩大代謝的關(guān)聯(lián)以及代謝流向,降低糖代謝向脂肪代謝遷移,從而減緩脂肪合成代謝,實現(xiàn)減肥,提高酮體蛋白質(zhì)含量、機(jī)體性能的研究是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程,是各國科學(xué)家研究的熱點。通過喂養(yǎng)二羥基丙酮為主,配比其他輔料的飼料添加劑,能有效改善糖代謝與脂肪代謝過程,改變糖代謝與脂肪代謝的流向,提高飼料利用效率,減少脂肪合成代謝,改善酮體品質(zhì),提高蛋白質(zhì)含量,減少脂肪含量,提高瘦肉率。

目前還沒有以二羥基丙酮為主要成分的飼料添加劑。該研究所以二羥基丙酮為原料,配以其他輔料,制備成瘦肉型飼料添加劑,初步研究結(jié)果表明:二羥基丙酮有良好緩解脂肪代謝、減肥等功效,能有效提高禽畜酮體瘦肉率,是一種很有開發(fā)前景的綠色安全高效的瘦肉型飼料添加劑。并申請了國家發(fā)明專利(申請?zhí)?200910097682.1)。另一方面,在原料二羥基丙酮的生產(chǎn)技術(shù)方面,以甘油為原料,采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)二羥基丙酮,經(jīng)過膜過濾、結(jié)晶等工序制備得到二羥基丙酮結(jié)晶體,生產(chǎn)工藝的各項技術(shù)指標(biāo)都處于領(lǐng)先,并申請了多項國家發(fā)明專利。目前二羥基丙酮已經(jīng)投入了工業(yè)化生產(chǎn),產(chǎn)品已經(jīng)出售,產(chǎn)品質(zhì)量得到用戶的認(rèn)可。因此,將二羥基丙酮開發(fā)成瘦肉型飼料添加劑,有顯著的原料供給和生產(chǎn)成本優(yōu)勢[19,20]。

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