包衣微丸型植酸酶的研制

馬俊孝 劉 偉 張贊劍 史衍魯 盧彥梅

礦物質(zhì)磷對于動物生長、骨骼礦化、免疫、繁殖等均是至關(guān)重要的營養(yǎng)元素之一，在以植物性原料為主的飼料中，磷主要以植酸磷的形式存在，植酸磷是植物性飼料中普遍存在的一種抗?fàn)I養(yǎng)因子，而單胃動物由于體內(nèi)無相應(yīng)的分解酶很難利用。一方面飼料中需要大量添加無機(jī)磷來補(bǔ)充磷的不足；另一方面飼料中大量的植酸磷不能被利用而隨糞便排入環(huán)境，既浪費了資源，又對環(huán)境造成了污染。植酸酶是一種能水解植酸的酶類，可使植酸磷降解成肌醇和磷酸，從而減少飼料中磷酸氫鈣等無機(jī)磷的添加量。目前，植酸酶在提高磷的利用率、減少糞便中有機(jī)磷的排放，節(jié)約礦物質(zhì)資源以及降低飼料成本方面的效果已被廣泛證實[1-2]，是迄今為止飼料酶制劑應(yīng)用最成功的范例。

但是，隨著飼料廠越來越多地采用高溫短時加工設(shè)備，如制粒機(jī)、膨化機(jī)、深度調(diào)質(zhì)器以及通用熟化制粒機(jī)等，容易使飼料中添加的植酸酶喪失活性，造成其有效性降低，這是目前植酸酶在飼料中推廣應(yīng)用的限制性因素之一。為減少顆粒飼料中的植酸酶因飼料加工過程而造成的損失，改善植酸酶的耐熱性成為植酸酶研究的一項重要工作。將制藥領(lǐng)域中成熟的微丸包衣技術(shù)應(yīng)用到植酸酶的生產(chǎn)工藝中，是解決植酸酶的穩(wěn)定性問題的一條現(xiàn)實途徑。采用微丸包衣技術(shù)，將植酸酶采用包被技術(shù)處理后，由于人為制造的一個小環(huán)境與外部在一定程度得以隔絕，被包裹的植酸酶的耐熱性得到較大提高。另外，用造粒和包衣處理的微丸產(chǎn)品替代粉末植酸酶，使用時減少了粉塵，產(chǎn)品在貯藏、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的穩(wěn)定性更好。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

粉狀植酸酶為康地恩生物集團(tuán)生產(chǎn)的普通植酸酶，耐熱性差。其它制粒、包衣材料為食品級或藥用輔料級。

酶活測定所用試劑購自Sigma公司，其它試劑均為分析純。

1.2 空白丸芯上酶的涂敷、包衣

空白丸芯制備：準(zhǔn)確稱取淀粉等輔料，過篩，混合均勻，再加入適量水，在槽型混合機(jī)中充分?jǐn)嚢?，放入擠出機(jī)中擠出，擠出網(wǎng)孔直徑0.5 mm。然后，把擠出的長條狀物料倒入滾圓機(jī)中，使其充分切斷并滾圓物料，從而制備符合要求的丸芯。滾圓后的芯丸放入流化床中，在70℃進(jìn)風(fēng)環(huán)境下干燥，干燥后過30、60目標(biāo)準(zhǔn)篩，即得所需空白芯丸，備用。

空白丸芯上進(jìn)行酶的涂敷：在植酸酶的濃縮液中加入適量糊精，視黏稠情況加一定量水，過100目篩，制成包衣液。取2 kg上述空白丸芯，投入流化床包衣機(jī)中，將包衣液涂敷到空白丸芯上。流化床參數(shù)為：風(fēng)量100 m3/h，進(jìn)風(fēng)溫度60℃，1.5 mm噴槍，2.5 bar霧化壓力。涂敷結(jié)束后，繼續(xù)加熱致料溫至60℃。

包衣：采用同樣的操作，再次在涂敷有酶層的丸子上進(jìn)行隔離層的涂敷。采用不同的包衣材料及其配比來考察包衣對耐熱性的影響。

1.3 含酶顆粒的包衣

含酶顆粒的制備：操作同1.2節(jié)中空白丸芯的制備。將各種輔料及酶粉按比例混合均勻，過篩，加入一定量的水，制備軟材。然后擠出、滾圓、干燥，即得含酶顆粒。與液體酶制備含酶顆粒的操作類似，將各種輔料按比例混合均勻，過篩，加入液體酶，必要時加少量水，制備軟材。然后擠出、滾圓、干燥，即得含酶顆粒。

包衣：用水或有機(jī)溶劑在攪拌狀態(tài)下溶解各種包衣材料，過100目篩，制成包衣液。取上述含酶顆粒2 kg于流化床包衣機(jī)中，參數(shù)同1.2節(jié)中酶的涂敷。同樣，采用不同的包衣材料及其配比來考察包衣對耐熱性的影響。

1.4 耐熱性評價

植酸酶的耐熱性能以酶活的殘留率來表述，以處理后與處理前植酸酶樣品的酶活比值(%)來表示，所有數(shù)據(jù)均為3次測定結(jié)果的平均值。

植酸酶樣品的活力測定按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18634—2009，采用分光光度法測定(GB/T 18634—2009《飼用植酸酶活性的測定——分光光度法》)。酶活力定義為：樣品在植酸鈉濃度為5.0 mmol/l、溫度為37℃、pH值為5.0的條件下，每分鐘從植酸鈉中釋放1 μmol無機(jī)磷，即為一個植酸酶活性單位，以U/ml（或U/g）表示。

植酸酶樣品的實驗室耐熱性評價采用濕熱蒸汽處理法，在手提式高壓蒸汽消毒器內(nèi)，用99～110℃的飽和水蒸氣處理植酸酶樣品，蒸汽處理時防止水滴掉入樣品中。取出后自然冷卻，分別測定處理前后的酶活。飼料試驗評估植酸酶耐熱性時，飼料中的植酸酶活性按照劉玉慶等[3]所述方法測定。

1.5 包衣微丸型植酸酶的顆粒性能

①外觀：肉眼或使用放大鏡觀察顆粒的圓整情況。

②粒度：隨即抽取1 kg樣品，用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，考察樣品的粒徑分布。

③硬度：感官測量，用手指使勁捻時是否有破碎。

④容重：向1 L量筒中加入微丸包衣型植酸酶至1 L刻度線，測定加入的植酸酶的重量，即為容重。

⑤溶解性：將微丸包衣型植酸酶樣品與水以1：50比例放入水溶液中，磁力攪拌慢速攪拌，記錄溶解時間。

⑥穩(wěn)定性：將本產(chǎn)品在25℃常溫保存6個月時，考察酶活的保留情況，用百分比表述。

⑦在飼料中的混合均勻度：將制備的不同微丸包衣型植酸酶樣品在飼料廠分別進(jìn)行禽料511的制粒試驗，調(diào)質(zhì)溫度在 75～85 ℃，調(diào)質(zhì)時間 18～30 s，蒸汽壓力0.4～0.6 MPa，按照劉玉慶等所述方法測定混合均勻度。一般混合均勻度在35%以內(nèi)可以滿足飼料原料充分混合的要求。

2 結(jié)果

2.1 空白芯上酶的涂敷、包衣

在空白丸上涂敷酶、包衣后所得顆粒的情況見表1，空白丸芯上涂敷酶、包衣后產(chǎn)品的耐熱性較差，實驗室評價條件下耐熱性只有2.5%的酶活?？瞻淄栊旧贤糠竺敢院?，酶層完全裸露在外，因此受熱后酶易失活。在酶層外面再包被隔離層后，耐熱性稍有提高，但整體而言酶活殘留率很低。另外，表1中還可以看出，隨著包衣材料及其配比的優(yōu)化，耐熱性有提高的趨勢。

表1 空白丸芯上涂敷酶及包衣后的耐熱性表現(xiàn)

2.2 含酶顆粒的包衣

將酶與輔料混合后制成顆粒，然后對顆粒進(jìn)行包衣，用實驗室和飼料制粒2種方法對耐熱性進(jìn)行評價，結(jié)果見表2，將植酸酶制成含酶顆粒后具有一定的耐熱性，達(dá)36.3%，比在空白丸芯上涂敷酶所得顆粒的耐熱性有較大提高（見表1，空白丸芯上涂敷酶后耐熱性僅為2.5%）。從表2中可以看出，含酶顆粒經(jīng)過包衣后的樣品，其耐熱性大幅提高，實驗室耐熱性達(dá)到80%，在如下的飼料制粒條件下：環(huán)模壓縮比1：10、調(diào)制溫度70℃、調(diào)制時間12 s、蒸汽壓力5 MPa，飼料制粒的耐熱性達(dá)到75%。

表2 含酶顆粒及其包衣樣品的耐熱性(%)

由表2可知，含酶顆粒經(jīng)過包衣后耐熱性有非常明顯的提高。因此，在含酶顆粒的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考察不同的包衣材料和包衣配方對包衣微丸型植酸酶耐熱性的影響。在更為嚴(yán)格的實驗室和飼料調(diào)制條件下（環(huán)模規(guī)格：壓縮比1：7，孔徑3.0 mm；調(diào)制溫度80℃，蒸汽壓力0.4 MPa，調(diào)質(zhì)時間30 s；飼料料號511），對不同包衣配方的植酸酶樣品進(jìn)行耐熱性評價，結(jié)果見表3。從表3可以看出，隨著包衣材料及其配方的逐步優(yōu)化，耐熱性有較大的提升。本研究制備的包衣酶與進(jìn)口的對照樣品有大致相當(dāng)?shù)哪蜔嵝浴?/p>

表3 包衣增重對包衣植酸酶耐熱性的影響(%)

2.3 包衣微丸型植酸酶的性能

除耐熱性外，對制備的包衣微丸型植酸酶的其它性能進(jìn)行了分析，結(jié)果見表4。由表4可以看出，本研究中制備的包衣微丸型植酸酶，顆粒流動性好，沒有粉塵。顆粒圓整，粒徑分布適當(dāng)，混合均勻度好，能確保在飼料中混合時達(dá)到分散均勻的要求。顆粒有較好的強(qiáng)度，能避免在飼料制粒操作時不被破碎。

表4 包衣微丸型植酸酶的性能

3 討論

如何有效降低植酸酶在儲存及飼料調(diào)制、制粒等環(huán)節(jié)中的活力穩(wěn)定性是當(dāng)前酶制劑和飼料加工需要解決的問題。近年來，研究人員嘗試將醫(yī)藥領(lǐng)域中成熟的藥品包衣技術(shù)應(yīng)用到飼用植酸酶的生產(chǎn)工藝中，這是一個創(chuàng)舉，能大幅度提高植酸酶的熱穩(wěn)定性。但是相對于醫(yī)藥包衣技術(shù)，筆者在包衣微丸型植酸酶的實際制備過程中發(fā)現(xiàn)，飼用植酸酶的制粒、包衣技術(shù)有其自身的特點和難點。首先，飼料配方中酶制劑的添加成本受到嚴(yán)格限制，包衣酶的成本相應(yīng)地也受限制，必須大規(guī)模篩選低廉且有效的制粒和包衣材料，因此，就包衣植酸酶原輔料而言，不能完全照搬醫(yī)藥包衣技術(shù)及其理論；其次，針對高昂的藥用輔料性質(zhì)所設(shè)計的制藥機(jī)械，在用于性質(zhì)差異較大的酶制劑原輔料時，設(shè)備與生產(chǎn)工藝間磨合的難度較大；再次，常規(guī)制藥機(jī)械的生產(chǎn)能力較低，而飼料級植酸酶的生產(chǎn)能力一般要求比較大。另外，包衣植酸酶產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝盡管可以參照制藥的工藝，其特別之處在于，包衣植酸酶除了在動物消化道內(nèi)迅速釋放外，更重要的是要考慮阻熱、防潮的目的，從而提高產(chǎn)品的耐熱性能。

植酸酶在飼料行業(yè)的重要性日益突出，但由于其熱穩(wěn)定性差，在飼料制粒過程中酶容易變性失活，成為植酸酶在動物飼料中推廣應(yīng)用的限制性因素之一。據(jù)報道，未經(jīng)處理的β-葡聚糖酶經(jīng)70℃制粒后在飼料中的存活率僅為10%，β-葡聚糖酶在飼料75℃調(diào)制30 s，其存活率為64%，而再經(jīng)90℃的制粒其存活率僅為19%，植酸酶經(jīng)70～90℃制粒后活力下降也在50%以上[4]。本研究中發(fā)現(xiàn)，顆粒經(jīng)過包衣后耐熱性能大幅提高（見表2、表3），并且制備的包衣微丸型植酸酶，在調(diào)制溫度80℃、蒸汽壓力0.4 MPa、調(diào)制時間30 s的條件下，耐熱性達(dá)到76%，與國外最優(yōu)秀的耐高溫植酸酶的耐熱性能相當(dāng)（見表3）。另外，本研究制備的包衣微丸型植酸酶的生產(chǎn)成本極具競爭優(yōu)勢。

4 結(jié)語

目前價格低廉的未包衣植酸酶在市場上仍占主導(dǎo)，包衣型植酸酶無疑將增加產(chǎn)品成本，已有的包衣植酸酶，其包衣成本一般在每千克10元左右。但飼用植酸酶的包衣微丸是發(fā)展趨勢，與其在低端市場的微利狀況下掙扎，不如開發(fā)高端包衣產(chǎn)品，早開發(fā)早受益。通過對植酸酶的包衣，能夠降低植酸酶在飼料制粒過程中的損失，減少在儲運過程中酶的損失，更全面地發(fā)揮植酸酶的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益。

[1]陳琳,王恬.植酸酶對櫻桃谷肉雞能量、蛋白質(zhì)和氨基酸利用率及消化酶活性的影響[J].動物營養(yǎng)學(xué)報,2009,21(6):938-944.

[2]趙春,朱忠珂,李勤凡,等.不同劑型植酸酶對肉雞生長性能和鈣、磷利用率的影響[J].動物營養(yǎng)學(xué)報,2007,19(6):714-718.

[3]劉玉慶,王海,孟慶賀.液態(tài)植酸酶后噴涂工藝設(shè)備及其產(chǎn)品均勻度測定[J].飼料工業(yè),2007,28(15):12-14.

[4]鄧春來,鄧斌,張曦.熱敏性營養(yǎng)素在飼料加工中的損失及其后添加方法[J].飼料博覽,2004,4:39-40.