家禽日糧中酶制劑使用的現(xiàn)狀和展望

奧托迎，張?zhí)m草

（1.Center for Animal Nutrigenomics&Applied Nutrition，Alltech Inc.，Nicholassville，KY40356，U.S.A.；2.Division ofRegulatoryServices，UniversityofKentucky，Lexington，KY40546，U.S.A.）

酶被定義為蛋白質(zhì)催化劑，它可以啟動(dòng)和控制生物體內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)的速率?？v觀歷史，人們?cè)卺勗臁⑹称芳庸ず涂股氐暮铣傻冗^(guò)程中都使用了酶進(jìn)行催化反應(yīng)。自從Sumner在1962年首次分離純化了第1個(gè)酶——脲酶以來(lái)，分離提純的各種酶制劑已被廣泛用于紡織、皮革加工、食品和飲料加工行業(yè)。在動(dòng)物飼料中添加酶制劑已有超過(guò)60 a的歷史，但在最近15 a，酶制劑的使用才得到快速增長(zhǎng)。

酶在消化過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。雖然動(dòng)物本身或在其消化道中天然存在的微生物可以生產(chǎn)用于消化飼料的多種酶，但是有一些飼料成分，如植酸鹽、可溶性纖維等，由于缺少內(nèi)源分泌的消化酶，不能被單胃動(dòng)物所消化利用。飼料中添加酶主要是幫助動(dòng)物消化那些不能被消化的成分，而這些成分已被證明還具有抗?fàn)I養(yǎng)作用，如植酸鹽不能被消化，不僅它所含的磷不能被動(dòng)物利用，而且植酸是一個(gè)很強(qiáng)的螯合劑，它在腸道內(nèi)會(huì)影響其他多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如礦物質(zhì)、氨基酸）的吸收利用。由于酶本身是蛋白質(zhì)，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)人們認(rèn)為，飼料中添加酶制劑后，這些酶制劑就會(huì)在動(dòng)物的胃腸道被消化而失去活性。1946年，Hastings[1]首次報(bào)道，在含有高纖維的雞飼料中添加糖化酶，可以改進(jìn)雞的生長(zhǎng)和飼料報(bào)酬。1957年，Jensen等[2]研究也發(fā)現(xiàn)，在含有大麥的家禽日糧中添加具有β-葡聚糖酶活性的發(fā)酵復(fù)合物，顯著提高了雞的生長(zhǎng)表現(xiàn)，并減少了雞排泄黏濕糞便，改善了墊料的濕度。Nelson等[3]在1967年首次證明，在雞飼料中添加植酸酶可以有效提高雞對(duì)植酸中磷的利用。之后，全球科研人員對(duì)植酸酶在動(dòng)物飼料中的應(yīng)用進(jìn)行了大量而廣泛的研究。

飼料中添加的酶制劑主要是通過(guò)微生物發(fā)酵和提取來(lái)生產(chǎn)。飼料級(jí)的酶通常含有多種酶活性，在過(guò)去的20 a，轉(zhuǎn)基因和生物工程技術(shù)的快速發(fā)展，使大量生產(chǎn)高活性飼料用酶成為可能。目前家禽日糧中常用的一些酶制劑列于表1。

表1 家禽日糧中常用的一些酶制劑[4]

目前，在家禽飼料中應(yīng)用最廣泛的酶包括β-葡聚糖酶、木聚糖酶和植酸酶，其中，前2種酶都屬于碳水化合物降解酶，主要添加在含有大麥、燕麥、黑麥或小麥的家禽日糧中，幫助家禽對(duì)這些谷物中所含的非淀粉多糖進(jìn)行降解。非淀粉多糖包括不溶性多糖（主要存在于細(xì)胞壁）和可溶性多糖（主要存在于胚乳部分）。其中，大麥和燕麥含有的非淀粉多糖主要是β-葡聚糖，而黑麥和小麥主要是阿拉伯木聚糖。最初，人們僅對(duì)這些非淀粉多糖的低營(yíng)養(yǎng)價(jià)值有所認(rèn)識(shí)，后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，它們?cè)陲暳现羞€會(huì)大大降低其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效利用。幾種常見谷物中所含非淀粉多糖的種類和平均數(shù)量列于表2。

表2 常見谷物中阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖的總含量和可溶性部分含量及其在胚乳部分所含的比例

谷物中可溶性非淀粉多糖如β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖，不能被單胃動(dòng)物如肉仔雞所消化利用，原因是由于在小雞的胃腸道中缺乏相應(yīng)的消化酶。這些非淀粉多糖類物質(zhì)易溶于水，形成黏性溶液（圖1），從而使小腸內(nèi)食糜的黏度增加，降低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散速率以及底物和消化酶在黏膜表面的相互作用[5]，這不僅影響到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化效率，而且影響到基本營(yíng)養(yǎng)素如葡萄糖、脂肪酸、氨基酸以及礦物質(zhì)元素的吸收利用率[6]。另外，由于大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在腸道內(nèi)的滯留，使家禽消化道內(nèi)微生物大量繁殖，進(jìn)一步給家禽的生長(zhǎng)帶來(lái)不利的影響。這也是為什么在含有大麥或小麥的日糧中添加抗生素可以看到類似添加酶效果的原因[7]。通過(guò)多年大量的試驗(yàn)證明，在以大麥為基礎(chǔ)的肉雞日糧中添加β-葡聚糖酶或在以小麥或黑麥為基礎(chǔ)的肉雞日糧中添加含有木聚糖酶活性的酶制劑，可以顯著改進(jìn)肉雞的生產(chǎn)性能和提高飼料效率[8-19]。這種結(jié)果并不主要是由于可溶性非淀粉多糖被酶水解后，所釋放的單糖被動(dòng)物吸收利用所致，而主要是消化道內(nèi)特別是小腸內(nèi)的黏度由于可溶性非淀粉多糖被酶水解而顯著降低的緣故[20-25]。

植物中大部分存儲(chǔ)的磷是以植酸磷的形式存在于籽粒中。玉米和豆粕中植酸磷占總磷的比例分別為90%和75%[26]。由于單胃動(dòng)物（雞和豬）不能分泌植酸酶，這些植酸磷被單胃動(dòng)物的利用率不足30%。大量的磷從動(dòng)物糞便中排出，將造成環(huán)境特別是水源的污染。另外，植酸在腸道中還會(huì)與其他的礦物質(zhì)（如 Ca，F(xiàn)e，Cu，Mn，Zn）、氨基酸和淀粉形成復(fù)合物，從而降低這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效利用率[27]。大量研究結(jié)果表明，在家禽飼料中添加植酸酶，不僅可以使植酸磷的利用率提高20%～45%，而且還顯著增加了其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用[28-30]。

豆粕是迄今為止世界各地的動(dòng)物飼料中使用最廣泛的蛋白源。據(jù)估計(jì)，約63%用于動(dòng)物飼料的蛋白質(zhì)來(lái)源于大豆蛋白，在美國(guó)，豆粕提供家禽飼料中98%的植物蛋白。大豆中含有包括抗胰蛋白酶、外源凝集素和低聚糖在內(nèi)的多種抗?fàn)I養(yǎng)因子。雖然，熱處理通常被認(rèn)為是一種非常有效去除這些抗?fàn)I養(yǎng)因子的方法，特別是抗胰蛋白酶和外源凝集素[31]，但是，有一些抗?fàn)I養(yǎng)因子如低聚糖，還是不能通過(guò)熱處理來(lái)消除。豆粕中含有約22.7%的非淀粉多糖[21]，其中，有6%是低聚糖[32]。由于單胃動(dòng)物不分泌用于消化低聚糖的α-半乳糖苷酶[33]，這些低聚糖在腸道內(nèi)的積累可以引起大量氣體的產(chǎn)生[34]，并使腸道蠕動(dòng)加快，從而降低動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的消化吸收[35-36]。家禽對(duì)豆粕中的能量利用率很低（僅為總能量的50%）[37]，其中與這些低聚糖的抗?fàn)I養(yǎng)作用有關(guān)[38]。有試驗(yàn)表明，用完全去除低聚糖的豆粕來(lái)飼喂公雞，所測(cè)的氮矯正真代謝能（TMEn）比普通豆粕高21%，消化物在胃腸道的停留時(shí)間延長(zhǎng)50%[39]。在過(guò)去的10多年，科學(xué)家們?cè)噲D通過(guò)在家禽飼料中添加α-半乳糖苷酶來(lái)消化這些低聚糖類（圖2），從而提高豆粕的代謝能值[40-42]。另外，一些研究人員試圖利用蛋白酶對(duì)豆粕進(jìn)行預(yù)處理，從而消除殘余的抗胰蛋白酶和外源凝集素等抗?fàn)I養(yǎng)物[43-45]。

盡管酶制劑在家禽日糧中的使用得到了一些普及，但在其他動(dòng)物飼料中的應(yīng)用還十分有限。即使在家禽日糧中，常用的酶制劑也只有以上提到的幾種。為了充分發(fā)揮酶制劑在動(dòng)物飼料中的使用潛能，使更多的酶應(yīng)用于更廣泛的飼料中，未來(lái)應(yīng)在5個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行廣泛而深入的研究。

第一，目前，大部分酶制劑通過(guò)真菌發(fā)酵來(lái)生產(chǎn)，是較為傳統(tǒng)的一種方式，但是，這些酶往往不能抵抗高溫和低pH值等，在飼料的制粒或膨化過(guò)程中，酶的活性會(huì)降低。未來(lái)將利用不同的生產(chǎn)方式，比如通過(guò)基因重組[46]，利用細(xì)菌或植物果實(shí)來(lái)生產(chǎn)[47]，使生產(chǎn)的酶具有較高的活性及較強(qiáng)的抗環(huán)境能力，如在高溫、低pH值環(huán)境以及在蛋白水解酶存在的情況下都具有較高的酶活性。

第二，開發(fā)測(cè)定酶活性的標(biāo)準(zhǔn)方法。目前，全球尚未找到一種能測(cè)量各種飼料用酶的標(biāo)準(zhǔn)方法。事實(shí)上，酶活性的測(cè)定一般都是在酶添加到飼料之前進(jìn)行，一旦將酶加入飼料，酶活性的測(cè)定就變得十分困難[48]，這樣就不利于酶制劑之間的相互比較，同時(shí)也不利于監(jiān)測(cè)酶在飼料加工過(guò)程中活性的變化情況。

第三，對(duì)各種酶制劑之間的協(xié)同或拮抗作用進(jìn)行調(diào)查研究。從理論上講，利用酶對(duì)某一底物進(jìn)行徹底消化，不能僅依靠一種酶，而要依靠多種酶的協(xié)同作用。另外，由于酶本身是屬于蛋白質(zhì)，蛋白酶和其他酶制劑同時(shí)添加是否會(huì)降低其他酶的效率，這都需要研究數(shù)據(jù)的支持。

第四，盡管目前知道酶加入飼料后，可以提高飼料的消化率，促進(jìn)家禽的生長(zhǎng)。但是，有關(guān)酶在消化道中具體的作用部位尚不清楚。以家禽為例，飼料中加入的酶主要是在嗉囊、肌胃、小腸或整個(gè)消化道中發(fā)生作用，這還有待進(jìn)一步研究。這些信息的獲得有助于開發(fā)新的更有效的飼料用酶。從酶在飼料中的應(yīng)用看，家禽飼料中的應(yīng)用效果總體好于豬飼料，部分學(xué)者把這歸結(jié)于家禽和豬在整體消化系統(tǒng)方面的差異。由于家禽具有嗉囊，飼料中的酶可以在這里得到緩沖；而豬飼料直接進(jìn)入胃，飼料中加入的酶的活性由于胃里的低pH值和蛋白酶可能會(huì)受到很大影響。這些推斷還需要得到進(jìn)一步證實(shí)。

第五，飼料酶制劑的研究還包括將酶的活性、飼料原料的種類以及動(dòng)物生產(chǎn)表現(xiàn)視為整體的模型研究，如果該項(xiàng)研究成功，就可以利用模型來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)某種酶用于特定的飼料時(shí)可能帶來(lái)的收益。

［1］Hastings W H.Enzyme supplements to poultry feeds[J].Poultry Sci，1946，25：548-586.

［2］Jensen L S，F(xiàn)ryR E，Allred J B，et al.Improvement in the nutritional value of barley for chicks by enzyme supplementation[J].PoultrySci，1957，36：919-921.

［3］Nelson T S.The utilization of phytate phosphorus by poultry-A review[J].PoultrySci，1967，46：862-869.

［4］Thorpe J，Beal J D.Vegetable protein meals and the effect of enzymes[M]//Bedford MR，Partridge G G.Enzymes in Farm Animal Nutrition.UK：CABI Publishing，2001.

［5］Johnson I T，Jennifer MG.Effect of gel-forminggums on the intestinal unstirred layer and sugar transport in vitro[J].Gut，1981，22：398-403.

［6］White W B，Bird H R，Sunde ML，et al.Viscosity of β-D-glucan as a factor in the enzymic improvement of barley for chicks[J].PoultrySci，1983，62：853-862.

［7］MacAuliffe T，McGinnis J.Effect of antibiotic supplement to diets containing rye on chick growth[J].Poultry Sci，1971，50：1130-1134.

［8］Fry R E，Allred J B，Jensen L S，et al.Influence of enzyme supplementation and water treatment on the nutritional value of different grains for poults[J].PoultrySci，1958，37：372-375.

［9］Willingam H E，Jensen L S，McGinnis J.Studies on the role of enzyme supplements and water treatment for improving the nutritional value ofbarley[J].PoultrySci，1959，38：539-544.

［10］Berg L R.Effect of adding enzyme to barley diets at different ages of pullet on laying house performance[J].Poultry Sci，1961，40：34-39.

［11］Potter L M，Stutz M W，Matterson L D.Metabolizable energy anddigestibility coefficients of barley for chicks as influenced bywater treatment or bypresence of fungal enzyme[J].Poultry Sci，1965，44：565-573.

［12］Hesselman K，Elwinger K，Nilson M，et al.The effect of β-glucanase supplementation,stage of ripeness,and storage treatment of barley diets fed to broiler chickens[J].Poultry Sci，1981，60：2664-2671.

［13］Hesselman K，Aman P.The effect of β-glucanase on utilization of starch and nitrogen by broiler chickens fed on barley of low and high viscosity[J].AnimFeed Sci Tech，1986，15：83-93.

［14］Pettersson D，Aman P.Effects of enzyme supplementation of Poultrydiet containingrye and wheat[J].Br J Nutr，1988，62：139-149.

［15］Grootwassink J W D，Campbell G L，Classen H L.Fractionation of crude pentosanase for improvement of the nutritional value of rye diets for broiler chickens[J].J Sci Food Agric，1989，46：289-300.

［16］Classen H L，Campbell G I.Improvement of feed utilization through the use of enzyme products[C]//Proceedings of the Australian PoultryScience Symposium.Sydney：The University ofSydney，1990：1-8.

［17］Friesen O D，Guenter W，Rotter B A，et al.The effects of enzyme supplementation on the nutritive value of rye grain for the youngbroiler chick[J].PoultrySci，1991，70：2501-2508.

［18］Bedford MR，Classen H L，Campbell G L.The effect of pelleting，salt，and pentosanase on the viscosity of intestinal contents and the performance of broilers fed rye [J].Poultry Sci，1991，70：1571-1577.

［19］Brenes A，Smith M，Guenter W，et al.Effect of enzyme supplementation on the performance and digestive tract size of broiler chickens fed wheat and barley based diets[J].Poultry Sci，1993，72：1731-1739.

［20］Campbell G L，Sosulski F W，Classen H L，et al.The nutritive value of irradiated and β-glucanase-treated wild oat groats for broiler chickens[J].Anim Feed Sci and Tech，1986，16：243-252.

［21］Chesson A.Supplementaryenzymes toimprove the utilization of pigand poultrydiets[M]//Haresign W，Cole DJ A.Recent Advances in Animal Nutrition.UK：Butterworths，1987.

［22］Rotter B A，Marquardt R R，Guenter W，et al.In vitro viscosity measurements of barley extracts as predictors of growth responses in chicks fed barley-based diets supplemented with a fungal enzyme preparation [J].Can J Anim Sci，1989，69：431-439.

［23］Classen H L，Bedford MR.The use of enzymes to improve the nutritive value of poultry feeds[M]//Recent Advances in Animal Nutrition.London：Butterworth-Heinemann，1991.

［24］Cowan D.Advances in feed enzyme technology[J].Agro Food IndustryHi Tech，1992，3（3）：9.

［25］Bedford M R，Schulze H.Exogenous enzymes for pigs andPoultry（Review）[J].Nutr Res Rev，1998，11：91-114.

［26］CVB.Table of feedstuffs[C]//Information about composition，digestibility and feeding value.Lelystad in Netherland：Centraal Veevoederbureau，1998.

［27］PallaufJ，Rimbach G.Effect ofsupplemental phytase on mineral and trace element bioavailability and heavy metal accumulation in pigs with different type diets[M]//.Phytase in animal nutrition and animal waste management.Germany：BASF publication DC9601，1997.

［28］Ravindran V，Bryden WL，KornegayE T.Phytates:occurrence,bioavailabilityand implications in Poultrynutrition[J].Poult A-vian Biol Rev，1995，6：125-143.

［29］Sebastian S，Touchburn S P，Chavez E R，et al.The effects of supplemental microbile phytase on the performance and utilization of dietary calcium,phosphorus，copper and zinc in broiler chickens fed corn-soybean diets[J].Poultry Sci，1996，75：729-736.

［30］Ao T，Pierce J L，Pescatore A J，et al.Effects of organic Zn and phytase supplementation in a maize-soybean meal diet on the performance and tissue Zn content of broiler chicks[J].Brit Poult Sci，2007，48（6）：690-695.

［31］Campbell G L，Van der Poel，A F B.Use of enzymes and process technology to inactivate antinutritional factors in legume seeds and rapeseed [M]//Recent Advances of Research in Antinutritional Factors in Legume Seeds and Rapeseed.Wageningen：Wageningen Press，1998：377-386.

［32］Trugo L C，F(xiàn)arah A，Cabral L.Oligosaccharide distribution in Brazilian soya been cultivars [J].Food Chem，1995，52：385-387.

［33］Gitzelmann R，Auricchio S.The handling of soy α-galactosidase by a normal and galactosemic child [J].Pediatrics，1965，36：231-232.

［34］Steggerda F R.Gastrointestinal gas following food consumption[J].Ann NYAcad Sci，1968，150：57-66.

［35］Kuriyama S，Mendel L B.The physiological behavior of raffinose[J].J Biol Chem，1917，31：125-147.

［36］Wiggins H S.Nutritional value ofsugars and related compounds undigested in the small gut[J].Proc Nutr Soc，1984，43：69-85.

［37］Dudley-Cash W A.Soybean meal source,added enzyme affect nutritional value for chicks[J].Feedstuffs，2001，73：41.

［38］Parsons C M，Zhang Y，Araba M.Nutritional evaluation of soybean meals varying in oligosaccharide content[J].Poult Sci，2000，79：1127-1131.

［39］Coon C N，Leske K L，Akavanichan O，et al.Effect of oligosaccharide-free soybean meal on true metabolizable energy and fiber digestion in adult roosters [J].Poult Sci，1990，69：787-793.

［40］Leske K L，Akavanichan O，Cheng T K，et al.Effect of ethanol extract on nitrogen-corrected true metabolizable energyfor soybean meal with broilers and roosters[J].Poult Sci，1991，70：892-895.

［41］Ao T，Cantor A H，Pescatore A J，et al.Effect of enzyme supplementation and acidification of diet on nutrient digestibility and growth performance of broiler chicks [J].Poult Sci，2009，88：111-117.

［42］AoT，Cantor AH，Pescatore AJ，et al.Effects of citric acid，alpha-galactosidase and protease on in vitro nutrient release from soybean meal and trypsin inhibitor content in raw whole soybeans[J].AnimFeed Sci Tech，2010，162：58-65.

［43］HuoG C，F(xiàn)owler V R，Bedford M.The use of enzymes to denature antinutritive factors in soybean[M]//Recent Advances of Research in Antinutritional Factors in Legume Seeds.Proceedings of the Second International Workshop on'Antinutritional factors （ANFs）in Legume seeds'.Wageningen：Wageningen Pers，1993.

［44］Rooke J A，Slessor M，F(xiàn)raser H，et al.Growth performance and gut function of piglets weaned at four weeks of age and fed protease-treated soybean meal[J].Anim Feed Sci and Tech.1998，70：175-190.

［45］Ghazi S，Rooke J A，Galbraith H，et al.The potential for the improvement of the nutritive value of soybean meal by different proteases in broiler chicks and broiler cockerels[J].Br Poult Sci，2002，43（1）：70-77.

［46］Ward P P，Conneely O M.Using biotechnology to improve enzyme yields：from DNA to the market place[C]//Enzymes in Animal Nutrition,Proceedings of the 1 Symposium.Kartause Ittingen,Switzerland：Institute ofAnimal Science，1993.

［47］ForsbergCW，ChengKJ，Krell J，et al.Establishment ofrumen microbial gene pools and their manipulation to benefit fiber digestion bydomestic animals[C]//Proceedings VII World Conference on Animal Production.Edmonton，Alberta，Canada：UniversityofAlberta，1993.

［48］Bedford MR.Matching enzymes to application[J].Feed Management，1993，44：14-18.