飼用酶的科學(xué)理論、實踐和代謝實證

摘 要：家禽日糧中外源飼用酶的使用正在成為克服抗營養(yǎng)因子不良影響、提高日糧消化率和改善家禽生產(chǎn)性能的一種常態(tài)。本文概述了使用飼用酶的科學(xué)依據(jù)和目前飼用酶技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并討論了添加飼用酶后的反應(yīng)效果及造成這種不同效果的可變因素。雖然在添加飼用酶后能促進營養(yǎng)物質(zhì)的利用，但也存在限制反應(yīng)效果的生理因素。這些限制因素包括消化道內(nèi)pH值和食糜停留時間。為克服這些限制因素，至少部分營養(yǎng)策略值得深入探究；可能的方法包括通過飼料加工重建嗉囊和肌胃原有的功能，也包括使用高劑量的酶制劑。未來飼用酶制劑的發(fā)展，將會減少很多生理上的障礙。

關(guān)鍵詞：飼用酶；變異反應(yīng)；代謝限制；營養(yǎng)利用；家禽

中圖分類號：S816 文獻標識碼：C 文章編號：1001-0769（2015）05-0082-03

酶在家禽上的使用已有很長歷史，關(guān)于酶制劑的首次報道刊登于20世紀20年代的Protozyme。最初的酶制劑研究大多起源于美國，當時沒有受到廣泛關(guān)注。在20世紀50～60年代期間，開創(chuàng)性的研究闡明了在大麥型日糧中添加酶制劑的價值，到70年代初其相關(guān)的研究集中于使用植酸酶提高植物性飼料中磷的利用率。在這些研究中使用的酶制劑是原酶（crude enzyme），因為當時能獲得的酶非常少。10～20年之后，NSP酶和植酸酶已經(jīng)達到了商品化生產(chǎn)規(guī)模。近30年，飼料成分中目標底物的化學(xué)性質(zhì)逐漸被闡明，使得針對特定底物的酶制劑生產(chǎn)得以精細調(diào)控。另一個進步是在生物技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指發(fā)酵和微生物學(xué)技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)。今天，飼料酶的生產(chǎn)成本足以降至使配方師不必擔心這部分成本的地步。除此之外，技術(shù)進步還體現(xiàn)在為改善動物胃腸道功能而設(shè)計特異性的酶，以及在配合料生產(chǎn)過程中提高酶穩(wěn)定性的生產(chǎn)技術(shù)的進步。

近5年來，飼料酶市場發(fā)展迅猛，很大一部分原因在于飼料原料成本持續(xù)攀升。雖然飼料酶的接受度越來越廣泛，但還存在酶的效果變異以及很多亟待解決的問題，如如何使酶的效果更穩(wěn)定?？v然效果存在差異，但這些差異不只是對酶有一定的限制性，而且還存在潛在的促進酶使用效益的機遇。酶作用的局限性與3種組分（酶、底物和家禽）相關(guān)。本文的目的是為酶在家禽日糧中的使用提供科學(xué)理論和實踐概述。

1 科學(xué)理論

1.1 酶的性質(zhì)

為了更好地理解飼料酶使用的限制性，首先需要考慮到酶的基本性質(zhì)。酶是高效的生物催化劑，在某種條件下能將化學(xué)反應(yīng)速率提高幾百萬倍?；瘜W(xué)上，酶是具有高度復(fù)雜三維分子結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。酶的蛋白質(zhì)性質(zhì)對其在高溫飼料加工和在胃腸道中的轉(zhuǎn)運具有重要的意義。作為蛋白質(zhì)，酶會因加熱和pH值變化而變性，也能被消化酶分解。

1.1.1 酶特有的性質(zhì)是高度的底物特異性

每一種酶只有在其特定反應(yīng)位點才能將高度特異性底物分解。因此，為了從酶制劑中獲得最佳效果，必須確保所使用的酶是根據(jù)飼料配方中的底物而選擇的。另外，酶的幾種反應(yīng)條件也須注意，包括含水量、溫度、pH值、酶濃度和底物濃度。

1.1.2 含水量

酶的反應(yīng)需要水環(huán)境。水對于酶的移動及酶和底物的可溶性都是必不可少的。

1.1.3 溫度

一般溫度達到40 ℃，酶活性升至最高，溫度繼續(xù)升高導(dǎo)致酶變性，從而使其活性急劇下降，直至失活。

1.1.4 pH值

在低pH和高pH條件下，大多數(shù)酶都會變性。一般地，大多數(shù)酶的最適pH約為4～6。

1.1.5 酶濃度

理論上，反應(yīng)速率與酶濃度成正比。反應(yīng)速率隨酶濃度的增加而提高，原因是提供了更多的活性位點致使形成了更多的酶底物復(fù)合物。但實際上，由于受到動物消化道內(nèi)其他條件的限制，這種線性關(guān)系不會存在。反應(yīng)速率與酶之間的關(guān)系是非線性的。

1.1.6 底物濃度

酶量充足時，反應(yīng)速率隨底物濃度的增加而提高。值得注意的是，不同來源（真菌、細菌和酵母）的酶其反應(yīng)條件不同。因此，酶的來源對特定的酶在消化道中的最適條件及其功能有很大影響。

1.2 底物和酶的類型

飼料組分中的酶底物主要分為3類：（1）家禽消化道中能產(chǎn)生相應(yīng)酶的底物，如淀粉、蛋白、脂肪等；（2）家禽體內(nèi)不能產(chǎn)生相應(yīng)的酶而無法被消化的底物，如纖維素；（3）家禽體內(nèi)不產(chǎn)生相應(yīng)的酶就無法被消化，且有抗營養(yǎng)作用的底物，如β-甘露聚糖、戊聚糖、植酸。另一點需要注意的是飼料組分并不全是酶的底物，而且飼料組分中酶的底物也非常復(fù)雜。正因如此，飼料組分的潛在營養(yǎng)價值并沒有在家禽中完全體現(xiàn)，飼料組分也未被100 %消化。即使有些底物，家禽能產(chǎn)生足量的內(nèi)源酶，但也未能被完全消化，未消化部分占比約為10 %～20 %。使用外源酶的主要目的就是為了促進未消化底物的消化。

在飼料組分中，底物（營養(yǎng)物質(zhì)和抗營養(yǎng)物質(zhì)）中的復(fù)合物限制了酶與底物的接觸。雖然科技進步了，但很多目標底物的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)仍未闡釋清楚。譬如，NSP的化學(xué)性質(zhì)在不同的飼料組分中變化很大。雖然對組成谷物NSP的糖類數(shù)量已經(jīng)明晰，但對其它組分的信息卻仍不清楚。如果能對目標底物化學(xué)性質(zhì)的了解更為詳細，酶的作用將會大大提升。對降解底物的效率不穩(wěn)定的酶而言，其與底物的親和力也不容忽視。Choct等研究具有不同底物親和性的3種真菌木聚糖酶發(fā)現(xiàn)，底物特異性與酶的來源密切相關(guān)。

若要使酶有效果，就須保證日糧中酶與底物的比例。一個非常復(fù)雜的因素是，一個配方中的某個底物在另一配方中未必完全相同。不同的底物與不同配方中的相同底物都會導(dǎo)致酶的差異。這些差異因配方基質(zhì)中的底物位置、其他限制因素、可接觸性和溶解度而不同。Leske和Coon已經(jīng)闡明了植酸酶在這方面的相關(guān)事宜。他們發(fā)現(xiàn)不同配方中的植酸其脫磷酸的能力不同，有活性的植酸和總植酸含量，在評價外源植酸酶效果時尤為重要。譬如，加拿大油菜粕中總植酸含量特別高，但有活性的植酸卻很少，因此對植酸酶的反應(yīng)效果不佳。

2 生產(chǎn)實踐

飼料酶是研究最多的飼料添加劑種類?？偨Y(jié)目前飼料酶的應(yīng)用情況是項令人畏縮的工作，飼料酶的種類繁多（表1），每種酶都有大量的商用產(chǎn)品，而且其來源、酶活性和性質(zhì)也不盡相同。目前在飼料工業(yè)中有4類商用酶制劑：（1）微生物源植酸酶；（2）針對黏性底物（如小麥、大麥）的聚糖酶；（3）針對非黏性底物（如玉米、高粱）的酶；（4）針對非谷物（如豆粕、食用豆類）的酶。除了微生物源植酸酶，其它大多數(shù)酶制劑是由一種或多種生物生產(chǎn)的酶混合而成。有證據(jù)表明，含多種酶的產(chǎn)品能更好地提高家禽日糧中營養(yǎng)物質(zhì)的利用率。酶的復(fù)合使用將對營養(yǎng)物質(zhì)的利用和動物生長性能導(dǎo)致添加、副添加或增效作用。酶混合物而不是純粹的單酶，代表了下一代飼料酶，因為飼料組分的結(jié)構(gòu)是異常復(fù)雜的。原料中的營養(yǎng)物質(zhì)不是獨立存在的，而是以復(fù)合物的形式存在，與蛋白質(zhì)、脂肪、纖維和其他碳水化合物有多種聯(lián)系。例如，在小麥基礎(chǔ)日糧中，僅僅依靠木聚糖酶分解阿拉伯木聚糖遠遠不夠。已有報道指出，在肉雞的小麥基礎(chǔ)日糧中，根據(jù)蛋白和能量利用與生長性能的關(guān)系，木聚糖酶與植酸酶同時包埋使用，表明通過促進底物接觸與減少底物（NSP和植酸）的抗營養(yǎng)作用，一種飼料酶的活性或受到另一種酶的促進，并且這種作用是相互的。在玉米型、大麥型或小麥型基礎(chǔ)日糧中，植酸酶與α-半乳糖苷酶、蛋白酶、β-甘露聚糖酶和木聚糖酶同時包埋發(fā)現(xiàn)，植酸酶與碳水化合物酶和蛋白酶共同增加肉雞日糧中的營養(yǎng)物質(zhì)利用率。

家禽業(yè)對飼料酶的使用量最大。家禽養(yǎng)殖的高度整合加快了新技術(shù)的應(yīng)用，外源酶的包埋已變成了提高消化率和飼料利用率的常規(guī)手段。幾乎世界上所有的小麥型和大麥型肉雞日糧都添加了聚糖酶（木聚糖酶和β-葡聚糖酶）。過去幾十年，肉雞料中植酸酶使用的增加是與糞便中磷污染受到越來越多的關(guān)注以及無機磷酸價格的瘋漲密切相關(guān)。最近幾年，植酸酶已經(jīng)超過聚糖酶成為了全球最主要的飼料酶。針對玉米豆粕型日糧的酶制劑包括淀粉酶、木聚糖酶、脂肪酶和蛋白酶也在快速發(fā)展，它們的應(yīng)用也受到了越來越多的關(guān)注。鑒于飼料酶主題的文獻已唾手可得，本文不再著重于總結(jié)文獻中這些飼料酶對家禽生長性能和營養(yǎng)物質(zhì)利用的影響。

2.1 利潤

添加酶制劑的最終目的是通過改善日糧營養(yǎng)物質(zhì)（蛋白質(zhì)、氨基酸、淀粉、脂肪和能量）的消化率來提高家禽生長性能從而獲利。但是，若要進一步提高飼料酶的接受度還有很多原因，這些原因也將在未來生產(chǎn)中發(fā)揮更大的影響。

① 通過降低或去除難消化的飼料組分限制性，增加配方中可使用的飼料原料種類。

② 降低不同批次原料中營養(yǎng)價值的變異性。酶制劑可提高利用率較低的原料營養(yǎng)價值，減少原料間品質(zhì)不同帶來的差異。反之，還可以提高飼料配方的精確度。

③ 降低糞便含水量和因飼喂高水平NSP日糧對家禽造成的稀糞。糞便質(zhì)量差會誘發(fā)動物福利問題。

④ 提高消化率，減少未消化的營養(yǎng)物質(zhì)到達腸道后段，腸道菌群中有益菌增加，從而促進腸道健康。其作用還有，由于對菌群的影響增進了免疫功能，從而對家禽的健康起到保護作用。

⑤ 改善腸道形態(tài)和增進腸道完善，促進日糧營養(yǎng)的消化和吸收。

⑥ 減少糞便排出量和糞便中的營養(yǎng)物質(zhì)殘留（糞氮和磷）。

⑦ 提高弱仔的生長性能，從而提高出欄時群體的均勻度。

總之，添加外源酶的好處絕對不僅僅是提高營養(yǎng)物質(zhì)消化率，對全球與家禽產(chǎn)業(yè)相關(guān)的環(huán)境、腸道健康、動物福利和可持續(xù)性都有潛在作用。

2.2 作用模式

不同的飼料酶具有不同的作用模式。雖然酶制劑作為飼料添加劑的接受度不斷提高，但其真正的作用模式仍未闡明。目前一致認為，以下幾種作用機制基本涵蓋了酶的作用模式。

① 降解飼料組分中內(nèi)源消化酶無法打破的某些化學(xué)鍵。

② 降解直接限制營養(yǎng)物質(zhì)消化、間接增加腸道食糜黏性或兩者兼具的抗營養(yǎng)因子。

③ 打破細胞完整性，釋放細胞壁結(jié)合或包埋的營養(yǎng)物質(zhì)。

④ 將食糜轉(zhuǎn)移至消化效率更高的消化道位置。

⑤ 減少腸道的內(nèi)源分泌和蛋白損失，從而減少維持需要。

⑥ 降低腸道重量，改善腸道形態(tài)。

⑦ 改善腸道菌群結(jié)構(gòu)。酶通過影響腸道內(nèi)底物的數(shù)量和組成，從而直接影響腸道菌群。

⑧ 補充家禽體內(nèi)量不足或根本不存在的消化酶，提高消化率。這對消化系統(tǒng)尚不完善的雛雞尤其重要。

原題名：Feed enzymes：The science， practice， and metabolic realities （英文）

原作者：V. Ravindran