機會和挑戰(zhàn)

就國內(nèi)來說，從2000年左右開始，大規(guī)模使用酶制劑已有十幾年的時間，在此過程中飼料和養(yǎng)殖企業(yè)遇到了許多問題。今天我在此介紹在酶制劑使用過程中遇到的一些問題和挑戰(zhàn)。

1 概述

就目前而言，全球飼用酶銷售5.5億美元（約合33億人民幣），節(jié)省飼料成本30億～50億美元（180億～300億人民幣），主要使用區(qū)域為中國、歐盟和美洲三大地區(qū)。其中中國酶制劑的使用在10億人民幣左右，美國和歐盟基本相等。從酶制劑的種類來說，美國主要以植酸酶為主，中國和歐盟還使用非淀粉多糖酶（NSP酶）等?？傮w來說，目前植酸酶占60 %，而非植酸酶占 40 %。具體來說市場酶制劑主要由一些內(nèi)源性和外源性酶，如纖維素酶、木聚糖酶、葡聚糖酶、果膠酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶構成。而國內(nèi)市場酶制劑主要以各種NSP酶以及部分內(nèi)源性酶等復合酶為主。

1.1 碳水化合物水解酶

有些多聚糖類無法被機體天然產(chǎn)生的酶類水解，主要為木聚糖和葡聚糖。其中全球80 %的碳水化合物降解酶類是木聚糖酶（內(nèi)切-1，4-β-木聚糖酶）和葡聚糖酶[內(nèi)切-1，3（4）-β-葡聚糖酶]，此外還有纖維素酶。

1.1.1 木聚糖酶系（圖1）

木聚糖酶系主要用于降解木聚糖。木聚糖是木糖以β-1和β-4連接構成糖苷形成的長鏈聚糖。有些部位連接了一些阿拉伯糖和α-葡萄糖苷等作為側鏈。目前，國內(nèi)木聚糖酶主要以內(nèi)切1，4-β-木聚糖酶為主。尤特爾公司正在開發(fā)新的酶系，以便在降解主鏈的基礎上將側鏈的阿拉伯呋喃糖苷釋放出來加以利用。未來還將開發(fā)乙?；揪厶敲负挺?葡萄糖醛酸酶等，從而進一步提高對飼料中植物細胞壁的利用率。

1.1.2 葡聚糖酶系

不同來源的葡聚糖存在形式不同，主要包括細菌的多縮葡萄糖（由α-1，6鍵的主鏈上支出α-1，4和α-1，6鍵的側鏈）、褐藻類的海帶多糖（Lami-narin，主要以β-1，3鍵）、地衣類的木聚糖（β-1，4和β-1，3鍵）、高等植物的纖維素（β-1，4結合）、直鏈淀粉（α-1，4鍵）、支鏈淀粉（由α-1，4鍵的主鏈上支出α-1，6鍵的側鏈）、動物的糖原等。飼料中的葡聚糖主要以β-1，3/1，4-葡聚糖形式存在，可以提升腸道黏度，影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。

葡聚糖酶不能等同于纖維素酶。葡聚糖酶作用底物有多種：β-1，3-糖苷鍵、β-1，4-糖苷鍵、β-1，6-糖苷鍵等。而纖維素酶不是單一的酶，主要有三個組分，作用的底物僅僅是β-1，4鍵。內(nèi)切葡聚糖酶（Endoglucanases，EG）作用于纖維素纖維內(nèi)部的非結晶區(qū)，隨機水解β-1，4-糖苷鍵，將長鏈纖維素分子截短，產(chǎn)生大量帶非還原性末端的小分子纖維素，外切葡聚糖酶（Cellobiohydrolases，CBH）從纖維素鏈的末端作用，每次切下一個纖維二糖單元。β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase，BG）將上述兩種酶水解產(chǎn)生的纖維二糖和短鏈的纖維寡糖進一步分解為葡萄糖。纖維素的完全降解需要這三種酶的協(xié)同作用。以往認為植物秸稈無法被動物利用，主要是由于纖維素酶降解效率不高，無法把纖維素降解成葡萄糖。隨著生物技術的飛速發(fā)展，在汽油中添加的生物乙醇是由谷物發(fā)酵而來，被視為第一代生物能源，而第二代生物能源是通過將秸稈降解為葡萄糖，進而發(fā)酵成乙醇。目前，生物技術已經(jīng)可以通過增加關鍵的β-葡萄糖苷酶實現(xiàn)該過程。該成果的利用將提升對纖維素的利用率，大大降低飼料成本。

將碳水化合物水解酶按照重要性排序：木聚糖酶>葡聚糖酶>纖維素酶>α-淀粉酶>甘露聚糖酶>α-半乳糖苷酶>果膠酶。而碳水化合物水解酶和植酸酶占到飼用酶的90 %。同時蛋白酶、脂肪酶、溶菌酶、漆酶（氧化酶）也逐漸受到重視。近幾年己糖氧化酶（葡萄糖氧化酶）逐漸受到重視。葡萄糖氧化酶的催化反應過程中可以生成過氧化氫，同時消耗大量的氧氣，能夠起到殺菌的作用。過氧化氫具有高效的殺菌能力，可以抑制霉菌的生長，降低霉菌毒素的含量，同時低氧環(huán)境可減少飼料的營養(yǎng)損失。催化葡萄糖生成葡萄糖酸，可以作為胃腸道中的酸化劑，為厭氧有益菌的生長創(chuàng)造有利環(huán)境。

1.2 植酸酶

分解植酸（又稱肌酸6磷酸、環(huán)己六醇磷酸酯）的酶——植酸酶屬于水解酶類，市場上的植酸酶主要為3-植酸酶和6-植酸酶。目前，即使添加植酸酶也難以全部釋放6個磷酸，最多只能釋放50 %的磷，換言之有一半的磷難以被降解釋放，2位磷酸很難被水解。3-植酸酶由霉菌、酵母和細菌產(chǎn)生，它耐酸、耐高溫、性能穩(wěn)定；6-植酸酶存在于植物籽，穩(wěn)定性差。3-植酸酶在pH 2.5和5.5有兩個作用高峰，而6-植酸酶僅有pH 5.5一個高峰。因此，6-植酸酶的利用效果只有3-植酸酶的50 %。

2 NSP酶對動物生長性能的影響

2.1 NSP酶對豬生長性能的影響

近10年的研究發(fā)現(xiàn)，在豬飼料中添加NSP酶有時對生長-育肥豬的增重并沒有顯著影響。眾多實驗中約一半的豬有明顯的添加效果，而另一半無影響。這與豬個體、養(yǎng)殖環(huán)境、仔豬生長的限制因素（腸道發(fā)育不全、營養(yǎng)攝入少、飼料含有抗營養(yǎng)因子）、動物日齡、營養(yǎng)水平等眾多因素有關，其中在NSP含量高的日糧中表現(xiàn)良好。

2.2 NSP酶對家禽和魚性能的影響

NSP酶在家禽方面的添加效果比較明顯。Mathlouthi等（2002）研究了在黑麥和玉米基礎日糧中添加復合酶（木聚糖酶、纖維素酶和葡聚糖酶）對肉雞性能的影響。結果表明，在未添加酶時采用黑麥基礎日糧的肉雞生產(chǎn)性能比飼喂玉米基礎日糧的肉雞生長性能下降43 %，添加木聚糖和葡聚糖（分別為560 IU和2 800 IU）后，黑麥基礎日糧組肉雞的生長性能基本與玉米基礎日糧組的肉雞一致。

研究發(fā)現(xiàn)，NSP酶使用的效果與肉雞日糧的營養(yǎng)濃度有關，營養(yǎng)濃度越低，抗營養(yǎng)的效果越容易顯現(xiàn)，酶制劑作用的效果更加明顯。非淀粉多糖酶能改善青年產(chǎn)蛋母雞的生長性能，明顯改善雞蛋質(zhì)量，減少臟蛋率，提高蛋殼質(zhì)量；添加到麥類基礎日糧中，對火雞的生長性格提高明顯；肉鴨對麥類飼料原料反應敏感，尤其是高黏度的小麥；魚類飼料含有很高的蛋白，NSP酶可提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化率，減少營養(yǎng)物排泄，但生長性能改善不明顯。

2.3 NSP含量與生長豬的氨基酸利用率

Nortey在2008年的一項實驗中，利用不同小麥次粉中非淀粉多糖的含量不同，將其用在不同實驗組的飼料中，添加NSP酶，測定該酶對豬氨基酸利用率的影響。發(fā)現(xiàn)NSP含量越高，氨基酸的改善程度越大。

2.4 復合酶對妊娠和泌乳母豬回腸及腸道消化率的影響

研究探索復合酶對妊娠母豬和泌乳母豬腸道消化率的影響，發(fā)現(xiàn)復合酶對泌乳母豬的作用更為明顯（表1）。我們在菲律賓進行的實驗也發(fā)現(xiàn)，對于所有階段的母豬而言，添加復合酶均有改善效果，不僅表現(xiàn)在能量的改善、飼料利用率的提高上，還能改善母豬的便秘情況。

需要重點指出的是：日糧添加NSP酶對營養(yǎng)物質(zhì)消化率的提高并不意味著能夠明顯改善動物的生長性能。

2.4.1 復合酶及所含酶之間的互作

酶制劑之間的相互作用（加性效應、協(xié)同效應和拮抗效應）已經(jīng)被廣泛證實，因此，酶制劑的添加種類和量并不是多多益善。有時添加多種酶制劑的效果遠小于兩者之和。酶類的溶解性不同，分可溶性和不可溶性，需要同時具有降解不可溶性和可溶性底物的酶。

2.5 NSP酶的作用模式

單胃動物為何要使用NSP酶？因為單胃動物的飼料中含有大量NSP，它會阻礙消化酶的作用。因此，添加NSP酶可以減少NSP在腸道中的數(shù)量，降低聚糖的聚合度，從而降低腸道黏度。

2.5.1 非淀粉多糖酶對能量利用的影響

纖維素酶、木聚糖酶和葡聚糖酶可提高回腸的單糖和寡糖數(shù)量、增加揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生、提高營養(yǎng)物質(zhì)在腸道前端的消化和吸收、降低腸道微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的競爭性吸收、減少腸道后端的發(fā)酵損失。而家禽對腸道黏度的反應比豬更加明顯，對腸道黏度的降低要比能量降低明顯。

2.5.2 提高淀粉和脂肪的消化

NSP酶對脂肪的改善尤其重要，因為NSP會增加膽酸鹽的水解，會降低脂肪的利用效率。在用黑麥替代玉米的肉雞試驗中，肉雞的表觀代謝能和蛋白及其脂肪的消化率都下降。因為會造成膽酸的解離和小腸壁的肥大，日糧中添加木聚糖酶和葡聚糖酶可以降低膽酸鹽的水解程度。

2.5.3 斷奶仔豬糞便中溶血性大腸桿菌的比例

McDonald的研究（2001）發(fā)現(xiàn)，纖維素的添加會影響斷奶仔豬腸道中溶血性大腸桿菌的含量，從而威脅動物健康；同時還會影響腸道不同位點大腸桿菌的比例。就其機理，非淀粉多糖酶與腸道健康的關系見圖2。

2.5.4 油脂與非淀粉多糖酶

油脂具有能量補充作用，并有助于制粒，補充必需脂肪酸，還是一些脂溶性維生素的溶劑。非淀粉多糖酶能夠促進營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，減少飼料中油脂的使用。另一方面，脂肪酶也能夠通過提高油脂利用率來減少脂肪的使用量。有趣的是，低油脂含量可降低氨基酸的消化率。研究還發(fā)現(xiàn)，生長育肥豬日糧中添加木聚糖酶有利于改善豬舍的空氣質(zhì)量。

3 總結

現(xiàn)有證據(jù)表明，現(xiàn)有飼用酶的作用效果仍依賴于日糧所含NSP的量，而NSP的組分和濃度決定著飼用酶的使用效果。酶譜種類、酶活高低、添加量都會影響飼用酶的使用效果。如何提高NSP酶作用效果的一致性是未來酶制劑的挑戰(zhàn)。