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飼用酶制劑的未來

作者:(譯)趙劍 王永成趙劍 王永成來源:昕大洋 瀏覽次數: 日期:2014年3月24日 14:33

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譯者:趙劍 王永成,北京昕大洋科技發展有限公司
原著:R.R. Marquardt,加拿大馬尼托巴大學動物科學院
本文譯自加拿大馬尼托巴大學動物科學院R.R. Marquardt,因譯者水平有限,難免有錯譯之處。感興趣
的讀者可來信索原文。
 

摘要:
        酶制劑在飼料中,尤其是含有大麥和小麥的禽飼料中能夠表現出引人注目的效果。隨著酶制劑在飼料工業中應用程度的提高和應用范圍的擴展,對飼用酶制劑的研發將受到更多的關注,未來的
一些重點研究領域可能是:
1、提高現有酶的品質和效率,降低添加成本、提高熱穩定性、抵御消化液的破壞和增強在消化道特定位置的活力;
2、擴展酶制劑應用范圍,除傳統的禽、家畜、魚飼料外,還將擴展到如短吻鱷和海龜中;
3、研究生物技術生產的脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶等酶類的應用;
4、利用生物工程技術選擇或設計微生物、植物和動物自身產生酶的DNA進行重組;
5、擴展酶制劑可應用到的飼料原料的范圍;
6、發展和規范評估酶制劑產品的程序;
7、深入研究酶制劑發揮效用的機理;
8、建立預測不同動物及不同飼料中使用酶制劑所能產生的效果及成本收益的便捷模型;
9、關注飼料酶制劑產生的其他效益,如減少污染、營養素的分配、內分泌變化和動物健康狀況等。
        可以預期,對飼料酶制劑的研究將不斷加速,并會取得豐富成果,飼料酶制劑的研究將成為動物營養學的研究熱點。
一、簡介:
        酶制劑在飼料中的應用已產生了巨大的影響,在一些含有大麥、小麥、黑麥或燕麥的禽飼料中,其不僅提高了飼料的利用率,而且通過減少糞便量和糞中污染物從而?;ち嘶肪?。在以谷物為主要原料的家禽飼料中使用酶制劑取得了較一致的效果,且酶制劑對大麥、小麥這樣的低表觀代謝能(AME)的原料效果更好。一般來說,低AME的原料含有較高含量的生長抑制因子-水溶非淀粉多糖,使用酶制劑后可觀察到, 水溶性非淀粉多糖的降低。酶制劑的作用效果不僅提高了原料的AME,也可能影響到養分的利用率。酶制劑添加也表現出減小動物消化道的尺寸而將養分分配到其他可食用組織。酶制劑也會影響消化道微生物發酵,并可能對動物健康也產生相應的影響。大部分有關酶制劑的研究是在家禽上,而在豬尤其是仔豬上,酶制劑的應用效果是負面的。當前在市場上出現的基因重組的酶制劑,尤其是植酸酶,將加快酶制劑在飼料工業中的應用。雖然酶制劑被證實有效,但其應用還處于初級階段,仍有很多問題有待解決以發揮酶制劑的最大功效。本文將介紹未來飼用酶制劑的一些研究方向。
二、增強研究的領域
(一)、酶制劑的檢測
        目前還沒有一套標準的方法去評價商業酶制劑品質,也沒有一種令人滿意的方法用于檢測飼料中酶的含量。這個問題源自多個酶制劑的檢測方法的檢測條件都是不同的,而且酶制劑一旦加入飼料中,將可能和飼料結合而表現出較低的酶濃度。常用的酶制劑檢測方法主要有:通過衡量酶作用后釋放出的還原糖含量、染色底物、酶聯免疫法(ELISA)或酶降低水溶性非淀粉多糖粘度的能力。有報道認為在以上這些方法中, 染色底物法是一種最簡單和靈敏的方法,但在用于檢測飼料中的酶含量時卻不夠靈敏。ELISA可以用來檢測飼料中的酶含量,但ELISA并不能識別飼料中所有的酶,而且對鈍化的酶反應很弱。測量還原糖的方法不夠靈敏,因為飼料中含有較高水平的已被還原的糖類,會被誤認為是酶制劑產生的。目前尚未有合適的粘度法的文獻報道。現在研究的結論是:飼料中酶的物理性檢測方法只有將其提取出來,再進行結合染色底物法測定。此方法也需延長反應的處理時間以使較低濃度的酶充分反應。雖然上述的各種方法在測定飼料中的酶含量效果較差,但是用于對商品酶制劑的檢測是可行的。不過,對同一個商品酶制劑而言,上述的各種方法將檢測出不同的結果,即便是某一種指定的方法,各實驗室間的檢測差異也可能是巨大的,這主要源自底物的純度、實驗條件和檢測技術間的差距。因此建立一個簡單、準確和實驗室之間可重復性好的酶制劑檢測方法是極其必要的,同時,還需要建立起飼料中的酶含量和其體內作用效果之間的聯系。政府管理機構、酶制劑生產商、飼料廠和專家團體需在以下幾個方面協力共建酶制劑的標準化
檢測方法
1、允許酶制劑的生產商和購買者在酶制劑的活力基礎上建立比較值體系;
2、使養殖者有能力檢測出添加在飼料中酶含量,甚至在飼料加工中熱處理后的存留率;
3、需要建立酶制劑在消化道,尤其是主要產生作用的消化道位置的存留率的平均值。

(二)、酶制劑的作用位置
        酶制劑在消化道的何處發揮其最大作用目前還缺少肯定的研究結果。對雞來說,尚不知道酶制劑的主要作用位置到底是嗉囊、腺胃、  肌胃、十二指腸、回腸、直腸,或者是整個消化道。這些信息在幫助選擇和使用酶制劑上非常有用,可使酶制劑在最有效消化道位置和最有利的作用環境里分解目標底物。舉例來說,為禽選擇飼用酶制劑,以嗉囊為主要作用位置和那些主要作用在消化道下段的就有很大不同。因為要考慮到胃蛋白酶、p和最適pH值對其的影響。當然最好是在不同的動物種類間使用不同的飼用酶制劑,雞能使用的酶制劑在豬上未必有效果,原因就是豬需要選擇在低pH值和胃蛋白酶分解下不易失活的酶制劑。
(三)、酶制劑生產的新來源
        隨著生產的酶制劑的基因來源越來越多,其作用效果毫無疑問會越來越大。除現有使用的外,那些來源于牛瘤胃中的微生物及某些耐熱微生物生產的酶會有以下優點:
1、在其最適作用條件下,每克酶蛋白降低底物能力高;
2、耐熱性、耐酸性和抗蛋白酶分解的能力高;
3、更加廉價;
4、常規環境下保質期更長。
        這些酶制劑最有可能通過基因重組的方法獲得,包括將目的酶的對應cDNA克隆和鑒定,將DNA轉移到微生物中以便大規模低成本的生產?;蛑刈榧際鹺投ǖ閫槐浼際醯牧媒崳湊斬鐨枰杓潑賦晌贍?。學者們正在研究一種在DNA序列上的特殊位點進行定點突變的技術。另外一個新領域是設計第二類酶,即使用微生物如大腸桿菌作為表達系統,從免疫基因表達庫里設計生產出具催化性質的抗體。據此可在發酵罐中生產這種具酶功能的生物基因工程抗體,按照設計其可以滿足任何飼料配方和任何家畜或家禽。類似的技術也必然有所發展。綜上,現在的酶制劑生產不僅僅只有以傳統的方法從曲霉中生產出來,未來將從微生物甚至是植物中生產出來。例如:一旦在菜籽中表達酶的方法實現,充足的菜籽供應將大大減少養殖者的用酶成本。
        另一種水解動物飼料中的抗營養因子的思路是設計出轉基因單胃動物,其能夠消化纖維素、β-葡聚糖、木聚糖和植酸。有學者報道了在小鼠的胰臟腺泡細胞重組入細菌DNA并表達葡聚糖酶的可行性。問題在于如何獲得一個高效率表達的葡聚糖酶基因和其他基因,以在腸道中產生足夠的葡聚糖、木聚糖的水解能力。在家畜中轉入植酸酶基因的報道也特別令人感興趣。


(四)酶制間的交互作用
        除了植酸酶外,在所有禽類中應用復合酶的研究中,使用的像葡聚糖酶或者木聚糖酶等從真菌提取的復合酶外,產品中還含有大量包括蛋白酶在內的其他酶類??掛恍┕賾詼嘀值ッ覆煌楹系難芯浚ɡ紓喝狽γ傅慕換ビ跋歟├慈范ㄖ饕拿鋼質欠窬哂薪換プ饔?、拮抗作用或者相加效應是必要。例如,酶可以降低在小麥、黑麥中水溶性木聚糖的粘性,這不僅僅依靠足夠量的內源性木
9昕大洋復合酶技術匯編聚糖酶,也需要阿拉伯木糖酶,還可能有葡聚糖酶、乙?;宋仵ッ傅?Forsberg etal., 1993)??梢韻胂?,使用高活力的蛋白酶會產生負面的效應,因為蛋白酶能夠消化添加添加進去酶的蛋白質。未來研究者能夠借助單純的克隆酶來判定在谷物中提高營養的酶的效果。使用粗真菌酶轉移到使用基因重組酶將變得很重要。
(五)、酶與日糧要素的自然交互作用
        研究表明,飽和脂肪比不飽和脂肪更能夠使含有高水平的水溶性非淀粉多糖的飼料明顯地降低肉雞的生產性能。Danick et al。(1995)研究表明,盡管被動物脂肪的巨大影響所掩蓋,在豆粕型日糧種添加添加酶制劑能夠提高生長性能和脂肪消化率。Schutte等(1995)的研究也有相同的結果。這些報告表明,日糧中添加酶制劑不僅對水溶性非淀粉多糖產生影響,對比如動物脂肪等營養物質也有影響。未來的研究應該建立酶的作用機制等自然交互作用信息,酶在不同日糧組成中的最佳化,這在酶制劑的經濟性能非常重要。
(六)、酶的建模研究
        Zhang等(1996)的探究表明,使用一個簡單的線性模型來預測酶制劑在禽中的應用是可行的。研究還表明,同時預測特定量的酶在兩種任何比例谷物日糧中的效果。這個模型可應用于最低成本分析,在提供精確的輸入數據的條件下,就可以得到基本日糧中單位酶制劑的經濟評價。更進一步的研究是去修訂這個模型,使其使用更加簡單并獲得基線值。這個模型針對任何原料、使用任何酶制劑都能得到一個可靠的預測。
(七)、針對其他動物的研究
        現有研究,只有酶制劑對極少數種類動物的影響。盡管酶制劑在雞應用中得到了很好的效果,但在其他種類的禽類比如火雞、鴨子、鵝、鴕鳥等得應用則很少研究。另外,針對其他動物比如魚、鰻魚、鱷魚、龜等水產動物,狗、貓等寵物,皮毛動物等單胃動物的研究也都很少開展。由于食肉動物有胃和比較小的大腸,不能定居大量的厭氧生物來水解復雜的碳水化合物,酶制劑也是有效的。未來的研究還將重點放在針對豬不同階段、不同脂肪來源日糧的酶制劑的應用。最后,在反芻動物中使用包含有生物工程纖維素酶、半纖維素酶基因重組的瘤胃微生物作為接種物,將要提高草料在反芻動物中的利用效率。我們可以清楚地看到在其他種類動物中使用酶制劑是很可能的。另外,除了現使用的酶,在養殖業中其他種類的酶也會有效果。
(八)、谷物中目標底物
        諸多研究者預測,大部分的酶制劑主要作用模式是破壞位于谷物細胞壁上降低營養的凝膠樣的多糖(Anniison 和 Choct,1991;Bedford,1993;Chesson,1993),Hesselman和Aman(1986)提出另一個解釋,他們提議組成谷物胚乳的葡聚糖和阿拉伯木聚糖限制了酶與營養物質的接觸。他們推測對細胞壁的破壞并釋放被限制的營養是外源酶制劑能夠提高營養價值的最主要的作用。Chesson(1993)推測如果酶的有益作用歸于單純的黏度降低,那么單酶就可以發揮作用。原因是黏度是由于鏈的長度造成的,僅打開長鏈就能充分的降低和破壞凝膠能力。然而,如果破壞完整的細胞壁并釋放限制的營養物質對酶制劑帶來的益處比降低黏度的貢獻更大,所以就需要更多的酶。以上諸位和Marquardt(1996)都對必需的酶進行了研究。不同復合單酶對日糧黏度的影響和對細胞壁限制營養物質釋放的對比試驗,就能夠評價非淀粉多糖的抗營養作用。這些對于使用酶制劑的經濟效益因素有重要的意義。
(九)、生理內分泌的改變
        本質上講,各種水溶性非淀粉多糖對胰腺和其他腸道分泌腺包括酶和膽鹽的分泌的影響并沒有被研究,對免疫應答,對包括生長激素、甲狀腺素、胰島素對葡萄糖的耐受性等激素水平也沒有研究,同時對使用外源酶制劑對這種效應的消除也沒有研究。在含有水溶性非淀粉多糖并不添加酶制劑的日糧為預測粘性的非淀粉多糖對動物生理的影響提供了一個很好的基礎。Dr.Han(1996)在這方面開展了大量的研究,并闡述了水溶性非淀粉多糖對諸多參數的影響。未來還需要對完整地參數進行更多的研究。
三、結論
        過去幾年,在飼料中使用酶制劑擴展很快,這樣的發展歸功于在大學、研究院所和政府支持下進行工業化生產的研究。盡管在過去十多年在家禽和家畜中使用酶制劑取得了巨大的進步,但是許多方面還需要更多的研究以便于擴大這個強大有益技術的發展。為了給更好使用酶制劑提供基礎數據,需要繼續開展許多方面的研究,比如發展更加精確的評價體系,為不同種、不同階段家畜家禽提供更加準確酶制劑配方和比例,酶制劑對飼喂谷物日糧動物生理及內分泌的影響等。更好的理解酶制劑作用模式,酶制劑與日糧成分之間的交互作用,酶制劑效果的簡單預測模式都將有助于酶制劑的應用。未來許多新型基因重組酶制劑產品將出現,這些酶制劑成本很低并且更穩定、具有更高的效率。酶制劑的應用也會更加廣泛。酶制劑除了提高動物生長性能外,還會帶來減低污染等多種好處。酶制劑不僅對養殖行業具有巨大的影響,未來在其他領域還會帶來越來越多的好處,在這個迅速擴大的領域尚存巨大挑戰。

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