影响饲用酶制剂应用效果的探讨

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　1975年美国饲料工业首次将微生物酶作为添加剂应用于配合饲料中，20世纪80年代国外配合饲料中已普遍使用酶制剂，90年代初开始引入我国。酶制剂是由微生物产生的生物制品，使用酶制剂的基本目的在于提高日粮消化率，改善动物生产性能。随着抗菌素在饲料中的限制使用，抗菌素的促生长将有可能由酶制剂取代。2001年全国饲用酶制剂的销售量估计约为9000t，配合饲料产量约为6200万t，如果在全部配合饲料中按0.1%添加饲用酶制剂，则需要 6.2万t的饲用酶制剂。由此计算，我国尚有85%的饲用酶制剂市场有待开发。酶制剂作为微生态制剂，其使用效果受到动物种类、年龄、生理状态、日粮原料组成及其配比、酶制剂的酶谱及其活性和添加水平、饲料加工储藏条件等诸多因素的影响，所以有关酶制剂使用效果的报道常常不一致。本文着重就目前影响酶制剂应用效果的因素作一些探讨。　　1．酶制剂
　　1.1种类和活性
　　饲用酶制剂包括单一酶制剂和复合酶制剂，现在使用的多为复合酶制剂。一般来说，复合酶制剂比单一酶制剂效果好，但并不意味着复合酶制剂中酶种愈多愈好。复合酶制剂有两种，多数由几种单一酶混合调制而成，还有一种是由一种微生物产生含多种酶系的复合酶制剂，后者具有很好的发展前途，是饲用酶制剂发展的方向（谢占玲等，1998）。一般情况下，添加以内源性消化酶为主的复合酶作用不太明显，添加以外源性酶为主的复合酶才有实际意义（万明春，2001）。外源性酶主要用于补充幼畜禽内源酶的不足，同时还能激活内源酶的分泌，有利于幼畜禽对淀粉和蛋白质的吸收和利用（汪儆， 2001）。
　　目前，饲用酶制剂的品质都用酶的活性指标来衡量。不同酶制剂公司所使用的酶活单位可能不一致。酶活力并非愈高愈好，大量试验证明，酶活力过高不仅会造成产品的浪费，而且会引起饲养效果的下降，这可能与酶作用产物的反馈抑制有关（张力等，2000）。
　　1.2菌种

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饲用酶制剂是由微生物如细菌、酵母和真菌通过发酵生产的生物制品（Guus等，2001），不同菌种发酵生产的酶耐热性能不同（汪儆，2001）。目前用于饲料工业的大多数酶菌种来自真菌类，很少来自细菌类。据报道，细菌类酶制剂比真菌类酶制剂具有更多的优点。如细菌木聚糖酶，来源于枯草杆菌，近中性pH值，热稳定性好于真菌类木聚糖酶（见表1），对木聚糖酶抑制剂不敏感，对不溶性木聚糖有较高活性（Belfeed公司， 2002）。同时饲用酶可分为外切酶和内切酶，据Belfeed公司（2002）报道，内切酶分解能力大于外切酶。

　　1.3水分活度

　　在一定温度下，饲用复合酶添加剂及配合饲料中水分含量与水分活度的关系由水的吸附等温线表示。虽然这种关系不是一个直线关系，但总的趋势是，样品水分含量越高，水分活度越大。在较高的水分活度下，酶蛋白的变性会显著地增强。例如，当样品水分含量降为10%时，直至温度提高到 60℃，脂酶才开始失活；而水分含量提高到23%时，在常温下便出现明显的失活现象。对于大多数酶制剂，在接近中性的pH和较低温度下将水分活度降到 0.3以下，能防止因酶蛋白变性和微生物生长引起的变质，从而保持较高的酶活力。

　　1.4添加水平

　　据报道，同一日粮随酶制剂添加量的增加，改善作用也更趋明显，但单位酶的改善作用效果下降。赵京杨等（2000）研究认为，酶制剂不同添加水平可不同程度地提高生长猪的日增重，降低生长猪的料肉比（见表2）。

　　从表2可见，随着酶制剂添加水平的提高，生长猪的日增重和料肉比呈现较大幅度的变化，但是酶制剂添加水平由0.10%增加到 0.15%时，日增重和料肉比改善的幅度大大减缓（料肉比反而下降），0.10%酶制剂添加水平经济效益最高。因此，无论何种饲料原料，超量添加何种酶制剂经济上都是不合算的，在配制日粮时应将酶制剂纳入配方成本计算。

1.5载体

　　酶制剂的不同载体可能对酶的耐热性能有影响（汪儆，2001）。理想的载体应有助于酶与饲料中营养物质的结合，降低营养小分子或内源性酶的抑制作用，能将表现最适pH值改变到理想值，不利于微生物生长，不产生免疫反应和凝血反应等。至于选择哪一种载体，要综合考虑酶活和成本等各方面的因素。

　　1.6剂型

　　为了提高酶制剂的热稳定性，对颗粒酶制剂进行包被处理是减少饲料加工过程中酶制剂活性损失的一种非常有效地方法，但是采用包被处理来防止酶制剂被破坏会对其生物利用率产生很大的负面影响（Guss，2000）。Guss（2000）测试了饲喂肉用仔鸡缺磷的玉米-豆粕型日粮中三组不同配方形式（粉末状、颗粒状和包被型）、不同添加水平（0、100、200、300FTU/kg，FTU为植酸酶单位）来源相似植酸酶的生物利用率（如图1）。由图1可知，包被型植酸酶组日增重低于其它两组。颗粒状植酸酶和包被型植酸酶生物利用率不同的原因是包被型植酸酶在动物胃肠道中释放的速度更慢。饲料消化后，酶因尽可能在胃肠道中变成生物活性物质，因此时间是一个限制性因素。

　　2．饲料原料和日粮类型

　　饲料中存在不易被动物消化吸收的物质和抗营养因子，是应用酶制剂的基本前提。不同的酶制剂对底物的作用有明显的对应关系，日粮类型可分为小麦型、大麦型和玉米-豆粕型日粮。为了使饲料中添加酶制剂取得最大利益，必须根据饲料的具体组成成分选择相应的酶制剂。一般玉米-豆粕型日粮相对容易消化利用，而其它谷物及其副产品或其它非常规饲料原料一般都含有某些抗营养因子，不易被单胃动物利用。小麦、稻谷、米糠含有较多的戊聚糖，而大麦、黑麦等含有较多的β-葡聚糖。据报道，β-葡聚糖酶和戊聚糖酶添加在玉米-豆粕型含抗营养因子较少的日粮中，对动物的生产性能改善作用不明显；添加在黑麦、大麦、小麦为主的日粮中或含非常规饲料原料较多的日粮中，对动物的生产性能改善作用较大（许梓荣等，2001）。豆类籽实为基础的日粮中使用果胶酶效果较好。同一添加量随日粮中非常规饲料原料含量的增加，改善作用更趋明显。Willingham等（1959）研究表明，α-淀粉酶对改善大麦型日粮的利用是无效的。另外，在含有大量动物性蛋白（如进口鱼粉、乳清粉、代乳粉）的仔猪料中，添加酶制剂就不如含有植物性蛋白的仔猪日粮效果明显。目前，应用效果最好的例子是在大麦为基础家禽日粮中使用β-葡聚糖酶。

　　3．动物

　　3.1动物种类和年龄

　　酶制剂对动物生产性能的影响受动物种、品种、年龄以及生理阶段等诸多因素的不同差异很大。一般来说，消化功能愈简单的动物，酶制剂的应用效果愈明显，经济效益的潜力也就愈大。家禽的消化道较短，肠道后段的微生物较少，饲料中添加酶制剂的效果较好。许多研究认为，在饲料中添加淀粉酶、β-葡聚糖酶和戊聚糖酶，可使幼小的畜禽获得效益，而且对鸡的效果最为明显，但对于其它酶系，支持这一论点的科学依据不足（Campbell和 Bedford，1992）。但也有研究认为，添加β-葡聚糖酶和戊聚糖酶未必能改善猪的生产性能（Thacker，1993），各种效应表明，在幼猪日粮中添加淀粉酶和蛋白酶有助于改善养分消化率（Lewis等，1995；Combs等，1995）。成年反刍动物由于其瘤胃微生物作用，添加酶制剂效果不明显，但在幼年反刍动物和以青贮料为主的日粮中添加纤维素酶和少量淀粉酶可获得满意的效果。

　　动物年龄与使用酶制剂效果的差异更多地反映在使用某些内源性酶上，由于幼龄动物（尤其是哺乳动物）的消化道分泌消化酶的量有限，对某些物理特性的饲料（如固体料）不易消化水解，适当补充一些外来酶可能是有好处的，而健康的成年动物一般没有必要使用内源性酶。总之，单胃动物应用酶制剂效果明显，反刍动物应用效果不太明显；幼龄动物应用效果优于成年动物。

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　3.2动物体消化道中pH值

　　酶制剂发挥作用的前提是必须有一定活力的酶能够达到其在消化道中的作用部位，在胃中强酸性下保持活力不被胃蛋白酶所破坏。通常酶只在有限的pH 范围内起作用，一般酶活性的最适pH接近于中性（6.5~8.0），但也有例外，如胃蛋白酶的最适pH为1.5。在一定温度下，pH值对酶活的影响还与酶在该环境中作用的时间有关。动物体消化道就象一个复杂的反应器，一切营养大分子都要在这里被酶水解成小分子而吸收，在整个消化道里有一条适合于生化反应进行的pH谱线。表3列出了家禽消化道中各部位pH值范围。

　　外源酶进行催化作用的pH值范围是否与消化道内“pH谱”相适应，是否引起可逆或不可逆变性都是需要考虑的因素。比如，胃蛋白酶在pH6~7时很快失活，而在pH1时十分稳定。要完全保证pH稳定性是不太可能的，但至少要保证酶能在消化道各部位发生作用。

　　4．加工工艺和使用方法

　　4.1加工工艺

　　由于酶是一种生物催化剂，如同其它蛋白质一样对温度比较敏感（Guus等，2000），因此蛋白质饲料加工过程对酶制剂的活性有重要影响。一般酶的最适温度在35~40℃之间，最高不超过50℃。但膨化制粒过程中的温度可达120~150℃以上，并伴有高湿（引起饲料中较高的水分活度）、高压（改变酶蛋白的空间多维结构而变性），在这样的条件下，大多数酶制剂的活性都将损失殆尽。一般情况下，非淀粉多糖酶、木聚糖酶的热稳定性高于葡聚糖酶；植酸酶比非淀粉多糖酶更易受温度的影响（George，2000）。

　　4.1.1制粒

　　制粒过程中的调质、挤压均容易使酶类具有催化活性的特殊蛋白质变性失活。酶活性损失的程度明显受到酶制剂的类型、鉴定制粒温度的方法和酶复活的影响（Gadient等，1993）。据Cowan（1993）报道，未经处理的β-葡聚糖酶经70℃制粒后在饲料中的存活率仅为 10%；Inborr（1994）报道，由Trichoderma生产的β-葡聚糖酶在料温为75℃时调质30s，其存活率为64%，而再经90℃的制粒其存活率仅为19%；Gadient报道，淀粉酶在80℃下活力明显大幅度下降。植酸酶经70~90℃制粒后活力下降也在50%以上（Israelsen，1995）。表4列出了制粒后酶的活性变化（Overfield，1999）。据报道，采用以谷物为载体混合物进行预调质和制粒温度对酶稳定性的影响试验。试验结果表明，日粮添加酶经75℃、85℃和95℃调质制粒后，仔鸡生产性能分别提高3.3%（P>0.05）、0.9% （P>0.05）、和5.8%（P>0.05）。

　　4.1.2膨化

　　通常膨化温度可达120~150℃，在这样的条件下大多数酶制剂将完全丧失其活性（Nissinen，1994）。 Israelsen报道，110℃条件下，植酸酶的活性存留率为零。Vanderpoel报道，110℃时β-葡聚糖酶和半纤维素酶的活力已经无法侧得。经过对以大麦和小麦为主要原料的猪饲料进行上述膨化加工，其中热敏性较高的植酸酶在经过各个加工工序的相对活性如表5所示。

　4.2使用方法

　　由于某些未经耐高温处理的酶制剂或饲料加工工序不规范（如调质温度过高、时间过长）都可能由于制粒膨化加工而影响畜禽饲养效果，因此早期有人提出最好的使用方法是在粉料（如蛋鸡料和一些猪粉料）中加入酶制剂。随着科技的发展，越来越多的研究人员从事酶制剂耐高温技术研究和如何使用酶制剂。

　　4.2.1干粉添加

　　干粉添加是指将干酶制剂与预混料先预混合，然后添加到大料中。干酶制剂比液态酶具有较高的贮存稳定性，试验表明经适当处理（包被处理和颗粒化）的干酶制剂贮存50周其活性无损失，可与其它饲料组分如维生素、矿物质混合生产预混料，或用于生产配合饲料而不损失酶的活性。且干酶制剂通常比液状酶更易均匀混入饲料。但在目前使用急剧的预处理方法（如膨化）的情况下，干酶制剂不能承受这种物理条件（温度大于80℃），会损失大部分活性，在这种情况下，可将液态酶喷到颗粒料中。

　　4.2.2液体添加

　　为了降低原料成本，充分利用饲料资源，提高饲料产品档次，饲料厂越来越多地采用加长夹层调质器，高温瞬时调质器、挤压膨化等热加工设备，饲料在调质、制粒、挤压和膨化过程中受温度、压力、摩擦力和水分的作用，维生素、酶制剂、药物等添加剂中的有效成分遭到严重的破坏，造成饲料配方失真，如果把酶制剂等放置在制粒膨化后添加就可以很好地解决这一问题。液体添加工艺可分为：

　　4.2.2.1直接添加悬浮液或胶体

　　Kvanta（1987）报道，将含有少量生物活性的物质（包括维生素、激素、酶、细菌等）结合到加工过的饲料中。将其先与一种惰性载体混合成泥状，然后形成均匀的悬浮液，悬浮液再通过一种设备转化为一种可作用于粒料的形态，形成均匀的一层薄膜，覆盖于粒料的表面。Lavery （1996）也报道了一种添加某些成分到颗粒中的方法：将添加物质与一种粘性胶体混合后，再与饲料颗粒混合。这种覆盖胶体的颗粒基本上是均匀的，对混合机的污染也很小，它的添加量约为每吨饲料2~40kg。这两种添加方法比较适合于小批量生产饲料或农场自行加工。

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4.2.2.2喷雾添加液体

　　喷雾添加液体通常的方法是在制粒后喷涂液体，这一系统的应用可以保证热敏原料的活性不受破坏。应用液体外涂技术的关键是使添加量较少物料混合均匀以及准确控制添加量。目前，国内外研究饲料中液体后置添加（喷涂）技术的公司并不是很多，而且这些公司主要集中在欧美几个工业发达国家，如德国的 AmandusKahl公司，比利时的Schranwen公司，美国的Finnfeads国际公司、诺和诺德公司，丹麦的Sprout- Matador公司、Daniso公司、KOF&G公司，英国的BASF公司、ProMinent公司。我国农业机械化科学研究院和中国农业大学等也有相应的报道，这些液体喷涂系统主要是酶喷涂系统。

　　5．储存条件

　　饲料成品在储存过程中由于受到各种因素如光、温度、湿度等的影响，酶制剂活性会随着货架时间的延长，其活性会明显地降低，尤其是在储存条件比较恶劣的情况下更是如此。一般来说，水分对酶制剂的危害比高温更严重，饲料发霉会使酶受到很大的威胁。因此，在使用时应尽量缩短贮存时间或在货架寿命期间保存在通风、干燥、阴凉和避光处。朱建津等（2000）研究了饲料贮存过程中酸性蛋白酶和果胶酶的活性损失。结果表明，经夏季高温贮存后，酸性蛋白酶的活性分别是制粒后的60.8%、58.9%和53.8%；果胶酶的活性分别为66.8%、68.4%和75.4%。

　　此外，饲料中的重金属离子、一碘醋酸、高铁氰化物等可与酶的必需基团结合或发生反应，从而使酶丧失活性。因此在饲料生产过程中一定要注意温度、湿度、储存条件、重金属离子等因素对酶制剂的影响，以求达到酶制剂的最佳使用效果。

　　6．酶制剂活性测定方法

　　饲料中酶制剂活性的高低可通过实验室检测和动物饲养试验来确定。实验室可以通过模拟饲料加工及消化道内各种因素对酶的作用后测定酶活来检测酶制剂的活性，但测定饲料生产过程中的酶活性在实验室很难进行，首先是酶在饲料中的活性很低；第二，定量分析法因酶制剂牢固地粘附于饲料上，往往难于完全将酶提取。因此，实验室测定的酶活数据是不可靠的，容易造成误导（Bedford等，1995）。动物饲养试验则是将酶制剂添加到饲料中进行制粒膨化工序，然后进行对比试验。酶制剂的优劣最后要看饲养试验对生产性能的测试结果（汪儆，2001）。

　综上所述，酶制剂在饲料中的应用效果受诸多因素的影响，尤其是受饲料加工过程中高温、高湿的影响最大。笔者认为今后改善饲用酶制剂应用效果的主要途径有：

　　①优化酶制剂配方设计，除植酸酶以外，几乎所有的饲用酶制剂都是复合酶制剂。因此，在设计配方时需针对不同的日粮类型、动物种类和生理阶段来设计酶制剂中各种单酶及其活力，同时需考虑酶制剂的合理添加量。

　　②筛选优良菌种，目前许多研究主要集中于耐高温菌种的筛选，但笔者认为还可以从菌种种类来入手。据报道，细菌类酶制剂作用效果好于真菌类；内切酶应用效果优于外切酶。

　　③优化加工工艺，目前这方面大量研究主要集中在酶制剂包被处理方面，包被型酶制剂固然可以保护酶制剂免遭制粒时高温的影响，但是当温度达到 90℃后，包被型酶制剂也不能经受住如此高的温度，而且包被型酶制剂在动物体内的生物利用率下降，影响其使用效果。因此，如何解决好酶制剂加工过程中的热稳定性问题成为当前酶制剂应用中十分关键的问题，成为最近研究的一个热点。目前动物营养学家把目光转移到液体酶制剂的后喷涂技术上，其必将在未来发挥巨大的作用。因此，如果能够很好地解决酶制剂的应用问题将对饲料工业产生巨大的促进作用，从而使得酶制剂有可能替代抗生素等抗菌药物的使用，提高畜禽的生产性能和健康水平，而且无毒、无害、无残留，并能显著地减少畜禽粪便中的氮、磷的排泄和对环境的污染，真正成为一种名副其实的安全、有效、不污染环境的绿色饲料添加剂。

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