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多酶生物饲料的研究进展

2020-01-23 点击:1924

多酶饲料是一种生物饲料。饲料中富含多种饲料酶,可以在一定程度上消除饲料原料中的抗营养成分或补充动物内源酶,从而有助于提高现有饲料的质量,提高饲料利用率。摘要:结合国内外相关资料,综述了常见饲料酶的种类和功能、多酶生物饲料的研发过程、存在的问题和研究现状,并对多酶生物饲料的发展前景进行了展望。

到2020年,饲料粮预计将达到2.98亿吨,这将在中国粮食使用的最大份额中取代口粮[1]。人畜争粮的现状是我国面临的严峻挑战之一。因此,开发新饲料,提高饲料利用率势在必行。多酶生物饲料是一种通过生物技术富含多种酶的饲料。与普通饲料相比,饲料中所含的酶能在一定程度上消除饲料原料中的抗营养成分或补充内源酶,从而在一定程度上提高饲料的利用率。

1。饲用酶及其在饲用酶中的应用效果的研究大致可分为两类:非消化酶和外源消化酶。非消化酶是指动物自身不能分泌到消化道的酶。这种酶能消化动物自身不能消化的物质或降解一些抗营养因子,主要包括纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、植酸酶、果胶酶等。外源消化酶是指通过技术手段添加的消化酶。这些酶可以由动物自身分泌,如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。主要饲用酶介绍如下。

木聚糖酶主要指β-1,4-D-木聚糖酶,通过内切水解木聚糖分子中的β-1,4-木糖键,其水解产物包括寡糖等单糖和少量木糖。木聚糖酶在饲料中的主要作用是降解木聚糖,从而降低食糜的粘度。此外,低聚木糖还可以调节动物肠道微生态环境,减少动物结肠炎的发生,减少抗生素[2]等兽药的用量。Tapingkae研究了酸性木聚糖酶对仔猪消化吸收和产仔数的影响。发现断奶仔猪6周后日增重提高63g/d,腹泻率降低50%,[3号。范德普拉斯等人在肉鸡日粮中添加不同来源的木聚糖酶,肉鸡的日增重提高了4.5%,粗纤维消化率提高了58.9%

木聚糖酶主要指β-1,4-D-木聚糖酶,通过内切水解木聚糖分子中的β-1,4-木糖键,其水解产物包括寡糖等单糖和少量木糖。木聚糖酶在饲料中的主要作用是降解木聚糖,从而降低食糜的粘度。此外,低聚木糖还可以调节动物肠道微生态环境,减少动物结肠炎的发生,减少抗生素[2]等兽药的用量。Tapingkae研究了酸性木聚糖酶对仔猪消化吸收和产仔数的影响。发现断奶仔猪6周后日增重提高63g/d,腹泻率降低50%,[3号。范德普拉斯等人在肉鸡日粮中添加不同来源的木聚糖酶,肉鸡的日增重提高了4.5%,粗纤维消化率提高了58.9%

[4]。此外,范德普拉斯研究还表明,在饲料中添加木聚糖酶后,肠道中双歧杆菌的数量显着增加,而粪便中鼠伤寒沙门氏菌的数量显着减少[5]。

β-葡聚糖酶是能催化β-葡聚糖水解的各种酶的总称。其中,β-1,3-1,4-葡聚糖酶活性最高。β-葡聚糖酶可以水解饲料原料中的β-葡聚糖,生成低聚糖和葡萄糖;消除了β-葡聚糖的高吸水性和高保水性所带来的物理效应,降低了消化道内容物的粘度,提高了畜禽的消化吸收水平。纽曼等人在大麦饲料中添加β-葡聚糖酶,仔猪的日增重和饲料转化率分别提高了1%和16%,[6]。坎贝尔等人在猪饲料中添加β-葡聚糖酶,能量利用率和蛋白质利用率分别提高了13%和21%,[7]。

β-葡聚糖酶是能催化β-葡聚糖水解的各种酶的总称。其中,β-1,3-1,4-葡聚糖酶活性最高。β-葡聚糖酶可以水解饲料原料中的β-葡聚糖,生成低聚糖和葡萄糖;消除了β-葡聚糖的高吸水性和高保水性所带来的物理效应,降低了消化道内容物的粘度,提高了畜禽的消化吸收水平。纽曼等人在大麦饲料中添加β-葡聚糖酶,仔猪的日增重和饲料转化率分别提高了1%和16%,[6]。坎贝尔等人在猪饲料中添加β-葡聚糖酶,能量利用率和蛋白质利用率分别提高了13%和21%,[7]。

β-甘露聚糖酶是一种能催化含有β-1,4-甘露聚糖键的甘露聚糖及其衍生物水解的内切水解酶,[8]。甘露聚糖酶在饲料中的作用是降解饲料原料中的甘露聚糖,降低乳糜的粘度,消除甘露聚糖与金属离子、消化酶和胆盐的结合作用,增加营养吸收。此外,研究表明酶解产生的甘露寡糖可用作双歧杆菌生长促进因子[9],使有益菌繁殖并在调节动物肠道中发挥重要作用。此外,甘露寡糖可以刺激免疫反应,增强动物细胞免疫和体液免疫[10]。

β-甘露聚糖酶是一种能催化含有β-1,4-甘露聚糖键的甘露聚糖及其衍生物水解的内切水解酶,[8]。甘露聚糖酶在饲料中的作用是降解饲料原料中的甘露聚糖,降低乳糜的粘度,消除甘露聚糖与金属离子、消化酶和胆盐的结合作用,增加营养吸收。此外,研究表明酶解产生的甘露寡糖可用作双歧杆菌生长促进因子[9],使有益菌繁殖并在调节动物肠道中发挥重要作用。此外,甘露寡糖可以刺激免疫反应,增强动物细胞免疫和体液免疫[10]。

张华汇等人研究了β-甘露聚糖酶对鸭椰子籽粕消化率的影响。结果表明,蛋白质消化率和真

α-半乳糖苷酶是一种水解α-半乳糖苷键的外糖苷酶。它能特异性催化多糖、糖脂和糖蛋白糖链末端α-1,6半乳糖苷键的水解。它不仅能水解棉子糖和水苏糖等低聚糖,还能水解含α-半乳糖苷的杂多糖[3]。饲料中添加α-半乳糖苷酶的作用是降解饲料原料中的α-半乳糖苷,破坏乳糜的水合膜,减缓乳糜的蠕动,提高乳糜的消化程度。同时,它还能抑制肠道微生物的过度发酵,减少胺和甲酚等有害物质和气体,提高内源性蛋白酶的活性,增加多肽物质,控制因饲料消化不良引起的腹泻[14]。蒋晓峰等人的研究表明,在玉米豆粕日粮中添加α-半乳糖苷酶可以提高断奶仔猪的蛋白质利用率,促进抗体合成,提高粗纤维、粗脂肪和粗蛋白的表观消化率。鲍塞尔等人的研究表明,在育肥猪的日粮中添加α-半乳糖苷酶可以分别提高干物质消化率和蛋白质消化率2.8%和12.5%,[16]。戴钟秋等研究表明,在玉米豆粕日粮中添加α-半乳糖苷酶可以提高仔猪平均日增重,显着降低仔猪腹泻率。[17。

1.5果胶酶

果胶酶是指能够分解果胶的各种酶,能够裂解β-1,4-糖苷键,有效分解植物细胞壁之间的果胶,破坏细胞组织。果胶酶能降解饲料中的果胶,降低肠乳糜粘度,破坏植物细胞壁和液泡,提高饲料营养和能量利用率。江晓霞的研究结果表明,在饲料中添加果胶酶可以显着提高[肉鸡的平均日增重和体重。Tahir等人表明果胶酶和纤维素酶的复合使用显着提高了[肉鸡的屠宰率和胸肌率。宁美安等研究还表明,在日粮中添加果胶酶可以显着提高[肉鸡的生长性能。

1.6植酸酶

植酸酶是植酸酶水解酶,是将植酸和肌醇六磷酸水解成肌醇和磷酸的一类酶的总称。植酸酶在饲料中的作用主要体现在促进植酸的消化和吸收,从而在一定程度上消除其抗营养作用。在动物中,植酸是一种螯合剂,会导致畜禽微量元素缺乏。植酸也是许多蛋白酶的抑制剂,因此影响畜禽的消化功能。此外,植酸可以与蛋白质结合形成植酸复合物,从而降低蛋白质的消化和利用率。单胃动物缺乏植酸酶,不能利用植酸。80%以上的磷从动物粪便中排出,造成环境污染和资源浪费。Powell等人在低磷日粮中添加植酸酶可以提高肉鸡的生长速度、钙磷消化率和钙利用率,[21]。皮尔亚尔等人发现,在低磷肉鸡日粮中添加植酸酶可以显着提高屠宰率,[22]。

2.7纤维素酶

纤维素酶是可将纤维素降解为葡萄糖的多组分酶系统的总称。它们协同作用分解纤维素,产生低聚糖和纤维二糖,最终水解为葡萄糖。纤维素酶在饲料中的作用主要在于:降解植物原料细胞壁,促进营养吸收;提高机体的代谢水平和免疫力,有利于改善动物的微生态环境。邓于颖等人在断奶羔羊的日粮中添加了0.5%的纤维素酶。结果,羔羊平均日增重提高了4.22%(P0.05),料重比降低了5.20%,腹泻率显着降低了[23]。Eun等人在青贮玉米和苜蓿干草中添加纤维素酶和木聚糖酶饲喂奶牛,提高了中性洗涤纤维的降解程度,[24]。毛千千等人的研究表明,在高纤维日粮中添加果胶酶可以提高乌龙鹅的生长和屠宰性能,果胶酶与纤维素酶结合的效果更好,[25]。

2.8外源消化酶

饲料中淀粉、蛋白质等高分子化合物是畜禽的营养来源。动物可以分泌相应的内源性消化酶,如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。然而,由于不同

何谦等在黄羽肉鸡饲料中添加脂肪酶,可显着提高饲料中粗脂肪的表观利用率[26]。安格尔等人在低蛋白日粮中添加外源蛋白酶,低蛋白日粮组与正常蛋白日粮组肉鸡生产性能无显着差异,饲料转化率相对提高,[27]。

3。多酶饲料制备技术研究多酶饲料的制备技术主要有两种:加酶法,即通过添加现成的饲料酶制备多酶饲料,这是比较常见的;发酵方法是通过微生物发酵生产酶来制备多酶饲料。多酶饲料是通过添加酶的酶解和微生物发酵相结合而制备的,也属于发酵方法。

3.1酶

多酶生物饲料的酶法制备是目前较为普遍的方法。酶制剂的选择不是简单的组合,而是根据不同饲料原料和酶类的特点进行有机组合。例如,α-半乳糖苷酶是豆粕饲料的主要饲用酶,木聚糖酶和其他酶需要同时添加。然而,大麦饲料主要由β-葡聚糖酶组成。中国农业部也对饲料酶的添加做出了相应的规定和建议。

3.1.1添加酶制备多酶生物饲料的工艺

提高酶制剂的稳定性是多酶生物饲料添加酶的主要研究内容。因为在饲料加工过程中,它会经历许多条件相对苛刻的阶段,如造粒、膨化等阶段。在这些阶段,饲料将受到温度、压力和湿度的强烈影响,这将导致酶活性的严重损失甚至完全损失,并严重影响多酶饲料的质量。相关研究表明,酶活性在挤出过程后会完全丧失,而酶活性的丧失在环模造粒过程后也非常明显([28】)。此外,作为一种蛋白质,动物的消化对其活性有很大影响,因此保护添加的饲料酶的酶活性是一个棘手的技术问题。目前,有两种常用的制备技术来保证酶的活性:一种是使用载体或包衣稳定技术,主要利用物理包埋和化学修饰来提高酶的稳定性,以减少饲料加工过程中酶活性的损失。如果液体饲用酶吸附在特定的载体上或颗粒酶制剂包被有包被剂,则经过高温阶段后,饲用酶制剂可以保持较高的活性,减少动物肠道对酶活性的不利影响。二是造粒后喷雾。该技术是在制粒后通过一定的设备将酶以液体形式喷洒在饲料表面,从而避免饲料加工后期酶活性的损失。

另一种添加酶的方法是体外消化。张士元等人提出了两个工艺流程思路:一是配料完成后,在搅拌前加入预消化工艺(图1);第二,混合完成后,在其它后续过程如造粒和膨化(图2)之前加入预消化过程,[29]。此外,张士元等人还开发了两种体外消化设备:釜式调理剂和改良混合器。试验证明,体外预消化生产工艺能促进饲用酶发挥作用,两种预消化生产工艺能明显提高加酶饲料的品质和营养品质,无机磷含量和还原糖含量明显增加,酸洗纤维明显减少,[30]。

张士元等人通过实验得出,在含水量为14.5%、温度为45℃的条件下,酶饲料预消化30分钟效果较好,酸洗纤维含量相对降低了9.64%,[31]。徐伟的研究表明,添加酶饲料的预消化处理显着提高了动物饲料营养物质的消化率和代谢率。与常规酶饲料相比,预消化酶饲料的能量表观代谢率、蛋白质表观代谢率和磷表观代谢率分别提高了6.20%、12.45%和67.39%,[32]。

3.1.2我存在的问题

尽管研究者在添加酶制备多酶饲料的研究中采用了多种方法来解决酶活性问题,但添加酶制备多酶饲料的过程中仍存在许多不足,需要进一步研究和改进。载体法、包衣法和喷雾法在一定程度上可以防止饲料加工和动物消化道中的不利因素,但不能绝对保证酶制剂在后处理中的稳定性。例如,包被的饲用酶将通过90℃的蒸汽加热快速失活[33]。当制粒回火温度为65℃时,载体对酶制剂有一定的保护作用,而当温度为75℃时,载体将被70%左右的[34]失活。另外,由于目前饲用酶基本上是由微生物产生的,酶解的最佳条件不一定与动物的条件一致,动物的环境复杂多变,不同动物和不同生长阶段的动物的环境也不同,因此饲用酶的体外测定和体内实际效果也不同。最后,成本也是推广该项技术的一个非常重要的因素。无论是喷涂、涂布还是载体方法都将大大增加饲用酶的生产和应用成本。

虽然体外消化加酶法没有上述问题,但很难有效控制消化工艺参数,消化步骤耗时长,设备成本也高。

3.2发酵

发酵法制备的多酶生物饲料属于一种发酵生物饲料。利用微生物生产酶不仅可以获得多种饲料酶,提高饲料质量和利用率,还可以通过调节动物体内微生态平衡达到提高免疫力和增强机体功能的作用。

3.2.1菌株

菌株的选择、菌株的优良、活力强、酶活性高、饲料效果好是微生物发酵制备多酶生物饲料的关键。此外,对于添加到饲料中的微生物,需要满足许多其他条件,例如,所选择的微生物优选来自家畜,以便在一定程度上确保微生物不会由于微生物自身或进入动物后产生的其他物质而导致动物疾病或死亡,从而确保安全性。此外,这些微生物更容易在牲畜体内定居、繁殖和代谢,从而发挥作用。然而,外源微生物的使用必须通过实验动物进行的急性和亚急性毒性、致畸和致残试验。此外,如果采用多菌种混合发酵,要求所有菌种在生理条件和产酶条件下能够协同作用,产酶能够互补。如果使用的菌株是益生菌菌株,还应考虑菌株的抗逆性,特别是对胆酸盐和胃酸的强抗性,使菌株进入畜禽消化道后能继续发挥作用,发挥益生菌作用。

美国食品与药物管理局

已批准43种微生物直接喂养(表2)。目前,中国农业部还在《饲料添加剂品种目录(2013)》(表3)中宣布了可添加到饲料中的微生物种类,将从2014年2月1日起实施。

3.2.2发酵制备多酶生物饲料技术

与添加酶的方法相比,由于添加了发酵步骤,制备多酶饲料的发酵方法过程更加复杂,但所含的酶是由微生物代谢产生的,因此可以在一定程度上降低添加酶带来的成本。针对制备多酶饲料的单菌种或多菌种混合固态发酵工艺,主要有以下技术要点:含水量需要适当控制。固体发酵和液体发酵的主要区别在于水分含量,水分含量会影响细菌的生长和代谢以及产品的形成。含水量应根据所选的不同菌种和原料确定。高含水量会增加基质的粘度,容易结块,影响透气性和散热性,不利于基质中营养物质的利用和抗营养因子的水解。当含水量低时,微生物的生长受到抑制,特别是真菌菌丝的生长和孢子的萌发,培养基表面迅速干燥,发酵不完全,导致酶活性下降。发酵过程中,翻料时可加入适量无菌水,及时补充水分。菌种接种量应严格控制。如果接种量太大,底物将消耗得太快,导致热量和废气的积累以及酶生产能力低。对于霉菌来说,孢子会出现在发酵的后期,不利于抗营养因子的水解。接种量太小,菌体量不够大,不利于产酶,发酵周期延长,增加了杂菌污染的可能性。与单菌种发酵相比,多菌种混合发酵更难控制条件,不同菌种的生长代谢可能相差很大或很小,但混合发酵可以有效利用它们之间的互补性。对于多菌种混合发酵,接种顺序和比例对多酶饲料的制备有很大影响。

例如,王惠杰等人将在制备含酶蛋白饲料的研究中逐步进行糖化和发酵。这是因为所有菌株都可以在最佳条件下起作用,而同步糖化和发酵很难在最佳条件下起作用[35]。如果采用酶-菌协同作用的方法,还应考虑酶的添加时间和用量,使酶解与细菌发酵相协调。温度也是需要考虑的一个重要因素。温度的变化不仅会影响微生物的生长和代谢,还会影响培养基的传质和粘度。而且影响产品酶的稳定性。如果发酵温度过高,不仅会消耗更多的能量,还会加剧底物水分的蒸发,不利于酶的生产。固体材料的厚度也对发酵过程有很大影响。培养基太厚,不利于气体转移,会抑制微生物的生长,导致酶活性低。另外,酸碱度也是一个非常重要的参数,在固态发酵过程中很难控制。培养基中的氮源对其影响很大。例如,铵盐作为主要氮源容易导致底物的酸碱度下降。在培养基中,除了主要成分之外,还有许多成分对酶活性也有一定的影响。如无机盐、辅料等。麦麸是良好的饲料原料和发酵辅料,可以起到发酵和辅助氮源的作用,从而促进微生物的生长和酶的生产。然而,过多的麦麸也会增加基质的粘度,这不利于透气性,并影响微生物的生长。还应注意无机盐,它们有时对酶活性有很大影响。例如,Zn2、Ca2

和Cu2对木聚糖酶的促进作用较弱,而Fe2、Fe3和Mn2对木聚糖酶[36]有明显的抑制作用。

魏杨洋等人用黑曲霉发酵制备油茶饼多酶生物饲料。最佳发酵

孢子的孢子悬浮液发酵温度为30℃,培养时间为54 ~ 60h,纤维素酶为1 991 U/g,木聚糖酶为1 998 U/g,酸性蛋白酶为4 559 U/g [38]。庄同林等人利用两株黑曲霉,通过苹果渣固态混合发酵生产多酶生物饲料。结果表明,苹果渣与棉籽粕的比例为1: 1,1%(NH4)2SO4,0.1%KH2PO4为最佳培养基,两株黑曲霉的最佳配比为2: 1,接种量为0.4%,蛋白酶和纤维素酶活性分别为3 674和1 207 U/g,果胶和单宁的降解率分别为99.0%和66.1%,[39]。陈Xi等人用米曲霉和酵母混合酒糟制备含酶蛋白的饲料。结果表明,最佳培养基配比为啤酒糟∶黄酒糟∶豆粕∶麦麸4∶1∶1∶4,初始料水比1∶1.8,硫酸铵2%,磷酸盐1%,米曲霉接种酵母培养16h,发酵周期为68h。与单株发酵相比,酵母数量增加了3倍,平均粗蛋白增加了5.32%,粗蛋白增加了35.74%,发酵产物中含有901U/g蛋白酶和1824U/g纤维素酶[40]。

3.2.3发酵制备多酶生物饲料存在的问题

目前,多酶发酵饲料的研发取得了很大进展,但仍存在许多技术问题。就菌株而言,由于添加到饲料中的微生物必须确保其安全性,所以未经改良的原始菌株大多用作发酵菌株,因此它们的酶活性通常相对较低,这是发酵方法的主要技术问题。此外,当使用混合菌株时,如何更好地利用各种菌株的互补性还没有得到深入研究。从工艺上看,该发酵方法存在发酵速度慢、周期长、劳动强度大、自动化困难等问题。由于发酵过程中传质不均匀,天然原料成分复杂多变,菌体生长不均匀,酶产量无处不在,发酵参数的检测和控制也相对困难,从而影响饲料质量。

4。展望“多酶生物饲料”的发展,不仅可以提高现有饲料的利用水平,还可以扩大现有饲料原料的范围,为新型饲料原料的开发利用提供新的途径,对促进水产养殖业的发展具有重要意义。目前,多酶生物饲料的研发还存在许多问题。今后,在酶活性的保护和提高、酶和原料的选择、家畜消化道的适应性、混合发酵的协调性、菌种的有益性等方面需要更多的研究工作和投资,以获得更多的突破性解决方案。多酶生物饲料无疑是饲料开发领域的发展方向,相信将会有更多种类、效果更好的多酶生物饲料得到成功开发。

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