饲料酶制剂理论与实践的新思路_新型高效饲料组合酶的原理和应用

1、近年来,饲料酶制剂的研究主要方向:一是酶制剂应用技术体系的建立;二是酶制剂分子营养基础的探讨(冯定远等,2006。其中构建加酶日粮ENIV系统和相应的饲料原料数据库(冯定远和沈水宝,2005、饲料酶发挥作用位置的二元说以及饲料组合酶等三个方面,就是探讨酶制剂应用技术体系的一部分。本文主要探讨了新型高效饲料组合酶的原理及应用。1饲料酶制剂的分类目前饲料酶制剂的分类方法尚未统一,大致可分为外源消化酶和非消化酶两大类。非消化酶是指动物自身不能分泌到消化道内的酶,这类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,主要有纤维素酶、木聚糖酶、-葡聚糖酶、植酸酶和果胶酶等。外源消化酶是指动物自身能够分

2、泌,但大部分来源于微生物和植物的淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶类等。催化水解同一种底物的酶可以有不同来源,如催化水解纤维素的酶有绿色木霉(Trichoderma viride纤维素酶、嗜松青霉(Penicillium pinophilum纤维素酶、生黄瘤胃球菌(R.flavefa-ciens纤维素酶等。同一来源的生物,特别是微生物(包括真菌、细菌、放线菌等可以产生不同的酶,如厌氧微生物能产生降解木聚糖、甘露聚糖的复合多酶系统。单酶或单一酶是指特定来源而催化水解一种底物的酶制剂,如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、里氏木霉(T.reesei纤维素酶、康宁木霉(Trichoderma koningii纤维素酶、曲霉菌

3、(Aspergillus木聚糖酶、隐酵母(Cryptococcus木聚糖酶等。复合酶是指由催化水解不同底物的多种酶混合而成的酶制剂。多种酶的来源可以不同,也可以相同,特别是有些商业系统微生物的固体发酵,单一菌株均可产生多种酶。复合酶能以动物种类及阶段为目标设计酶谱和活性,如蛋鸡日粮专用酶,也可以日粮特性为目标配制酶的种类和有效成分,如小麦型日粮专用酶。目前饲料中常用的除少量是单酶添加剂外,大多数为复合酶添加剂。2组合酶和组合型复合酶影响酶制剂酶作用的因素很多,包括动物、日粮及酶本身的因素。如何解决酶制剂使用的针对性和高效性是酶制剂发挥其效果的关键。冯定远(2004提出了饲料组合酶概念。组合酶是

4、指由催化水解同一底物的来源和特性不同,利用酶催化的协同作用,选择具有互补性的两种或两种以上酶配合而成的酶制剂。例如,蛋白酶组饲料酶制剂理论与实践的新思路新型高效饲料组合酶的原理和应用华南农业大学动物科学学院冯定远黄燕华于旭华摘要饲料组合酶是专门针对酶制催化的高效问题而提出,它与一般的复合酶不同。应用饲料组合酶可以降低饲料酶制剂的使用成本,对提高非常规饲料原料的利用效率和开发特种动物专用的酶制剂有重要意义。关键词组合酶;酶学性质;非常规饲料原料中图分类号S816.7文献标识码A文章编号1004-3314(200813-0024-05 AbstractFeed combinative enzyme

5、s is a kinds of enzymes that is made up from different enzymes for the same substance.Combinative enzymes is different from complex enzymes that contain different enzymes for more than one sub-stance.Combinative enzymes is of higher efficiency to catalyze nutrient substance than complex enzymes and

6、can be ap-plied in non-traditional feed ingredient diet and special animal feed.And it is potential for reducing the feed enzymes cost.Key wordscombinative enzymes;enzymology;non-traditional feed ingredient合酶制剂由多种来源不同的蛋白酶组成,木瓜蛋白酶和黑曲霉蛋白酶的组合,木聚糖酶组合酶制剂由多种来源不同的木聚糖酶组成,真菌木聚糖酶和细菌木聚糖酶的组合,纤维素酶组合酶制剂由木霉纤维素酶和青霉

7、纤维素酶组成等。组合酶不是简单的复合,而应该是根据不同酶的最适特性、作用特点和抗逆性的互补有机组合。可以是多种内切酶的组合,也可以是内切酶和外切酶的组合。饲料组合酶一般应具备四方面的特性:(1催化水解同一底物酶的来源多样性(在一定程度体现经济性;(2酶的催化反应的配合性(催化水解位点的不同和配合;(3酶最适条件和抗逆特性的互补性;(4酶的应用效果的高效性。饲料组合酶最终反映在解决催化饲料复杂底物的高效性问题。与常见的单酶与复合酶相比,科学合理的组合酶更多考虑作用底物更有针对性、多种酶源的配合及互补和催化作用高效性。组合酶在饲料中应用的最大优点就是在酶的催化环境条件不理想的情况下,发挥其配合作用

8、,从而达到高效能的目的。如果考虑复合酶作用同时又要考虑组合酶的优点,可以配制应用组合型复合酶制剂。一个典型的组合型复合酶制剂产品应该包括催化水解多种底物,而且催化水解同一底物的酶制剂有几种来源不同的单酶组成,例如,应用大量杂粕和麦类的非常规原料的日粮,可以设计含有真菌木聚糖酶、细菌木聚糖酶、木霉纤维素酶和青霉纤维素酶等组成的组合型复合酶制剂。目前酶制剂产品开发仍然比较混乱,其中一个方面就是不同企业产品酶活之间无可比性,组合酶还可以部分解决不同产品酶活之间可比性问题。组合酶的成分一般都要注明酶的来源,如小麦杂粕日粮专用组合型液体酶:哈茨木霉木聚糖酶(450000U/g、蓝状菌木聚糖酶(35000

9、0U/g、纤维杆菌纤维素酶(300000U/g,嗜松青霉纤维素酶(350000U/g,添加量为80100g/t。由于明确了酶的来源,酶活的意义就能够比较容易规范。3饲料组合酶的理论基础3.1催化同一底物的酶来源广泛催化降解同一底物的酶来源很多,它们之间的催化功能存在可替代性和不可替代性。这样,可替代性就有更多的选择性,有利于降低应用成本;不可替代性就存在着互补性,对真正发挥酶的最大效率有好处。蛋白酶有来源于动物、植物和微生物的蛋白酶。同样,植酸酶有来源于微生物、植物和动物的植酸酶。纤维素酶和木聚糖酶多由细菌和真菌产生,此类微生物包括:需氧性微生物(aerobes、厌氧性微生物(anaerobe

10、s、嗜温微生物(mesophiles、嗜热微生物(thermophiles和极温微生物(ex-tremophiles。耐超高温的微生物,如栖热袍菌属(thermotoga sp.、激烈热球菌(pyrococcus furio-sus和热丝菌属(thermofilum sp.等能生长在85 110环境中,并能产生极其稳定的分解纤维素和半纤维素的酶(Witerhalter和liebl,1995。细菌纤维素酶有多种不同水解纤维素的机理,例如,耗氧菌纤维杆菌属(Cellulomonas、假单胞杆菌属(Pseudomonas、嗜热放线菌(Thermoactino-mycetes、褐色高温单胞菌(T.Fu

11、sca、细小双孢子菌(Microbispora和粪堆梭菌(C.stercorarium产生的纤维素分解酶系,类似于耗氧真菌产生的纤维素分解酶,这些纤维素分解酶系通过不同酶组分的相互协作来降解纤维素(Gilbert和Hazle-wood,1993;Wood,1992。植酸酶可以大致分成6-植酸酶和3-植酸酶两类。这种分类是根据植酸分子水解的起始位点而划分的,6-植酸酶多来源于植物,而3-植酸酶由真菌(Aspergillum sp.产生(Dvorakova,1998糖和木聚糖表现很小(或没有活性(Frederick 等,1985。对混合木聚糖(具有-1,3、-1,4键的rhodymenan作用的大

12、多数内切葡聚糖酶能特异地作用于-1,4键(Coughlan,1992。同时,内切木聚糖酶除了能降解主链外,还可据其能否降解支链释放阿拉伯糖而分为两类(Coughlan和HaZewood,1993。3.3不同酶间的协同作用饲料成分是复杂的底物,特别是非淀粉多糖的降解需要多种酶之间协同作用。Giligan和Reese(1954在水解纤维素的过程中,证实了不同纤维素酶间的协同增效作用。在晶体纤维素的溶解过程中,内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶(CBH之间的协同作用(Bhat等, 1994;Klyosov,1990。有报道表明,在真菌纤维素酶中存在5种协同作用:(1内切葡聚糖酶和一种称为C1的非水解蛋白间的

13、协同作用(Reese等, 1950;(2-葡木糖酶和内切葡聚糖酶或者CBH 之间的协同作用(Eriksson和Wood,1985;(3两个免疫学上相关或截然不同的外切葡聚糖酶之间的协同作用(Wood和McCrae,1986;(4源自相同或不同微生物内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶之间的协同作用(Wood等,1989;(5两种内切葡聚糖酶之间的协同作用(Klyosov,1990。另外,细菌纤维素酶和真菌纤维素酶之间也有协同作用,来自嗜热纤维素单胞菌(C.thermocellum的多酶复合体的亚基之间存在协同作用(Bhat等,1994; Wood等,1994。大部分的协同模式为:(1内切葡聚糖酶和外切葡

14、聚糖酶间的协同作用;(2外切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶之间的协同作用;(3内切葡聚糖酶和内切葡聚糖酶之间的协同作用。使用高纯度的内切葡聚糖酶和来自嗜松青霉(P.pinophium的CBHS的研究表明,只有两种内切葡聚糖酶(EG和EG对纤维素具有很强的吸附性,与CBHS 和CBHS有协同作用(Wood等,1989。他们认为在CBHS和与内切葡聚糖酶之间的协同作用,是因为这两类酶间的不同立体空间结构造成的。有效而彻底的分解木聚糖需要有不同特性的主链裂解酶和支链裂解酶的协同作用(Cough-lan和HaZewood,1993。对于木聚糖降解酶而言,因为底物来源的天然差异,仅衡量产生的还原糖量,不足以证实

15、其协同作用。因此,必须分离和纯化,并进行定性、定量分析其分解产物,以更清晰的探明获得木聚降解酶协同作用。事实上,两种酶之间的协同作用模式有三种类型:(1同型协同;(2异型协同;(3抗协同(Coughlan和HaZe-wood,1993。同型与异型协同可能有一种或两种产物。同型协同可以是在两种或多种的侧链裂解酶之间的协同,也可能是在两种或多种的主链裂解酶之间的协同(Coughlan和HaZewood,1993。同样,在植酸水解为肌醇全部过程中,没有哪一个单独的酶能水解植酸分子中所有的磷酸,因此,整个水解过程是在很多非特异性酶的联合作用下完成的(Maenz2001。3.4不同来源酶动力学不同在一定

16、条件下(特定的作用环境和时间,某一种酶数量或活性进一步增加并不能提高催化性能,各种酶和对应的底物浓度的反应基本动力学是米氏方程(陈石根和周润琦,2001。而不同来源作用同一种底物的酶的米氏方程不一样。3.5不同来源酶最适条件不同来源不同的同一类酶其最适条件差异很大。不同菌属来源、不同发酵方式生产的纤维素酶在酶系组成及酶学特性上存在差异(孟雷等,2002。绝大多数来自真菌的内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的分子质量均为20100ku,而-葡萄糖苷酶的分子质量范围为50300ku。通常情况下,来自真菌的酶活性的最佳pH值在4.06.0,而来自细菌的酶的最佳活性pH为6.07.0(Wood,1985。来自

17、嗜温(mesophilic真菌和细菌的内切葡聚糖酶、CBHS 和-葡萄糖苷酶的最佳活性温度为4055(Christakopoulos等,1994;Bhat等,1989;Wood 等,1988,而来自嗜温和嗜热微生物的纤维素酶的最佳活性温度分别为6080和90110(Antranikian,1994;Bhat等,1993。由于不同来源的酶活性上的差别,在实际应用中以重量比来添加,显然会造成使用效果差异较大。不同来源的纤维素酶虽然作用相同,但均具有不同的最适pH 和温度,因此,用同一种方法测定不同来源的纤维素酶得到的酶活值尚不完全具有代表性。3.6不同来源酶热稳定性不同来源不同的同一类酶热稳定性差

18、异很大。经80高温处理1 3min后,三种纤维素酶的剩余酶活差异较大。其中,青霉液体发酵的酶的热稳定性较好,剩余酶活仍保留了94.8%。而木霉固体发酵酶和木霉液体发酵酶热稳定性较差(黄燕华2004。3.7不同来源酶对消化道酶的耐受性不同同一类酶而来源不同对于胃肠道的蛋白水解酶的耐受性差异很大。对于畜禽胃肠道环境的稳定性最终决定外源酶制剂的应用效果,只有在消化道内能保留足够的活性,存留足够的时间,酶制剂才能发挥应有的作用。三种纤维素酶在消化道环境中以木霉液体发酵酶的稳定性最好,木霉固体发酵酶最差(黄燕华,2004。体外试验也表明,胃蛋白酶对木霉固体发酵酶影响最大,木霉液体发酵酶耐受性较好。3.8

19、饲料中离子浓度的影响同一类酶而来源不同饲料的一些离子对酶的活性影响差异很大。Fe2+、Zn2+和Ca2+对3种纤维素酶的CMCase和FPase活性均有抑制作用,但抑制作用都不显著,只有木霉液体发酵酶的CMCase活性受Ca2+影响较大。Mn2+对3种纤维素酶的CMCase和FPase活性均有激活作用。Cu2+对3种纤维素酶的CMCase 活性有激活作用,但对其FPase活性则是抑制作用,其中木霉液体发酵酶受影响最大。Mg2+对3种纤维素酶的作用出现了差异:使青霉液体发酵酶的CMCase和FPase活性提高,而使木霉固体发酵和木霉液体发酵酶的CMCase和FPase活性降低,其中,木霉液体发酵

20、酶的FPase活性受影响较大(黄燕华,2004。离子对酶活抑制或激活影响的不一致,可能是因为不同来源的纤维素酶需用作电子载体的特定金属离子不同造成。4饲料组合酶的应用价值组合酶产品并不是一个完全新的产品,已经有少量饲料酶制剂产品初步具有组合酶的特性。但是,开发应用组合酶或组合型复合酶还很少,有意识、专门化设计生产组合酶或组合型复合酶就更少。目前,饲料组合酶应用的主要有以下几方面的价值:4.1催化同一底物而来源不同的酶的价格不同,互相组合,可以利用一些来源方便,商业生产成本比较低的酶制剂,再结合一些相对成本高、而作用能够互补的酶制剂,在保证酶添加使用效果的情况下,整体降低饲料酶制剂添加剂的使用成

21、本,有利于酶制剂添加剂推广使用。4.2由于原料成本上涨,开发和有效利用非常规饲料原料是关键。非常规饲料原料由于含有一些抗营养因子,影响其高效利用,克服这一问题往往在日粮中添加一些专门的酶制剂,但由于一些非常规饲料原料成分和结构的复杂性,一般的单酶或者复合酶并不能有效的解决其利用效率问题。组合酶或组合型复合酶由于酶种来源及其互补和协同特性,在理论上具有比一般单酶或复合酶的酶学特性的优势,能够发挥其快速高效作用的潜能,因此,组合酶或组合型复合酶在开发非常规饲料原料及提高利用效率方面具有巨大的潜力。4.3一些畜禽种类和生长阶段,由于消化生理特性的关系,不能很好地利用人工配制的日粮,特别是日粮中含有较

22、多的植物性成分、难利用成分,使一些饲料产品的质量低且不稳定。例如,仔猪对大豆蛋白的抗原性问题、谷物抗性淀粉利用问题,水产动物对植物蛋白利用问题,宠物对植物成分利用问题等。解决动物的消化生理和日粮成分的特性关系问题的一个措施是应用饲料酶制剂。但是,在开发人工配制的日粮产品时,使用了一些专门的酶制剂或强化其用量,而效果并不理想。组合酶或组合型复合酶互补性和协同特性,有针对性开发特种动物专用或者特种类型日粮专用的组合酶或组合型复合酶,有可能为部分或全部解决这些问题的提供了一种有效措施。5小结应用组合酶添加剂的前提是日粮中存在大量复杂的大分子、难分解的营养或抗营养底物,需要多种针对同一底物的酶配合完成

23、水解任务。相反,有一些相对容易分解的底物,可能一种酶就可以完成有效的催化任务,就没有必要一定使用组合酶。所以,从应用成本角度,应用酶总的原则是:可以应用单酶(单一酶添加剂基本解决问题,可不必使用组合酶或复合酶添加剂;可以应用复合酶添加剂基本解决问题,可不必使用组合型复合酶添加剂。组合酶、复合酶的目的意义不同。饲料复合酶的特点是解决催化多种饲料成分底物的问题;而饲料组合酶的最大特点是解决催化饲料成分底物的高效性问题。目前,饲料酶制剂应用的最大问题就是高效性问题,特别是酶如何在饲料加工过程中发挥作用,以及考虑在消化道的抗逆性,在短时间内如何使酶的配合发挥最大效率的问题最突前期,虽然各组间差异不显著

24、(P >0.05,但喂饲五味子提取物有降低肉仔鸡盲肠内大肠杆菌菌落数量,提高乳酸杆菌菌落数量的趋势。随着饲喂时间的延长,在6周龄时,喂饲五味子提取物则显著降低了肉仔鸡盲肠内大肠杆菌菌落数量(P <0.05,有利于盲肠内乳酸杆菌的增殖,对肠道微生态环境表现出积极的调控作用,有利于增进肉仔鸡机体健康,提高其生产性能。参考文献1李平兰,吕燕妮,刘凤华.中药对鸡肠道微生物菌群的影响J.饲料研究,2002,2:1516.2李群道,单安山.女贞子、五味子与寡糖配伍对肉鸡生产性能和免疫功能的影响J.畜牧兽医学报,2005,36(4:343347.3Deying M ,Qundao L ,Ansh

25、an S .Influence of Mannan oligosaccharide ,Ligus-trum lucidum and Schisandra chinensis on parameters of antioxidative and im-munological statusof broilers J .Archivesof Animal Nutrition ,2006,6:467476.通讯地址:哈尔滨市香坊区木材街59号,邮编:150030出,随着非常规饲料原料的大量使用,高效的组合酶将更有优势。因此,今后饲料酶制剂的发展方向,应该是更多的组合酶或组合型复合酶产品。参考文献1陈石

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