饲用酶制剂的研究与应用

饲用酶制剂的商业化应用在国外约有15年的历史。英国九十年代初酶制剂在鸡饲料的添加率几乎等于零，而现在95%以上的鸡饲料都添加酶制剂。我国饲用酶制剂的应用从开始的怀疑、观望到现在的完全接受并开始大面积使用，经历了大约10年的时间，目前已经形成了具有相当规模的酶制剂市场，据统计全国大约有100多家具有一定生产能力酶制剂的企业，随着大批生产工业酶制剂厂家向饲料行业的转型，这个数字还会增加。饲料市场上出现的复合酶大多是采用固体发酵生产的，比较适合于中国的国情。然而，酶制剂的使用在中国毕竟仍处在初级阶段，目前还没有进行细致科学的研究，人们对酶制剂的使用方法、作用机理还没有一个完整的认识，酶制剂的使用效果如何与其对生产条件的耐受能力、各种酶及载体的适宜配比、酶的有效活性成分及含量、贮存条件、时间以及对畜禽消化道环境的适应性等诸多因素有关，这里还有很多工作等待人们去研究。下面本文就有关酶制剂的研究与应用进行简单的探讨。
一、 饲用酶制剂的分类
饲用酶制剂按照产品组成来分主要有复合酶和植酸酶，其中复合酶主要由酸性蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、脂肪酶、糖化酶、淀粉酶、果胶酶等组成；如果按照酶制剂对动物消化生理特点来分，饲用酶制剂大致可分为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、β－葡聚糖酶、植酸酶、果胶酶等。消化酶是指动物自身能够分泌的淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶类等。
二、 饲用酶制剂的作用机制
（一）添加酶制剂的必要性
1、动物自身消化生理的特点-仔猪、雏鸡体内消化酶分泌不足
　　仔猪胃肠道消化酶除乳糖酶在2周龄左右开始下降外，其它酶的分泌在出生后随日龄增大而增加，大多数在5周龄左右才能达到高峰。仔猪的胰酶（淀粉酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、脂肪酶）自出生至28日龄断奶前升至最高点，断奶后逐渐降低，至35日龄降至最低点，然后再上升。（见图1）为了缩短母猪繁殖周期和使仔猪尽早适应植物蛋白日粮，早期断奶甚至超早期断奶在养猪生产中普遍实施，但早期断奶产生明显应激，对消化系统发育和消化酶分泌产生不良影响，消化酶分泌急剧减少，断奶2周后才又逐渐恢复与上升。断奶后两周内消化酶分泌不足是断奶仔猪生长阻滞的主要因素之一。在断奶仔猪日粮中添加酶制剂是减轻断奶应激，避免生长阻滞，提高仔猪生长性能的必要和有效的措施之一。

雏鸡大多数消化酶在2周龄左右才发育到高峰，个别的（如脂肪酶）还要到21日龄左右。Noy等（1995）发现雏鸡21日龄十二指肠分泌的胰蛋白酶是4日龄的50倍。从4日龄到21日龄，小肠氮消化率从78％提高到92％。21日龄淀粉酶活性是4日龄的100倍，淀粉的消化率从4日龄的82％上升到21日龄的89％。因此，消化酶分泌不足是雏鸡对饲料利用的主要限制因素之一。
2、饲料成分被动物消化吸收的局限性
　　饲料中蛋白需要经蛋白酶和肽酶降解成肽和氨基酸后才能被畜禽利用。有些抗营养因子可妨碍蛋白质的消化，如植酸与蛋白质结合形成复合物、生大豆及其饼粕中含有的胰蛋白酶抑制因子和植物凝集素能降低胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶的活性并引起胰腺的肥大，导致饲料蛋白质和能量的利用率降低。
　　饲料原料中的脂肪和添加到饲料中的植物油或动物脂肪在肠道经过乳化后才能与胰脂酶充分接触从而得以消化吸收。不饱和脂肪酸有利于乳糜微粒的形成。不饱和脂肪酸含量高的植物油消化吸收率高于动物油，动物油中猪油消化吸收率高于牛油。幼龄动物对饱和脂肪酸的消化吸收能力较差，随周龄增大而提高。
　　饲料中多糖又可分为营养性多糖和结构多糖。营养性多糖主要是淀粉和糖原，结构多糖在植物性饲料也指非淀粉多糖（NSP），主要是植物细胞壁组成成分，包括纤维素、半纤维素、果胶。半纤维素又包括β－葡聚糖、阿拉伯木聚糖、甘露寡糖等。禾谷籽实（如玉米、高粱、小麦和大麦等）是畜禽饲料中碳水化合物的主要来源，其主要成分是淀粉，非淀粉多糖含量也较高。豆类饲料原料中的非淀粉多糖主要是果胶和纤维素。（见表1，表2）非淀粉多糖在目前可以说是影响饲料有机物质消化利用的最主要因素，其中可溶性非淀粉多糖（SNSP）在动物消化道增加食糜粘稠度，妨碍能量、氨基酸等养分的利用，对单胃动物产生抗营养作用。非反刍动物体内不能分泌纤维素酶、β－葡聚糖酶、木聚糖酶、果胶酶等，纤维素、果胶和大部分半纤维素只能被微生物有限地利用。利用微生物生产的外源多糖酶添加到饲料中可以帮助畜禽消化利用这些非淀粉多糖，如β－葡聚糖酶可水解β－葡聚糖，木聚糖酶可水解阿拉伯木聚糖，从而降低其抗营养作用，提高动物生产性能。

表1. 饲料原料中总非淀粉多糖的含量

表2. 谷物中不同非淀粉多糖的含量(克/千克干物质)

植酸（肌醇－6－磷酸）存在于所有植物性饲料中。植酸状态磷的含量一般占总磷量的60％～80％。植酸还可和矿物元素、蛋白质及一些消化酶等结合，降低这些养分的利用率或酶的活性。非反刍动物仅消化道上皮细胞分泌极少量植酸酶，后肠道中的微生物可产生少量。非反刍动物对饲料中植酸磷的利用率很低, 小于10％。
（二）酶制剂的作用机制
1、 复合酶制剂的作用机制
复合酶制剂大多由非淀粉多糖酶（NSP酶）和消化性酶构成，NSP酶主要有木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶、果胶酶等，其作用机制国内外已有很多研究。国外研究主要集中在降低食糜粘度、破碎细胞壁、消除抗营养因子和减少后肠道有害微生物数量等方面。近年来国内有许多研究提出NSP酶具有提高体内代谢激素水平、增强畜禽免疫力以及消除可溶性非淀粉多糖（SNSP）对畜禽内源酶的抑制等功能，从而更全面地阐明了复合酶制剂的作用机制。消化性酶主要指酸性蛋白酶、淀粉酶、糖化酶、脂肪酶等，其作用机制主要是补充幼龄动物的内源消化酶分泌不足。
1.1、降低食糜粘度
酶制剂能够降低食糜粘度，提高养分消化率，这一观点，是在对麦类为基础的日粮中抗营养因子非淀粉多糖的物理化学结构性质和生物学功能进行了深入研究的基础上提出来的。这一观点的主要内容是小麦、小麦麸、大麦、燕麦、黑麦等麦类日粮中存在含量较高、粘性很强的SNSP，因而畜禽采食麦类日粮后，食糜粘度很高。食糜粘度高导致养分溶出的速度减缓，养分和内源消化酶的扩散速度减慢，肠道机械混合食糜的能力减弱，因而内源消化酶对养分的消化作用减弱，养分消化率降低（Bedford,1996）。同时，食糜粘度高使已消化的养分向肠粘膜扩散的速度减缓，加之粘性的SNSP使肠粘膜上不动水层加厚，这样使已消化的养分透过肠粘膜受阻，从而降低养分的吸收率和利用率（Jenkins等，1978）。
在日粮中加入阿拉伯木聚糖酶、β-葡聚糖酶等NSP酶可将高粘度的SNSP水解成多糖片段,这些小分子量多糖片段的粘度大为降低, 食糜粘度也大为降低，因而对养分和内源消化酶的扩散阻碍作用消失，饲料养分的消化率和吸收利用率大为提高（Danicke等，1999）。
1.2、破碎细胞壁
玉米、豆粕及其他植物性饼粕、麦类等都是植物性饲料。植物性饲料由无数植物细胞所构成，而植物细胞又由细胞壁和细胞内容物组成。细胞内容物包含蛋白质、淀粉、脂肪等各种畜禽所需要利用的养分。细胞内容物在细胞壁的包裹之中，如果细胞壁得不到充分破碎，蛋白质、淀粉、脂肪等细胞内容物就不能充分得到释放，因而不能和畜禽消化道中各种内源性消化酶充分接触，导致消化率降低 （Finche等，1986）。
植物细胞壁主要由NSP、木质素和少量蛋白质、脂类物质和矿物质通过各种化学键错综复杂地互相交联而组成。NSP主要由半纤维素、纤维素和果胶组成。半纤维素则由阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖和甘露聚糖等多糖组成。玉米、豆粕、菜籽粕、小麦等常用植物性饲料原料细胞壁中NSP含量均较高。阿拉伯木聚糖酶、β-葡聚糖酶、甘露聚糖酶、纤维素酶和果胶酶可使细胞壁中NSP中的阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖、甘露聚糖、纤维素和果胶全部或部分的降解成一些小分子的片断，使细胞壁NSP、木质素、蛋白质、脂类物质和矿物质组成的复杂交联结构受到破坏，促进细胞壁崩解，使细胞壁包裹的各种营养物质充分释放出来，提高各种养分的消化率。
此外，细胞壁破碎后，其中的一些营养物质也可被畜禽利用。例如，豆粕细胞壁中的蛋白质和阿拉伯木聚糖之间的化学键很牢固，很难被消化，加入木聚糖酶后这一部分蛋白质就可得到消化和利用。
1.3 、消除SNSP对内源性消化酶的抑制作用
SNSP可抑制一些内源性消化酶的活性，因而降低养分消化率（Ikeda等，1983）。Choct (1995)报道SNSP含量高的低能小麦降低了肉仔鸡消化道食糜中淀粉酶的活性。刘强 （1999）、孙哲（2000）、于旭华（2000）分别报道了SNSP可抑制消化道中淀粉酶、二糖酶 和脂肪酶的活性。麦类日粮中加入NSP酶，降解SNSP，SNSP对消化道中上述内源性消化酶的抑制作用即可得到消除。
1.4 、减少畜禽后肠道有害微生物的数量
由于单胃动物消化系统不分泌NSP酶，日粮中的SNSP在肠道前段不被消化。SNSP进入小肠后段，为后段厌氧有害微生物增殖发酵提供碳源。如产生大量生孢梭菌，其中某些生孢梭菌产生毒素，抑制畜禽生长。添加NSP 酶，使SNSP在小肠前段被降解，从而阻断SNSP进入小肠后段，抑制后段有害微生物繁衍，减少后段有害微生物的数量，减少仔鸡下痢、仔猪腹泻等畜禽肠道疾病，提高畜禽的生产性能。此外，添加NSP酶使SNSP水解，减少畜禽饮水量和粪便含水量，减少畜禽粘性粪便和泄殖腔污染，降低蛋鸡脏蛋率。同时降低空气中氨和硫化氢的浓度，降低垫料湿度，保持地面干燥，改善饲养环境卫生，增进畜禽健康，提高畜禽的成活率（Choct,1996）。
1.5 、提高畜禽体内代谢激素水平
在大麦日粮添加粗酶制剂（主要含有β-葡聚糖酶等NSP酶）饲喂肉鸡，血液中T3、生长激素（GH）、促甲状腺激素（TSH）、胰岛素（Ins）水平、T 3/T4值、日增重和饲料转化率显著比对照组提高，在大麦日粮中添加粗酶制剂饲喂鹅，T3、GH、TSH、Ins和胰岛素样生长因子（IGF-I）水平显著比对照组提高（韩正康，1996）。粗酶制剂使家禽的T3、GH、TSH、IGF-I等代谢激素水平升高，说明酶具有促生长作用。酶作用于日粮中的碳水化合物，可能改变其结构，产生一些对机体具有调节作用的活性物质，从而增进某些代谢激素的活性。T3是家禽机体内主要的代谢激素，与GH有密切的关系，T 3水平的提高，表明机体代谢水平的提高。GH作用于肝脏产生IGF-I，IGF-I是哺乳动物和禽类的生长调控因子，刺激细胞对氨基酸的利用，促进蛋白质的合成，抑制蛋白质的分解，促进生长，从而提高畜禽的生产性能（艾晓杰，1996）。
1.6、增强免疫力
在肉鸡的大麦日粮中添加粗酶制剂，脾脏和法氏囊与体重以及成熟淋巴细胞数均比对照组提高，同时T淋巴细胞转换率显著提高，表明添加酶制剂可提高肉鸡的细胞免疫力（韩正康，1996）。添加NSP酶后，T3、GH等代谢激素水平提高，这些代谢激素具有免疫调节因子的作用，从而加强机体免疫力（Kelley,1988）。畜禽日粮中蛋白质在酶制剂中蛋白酶的作用下，可能产生具有免疫活性的小肽，从而提高免疫力。NSP酶可使日粮中的NSP降解成一些寡聚糖，某些寡聚糖可防止致病菌在后肠道定植，减轻病原菌对机体的毒害，同时还参与免疫调节，增强畜禽的免疫力和健康水平（Martin,1994）。如甘露聚糖酶可将豆粕中的甘露聚糖降解成甘露寡糖，甘露寡糖和某些肠道致病细菌结合，从而减少畜禽肠道疾病，如仔猪腹泻等。木聚糖酶释放出的低分子量木寡糖具有抑制肠道有害微生物的作用，降低畜禽腹泻的发病率，进而有益于动物的健康。
1.7、消除抗营养因子
在植物性饲料中，特别是豆粕等饼粕类饲料中含有多种抗营养因子，如胰蛋白酶抑制因子、植物凝集素和α-半乳糖苷等。胰蛋白酶抑制因子和小肠液中胰蛋白酶结合，生成无活性的复合物，降低胰蛋白酶的活性，导致饲料蛋白质消化率下降。同时由于和胰蛋白酶结合，引起动物体内蛋白质内源性消耗，造成体内含硫氨基酸丢失，加剧豆粕中含硫氨基酸短缺引起的畜禽体内氨基酸代谢不平衡，导致生长受阻或停滞（Liener,1994）。植物凝集素在消化道中干扰营养物质的消化和吸收过程，和小肠壁上皮细胞表面的特定受体结合，损坏小肠壁刷状缘粘膜结构，干扰刷状缘粘膜分泌多种酶的功能，对肠道消化和吸收营养物质的能力产生严重的抑制作用，致使饲料养分利用率下降。植物凝集素也对动物的免疫系统产生不良影响，对肠道产生的免疫球蛋白A具有显著的拮抗作用。加热可破坏胰蛋白酶抑制因子和植物凝集素，但破坏不完全，市售豆粕中经常检出显著水平的胰蛋白酶抑制因子和植物凝集素。某些微生物蛋白酶，如枯草杆菌蛋白酶可降解胰蛋白酶抑制因子和植物凝集素，消除其抗营养作用，提高饲料蛋白质的消化率和利用率。
大豆中含有α-半乳糖苷，即使采取最适宜的加工工艺处理大豆，豆粕中仍然存在一定量的α-半乳糖苷。α-半乳糖苷增殖后肠道微生物，产生气体，导致能量损失，增加小肠内容物的渗透性，引起渗透性腹泻，增加食糜的通行速度，降低养分吸收。添加α-半乳糖苷酶使豆粕中的α-半乳糖苷水解，其抗营养作用即可消除（Vila等，1999）。
玉米含有支链淀粉，支链淀粉不但不被畜禽内源性淀粉酶所消化，还具有抗营养作用。添加支链淀粉酶可使玉米支链淀粉降解成糊精和寡糖等小分子糖类，而被动物所吸收利用，同时其抗营养作用也得以消除。加入支链淀粉酶还可降解在饲料加工中形成的结晶化淀粉，提高淀粉的消化率（Annison, 1994）。
1.8、补充内源性消化酶的不足
单胃动物自身分泌淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等内源性消化酶。但幼禽幼畜消化机能尚未发育健全，淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶分泌量不足（Lindemann, 1986）。在幼禽幼兽日粮中添加外源性淀粉酶、蛋白酶等，不但能补充体内内源酶的不足，而且能激活内源酶的分泌，将淀粉分解成糊精、麦芽糖、果糖和葡萄糖，蛋白质分解成多肽、寡肽和氨基酸等，因而有利于畜禽对淀粉和蛋白质的消化分解和吸收利用。外源性脂肪酶可提高饲料中的脂肪消化率，特别是可显著提高米糠中的脂肪消化率，因而可提高米糠的表观代谢能值和饲料转化率（Moughan, 1996）。
2、植酸酶的作用机制
所有植物性饲料资源都含有1%~5%的植酸盐。这些植酸盐又含有占饲料总含磷量60%~80%的磷。植酸盐非常稳定，由于单胃动物自身不分泌能分解植酸盐的植酸酶，故植酸盐中的磷基本上不能被单胃动物所利用。添加植酸酶催化植酸盐的水解反应，使其中的磷以磷酸根的形式游离出来，从而被单胃动物所吸收利用。添加植酸酶提高日粮中植酸磷利用率20%~50%，降低排泄物中磷含量20%~50%，减轻集约化养殖场排泄物中磷对环境的污染（Leslie, 1996）。 添加植酸酶后，植酸盐中被螯合的Ca、Zn、Cu、Fe等矿物元素和微量元素被释放出来，利用率提高9%~13%。同时，和植酸盐结合的蛋白质、氨基酸也被释放出来，提高饲料蛋白质的利用率。
三、 饲用酶制剂的应用
饲用酶制剂多酶系统的设计技术，应用饲用酶制剂的基本目的有：补充动物内源性消化酶的不足和消除饲料中的抗营养因子，不同种类、日龄和生理状态下的畜禽消化酶的分泌情况存在着明显的差异性，日粮中抗营养因子的种类和存在的状态等也因日粮类型的差别而发生变化，因而使得饲用酶制剂的使用显得十分复杂。
1、根据饲料的特异性设计酶配方的原则
1.1 玉米-豆粕型日粮-我国常规日粮。主要抗营养因子有植酸盐、木聚糖、果胶，乙型甘露聚糖等，针对此类型日粮的主要酶种为植酸酶、木聚糖酶，果胶酶和甘露聚糖酶等。
1.2 小麦、大麦、米糖含量高的日粮，它们会造成动物肠道极高的粘度，严重影响消化吸收，小麦粘度的主要来源为木聚糖，应以木聚糖酶为主要酶种；大麦粘度的主要来源为β-葡聚糖和木聚糖，应以β-葡聚糖酶和木聚糖酶两者兼顾。
1.3 高纤维日粮，指稻谷粉、糟渣、麸皮含量较高的日粮，其主要的抗营养因子是纤维素，自然纤维素酶应为其主要酶种。但天然纤维素结构致密，具有结晶区、非结晶区，尤其结晶区几乎不可能酶解降解。所以纤维素酶不能定位于分解纤维素提供能量，而应定位于摧毁或部分摧毁植物性原料的细胞壁，有助于胞内营养物质的释放及与消化酶的接触；同时注意纤维素酶与其它酶种的配合。
1.4 杂饼、粕日粮，指棉、菜籽饼粕，葵籽粕等含量较高的日粮。主要抗营养因子为粗纤维、果胶、乙型甘露聚糖，相应的最主要酶种为纤维素酶、果胶酶、乙型甘露聚糖酶等。
总之，多酶系统设计时，日粮针对性是非常突出的；同时可见，适合目前我国常规日粮的消除抗营养因子之最适酶种为：木聚糖酶、果胶酶、乙型甘露聚糖酶，且主要是针对肠道粘度下降等，β-葡聚糖酶并不重要。应该特别注意，大多数饲料原料中都含有较高的植酸盐，因此在设计复合酶配方时应重点考虑植酸酶及其与其他酶的协同作用。
2、 根据畜禽的特异性来设计酶配方的原则
目前的饲料酶绝大部分是加入饲料中在动物消化道内发挥作用的，所以酶配方的设计必须适应动物消化道的特点，并注意动物的种类、生长期的不同，消化生理的差别。
2.1 根据畜禽消化道生理条件来选择饲料酶种
猪与禽消化道通常温度在38-40℃左右，胃pH 1.5-3.5，小肠pH 5-7，大肠接近中性；畜禽消化道各段的消化功能，胃主要消化蛋白质、淀粉，小肠则是蛋白、淀粉、脂肪的主要消化吸收集中地，大肠对粗纤维可以起酵解作用。所以胃和小肠应视为饲料酶主要发生作用的场所，也就是要以胃和小肠的条件来筛选饲料酶种。据此，饲料酶种其最适作用温度应在38-40℃的为好，最适pH值在5-7的可让它在小肠中发挥作用（这类酶种需考虑pH保护即定点释放的问题），最适pH值在3-4的可让它在胃内发挥作用，如酸性蛋白酶。
2.2 猪、禽、反刍动物、水产动物所用的复合酶配方应有差别
一般来说，猪的消化道比禽的长、组成、结构、消化腺、食糜环境以及食糜的停留时间等都差别很大。例如猪进食后18-24hr开始排出粪便，约维持12小时才能排完；相比之下，禽类消化时间短，2-3小时内即可排便，消化吸收相对不彻底，所以禽类饲料酶活水平或添加的比例要大于猪。反刍动物由于其瘤胃内微生物的发酵作用，添加酶制剂显得没有单胃动物作用明显，但应该考虑应该以纤维素酶为主要的酶种；水产类适用的酶制剂应考率最佳酶活的PH值在中性和偏碱性的酶种，比如中性蛋白酶、淀粉酶，而且应该是高酶活、高剂量，以适应鱼类消化道短的生理特点。
2.3 针对不同日龄动物设计酶配方
通常情况下，幼年动物消化系统发育不完善，各类消化酶分泌不足，成年动物应激状态可大大减少其消化酶的分泌量，老龄蛋鸡消化腺退化，针对这些阶段的动物复合酶，应以补充消化酶为主。而成年正常动物，消化酶充足，但日粮营养水平较低，抗营养因子含量较高，其适用的复合酶应以消除抗营养因子的非消化酶为主。等等。
总之，饲料复合酶的设计，既要考虑日粮的特异性和多样性，又要考虑不同动物消化生理的特点，同时又要结合不同酶制剂自身的酶学特点，才能得到科学合理的酶制剂配方。这方面的研究必将成为动物营养学领域内的一个热点。