机会和挑战——酶制剂对单胃动物性能的改善

郭青海（尤特尔生化有限公司）



机会和挑战
——酶制剂对单胃动物性能的改善

郭青海（尤特尔生化有限公司）

2006年毕业于美国普渡大学动物科学系，获动物科学博士学位。在美期间参与多项肉品项目研究，2002年获得美国阿肯色大学“食品有害物分析和关键点控制技术”资格证书，被授权从事动物生产和肉品生产程序的制定和监控，并获得国际有害物分析和关键点控制技术联合会认证。回国后曾在奥特奇公司、新华扬集团、诺伟司国际贸易公司等企业担任技术总监等职务，承担国家“七五”、“八五”、“九五”黄土高原科技攻关项目，任畜牧业发展子项目负责人，实践经验丰富，现任尤特尔生化有限公司饲料酶技术服务总监，负责海内外饲料酶技术服务、产品应用方案和项目规划。

就国内来说，从2000年左右开始，大规模使用酶制剂已有十几年的时间，在此过程中饲料和养殖企业遇到了许多问题。今天我在此介绍在酶制剂使用过程中遇到的一些问题和挑战。

1　概述

图1　木聚糖酶系

就目前而言，全球饲用酶销售5.5亿美元（约合33亿人民币），节省饲料成本30亿～50亿美元（180亿～300亿人民币），主要使用区域为中国、欧盟和美洲三大地区。其中中国酶制剂的使用在10亿人民币左右，美国和欧盟基本相等。从酶制剂的种类来说，美国主要以植酸酶为主，中国和欧盟还使用非淀粉多糖酶（NSP酶）等。总体来说，目前植酸酶占60 %，而非植酸酶占40 %。具体来说市场酶制剂主要由一些内源性和外源性酶，如纤维素酶、木聚糖酶、葡聚糖酶、果胶酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶构成。而国内市场酶制剂主要以各种NSP酶以及部分内源性酶等复合酶为主。

1.1碳水化合物水解酶

有些多聚糖类无法被机体天然产生的酶类水解，主要为木聚糖和葡聚糖。其中全球80 %的碳水化合物降解酶类是木聚糖酶（内切-1，4-β-木聚糖酶）和葡聚糖酶［内切-1，3（4）-β-葡聚糖酶］，此外还有纤维素酶。

1.1.1木聚糖酶系（图1）

木聚糖酶系主要用于降解木聚糖。木聚糖是木糖以β-1和β-4连接构成糖苷形成的长链聚糖。有些部位连接了一些阿拉伯糖和α-葡萄糖苷等作为侧链。目前，国内木聚糖酶主要以内切1，4-β-木聚糖酶为主。尤特尔公司正在开发新的酶系，以便在降解主链的基础上将侧链的阿拉伯呋喃糖苷释放出来加以利用。未来还将开发乙酰基木聚糖酶和α-葡萄糖醛酸酶等，从而进一步提高对饲料中植物细胞壁的利用率。

1.1.2葡聚糖酶系

不同来源的葡聚糖存在形式不同，主要包括细菌的多缩葡萄糖（由α-1，6键的主链上支出α-1，4和α-1，6键的侧链）、褐藻类的海带多糖（Lami-narin，主要以β-1，3键）、地衣类的木聚糖（β-1，4和β-1，3键）、高等植物的纤维素（β-1，4结合）、直链淀粉（α-1，4键）、支链淀粉（由α-1，4键的主链上支出α-1，6键的侧链）、动物的糖原等。饲料中的葡聚糖主要以β-1，3/1，4-葡聚糖形式存在，可以提升肠道黏度，影响营养物质的吸收。

葡聚糖酶不能等同于纤维素酶。葡聚糖酶作用底物有多种：β-1，3-糖苷键、β-1，4-糖苷键、β-1，6-糖苷键等。而纤维素酶不是单一的酶，主要有三个组分，作用的底物仅仅是β-1，4键。内切葡聚糖酶（Endoglucanases，EG）作用于纤维素纤维内部的非结晶区，随机水解β-1，4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素，外切葡聚糖酶（Cellobiohydrolases，CBH）从纤维素链的末端作用，每次切下一个纤维二糖单元。β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase，BG）将上述两种酶水解产生的纤维二糖和短链的纤维寡糖进一步分解为葡萄糖。纤维素的完全降解需要这三种酶的协同作用。以往认为植物秸秆无法被动物利用，主要是由于纤维素酶降解效率不高，无法把纤维素降解成葡萄糖。随着生物技术的飞速发展，在汽油中添加的生物乙醇是由谷物发酵而来，被视为第一代生物能源，而第二代生物能源是通过将秸秆降解为葡萄糖，进而发酵成乙醇。目前，生物技术已经可以通过增加关键的β-葡萄糖苷酶实现该过程。该成果的利用将提升对纤维素的利用率，大大降低饲料成本。

将碳水化合物水解酶按照重要性排序：木聚糖酶＞葡聚糖酶＞纤维素酶＞α-淀粉酶＞甘露聚糖酶＞α-半乳糖苷酶＞果胶酶。而碳水化合物水解酶和植酸酶占到饲用酶的90 %。同时蛋白酶、脂肪酶、溶菌酶、漆酶（氧化酶）也逐渐受到重视。近几年己糖氧化酶（葡萄糖氧化酶）逐渐受到重视。葡萄糖氧化酶的催化反应过程中可以生成过氧化氢，同时消耗大量的氧气，能够起到杀菌的作用。过氧化氢具有高效的杀菌能力，可以抑制霉菌的生长，降低霉菌毒素的含量，同时低氧环境可减少饲料的营养损失。催化葡萄糖生成葡萄糖酸，可以作为胃肠道中的酸化剂，为厌氧有益菌的生长创造有利环境。

1.2植酸酶

分解植酸（又称肌酸6磷酸、环己六醇磷酸酯）的酶——植酸酶属于水解酶类，市场上的植酸酶主要为3-植酸酶和6-植酸酶。目前，即使添加植酸酶也难以全部释放6个磷酸，最多只能释放50 %的磷，换言之有一半的磷难以被降解释放，2位磷酸很难被水解。3-植酸酶由霉菌、酵母和细菌产生，它耐酸、耐高温、性能稳定；6-植酸酶存在于植物籽，稳定性差。3-植酸酶在pH 2.5和5.5有两个作用高峰，而6-植酸酶仅有pH 5.5一个高峰。因此，6-植酸酶的利用效果只有3-植酸酶的50 %。

2　NSP酶对动物生长性能的影响

2.1NSP酶对猪生长性能的影响

近10年的研究发现，在猪饲料中添加NSP酶有时对生长-育肥猪的增重并没有显著影响。众多实验中约一半的猪有明显的添加效果，而另一半无影响。这与猪个体、养殖环境、仔猪生长的限制因素（肠道发育不全、营养摄入少、饲料含有抗营养因子）、动物日龄、营养水平等众多因素有关，其中在NSP含量高的日粮中表现良好。

2.2NSP酶对家禽和鱼性能的影响

NSP酶在家禽方面的添加效果比较明显。Mathlouthi等（2002）研究了在黑麦和玉米基础日粮中添加复合酶（木聚糖酶、纤维素酶和葡聚糖酶）对肉鸡性能的影响。结果表明，在未添加酶时采用黑麦基础日粮的肉鸡生产性能比饲喂玉米基础日粮的肉鸡生长性能下降43 %，添加木聚糖和葡聚糖（分别为560 IU和2 800 IU）后，黑麦基础日粮组肉鸡的生长性能基本与玉米基础日粮组的肉鸡一致。

研究发现，NSP酶使用的效果与肉鸡日粮的营养浓度有关，营养浓度越低，抗营养的效果越容易显现，酶制剂作用的效果更加明显。非淀粉多糖酶能改善青年产蛋母鸡的生长性能，明显改善鸡蛋质量，减少脏蛋率，提高蛋壳质量；添加到麦类基础日粮中，对火鸡的生长性格提高明显；肉鸭对麦类饲料原料反应敏感，尤其是高黏度的小麦；鱼类饲料含有很高的蛋白，NSP酶可提高营养物质的消化率，减少营养物排泄，但生长性能改善不明显。

2.3NSP含量与生长猪的氨基酸利用率

Nortey在2008年的一项实验中，利用不同小麦次粉中非淀粉多糖的含量不同，将其用在不同实验组的饲料中，添加NSP酶，测定该酶对猪氨基酸利用率的影响。发现NSP含量越高，氨基酸的改善程度越大。

图2　非淀粉多糖与肠道健康的关系

2.4复合酶对妊娠和泌乳母猪回肠及肠道消化率的影响

研究探索复合酶对妊娠母猪和泌乳母猪肠道消化率的影响，发现复合酶对泌乳母猪的作用更为明显（表1）。我们在菲律宾进行的实验也发现，对于所有阶段的母猪而言，添加复合酶均有改善效果，不仅表现在能量的改善、饲料利用率的提高上，还能改善母猪的便秘情况。

需要重点指出的是：日粮添加NSP酶对营养物质消化率的提高并不意味着能够明显改善动物的生长性能。

2.4.1复合酶及所含酶之间的互作

酶制剂之间的相互作用（加性效应、协同效应和拮抗效应）已经被广泛证实，因此，酶制剂的添加种类和量并不是多多益善。有时添加多种酶制剂的效果远小于两者之和。酶类的溶解性不同，分可溶性和不可溶性，需要同时具有降解不可溶性和可溶性底物的酶。

2.5NSP酶的作用模式

单胃动物为何要使用NSP酶？因为单胃动物的饲料中含有大量NSP，它会阻碍消化酶的作用。因此，添加NSP酶可以减少NSP在肠道中的数量，降低聚糖的聚合度，从而降低肠道黏度。

2.5.1非淀粉多糖酶对能量利用的影响

纤维素酶、木聚糖酶和葡聚糖酶可提高回肠的单糖和寡糖数量、增加挥发性脂肪酸的产生、提高营养物质在肠道前端的消化和吸收、降低肠道微生物对营养物质的竞争性吸收、减少肠道后端的发酵损失。而家禽对肠道黏度的反应比猪更加明显，对肠道黏度的降低要比能量降低明显。

2.5.2提高淀粉和脂肪的消化

NSP酶对脂肪的改善尤其重要，因为NSP会增加胆酸盐的水解，会降低脂肪的利用效率。在用黑麦替代玉米的肉鸡试验中，肉鸡的表观代谢能和蛋白及其脂肪的消化率都下降。因为会造成胆酸的解离和小肠壁的肥大，日粮中添加木聚糖酶和葡聚糖酶可以降低胆酸盐的水解程度。

2.5.3断奶仔猪粪便中溶血性大肠杆菌的比例

McDonald的研究（2001）发现，纤维素的添加会影响断奶仔猪肠道中溶血性大肠杆菌的含量，从而威胁动物健康；同时还会影响肠道不同位点大肠杆菌的比例。就其机理，非淀粉多糖酶与肠道健康的关系见图2。

2.5.4油脂与非淀粉多糖酶

油脂具有能量补充作用，并有助于制粒，补充必需脂肪酸，还是一些脂溶性维生素的溶剂。非淀粉多糖酶能够促进营养物质的释放，减少饲料中油脂的使用。另一方面，脂肪酶也能够通过提高油脂利用率来减少脂肪的使用量。有趣的是，低油脂含量可降低氨基酸的消化率。研究还发现，生长育肥猪日粮中添加木聚糖酶有利于改善猪舍的空气质量。

3　总结

现有证据表明，现有饲用酶的作用效果仍依赖于日粮所含NSP的量，而NSP的组分和浓度决定着饲用酶的使用效果。酶谱种类、酶活高低、添加量都会影响饲用酶的使用效果。如何提高NSP酶作用效果的一致性是未来酶制剂的挑战。□□