生物酶在养殖业应用技术

      酶是一类具有生物催化活性的蛋白质, 是一种生物催化剂。一切生物的新陈代谢都是在酶的作用下进行的。目前已知，参与生物代谢的酶已达数千种，作为饲料添加剂的主要是助消化的水解酶，品种约20-30种。其中，应用量最大的有非淀粉多糖酶（包括纤维素酶、葡聚糖酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖苷酶和果胶酶）、植酸酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶五类。

         1）降低消化道食糜黏度，提高营养物质消化吸收率。构成植物细胞壁的非淀粉多糖类物质，能够结合大量的水，增加消化道食糜的黏度，使营养物质和内源消化酶不能充分接触，降低了蛋白质、淀粉等营养物质的消化利用率。饲料中添加酶制剂，可以破坏食糜周围的水化膜，增加食糜与酶及小肠的接触面，提高营养物质的消化吸收率。

         2）提高植酸磷的利用率。大多数植物饲料及谷物中60%~80%的磷以植酸磷的形式存在，由于水产动物消化系统缺乏内源性植酸酶，无法利用饲料中植酸结合态磷，致使无效磷排入水体引起污染，而植酸酶的使用，可将植酸结合态磷转化为有效磷供动物机体使用，从而提高饲料中磷的利用率，减少粪磷对水环境的污染。

        3）消除抗营养因子。饲料中抗营养因子广泛存在于各种饲料原料中，他们直接或间接地影响营养物质的消化吸收和代谢作用，而酶制剂可部分或全部消除这些抗营养因子的不良影响。

        4）补充内源酶的不足，激活内源酶的分泌。幼年动物或处于病态等应激状态的动物分泌酶的能力较弱，饲料中适当地添加蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶，可补充内源酶的不足，提高饲料利用率，此外还可促进内源酶的分泌。

       1）饲料资源的合理利用与开发的需要。饲料结构和组成的复杂性及动物内源消化酶的不足或缺乏导致常规饲料的利用率低和非常规饲料的不能利用，只有使用酶制剂才能有效地解决这一问题。

        2）动物由于生理（如幼龄、老年、高产）或病理（如应激、疾病）因素的影响使体内缺乏某些酶（如单胃动物的纤维素分解酶、植酸酶）或消化酶分泌不足，只有借助外源酶才能提高动物对饲料的消化利用率，以利于动物的健康和生产成绩。

       3）生态畜牧业的需要。应用酶制剂可明显提高动物对饲料养分的利用率，大大降低有机质、氮、磷等物质的排泄量，减少对环境的污染。

       4）酶制剂是一种最安全的饲料添加剂。与抗生素比较，酶制剂对动物无任何毒副作用，不影响动物产品的品质，被称为“天然”或“绿色”饲料添加剂。

        饲料酶制剂一般来源于微生物，由曲霉、黑曲霉、枯草杆菌等微生物发酵培养而来。目前饲用酶制剂通过微生物发酵法生产的工艺一般是：

        1）菌株选育；筛选取具有分泌所需要酶的微生物菌株，如木霉分泌纤维素酶、木聚糖酶、β－葡聚糖酶等；曲霉分泌α－淀粉酶、蛋白酶、植酸酶等。并可通过诱变或基因重组技术选育高产菌株。基因重组技术将编码特定酶的DNA(CDNA)分离，体外构成高效表达载体，然后转移到能以较低成本、大规模发酵生产的微生物内，从而表达出高水平的酶来。

        2）发酵培养：通过培养基成分和培养条件的变化，可调整分泌酶的活性。

        3）酶的提取：包括发酵液过滤、酶液浓缩、盐析或有机溶剂沉淀、干燥、粉碎、载体吸附、稀释分装等。发酵法生产的酶制剂产品本身含有多种酶活性，故为复合酶制剂。

       4）在发酵法生产的酶制剂产品的基础上增加一些其它的有用酶成分，又形成一种新的复合酶制剂。国外有人称复合酶制剂为酶的“鸡尾酒”。

     按产品组成可分为：单一酶制剂和复合酶制剂；

     按消化生理分类可分为：

     1）内源酶制剂：如与消化道分泌的消化酶相似的酶，可直接消化水解饲料的营养成分（如蛋白酶，脂肪酶和淀粉酶）

     2）外源酶制剂：消化道不能分泌的酶，如纤维素酶，β-葡聚糖酶和植酸酶等。外源性酶不直接消化水解大分子的营养物质，而是分解或水解饲料中的抗营养因子，间接促进了营养物质的消化利用，提高营养消化率。

         公认的最具有应用价值的单一酶制剂基本上分为五类：

        1）非淀粉多糖酶，其中包括：纤维素酶（cellulase）、木聚糖酶（xylanase）、β－葡聚糖酶（β－glucanase）、甘露聚糖酶（mannase），α－半乳糖苷酶（α－galactosidase）,果胶酶（pentinase）等。

        2）植酸酶（phytase），能降解饲料中植酸及其盐，消除其抗营养作用。

        3）淀粉酶（amylase）：是能够降解淀粉糖苷键的一类酶的总称，包括α－淀粉酶、β－淀粉酶等。

        4）蛋白酶（protease），是能够降解蛋白质肽键的酶的总称，有酸性、中性和碱性之分。

        5）脂肪酶（lipase），是能够降解脂肪酯键的酶。

       木聚糖酶是可将木聚糖降解成低聚糖和木糖的总称，是一类酶复合酶系。

       木聚糖酶的作用底物是木聚糖。

       木聚糖分子的完全酶解需要几步酶促反应，作用于主链的有两种酶：β-1，4-木聚糖酶和β-木糖苷酶。一般而言，前者从主链内部作用于木糖苷键，将木聚糖分解成低聚糖，而后者则作用于低聚木糖的末端，释放出木糖。由于木聚糖是杂合多聚分子，它带有许多不同取代基的支链，因此将它彻底水解还需要一些特异性酶的作用。主要有：乙酰酯酶、a－L－阿拉伯糖酶、a－葡糖醛酸酶等。

        木聚糖酶分为外切型和内切型，从本质上讲，无论何种菌株发酵所产生的木聚糖酶都有外切酶和内切酶活性，只是活性高低不同而已。不同来源的木聚糖酶在内、外切酶活性比例上存在很大差异。

内切β－1，4木聚糖酶可将木糖聚合物分解成短链。这一内切酶活性会很快将食糜黏性降低并释放被包裹的营养物质。因此，这种酶是消除阿拉伯木聚糖抗营养作用最重要的酶。外切木聚糖酶只能在木聚糖的末端发挥作用，对降低黏性作用弱。

由于内切木聚糖酶和外切木聚糖酶在作用方式上的不同，所以，建立以内切木聚糖酶为主，外切木聚糖酶为辅的木聚糖酶谱是最合适的。

       1）降低胃肠道食糜的粘性：因为NSP能增加胃肠道食糜的粘性，小肠内高粘度的食物阻止了消化酶和底物相互接触的机会，同时已消化养分向肠粘膜扩散速度减慢，从而阻碍了营养成分的消化吸收。木聚糖酶能有效降解木聚糖，使肠内食物的黏度降低，发挥促进生长和提高饲料转化效率的作用。

       2）破坏细胞壁结构： 谷物的细胞壁主要由阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖等非淀粉多糖组成，这些多糖影响整个日粮的消化利用，从而降低畜禽的生产性能。木聚糖酶可以分解木聚糖，破坏细胞壁结构，使细胞壁中的养分释放出来，从而提高饲料养分的消化和吸收。

      3）提高内源性消化酶的活性：因为木聚糖可与消化酶直接络合，从而降低各种消化酶的活性。在饲料中添加木聚糖酶制剂，能提高内源性消化酶的活性，促进养分的消化吸收。

     4）降低肠道内微生物数量，减少疾病，利于健康：肠道黏度增加导致营养物质在肠道内蓄积，形成富含养分的食糜，使微生物在这里发酵，损害肠道黏膜正常形态与功能。对于家禽，湿润的粪便易黏附在泄殖腔周围，污染禽及禽蛋，并提供微生物发酵的场所。从而产生大最的氨气。并可促使真菌孢子繁殖，不利家禽的健康。然而，木聚糖酶能降低胃肠道食糜的粘性，增加消化酶和底物的扩散速度，降低了食糜在肠道内的发酵，抑制了厌氧微生物菌落的生长。有研究表明，木聚糖酶能降低回肠和结肠中致病性大肠杆菌的数量。小麦饲粮或黑麦饲粮中添加木聚糖酶制剂可以降低畜禽胃肠道中细菌数，减少后肠病原菌可利用的营养物质，降低了腹泻的发病率。

         β－葡聚糖酶是一类分解β－葡聚糖的酶，它主要分解大麦等麦类中以β－1，3和β－1，4混合键连接的β－葡聚糖。与木聚糖酶类似，要消除β－葡聚糖的黏性效应，就要把其长链水解成较短的短链。最有效的方法是使用内切β－葡聚糖酶。

          纤维素酶是由多种水解酶组成的一个复杂酶系，主要来自于真菌和细菌。根据其中各酶功能的差异，被分为以下三大类：

         1）葡聚糖内切酶，这类酶一般作用于纤维素内部的非结晶区，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。

        2）葡聚糖外切酶，这类酶作用于纤维素线状分子末端，水解β– 1 .4 - 糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子，故又称为纤维二糖水解酶（cellobiohydrolase）。

       3）β - 葡聚糖苷酶，这类酶一般将纤维二糖水解成葡萄糖分子。

纤维素酶作为饲料添加剂，在动物体内的主要营养作用有：（1）补充动物内源酶。在草食动物中虽有一定量纤维素微生物存在，但产生的纤维素酶量有限，使粗纤维的消化和吸收受到一定程度的限制。添加纤维素酶可提高动物对粗纤维的利用率，同时可改善单胃动物消化道环境，使酸度增加，激活胃蛋白酶；（2）消除抗营养因子，促进养分的消化吸收。纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶的协同作用，可破坏植物细胞壁,使细胞内容物溶解出来，由淀粉酶和蛋白酶进一步降解，提高了养分的消化，同时也增加了非淀粉多糖的消化率和饲料原料的利用率；（3）提高粗蛋白和粗脂肪的消化以及与细胞壁结合的矿物质的吸收。（4）提高小肠绒毛的完整性，促进小肠对营养物质的吸收率。

果胶酶含有酯酶、水解酶和裂解酶三种成分，分别对果胶质起解酯、水解、裂解作用，生成半乳糖醛酸和寡聚半乳糖醛酸、不饱和半乳糖醛酸和寡聚半乳糖醛等，最终破坏植物细胞壁结构，释放营养物质。

植酸的化学名称是肌醇六磷酸酯，是肌醇和磷酸根结合而成的化合物，其化学结构是由六个碳原子构成的正六边形，每个碳原子上连有一个带负电的磷酸根，具很强的螯合能力，与EDTA接近。植酸的分子式为C₆H₁₈O₂₄P₆，含磷量为281.6mg/g。其结构见下图：

  商品猪鸡日粮中的主要饲料原料是植物籽实（谷实类）或者籽实产品（油料籽粕和谷物副产品）。这些原料中大部分（60%~80%）的磷以植酸磷形式存在（表1）。植酸是所有种子的必要组成部分，种子在成熟期会迅速沉积植酸。典型的玉米-豆粕型家禽日粮中植酸含量达0.8%-0.9%，其中植酸磷0.22-0.25%,猪饲料中含有0.7%以上植酸,其中植酸磷0.25-0.40%。如果日粮中有麸皮及棉粕、菜粕等杂粕时，植酸的含量将更高。

饲料原料	总磷（%）	植酸磷比例（%）	总磷利用率（%）
玉米	0.28	71.4	28
小麦	0.37	64.9	35
米糠	1.5	85.3	15
麦麸	1.15	82.6	17
棉籽粕	0.97	77.3	23
菜籽粕	1.17	74.4	21
大豆粕	0.62	64.5	35

    植酸只对单胃动物如：猪、鸡、鸭、火鸡、鹌鹑、鱼等有害。集中在三个方面：一是使磷和其他微量元素（钙、锌、锰、镁、铜、碘等）的可利用率大为降低；二是同蛋白质、淀粉等结合形成不溶解的络合物，导致饲料的消化率降低（NRC，1993）；最后是与动物体内消化酶结合，使消化率下降。所以植酸被列入有害因子。

    由于植酸只能被功能专一的植酸酶水解，而单胃动物消化道内几乎没有可以发挥作用的植酸酶，所以进食的植酸无法被水解，植酸磷同粪便一道排除体外无法被利用。

    植酸酶是一个由蛋白质组成的酶。是一个具有催化植酸水解功能的生物催化剂。水解产物是肌醇、无机磷及其他可能与植酸结合的物质，如钙、锌、镁、锰等微量元素以及蛋白质、淀粉。

    从宏观上讲，磷是畜牧业污染环境的主要污染源之一，造成地表水（河流，湖泊）和地下水的磷富营养化污染。对于养殖密度很高的地区和集约化养殖地区，特别是严重缺水的大城市及周边地区最为突出。来自排泄物中的磷远远超出了土壤的接受能力。由于饲料中的总磷的利用率最高不过30%，添加植酸酶后，能将总磷的利用率提高到60%左右。使磷的排泄量至少降低30%以上，从而保护了环境。

    另一方面，磷是动物必须的代谢物质而不是畜产品中主要的沉积物质。动物一生不断进食磷，又将绝大多数重新排出体外。可以这么说，我们往往从遥远的地方源源不断将大量的磷酸氢钙运输到养殖地区，只是经过动物体再排放出来。植酸酶能极大程度上扭转这个局面。因此，保护了环境。

    植酸酶降低饲料成本的原因有三个方面：植酸酶可以定量地替代无机磷饲料。在没有植酸酶的情况下，必须添加磷酸氢钙等无机磷饲料，而磷的价格很高；植酸酶同时提高了饲料中多种养分的消化率，增加了可利用养分的数量；最后由于植酸酶是浓度很高的催化剂，很小的添加量就替换出几十倍至百倍以上的磷酸氢钙，为饲料配方设计节省出了宝贵的空间，使成本进一步下降。

单胃动物自身分泌淀粉酶和蛋白酶，但幼禽幼畜消化机能尚未健全，淀粉酶、蛋白酶分泌量不足（Lindemann,1986），在其日粮中添加外源淀粉酶、蛋白酶，不但能补充体内内源酶的不足，而且能激活内源酶的分泌，因而有利于畜禽这一阶段对淀粉和蛋白质的消化分解和吸收利用。据最近研究，加入支链淀粉酶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。日粮中添加外源淀粉酶、蛋白酶，可加快十二指肠和回肠前部对淀粉、蛋白质的消化吸收，从而减少肠道微生物对营养物质的消耗。脂肪酶可提高饲料中的脂肪消化率，特别可显著提高米糠中的脂肪消化率，因而可明显提高米糠的AME值和饲料转化率。

复合酶制剂由一种或几种单一酶制剂为主体，加上其它单一酶制剂混合而成，或由一种或几种微生物共同发酵获得。复合酶制剂可利用各种酶的协同作用降解饲料，最大限度地提高饲料中能量、蛋白质等营养物质的利用率。目前，饲用酶制剂由于其不同的功能特点，由以下几类：

1）以蛋白酶、淀粉酶等消化酶为主的饲用复合酶。此类酶制剂主要用于补充动物内源酶的不足。

2）以木聚糖酶或β－葡聚糖酶或甘露聚糖酶为主的饲用复合酶，此类酶制剂主要用于玉米豆粕型等常规日粮或以麦类作物为饲料的非常规日粮。

3）以纤维素酶、果胶酶为主的饲用复合酶，此类酶主要作用破坏植物细胞壁，使细胞中的营养物质释放出来，供进一步消化吸收。

复合酶可以提高饲料营养价值，改善饲养效果的主要原因并非是NSP被大量水解成动物可利用的单糖而提高了饲料的营养价值，而是因为复合酶作用于饲料原料时，首先破坏植物细胞壁的胞间层，植物细胞壁结构被破坏，细胞内容物裸露并释放被包裹的蛋白和淀粉等营养物质，与动物内源消化酶接触并被降解，同时改变了肠道黏性，减少了食糜粘度对养分利用及吸收所带来的负面影响。

由于配合饲料是由多种原料组成，各种原料的化学结构和物理结构各不相同，而且影响畜禽配合饲料消化吸收的因素是多方面的，所以单一酶的作用十分有限，为提高饲料营养价值和禽畜的消化能力，充分利用各种酶的协同作用，发挥其综合效应，将多种单一酶按一定比例科学地制成复合酶是十分必要的，它们在降解饲料时起协同作用，使各种高分子营养成分都得以充分降解。