飼用酶制劑發展概述

齊德生

1 酶制劑概況

酶制劑是指從生物（包括動物、植物、微生物）中提取的具有酶特性的一類物質，主要應用于釀酒、洗滌劑、皮革、紡織飼料等行業。在改進食品加工方法、提高動物生產性能、減少環境污染方面發揮巨大作用。

通常，酶制劑是一種復合物，含有一種或多種成分以及稀釋劑、穩定劑、防腐劑、抗氧化劑和其他物質。不同來源的酶制劑，其組成可以是所用材料的整細胞、部分細胞或細胞提取液。劑型為固體、半固體或液體。顏色從無色至深棕色。

1884年，日本人高峰從米曲霉中提取出淀粉酶，用于治療消化不良，是人類首次有目的的生產和應用酶制劑。1911年，美國科學家從木瓜中提取木瓜蛋白酶，用于除去啤酒中的蛋白質混濁物，此后，酶制劑的應用逐步發展起來。1949年，液體深層發酵法成功地生產出細菌α-淀粉酶，揭開了近代酶工業的序幕。

至20世紀90年代，世界共有知名酶制劑企業70余家。但隨著行業優勝劣汰，一些大型酶制劑生產企業實施了一系列的收購、兼并和擴產等舉措，以擴大盈利規模、謀求持續發展。目前，諾維信和丹尼斯克的子公司杰能科占據全球市場約2/3的市場份額。

近年來，全球酶制劑行業的市場規模呈不斷增長的趨勢，其中亞太地區和中國近年來的增長速度尤為突出，保持在10%左右，成為世界酶制劑企業重點開拓的市場。

1.1 酶的概念

酶（enzyme）早期是指in yeast（在酵母中）的意思，又稱“酵素”（ferment）。19世紀中葉，法國科學家路易·巴斯德認為酵素這種活力物質只存在于生命體中，細胞破裂就會失去作用（Manchester，1995）。1878年，德國生理學家威廉·屈內首次提出了酶這一概念。隨著研究的深入，酶的概念不斷地完善，其生物組成成分和生物學功能也得到了進一步的鑒定。酶指催化特定化學反應的蛋白質、RNA、DNA或其復合體（Lilley，2005；吳詩光，2002）。

1.2 酶的功能特點

酶是生物催化劑，是細胞賴以生存的基礎，能通過降低反應的活化能加快反應速度，但不改變反應的平衡點，本身在反應過程中不被消耗。酶在生物體的各種生命活動中發揮著非常廣泛的功能。生命活動中的消化、吸收、呼吸、運動和生殖都是酶促反應過程。不同的酶分解不同的底物，各種酶協作完成代謝途徑的整個反應網絡。如果沒有酶，代謝既不能按所需步驟進行，也無法以足夠的速度完成合成以滿足細胞的需要。

1897年，德國科學家愛德華·比希納經過一系列的試驗證明了酶是一類不依賴于活體細胞的物質。細胞內合成的酶主要是在細胞內起催化作用，也有些酶合成后釋入血液或消化道，并在那里發揮其催化作用，人工提取的酶在合適的條件下也可在試管中或機體消化道內對其特殊底物起催化作用。在草食性反芻動物的消化系統中存在一些可以產生纖維素酶的細菌，纖維素酶可以分解植物細胞壁中的纖維素，從而提供可被吸收的養料。

酶能在機體中十分溫和的條件下，高效率地催化各種生物化學反應，促進生物體的新陳代謝。酶制劑的催化效率比一般的化學催化劑高107～1013倍；酶制劑的催化作用具有高度的專一性和選擇性，即只催化特定的反應或產生特定的構型；通常酶制劑的催化反應在較溫和的條件（如常溫、常壓和中性的溶液）下即可進行，節約生產能耗。因此，酶制劑行業的發展，能夠有力地促進我國節能減排和環境保護工作。

1.3 酶的催化原理

酶催化機理多種多樣，最終都能夠通過改變反應途徑的方式降低反應的活化自由能ΔG（過渡態與反應物能量之差），以致相同的能量能使更多的分子活化，來促進一些原本很慢的反應得以快速進行（Fersht，1985）。

創造穩定過渡態的微環境。例如，通過與反應的過渡態分子更高的親和力（與底物分子相比），提高其穩定性；或對底物產生張力作用，使底物分子扭曲，促進底物更趨向于轉化為過渡態。

提供不同的反應途徑。例如，形成酶-底物復合物的中間態。

將反應中不同底物分子結合到一起，并固定其方位至反應能夠正確發生的位置，從而降低反應的“門檻”。

1.4 酶制劑的生產方法

酶的生產指經過預先設計，并且通過人工控制而獲得所需要的酶的過程。酶制劑的一般生產流程是：選育出所需的優良微生物菌種，增殖培養，再通過提取、精制獲得大量的酶制劑。

生產酶制劑的菌種要求是安全的，是非致病性的，不產生毒素、抗生素、激素和其他生理活性物質，還要符合以下要求：①能夠利用廉價原料，簡單培養基，產量大；②菌種改造的可操作性強；③不易感染其它微生物或者噬菌體；④遺傳性要相對穩定；⑤生產特性要符合工藝要求。

概括來說，酶的生產方法有3種：①提取法。最早采用的提取酶的方法，直接從動植物細胞或組織中提取。盡管酶存在于動植物中，但是其產量不能滿足工業化生產的需求，一般從微生物中提取。微生物繁殖迅速，本身容易改造；而且微生物生產酶制劑不受季節、地區、數量等的限制，成本低。②發酵法。生產酶的主要方法，通過微生物發酵來獲得所需要的酶。發酵法通常包括固態發酵法、液態發酵法和載體發酵法三大類。載體發酵法還沒有用于大規模生產。③化學合成法。目前停留在實驗室內合成階段。

2 飼用酶制劑概況

2.1 飼料工業發展概況

我國飼料工業開始于20世紀70年代末，80年代中期蓬勃興起，盡管起步較晚，但發展較快，經過30年的發展，目前我國已躍居為世界第二大飼料生產國，飼料工業已成為我國工業體系中重要的支柱之一。我國飼料產量從1990年起持續增長，1990年我國飼料總產量為3 194萬噸，2005年我國飼料總產量首次突破1億噸，到2010年我國飼料產量已經達到1.56億噸，復合增長率為8.0%（中國飼料工業協會，2005、2011）。

現有飼料原料中，除大豆、魚粉有較大量進口外，大部分實現了自給。飼料中抗營養因子研究成效顯著，如通過加工工藝技術提高餅粕質量及飼用價值，脫除有毒、有害物質，提高棉、菜餅粕蛋白質利用率，對于緩解我國飼料中蛋白質資源的緊缺狀況起到了很大作用。由于谷物中非淀粉多糖（NSP）和非常規飼料原料（如棕櫚粕、芝麻餅粕、秸稈等）的研究和針對其設計的飼料復合酶的應用，小麥及非常規原料等在畜禽中的應用日趨活躍，在玉米、豆粕減產情況下，確保了飼料的正常供應。

隨著我國居民生活水平的提高，肉制品需求將不斷增加，我國飼料工業仍有較大的發展空間，而我國飼料工業更大的空間則是大量養殖戶的自配飼料市場，雖然我國規模化養殖已有很大程度的發展，但局限于環境的限制及長期以來傳統養殖習慣的影響，我國養殖業中仍存在廣泛的散戶養殖，較少地使用配合飼料。

筆者根據全國農產品產量和畜禽養殖量估算，2010年全國飼料使用總量約為44 951萬噸，其中非全價配合飼料（包括預混料自配飼料、濃縮料自配飼料和完全自配料）合計占比例約為70%。

表1 2010年全國飼料使用量情況（萬噸）

2.2 飼用酶制劑功能特點

伴隨著飼料工業的發展，近年來，酶制劑在生產技術、應用技術方面取得了質的突破。在研究領域，飼用酶制劑一直是熱點之一。

酶制劑是飼料添加劑的一種，但相比其他飼料添加劑擁有較高的科技含量和獨特的作用效果，具有更廣闊的應用空間。飼用酶制劑具有眾多突出的優點：①飼用酶制劑安全無毒、無蓄積和殘留，也不會使動物產生抗藥性，在當前食品安全問題突出的情況下，意義重大；②分解飼料原料中存在的多種抗營養因子，節糧降成本；③飼用酶制劑的應用，可提高養分的消化與吸收，減少氮、磷排放，緩解環境污染；④飼用酶制劑的降解產物為可提高畜禽免疫水平的寡糖，能增強畜禽抗病能力，有效減少抗生素的使用，促進養殖業向健康、安全、綠色的方向發展。因此，飼用酶制劑對促進我國飼料工業的可持續發展具有重大意義。

2008年歐盟國家的飼料總產量約占全球市場的21.6%，但是飼用酶制劑市場份額占全球市場的比例達到40%左右，是飼用酶制劑的主要消費市場之一。

酶制劑添加成本在飼料生產成本中所占的比例很低，按目前我國飼料企業平均酶活添加水平，酶制劑只占飼料生產成本的2.5‰～3‰，遠低于其所節約的飼料成本。

3 飼用酶制劑市場規模

近年來，全球飼用酶制劑市場保持了較快的增長速度。預計2010年全球飼用酶制劑市場規模約為5.8億美元（見表2）。

表2 2006～2010年全球飼用酶制劑市場規模情況(單位：億美元)

我國2010年飼用酶制劑行業的市場規模約為6.82億元，未來市場規模預測情況如表3所示。

表3 2006～2015年我國飼用酶制劑市場規模情況（單位：億元）

除飼料領域，酶制劑在其它工業領域的使用更為廣泛，而國外發達國家對于酶制劑的認識與應用依賴更大。中國作為世界的生產中心，同時隨著發酵技術的不斷提升，目前酶制劑的產能和工業化水平居世界首列，因此，2010年，我國酶制劑出口量達到8.2萬噸，出口額有2.3億美元（見表4）。

表4 2004～2010年我國酶制劑出口情況

4 飼用酶制劑的應用與未來

隨著無機磷和植物飼料原料價格的飛漲，酶制劑在飼料行業中的應用已得到廣泛認可，但針對不同新型原料的酶譜選擇及酶制劑的精準應用，仍是未來飼用酶制劑的研究與開發方向，并且具有巨大的發展空間。

[1] Lilley D.Structure,folding and mechanisms of ribozymes[J].Curr.Opin.Struct.Biol..2005,15(3):313-23.

[2] 吳詩光，周琳.對酶概念的再認識[J].生物學通報，2002，37（4）：34.

[3] Manchester K L,Louis Pasteur.(1822-1895)Chance and the prepared mind[J].Trends Biotechnol,1995:13(12):511-515.

[4] 諾貝爾獎獲得者愛德華·比希納的簡歷.Accessed 04 April 2007.

[5] Alan Fersht.Enzyme Structure and Mechanism[M].2nd ed.New York:W.H.Freeman,1985.