飼用酶的科學理論、實踐和代謝實證

摘 要：家禽日糧中外源飼用酶的使用正在成為克服抗營養因子不良影響、提高日糧消化率和改善家禽生產性能的一種常態。本文概述了使用飼用酶的科學依據和目前飼用酶技術的發展現狀，并討論了添加飼用酶后的反應效果及造成這種不同效果的可變因素。雖然在添加飼用酶后能促進營養物質的利用，但也存在限制反應效果的生理因素。這些限制因素包括消化道內pH值和食糜停留時間。為克服這些限制因素，至少部分營養策略值得深入探究；可能的方法包括通過飼料加工重建嗉囊和肌胃原有的功能，也包括使用高劑量的酶制劑。未來飼用酶制劑的發展，將會減少很多生理上的障礙。

關鍵詞：飼用酶；變異反應；代謝限制；營養利用；家禽

中圖分類號：S816 文獻標識碼：C 文章編號：1001-0769（2015）05-0082-03

酶在家禽上的使用已有很長歷史，關于酶制劑的首次報道刊登于20世紀20年代的Protozyme。最初的酶制劑研究大多起源于美國，當時沒有受到廣泛關注。在20世紀50～60年代期間，開創性的研究闡明了在大麥型日糧中添加酶制劑的價值，到70年代初其相關的研究集中于使用植酸酶提高植物性飼料中磷的利用率。在這些研究中使用的酶制劑是原酶（crude enzyme），因為當時能獲得的酶非常少。10～20年之后，NSP酶和植酸酶已經達到了商品化生產規模。近30年，飼料成分中目標底物的化學性質逐漸被闡明，使得針對特定底物的酶制劑生產得以精細調控。另一個進步是在生物技術領域，尤其是指發酵和微生物學技術與分子生物學技術。今天，飼料酶的生產成本足以降至使配方師不必擔心這部分成本的地步。除此之外，技術進步還體現在為改善動物胃腸道功能而設計特異性的酶，以及在配合料生產過程中提高酶穩定性的生產技術的進步。

近5年來，飼料酶市場發展迅猛，很大一部分原因在于飼料原料成本持續攀升。雖然飼料酶的接受度越來越廣泛，但還存在酶的效果變異以及很多亟待解決的問題，如如何使酶的效果更穩定?？v然效果存在差異，但這些差異不只是對酶有一定的限制性，而且還存在潛在的促進酶使用效益的機遇。酶作用的局限性與3種組分（酶、底物和家禽）相關。本文的目的是為酶在家禽日糧中的使用提供科學理論和實踐概述。

1 科學理論

1.1 酶的性質

為了更好地理解飼料酶使用的限制性，首先需要考慮到酶的基本性質。酶是高效的生物催化劑，在某種條件下能將化學反應速率提高幾百萬倍?；瘜W上，酶是具有高度復雜三維分子結構的蛋白質。酶的蛋白質性質對其在高溫飼料加工和在胃腸道中的轉運具有重要的意義。作為蛋白質，酶會因加熱和pH值變化而變性，也能被消化酶分解。

1.1.1 酶特有的性質是高度的底物特異性

每一種酶只有在其特定反應位點才能將高度特異性底物分解。因此，為了從酶制劑中獲得最佳效果，必須確保所使用的酶是根據飼料配方中的底物而選擇的。另外，酶的幾種反應條件也須注意，包括含水量、溫度、pH值、酶濃度和底物濃度。

1.1.2 含水量

酶的反應需要水環境。水對于酶的移動及酶和底物的可溶性都是必不可少的。

1.1.3 溫度

一般溫度達到40 ℃，酶活性升至最高，溫度繼續升高導致酶變性，從而使其活性急劇下降，直至失活。

1.1.4 pH值

在低pH和高pH條件下，大多數酶都會變性。一般地，大多數酶的最適pH約為4～6。

1.1.5 酶濃度

理論上，反應速率與酶濃度成正比。反應速率隨酶濃度的增加而提高，原因是提供了更多的活性位點致使形成了更多的酶底物復合物。但實際上，由于受到動物消化道內其他條件的限制，這種線性關系不會存在。反應速率與酶之間的關系是非線性的。

1.1.6 底物濃度

酶量充足時，反應速率隨底物濃度的增加而提高。值得注意的是，不同來源（真菌、細菌和酵母）的酶其反應條件不同。因此，酶的來源對特定的酶在消化道中的最適條件及其功能有很大影響。

1.2 底物和酶的類型

飼料組分中的酶底物主要分為3類：（1）家禽消化道中能產生相應酶的底物，如淀粉、蛋白、脂肪等；（2）家禽體內不能產生相應的酶而無法被消化的底物，如纖維素；（3）家禽體內不產生相應的酶就無法被消化，且有抗營養作用的底物，如β-甘露聚糖、戊聚糖、植酸。另一點需要注意的是飼料組分并不全是酶的底物，而且飼料組分中酶的底物也非常復雜。正因如此，飼料組分的潛在營養價值并沒有在家禽中完全體現，飼料組分也未被100 %消化。即使有些底物，家禽能產生足量的內源酶，但也未能被完全消化，未消化部分占比約為10 %～20 %。使用外源酶的主要目的就是為了促進未消化底物的消化。

在飼料組分中，底物（營養物質和抗營養物質）中的復合物限制了酶與底物的接觸。雖然科技進步了，但很多目標底物的化學性質和結構仍未闡釋清楚。譬如，NSP的化學性質在不同的飼料組分中變化很大。雖然對組成谷物NSP的糖類數量已經明晰，但對其它組分的信息卻仍不清楚。如果能對目標底物化學性質的了解更為詳細，酶的作用將會大大提升。對降解底物的效率不穩定的酶而言，其與底物的親和力也不容忽視。Choct等研究具有不同底物親和性的3種真菌木聚糖酶發現，底物特異性與酶的來源密切相關。

若要使酶有效果，就須保證日糧中酶與底物的比例。一個非常復雜的因素是，一個配方中的某個底物在另一配方中未必完全相同。不同的底物與不同配方中的相同底物都會導致酶的差異。這些差異因配方基質中的底物位置、其他限制因素、可接觸性和溶解度而不同。Leske和Coon已經闡明了植酸酶在這方面的相關事宜。他們發現不同配方中的植酸其脫磷酸的能力不同，有活性的植酸和總植酸含量，在評價外源植酸酶效果時尤為重要。譬如，加拿大油菜粕中總植酸含量特別高，但有活性的植酸卻很少，因此對植酸酶的反應效果不佳。

2 生產實踐

飼料酶是研究最多的飼料添加劑種類。總結目前飼料酶的應用情況是項令人畏縮的工作，飼料酶的種類繁多（表1），每種酶都有大量的商用產品，而且其來源、酶活性和性質也不盡相同。目前在飼料工業中有4類商用酶制劑：（1）微生物源植酸酶；（2）針對黏性底物（如小麥、大麥）的聚糖酶；（3）針對非黏性底物（如玉米、高粱）的酶；（4）針對非谷物（如豆粕、食用豆類）的酶。除了微生物源植酸酶，其它大多數酶制劑是由一種或多種生物生產的酶混合而成。有證據表明，含多種酶的產品能更好地提高家禽日糧中營養物質的利用率。酶的復合使用將對營養物質的利用和動物生長性能導致添加、副添加或增效作用。酶混合物而不是純粹的單酶，代表了下一代飼料酶，因為飼料組分的結構是異常復雜的。原料中的營養物質不是獨立存在的，而是以復合物的形式存在，與蛋白質、脂肪、纖維和其他碳水化合物有多種聯系。例如，在小麥基礎日糧中，僅僅依靠木聚糖酶分解阿拉伯木聚糖遠遠不夠。已有報道指出，在肉雞的小麥基礎日糧中，根據蛋白和能量利用與生長性能的關系，木聚糖酶與植酸酶同時包埋使用，表明通過促進底物接觸與減少底物（NSP和植酸）的抗營養作用，一種飼料酶的活性或受到另一種酶的促進，并且這種作用是相互的。在玉米型、大麥型或小麥型基礎日糧中，植酸酶與α-半乳糖苷酶、蛋白酶、β-甘露聚糖酶和木聚糖酶同時包埋發現，植酸酶與碳水化合物酶和蛋白酶共同增加肉雞日糧中的營養物質利用率。

家禽業對飼料酶的使用量最大。家禽養殖的高度整合加快了新技術的應用，外源酶的包埋已變成了提高消化率和飼料利用率的常規手段。幾乎世界上所有的小麥型和大麥型肉雞日糧都添加了聚糖酶（木聚糖酶和β-葡聚糖酶）。過去幾十年，肉雞料中植酸酶使用的增加是與糞便中磷污染受到越來越多的關注以及無機磷酸價格的瘋漲密切相關。最近幾年，植酸酶已經超過聚糖酶成為了全球最主要的飼料酶。針對玉米豆粕型日糧的酶制劑包括淀粉酶、木聚糖酶、脂肪酶和蛋白酶也在快速發展，它們的應用也受到了越來越多的關注。鑒于飼料酶主題的文獻已唾手可得，本文不再著重于總結文獻中這些飼料酶對家禽生長性能和營養物質利用的影響。

2.1 利潤

添加酶制劑的最終目的是通過改善日糧營養物質（蛋白質、氨基酸、淀粉、脂肪和能量）的消化率來提高家禽生長性能從而獲利。但是，若要進一步提高飼料酶的接受度還有很多原因，這些原因也將在未來生產中發揮更大的影響。

① 通過降低或去除難消化的飼料組分限制性，增加配方中可使用的飼料原料種類。

② 降低不同批次原料中營養價值的變異性。酶制劑可提高利用率較低的原料營養價值，減少原料間品質不同帶來的差異。反之，還可以提高飼料配方的精確度。

③ 降低糞便含水量和因飼喂高水平NSP日糧對家禽造成的稀糞。糞便質量差會誘發動物福利問題。

④ 提高消化率，減少未消化的營養物質到達腸道后段，腸道菌群中有益菌增加，從而促進腸道健康。其作用還有，由于對菌群的影響增進了免疫功能，從而對家禽的健康起到保護作用。

⑤ 改善腸道形態和增進腸道完善，促進日糧營養的消化和吸收。

⑥ 減少糞便排出量和糞便中的營養物質殘留（糞氮和磷）。

⑦ 提高弱仔的生長性能，從而提高出欄時群體的均勻度。

總之，添加外源酶的好處絕對不僅僅是提高營養物質消化率，對全球與家禽產業相關的環境、腸道健康、動物福利和可持續性都有潛在作用。

2.2 作用模式

不同的飼料酶具有不同的作用模式。雖然酶制劑作為飼料添加劑的接受度不斷提高，但其真正的作用模式仍未闡明。目前一致認為，以下幾種作用機制基本涵蓋了酶的作用模式。

① 降解飼料組分中內源消化酶無法打破的某些化學鍵。

② 降解直接限制營養物質消化、間接增加腸道食糜黏性或兩者兼具的抗營養因子。

③ 打破細胞完整性，釋放細胞壁結合或包埋的營養物質。

④ 將食糜轉移至消化效率更高的消化道位置。

⑤ 減少腸道的內源分泌和蛋白損失，從而減少維持需要。

⑥ 降低腸道重量，改善腸道形態。

⑦ 改善腸道菌群結構。酶通過影響腸道內底物的數量和組成，從而直接影響腸道菌群。

⑧ 補充家禽體內量不足或根本不存在的消化酶，提高消化率。這對消化系統尚不完善的雛雞尤其重要。

原題名：Feed enzymes：The science， practice， and metabolic realities （英文）

原作者：V. Ravindran