制粒前添加木聚糖酶的意義

陳國營

木聚糖酶投入市場已有多年。新的觀點表明，于調質前（替代制粒后）在分批式混合機中添加木聚糖酶會帶來很多好處，尤其是如果該酶能以液體形式添加時。

中圖分類號：S816.34 文獻標識碼：C 文章編號：1001-0769（2015）11-0081-03

由于為了滿足對飼料的更高水平衛生和制粒質量的要求，多年來飼料生產過程中的溫度和調質時間不斷提高，這給非淀粉多糖（Non-starch Polysaccharide，NSP）飼用酶的應用帶來了挑戰。顯然，飼用酶的應用目的是均勻并持續地將所需劑量的活性酶呈遞至作用部位，即動物胃腸道中。然而，由于許多商用NSP酶制劑耐熱性不足，經不起飼料加工過程中的制粒和熱液調質的高溫，所以這些年來已經引入了一些關鍵成果以使這一目的得以實現。就酶的應用技術和酶本身而言，這些的新成果仍在繼續發展。來自既要提高飼料性能（包括飼用酶的效果）同時還要降低生產成本的壓力，也確保了這些新成果能在酶制劑生產商和飼料加工商中面前保持基本的優先權。

1 早期應用的發展

在以小麥、黑麥和黑小麥為基礎的動物飼料中添加NSP酶（木聚糖酶）產生的積極作用早在20多年前就為人們所知，首次商業性應用是于1989年在英國的小麥型肉雞飼料中。那時，研究確立的木聚糖酶在谷物型家禽日糧中的主要作用模式，是降低主要由可溶性木聚糖導致的食糜黏性。然而，很顯然，木聚糖酶破壞了谷物中富含阿拉伯木聚糖的糊粉層和胚乳細胞壁，從而釋放了被包裹的營養物質，同時也釋放出了對腸道細菌有積極作用的木寡糖。已知木聚糖酶能提高小麥中蛋白質的消化率，這主要歸功于釋放了在富含木聚糖的厚厚細胞壁中糊粉層（富含蛋白質）內的蛋白質。

數十年前，當NSP酶首次用于動物飼料時，它們最初只有干粉劑產品可用，于制粒前將其添加到分批式混合機中的粉料中。雖然當時常用的飼料加工溫度較低，使酶在動物體內產生了明顯的作用，但很快發現其在熱穩定性方面存在不足。這促使人們開發了在制粒后將液體酶噴灑到顆粒飼料表面的設備，從而避開了其固有的耐熱性差的弱點，并帶來更高的酶活性和動物生產性能。

由于制粒后液體酶應用系統（Post-pelleting Liquid Application，PPLA）裝置的廣泛應用，使這項技術成功地為飼料行業服務了20多年。此最好的PPLA系統能夠同時在劑量和可用產品數上帶來了相當大的靈活性。雖然這第一套系統僅能達到酶活性恢復率20 %左右的變異系數（CVs），但最新設備已經能使CVs降低至小到10 %。從全球來看，近幾年對PPLA系統的投入相當大，每套制粒和加工生產線都需要一套獨立的系統。雖然這套系統的效率很高并已被廣泛認可，但高昂的初期資金投入加上需要定期保養和校準，意味著運行PPLA系統的總費用會比較高。

2 混合機應用技術

因此，恢復到在調質前于分批式混合機中添加酶所帶來的機會，將會帶來許多益處，尤其是這些酶如果能以液體的方式使用時。對飼料成分（如脂肪、甜菜堿、氯化膽堿和液態氨基酸等）而言，通過分批式混合機添加液體已經是一種經過充分發展的操作，其技術已經為人們所熟知，同時安裝相對簡單。這種混合機液體應用（Mixer Liquid Application，MLA）技術在購買成本和保養費用上顯著低于PPLA系統，而且在每一條制粒生產線上并不需要安裝獨立的系統。

另外，研究表明，當把液體木聚糖酶加入分批式混合機以代替制粒后添加時，無論是顆粒料還是粉料，酶活性恢復率變異系數都可以降低至低到5 %，同時制粒過程中的能源費用也可隨之降低4 %。然而，MLA技術的應用完全依賴于酶的發展，即酶能否耐受飼料加工過程中的高溫。因此，尋找應對酶熱穩定性的解決方案仍在繼續，并且至今為止的研究和開發工作可大體分為三類：包被技術的應用、酶工程以及尋找新的天然耐熱性酶替代品。

3 耐熱性酶的解決方案

3.1 酶工程——改造酶氨基酸結構

例如，包被技術在酶上的應用，能通過限制水的滲透作用提高酶的耐熱性。雖然在商品飼料制粒中，這能使酶活性的恢復率接近 100 %；但是，在植酸酶上的應用結果表明，這一技術可能會對酶的水解速率產生不利的影響，因此進而會影響酶的使用效果。相反，對現有酶的氨基酸結構進行改造，通過使酶本身具有更強的疏水性（驅水性）或更緊密和穩定的結構，從而提高酶的耐熱性。

這項技術可避開對酶進行包被的要求，并已經成功地用于多種商品酶制劑的生產中。然而還是要特別注意，以確保任何改變都不會減弱酶的效率。

3.2 尋找耐熱性酶

第三種方案是在溫熱的環境（如熱泉和深海裂隙）中篩選微生物以尋找天然耐熱性酶。將這些酶的基因轉入普通生產微生物大規模生產酶，使酶的效果達到或超過前面的水平，但仍保留其高耐熱性——足以確保使其能以液體的狀態添加到分批式混合機中。

4 耐熱性帶來益處

對進入市場的最新一代天然耐熱性木聚糖酶進行的獨立測試證實了其潛在效率已經超過了市場上現有的耐熱性酶產品。在一項研究中，這種木聚糖酶（Econase XT，圖1）在常規的制粒調質條件下能耐高達95 ℃的溫度，此研究中的條件是30 s蒸汽調質隨后再經3 mm壓模制粒。

除此之外，在歐洲許多商業化飼料廠中進行的各種調質和制粒過程對酶熱穩定性影響的測試表明，粉料中酶活性的恢復率為90 %～110 %。同樣重要地是，將木聚糖酶以液體的方式添加到分批式混合機中，在粉料和顆粒料中的CVs都低至5 %，因為實現了更均勻的分布。一家知名研究機構進行的獨立調研中還強調，將液體木聚糖酶加入分批式混合機中有可能會降低制粒所需的能耗（Pelleting Power Consumption，PPC）。

減少飼料加工過程中的這類主要耗能源，將不僅能夠降低飼料加工成本，而且也會給環境帶來益處，如可減少碳排放。圖2中的數據表明，較之兩組對照日糧——基礎日糧與基礎日糧+水，添加天然耐熱性液態木聚糖酶后能耗分別降低了30 %和13 %。PPC水平的降低為飼料生產商帶來了真正的經濟和環境價值，是一種不應該被輕易丟棄的方法。

5 維持動物生長性能

大量生產試驗表明，耐熱性的提高不會犧牲酶在動物體內的功效，也不會影響動物的生長性能。在一項此類試驗中，一種天然耐熱性木聚糖酶與一種前一代產品利用小麥型日糧在肉公雞上進行了比較——假設日糧中的小麥能量分別提升0 %、8 %或10 %。結果發現各組在42日齡的公雞活重上無差異，但添加木聚糖酶的兩組公雞飼料轉化率顯著提高（P<0.01），添加天然耐熱性酶的試驗組公雞提升幅度明顯更大，甚至當飼料轉化率因假定的小麥能量增幅加劇時而惡化時，耐熱性木聚糖仍會產生理想的生產性能（圖3）。

6 結論

因此，適合在分批式混合機中添加的耐熱性木聚糖酶的開發成功，意味著飼料加工業向前邁出了重大的一步。使用MLA技術既能節省飼料的生產成本，又能改善飼料制粒后酶活性恢復率的CVs，并在使用木聚糖酶上為PPLA系統提供了一種替代系統。

原題名：Benefits of adding xylanases pre-pelleting（英文）

原作者：Paul Steen