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饲用酶制剂的未来

作者:(译)赵剑 王永成赵剑 王永成来源:昕大洋 浏览次数: 日期:2014年3月24日 14:33

饲用酶制剂的未来

译者:赵剑 王永成,千亿国际娱乐qy966
原著:R.R. Marquardt,加拿大马尼托巴大学动物科学院
本文译自加拿大马尼托巴大学动物科学院R.R. Marquardt,因译者水平有限,难免有错译之处。感兴趣
的读者可来信索原文。
 

摘要:
        酶制剂在饲料中,尤其是含有大麦和小麦的禽饲料中能够表现出引人注目的效果。随着酶制剂在饲料工业中应用程度的提高和应用范围的扩展,对饲用酶制剂的研发将受到更多的关注,未来的
一些重点研究领域可能是:
1、提高现有酶的品质和效率,降低添加成本、提高热稳定性、抵御消化液的破坏和增强在消化道特定位置的活力;
2、扩展酶制剂应用范围,除传统的禽、家畜、鱼饲料外,还将扩展到如短吻鳄和海龟中;
3、研究生物技术生产的脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶等酶类的应用;
4、利用生物工程技术选择或设计微生物、植物和动物自身产生酶的DNA进行重组;
5、扩展酶制剂可应用到的饲料原料的范围;
6、发展和规范评估酶制剂产品的程序;
7、深入研究酶制剂发挥效用的机理;
8、建立预测不同动物及不同饲料中使用酶制剂所能产生的效果及成本收益的便捷模型;
9、关注饲料酶制剂产生的其他效益,如减少污染、营养素的分配、内分泌变化和动物健康状况等。
        可以预期,对饲料酶制剂的研究将不断加速,并会取得丰富成果,饲料酶制剂的研究将成为动物营养学的研究热点。
一、简介:
        酶制剂在饲料中的应用已产生了巨大的影响,在一些含有大麦、小麦、黑麦或燕麦的禽饲料中,其不仅提高了饲料的利用率,而且通过减少粪便量和粪中污染物从而保护了环境。在以谷物为主要原料的家禽饲料中使用酶制剂取得了较一致的效果,且酶制剂对大麦、小麦这样的低表观代谢能(AME)的原料效果更好。一般来说,低AME的原料含有较高含量的生长抑制因子-水溶非淀粉多糖,使用酶制剂后可观察到, 水溶性非淀粉多糖的降低。酶制剂的作用效果不仅提高了原料的AME,也可能影响到养分的利用率。酶制剂添加也表现出减小动物消化道的尺寸而将养分分配到其他可食用组织。酶制剂也会影响消化道微生物发酵,并可能对动物健康也产生相应的影响。大部分有关酶制剂的研究是在家禽上,而在猪尤其是仔猪上,酶制剂的应用效果是负面的。当前在市场上出现的基因重组的酶制剂,尤其是植酸酶,将加快酶制剂在饲料工业中的应用。虽然酶制剂被证实有效,但其应用还处于初级阶段,仍有很多问题有待解决以发挥酶制剂的最大功效。本文将介绍未来饲用酶制剂的一些研究方向。
二、增强研究的领域
(一)、酶制剂的检测
        目前还没有一套标准的方法去评价商业酶制剂品质,也没有一种令人满意的方法用于检测饲料中酶的含量。这个问题源自多个酶制剂的检测方法的检测条件都是不同的,而且酶制剂一旦加入饲料中,将可能和饲料结合而表现出较低的酶浓度。常用的酶制剂检测方法主要有:通过衡量酶作用后释放出的还原糖含量、染色底物、酶联免疫法(ELISA)或酶降低水溶性非淀粉多糖粘度的能力。有报道认为在以上这些方法中, 染色底物法是一种最简单和灵敏的方法,但在用于检测饲料中的酶含量时却不够灵敏。ELISA可以用来检测饲料中的酶含量,但ELISA并不能识别饲料中所有的酶,而且对钝化的酶反应很弱。测量还原糖的方法不够灵敏,因为饲料中含有较高水平的已被还原的糖类,会被误认为是酶制剂产生的。目前尚未有合适的粘度法的文献报道。现在研究的结论是:饲料中酶的物理性检测方法只有将其提取出来,再进行结合染色底物法测定。此方法也需延长反应的处理时间以使较低浓度的酶充分反应。虽然上述的各种方法在测定饲料中的酶含量效果较差,但是用于对商品酶制剂的检测是可行的。不过,对同一个商品酶制剂而言,上述的各种方法将检测出不同的结果,即便是某一种指定的方法,各实验室间的检测差异也可能是巨大的,这主要源自底物的纯度、实验条件和检测技术间的差距。因此建立一个简单、准确和实验室之间可重复性好的酶制剂检测方法是极其必要的,同时,还需要建立起饲料中的酶含量和其体内作用效果之间的联系。政府管理机构、酶制剂生产商、饲料厂和专家团体需在以下几个方面协力共建酶制剂的标准化
检测方法
1、允许酶制剂的生产商和购买者在酶制剂的活力基础上建立比较值体系;
2、使养殖者有能力检测出添加在饲料中酶含量,甚至在饲料加工中热处理后的存留率;
3、需要建立酶制剂在消化道,尤其是主要产生作用的消化道位置的存留率的平均值。

(二)、酶制剂的作用位置
        酶制剂在消化道的何处发挥其最大作用目前还缺少肯定的研究结果。对鸡来说,尚不知道酶制剂的主要作用位置到底是嗉囊、腺胃、  肌胃、十二指肠、回肠、直肠,或者是整个消化道。这些信息在帮助选择和使用酶制剂上非常有用,可使酶制剂在最有效消化道位置和最有利的作用环境里分解目标底物。举例来说,为禽选择饲用酶制剂,以嗉囊为主要作用位置和那些主要作用在消化道下段的就有很大不同。因为要考虑到胃蛋白酶、p和最适pH值对其的影响。当然最好是在不同的动物种类间使用不同的饲用酶制剂,鸡能使用的酶制剂在猪上未必有效果,原因就是猪需要选择在低pH值和胃蛋白酶分解下不易失活的酶制剂。
(三)、酶制剂生产的新来源
        随着生产的酶制剂的基因来源越来越多,其作用效果毫无疑问会越来越大。除现有使用的外,那些来源于牛瘤胃中的微生物及某些耐热微生物生产的酶会有以下优点:
1、在其最适作用条件下,每克酶蛋白降低底物能力高;
2、耐热性、耐酸性和抗蛋白酶分解的能力高;
3、更加廉价;
4、常规环境下保质期更长。
        这些酶制剂最有可能通过基因重组的方法获得,包括将目的酶的对应cDNA克隆和鉴定,将DNA转移到微生物中以便大规模低成本的生产。基因重组技术和定点突变技术的连用将会为按照动物需要设计酶成为可能。学者们正在研究一种在DNA序列上的特殊位点进行定点突变的技术。另外一个新领域是设计第二类酶,即使用微生物如大肠杆菌作为表达系统,从免疫基因表达库里设计生产出具催化性质的抗体。据此可在发酵罐中生产这种具酶功能的生物基因工程抗体,按照设计其可以满足任何饲料配方和任何家畜或家禽。类似的技术也必然有所发展。综上,现在的酶制剂生产不仅仅只有以传统的方法从曲霉中生产出来,未来将从微生物甚至是植物中生产出来。例如:一旦在菜籽中表达酶的方法实现,充足的菜籽供应将大大减少养殖者的用酶成本。
        另一种水解动物饲料中的抗营养因子的思路是设计出转基因单胃动物,其能够消化纤维素、β-葡聚糖、木聚糖和植酸。有学者报道了在小鼠的胰脏腺泡细胞重组入细菌DNA并表达葡聚糖酶的可行性。问题在于如何获得一个高效率表达的葡聚糖酶基因和其他基因,以在肠道中产生足够的葡聚糖、木聚糖的水解能力。在家畜中转入植酸酶基因的报道也特别令人感兴趣。


(四)酶制间的交互作用
        除了植酸酶外,在所有禽类中应用复合酶的研究中,使用的像葡聚糖酶或者木聚糖酶等从真菌提取的复合酶外,产品中还含有大量包括蛋白酶在内的其他酶类。开展一些关于多种单酶不同组合的研究(例如:缺乏酶的交互影响)来确定主要的酶种是否具有交互作用、拮抗作用或者相加效应是必要。例如,酶可以降低在小麦、黑麦中水溶性木聚糖的粘性,这不仅仅依靠足够量的内源性木
9昕大洋复合酶技术汇编聚糖酶,也需要阿拉伯木糖酶,还可能有葡聚糖酶、乙酰基纤维素酯酶等(Forsberg etal., 1993)。可以想象,使用高活力的蛋白酶会产生负面的效应,因为蛋白酶能够消化添加添加进去酶的蛋白质。未来研究者能够借助单纯的克隆酶来判定在谷物中提高营养的酶的效果。使用粗真菌酶转移到使用基因重组酶将变得很重要。
(五)、酶与日粮要素的自然交互作用
        研究表明,饱和脂肪比不饱和脂肪更能够使含有高水平的水溶性非淀粉多糖的饲料明显地降低肉鸡的生产性能。Danick et al。(1995)研究表明,尽管被动物脂肪的巨大影响所掩盖,在豆粕型日粮种添加添加酶制剂能够提高生长性能和脂肪消化率。Schutte等(1995)的研究也有相同的结果。这些报告表明,日粮中添加酶制剂不仅对水溶性非淀粉多糖产生影响,对比如动物脂肪等营养物质也有影响。未来的研究应该建立酶的作用机制等自然交互作用信息,酶在不同日粮组成中的最佳化,这在酶制剂的经济性能非常重要。
(六)、酶的建模研究
        Zhang等(1996)的探究表明,使用一个简单的线性模型来预测酶制剂在禽中的应用是可行的。研究还表明,同时预测特定量的酶在两种任何比例谷物日粮中的效果。这个模型可应用于最低成本分析,在提供精确的输入数据的条件下,就可以得到基本日粮中单位酶制剂的经济评价。更进一步的研究是去修订这个模型,使其使用更加简单并获得基线值。这个模型针对任何原料、使用任何酶制剂都能得到一个可靠的预测。
(七)、针对其他动物的研究
        现有研究,只有酶制剂对极少数种类动物的影响。尽管酶制剂在鸡应用中得到了很好的效果,但在其他种类的禽类比如火鸡、鸭子、鹅、鸵鸟等得应用则很少研究。另外,针对其他动物比如鱼、鳗鱼、鳄鱼、龟等水产动物,狗、猫等宠物,皮毛动物等单胃动物的研究也都很少开展。由于食肉动物有胃和比较小的大肠,不能定居大量的厌氧生物来水解复杂的碳水化合物,酶制剂也是有效的。未来的研究还将重点放在针对猪不同阶段、不同脂肪来源日粮的酶制剂的应用。最后,在反刍动物中使用包含有生物工程纤维素酶、半纤维素酶基因重组的瘤胃微生物作为接种物,将要提高草料在反刍动物中的利用效率。我们可以清楚地看到在其他种类动物中使用酶制剂是很可能的。另外,除了现使用的酶,在养殖业中其他种类的酶也会有效果。
(八)、谷物中目标底物
        诸多研究者预测,大部分的酶制剂主要作用模式是破坏位于谷物细胞壁上降低营养的凝胶样的多糖(Anniison 和 Choct,1991;Bedford,1993;Chesson,1993),Hesselman和Aman(1986)提出另一个解释,他们提议组成谷物胚乳的葡聚糖和阿拉伯木聚糖限制了酶与营养物质的接触。他们推测对细胞壁的破坏并释放被限制的营养是外源酶制剂能够提高营养价值的最主要的作用。Chesson(1993)推测如果酶的有益作用归于单纯的黏度降低,那么单酶就可以发挥作用。原因是黏度是由于链的长度造成的,仅打开长链就能充分的降低和破坏凝胶能力。然而,如果破坏完整的细胞壁并释放限制的营养物质对酶制剂带来的益处比降低黏度的贡献更大,所以就需要更多的酶。以上诸位和Marquardt(1996)都对必需的酶进行了研究。不同复合单酶对日粮黏度的影响和对细胞壁限制营养物质释放的对比试验,就能够评价非淀粉多糖的抗营养作用。这些对于使用酶制剂的经济效益因素有重要的意义。
(九)、生理内分泌的改变
        本质上讲,各种水溶性非淀粉多糖对胰腺和其他肠道分泌腺包括酶和胆盐的分泌的影响并没有被研究,对免疫应答,对包括生长激素、甲状腺素、胰岛素对葡萄糖的耐受性等激素水平也没有研究,同时对使用外源酶制剂对这种效应的消除也没有研究。在含有水溶性非淀粉多糖并不添加酶制剂的日粮为预测粘性的非淀粉多糖对动物生理的影响提供了一个很好的基础。Dr.Han(1996)在这方面开展了大量的研究,并阐述了水溶性非淀粉多糖对诸多参数的影响。未来还需要对完整地参数进行更多的研究。
三、结论
        过去几年,在饲料中使用酶制剂扩展很快,这样的发展归功于在大学、研究院所和政府支持下进行工业化生产的研究。尽管在过去十多年在家禽和家畜中使用酶制剂取得了巨大的进步,但是许多方面还需要更多的研究以便于扩大这个强大有益技术的发展。为了给更好使用酶制剂提供基础数据,需要继续开展许多方面的研究,比如发展更加精确的评价体系,为不同种、不同阶段家畜家禽提供更加准确酶制剂配方和比例,酶制剂对饲喂谷物日粮动物生理及内分泌的影响等。更好的理解酶制剂作用模式,酶制剂与日粮成分之间的交互作用,酶制剂效果的简单预测模式都将有助于酶制剂的应用。未来许多新型基因重组酶制剂产品将出现,这些酶制剂成本很低并且更稳定、具有更高的效率。酶制剂的应用也会更加广泛。酶制剂除了提高动物生长性能外,还会带来减低污染等多种好处。酶制剂不仅对养殖行业具有巨大的影响,未来在其他领域还会带来越来越多的好处,在这个迅速扩大的领域尚存巨大挑战。

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