飼料酶制劑理論與實踐的新思路_新型高效飼料組合酶的原理和應(yīng)用

1、近年來,飼料酶制劑的研究主要方向:一是酶制劑應(yīng)用技術(shù)體系的建立;二是酶制劑分子營養(yǎng)基礎(chǔ)的探討(馮定遠(yuǎn)等,2006。其中構(gòu)建加酶日糧ENIV系統(tǒng)和相應(yīng)的飼料原料數(shù)據(jù)庫(馮定遠(yuǎn)和沈水寶,2005、飼料酶發(fā)揮作用位置的二元說以及飼料組合酶等三個方面,就是探討酶制劑應(yīng)用技術(shù)體系的一部分。本文主要探討了新型高效飼料組合酶的原理及應(yīng)用。1飼料酶制劑的分類目前飼料酶制劑的分類方法尚未統(tǒng)一,大致可分為外源消化酶和非消化酶兩大類。非消化酶是指動物自身不能分泌到消化道內(nèi)的酶,這類酶能消化動物自身不能消化的物質(zhì)或降解一些抗?fàn)I養(yǎng)因子,主要有纖維素酶、木聚糖酶、-葡聚糖酶、植酸酶和果膠酶等。外源消化酶是指動物自身能夠分

2、泌,但大部分來源于微生物和植物的淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶類等。催化水解同一種底物的酶可以有不同來源,如催化水解纖維素的酶有綠色木霉(Trichoderma viride纖維素酶、嗜松青霉(Penicillium pinophilum纖維素酶、生黃瘤胃球菌(R.flavefa-ciens纖維素酶等。同一來源的生物,特別是微生物(包括真菌、細(xì)菌、放線菌等可以產(chǎn)生不同的酶,如厭氧微生物能產(chǎn)生降解木聚糖、甘露聚糖的復(fù)合多酶系統(tǒng)。單酶或單一酶是指特定來源而催化水解一種底物的酶制劑,如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、里氏木霉(T.reesei纖維素酶、康寧木霉(Trichoderma koningii纖維素酶、曲霉菌

3、(Aspergillus木聚糖酶、隱酵母(Cryptococcus木聚糖酶等。復(fù)合酶是指由催化水解不同底物的多種酶混合而成的酶制劑。多種酶的來源可以不同,也可以相同,特別是有些商業(yè)系統(tǒng)微生物的固體發(fā)酵,單一菌株均可產(chǎn)生多種酶。復(fù)合酶能以動物種類及階段為目標(biāo)設(shè)計酶譜和活性,如蛋雞日糧專用酶,也可以日糧特性為目標(biāo)配制酶的種類和有效成分,如小麥型日糧專用酶。目前飼料中常用的除少量是單酶添加劑外,大多數(shù)為復(fù)合酶添加劑。2組合酶和組合型復(fù)合酶影響酶制劑酶作用的因素很多,包括動物、日糧及酶本身的因素。如何解決酶制劑使用的針對性和高效性是酶制劑發(fā)揮其效果的關(guān)鍵。馮定遠(yuǎn)(2004提出了飼料組合酶概念。組合酶是

4、指由催化水解同一底物的來源和特性不同,利用酶催化的協(xié)同作用,選擇具有互補性的兩種或兩種以上酶配合而成的酶制劑。例如,蛋白酶組飼料酶制劑理論與實踐的新思路新型高效飼料組合酶的原理和應(yīng)用華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院馮定遠(yuǎn)黃燕華于旭華摘要飼料組合酶是專門針對酶制催化的高效問題而提出,它與一般的復(fù)合酶不同。應(yīng)用飼料組合酶可以降低飼料酶制劑的使用成本,對提高非常規(guī)飼料原料的利用效率和開發(fā)特種動物專用的酶制劑有重要意義。關(guān)鍵詞組合酶;酶學(xué)性質(zhì);非常規(guī)飼料原料中圖分類號S816.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1004-3314(200813-0024-05 AbstractFeed combinative enzyme

5、s is a kinds of enzymes that is made up from different enzymes for the same substance.Combinative enzymes is different from complex enzymes that contain different enzymes for more than one sub-stance.Combinative enzymes is of higher efficiency to catalyze nutrient substance than complex enzymes and

6、can be ap-plied in non-traditional feed ingredient diet and special animal feed.And it is potential for reducing the feed enzymes cost.Key wordscombinative enzymes;enzymology;non-traditional feed ingredient合酶制劑由多種來源不同的蛋白酶組成,木瓜蛋白酶和黑曲霉蛋白酶的組合,木聚糖酶組合酶制劑由多種來源不同的木聚糖酶組成,真菌木聚糖酶和細(xì)菌木聚糖酶的組合,纖維素酶組合酶制劑由木霉纖維素酶和青霉

7、纖維素酶組成等。組合酶不是簡單的復(fù)合,而應(yīng)該是根據(jù)不同酶的最適特性、作用特點和抗逆性的互補有機組合?？梢允嵌喾N內(nèi)切酶的組合,也可以是內(nèi)切酶和外切酶的組合。飼料組合酶一般應(yīng)具備四方面的特性:(1催化水解同一底物酶的來源多樣性(在一定程度體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性;(2酶的催化反應(yīng)的配合性(催化水解位點的不同和配合;(3酶最適條件和抗逆特性的互補性;(4酶的應(yīng)用效果的高效性。飼料組合酶最終反映在解決催化飼料復(fù)雜底物的高效性問題。與常見的單酶與復(fù)合酶相比,科學(xué)合理的組合酶更多考慮作用底物更有針對性、多種酶源的配合及互補和催化作用高效性。組合酶在飼料中應(yīng)用的最大優(yōu)點就是在酶的催化環(huán)境條件不理想的情況下,發(fā)揮其配合作用

8、,從而達(dá)到高效能的目的。如果考慮復(fù)合酶作用同時又要考慮組合酶的優(yōu)點,可以配制應(yīng)用組合型復(fù)合酶制劑。一個典型的組合型復(fù)合酶制劑產(chǎn)品應(yīng)該包括催化水解多種底物,而且催化水解同一底物的酶制劑有幾種來源不同的單酶組成,例如,應(yīng)用大量雜粕和麥類的非常規(guī)原料的日糧,可以設(shè)計含有真菌木聚糖酶、細(xì)菌木聚糖酶、木霉纖維素酶和青霉纖維素酶等組成的組合型復(fù)合酶制劑。目前酶制劑產(chǎn)品開發(fā)仍然比較混亂,其中一個方面就是不同企業(yè)產(chǎn)品酶活之間無可比性,組合酶還可以部分解決不同產(chǎn)品酶活之間可比性問題。組合酶的成分一般都要注明酶的來源,如小麥雜粕日糧專用組合型液體酶:哈茨木霉木聚糖酶(450000U/g、藍(lán)狀菌木聚糖酶(35000

9、0U/g、纖維桿菌纖維素酶(300000U/g,嗜松青霉纖維素酶(350000U/g,添加量為80100g/t。由于明確了酶的來源,酶活的意義就能夠比較容易規(guī)范。3飼料組合酶的理論基礎(chǔ)3.1催化同一底物的酶來源廣泛催化降解同一底物的酶來源很多,它們之間的催化功能存在可替代性和不可替代性。這樣,可替代性就有更多的選擇性,有利于降低應(yīng)用成本;不可替代性就存在著互補性,對真正發(fā)揮酶的最大效率有好處。蛋白酶有來源于動物、植物和微生物的蛋白酶。同樣,植酸酶有來源于微生物、植物和動物的植酸酶。纖維素酶和木聚糖酶多由細(xì)菌和真菌產(chǎn)生,此類微生物包括:需氧性微生物(aerobes、厭氧性微生物(anaerobe

10、s、嗜溫微生物(mesophiles、嗜熱微生物(thermophiles和極溫微生物(ex-tremophiles。耐超高溫的微生物,如棲熱袍菌屬(thermotoga sp.、激烈熱球菌(pyrococcus furio-sus和熱絲菌屬(thermofilum sp.等能生長在85 110環(huán)境中,并能產(chǎn)生極其穩(wěn)定的分解纖維素和半纖維素的酶(Witerhalter和liebl,1995。細(xì)菌纖維素酶有多種不同水解纖維素的機理,例如,耗氧菌纖維桿菌屬(Cellulomonas、假單胞桿菌屬(Pseudomonas、嗜熱放線菌(Thermoactino-mycetes、褐色高溫單胞菌(T.Fu

11、sca、細(xì)小雙孢子菌(Microbispora和糞堆梭菌(C.stercorarium產(chǎn)生的纖維素分解酶系,類似于耗氧真菌產(chǎn)生的纖維素分解酶,這些纖維素分解酶系通過不同酶組分的相互協(xié)作來降解纖維素(Gilbert和Hazle-wood,1993;Wood,1992。植酸酶可以大致分成6-植酸酶和3-植酸酶兩類。這種分類是根據(jù)植酸分子水解的起始位點而劃分的,6-植酸酶多來源于植物,而3-植酸酶由真菌(Aspergillum sp.產(chǎn)生(Dvorakova,1998糖和木聚糖表現(xiàn)很小(或沒有活性(Frederick 等,1985。對混合木聚糖(具有-1,3、-1,4鍵的rhodymenan作用的大

12、多數(shù)內(nèi)切葡聚糖酶能特異地作用于-1,4鍵(Coughlan,1992。同時,內(nèi)切木聚糖酶除了能降解主鏈外,還可據(jù)其能否降解支鏈釋放阿拉伯糖而分為兩類(Coughlan和HaZewood,1993。3.3不同酶間的協(xié)同作用飼料成分是復(fù)雜的底物,特別是非淀粉多糖的降解需要多種酶之間協(xié)同作用。Giligan和Reese(1954在水解纖維素的過程中,證實了不同纖維素酶間的協(xié)同增效作用。在晶體纖維素的溶解過程中,內(nèi)切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶(CBH之間的協(xié)同作用(Bhat等, 1994;Klyosov,1990。有報道表明,在真菌纖維素酶中存在5種協(xié)同作用:(1內(nèi)切葡聚糖酶和一種稱為C1的非水解蛋白間的

13、協(xié)同作用(Reese等, 1950;(2-葡木糖酶和內(nèi)切葡聚糖酶或者CBH 之間的協(xié)同作用(Eriksson和Wood,1985;(3兩個免疫學(xué)上相關(guān)或截然不同的外切葡聚糖酶之間的協(xié)同作用(Wood和McCrae,1986;(4源自相同或不同微生物內(nèi)切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶之間的協(xié)同作用(Wood等,1989;(5兩種內(nèi)切葡聚糖酶之間的協(xié)同作用(Klyosov,1990。另外,細(xì)菌纖維素酶和真菌纖維素酶之間也有協(xié)同作用,來自嗜熱纖維素單胞菌(C.thermocellum的多酶復(fù)合體的亞基之間存在協(xié)同作用(Bhat等,1994; Wood等,1994。大部分的協(xié)同模式為:(1內(nèi)切葡聚糖酶和外切葡

14、聚糖酶間的協(xié)同作用;(2外切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶之間的協(xié)同作用;(3內(nèi)切葡聚糖酶和內(nèi)切葡聚糖酶之間的協(xié)同作用。使用高純度的內(nèi)切葡聚糖酶和來自嗜松青霉(P.pinophium的CBHS的研究表明,只有兩種內(nèi)切葡聚糖酶(EG和EG對纖維素具有很強的吸附性,與CBHS 和CBHS有協(xié)同作用(Wood等,1989。他們認(rèn)為在CBHS和與內(nèi)切葡聚糖酶之間的協(xié)同作用,是因為這兩類酶間的不同立體空間結(jié)構(gòu)造成的。有效而徹底的分解木聚糖需要有不同特性的主鏈裂解酶和支鏈裂解酶的協(xié)同作用(Cough-lan和HaZewood,1993。對于木聚糖降解酶而言,因為底物來源的天然差異,僅衡量產(chǎn)生的還原糖量,不足以證實

15、其協(xié)同作用。因此,必須分離和純化,并進(jìn)行定性、定量分析其分解產(chǎn)物,以更清晰的探明獲得木聚降解酶協(xié)同作用。事實上,兩種酶之間的協(xié)同作用模式有三種類型:(1同型協(xié)同;(2異型協(xié)同;(3抗協(xié)同(Coughlan和HaZe-wood,1993。同型與異型協(xié)同可能有一種或兩種產(chǎn)物。同型協(xié)同可以是在兩種或多種的側(cè)鏈裂解酶之間的協(xié)同,也可能是在兩種或多種的主鏈裂解酶之間的協(xié)同(Coughlan和HaZewood,1993。同樣,在植酸水解為肌醇全部過程中,沒有哪一個單獨的酶能水解植酸分子中所有的磷酸,因此,整個水解過程是在很多非特異性酶的聯(lián)合作用下完成的(Maenz2001。3.4不同來源酶動力學(xué)不同在一定

16、條件下(特定的作用環(huán)境和時間,某一種酶數(shù)量或活性進(jìn)一步增加并不能提高催化性能,各種酶和對應(yīng)的底物濃度的反應(yīng)基本動力學(xué)是米氏方程(陳石根和周潤琦,2001。而不同來源作用同一種底物的酶的米氏方程不一樣。3.5不同來源酶最適條件不同來源不同的同一類酶其最適條件差異很大。不同菌屬來源、不同發(fā)酵方式生產(chǎn)的纖維素酶在酶系組成及酶學(xué)特性上存在差異(孟雷等,2002。絕大多數(shù)來自真菌的內(nèi)切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的分子質(zhì)量均為20100ku,而-葡萄糖苷酶的分子質(zhì)量范圍為50300ku。通常情況下,來自真菌的酶活性的最佳pH值在4.06.0,而來自細(xì)菌的酶的最佳活性pH為6.07.0(Wood,1985。來自

17、嗜溫(mesophilic真菌和細(xì)菌的內(nèi)切葡聚糖酶、CBHS 和-葡萄糖苷酶的最佳活性溫度為4055(Christakopoulos等,1994;Bhat等,1989;Wood 等,1988,而來自嗜溫和嗜熱微生物的纖維素酶的最佳活性溫度分別為6080和90110(Antranikian,1994;Bhat等,1993。由于不同來源的酶活性上的差別,在實際應(yīng)用中以重量比來添加,顯然會造成使用效果差異較大。不同來源的纖維素酶雖然作用相同,但均具有不同的最適pH 和溫度,因此,用同一種方法測定不同來源的纖維素酶得到的酶活值尚不完全具有代表性。3.6不同來源酶熱穩(wěn)定性不同來源不同的同一類酶熱穩(wěn)定性差

18、異很大。經(jīng)80高溫處理1 3min后,三種纖維素酶的剩余酶活差異較大。其中,青霉液體發(fā)酵的酶的熱穩(wěn)定性較好,剩余酶活仍保留了94.8%。而木霉固體發(fā)酵酶和木霉液體發(fā)酵酶熱穩(wěn)定性較差(黃燕華2004。3.7不同來源酶對消化道酶的耐受性不同同一類酶而來源不同對于胃腸道的蛋白水解酶的耐受性差異很大。對于畜禽胃腸道環(huán)境的穩(wěn)定性最終決定外源酶制劑的應(yīng)用效果,只有在消化道內(nèi)能保留足夠的活性,存留足夠的時間,酶制劑才能發(fā)揮應(yīng)有的作用。三種纖維素酶在消化道環(huán)境中以木霉液體發(fā)酵酶的穩(wěn)定性最好,木霉固體發(fā)酵酶最差(黃燕華,2004。體外試驗也表明,胃蛋白酶對木霉固體發(fā)酵酶影響最大,木霉液體發(fā)酵酶耐受性較好。3.8

19、飼料中離子濃度的影響同一類酶而來源不同飼料的一些離子對酶的活性影響差異很大。Fe2+、Zn2+和Ca2+對3種纖維素酶的CMCase和FPase活性均有抑制作用,但抑制作用都不顯著,只有木霉液體發(fā)酵酶的CMCase活性受Ca2+影響較大。Mn2+對3種纖維素酶的CMCase和FPase活性均有激活作用。Cu2+對3種纖維素酶的CMCase 活性有激活作用,但對其FPase活性則是抑制作用,其中木霉液體發(fā)酵酶受影響最大。Mg2+對3種纖維素酶的作用出現(xiàn)了差異:使青霉液體發(fā)酵酶的CMCase和FPase活性提高,而使木霉固體發(fā)酵和木霉液體發(fā)酵酶的CMCase和FPase活性降低,其中,木霉液體發(fā)酵

20、酶的FPase活性受影響較大(黃燕華,2004。離子對酶活抑制或激活影響的不一致,可能是因為不同來源的纖維素酶需用作電子載體的特定金屬離子不同造成。4飼料組合酶的應(yīng)用價值組合酶產(chǎn)品并不是一個完全新的產(chǎn)品,已經(jīng)有少量飼料酶制劑產(chǎn)品初步具有組合酶的特性。但是,開發(fā)應(yīng)用組合酶或組合型復(fù)合酶還很少,有意識、專門化設(shè)計生產(chǎn)組合酶或組合型復(fù)合酶就更少。目前,飼料組合酶應(yīng)用的主要有以下幾方面的價值:4.1催化同一底物而來源不同的酶的價格不同,互相組合,可以利用一些來源方便,商業(yè)生產(chǎn)成本比較低的酶制劑,再結(jié)合一些相對成本高、而作用能夠互補的酶制劑,在保證酶添加使用效果的情況下,整體降低飼料酶制劑添加劑的使用成

21、本,有利于酶制劑添加劑推廣使用。4.2由于原料成本上漲,開發(fā)和有效利用非常規(guī)飼料原料是關(guān)鍵。非常規(guī)飼料原料由于含有一些抗?fàn)I養(yǎng)因子,影響其高效利用,克服這一問題往往在日糧中添加一些專門的酶制劑,但由于一些非常規(guī)飼料原料成分和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,一般的單酶或者復(fù)合酶并不能有效的解決其利用效率問題。組合酶或組合型復(fù)合酶由于酶種來源及其互補和協(xié)同特性,在理論上具有比一般單酶或復(fù)合酶的酶學(xué)特性的優(yōu)勢,能夠發(fā)揮其快速高效作用的潛能,因此,組合酶或組合型復(fù)合酶在開發(fā)非常規(guī)飼料原料及提高利用效率方面具有巨大的潛力。4.3一些畜禽種類和生長階段,由于消化生理特性的關(guān)系,不能很好地利用人工配制的日糧,特別是日糧中含有較

22、多的植物性成分、難利用成分,使一些飼料產(chǎn)品的質(zhì)量低且不穩(wěn)定。例如,仔豬對大豆蛋白的抗原性問題、谷物抗性淀粉利用問題,水產(chǎn)動物對植物蛋白利用問題,寵物對植物成分利用問題等。解決動物的消化生理和日糧成分的特性關(guān)系問題的一個措施是應(yīng)用飼料酶制劑。但是,在開發(fā)人工配制的日糧產(chǎn)品時,使用了一些專門的酶制劑或強化其用量,而效果并不理想。組合酶或組合型復(fù)合酶互補性和協(xié)同特性,有針對性開發(fā)特種動物專用或者特種類型日糧專用的組合酶或組合型復(fù)合酶,有可能為部分或全部解決這些問題的提供了一種有效措施。5小結(jié)應(yīng)用組合酶添加劑的前提是日糧中存在大量復(fù)雜的大分子、難分解的營養(yǎng)或抗?fàn)I養(yǎng)底物,需要多種針對同一底物的酶配合完成

23、水解任務(wù)。相反,有一些相對容易分解的底物,可能一種酶就可以完成有效的催化任務(wù),就沒有必要一定使用組合酶。所以,從應(yīng)用成本角度,應(yīng)用酶總的原則是:可以應(yīng)用單酶(單一酶添加劑基本解決問題,可不必使用組合酶或復(fù)合酶添加劑;可以應(yīng)用復(fù)合酶添加劑基本解決問題,可不必使用組合型復(fù)合酶添加劑。組合酶、復(fù)合酶的目的意義不同。飼料復(fù)合酶的特點是解決催化多種飼料成分底物的問題;而飼料組合酶的最大特點是解決催化飼料成分底物的高效性問題。目前,飼料酶制劑應(yīng)用的最大問題就是高效性問題,特別是酶如何在飼料加工過程中發(fā)揮作用,以及考慮在消化道的抗逆性,在短時間內(nèi)如何使酶的配合發(fā)揮最大效率的問題最突前期,雖然各組間差異不顯著

24、(P >0.05,但喂飼五味子提取物有降低肉仔雞盲腸內(nèi)大腸桿菌菌落數(shù)量,提高乳酸桿菌菌落數(shù)量的趨勢。隨著飼喂時間的延長,在6周齡時,喂飼五味子提取物則顯著降低了肉仔雞盲腸內(nèi)大腸桿菌菌落數(shù)量(P <0.05,有利于盲腸內(nèi)乳酸桿菌的增殖,對腸道微生態(tài)環(huán)境表現(xiàn)出積極的調(diào)控作用,有利于增進(jìn)肉仔雞機體健康,提高其生產(chǎn)性能。參考文獻(xiàn)1李平蘭,呂燕妮,劉鳳華.中藥對雞腸道微生物菌群的影響J.飼料研究,2002,2:1516.2李群道,單安山.女貞子、五味子與寡糖配伍對肉雞生產(chǎn)性能和免疫功能的影響J.畜牧獸醫(yī)學(xué)報,2005,36(4:343347.3Deying M ,Qundao L ,Ansh

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