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植酸酶和木聚糖酶在畜禽饲料中的应用前景

作者:来源:时间:2008-06-10 15:02点击:

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    1.前言
    目前饲料的安全问题已成为众人关注的焦点之一,饲料安全主要包括有三个方面,一是饲料对动物和人类健康的影响;二是在养殖过程中饲料对环境安全的影响;三是在生产饲料时对能源及饲料资源的消耗及安全的影响。从这三方面来看,酶制剂的使用对饲料安全,健康发展起着不可忽视的作用。
    饲用酶制剂的真正发展和应用始于80年代,经过多年的研究和使用,酶制剂的效果现已毋庸置疑。合理应用酶制剂不但可以提高饲料消化率和利用率,提高畜禽生产性能,降低饲料成本,还能减少畜禽排泄物中氮、磷的排泄量,起到保护水体和土壤免受污染的作用。因而饲用酶制剂作为一类高效、无毒副作用和环保型“绿色”饲料添加剂,在21世纪有着十分广阔的应用前景。
    目前国内众多饲料生产厂家使用酶制剂目的主要是:消除抗营养因子(如木聚糖酶和植酸酶),补充动物内源酶(如蛋白酶和淀粉酶),使某些养分容易吸收,提高饲料利用率。从而达到扩大可利用饲料资源、降低饲料成本和减轻畜禽粪便造成的环境污染,改善日粮风味,促进采食等一系列的目的。
    2.植酸酶和木聚糖酶的生产
    饲用植酸酶主要是由微生物发酵制得,目前用于生产植酸酶的菌株已有数种,禾本植酸酶选用黑曲霉(A.niger)为产酶菌株,经基因改良、优化表达系统后获得了更高效价的菌株。通过对该菌株的发酵可制得pH值范围广、活性高的酶制剂。木聚糖酶同样由微生物发酵制得,微生物、细菌和真菌均可以产生木聚糖酶,禾本木聚糖酶是通过真菌发酵提取获得的。
    饲用酶制剂的生产流程主要有以下几个步骤:首先是制种,其次是发酵,发酵后即可获得粗酶液,对发酵液进行分离和干燥后制得成品酶制剂。禾本植酸酶在分离和干燥时采用了二步制粒法,即首先是通过喷雾干燥制成100~120目的粉末状产品后,再采用制粒机进行二次制粒。该法制得的成品具有一定的缓释作用,效果更优于其他方法制得的产品。
    3.植酸酶和木聚糖酶的作用机理
    3.1植酸酶的作用机理
    植酸(植酸盐)的化学结构由一分子肌醇与六分子磷酸结合组成,其化学名称为六磷酸肌醇。植酸盐是磷在植物籽实中的主要存在形式,一般谷实类饲料中植酸磷占总磷的比例为50%~80%,其中玉米、豆粕中的植酸磷占总磷的比例分别为71%和58%(NRC,1994)。在单胃动物体内植酸磷消化率很低,大部分植物饲料中仅有30%的磷能被畜禽利用。因此,大量的未被消化的磷排出体外,造成磷的浪费和环境污染。
    由于植酸具有很强的螯合能力,除了磷之外它还和饲料中许多阳离子(如Ca­­2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+、Mn2+等)形成不溶性复合物(Cheryan,1983),影响这些离子的吸收。植酸还可以与蛋白质发生反应,生成植酸蛋白质复合物,降低蛋白质的利用率(何欣,1997)。因此当单胃动物的日粮中含有较多的植酸盐时,不仅自身所含有的磷不能得到有效地利用,而且还会对其它营养成分的消化吸收造成较大的负面影响(李路胜等,2003)。
    植酸酶属于磷酸单酯水解酶,是磷酸酶的一种类型。植酸酶专一性的水解植酸中的磷酸酯键,将植酸分子中的磷酸基团逐个水解分离,最终产物为肌醇和无机磷酸。除了释放植酸盐中的磷之外,植酸酶的潜在营养价值还表现在释放植酸螯合的其他矿物元素和微量元素,以及增加淀粉消化率(Knuckles等,1987),提高蛋白质利用率(Selle等,2000)。通常饲用植酸酶的最适PH在2~6之间,最适温度为40℃~60℃。
    3.2木聚糖酶的作用机理
    木聚糖是半纤维素的一种,属于非淀粉多糖(NSP),是由D-木糖主链和L-阿拉伯糖分枝所组成的聚合物。该物质主要存在于小麦、黑麦和黑小麦中,以黑麦中含量最高。M.D.Fleurg试验测定,无壳大麦、六棱大麦和二棱大麦中的总木聚糖含量分别为4.07%、6.12%和5.61%。木聚糖的抗营养特性主要表现在增加食糜粘度,影响动物消化道对营养物质的吸收。Fenlger(1998)指出,木聚糖可以在动物肠道形成高粘性物质,延缓营养物质与消化液的混和速度,阻滞营养物质向肠道粘膜表面绒毛的扩散(Llegami,1990)。木聚糖的这种粘性主要是由连接在主链上的阿拉伯糖残基分子引起的(Mares等,1973),低浓度的木聚糖直接与水分子结合使其粘稠度增加;高浓度的木聚糖则相互缠绕成网状,极大增加了吸收的水的能力,甚至形成胶凝状态,使粘度大大增加。
    木聚糖酶主要作用是使木聚糖分解为小分子,降低其粘度,同时降低肠道内容物的粘性,从而提高内源消化酶的扩散速率,最终提高养分消化率(DeSilva等,1983)。此外,由于木聚糖是植物细胞壁的构成成份之一,经木聚糖酶降解后,打破了细胞壁的坚固结构,包裹在里面的养分由此释放出来,提高了这部分养分的消化率。另一方面,木聚糖分解后食糜的粘性降低,肠道排空速度提高,小肠内的发酵程度降低,抑制了厌氧微生物菌落的生长,减少肠道疾病的发生率(Linderman等,1986)。
    4.植酸酶和木聚糖酶的应用
    4.1植酸酶的应用
    植酸酶在多种动物饲料中均可运用,目前在鸡饲料中的应用最为普遍。在日粮中添加一定量的植酸酶,可以降低生产成本,提高营养成份利用率,获得一定的经济效益。Kornegay等(1996)报道,添加939U/Kg植酸酶相当于添加1g/Kg无机磷。Namkung和Lesson(1999)试验表明,使用1149U/Kg植酸酶替代日粮中0.1%的有效磷,肉仔鸡体增重、采食量和增重耗料比与正常磷水平日粮相近。孙国荣等(2003)研究发现,在蛋鸡日粮中不加无机磷(有效磷水平为0.1%)而以0.5%的酶制剂代替,可以比不加酶组提高40.24%的赢利。刘卫东等(2003)在蛋鸡中加入不同量的植酸酶替代磷酸氢钙,结果发现添加0.006%的植酸酶可以降低饲料成本,提高蛋鸡的生产性能;添加0.004%的植酸酶时出现明显的缺磷症状;添加0.008%的植酸酶对生产性能无不良影响但增加了饲料成本。
    NathanR.等(2004)在小鸡上的实验证明,添加植酸酶可以提高钙的生物学利用率,而且对不同钙源的钙利用率提高程度不同,平均每千克饲料中可释放0.9g钙。AgustinBrenes等(2003)报道,将植酸酶添加到低有效磷的饲料中,可以提高雏鸡生产成绩和钙、磷、锌的利用率。Qian等(1996)进一步证明,微生物植酸酶在不含磷或低无机磷的猪或禽饲料中更有效。Rama等(1999)研究发现在低钙和低非植酸磷(分别为7.5和3.09g/Kg)鸡日粮中补充植酸酶可以减少无机磷的使用,同时减少磷排放到环境中的数量。该作者在蛋鸡上的实验表明添加250U/Kg植酸可以取代玉米-大豆型蛋鸡日粮中无机磷的添加,而不影响蛋鸡生产性能。
    植酸酶在猪饲料中的应用也有大量的研究,结果表明在哺乳母猪和怀孕母猪日粮中添加植酸酶可以提高磷的消化率(Lantzschetal,1995;Kemmeetal,1997;Grelaetal,2000),在生长猪上添加植酸酶可以增加钙的消化率(Pallaufetal,1994;Kornegayetal,1996;O’Quinetal,1997)。A.W.Jomgbloed等(2004)实验结果表明,在哺乳母猪饲料中添加10000U/Kg植酸酶可以显著提高磷和钠的消化率,在怀孕母猪饲料中添加750U/Kg或1000U/Kg植酸酶可显著提高磷和灰分的消化率。Helander等(1994)报道,在生长猪日粮中添加1200U/Kg植酸酶可提高镁的消化率。Kemme等(1998)报道在猪上补充500U/Kg植酸酶可增加10%~20%钙表观消化率。
    以上的实验结果均表明,饲用植酸酶的添加可以在不影响动物生产性能的同时为养殖业带来一定的经济效益。而不同动物不同生长阶段,植酸酶的添加量不同,对营养成分利用率的改善程度也有差别。
    4.2木聚糖酶的应用
    近年来众多研究表明,木聚糖酶能通过降解木聚糖而消除其抗营养作用,因此这一酶制剂在生产中的应用已越来越普遍。张志群等(1998)发现在肉鸡饲料中添加木聚糖酶可以改善肉仔鸡饲料转化率,提高肉仔鸡的增重。王金全等(2004)加入不同剂量木聚糖酶到不同小麦水平肉鸡日粮中的实验表明,木聚糖酶能显著增加30%和40%小麦水平组肉鸡平均日增重(P<0.05),随酶添加剂量的增加,日增重有增加趋势。该实验还发现木聚糖酶的添加能明显改善肉鸡1~3周的饲料转化率,日粮代谢能提高0.29%~6.69%。Chot等(1992)报道,在高比例小麦型蛋鸡日粮中添加木聚糖酶,蛋鸡的表观代谢能、试验期增重、饲料转化率和蛋白质消化率,以及粪便形态都可得到明显改善。此外该实验还发现,在蛋鸡养殖过程中,小麦+木聚糖酶型日粮的使用效果达到并超过了玉米型日粮。
    木聚糖酶在猪的饲料中也有应用,有实验表明猪采食小麦日粮后日增重与日粮中添加木聚糖酶数量呈显著正相关,饲料转化率也得到显著改善;经济效益分析表明,用小麦大量代替玉米,同进添加木聚糖酶,在养猪生产上既可提高生产性能又可提高获得经济效益(王修启等,2001)。冯定远(1997),白亮亮(1999)报道,在20Kg~60Kg生长育肥猪的次粉或小麦日粮中添加5%木聚糖酶制剂可提高日增重和饲料转化率,降低腹泻率,健康状况明显改善。Prokop等(1999)在仔猪中应用木聚糖可提高仔猪日增重,蛋白质消化率提高3%,纤维消化率提高17%(P<0.01),蛋白质沉积率提高9%(P<0.01)。由以上的实验结果可以看出,木聚糖酶在养殖业的使用具有广阔的前景。
    5.酶制剂在饲料应用中出现的问题和前景
    由于目前养殖畜牧业的迅速发展,大宗饲料原料出现了一定的短缺现象,而且无机磷对环境的污染也不容小视,因此必须重视对植物磷的利用,以及合理开发利用我国资源丰富的麦类谷物和糠麸类饲料原料,其关键就在于酶制剂的应用。在饲料中添加适当的植酸酶可以提高植酸磷的利用,大大降低无机磷的用量,在保护环境的同时还可以节约饲料成本;木聚糖酶则可以降解木聚糖,消除麦类饲料中这一主要抗营养因子,增加其在饲料配方中的使用量。
    由于国内的酶制剂普遍存在耐高温能力较差,长期储存时酶活不稳定,以及酶活性检测困难的问题,因此限制了酶制剂在颗粒饲料等畜禽料中的应用。而在国外植酸酶已成为一种强制添加的非常规原料,目的是减少无机磷对环境的污染。现在国内外解决植酸酶耐高温的主要措施是包膜技术,但包膜产品的性能不太稳定,并不能从根本上解决耐高温的问题。
    为了能更好的推动我国酶制剂事业的发展,为广大饲料生产商带来更高的效益,也为我国环境保护做出一定的贡献,禾本公司一直致力于耐高温、高效、储存性好饲用酶制剂的研究,现已取得了一定的成绩。目前禾本公司主要通过分子生物学的途径,来寻找能从根本上解决植酸酶耐高温问题的方法。即将推出的禾本植酸酶新产品在生产过程加入了蛋白质改造工艺,以期能使产品具有耐高温性能。此外,针对酶活检测困难的问题,禾本公司以强大的科技为依托,已成功的研制出一种快速检测植酸酶活性的试剂盒,即将投放市场,使广大用户能更便宜快捷的测定酶活。
    随着生物工程技术的不断发展,还可进一步研究出不同动物不同阶段中各种酶的最佳添加量,另一方面也可以经过对产酶菌株的筛选或诱变以产生更适宜于饲料生产的酶制剂。总之,各种饲用酶制剂必将在未来的畜牧业发展中,发挥出其所具有的巨大潜力和作用,为我国的养殖业带来新的生机与前景。
    
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