饲用酶的科学理论、实践和代谢实证

摘 要：家禽日粮中外源饲用酶的使用正在成为克服抗营养因子不良影响、提高日粮消化率和改善家禽生产性能的一种常态。本文概述了使用饲用酶的科学依据和目前饲用酶技术的发展现状，并讨论了添加饲用酶后的反应效果及造成这种不同效果的可变因素。虽然在添加饲用酶后能促进营养物质的利用，但也存在限制反应效果的生理因素。这些限制因素包括消化道内pH值和食糜停留时间。为克服这些限制因素，至少部分营养策略值得深入探究；可能的方法包括通过饲料加工重建嗉囊和肌胃原有的功能，也包括使用高剂量的酶制剂。未来饲用酶制剂的发展，将会减少很多生理上的障碍。

关键词：饲用酶；变异反应；代谢限制；营养利用；家禽

中图分类号：S816 文献标识码：C 文章编号：1001-0769（2015）05-0082-03

酶在家禽上的使用已有很长历史，关于酶制剂的首次报道刊登于20世纪20年代的Protozyme。最初的酶制剂研究大多起源于美国，当时没有受到广泛关注。在20世纪50～60年代期间，开创性的研究阐明了在大麦型日粮中添加酶制剂的价值，到70年代初其相关的研究集中于使用植酸酶提高植物性饲料中磷的利用率。在这些研究中使用的酶制剂是原酶（crude enzyme），因为当时能获得的酶非常少。10～20年之后，NSP酶和植酸酶已经达到了商品化生产规模。近30年，饲料成分中目标底物的化学性质逐渐被阐明，使得针对特定底物的酶制剂生产得以精细调控。另一个进步是在生物技术领域，尤其是指发酵和微生物学技术与分子生物学技术。今天，饲料酶的生产成本足以降至使配方师不必担心这部分成本的地步。除此之外，技术进步还体现在为改善动物胃肠道功能而设计特异性的酶，以及在配合料生产过程中提高酶稳定性的生产技术的进步。

近5年来，饲料酶市场发展迅猛，很大一部分原因在于饲料原料成本持续攀升。虽然饲料酶的接受度越来越广泛，但还存在酶的效果变异以及很多亟待解决的问题，如如何使酶的效果更稳定。纵然效果存在差异，但这些差异不只是对酶有一定的限制性，而且还存在潜在的促进酶使用效益的机遇。酶作用的局限性与3种组分（酶、底物和家禽）相关。本文的目的是为酶在家禽日粮中的使用提供科学理论和实践概述。

1 科学理论

1.1 酶的性质

为了更好地理解饲料酶使用的限制性，首先需要考虑到酶的基本性质。酶是高效的生物催化剂，在某种条件下能将化学反应速率提高几百万倍。化学上，酶是具有高度复杂三维分子结构的蛋白质。酶的蛋白质性质对其在高温饲料加工和在胃肠道中的转运具有重要的意义。作为蛋白质，酶会因加热和pH值变化而变性，也能被消化酶分解。

1.1.1 酶特有的性质是高度的底物特异性

每一种酶只有在其特定反应位点才能将高度特异性底物分解。因此，为了从酶制剂中获得最佳效果，必须确保所使用的酶是根据饲料配方中的底物而选择的。另外，酶的几种反应条件也须注意，包括含水量、温度、pH值、酶浓度和底物浓度。

1.1.2 含水量

酶的反应需要水环境。水对于酶的移动及酶和底物的可溶性都是必不可少的。

1.1.3 温度

一般温度达到40 ℃，酶活性升至最高，温度继续升高导致酶变性，从而使其活性急剧下降，直至失活。

1.1.4 pH值

在低pH和高pH条件下，大多数酶都会变性。一般地，大多数酶的最适pH约为4～6。

1.1.5 酶浓度

理论上，反应速率与酶浓度成正比。反应速率随酶浓度的增加而提高，原因是提供了更多的活性位点致使形成了更多的酶底物复合物。但实际上，由于受到动物消化道内其他条件的限制，这种线性关系不会存在。反应速率与酶之间的关系是非线性的。

1.1.6 底物浓度

酶量充足时，反应速率随底物浓度的增加而提高。值得注意的是，不同来源（真菌、细菌和酵母）的酶其反应条件不同。因此，酶的来源对特定的酶在消化道中的最适条件及其功能有很大影响。

1.2 底物和酶的类型

饲料组分中的酶底物主要分为3类：（1）家禽消化道中能产生相应酶的底物，如淀粉、蛋白、脂肪等；（2）家禽体内不能产生相应的酶而无法被消化的底物，如纤维素；（3）家禽体内不产生相应的酶就无法被消化，且有抗营养作用的底物，如β-甘露聚糖、戊聚糖、植酸。另一点需要注意的是饲料组分并不全是酶的底物，而且饲料组分中酶的底物也非常复杂。正因如此，饲料组分的潜在营养价值并没有在家禽中完全体现，饲料组分也未被100 %消化。即使有些底物，家禽能产生足量的內源酶，但也未能被完全消化，未消化部分占比约为10 %～20 %。使用外源酶的主要目的就是为了促进未消化底物的消化。

在饲料组分中，底物（营养物质和抗营养物质）中的复合物限制了酶与底物的接触。虽然科技进步了，但很多目标底物的化学性质和结构仍未阐释清楚。譬如，NSP的化学性质在不同的饲料组分中变化很大。虽然对组成谷物NSP的糖类数量已经明晰，但对其它组分的信息却仍不清楚。如果能对目标底物化学性质的了解更为详细，酶的作用将会大大提升。对降解底物的效率不稳定的酶而言，其与底物的亲和力也不容忽视。Choct等研究具有不同底物亲和性的3种真菌木聚糖酶发现，底物特异性与酶的来源密切相关。

若要使酶有效果，就须保证日粮中酶与底物的比例。一个非常复杂的因素是，一个配方中的某个底物在另一配方中未必完全相同。不同的底物与不同配方中的相同底物都会导致酶的差异。这些差异因配方基质中的底物位置、其他限制因素、可接触性和溶解度而不同。Leske和Coon已经阐明了植酸酶在这方面的相关事宜。他们发现不同配方中的植酸其脱磷酸的能力不同，有活性的植酸和总植酸含量，在评价外源植酸酶效果时尤为重要。譬如，加拿大油菜粕中总植酸含量特别高，但有活性的植酸却很少，因此对植酸酶的反应效果不佳。

2 生产实践

饲料酶是研究最多的饲料添加剂种类。总结目前饲料酶的应用情况是项令人畏缩的工作，饲料酶的种类繁多（表1），每种酶都有大量的商用产品，而且其来源、酶活性和性质也不尽相同。目前在饲料工业中有4类商用酶制剂：（1）微生物源植酸酶；（2）针对黏性底物（如小麦、大麦）的聚糖酶；（3）针对非黏性底物（如玉米、高粱）的酶；（4）针对非谷物（如豆粕、食用豆类）的酶。除了微生物源植酸酶，其它大多数酶制剂是由一种或多种生物生产的酶混合而成。有证据表明，含多种酶的产品能更好地提高家禽日粮中营养物质的利用率。酶的复合使用将对营养物质的利用和动物生长性能导致添加、副添加或增效作用。酶混合物而不是纯粹的单酶，代表了下一代饲料酶，因为饲料组分的结构是异常复杂的。原料中的营养物质不是独立存在的，而是以复合物的形式存在，与蛋白质、脂肪、纤维和其他碳水化合物有多种联系。例如，在小麦基础日粮中，仅仅依靠木聚糖酶分解阿拉伯木聚糖远远不够。已有报道指出，在肉鸡的小麦基础日粮中，根据蛋白和能量利用与生长性能的关系，木聚糖酶与植酸酶同时包埋使用，表明通过促进底物接触与减少底物（NSP和植酸）的抗营养作用，一种饲料酶的活性或受到另一种酶的促进，并且这种作用是相互的。在玉米型、大麦型或小麦型基础日粮中，植酸酶与α-半乳糖苷酶、蛋白酶、β-甘露聚糖酶和木聚糖酶同时包埋发现，植酸酶与碳水化合物酶和蛋白酶共同增加肉鸡日粮中的营养物质利用率。

家禽业对饲料酶的使用量最大。家禽养殖的高度整合加快了新技术的应用，外源酶的包埋已变成了提高消化率和饲料利用率的常规手段。几乎世界上所有的小麦型和大麦型肉鸡日粮都添加了聚糖酶（木聚糖酶和β-葡聚糖酶）。过去几十年，肉鸡料中植酸酶使用的增加是与粪便中磷污染受到越来越多的关注以及无机磷酸价格的疯涨密切相关。最近几年，植酸酶已经超过聚糖酶成为了全球最主要的饲料酶。针对玉米豆粕型日粮的酶制剂包括淀粉酶、木聚糖酶、脂肪酶和蛋白酶也在快速发展，它们的应用也受到了越来越多的关注。鉴于饲料酶主题的文献已唾手可得，本文不再着重于总结文献中这些饲料酶对家禽生长性能和营养物质利用的影响。

2.1 利润

添加酶制剂的最终目的是通过改善日粮营养物质（蛋白质、氨基酸、淀粉、脂肪和能量）的消化率来提高家禽生长性能从而获利。但是，若要进一步提高饲料酶的接受度还有很多原因，这些原因也将在未来生产中发挥更大的影响。

① 通过降低或去除难消化的饲料组分限制性，增加配方中可使用的饲料原料种类。

② 降低不同批次原料中营养价值的变异性。酶制剂可提高利用率较低的原料营养价值，减少原料间品质不同带来的差异。反之，还可以提高饲料配方的精确度。

③ 降低粪便含水量和因饲喂高水平NSP日粮对家禽造成的稀粪。粪便质量差会诱发动物福利问题。

④ 提高消化率，减少未消化的营养物质到达肠道后段，肠道菌群中有益菌增加，从而促进肠道健康。其作用还有，由于对菌群的影响增进了免疫功能，从而对家禽的健康起到保护作用。

⑤ 改善肠道形态和增进肠道完善，促进日粮营养的消化和吸收。

⑥ 减少粪便排出量和粪便中的营养物质残留（粪氮和磷）。

⑦ 提高弱仔的生长性能，从而提高出栏时群体的均匀度。

总之，添加外源酶的好处绝对不仅仅是提高营养物质消化率，对全球与家禽产业相关的环境、肠道健康、动物福利和可持续性都有潜在作用。

2.2 作用模式

不同的饲料酶具有不同的作用模式。虽然酶制剂作为饲料添加剂的接受度不断提高，但其真正的作用模式仍未阐明。目前一致认为，以下几种作用机制基本涵盖了酶的作用模式。

① 降解饲料组分中內源消化酶无法打破的某些化学键。

② 降解直接限制营养物质消化、间接增加肠道食糜黏性或两者兼具的抗营养因子。

③ 打破细胞完整性，释放细胞壁结合或包埋的营养物质。

④ 将食糜转移至消化效率更高的消化道位置。

⑤ 减少肠道的內源分泌和蛋白损失，从而减少维持需要。

⑥ 降低肠道重量，改善肠道形态。

⑦ 改善肠道菌群结构。酶通过影响肠道内底物的数量和组成，从而直接影响肠道菌群。

⑧ 补充家禽体内量不足或根本不存在的消化酶，提高消化率。这对消化系统尚不完善的雏鸡尤其重要。

原题名：Feed enzymes：The science， practice， and metabolic realities （英文）

原作者：V. Ravindran