動物營養:
不同酶制劑的特點及在飼料生產中的應用
文章來源:武漢新華揚生物     更新時間:2011-01-04 03:14:50     點擊數:5613
導語:

飼用酶制劑的應用效果現已毋庸置經,它既能提高飼料的消化率和利用率,提高畜禽及魚類的生產性能,又能減少畜禽攝泄物中的氮、磷的攝泄量,保護水體和土壤免受污染,因而飼用酶制劑作為一類高效、無毒副作用和環保型的“綠色”飼料添加劑,在21世紀將有著十分廣闊的應用前景。

    根據國內外多年的研究和應用實踐,我們認為在飼料中使用酶制劑有以下幾點原因:

l         改變腸道內的物理化學性質,如降低食糜粘度

l         破壞細胞壁,使營養物質更易被動物消化酶消化

l         去除抗營養因子

l         補充內源酶的不足,如幼齡動物及應激狀態下

l         更利于特定營養在動物在小腸內的吸收

l         提高谷物加工副產品的營養價值

l         降低排泄物的水分含量

l         減少營養物質的浪費,提高消化率

l         影響胃腸道內微生物的構成,平衡腸道菌群

    盡管酶制劑的作用已經為人們所認識,但是由于酶制劑生產的特殊性,比如使用不同的菌種,不同的生產方式(固體發酵或者液體發酵),同一種發酵方式中的不同生產條件和對生產條件控制的能力的差異以及最終產品的測定條件的巨大差異都給廣大酶制劑的用戶帶來了一定的難度,很難從表觀上去簡單判別哪種酶制劑產品是適合自己的。那么,拋開產品的差異,我們在決定飼料中使用酶制劑種類時至少應考慮以下的因素:

首先要考慮到是飼料的組成,主要考慮以下因素:

Ñ       谷物及蛋白飼料原料的種類

Ñ       谷物及蛋白飼料原料的配比

Ñ       谷物及蛋白飼料原料中抗營養因子的水平(根據來源、天氣和土壤情況而不同)

第二個考慮到因素是動物本身的因素,特別是日齡因素和品種。

一般來說,可推薦下面的組合

Ñ       使用木聚糖酶在阿拉伯木聚糖豐富的飼料中

Ñ       使用β-葡聚糖酶在β-葡聚糖豐富的飼料中

Ñ       使用淀粉酶在淀粉含量高的飼料中

    盡管原則上應該是這樣,但在實際操作中,我們發現營養師仍然會有很大的疑慮,究竟該選擇什么樣的酶制劑和酶制劑的組合,才能最好的發揮酶制劑的功能,降低飼料企業的成本壓力,提高飼料的品質,是現在大家比較困惑的問題。

 一、不同酶制劑及其底物特點

酶作用的一個主要就是特點是底物專一性,所以在介紹酶制劑之前應該對其所作用的底物有一個初步的認識。目前國內飼料酶制劑主要包括消化非淀粉多糖的外源酶、淀粉酶、蛋白酶等內源酶。在本節中將分別闡述以上酶制劑的作用和特點和其相應底物的特點,主要有:

l         非淀粉多糖酶 

l         淀粉酶

l         蛋白酶

1、  非淀粉多糖酶

小麥、玉米、豆粕、雜粕等是目前飼料行業中常用到的飼料原料,但在考慮谷物飼料和蛋白飼料的營養價值時應注意到他們之間存在的差別,主要包括蛋白及碳水化合物在數量和質量上的差異以及內源性酶活上的差異。谷物的組成受到很多因素的影響,如種類、氣候條件、土壤環境等。要適當地評價谷物飼料的品質,需要對碳水化合物有一個深入的了解。

碳水化合物含有很多易消化的營養物質,如淀粉和糖,但同時也有一些不能被消化的成份,甚至有些是具有抗營養作用。圖1是碳水化合物的不同組分的示意圖

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1.1非淀粉多糖(NSP)

植物性原料的主要組成是纖維素、半纖維素、果膠、蛋白質和木質素。非淀粉多糖(None Starch polysaccharides  NSP)是目前常用的原料中數量非常大的組分,并且其半纖維組分的存在(木聚糖、阿拉伯聚糖、葡聚糖、乳糖和甘露聚糖)是NSP具有很多抗營養作用的主要原因。

這些抗營養作用嚴重地影響了這些原料的使用,在小麥、裸麥、大麥和所用的加工副產品以及中,阿拉伯木聚(Arabinoxylans  AX)是最主要的抗營養因子。在大麥和燕麥中,抗營養因子主要由β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖組成。表1顯示了幾種谷物飼料及蛋白原料中的NSP的組成。

1:不同谷物飼料中NSP的組成(%干物質)

 

阿拉伯

木聚糖

β-

葡聚糖

纖維素

甘露聚糖

半乳糖

糖醛酸

NSP

小麥

8.1

0.8

2.0

很少

0.3

0.2

11.4

大麥

7.9

4.3

3.9

0.2

0.3

0.2

16.7

裸麥

8.9

2.0

1.5

0.3

0.3

0.2

13.2

黑小麥

10.8

1.7

2.5

0.62

0.5

0.2

16.3

高梁

2.1

0.2

2.2

0.1

0.15

痕量

4.8

玉米

5.2

痕量

2.0

0.2

0.6

痕量

8.1

大米

0.2

0.1

0.3

痕量

0.1

0.1

0.8

米麩

8.5

痕量

11.2

0.4

1.2

0.4

21.8

麥麩

21.9

0.4

10.7

0.4

0.8

1.1

35.3

來源:Choct,1997

從表1,我們知道NSP是麩質類原料的最重要組分(占小麥麩的35.3%,米麩的21.8%)。阿拉伯木聚糖在小麥和裸麥中含量也非常豐富(8.1%和10.8%),其他谷物如大麥,燕麥和玉米中也有相當數量的阿拉伯木聚糖(7.9%,8.9%,5.2%)。其面提到過大麥中也含有相當多的β-葡聚糖(4.3%)。為了更好的了解木聚糖酶和葡聚糖酶的應用,我們將著重講述阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖的結構以及其抗營養的作用。

1.1   阿拉伯木聚糖

阿拉伯木聚糖是NSP中最主要的成份。圖2以平面的形式體現了阿拉伯木聚糖的空間結構。

2: 阿拉伯木聚糖片斷的平面結構

阿拉伯木聚糖是由木糖分子由β-(1,4)鍵連接而成的骨架結構。這一木糖分子的線性長鏈結構是它的基礎骨架。由于來源不同,其直鏈上還可能連接著不同的組分形成的線性支鏈。

A:由阿拉伯糖分子形成的支鏈

是最常見到支鏈結構

化學鍵:與木糖的3號碳原子形成糖苷鍵,最長見的化學鍵

         也可能與2號碳原子形成糖苷鍵

單體(常見)/二聚體,或三聚體(少見)

B:由葡糖醛酸形成的支鏈(和他們的甲基酯)

    化學鍵:與木糖的2號碳原子

C: 由乙;鶊F形成的支鏈

    化學鍵:與木糖的2和3號碳原子

D:由酚酸形成的支鏈

    例如:阿魏酸和香豆酸

    化學鍵:與阿拉伯木聚糖的阿拉伯糖殘基形成酯鍵,不與木糖分子直接相連

從上述情況我們知道,阿拉伯木聚糖的結構復雜性包括其簡單的線性木糖骨架以及其他支鏈結構的附著。形成這些結構特點的原因包括天氣、品種等多種因素。支鏈的數量和特點決定了木聚糖酶是否可以發揮其作用。因此,在考慮使用木聚糖酶的時候要充分考慮到阿拉伯木聚糖的復雜性。

1.2 阿拉伯木聚糖抗營養作用

增加粘度

在配方中高含量的吸附阿拉伯木聚糖最為人知的就是它提高了食糜的粘性。主要是因為它強大的吸水能力,一般說來它可10倍于其重量的水份。

粘性的增加使得飼料與消化酶以及膽鹽的混合非常困難,另外營養物質的吸收效率也受到很大影響,同時還通常伴隨著微生物活動的增加,并且有理由相信,這也是導致高含量阿拉伯木聚糖日糧飼喂動物其生長性能變差的一個重要原因。一個可能的解釋是這些微生物和其宿主之間會競爭營養物質。腸道微生物還可以轉運對脂肪消化起重要作用的膽鹽。另外引起腸道形態的變化也是AX重要的抗營養作用,這會降低腸道的吸收能力。最后,AX的吸水能力還會導致排泄物的粘性和水分增加。

屏蔽營養物質

AX第二個重要的抗營養作用是其作為細胞壁成份形成一層包被,將大量可被很好利用的營養物質如淀粉和蛋白質包裹起來,或者是支鏈結構與營養物質形成化學鍵(例如,阿魏酸的凝膠功能)。這些被包裹的營養將不能被動物腸道充分利用。

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 1.3 木聚糖酶

木聚糖酶是目前使用的最多的一種飼料用酶,從來源上講有真菌性的木聚糖酶和細菌性的木聚糖酶,從作用方式來看,又包括外切性木聚糖酶和內切性木聚糖酶。

就目市場出現的木聚糖酶而言,絕大部分都是通過真菌發酵而產生的木聚糖酶,發酵菌種包括木霉屬、黑曲霉和米曲霉等。到目前為止還只有比利時Nutrex公司是利用枯草芽孢桿菌(細菌)為發酵菌種生產木聚糖酶(Nutrase)。

從酶的生產方式來說,又可分為固體發酵和液體發酵,這兩種發酵方法在很多方面也存在著巨大的差異。

 

液體發酵生產酶制劑

固體發酵生產酶制劑

耗能

單位發酵體積酶產量

菌種類型

細菌、酵母

霉菌等真菌

原料

原料單一、精細

原料多樣、粗放

酶系

單一化、標準化

復雜、不易控制

生產穩定性

強、自動化程度高

難以控制、人為影響大

設備、技術投資

巨大、技術含量高

少、操作簡單

機械化程度

基本為手工操作

3 :各種木聚糖系列酶的作用位點

 1.4 內切和外切木聚糖酶

內源性1,4-β-木聚糖酶可將木糖聚合物分解成短鏈。這一內切活性會很快將食糜粘性降低并釋放被包裹的營養物質。因此,這種酶是消除AX抗營養作用的最重要的酶。外切性木聚糖酶只能在AX的末端發揮作用,對降低粘性只能很微弱的作用,不僅如此,有研究表明,產生大量的木糖單體對動物的生產性能有很大的副作用。

1.5 底物的化學和物理性質

自然界的AX有很多不同的化學性質,這些區別對多聚糖的物理性質有很大的影響。很多的AX都是不可溶性的。

很多研究表明商業性的木聚糖復合酶制劑在降解可溶和不可溶性的AX的程度上有很大的不同。Courtin等(2000)年總結了10種木聚糖酶在降解可溶和不可溶AX上的區別。他們發現與其他類型的木聚糖酶比較,由芽孢桿菌發酵產生的木聚糖酶在降解不可溶性的AX上有很大的活性,可把不可溶性的AX溶解并最終降解。由于不同原料中都含有大量的AX,因此細菌性木聚糖酶在降解不可溶性木聚糖上的優勢使其在應用中有了更多的優勢。

影響內切木聚糖酶發揮作用的另一個因素是AX的結構復雜性。主要是大量支鏈結構的存在影響了酶和底物充分的接觸。有些木聚糖酶對支鏈的空間結構的識別能力很差,這也使得不同的木聚糖酶效率在復雜底物存在時的顯著差異。

支鏈降解酶的重要性主要體現在提高了木聚糖酶對AX的可降解性,并且還可以分解支鏈成份與其他成份形成的復合物(如凝膠產物)。

要徹底分解AX需要外源和內源性木聚糖酶同時作用。大多數市場上的木聚糖酶含有不同類型的木聚糖酶和其他一些“雜酶”(通常是支鏈水解酶),所以總的酶復合物可以水解大部分AX結構。我們必須明白一點,把在飼料中存在的木聚糖充分降解成木糖單體并不是主要目的,要提高動物的生產性能僅需要把復雜的AX結構降解為較小的片斷以消除其抗營養作用。

2 β-葡聚糖

 2.1 結構

β-葡聚糖是D-葡萄糖通過β-(1-3)和β-(1-4)鍵連接而成的多聚體。其中β-(1-3)鍵的比例要視不同谷物來源而定。例如在大麥中β-(1-3)鍵占30%,β-(1-4)鍵占70%。(圖 5)由于有β-(1-3)鍵的存在,因此它的化學性質和半乳糖就有很大差別(半乳糖是有β-(1-4)鍵組成的多聚糖)。由于它們是水溶性的,因此不會造成太過復雜的結構。

2 總結了幾種谷物中β-葡聚糖的含量。一般而言,大麥和燕麥中的β-葡聚糖含量最高,并且很顯然,β-葡聚糖是脫殼大麥和燕麥中最重要的NSP

 

β-葡聚糖含量

總的NSP含量

β-葡聚糖/總NSP

玉米

 

 

 

 

0.1

9.7

1%

小麥

 

 

 

 

0.8

11.9

6.7%

裸麥

 

 

 

 

1.6

15.2

10.5

大麥

 

 

 

      脫殼

4.2

18.6

22.6%

      未脫殼

4.2

12.4

33.9%

燕麥

 

 

 

脫殼

2.8

23.2

12.1%

未脫殼

4.1

11.6

35.3%

來源:Knudsen 1996

 

 

 

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2.2 β-葡聚糖的抗營養作用

低濃度的β-葡聚糖只會與直接與水分子左右而截留水分。但當濃度增加后,就會互相反應而形成網狀結構(凝膠)。因此含有高濃度的β-葡聚糖的飼料就會導致腸道內容的粘性增大。粘度增加的抗營養作用在阿拉伯木聚糖中已有詳細闡述:

l         腸道內微生物活動加劇

l         消化率降低、營養物質利用率低

l         粘性排泄物

 2.3 β-葡聚糖酶:

與阿拉伯聚糖酶類似,要消除β-葡聚糖的粘性效應,就要把其長鏈水解成較短的短鏈。最有效的方法就是使用內切β-葡聚糖酶。

 3、纖維素

  纖維素是D—脫水葡萄糖以β—1,4糖昔鍵結合而成的線性大分子物質。每分子纖維素含800—1200個葡萄糖分子,分子量為60—150萬道爾頓,分子鏈內、鍵間及分子鏈與表面分子間易形成氫鍵。常見的畜禽飼料如谷物、豆類、麥類及牧草都含有大量纖維素,并且常與半纖維素、果膠等物質結合在一起。除反當動物可以利用一部分纖維素外,單胃動物如豬、雞等則不能利用纖維素。

3.1 纖維素酶

纖維素酶是由多種水解酶組成的一個復雜酶系,根據其各酶功能的差異,被分為以下三大類:

C 1酶、Cx酶、BG酶。

 ①C1酶又稱葡聚糖內切酶(endo-1,4—β-D—glucanase.來自真菌簡稱EG;來自細菌簡稱Len),它作用于不溶性纖維素表面,隨機水解β—1,4—糖苷鍵,將長鏈纖維素分子截短,產生大量非還原性末端的小分子纖維素;

Cx酶又稱葡聚糖外切酶(exo—1,4—β—D—G1ucanase來自真菌簡稱Cbh;來自細菌簡稱Cex),作用于纖維素線性分子末端,水解β—1,4糖昔鍵,每次切下一個纖維二糖分子,故又稱纖維二糖水解酶(Cellobiohydrolase);

③BG酶(β-葡萄糖昔酶)可將纖維二糖、纖維三糖水解成葡萄糖分子。

纖維素在這3類酶的協同作用下完成水解,一般情況下,其酶促降解示意圖如下:

3.2 纖維素酶的作用

l         打破植物細胞壁使胞內原生質暴露出來,有內源酶進一步降解,所以除了細胞壁被降解供能外,還提高了胞內物質的消化率,從而有效地提高了飼料的有效能值

l         可補充草食動物內源酶的不足,在草食動物胃中雖有一定量的能分解纖維素的微生物存在,可以分解一定量的纖維素,但產生的纖維素酶量有限,而添加纖維素酶制劑可明顯提高草食動物對粗纖維的消化利用率。另外,對單胃動物而言,纖維素酶可改善消化道環境,使酸度增加,以激活胃蛋白酶。

l         消除抗營養因子,降低物料的粘稠度,促進內源酶的擴散,增加養分的消化吸收。

l         治療和預防反芻動物的前胃遲緩和消化不良以及馬、驢的消化不良等方面療效顯著

 4 甘露聚糖

甘露聚糖,就是半乳糖基甘露聚糖,其在餅粕類原料中含量很高,在豆粕中的含量比在其它常用飼料中的都高。

4.1 甘露聚糖的抗營養作用

l         對于家禽和豬來說,甘露聚糖降低粕類飼料的消化率

l         即使很低濃度的甘露聚糖也會降低葡萄糖在腸道中的吸收率,結果通過于擾胰島素的分泌和胰島素樣生長因子的產生而降低碳水化合物的代謝

l         降低氮的瀦留率以及降低脂肪和氨基酸的吸收

l         降低水的吸收從而導致糞便含水量增高。

4.2甘露聚糖酶

酶是半纖維素酶中的一種,它能有效地分解粕類飼料中的甘露聚糖生成甘露寡糖等物質,雖然甘露寡糖不能直接被動物機體吸收,但可參與機體的神經內分泌,影響代謝。甘露聚糖酶的作用包括:

l         提高餅粕類飼料的能量利用率

l         降低動物體重的變異程度。而且動物體重越小,該酶的作用越容易體現。

l         可有效阻斷細菌和寄生蟲對腸道的侵襲,提高動物健康水平。

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5、果膠

果膠是存在于植物組織中的一種多糖成分,主要由半乳糖醛酸及其甲酯縮合而成,它和纖維素一起對植物起構造作用。

5.1 果膠酶

果膠酶含有酯酶、水解酶和裂解酶三種成份,分別對果膠質起解酯、水解、裂解作用,生成半乳糖醛酸和寡聚半乳糖醛酸、不飽和半乳糖醛酸和寡聚半乳糖醛等,最終分解植物結構,釋放營養物質。

6、淀粉

淀粉是谷物飼料中主要成份(表3)。它是D—葡萄糖的多聚體,在植物中是以顆粒形式儲存的。

谷物

淀粉(%)

谷物

淀粉(%)

玉米

69

小麥

65.1

裸麥

61.3

燕麥   脫殼

46.8

大麥  脫殼

58.7

燕麥  未脫殼

55.7

大麥  有殼

64.5

 

 

來源:Knudsen 1996

 

 

 

6.1 結構

淀粉是支鏈和支鏈結構的混合物。這兩種結構淀粉的比例在不同來源的淀粉中不同,因此,含量并不固定。一般來說,支鏈淀粉占10%-30%,支鏈淀粉占10%-90%。

支鏈淀粉是由300-400個葡萄糖分子經α-(1-4)鍵連接而成的線狀分子。支鏈淀粉含有經α-(1-6)鍵連接在主鏈上的側鏈結構,每12-25葡萄糖單位的骨架中會出現一個這種α-(1-6)鍵,含有20-25個葡萄糖分子。(圖5)

(作者:劉濤)
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