新型瘦肉型飼料添加劑生物基1,3-二羥基丙酮的開發與應用

馬 駿 胡忠策 鄭裕國

摘要: 綜述了瘦肉型飼料添加劑的研究現狀,分析了生物基1,3-二羥基丙酮的生產及安全性,并對其前景進行展望。

關鍵詞:瘦肉型飼料添加劑;生物基1,3-二羥基丙酮;動物營養

中圖分類號:S816.7文獻標識碼:A文章編號: 1007-5739(2009)20-0332-02

隨著生活水平的提高,人們對膳食營養、口感、品質、結構的要求越來越高。動物食品是人們膳食結構中的重要組成部分,需求量在逐年上升,尤其是對高蛋白低脂肪、營養價值高、口感好、品質高的動物食品需求量越來越大,要求也越來越高。這對禽畜養殖行業、飼料行業、食品加工行業提出了更高的要求。對于飼料及飼料添加劑行業,為了滿足市場與消費者的需求,開發新型綠色安全飼料添加劑是當務之急。目前,新型瘦肉型飼料添加劑的研究與開發是飼料科技研究領域的研究熱點,也是飼料工業企業科技創新、提升產品科技含量、提高企業競爭能力與盈利水平的重要手段。

1瘦肉型飼料添加劑的現狀

降低禽畜酮體脂肪含量、提高禽畜酮體瘦肉率在過去幾十年一直是動物育種、動物營養、飼料、養殖領域的重要研究方向和主要目標。雖然有關瘦肉型禽畜的育種工作一直在有序的開展,也有一定的成效,但是培育一個穩定高產的瘦肉型禽畜品種的周期長,工作量大,且對于瘦肉型品種的禽畜也要有相應合理的配比飼料和科學的養殖方法,才能得到高品質的動物酮體。

一直以來,世界各國科學家都在努力開發能提高禽畜瘦肉率的飼料添加劑。利用代謝調節劑促進動物脂肪消耗、提高蛋白質沉積是一條行之有效的方法。在生產實踐應用中,使用腎上腺素受體激動劑、甾醇類藥物作為飼料添加劑,如鹽酸克倫特羅(俗稱“瘦肉精”),能促使體內脂肪酶活化,促進甘油三酯分解成游離脂肪酸和甘油,能有效地緩解、減少脂肪沉積,增加肌肉蛋白含量,從而改善禽畜酮體品質,提高瘦肉率。這些物質雖然能有效提高瘦肉率,但是,卻能在禽畜酮體中殘留,對人體有一定的毒害作用,因此,國家相關部門已經禁止在動物日糧中使用該類物質[1-4]。

目前,市場上沒有一種綠色安全、價廉物美、高效、廣泛使用的瘦肉型飼料添加劑。同時,市場對瘦肉型飼料添加劑的需求量很大,當年風靡全國的“瘦肉精”足以說明瘦肉型飼料添加劑市場的龐大。這種突出的供需矛盾,促使不少的企業、研究機構、大專院校投入大量的人力、物力、財力研發瘦肉型飼料添加劑,并取得了一定的研究成果。如國家發明專利(NO.ZL86105967)提供了一種從含莨菪烷類生物堿的茄科莨菪類植物中提取有效成分,制取提高禽畜瘦肉率的飼料添加劑的方法。該發明提供的生產方法工藝簡單、原料充足、無三廢污染,由該專利方法制備得到的產品能有效促進禽畜生長,尤其能夠提高禽畜的瘦肉率,并能改善肉質風味,減少飼料消耗,增強禽畜的免疫抗病能力,對禽畜無毒、無致畸、無致突變等副作用。但是,該專利制備的飼料添加劑很少在市場上銷售[5]。

俞祖勛申請了一項“瘦肉型飼料添加劑”(NO.ZL0214-5029.3)國家發明專利,該專利提供的一種瘦肉型飼料添加劑為丙酮酸與一水肌酸混合物,其中丙酮酸鹽含量為55%～75%,該專利制備的飼料添加劑對人體安全,也能有效提高禽獸類的瘦肉率。但是,這些得到專利保護的能提高瘦肉率的飼料添加劑,由于各種原因沒有得到很好的應用推廣,無法滿足消費市場對瘦肉型飼料添加劑的大量需求,沒能有效解決瘦肉型飼料添加劑供給問題[6]。

針對目前這種狀況,急需開發一種綠色安全、能廣泛使用的新型、安全、價廉的瘦肉型飼料添加劑,來填補市場需求的空白,以滿足人們對高品質動物食品的需求。

2生物基1,3-二羥基丙酮的生產及其安全性

2.11,3-二羥基丙酮簡介及其生產

1,3-二羥基丙酮,也稱二羥基丙酮,分子量為90.08,分子式為C3H8O3。它是一種簡單酮糖,晶體呈白色,易溶于水以及乙醇、丙酮等有機溶劑。1,3-二羥基丙酮可以以甘油為基質通過微生物轉化生產獲得。由于甘油由動物脂肪、植物油脂轉化獲得,也可以通過微生物發酵生產,因此,由微生物轉化甘油生產的1,3-二羥基丙酮是基于生物源和生物技術的一種化學品。

二羥基丙酮生產用的菌種與生產過程亦是綠色環保的,目前用于二羥基丙酮工業化生產的微生物菌種是葡糖桿菌(Gluconobacter oxydans),該菌株對人體與環境都安全。二羥基丙酮是人體糖代謝過程中的三碳化合物中間產物,在人體內有存在,對人體無毒害作用,是一種綠色安全的化學品,目前已得到美國FDA認證,廣泛應用于化妝品、醫藥中間體、飼料添加劑等領域[7-12]。

2.2二羥基丙酮生物學功能

二羥基丙酮作為一個生物體糖代謝的中間產物,在生物體的代謝過程中有著十分重要的作用。一方面,二羥基丙酮在二羥基丙酮激酶(dihydroxyacetone kinase)催化作用下進行磷酸化反應,生成磷酸二羥基丙酮;磷酸二羥基丙酮在磷酸丙糖異構酶(trioseph-osphate isomerase)的催化下迅速轉化為3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛是糖代謝過程中重要的三碳中間產物,二羥基丙酮能通過生物體的糖酵解途徑,進入生物體內的新陳代謝。另一方面,二羥基丙酮能參與脂肪代謝,磷酸二羥丙酮在甘油磷酸脫氫酶作用下,還原生成α-磷酸甘油(或稱3-磷酸甘油);生成的α-磷酸甘油在脂酰轉移酶(acyl transferase)作用下,與2分子脂酰CoA反應生成3-磷酸-1,2-甘油二酯,即磷脂酸(phosphatidic acid),磷脂酸是合成含甘油脂類的前體。此外,磷酸二羥丙酮也可先酯化,后還原生成溶血磷脂酸,然后再經酯化合成磷脂酸。磷脂酸在磷脂酸磷酸酶作用下,水解釋放出無機磷酸,而轉變為甘油二酯,酯化生成甘油三酯[12]。二羥基丙酮在生物體內的代謝過程比較復雜,它是聯系糖代謝和脂肪代謝重要的中間產物,能有效調節糖代謝與脂肪代謝的關系。

另外,體外供給二羥基丙酮,能有效提高生物體機體的性能,有效地減緩脂肪合成速率,從而起到減肥作用。二羥基丙酮喂養禽畜動物后,禽畜酮體的脂肪含量減少,蛋白質含量增加,酮體的蛋白質結構變得更加合理,使酮體的瘦肉率大大提高。Stanko等用丙酮酸與二羥基丙酮的混合物口服喂養大鼠112d,結果表明,喂養丙酮酸與二羥基丙酮的大鼠的脂肪細胞中的脂肪合成速率下降,肌體的脂肪含量比對照組下降32%,血漿中胰島素水平下降,而且機體的能量消耗大大提高。二羥基丙酮與丙酮酸混合物(比例為3∶1)喂養豬的研究結果顯示,該混合物能有效降低酮體的脂肪含量,而肌肉的蛋白質含量沒有變化。用二羥基丙酮與丙酮酸1∶1的混合物喂養96羽1d齡肉雞42d,隨著二羥基丙酮與丙酮酸喂養量的增加,肉雞的體重呈現曲線性減少。這些研究結果說明,二羥基丙酮和丙酮酸混合物對脂肪的穩定作用是非種特異性,具有普遍性,而且作用效果非常明顯[13-18]。

3生物基1,3-二羥基丙酮的開發前景

利用改變生物體內代謝流方向,調節糖代謝與脂肪代謝兩大代謝的關聯以及代謝流向,降低糖代謝向脂肪代謝遷移,從而減緩脂肪合成代謝,實現減肥,提高酮體蛋白質含量、機體性能的研究是一項非常復雜的系統工程,是各國科學家研究的熱點。通過喂養二羥基丙酮為主,配比其他輔料的飼料添加劑,能有效改善糖代謝與脂肪代謝過程,改變糖代謝與脂肪代謝的流向,提高飼料利用效率,減少脂肪合成代謝,改善酮體品質,提高蛋白質含量,減少脂肪含量,提高瘦肉率。

目前還沒有以二羥基丙酮為主要成分的飼料添加劑。該研究所以二羥基丙酮為原料,配以其他輔料,制備成瘦肉型飼料添加劑,初步研究結果表明:二羥基丙酮有良好緩解脂肪代謝、減肥等功效,能有效提高禽畜酮體瘦肉率,是一種很有開發前景的綠色安全高效的瘦肉型飼料添加劑。并申請了國家發明專利(申請號:200910097682.1)。另一方面,在原料二羥基丙酮的生產技術方面,以甘油為原料,采用微生物發酵法生產二羥基丙酮,經過膜過濾、結晶等工序制備得到二羥基丙酮結晶體,生產工藝的各項技術指標都處于領先,并申請了多項國家發明專利。目前二羥基丙酮已經投入了工業化生產,產品已經出售,產品質量得到用戶的認可。因此,將二羥基丙酮開發成瘦肉型飼料添加劑,有顯著的原料供給和生產成本優勢[19,20]。

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