研制提供當(dāng)前和未來(lái)價(jià)值的酶

自從20世紀(jì)80年代末酶在動(dòng)物飼料中的使用得到真正的認(rèn)可以來(lái)，飼用酶行業(yè)已對(duì)動(dòng)物飼料配制產(chǎn)生了重大的影響。本文將回顧過(guò)去的25年中酶的發(fā)展，以及當(dāng)前和未來(lái)十年的機(jī)遇。

在20世紀(jì)80年代后期，植酸酶被引入飼料行業(yè)，用于幫助動(dòng)物生產(chǎn)者（主要是荷蘭的動(dòng)物生產(chǎn)者）減少有害難消化的磷排泄到淡水水源中，從而避免支付“磷稅”。在避免受到法律懲罰的同時(shí)，荷蘭的動(dòng)物生產(chǎn)者從較好的磷吸收率（磷是動(dòng)物骨骼生長(zhǎng)所需的重要礦物質(zhì)）上獲得了許多益處，且還減少了對(duì)無(wú)機(jī)磷的依賴(lài)性和創(chuàng)造了全球可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)益處。世界各地的動(dòng)物生產(chǎn)者隨后開(kāi)始警覺(jué)了起來(lái)并引起注意，動(dòng)物飼料行業(yè)開(kāi)始認(rèn)真地使用飼用酶。大約在同一時(shí)間，能夠裂解“粘性”谷物（如小麥、大麥和黑麥）中非淀粉多糖（Non-Starch Polysaccharides，NSP）的聚糖酶（如木聚糖酶、β-葡聚糖酶）成功地成為飼用酶的一員。

1 早期認(rèn)識(shí)到的酶潛力

20世紀(jì)90年代見(jiàn)證了動(dòng)物飼料行業(yè)逐步認(rèn)識(shí)到在含有多種不同原料的日糧中使用酶的重要性。引入的酶和服務(wù)經(jīng)過(guò)精心調(diào)整以便最大限度地發(fā)揮添加酶的特定日糧，包括那些含高水平玉米的日糧生產(chǎn)性能。世紀(jì)之交見(jiàn)證了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，包括引進(jìn)了具有更高生物效應(yīng)的大腸桿菌植酸酶，推出了更多的熱穩(wěn)定性酶制劑產(chǎn)品。過(guò)去十年又出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)，飼用酶的生產(chǎn)商必須幫助動(dòng)物生產(chǎn)者滿(mǎn)足他們的需要。世界人口增長(zhǎng)已急劇飆升到70多億，在世界的某些地區(qū)人均收入也不斷上升，導(dǎo)致對(duì)更多蛋白質(zhì)的需求進(jìn)一步增加。

2 21世紀(jì)

據(jù)荷蘭合作銀行（Rabobank）的預(yù)測(cè)，到2020年，70 %～75 %的肉類(lèi)需求將來(lái)自亞洲和巴西，75 %的雞蛋需求將來(lái)自亞洲，而60 %的乳品需求將來(lái)自印度、巴基斯坦和中國(guó)。雖然動(dòng)物飼料行業(yè)已變得更具有全球化，能夠確保生產(chǎn)水平的本地研發(fā)和技術(shù)支持需求將能滿(mǎn)足食品安全目標(biāo)。禽和豬日糧中植酸酶的使用也已逐漸增長(zhǎng)，以應(yīng)對(duì)來(lái)自動(dòng)物糞便中磷（P）污染逐漸升級(jí)的擔(dān)憂(yōu)。由替代無(wú)機(jī)磷源所獲得的經(jīng)濟(jì)效益正在耗盡全球的資源。歐盟禁止使用肉骨粉（磷的重要來(lái)源）是加速使用植酸酶的另一個(gè)因素。因此，微生物型植酸酶已經(jīng)超過(guò)聚糖酶成為全球主要的飼用酶。如今，全球超過(guò)70 %的禽肉、豬肉和雞蛋是由飼喂含有植酸酶的日糧動(dòng)物生產(chǎn)的。

3 飼用酶制劑在今天的應(yīng)用

今天，家禽行業(yè)是飼用酶最大的用戶(hù)。其高度的綜合特性在這些年中已經(jīng)驅(qū)使快速吸收飼用酶技術(shù)。豬、反芻動(dòng)物和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)使用飼用酶也有逐步上升的趨勢(shì)，特別是動(dòng)物發(fā)育的關(guān)鍵階段。幼齡豬因擁有不成熟的消化系統(tǒng)，其從飼用酶中的受益尤其明顯。

在過(guò)去，酶在反芻動(dòng)物日糧中的使用很有限，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為酶在瘤胃的蛋白水解作用下不能存活。然而，過(guò)去十年中，越來(lái)越多的研究表明，酶制劑可有效地提高牛的泌乳量和生長(zhǎng)性能。在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，尋找替代魚(yú)粉的替代性蛋白質(zhì)，以及魚(yú)粉替代物中相對(duì)較低的養(yǎng)分消化率的擔(dān)憂(yōu)和存在多種抗?fàn)I養(yǎng)因子，已導(dǎo)致人們對(duì)飼用酶以及研究最佳應(yīng)用方法的興趣日益增加。

4 成本動(dòng)機(jī)

“利潤(rùn)、生產(chǎn)性能和地球”是如今和30年前的動(dòng)物生產(chǎn)者面臨的相同的基本問(wèn)題。不過(guò)，應(yīng)對(duì)原材料價(jià)格的波動(dòng)已在過(guò)去的幾年中成為一個(gè)重大問(wèn)題。如今，由于不斷上漲的原油價(jià)格和氣候?qū)ψ魑锂a(chǎn)量的影響，導(dǎo)致飼料原料成本占據(jù)飼料生產(chǎn)成本的65 %以上。飼用酶生產(chǎn)商已經(jīng)迎接這些挑戰(zhàn)，正在研究如何利用酶來(lái)改善飼料原料的消化率和性能，同時(shí)使用較便宜但含更多纖維的原料，如干酒糟及其可溶物（Distillers Dried Grains with Solubles，DDGS）。DDGS是生物乙醇工業(yè)的副產(chǎn)品，可用來(lái)替代一些比較昂貴的飼料原料。

5 抗生素促生長(zhǎng)劑（AGP）的禁用

在一些國(guó)家，為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的動(dòng)物蛋白需求，提高產(chǎn)量還伴隨著對(duì)亞治療抗生素（抗生素促生長(zhǎng)劑或AGP）使用進(jìn)行的新立法。腸道中穩(wěn)定生活的微生物菌群作用長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為對(duì)家畜的健康和生產(chǎn)性能非常重要。但最近，人們支持使用AGP來(lái)對(duì)抗某些有害微生物。然而，日常使用抗生素的結(jié)果是，營(yíng)養(yǎng)在建立和指導(dǎo)基礎(chǔ)微生物以及同時(shí)在維持胃腸道（GastroIntestinal Tract，GIT）功能和健康上所起的作用，受重視程度下降。由于擔(dān)心細(xì)菌產(chǎn)生抗生素耐藥性和抗生素在肉中的殘留，AGP已在歐盟被禁用，最近韓國(guó)和更多的國(guó)家很可能會(huì)效仿。在追求腸道健康和改善免疫力時(shí)，優(yōu)先考慮的是要實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)的最佳化。營(yíng)養(yǎng)和微生物載量之間的相互作用以及在GIT中的平衡是復(fù)雜的，且尚未完全被了解。但是，它們決定了GIT的發(fā)育、形態(tài)和功能以及宿主的營(yíng)養(yǎng)利用，并最終決定動(dòng)物的生產(chǎn)性能。

6 下一個(gè)十年

那么，在酶的使用方面，未來(lái)十年將會(huì)帶來(lái)怎樣的挑戰(zhàn)和變化？原料價(jià)格的波動(dòng)仍將是一個(gè)大問(wèn)題。處理由價(jià)格波動(dòng)引起的飼料消化率的差異，以及其對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)力的影響，將是動(dòng)物生產(chǎn)者和飼料行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)。普遍接受的是，未消化養(yǎng)分含量上的變化會(huì)造成腸道菌群組成發(fā)生不良的改變，直接影響消化能力、飼料轉(zhuǎn)化率和與腸道健康不良有關(guān)的消化紊亂。

因此，當(dāng)選擇酶來(lái)改善日糧的消化率時(shí)，一個(gè)需考慮的重要因素是，該特定酶必須作用的底物，包括日糧中不能被動(dòng)物自身（內(nèi)源）的酶消化的抗?fàn)I養(yǎng)成分。鑒于飼用酶與消化紊亂和慢性以及急性疾病有著明確聯(lián)系，這將促使人們更加注意去更好地了解飼用酶的使用對(duì)腸道菌群組成的影響。

7 降低飼料價(jià)值的多變性

使用被充分研究的飼用酶帶來(lái)的重要益處之一是（并將繼續(xù)是）可以降低主要飼料原料飼用價(jià)值固有的多變性及其對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能產(chǎn)生的變異性。飼用酶的使用可以提高飼料配方的精確度，并有助于降低成本。人們認(rèn)識(shí)到，原料的飼用價(jià)值越低，酶作用的潛力越大。隨著動(dòng)物生產(chǎn)者尋求越來(lái)越復(fù)雜的日糧作為以較低成本獲得較好生產(chǎn)性能的一種方式，他們需要考慮這些因素。如種植方式和收獲條件不僅可以影響不同類(lèi)型谷物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且還會(huì)影響原料中的底物水平，從而影響飼用酶的效應(yīng)。了解這些相互作用對(duì)最大限度地提高能夠在將來(lái)從飼用酶技術(shù)上獲得的價(jià)值是至關(guān)重要的。

8 玉米型日糧

例如，玉米是最常見(jiàn)的飼用谷物，但目前其飼用價(jià)值更多地被認(rèn)為具有多變性（圖1），有時(shí)其多變性與“粘性”谷物，如小麥相似。造成其飼用價(jià)值多變的根本原因需要研究和確立，以便提供可以增加最大飼用價(jià)值的最佳酶解決方案。

根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，玉米飼用價(jià)值的多變主要隨3個(gè)重要因素發(fā)生變化，包括與生俱來(lái)的淀粉消化率的多變、淀粉和蛋白質(zhì)在谷物中的聯(lián)系、收割和干燥條件。所有這些因素及其相互作用，會(huì)影響動(dòng)物食用谷物時(shí)可獲得的代謝能（Metabolisable Energy，ME）。

就玉米型日糧的酶解決方案而言，對(duì)作用于現(xiàn)有的植酸酶使用環(huán)境，木聚糖酶、淀粉酶和蛋白酶的聯(lián)合使用是處理玉米ME多變性的最有效方法。木聚糖酶可以作用此類(lèi)日糧中的纖維（如非淀粉多糖）成分，當(dāng)日糧中添加纖維副產(chǎn)品（如DDGS）時(shí)尤為重要。而蛋白酶能夠提高（外源性和內(nèi)源性）淀粉酶對(duì)淀粉顆粒的作用效率。與此同時(shí)，添加蛋白酶還可以作用于日糧中的其他抗?fàn)I養(yǎng)因子，如殘留的胰蛋白酶抑制因子、豆粕中的凝集素以及一些其他植物性蛋白，同時(shí)也能提高主要存儲(chǔ)蛋白自身的消化率。

9 在家禽和豬飼料中的應(yīng)用

美國(guó)、東南亞和南非的家禽生產(chǎn)者已經(jīng)用低成本的小麥替代高成本的玉米。原則上，這些生產(chǎn)者應(yīng)該評(píng)估相對(duì)于玉米的小麥質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，并應(yīng)用酶來(lái)提高營(yíng)養(yǎng)水平。然而，小麥的代謝能和可消化養(yǎng)分含量可能較玉米的更多變。

例如，McNab （1991）發(fā)現(xiàn)源自同一國(guó)家（英國(guó)）的72個(gè)小麥樣本的總代謝能差異高達(dá)8 %。此外，傳統(tǒng)的思維模式認(rèn)為多變的黏度是導(dǎo)致小麥飼用價(jià)值變異的首要因素。然而，最近的研究數(shù)據(jù)表明，其他因素，如胚乳硬度、灰分含量對(duì)小麥淀粉的消化率和肉雞生產(chǎn)性能也有重要作用（Carré等， 2002；Pirgozliev等，2003）。

眾所周知，植酸生來(lái)就不能被充分消化，應(yīng)用植酸酶是對(duì)能量和氨基酸消化率產(chǎn)生積極影響的公認(rèn)方法。然而，在選擇最佳的植酸酶劑量或確定與酶相關(guān)的基礎(chǔ)值時(shí)，植酸底物水平通常不被考慮。同樣，源自“糖酶”的能量反應(yīng)由5種底物決定：淀粉、非淀粉多糖、糖、蛋白質(zhì)和脂肪，且并非“一成不變”。例如，未消化的淀粉和蛋白質(zhì)占玉米/大豆型日糧中底物的最大比例。

不過(guò)，對(duì)主要以小麥為基礎(chǔ)的日糧而言這將變異較大。蛋白酶對(duì)氨基酸消化率的影響并不恒定。不過(guò)，研究證明它們依賴(lài)于日糧中每一種氨基酸的水平及其固有的消化率。

消化率和代謝能的較大差異表明，在選擇酶的時(shí)候，重要的是不僅要考慮飼料原料底物的內(nèi)在質(zhì)量，還要考慮以下幾點(diǎn)：

動(dòng)物消化能力的成熟度，淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶是腸道中主要的酶，它們多半發(fā)生聯(lián)合作用而非單獨(dú)作用。

影響內(nèi)源性分泌的日糧因素。

GIT各個(gè)部位的pH值。

例如，豬消化道內(nèi)的飼料排空時(shí)間長(zhǎng)于家禽腸道內(nèi)的時(shí)間，這使得它們有更多的時(shí)間來(lái)提取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外，腸道的較大容量意味著豬受食糜粘度特性的影響較小。這就是為什么豬不會(huì)遭受小麥和大麥中日糧非淀粉多糖的影響而出現(xiàn)消化效率低下的原因。

在家禽中，嗉囊可為某些酶在飼料抵達(dá)腺胃的酸性環(huán)境之前提供一個(gè)平衡激活的環(huán)境。一些證據(jù)表明，發(fā)育良好的肌胃可以提高酶的反應(yīng)，為家禽創(chuàng)造酶反應(yīng)的有利條件。只有將所有這些因素都考慮在內(nèi)時(shí)，我們才能預(yù)測(cè)出有意義的、科學(xué)的準(zhǔn)確基礎(chǔ)值，并以此測(cè)量酶的性能水平。這是一個(gè)徹底的改變，因?yàn)樵撔袠I(yè)傳統(tǒng)上使用不變的消化率系數(shù)，且通常采用“黑盒子”方法來(lái)確定酶產(chǎn)品貢獻(xiàn)的建議能量。

10 更好地了解植酸

過(guò)去幾年間，我們對(duì)植酸在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)上的作用在理解上已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。植酸的抗?fàn)I養(yǎng)作用對(duì)日糧氨基酸和能量消化率的影響很大，這提高了植酸酶對(duì)終端用戶(hù)的價(jià)值，而不再僅僅是磷（鈣）營(yíng)養(yǎng)的一個(gè)貢獻(xiàn)者。充分了解不同劑量的植酸酶與其他用于日糧中的外源性酶以及其他飼料添加劑之間的相互作用將是一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn)。

新的植酸酶具有較高的生物活性，正不斷地進(jìn)入動(dòng)物飼料行業(yè)。甚至在考慮到嚴(yán)格的調(diào)控過(guò)程后，仍將幫助飼料行業(yè)從它們提高飼料原料的飼用價(jià)值中獲益。

11 熱穩(wěn)定性

酶熱穩(wěn)定性技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)給飼料行業(yè)在蒸汽調(diào)質(zhì)的和制粒飼料中使用酶帶來(lái)更強(qiáng)的信心。這些發(fā)展是酶較高的固有熱穩(wěn)定性與先進(jìn)的包被技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果。通過(guò)這種方式，客戶(hù)可以確信酶產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上的聲稱(chēng)能在大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用中得到徹底支持。

12 展望

在未來(lái)，酶技術(shù)仍將給使用較便宜的和非傳統(tǒng)的飼料原料提供機(jī)會(huì)（圖2）。在杜邦公司，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)事業(yè)部和生物煉制業(yè)務(wù)部正在合作，以改良第一和第二代生物乙醇工藝產(chǎn)生的原料品質(zhì)，使之能用于動(dòng)物飼料。這一領(lǐng)域上取得的進(jìn)展將有助于減少對(duì)價(jià)格波動(dòng)的依賴(lài)性，并有助于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的動(dòng)物蛋白生產(chǎn)。□□

原題名：Developing enzymes to deliver current and future values（英文）

原作者：Peter Plumstead博士（ Danisco動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)公司高級(jí)科學(xué)家）