酶制劑在家禽日糧中的研究進展

摘 要：外源性酶已廣泛應用于家禽日糧中以提高其生產性能。然而，評價酶的功效及擴大酶的利用以調節家禽日糧的配方組成還有待進一步研究。植酸酶在提高家禽生產性能及減少磷對環境的污染方面尚未獲得預期的效果，這部分歸結于日糧中非目標纖維組分潛在的不利影響，亦或是對家禽日糧中磷的精確需要量研究不足和存在在日糧配方中使用過大安全限量的趨勢。酶制劑在小麥、大麥或黑麥為基礎成分的日糧中效果良好，但是在玉米、豆粕型基礎日糧中作用不明顯，可能主要是與這些谷物中的非淀粉多糖（NSP）組成不同有關。家禽日糧中亞麻籽使用的增加意味著需要擴大研究領域，以開發出能夠消除亞麻籽中非淀粉多糖組分潛在不利影響的高效酶制劑。本文將介紹酶制劑開發過程中需面臨的此類挑戰及所獲的成果。

關鍵詞：酶制劑；家禽；生產性能；利用率

近年來，通過向飼料中添加外源性酶來提高其營養學價值已成為眾人協力研究的領域。眾多報道顯示，在北美地區，向家禽日糧中添加合適的植酸酶、碳水化合物酶和其他酶類，可以提高玉米、豆粕和其他飼料原料的營養價值，進而提高經濟回報。

通過添加酶制劑來提高日糧的生產價值可從以下幾方面得到實現：⑴促使植酸水解以釋放出磷；⑵解除植物細胞壁的營養包裹作用，進而提高能量和氨基酸的利用率；⑶溶解細胞壁中非淀粉多糖，提高其在動物后腸內的發酵效率，進而改善能量的綜合利用率；⑷裂解某些類型的糖-蛋白鏈，提高氨基酸的利用率，⑸用酶的水解作用消除日糧中某些非淀粉多糖（NSP）的抗營養特性，使其成為益生類營養成分，進而可促進幼禽腸道的健康發育。

本文的目的是綜述文獻中有關酶在家禽日糧中的應用狀況，進而證明并討論與酶使用和功效有關的某些誤解和不足。綜合筆者所在研究小組及過去5～6年內在同行評議雜志中發表的數據，以闡明不同酶的作用模式，并證明酶和底物之間的作用關系。旨在說明酶的潛在功效（或不足），并研究出在玉米型和豆粕型日糧中更有效地應用酶制劑的策略。對在以增加蛋和禽肉中ω-3 脂肪酸含量為目的而使用亞麻籽仁的高纖維日糧中添加酶制劑提供某些建議。

1 植酸和植酸酶的功效

與植酸（Phytic Acid，PA）有關的不良作用在一定程度上可以通過使用外源性植酸酶得到減輕。研究表明，家禽日糧中添加植酸酶能提高磷的消化率和利用率，減少其向環境中的排放量（Applegate等，2003；Pennet等，2004；Angel等，2006；Leytem等，2007）。然而，多項研究表明，用植酸酶來釋放植酸中的磷還遠遠不徹底，家禽日糧中的植酸磷釋放比例平均僅為20 %（表1）。雖然普遍可接受的是添加酶后，肉雞日糧中的有效磷能降低至少0.1個百分點或更多，但據此看來報道的植酸磷消化率值并沒有證明這種程度的下降是正確的。

根據研究1和研究2的結果，植酸磷的釋放程度似乎與外源性植酸酶的添加量無直接的關系，但很可能與植酸分子比較難以進行水解的這一事實有關。這很可能是因為形成了不溶性的植酸-鈣復合體（Tamim等，2004）。植酸鹽的水解主要發生在家禽的前胃（嗉囊、腺胃、肌胃）中，其腔內的pH值可增強植酸酶的活性和植酸鹽的溶解性（Selle和Ravindran，2007），因此，消化道環境及食糜流過消化道的時間是植酸酶發揮功效的重要決定因素。

飼料制粒和儲存溫度等因素會影響植酸酶功效的發揮，該不良影響或可經包被處理、顆粒化或者在飼料制粒后添加加以消除。為解決這一問題，研究人員選用了位于加拿大西部的兩個飼料加工廠生產的顆粒狀及未處理的粉末狀植酸酶產品進行酶的熱穩定性比較研究。結果表明（表2），經過制粒過程后，兩個廠家的兩種酶產品活性損失率較高，其中顆粒酶損失率略低。有意思的是，該研究使用的調質溫度還沒有達到美國飼料加工廠的常用制粒溫度。

在評價植酸酶功效時，要考慮酶顆粒的粒度大小。因為在經過上消化道關鍵部位的短時間內，大顆粒植酸酶會導致食糜中酶-底物的分布不均，影響植酸鹽底物的有效水解，導致植酸磷釋放的延遲。如表3所示，飼料中添加大顆粒植酸酶時，家禽需要攝入5 g飼料才能攝入1?；?片顆粒酶B或酶C，而獲得1粒酶A時需要攝入的飼料不及1 g。

2 水解非淀粉多糖（NSP）提高植酸酶功效的意義

家禽日糧中添加能夠促進植酸酶釋放磷的非淀粉多糖酶，已成為提高植酸酶功效的手段之一。研究表明，非淀粉多糖酶能夠通過消除植物細胞壁對營養物質的包裹作用及降低食糜粘度來提高家禽的養分利用率。與此相似，多價陽離子可以和飼料及食糜中的植酸結合，而NSP又能結合多價離子，非淀粉多糖酶也可通過消除非NSP與植酸的螯合作用來提高植酸酶的功效（Kim等，2005）。但是，關于非淀粉多糖酶加入含植酸酶的日糧中能否影響植酸酶功效存在爭議。由表4中磷的表觀消化率結果可知，飼料中加入木聚糖酶或將木聚糖酶、淀粉酶和蛋白酶適當比例混合后進行添加，均沒能提高植酸酶的功效，這可能與纖維組分的復雜性和更準確地說細胞壁結構（需要一種含更多品種的非淀粉多糖酶以使NSP得到有效的解聚）有關系。

最近，Woyengo等對玉米-豆粕型日糧中添加植酸酶和NSP復合酶的加性效應進行了研究，以探討解決NSP-纖維復合體的方法。表5顯示，試驗日糧處理組分為陽性對照組（PC）、陰性對照組（NC，低磷、不加植酸酶組）、植酸酶組（低磷+600 U/kg植酸酶）和復合酶組（低磷+600 U/kg植酸酶+碳水化合物復合酶——Superzyme OM）。結果（表5）顯示，與3個低磷組相比，飼喂PC組日糧的家禽增重和脛骨灰分含量較高。日糧中加入植酸酶能夠改善家禽的增重，其中復合酶組的家禽表現更為明顯。與植酸酶組相比，復合酶組家禽的飼料轉化率更高。研究人員注意到，飼料中加入植酸酶能夠提高磷的回腸消化率，在加入碳水化合物復合酶后，復合酶組家禽的磷消化率可與陽性對照組的持平。相比較NC組，植酸酶組家禽的脛骨灰分含量升高，但在加入碳水化合物復合酶后沒有繼續出現顯著升高。

3 補充植酸酶對磷排泄量和環境污染的

影響

近年來研究人員注意到，為增加磷的可溶性，在肉雞日糧中只添加植酸酶而沒有適當地減少非植酸磷的添加量，排泄物將增加土地中的磷含量，進而對環境帶來不利影響（加速藻類植物和水生植物的生長）（Angel等，2005；McGrath等，2005）。導致日糧中磷過量添加的原因有：⑴飼料原料中非植酸磷含量的不確定性，⑵NRC推薦磷需要量的保守性，結果⑶加入植酸酶后飼料中磷添加量減少的程度不大，超出有效磷的安全劑量范圍。例如，玉米的非植酸磷含量為0.03 %～0.15 %，豆粕為0.15 %～0.35 %，利用這些不同來源的原料時，其非植酸磷含量差異很大（Hubbell，1989；NRC，1994；Ewing，1997；IMC-Agrico，2000；Leeson和Summers，2005）。Manangi和Coon（2006）研究表明，從美國不同來源的多種原料中采集25種豆粕樣本，測得其非植酸磷含量范圍在0.23 %～0.47 %。另外，Waldroup等（2000）的研究結果顯示，如果以脛骨灰分作為評價指標，肉雞（1～21日齡）的非植酸磷需要量應為0.39 %，而不是普遍認為的0.45 %。

圖1中磷沉積率數據展示了飼料中植酸酶添加與環境中磷污染的關系（Cowieson等，2006；Elkhalil等，2007；Leytem等，2008）。不考慮植酸酶活性水平的影響，陽性照組（磷水平適當）的磷沉積率平均值達51 %，陰性對照（低磷組）均值為50 %，陰性對照+植酸酶組均值為60 %，將這些數據用日糧中實際的磷含量來表示時（表6），陰性照組和陰性照組+植酸酶組磷保留率分別為0.30 %和0.34 %，磷排瀉率分別為0.26 %和0.22 %?？傮w而言，磷排放量還是很高，這表明飼料原料中的有效磷及磷需要量有待進一步研究確定，可在肉雞日糧中更準確地使用有效磷值及降低安全劑量范圍，使得排放到環境中的磷最少化。

4 植酸酶對家禽生長性能和養分利用率

的影響

許多研究指出，低磷日糧中添加植酸酶能提高家禽的生長性能和養分利用率，但是和添加適宜磷的正對照組相比，影響不顯著或影響極小。近年來的研究表明，肉雞日糧中添加植酸酶對其生長性能和蛋白質及氨基酸的利用率影響很?。ū?），而且Martinez-Amezcua等（2006）和Cowieson等（2006）的研究指出，添加植酸酶組的賴氨酸消化率和對照組相比差異也不顯著。在蛋雞日糧中添加植酸酶后的影響結果匯總如表8所示，跟適量加磷組相比，低磷日糧中添加植酸酶后獲得相同的生產性能。Hughes 等（2008）研究發現，即使在磷添加量很低的日糧中加植酸酶也能獲得相同的產蛋量；因此，蛋雞日糧中的磷需要量有待進一步研究，蛋雞日糧的高鈣含量一直被認為會對植酸酶的作用產生一定的負面影響，使用不適于加熱的粉狀飼料也可能成為獲得以上結果的限制因素。

5 非淀粉多糖和非淀粉多糖酶

非淀粉多糖是家禽日糧中傳統纖維型原料的主要組分，由纖維素和非纖維素多糖組成。谷物類糧食（如玉米）中的非淀粉多糖主要由阿拉伯木聚糖和β-甘露聚糖組成，而豆粕和菜籽粕中的非淀粉多糖主要由阿拉伯半乳聚糖、半乳聚糖、半乳糖甘露聚糖、甘露聚糖和果聚糖組成。大麥、黑麥和小麥中的可溶性粘性β-甘露聚糖和阿拉伯木聚糖能夠阻礙消化酶和營養物質的接觸，并阻礙食糜的運動和水解產物向腸道粘膜的輸送，導致動物生產性能的下降（Graham和Aman，1991）。另外，研究證明，粘性糞便與β-甘露聚糖和阿拉伯木聚糖的高持水力有直接的關系。為消除抗營養因子，在過去30年里已經研制出β-甘露聚糖酶和木聚糖酶，除了降低粘度外，非淀粉多糖組合酶還能有效地減少細胞壁對營養物質的包裹作用，提高蛋白質、淀粉和能量的利用率。

近年來研究人員將木聚糖酶和甘露聚糖酶應用于肉雞或火雞的玉米-豆粕型日糧中，以研究酶對家禽生長性能的影響。玉米或豆粕中的非淀粉多糖不會造成粘度問題，也可以將多種碳水化合物酶結合起來用于有效降解細胞壁。日糧中添加酶制劑后對肉雞和火雞的體重和耗料增重比有少量的提高（表9），但對蛋雞的產蛋性能沒有影響（表10）。

6 針對玉米-豆粕型日糧的酶制劑

在家禽和豬的飼料市場中，玉米和豆粕占主導地位，因此在玉米-豆粕型日糧中加入酶制劑可能具有一定的經濟效益。到目前為止，專門針對玉米型-豆粕型日糧的兩種主要成分及其NSP組分的蛋白酶、淀粉酶、木聚糖酶的研究尚未取得成功。

致力于研究專門針對玉米-豆粕型日糧的酶制劑是有必要的，在此過程中可作如下假設：⑴玉米豆粕中的水溶性非淀粉多糖不會引起粘度問題；⑵淀粉能夠充分消化，不過不能完全消化；⑶寡糖含量相對較高，并可作為能量來源被有效利用；⑷非淀粉多糖，包括阿拉伯木聚糖、葡聚糖、纖維素、甘露聚糖、半乳甘露聚糖和果聚糖，均能作為能量來源，且有利于腸道健康；⑸豆粕中的一些糖蛋白可能無法被動物有效利用。

已完成的多項研究以玉米和豆粕中的NSP為研究對象。利用多種碳水化合物復合酶在體外能使玉米和豆粕中NSP的明顯解聚的原理（Meng等，2005），因此進行了一項試驗以測定NSP酶在飼喂半純合的玉米型和玉米-豆粕型肉雞日糧中的酶解效應（表11）。結果，添加酶可使玉米型日糧組的肉雞增重提高（P=0.054）），料重比顯著改善（P<0.05）；而玉米-豆粕型日糧組的肉雞體重（P=0.07）和料重比（P=0.08）均無明顯改變。這表明，與半純合日糧（單獨加入大豆蛋白）相比，豆粕型日糧中含有一些不可被利用的營養物質。由表12可知，酶制劑對日糧非淀粉多糖的消化率和真代謝能值有顯著（P<0.001）的影響，而對淀粉消化率的影響不明顯（P>0.05）。玉米型日糧中添加酶制劑，對淀粉的回腸消化率有極顯著的影響（P<0.001），玉米-豆粕型日糧中添加酶制劑對蛋白的消化率有極顯著的影響（P <0.001）?，F有的研究證明，當通過收集排泄物進行淀粉消化率測定時，飼喂玉米型日糧的肉雞有較高的淀粉消化率；但在回腸水平上，此類肉雞的淀粉消化較低。這表明淀粉在家禽小腸中的消化不完全，但在后腸中因受微生物的發酵而被完全消化。因此，可以得知在回腸水平上測定淀粉的消化率能夠更好地反映出酶制劑的作用效果。同時還可以得知，非淀粉多糖酶可以提高玉米的營養價值。這些結果還表明，在以玉米為飼料成分的飼料中進行針對其他組分的酶制劑研究時，添加酶產生的某些有益功效可能部分來自酶制劑中含有針對玉米中非淀粉多糖組分的酶。因此，玉米-豆粕型日糧中添加復合酶制劑能夠提高肉雞的生長性能和養分利用率。

7 ω-3脂肪酸、亞麻籽仁和酶技術

為使雞蛋富集ω-3不飽和脂肪酸，在產蛋雞日糧中使用亞麻籽仁已成為越來越普遍的方法（Gonzalez-Esquerra和Leeson，2001）。亞麻籽仁富含ω-3不飽和脂肪酸（油脂中含量為48 %～58 %），其中亞麻酸（C18：3n3）可作為在肝臟中通過去飽和鏈伸長途徑合成二十碳五烯酸（EPA；C 20：5n3）和二十二碳六烯酸（DHA；C 22：6n3 ）的前體，而EPA和DHA均可在雞蛋和肉產品中沉積，隨后對人類健康產生潛在的益處。然而，將磨碎的亞麻籽仁加入家禽日糧中后會造成能量利用率、生長性能和飼料轉化率的下降。達不到最佳的能量利用率可能是油脂利用受限的結果，因為亞麻籽仁中大部分油脂由細胞壁中非淀粉多糖包裹。另外，不推薦將磨碎的亞麻籽仁儲存起來，因為這樣易導致油脂氧化，并可能引起火災，存在一定的安全隱患。因此，飼料制粒和添加酶制劑已成為提高ω-3 脂肪酸在家禽產品中沉積的一種受關注的日糧調控手段。

筆者所在實驗室的研究表明，具有可降解細胞壁活性的碳水化合物酶能夠有效降解亞麻籽仁細胞壁中的非淀粉多糖，并促進全脂亞麻油的能量利用（Slominski等，2006）。由表13所示，在果膠酶、纖維素酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶和半乳糖甘露聚糖酶復合酶的作用下，亞麻籽仁中非淀粉多糖的降解率平均達到37.6 %。同一復合酶用于成年公雞日糧，以利用真代謝能（TMEn）方法分析能量利用率。結果和不加酶時相比，加酶后亞麻籽仁的TMEn含量增加明顯，同時脂肪和非淀粉多糖消化率出現類似的情況。蛋雞試驗獲得了相似的研究結果（表14），添加酶制劑可提高產蛋量、飼料轉化率、蛋殼品質和蛋中ω-3脂肪酸的沉積量（Jia等，2008）。

8 結論

8.1 植酸酶有效性

鑒于過去幾年中被用于植酸酶研究的飼料資源規模，在植酸中磷釋放和磷沉積量的提高上的成功程度還是令人失望的。根據回顧的多項研究，似乎存在以下幾方面的原因：飼料類型及飼料加工過程引起酶的有效添加量不足，如高溫調質過程導致酶活性損失；飼料及原料中磷含量估測過于保守；小腸中植酸酶很難與植酸結合。就目前的研究結果和能夠顯示植酸酶和各種碳水化合物酶添加效應的新數據而言，如果能實現理想的經濟回報，我們似乎可以重新考慮將植酸酶應用到商業化飼喂方案中。

8.2 非淀粉多糖酶

在谷物原料是家禽日糧主要組成成分的這部分國家中，酶制劑已經成功地用于家禽生產中。然而，當這些酶用于玉米-豆粕型日糧中時，并不能取得最佳的生產性能。在對玉米和豆粕的非淀粉多糖組分進行分析后發現，要想獲得理想的生產性能，需要加入多種碳水化合物酶。這也是在玉米-豆粕型家禽日糧中單獨添加木聚糖酶、β-甘露聚糖酶或者混合添加木聚糖酶、淀粉酶和蛋白酶后，日糧性能改善不大的原因。需要加入復合酶制劑來解聚日糧中的NSP，以最終使家禽的增重、飼料轉化率和營養物質的消化率達到可預見的改善目標。因此，要在商業化家禽飼喂方案上實現可行的且一致的經濟回報，必須使用含有對纖維素酶、果膠酶、木聚糖酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶和半乳糖甘露聚糖酶經正確混合的復合酶制劑。

由于家禽日糧采用新的飼料原料變得越來越普遍，根據已知的難消化飼料組分，為玉米-豆粕型日糧開發酶制劑也可采用相同的策略。隨著增值型家禽產品市場的發展，亞麻籽仁也成為家禽飼料中能量和ω-3脂肪酸的首選來源。此外，存在高水平的不可消化NSP已經限制了其在家禽日糧中的應用。然而，一旦這些抗營養因子通過添加合適的復合酶得到消除，亞麻籽仁的營養值及其利潤將會得到顯著提升。