蛋白酶：為后抗生素時(shí)代做好準(zhǔn)備

酶通常可以用它們能夠分解的物質(zhì)來(lái)進(jìn)行分類。因此，蛋白酶具有分解蛋白質(zhì)的能力。在一個(gè)越來(lái)越多地使用替代飼料成分并試圖減少生態(tài)足跡的時(shí)代，蛋白酶是一個(gè)有趣的選擇。

中圖分類號(hào)：S816 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1001-0769（2017）12-0069-05

蛋白酶是一種非常現(xiàn)代的飼料添加劑，在養(yǎng)豬生產(chǎn)中可以使動(dòng)物擁有更好的營(yíng)養(yǎng)、更高的健康水平和更理想的環(huán)境條件，進(jìn)而有助于彌補(bǔ)因豬飼料中抗生素使用的減少而產(chǎn)生的不足。只不過(guò)現(xiàn)在它的全部?jī)r(jià)值還在逐步揭示，很像植酸酶市場(chǎng)的演變那樣，養(yǎng)豬行業(yè)越來(lái)越多地意識(shí)到它是一種能夠給人們帶來(lái)許多益處的酶。

為什么蛋白酶有益于動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)、健康和環(huán)境？它們與蛋白酶的作用方式密切相關(guān)。無(wú)論是動(dòng)物的需求還是飼料的可利用性方面，對(duì)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)的益處切實(shí)建立在行業(yè)對(duì)可消化氨基酸充分理解的基礎(chǔ)上。利用蛋白酶再結(jié)合使用合成氨基酸來(lái)進(jìn)行精準(zhǔn)的配制，可以優(yōu)化日糧的能量水平、性能指標(biāo)，減少營(yíng)養(yǎng)超量和環(huán)境浪費(fèi)，并可以控制飼料成本。對(duì)動(dòng)物健康的益處與酶可以降低日糧蛋白質(zhì)水平的能力有關(guān)，從而可以降低后腸中未消化蛋白質(zhì)的水平 （圖1）。

日糧中過(guò)量的蛋白質(zhì)是腸道細(xì)菌的一種發(fā)酵底物，可以產(chǎn)生分解產(chǎn)物，例如苯酚、胺、氨和吲哚，反過(guò)來(lái)這些物質(zhì)會(huì)提高腸道pH，這都是人們不希望出現(xiàn)的結(jié)果。同樣，抗?fàn)I養(yǎng)因子（Anti-nutritional Factors，ANFs），如胰蛋白酶抑制劑，可能會(huì)形成易于產(chǎn)氣莢膜梭菌生長(zhǎng)的條件。養(yǎng)殖舍中較高的氨濃度可能會(huì)提高動(dòng)物暴發(fā)呼吸道疾病的風(fēng)險(xiǎn)。我們對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)并不陌生。蛋白酶可以給我們帶來(lái)的是能夠更有效地改善營(yíng)養(yǎng)管理，因此能夠減少這些風(fēng)險(xiǎn)，特別是在“后抗生素時(shí)代”中。

1 精準(zhǔn)飼喂

精準(zhǔn)飼喂越來(lái)越受到人們的重視。它需要準(zhǔn)確了解一些相關(guān)因素：飼料原料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，豬的營(yíng)養(yǎng)需求，根據(jù)環(huán)境限制配制日糧，逐步調(diào)整日糧中的其他營(yíng)養(yǎng)以滿足豬不斷變化的需求。據(jù)估計(jì)，這種綜合方法可以使飼喂量減少4.6%以上，另外氮磷排泄量可以減少38%以上。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的Gerald Shurson教授在2012年的營(yíng)養(yǎng)效率協(xié)會(huì)上表示，飼料成本占總生產(chǎn)成本的65%～70%，能源成本占豬日糧成本的86%。控制飼料中過(guò)量的蛋白質(zhì)還可以控制添加過(guò)量的能量，否則這些能量將以過(guò)量氮的形式被排出。

為了控制飼料成本，替代型飼料成分（通常是副產(chǎn)品）的成長(zhǎng)將需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期。這些原料會(huì)給飼料配方帶來(lái)很多的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，因此可能會(huì)產(chǎn)生一些不期望出現(xiàn)的結(jié)果，例如生產(chǎn)效率低下和環(huán)境污染加重。為了打破這種怪圈，添加劑越來(lái)越多地被用來(lái)幫助推動(dòng)飼料的更有效利用。

就蛋白質(zhì)原料而言，這些包括已經(jīng)使用數(shù)十年的合成氨基酸。盡管重要的限制性氨基酸非常有價(jià)值，但是通過(guò)添加合成氨基酸來(lái)完全平衡所有必需氨基酸是非常不切實(shí)際的。因此，蛋白酶在改善飼料中多種必需氨基酸可用性方面所起到的作用變得越來(lái)越重要（圖2）。

蛋白酶的另一個(gè)益處在于它可以降低抗?fàn)I養(yǎng)因子如胰蛋白酶抑制劑對(duì)生產(chǎn)效率的負(fù)面影響。因此，另一個(gè)結(jié)果是，例如，腸黏蛋白的產(chǎn)生可以得到減少，那么通過(guò)增加瘦肉或產(chǎn)奶而不是用于產(chǎn)生不必要的腸黏蛋白，吸收的氨基酸就可用于有益的蛋白質(zhì)構(gòu)建。黏蛋白的產(chǎn)生還會(huì)消耗支持蛋白質(zhì)構(gòu)建的能量。因此，能量的使用變得更高效，這使得能量的利用產(chǎn)生一個(gè)有雙重價(jià)值的結(jié)果。

2 蛋白酶和飼料質(zhì)量

真如通過(guò)氨基酸消化率測(cè)定的那樣，飼料中未被消化的蛋白質(zhì)水平越高，特定飼料的表現(xiàn)變異性越高。

所有飼料的氨基酸消化率多變是很普遍且很正常的現(xiàn)象，不過(guò)其含量在不同飼料之間存在差異。常規(guī)飼料的可消化賴氨酸和蛋氨酸的百分比含量和變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）列于表1，由表1可知該范圍可能很寬，但不能忽視。

數(shù)據(jù)庫(kù)可以顯示變異性為+/-一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）。應(yīng)該注意的是，假設(shè)數(shù)據(jù)在平均值周?chē)收龖B(tài)分布，一個(gè)SD只占一種原料樣本變化的68%。一個(gè)例子是玉米樣本中氨基酸變異性的范圍（表2）。

在68%的樣本（+/- 1 SD）中，賴氨酸的可能濃度顯示為0.21%～0.24%。表示數(shù)據(jù)的另一種方法是，賴氨酸在氨基酸中的比例不足0.21%和在32%的樣本中超過(guò)0.29%，但實(shí)際水平未知。對(duì)于精準(zhǔn)飼喂來(lái)說(shuō)，這種不確定性的程度是不可接受的。

可消化能的提高值得注意，肉雞的玉米/大豆型和小麥/大豆型日糧的可消化能從77 kcal增加到130 kcal，確切的結(jié)果因研究不同而有差異，并且取決于能量的測(cè)定方法。有證據(jù)再次表明，精準(zhǔn)配制氨基酸可以降低日糧中的能量水平。

3 蛋白酶和豬的營(yíng)養(yǎng)需求

蛋白酶可以降低飼料中不可消化氨基酸的比例，導(dǎo)致可消化氨基酸比例相應(yīng)地提高。通常，在添加蛋白酶后，飼料含有的不可消化氨基酸水平越高，消化率的提高幅度就越大。Novus公司進(jìn)行的研究表明，利用蛋白酶可以提高每一種評(píng)估飼料的標(biāo)準(zhǔn)回腸消化率（Standardised Ileal Digestibility，SID）。

薈萃分析（圖3）顯示，當(dāng)對(duì)照日糧的總消化率小于70%時(shí)，氨基酸消化率提高了約10%。隨著對(duì)照日糧總消化率的提高，由添加蛋白酶帶來(lái)的獲益機(jī)會(huì)會(huì)減少。在日糧消化率為90%時(shí)，這些研究人員指出蛋白酶產(chǎn)生的平均反應(yīng)為2%左右。

2013年，DuPont和Luis Romero博士以及一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)也觀察到類似的結(jié)果。在有植酸酶和木聚糖酶存在的情況下，添加了蛋白酶，但值得注意的是，添加植酸酶和木聚糖酶，而不添加蛋白酶，氨基酸消化率的明顯上升是最小的。蛋白酶的作用方式不同于其他重要的酶，并有可能成為一種添加劑。

通過(guò)降低蛋白質(zhì)中ANFs的影響，蛋白酶可有助于提高氨基酸的消化率。使用蛋白酶時(shí)SID的改善可能與ANF的水平有關(guān)，如胰蛋白酶抑制劑。Novus公司的研究表明，蛋白酶的作用底物胰蛋白酶抑制的水平越高，SID的提高幅度就越大。早先的研究表明，在體外試驗(yàn)中，添加蛋白酶后，豆粕中的過(guò)敏性蛋白質(zhì)、大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白的水解率升高。

4 蛋白酶和健康

通過(guò)降低腸道中未消化蛋白質(zhì)的水平，蛋白酶還可以為獲得更健康的腸道環(huán)境（圖4）、較低的氮排泄率和較低蛋白的日糧創(chuàng)造條件，所有這些都有可能會(huì)提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能，降低飼料和生產(chǎn)成本。這個(gè)功能是蛋白酶獨(dú)有的，這就是為什么它被稱為“新一代氨基酸”。

如上所述，蛋白酶的間接營(yíng)養(yǎng)作用可以帶來(lái)更多的健康益處。后腸中腐敗性蛋白質(zhì)的潛在減少會(huì)降低一系列有害代謝物（如糞臭素和硫化氫）產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。2009年，荷蘭動(dòng)物保健服務(wù)公司的Herman Peek博士和其研究團(tuán)隊(duì)小組指出，添加蛋白酶可顯著增加肉仔雞GIT黏附層的厚度，并可提高肉雞抵抗球蟲(chóng)病感染的能力。

去年，DSM公司Aaron Cowieson博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，添加蛋白酶可增加腸道的拉伸強(qiáng)度、絨毛高度和隱窩深度，并且可降低上皮厚度和杯狀細(xì)胞數(shù)量。這些形態(tài)學(xué)的變化表明蛋白酶提高了腸道的完整性和彈性，并且表明蛋白酶的有益作用不只是提高氨基酸的回收率。

研究表明，添加蛋白酶可以增加乳酸桿菌的數(shù)量，在高蛋白和低蛋白水平的日糧中還可以減少結(jié)腸中大腸桿菌的含量。雖然該數(shù)值沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性，但在低蛋白水平的日糧中觀察到了進(jìn)一步的改善。

5 蛋白酶和環(huán)境

低蛋白日糧可以降低動(dòng)物暴發(fā)疾病的風(fēng)險(xiǎn)。一直以來(lái)前的研究表明，低蛋白日糧將會(huì)產(chǎn)生氨、硫化氫和臭氣水平很低的糞便。在有多殺巴斯德氏菌存在的情況下，較高水平的氨將會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物暴發(fā)更嚴(yán)重的肺炎，并表現(xiàn)出更低的生產(chǎn)性能。使用蛋白酶可以使利用低蛋白日糧獲得一致的生產(chǎn)性能有更強(qiáng)的信心，因此能夠保持一個(gè)更理想的環(huán)境，并可降低動(dòng)物暴發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

6 小結(jié)

提供氨基酸和能量值對(duì)在豬和家禽的商用飼料中添加蛋白酶的經(jīng)濟(jì)理由很重要。單獨(dú)的消化率研究將會(huì)低估添加蛋白酶所帶來(lái)的全部益處。例如，較高的腸道健康還可降低動(dòng)物對(duì)氨基酸和能量的需求。對(duì)GIT的益處表現(xiàn)在更佳的生產(chǎn)性能指標(biāo)方面。重要的是，這些影響會(huì)間接地改變和提高飼料配方中的氨基酸基礎(chǔ)值。

并不令人驚訝的是，目前還沒(méi)有可以顯示這兩種元素如何構(gòu)建能夠?yàn)槊恳环N飼料原料產(chǎn)生可消化氨基酸值的明確數(shù)據(jù)庫(kù)。然而，同樣清楚的是，蛋白酶的價(jià)值體現(xiàn)在較好的GIT環(huán)境和蛋白質(zhì)消化率。

研究表明，日糧中的營(yíng)養(yǎng)水平會(huì)影響動(dòng)物對(duì)蛋白酶的反應(yīng)，最佳反應(yīng)似乎發(fā)生在日糧中存在較高水平的不可消化蛋白質(zhì)和大豆時(shí)。這并不意味著蛋白酶對(duì)其他蛋白型飼料無(wú)效，但會(huì)限制它的降解效率，例如植酸和纖維的含量可能也需要控制。因此，在有植酸酶和木聚糖酶存在時(shí)，對(duì)蛋白酶的反應(yīng)可能更一致。

我們正在了解蛋白酶，就像我們?cè)?jīng)對(duì)植酸酶的了解一樣。蛋白酶在豬飼料中的未來(lái)是光明的，有一天它將會(huì)像今天的植酸酶一樣成為動(dòng)物生產(chǎn)中不可缺少的一部分。

原題名：Protease： Ready for the post-antibiotic world（英文）

原作者：Howard Simmins