酶制劑的發(fā)展及在奶牛業(yè)生產(chǎn)中的應用

酶制劑的發(fā)展及在奶牛業(yè)生產(chǎn)中的應用【摘要】人們根據(jù)酶能促進蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、粗纖維分解的作用，深入研究找到一種能補充瘤胃微生物消化能力的物質(zhì)—外源性酶制劑，來提高飼料利用率和改善奶牛生產(chǎn)性能。研究證明酶制劑有三種可能的作用機理：對反芻動物采食前的影響；瘤胃作用；瘤胃后作用，也可能是三種作用的綜合，但未確定具體的作用模式。外源性酶制劑對動物采食量及產(chǎn)乳量的影響不大，但確有促進纖維消化，提高產(chǎn)奶量的積極效果，而且經(jīng)濟效益顯著?！続bstract】Peopleundertheenzymescanpromoteprotein,fat,starch,crudefiberdecompositionroletofindanin-depthstudyofrumenmicrobialdigestionsupplementsubstances-exogenousenzymestoimprovefeedefficiencyandimprovingtheperformanceofdairycattle.Studieshaveshownthattheenzymepreparationhasthreepossiblemechanisms:onthefrontofruminantfeed;rumeneffect;effectaftertherumen,threefunctionsmaybeintegrated,butundeterminedspecificmodeofaction.Exogenousenzymeshavelittleeffectonfeedintakeandmilkproduction,butitdoeshavetopromotefiberdigestion,improvemilkyieldpositiveresults,andsignificanteconomicbenefits.【關(guān)鍵詞】外源性酶制劑；產(chǎn)奶量；消化程度【正文】近年來，隨著生產(chǎn)中高產(chǎn)奶牛數(shù)目的增多，奶牛的產(chǎn)奶量也在不斷提高，在產(chǎn)奶量提高的同時，必須要增加飼料的投喂量，特別是精飼料的投喂量，但精飼料的大量投喂，會造成奶牛瘤胃內(nèi)平衡失調(diào)，使各種生產(chǎn)性疾病出現(xiàn)多發(fā)趨勢。人們想利用反芻動物瘤胃內(nèi)的微生物，把利用率較低的粗飼料轉(zhuǎn)變成可利用的形態(tài)，提高粗飼料的利用率。在瘤胃內(nèi)棲息著大量的革蘭氏陰性專性或兼性厭氧性細菌形成了自然界一種特有的微生物生態(tài)系統(tǒng)[1]，能對奶牛攝入的飼料，進行微生物消化。奶牛一般日糧的可消化干物質(zhì)，約有70%～85%由瘤胃微生物所消化，生成揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、乳酸、二氧化碳、甲烷、氨和微生物細胞[1]。反芻動物對纖維素的消化能力，取決于多種因素：如飼料植物的種類、生長段；日糧內(nèi)易消化的淀粉含量的多少；日糧內(nèi)礦物質(zhì)、抑制劑、生物活性物質(zhì)的存在與否；飼養(yǎng)類型、飼料的加工調(diào)制方法；動物品種、生理狀態(tài)、瘤胃內(nèi)的PH值等等。然而，主要是是否給纖維素分解微生物創(chuàng)造適宜的條件和飼喂的粗飼料能被微生物利用的程度。雖然瘤胃微生物的作用非常大，但未達到最理想的效果，因此研究者深入研究找到一種補充瘤胃微生物消化能力的物質(zhì)，并提出在畜牧業(yè)中廣泛使用外源性酶制劑，將其加入飼料中，以輔助動物消化，提高動物的消化能力，改善飼料的利用率，擴大可利用飼料資源范圍，改善養(yǎng)殖的生態(tài)環(huán)境外源性酶制劑的種類非常多，目前已知的酶制劑有近百種，常用的有50余種。有關(guān)外源性酶制劑對反芻動物作用的研究，始于20世紀60年代，但酶制劑的作用效果不穩(wěn)定，所以也未深入探討酶制劑的作用機理。近年來發(fā)酵成本的降低，更高活性酶制劑的問世，促使研究者們重新開始了外源性酶制劑對反芻動物作用的研究。飼用酶制劑既能促進動物對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，提高飼料利用率，促進動物生長，提高生產(chǎn)性能，又能防止某些疾病的發(fā)生，且無毒、無副作用、無殘留。在抗生素限用或禁用的今天作為三大“綠色添加劑”（另兩種為中草藥添加劑和微生態(tài)制劑）之一的飼用酶制劑，其應用必將日漸廣泛。（一）酶1.1酶的定義酶是一類具有生物催化活性的蛋白質(zhì)，具有催化效率高，對其所催化的底物具有特異性，存在于動植物、微生物體內(nèi)，一切生物的新陳代謝都是在酶的作用下進行的。酶的作用是通過生化反應促進蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、粗纖維的分解，因此，酶有提高飼料利用率和促進動物增重的作用。1.2酶的分類1.2.1內(nèi)源性酶指動物消化器官能分泌，并通過自身生理作用調(diào)節(jié)的酶，如：唾液淀粉酶、胃蛋白酶、胰脂肪酶等。1.2.2外源性酶指動物機體不能分泌的酶，參與生物代謝的酶有數(shù)千種，作為飼料添加劑的主要是助消化的水解酶，品種約20～30種，飼用外源性酶制劑可分為兩大類；復合酶制劑和單一酶。單一酶主要是植酸酶。復合酶制劑大多由非淀粉多糖酶（NSP酶）構(gòu)成。NSP酶包括纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶。半纖維素酶主要包括木聚糖酶、β-葡聚糖酶、甘露聚糖酶等。植物性飼料中都含有纖維素、β-葡聚糖、木聚糖、果膠等非淀粉多糖，在動物消化吸收過程中起反營養(yǎng)作用，為了最大程度地發(fā)酵難消化的碳水化合物，使易消化碳水化合物在瘤胃中的酵解程度降到最低，最大程度地利用非蛋白氮（NPN）合成微生物蛋白，并使優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)在瘤胃中被分解的程度降到最低，對反芻動物使用酶制劑很有必要。1.3酶的來源酶制劑產(chǎn)品有幾百種，但這些產(chǎn)品主要來自4種微生物（枯草桿菌、嗜酸乳桿菌、乳桿菌和糞鏈球菌）和3種真菌（米曲霉、里氏木霉和SCChAromyCEsCErEvisiAE）。自然情況下，活細胞能產(chǎn)生具有生物催化作用的酶，催化特殊的生化反應，在反芻動物飼料添加劑中，酶制劑用于催化底物（如飼料原料）的降解反應，使底物被消化成具有最基本的化學組成（如單糖、AA、FA），這些小分子物質(zhì)隨后被瘤胃微生物或宿主動物本身利用。實際上，復雜飼料（干草、谷物）的完全消化，需要上百種酶的共同作用。市面上反芻動物酶制劑，主要是具有降解植物細胞壁的纖維素酶和木聚糖酶。纖維素和半纖維素降解需要更多酶的共同作用，酶制劑中各種單一酶的相對比例和活性不同，就會影響其降解細胞壁的效果，甚至在同一種微生物中，由于所選擇的菌株不同，生長的底物不同和培養(yǎng)條件不同，所產(chǎn)生酶的類型和活性變化很大。商品酶制劑的活性多樣性或許是有利的，這樣，一種產(chǎn)品就可能對多種底物發(fā)揮作用。但是，這對控制酶制劑的質(zhì)量，以及解釋酶制劑的研究結(jié)果帶來了一定的困難。對反芻動物來說，酶制劑產(chǎn)品用粗酶的提取物混合，得到一種、兩種或更多種特定的酶活水平，從而使產(chǎn)品有一定的標準，通常這些產(chǎn)品只規(guī)定一種酶的標準活性，而未規(guī)定其他酶的標準活性。實際上，其他酶活或許會影響整個酶制劑的有效性，但很少被測定。復合酶制劑是利用各種酶的協(xié)同作用，發(fā)揮其綜合效應。1.4酶制劑的作用機理最初認為，外源酶可能通過降解未進入消化道的飼料或通過提高瘤胃或瘤胃后消化道的消化率來促進反芻動物對飼料營養(yǎng)的吸收。實際上這些可能的作用方式是相互聯(lián)系的。用酶制劑預處理飼料使其降解釋放一些簡單的可溶性碳水化合物或消除一些影響內(nèi)源微生物消化的結(jié)構(gòu)性障礙物。在瘤胃中，外源酶可以直接作用于瘤胃內(nèi)容物或通過協(xié)同影響瘤胃微生物來間接促進消化活動。外源酶可以在后消化道中保持活性，在瘤胃后的腸道中消化纖維物質(zhì)或通過降低腸道中的粘性來間接促進營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。外源酶可以在糞便中保持酶活，有利于糞便的降解。在反芻動物中，使用酶制劑的最終目的是提高飼料的營養(yǎng)價值，減少廢物的產(chǎn)生。1.4.1采食前的影響飼料原料在未被動物采食前，外源性酶制劑可以釋放其中的還原性糖。糖的釋放程度取決于飼料和酶的類型。1.4.2瘤胃作用1.4.2.1直接水解作用外源性酶制劑在瘤胃內(nèi)保留活性，對攝入的飼料直接水解而提高消化率。在安裝瘤胃瘺管和十二指腸瘺管的牛所做的試驗中，證實了這種作用。1.4.2.2與瘤胃微生物的協(xié)同作用外源性酶制劑與瘤胃微生物有協(xié)同作用，是能提高瘤胃對纖維消化的可行機制。已經(jīng)鑒定出的分解植物性多聚糖細胞壁的酶有21種之多，這些酶均產(chǎn)自具有正常功能的瘤胃微生物。研究表明，米曲霉的浸提物能增加瘤胃細菌的數(shù)量，與瘤胃微生物浸提液協(xié)同提高從干草中釋放的可溶性糖量。1.4.2.3食糜流酶制劑能增加過瘤胃顆粒物質(zhì)的通過率，通過率的增加與瘤胃食糜顆粒的快速變小和采食量的增加是一致的。1.4.3瘤胃后酶制劑的作用直接向瘤胃添加大量酶制劑，會顯著增加小腸中纖維酶的活性，添加物隨瘤胃內(nèi)容物的液態(tài)階段流動，一部分纖維酶會逃過皺胃低PH值和胃蛋白酶的滅活作用。小腸中木聚糖酶活性的增加與小腸粘度的降低有關(guān)，因為十二指腸食糜粘度隨著日糧谷物添加量增加而增加，酶的作用使底物粘度降低，可以改善飼喂谷物日糧的牛小腸對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。酶制劑添加到飼料或者灌注到皺胃中，隨著小腸內(nèi)容物粘度的降低，同時可以提高總的腸道干物質(zhì)消化率1.2%-1.5%。1.4.4一些其他作用機制1.4.4.1消除抗營養(yǎng)因子，降低消化道食糜黏度酶制劑可降解半纖維素、果膠、葡聚糖溶解在水中產(chǎn)生的黏性，從而促進內(nèi)源酶的擴散。增加養(yǎng)分消化吸收，并加強腸道嗎內(nèi)容物流動性，降低有害微生物附著的可能性。1.4.4.2補充內(nèi)源酶不足提高飼料利用率在幼畜日糧中添加外源性淀粉酶、蛋白酶等，不但能補充內(nèi)源酶不足，而且能激活內(nèi)源酶的分泌，將淀粉分解成糊精、麥芽糖、糖和葡萄糖。蛋白質(zhì)分解成多肽、寡肽和氨基酸，有利于其對淀粉和蛋白質(zhì)的消化分解和吸收作用。1.4.4.3改善腸道菌群狀態(tài)，增強免疫力，提高動物健康水平酶制劑降解非淀粉多糖后，產(chǎn)生的某些寡聚糖可防止有害菌在后腸道定植，減輕病原菌對機體的毒害，并且可促進部分有益菌微生物的增殖。1.4.4.4消除SNSP（可溶性非淀粉多糖）對內(nèi)源性消化酶的抑制作用SNSP可抑制一些內(nèi)源性消化酶的活性，因而降低養(yǎng)分消化率[2]。于旭華報道SNSP可抑制消化道中淀粉酶、二糖酶和脂肪酶的活性，麥類日糧中加入NSP酶，降解SNSP，SNSP對消化道中上述內(nèi)源性消化酶的抑制作用即可消除。（二）飼用酶制劑在泌乳奶牛上的應用在過去，飼用酶制劑用于提高反芻動物飼料消化率是一個有爭議的問題，然而，最近的許多研究表明，將飼用酶制劑添加到反芻動物日糧中，可以顯著提高生產(chǎn)性能并減少營養(yǎng)物質(zhì)的浪費。外源性酶制劑對奶牛產(chǎn)奶量影響的報道，始于20世紀90年代中期，近年來研究比較活躍。J．D．Sutton等人做了在荷斯坦奶牛上應用纖維素酶產(chǎn)品對其消化過程和產(chǎn)奶量的影響試驗，結(jié)果表明，酶制劑加入日糧或直接注入瘤胃會影響奶牛瘤胃的消化過程。劉華[9]等人于2000年在新疆呼圖壁種牛場，在牛日糧中添加復合酶，復合酶制劑的投入產(chǎn)出效益也較理想。劉建昌等人于2001年做了類似的試驗，他們的結(jié)果都具有一致性，即在同等飼養(yǎng)管理條件下，飼喂酶制劑能夠增強奶牛食欲，將體內(nèi)大分子物質(zhì)分解成易消化的小分子物質(zhì)，提高飼料的消化率、利用率，相對增加奶牛的營養(yǎng)供給，從而提高泌乳性能。在不同地區(qū)，不同飼養(yǎng)條件下都有明顯飼喂效果，而且一些酶制劑具有良好的保健和治療效果，可以降低奶牛發(fā)病率，尤其是消化道疾病的發(fā)病率。例如，纖維素酶能直接分解纖維素，促進胃腸蠕動和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，同時促進胃腸道正常菌群的平衡生長，從而達到治療某些疾病的目的[3]。復合酶制劑的應用不但可以提高反芻動物對草料的利用率，產(chǎn)生更多的代謝能。同時在瘤胃功能正常狀態(tài)下，粗飼料采食量提高8%～10%，糞便中氮減少30%，1周后下降70%左右，尿中氮含量下降58.9%?？梢詼p輕對環(huán)境的污染。（三）影響酶制劑使用的因素3．1溫度試驗表明一定范圍內(nèi)的外界溫度并不會影響酶活。但若溫度在極高或極低情況下則可能發(fā)生變化，如在飼料制粒過程中添加酶，酶可能因高溫而失活。所以必須提高酶制劑對飼料加工過程中高溫的耐受性，一方面可通過基因工程技術(shù)篩選耐高溫的菌株，另外可以采用產(chǎn)品的物理處理如包埋技術(shù)，也可采用液體酶制劑在飼料顆粒表面噴涂技術(shù)，近年來，固化酶技術(shù)是人們模擬體內(nèi)酶的作用方式，將酶進行一定的固定，使之符合人類需要的新型酶制劑。同時，很多金屬離子對酶活性有抑制作用，這就要求礦物元素預混料與酶制劑混合時要特別注意，而且使用的酶制劑不應破壞其他飼料添加劑及營養(yǎng)成份。各種復合酶制劑的使用均有嚴格規(guī)定，小型飼料場和規(guī)?；B(yǎng)殖場在選用適宜酶制劑進行飼料加工時，應充分了解其使用注意事項，不要因操作不當而使添加的酶制劑失活。3．2添加量高酶水平與低或中酶水平相比，會導致更低的產(chǎn)奶量，還有試驗表面，低酶水平可以提高DM消化率和吸收率，而高酶水平只能提高DM吸收率，過量使用酶制劑是可行的，但增加的使用成本不能從動物所提高的生產(chǎn)性能中補回來。另外，飼料經(jīng)酶過度處理可能阻塞酶與底物的結(jié)合部位或阻止瘤胃微生物的吸附。3.3底物（日糧種類）酶作為活細胞所產(chǎn)生的一種生物催化劑，要發(fā)揮最佳效果，必須有足夠的底物濃度與其進行反應，這需要日糧中各種成分的含量與飼料添加酶制劑的種類相一致。所以作為底物濃度不同，會影響酶制劑的作用，用酶制劑處理干飼料、鮮飼料和青貯飼料表現(xiàn)不同的結(jié)果，用于復合飼料或僅用于精料結(jié)果也不一樣。3.4酶活溫度、時間、底物濃度、酶濃度、生產(chǎn)反應、輔助因素、PH值以及一些別的因素都會對酶活產(chǎn)生綜合影響[4]。即使大多數(shù)飼用酶的商業(yè)3.5穩(wěn)定性飼用酶制劑在不利儲存的環(huán)境條件、飼料加工和飼喂過程中均容易變性失活。但酶制劑發(fā)揮作用的前提是必須有足夠數(shù)量的活力酶能夠到達消化道中指定作用部位發(fā)揮作用；因此必須保證選用的酶制劑能夠適應較低PH值、在胃中強酸條件下保持活力并不被胃蛋白水解酶類所破壞，保證在一定的儲存時間內(nèi)和飼料加工（如高溫制粒）過程中活性不受影響。因為酶本身是蛋白質(zhì)，可能會被瘤胃微生物蛋白酶降解或者不能被小腸蛋白酶激活。一種果膠酶-纖維素酶復合酶制劑提高了新生斷奶羔羊的瘤胃發(fā)酵功能，而建立了正常瘤胃微生物群系的成年羊卻沒有效果。吳建設等報道在奶牛日糧中添加瘤胃保護纖維素酶2次/D，顯著提高3.5%FCM標準乳產(chǎn)量（2.07kg/D），顯著降低乳體細胞數(shù)。3.6動物種類和年齡根據(jù)動物種類和不同生長階段合理選擇酶制劑。不同動物的不同生長階段，所需添加酶制劑的種類因其生長特性而有差異，所以必須根據(jù)適宜的生理特點來選擇適合的酶制劑，才能合理高效地發(fā)揮酶制劑的作用效果。幼齡動物的消化系統(tǒng)發(fā)育不完善，多種消化酶都分泌不足，是使用內(nèi)源性消化酶制劑較理想的階段。3.7酶制劑與其它飼料添加劑的相互作用一般認為，非淀粉多糖酶可以降低小腸食糜的黏度，提高了各種營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收率或減少各種營養(yǎng)物質(zhì)在腸道內(nèi)的富集，從而減少各種有害微生物在腸道內(nèi)的增殖，而抗生素對腸道有害微生物也有較強的抑制作用[5]。因此，抗生素與酶制劑在瘤胃中的作用效果可能有協(xié)調(diào)作用。（四）目前國內(nèi)飼用酶生產(chǎn)、研究中存在的問題4．1飼用酶的分析測定尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范，給行業(yè)管理帶來困難4.1.1酶活定義混亂，絕大多少生產(chǎn)企業(yè)的酶活定義不采用國際標準，單位酶活的定量偏低。4.1.2酶反應溫度和PH值選擇不合理。對于飼用酶，測定條件必需符合動物體內(nèi)的溫度和PH值。4.1.3不注意酶作用底物的選擇。目前采用的酶分析方法，都是通過測定由酶分解產(chǎn)生的小分子產(chǎn)物來計算樣品中的酶活，酶分解底物產(chǎn)生的產(chǎn)物量其檢測限都很低，所以底物一定要純，低聚合度的小分子含量應盡可能低。4．2技術(shù)水平低，生產(chǎn)規(guī)模小我國擁有的生產(chǎn)菌種，絕大部分是采用傳統(tǒng)的物理化學誘變篩選獲得的，發(fā)酵活力普遍較低。4．3研究資金投入少，實驗設備落后5酶制劑在奶牛業(yè)中的應用需要解決的問題及前景目前，國內(nèi)外對酶制劑在家禽和豬飼料中應用研究已經(jīng)相當深入和廣泛，并已形成了豬和家禽的飼料酶制劑工業(yè)。但就奶牛而言，外源性酶制劑對奶牛生產(chǎn)性能具有促進作用已經(jīng)得到證實，但遺憾的是至今還缺乏試驗結(jié)果的一致性，酶制劑作用程度還需要進一步提高，由于其消化道及