Research and development of enzymes used in feed
Abstract: Enzyme preparation is a kind of high-yield, high-quality and high-efficiency of new green feed additives, it can improve the animal production performance and welfare, improve the feed efficiency in resource utilization, reduce the environmental pollution, promote the development of feed industry. The classification, design philosophy, manufacturing technique, the function of enzyme preparation and its application in feed production were discussed in this article．
Keywords: feed enzymes; classification and philosophy; application;
饲用酶制剂是一种由细菌、真菌等益生微生物发酵产生[1]，以酶为主要功能因子的饲料添加剂，能显著提高饲料的利用率。饲用酶制剂的功能很多，但最基本的功能只有两点，补充内源性消化酶的不足，消除、降解日粮抗营养因子[2]。酶制剂虽已用于饲料生产中获得了肯定的应用效果但其还存在热稳定性差，容易失活等弊端，在调制、制粒、膨化等热处理或是在常温条件下长期存放都会引起失活[3]，而且酶制剂的生产工艺比较复杂，生产成本高，应用效果变化较大，易受各种环境因素影响[4]。
1 酶制剂的分类
1.1根据是否在动物体内大量分泌将饲用酶制剂分为外源酶和内源消化酶
外源酶包括植酸酶和非淀粉多糖酶，其中非淀粉多糖酶又包括木聚糖酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶、果胶酶、纤维素酶等。植酸酶用于催化植酸盐的水解反应，使饲料中的磷以无机磷的形式游离出来，提高饲料中磷和其它养分的利用率。非淀粉多糖酶通过破坏植物细胞壁，分解纤维素、半纤维素和果胶等非淀粉多糖，既把这些不可利用的多糖分解成可被消化吸收的的小分子糖类，又可以打开细胞壁保护的淀粉、蛋白等营养物质，使其充分吸收利用，同时还可降低因可溶非淀粉多糖造成的粘稠食糜的粘度；
内源消化酶包括蛋白酶、淀粉酶、糖化酶和脂肪酶等。主要作用是将淀粉和蛋白质降解成易被吸收的小分子物质。
1.2根据产品中所含酶的种类，饲用酶制剂一般可分为饲用单酶和饲用复合酶
复合酶制剂比单一酶制剂效果更完善，但并不意味着单一酶制剂就没有使用优势[5]。复合酶在使用的过程中因为各单酶之间具有互相补充、相辅相成的效果，在各种酶的共同作用下，饲料中一些抗营养因子被破坏，因而可以更好的促进动物的生长，提高动物的免疫力，增加动物的健康。
1.3根据酶作用的日粮底物不同分类
低粘度日粮用酶制剂：适用于常规玉米－豆粕日粮，其主要酶种是消化酶及木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶等；高粘度日粮用酶制剂：适用于大麦、小麦等麦类作物及麦麸、米糠等谷物副产物用量较多的日粮，以木聚糖酶、β-葡聚糖酶等半纤维素酶为主；高纤维日粮用酶制剂：指稻谷、糟渣、草粉等含量较高的日粮，其主要酶种是纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶等，主要作用是消除纤维对营养物质的屏障作用。
1.4 根据酶制剂的商品性分类，分为精制酶和粗制酶
精制酶是经过提纯精制处理的酶制剂，包括含有一种酶的单一酶制剂 和由一种以上酶配制的多酶制剂[6]。由于酶作用的高度特异性和饲料物质组成与结构的复杂性，精制酶，特别是精制单一 酶的作用单一，添加效应小，而且生产成本高。因此，作为饲料添加剂应用不多，只有少数几种对主要养分有较强作用的酶，如蛋白酶、淀粉酶、酯酶、植酸酶、β -葡聚糖酶等有部分精制酶产品。
粗制酶是即将含酶丰富的动、植物组织或微生物发酵物， 经过一定的浓 缩等处理（未提纯处理）所制得的酶制剂。包括单酶制剂和复合酶制剂。粗制单酶制剂是指具有特定分解能力的单一菌种（或菌株）培养物经浓缩等处理制得，或直接将安全发酵培养物与其中的酶一起制成的酶制剂。复合粗制酶有单一来源的产品（如细菌酶、酵母酶、各种动、植物组织提取物等），或由多种来源酶配制而得的产品[5]。
2 酶制剂的设计原则
2.1 根据饲料的特异性设计的原则
日粮消化中主要存在的问题之一是抗营养因子问题, 这里所指的抗营养因子是指大量存在的主要起物理性抗营养作用的因子, 即非淀粉多糖(NSP)[7] 。酶制剂的一个重要的生物学特征就是“酶制剂具有专一性”，底物不同，所需要的酶也不一样。玉米-豆粕型日粮是我国的常规日粮，通用的消除抗营养因子的最适酶种主要为a-半乳糖苷酶、甘露聚糖酶、木聚糖酶、果胶酶等，若饲料中添加了其他非常规原料，则需补充相应酶种[8]。
2.2 根据畜禽的特异性来设计配方的原则
目前的饲料酶绝大部分是加入饲料中在动物消化道内发挥作用的[9], 所以酶配方的设计必须适应动物消化道的特点,并注意动物的种类、生长期、消化生理的差别等不同生理状况下对酶的需求不同：①消化机能尚未健全的幼年动物、由于疾病或衰老引起消化酶分泌不足的动物必须添加酶制剂帮助消化；②健康成年动物当自身所产酶能完全满足充分消化之需要时不需添加；③当饲料中某些成分过多、有抗营养因子存在，阻碍正常消化过程，自身所产生的酶不能将底物完全消化时应添加酶制剂[10]。
2.3 根据酶制剂自身的生物学特性设计的原则
要全面衡量在体内条件下的酶活力，而不应片面追求酶对高温或酸碱的耐受性。当酶的最适条件与动物消化道的生理条件差别较大时，很可能在试验中采用最适条件测定酶活性很高，而实际应用时酶活性却很低。
3 酶制剂的生产方法
目前在饲料中添加的酶制剂，都是由微生物发酵生产的，其常规工艺为：菌株选育、发酵培养、酶的提取。利用微生物来生产饲用酶制剂，有两种方法，一是固体发酵，—是液体发酵。
3.1 固体发酵法
固体发酵一般利用麸皮或者米糠为主要原料，再添加谷糠、豆饼等，加水拌成含水量适度的半固态物料作为培养基，供作微生物生产繁殖和产酶用[12]。固体发酵也具有很多液体发酵所不具备的优点，主要表现为：(1)培养基简单，多为便宜的天然基质；(2)基质的低含水量可大大减少生化反应器的体积，不需要废水处理，较少环境污染，常不需要严格的无菌操作，后处理加工方便；(3)不一定连续通风，一般可由间歇通风或气体扩散完成；(4)产物的产量可较高；(5)设备简单，投资小，能耗低，但固体培养基利用不完全、劳动强度大、易染杂菌、不适于细胞内酶的生成。
3.2 液体发酵法
液体培养法根据通气(供氧)方法的不同，又分为液体表面培养和液体深层培养两种。液体深层发酵(又称浸没式培养)法是指在液体培养基内部(不仅仅在表面)进行的微生物培养过程，利用液态培养基进行微生物的生长繁殖和产酶[13]，是目前酶制剂和其他发酵产品生产的主要培养方法，也是目前应用最广的方法。与固体发酵培养方式相比，液体深层发酵具有如下优点：(1)液体悬浮状态是许多微生物的最适生长环境；(2)在液态环境中，菌体、底物，产物(包括热)易于扩散，使发酵在均质或拟均质条件下进行，便于检测、控制，易扩大生产规模；(3)液体输送方便，易于机械化操作；(4)产品易于提取精制[14]。
由于饲料工业附加值低，饲料用酶无需精制，因此，采用固态发酵更为合适。国内复合酶制剂的生产一般采用固态发酵，液态发酵主要用于植酸酶的生产或生产单酶制剂用于复配合酶制剂[11]。
4 饲用酶制剂使用过程中的注意事项
饲用酶制剂在使用过程中要注意添加量、添加方式等问题，不同厂家生产的酶制剂活性不同,畜禽品种及所处生长阶段不同,因此适宜添加量应视酶的活性、日粮纤维素含量、畜禽品种及年龄而定，还应注意以下问题：
4.1保持酶的活性及其最佳使用条件
延长酶的半衰期, 以满足运输、储藏的需要, 降低酶对环境的敏感度, 使之在各种不同的加工环境中都能保持较高的活性。酶制剂对热敏感，耐热性差，酶制剂受温度影响而破坏是影响其效果的重要原因之一[15]。各种酶发挥作用的最佳pH不同, 可以通过菌种筛选和生物技术加以改变。选择出适合动物消化道生理条件的酶制剂, 达到最佳生产效果。
4.2增加酶制剂稳定性5tF中国饲料行业信息网-立足饲料，服务畜牧
酶制剂本身的稳定性是影响饲用酶制剂产品质量的最关键因素。影响酶稳定性的因素很多，主要包括水分活度、饲料颗粒化过程高温、高压、高湿的影响以及消化道内pH值[16]。1998年中国农科院饲料研究所的科研人员，采用基因工程技术，获得了植酸酶高产菌株。近年浙江大学饲料科学研究所动物分子营养重点实验室在β-葡聚糖酶、黑曲霉木聚糖酶等的稳定性的研究方面亦已取得显著进展[17]。
4.3日粮组成5tF中国饲料行业信息网-立足饲料，服务畜牧
不同的日粮类型由于植物细胞壁的结构和组成不同应添加不同的酶制剂。酶制剂作用具有高度专一性，只能作用于具有特定化学键价的底物，日粮组成不同酶作用的底物就不同，因而应选择不同种类的饲用酶制剂[18]。在制定酶制剂配方时，尤其是我们饲料资源丰富的大国根据饲料配方设计合理的酶制剂配方就显的更为重要5tF中国饲料行业信息网-立足饲料，服务畜牧
4.4 安全性问题、
现在所使用的复合酶制剂大都由微生物发酵产生,但在发酵过程中是否产生毒素及选择安全的菌种进行发酵生产, 应该在毒性和安全性上满足饲料添加剂的要求。
4.5完善酶制剂活力检测方法5tF中国饲料行业信息网-立足饲料，服务畜牧
现阶段测定酶活力有两种方法，一种是检测在给定条件下酶作用底物底消失程度，另一种是检测在给定条件下形成产物的数量[19]。单纯检测酶活性一般并不复杂，但当酶加入饲料再评定酶活性，技术上就要难的多。因为测试法都要先将酶从饲料中提取出来，对于占饲料比例干分之一的酶制剂来说，需要有灵敏的检测设备和较长的检测时间,并且饲料中存在某些妨碍酶活性测定的物质。因此今后必须加大科技投入，完善酶制剂活力检测方法。
5 饲用酶制剂产品发展的方向
酶制剂的发展方向主要集中在以下两个方面：一方面是开发专门的单项酶制剂，如植酸酶、木聚糖酶、口一葡聚糖酶、半乳糖苷酶等，因为这些产品同以往的复合酶产品相比更具有针对性、效率更高，同时使用面也广，可以作为一种饲料原料直接提供给饲料生产企业；另一方面是根据不同类型日粮、不同动物种类以及不同抗营养因子的特点，开发专门用途的“日粮酶”、“动物酶”或“抗营养因子酶”，如“玉米一豆粕”型专用酶，“小麦一豆粕”型专用酶、“玉米一小麦一豆粕”型专用酶[20]
随着人们生活水平的提高及环境意识的增强，饲用酶制剂以其无残留、无抗药性、不污染环境等优势将会进一步被推广应用，但饲用酶制剂的发展仍有许多问题有待解决，仍需要加大科技投入[21]，加强新菌种筛选、微生物发酵、基因改良和应用试验等研究工作，研制出更适合于饲料原料和市场特点的饲用酶制剂产品，以更好的推动饲用酶制剂的生产和广泛应用。
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