饲用酶制剂发展概述

2011-02-09齐德生

饲料工业 2011年12期

齐德生

1 酶制剂概况

酶制剂是指从生物（包括动物、植物、微生物）中提取的具有酶特性的一类物质，主要应用于酿酒、洗涤剂、皮革、纺织饲料等行业。在改进食品加工方法、提高动物生产性能、减少环境污染方面发挥巨大作用。

通常，酶制剂是一种复合物，含有一种或多种成分以及稀释剂、稳定剂、防腐剂、抗氧化剂和其他物质。不同来源的酶制剂，其组成可以是所用材料的整细胞、部分细胞或细胞提取液。剂型为固体、半固体或液体。颜色从无色至深棕色。

1884年，日本人高峰从米曲霉中提取出淀粉酶，用于治疗消化不良，是人类首次有目的的生产和应用酶制剂。1911年，美国科学家从木瓜中提取木瓜蛋白酶，用于除去啤酒中的蛋白质混浊物，此后，酶制剂的应用逐步发展起来。1949年，液体深层发酵法成功地生产出细菌α-淀粉酶，揭开了近代酶工业的序幕。

至20世纪90年代，世界共有知名酶制剂企业70余家。但随着行业优胜劣汰，一些大型酶制剂生产企业实施了一系列的收购、兼并和扩产等举措，以扩大盈利规模、谋求持续发展。目前，诺维信和丹尼斯克的子公司杰能科占据全球市场约2/3的市场份额。

近年来，全球酶制剂行业的市场规模呈不断增长的趋势，其中亚太地区和中国近年来的增长速度尤为突出，保持在10%左右，成为世界酶制剂企业重点开拓的市场。

1.1 酶的概念

酶（enzyme）早期是指in yeast（在酵母中）的意思，又称“酵素”（ferment）。19世纪中叶，法国科学家路易·巴斯德认为酵素这种活力物质只存在于生命体中，细胞破裂就会失去作用（Manchester，1995）。1878年，德国生理学家威廉·屈内首次提出了酶这一概念。随着研究的深入，酶的概念不断地完善，其生物组成成分和生物学功能也得到了进一步的鉴定。酶指催化特定化学反应的蛋白质、RNA、DNA或其复合体（Lilley，2005；吴诗光，2002）。

1.2 酶的功能特点

酶是生物催化剂，是细胞赖以生存的基础，能通过降低反应的活化能加快反应速度，但不改变反应的平衡点，本身在反应过程中不被消耗。酶在生物体的各种生命活动中发挥着非常广泛的功能。生命活动中的消化、吸收、呼吸、运动和生殖都是酶促反应过程。不同的酶分解不同的底物，各种酶协作完成代谢途径的整个反应网络。如果没有酶，代谢既不能按所需步骤进行，也无法以足够的速度完成合成以满足细胞的需要。

1897年，德国科学家爱德华·比希纳经过一系列的试验证明了酶是一类不依赖于活体细胞的物质。细胞内合成的酶主要是在细胞内起催化作用，也有些酶合成后释入血液或消化道，并在那里发挥其催化作用，人工提取的酶在合适的条件下也可在试管中或机体消化道内对其特殊底物起催化作用。在草食性反刍动物的消化系统中存在一些可以产生纤维素酶的细菌，纤维素酶可以分解植物细胞壁中的纤维素，从而提供可被吸收的养料。

酶能在机体中十分温和的条件下，高效率地催化各种生物化学反应，促进生物体的新陈代谢。酶制剂的催化效率比一般的化学催化剂高107～1013倍；酶制剂的催化作用具有高度的专一性和选择性，即只催化特定的反应或产生特定的构型；通常酶制剂的催化反应在较温和的条件（如常温、常压和中性的溶液）下即可进行，节约生产能耗。因此，酶制剂行业的发展，能够有力地促进我国节能减排和环境保护工作。

1.3 酶的催化原理

酶催化机理多种多样，最终都能够通过改变反应途径的方式降低反应的活化自由能ΔG（过渡态与反应物能量之差），以致相同的能量能使更多的分子活化，来促进一些原本很慢的反应得以快速进行（Fersht，1985）。

创造稳定过渡态的微环境。例如，通过与反应的过渡态分子更高的亲和力（与底物分子相比），提高其稳定性；或对底物产生张力作用，使底物分子扭曲，促进底物更趋向于转化为过渡态。

提供不同的反应途径。例如，形成酶-底物复合物的中间态。

将反应中不同底物分子结合到一起，并固定其方位至反应能够正确发生的位置，从而降低反应的“门槛”。

1.4 酶制剂的生产方法

酶的生产指经过预先设计，并且通过人工控制而获得所需要的酶的过程。酶制剂的一般生产流程是：选育出所需的优良微生物菌种，增殖培养，再通过提取、精制获得大量的酶制剂。

生产酶制剂的菌种要求是安全的，是非致病性的，不产生毒素、抗生素、激素和其他生理活性物质，还要符合以下要求：①能够利用廉价原料，简单培养基，产量大；②菌种改造的可操作性强；③不易感染其它微生物或者噬菌体；④遗传性要相对稳定；⑤生产特性要符合工艺要求。

概括来说，酶的生产方法有3种：①提取法。最早采用的提取酶的方法，直接从动植物细胞或组织中提取。尽管酶存在于动植物中，但是其产量不能满足工业化生产的需求，一般从微生物中提取。微生物繁殖迅速，本身容易改造；而且微生物生产酶制剂不受季节、地区、数量等的限制，成本低。②发酵法。生产酶的主要方法，通过微生物发酵来获得所需要的酶。发酵法通常包括固态发酵法、液态发酵法和载体发酵法三大类。载体发酵法还没有用于大规模生产。③化学合成法。目前停留在实验室内合成阶段。

2 饲用酶制剂概况

2.1 饲料工业发展概况

我国饲料工业开始于20世纪70年代末，80年代中期蓬勃兴起，尽管起步较晚，但发展较快，经过30年的发展，目前我国已跃居为世界第二大饲料生产国，饲料工业已成为我国工业体系中重要的支柱之一。我国饲料产量从1990年起持续增长，1990年我国饲料总产量为3 194万吨，2005年我国饲料总产量首次突破1亿吨，到2010年我国饲料产量已经达到1.56亿吨，复合增长率为8.0%（中国饲料工业协会，2005、2011）。

现有饲料原料中，除大豆、鱼粉有较大量进口外，大部分实现了自给。饲料中抗营养因子研究成效显著，如通过加工工艺技术提高饼粕质量及饲用价值，脱除有毒、有害物质，提高棉、菜饼粕蛋白质利用率，对于缓解我国饲料中蛋白质资源的紧缺状况起到了很大作用。由于谷物中非淀粉多糖（NSP）和非常规饲料原料（如棕榈粕、芝麻饼粕、秸秆等）的研究和针对其设计的饲料复合酶的应用，小麦及非常规原料等在畜禽中的应用日趋活跃，在玉米、豆粕减产情况下，确保了饲料的正常供应。

随着我国居民生活水平的提高，肉制品需求将不断增加，我国饲料工业仍有较大的发展空间，而我国饲料工业更大的空间则是大量养殖户的自配饲料市场，虽然我国规模化养殖已有很大程度的发展，但局限于环境的限制及长期以来传统养殖习惯的影响，我国养殖业中仍存在广泛的散户养殖，较少地使用配合饲料。

笔者根据全国农产品产量和畜禽养殖量估算，2010年全国饲料使用总量约为44 951万吨，其中非全价配合饲料（包括预混料自配饲料、浓缩料自配饲料和完全自配料）合计占比例约为70%。

表1 2010年全国饲料使用量情况（万吨）

2.2 饲用酶制剂功能特点

伴随着饲料工业的发展，近年来，酶制剂在生产技术、应用技术方面取得了质的突破。在研究领域，饲用酶制剂一直是热点之一。

酶制剂是饲料添加剂的一种，但相比其他饲料添加剂拥有较高的科技含量和独特的作用效果，具有更广阔的应用空间。饲用酶制剂具有众多突出的优点：①饲用酶制剂安全无毒、无蓄积和残留，也不会使动物产生抗药性，在当前食品安全问题突出的情况下，意义重大；②分解饲料原料中存在的多种抗营养因子，节粮降成本；③饲用酶制剂的应用，可提高养分的消化与吸收，减少氮、磷排放，缓解环境污染；④饲用酶制剂的降解产物为可提高畜禽免疫水平的寡糖，能增强畜禽抗病能力，有效减少抗生素的使用，促进养殖业向健康、安全、绿色的方向发展。因此，饲用酶制剂对促进我国饲料工业的可持续发展具有重大意义。

2008年欧盟国家的饲料总产量约占全球市场的21.6%，但是饲用酶制剂市场份额占全球市场的比例达到40%左右，是饲用酶制剂的主要消费市场之一。

酶制剂添加成本在饲料生产成本中所占的比例很低，按目前我国饲料企业平均酶活添加水平，酶制剂只占饲料生产成本的2.5‰～3‰，远低于其所节约的饲料成本。