新生代饲用酶实现“三赢”

文|本刊编辑部

新生代饲用酶实现“三赢”

文|本刊编辑部

在饲料添加剂中，酶制剂是由微生物发酵产生的天然、绿色、无污染、无残留的生物制品。饲料用酶分子改良技术的研究与相关产品的创制。将更好地促进中国农业技术与国际接轨。

随着现代化畜牧业的快速发展，饲料中添加抗生素在抗病、促生长的同时，也带来细菌耐药性增强的后果。如果使用不当，还会造成畜产品中的药物残留超标。目前，许多国家都在努力加大饲料添加剂的管理，欧盟、日本、美国等国家相继颁布了一系列法律，在饲料中禁止或限制使用抗生素等药物类饲料添加剂。我国农业部今年公布的“农业部第2292号公告”规定：自2016年12月31日起，停止经营、使用用于食品动物的洛美沙星、培氟沙星、氧氟沙星、诺氟沙星4种原料药的各种盐、酯及其各种制剂。

无疑，天然、绿色、无污染、无残留成为全世界畜牧业发展的主题。

稳定性差是饲料酶制剂工业化中的一大难题

自从1975年美国饲料工业首次把酶制剂作为添加剂应用于配合饲料中并取得显著效果后，饲用酶制剂日益受到世界养殖业的重视。

国内外学者研究和企业应用表明，酶制剂用于饲料，可以扩大饲料原料的来源，提高饲料原料的营养价值，调节动物机体免疫力，提高动物的免疫功能。通过降解单胃动物几乎不能利用的一些多糖，从而提高了日粮的代谢能值，对粗蛋白的消化率亦有较明显的提高。

目前国内外很多企业实现了饲料酶制剂的工业化，获得了较高酶活力的菌株，但在粗放的工业条件下（如高温、高压、重金属离子、氧化剂和极端pH值等），天然酶常会遭到破坏，使酶的生产和使用受到极大限制。当前工业上直接利用酶制剂时还存在一些缺点，如稳定性差、使用率低、不能在有机溶剂中使用、寿命不长等，造成了使用酶的成本升高。其中，酶的稳定性是现阶段酶应用中的一大难题。

主攻性能和成本的开拓性研究

中国农业科学院饲料研究所姚斌研究团队承担的863计划现代农业领域高技术项目“饲用酶的分子改良与产品创制”课题执行3年以来，取得了重要进展。

研究团队在国内率先开展将基因工程等高新技术应用到传统饲料行业这一开拓性的研究工作中去。

针对阻碍饲料用酶规模应用的两大瓶颈性问题——酶的性能和生产成本，课题组确立了从酶的分子生物学基础性科学问题入手、系统性解决问题的研究思路；建立了完整的酶基础研究和产品开发技术体系，打破了国际大公司的垄断，并使我国饲料用酶迅速发展成为具有国际竞争力、效益显著的新兴产业；确立了在学术研究和饲料高新技术实际应用上的领先地位，并起到示范作用。

同时，科研团队还创建了饲料用酶及基因的高效克隆技术体系，获得了百余个具有自主知识产权和应用价值的新型饲料用酶基因，突破了发达国家在饲料用酶资源方面的专利壁垒，使我国在饲料用酶基因资源的争夺上处于国际制高点，奠定了我国饲料用酶的产业基础。

不仅如此，在酶的构效机理研究方面也取得了新的突破，创新了酶蛋白分子改良技术体系；建立了酶蛋白分子的生物信息学分析平台，分析酶蛋白或氨基酸的分子动力学，能量、表面电荷和分子键等的动态变化，用以对多种酶蛋白的结构、催化机制等特征与其重要理化特性（温度、pH特性及抗逆性等）之间相互关系的分子机理进行研究；借助生物信息分析平台，针对性地指导酶蛋白改良的理性设计，建立了以活性中心为核心、由面到点进行酶分子突变的新技术和方法，快速实现酶分子的“跳跃式进化”，获得大量突变体；利用自主构建的木聚糖酶融合胞外表达载体等突变文库筛选系统，结合应用微培养、荧光技术等高通量定向筛选技术，快速筛选获得有效突变体。

该研究获得了多种性质得到改良、可应用于实际生产的改良酶，满足了饲料高温制粒和动物消化生理的特殊要求，以及通过快速筛选技术与模拟胃肠道酶性能评估技术，快速评估酶的应用潜力并指导改良酶的筛选等一整套成熟易操作的酶蛋白分子改良与筛选技术，并利用该技术进行了葡萄糖氧化酶、真菌淀酶、脂肪酶、阿魏酸酯酶、非淀粉多糖酶等多种饲料用酶的分子改良，获得了综合性能优良的改良酶资源。

课题“高油高蛋白油料水酶法提油及其蛋白资源利用关键技术研究”中期检查。

通过酶基因的优化，新促表达因子的挖掘利用，不同促表达因子的合理整合，受体菌株的改良等方法，阐明了酶表达机制上的一些关键问题，创建了表达量达到10克/升以上级的高效表达技术体系，系统解决了饲料用酶表达量低、生产成本高的问题，为饲料用酶的产业化生产和大规模应用提供了技术保障。

通过对团队自己构建工程菌株在发酵罐水平反复工艺测试与摸索，快速有效地提高了工程菌株的发酵水平。葡萄糖氧化酶、真菌淀粉酶、脂肪酶3种在工程菌中的表达量为4500U/毫升（国内外的一般表达水平：＜500U/毫升）、3200U/毫升［国内外的一般表达水平：2000U/克（固体发酵）］、22000U/毫升（国内外的一般表达水平：＜10000U/毫升），表达量和催化效率远优于国内外其他酶制剂水平。以饲料用葡萄糖氧化酶为例，该酶可在动物胃肠道中产生厌氧环境并形成具有杀菌作用的过氧化氢，杀灭有害细菌。由此，可作为抗生素的替代品应用，减少抗生素的使用，提高饲料利用率，保障动物产品安全。目前葡萄糖氧化酶因性能差、生产成本高的问题，还未在饲料工业中广泛应用。

研究团队从肉鸡的肠道微生物中克隆筛选得到一个综合性质较优良的葡萄糖氧化酶及其基因。该酶具有适合于在饲料中应用的综合优良性质：最适温度为40℃，在20～50℃下能维持90%以上的酶活性，在酸性和中性环境中能保持较高的活性；该酶还具有极好的抗蛋白酶能力，能够抵御胃蛋白酶和胰蛋白酶的水解作用。这些特性使其适合于在肉鸡、蛋鸡、猪及水产饲料中应用。

进一步构建了高效表达葡萄糖氧化酶的重组酵母，在其表达量达到12毫克/毫升发酵液，其效价达4000U/毫升，较国内外的报道和专利水平高20倍以上。同时，建立了生产葡萄糖氧化酶的高细胞密度发酵工艺、产品后加工工艺，酶在后加工过程中的回收率超过85%。该技术已完成中试和试生产，技术成熟，可进行产业化生产，整体达到国际领先水平。

除此之外，作为科技管理部门，中国农村技术开发中心在饲用酶的分子改良与产品创制项目的实施过程中也积累了丰富的组织实施和管理经验，组建了一支高素质的团队，更好地保障了项目的先进性和创新性。

“饲用酶的分子改良与产品创制”课题中期检查。

突破壁垒，改良技术效益卓著

通过863计划现代农业领域项目和其他国家课题的支持，近3年，研究团队建立了有效的分子设计技术和筛选技术5项，申请并获得发明专利20余项，发表研究论文40余篇，获国家科学技术进步奖二等奖1项。

市场应用方面，酶蛋白分子改良技术体系技术成果得到了很好的推广应用。经过3年的时间，利用该技术生产销售单酶及复合酶产品超过20万吨，在全国30多个省区上千家饲料及养殖企业推广应用，并出口欧美等20余个国家。产品已广泛应用于国内的猪、鸡、水产等动物饲料，并节约饲料粮5000万吨、磷资源1000万吨，减少养殖业磷氮等有机物排放1300万吨。

由于成功地将酶蛋白分子改良技术研究成果转化到实际生产中去，目前国内饲料用酶制剂的价格明显降低。利用饲料用酶技术生产的植酸酶产品占据了国内植酸酶市场份额的90%以上，60%以上的产品实现出口，国外产品基本退出中国市场。

此外，该技术的广泛应用，提高了养殖动物对饲料的消化利用率，进而每年可节约饲料原料百万吨以上，节省饲料成本数亿元，并使动物粪便中排出的有机污染大量减少，实现了经济效益、社会效益和生态效益“三赢”。