饲用动植物酶制剂生产及应用技术

2016-02-21杨柳

畜牧兽医杂志 2016年1期

关键词：酶制剂动植物饲料

杨　柳

(四川农业大学动物科技学院，四川成都 611130)

饲用动植物酶制剂生产及应用技术

杨柳

(四川农业大学动物科技学院，四川成都 611130)

酶工程是在一定的生物反应器内，利用酶的催化作用，进行物质转化的技术，是生物技术的一个重要组成部分。而酶制剂(Enzyme Preparation)则是从生物体(菌体、动植物体)中，经分离提纯而得到的具有一定纯度和活性的酶制品。不断开发新型酶制剂，用现代生物技术改良产酶原料，改善酶的反应技术，扩大酶的应用等是酶工程的主要研究内容。它服务于国民经济相关的许多行业，涉及到食品、医药、纺织、化工、能源、环境、农业、国防等许多方面，能够产生巨大的经济与社会效益。本文简述了当代动植物酶制剂生产应用的特点，阐述了动植物酶制剂在饲料生产中的优势，从产品结构、技术含量、研发能力等方面总结了近年来酶制剂工业发展中存在的问题，简要提出了动植物酶制剂生产和应用发展的建议与策略。

1动植物酶的应用及优势

1.1 动植物酶的应用

人类利用动、植物酶的历史已非常悠久，远在6 000年前，巴比伦人已用麦芽酿造出了类似啤酒的饮品，5 000年前，巴比伦人已懂得将酒精转变为醋的方法。21世纪的今天，国际酶制剂工业已进入了全新阶段，基因工程、蛋白质工程、生化分析、临床检测等的各种酶制剂的迅猛发展，对 2l 世纪的工农业生产等事业具有十分重大意义。

在畜牧学中，更多的动、植物酶被运用在家畜的饲养中。饲用酶制剂可在提高动物的消化能力、改善饲料的利用率、消除抗营养因子、扩大可利用饲料资源范围、改善养殖的生态环境中发挥重要作用。例如：在产蛋鸡的基础日粮中添加0.1%的复合酶制剂可以使产蛋率平均提高6.12%，料蛋比降低11. 69%。说明在蛋鸡的基础日粮中添加适当的复合酶制剂能提高饲料转化率和经济效益；在断奶仔猪的基础日粮中添加复合酶制剂，可以使断奶仔猪的日增重提高6%，而且每千克增重饲料成本降低0.14元。这些不仅提高了经济利用率，而且提高了经济效益；在肉雏鸡的日饲料中添加酶制剂，粗脂肪、粗纤维的消化率分别降低了28.09%与49.83%，且雏鸡粪便中的大肠杆菌数降低了71.48%。酶制剂的添加不仅提高了饲料利用率，而且保证了肉雏鸡的健康发育。在我国国宝大熊猫的饲养中，在其日粮中添加0.3%的营养性复合酶制剂或纤维素复合酶制剂，可显著提高大熊猫日饲粮总能的消化吸收率，已经成为动植物复合酶制剂应用于移地保护大熊猫饲养中的成功案例。

另一方面，植物细胞存在一些独特的酶，能完成化学合成和微生物转化等难以完成的一些专一性修饰，催化立体专一性的反应，产生独特的手性产物。这是微生物酶制剂所办不到的。植物酶制剂在生物转化反应的运用中较为完善。目前，已有多种催化重要反应的植物酶被分离，如用于合成异羟基洋地黄毒苷(digoxin)的洋地黄毒苷12β-羟基化酶，用于将莨菪碱(hyoscyam ine)转化为东莨菪碱(scopolam ine)的莨菪碱6β-羟基化酶，以及用于紫杉醇半合成的C10-去乙酰酶、C7-木糖酶等。

1.2动植物酶的生产优势

虽然目前生产性用酶大多还靠微生物体制取，微生物酶制剂的生产也有其独到之处，然而动、植物酶在制备工序等方面相比微生物酶的生产仍有很多不可低估的优势。

1.2.1降低环境污染动植物酶不需微生物酶生产时所用的繁多而大型的发酵设施，无需担心发酵时杂菌污染甚至满罐作废；且在饲料中添加动植物酶制剂可以有效降低动物粪便中有机物、氮、磷的含量，从而降低环境污染量。

1.2.2提取成本大大降低使用微生物提取酶时需要大量的原料才可提取出微量的细菌、真菌用来发酵成为酶制剂。而动植物目标大，体内可以提取的酶种类和原料非常之多，这与微生物发酵相比大大降低了成本。

1.2.3生产工艺简洁方便动、植物酶制剂在生产过程中不需要微生物酶制取时破除细胞壁所需的麻烦工序。目前，很多动、植物组织的直接干燥粉末都可以作为酶制剂使用。如剑麻酶可由干燥剑麻植物叶表栅栏组织制成产品，这样的粗制品即可用于皮革工业。骆驼刺酶用于糠革的制品亦与剑麻酶相似。蜗牛酶也仅需把蜗牛的消化道冷冻干燥制成干粉就可获得具有高活性的工业酶制剂。

1.2.4酶制剂与抗生素相比的优越性随着国际上取消或禁止使用抗生素，酶制剂被认为是替代抗生素的功能性添加剂，将会受到更多行业的青睐。

2动植物酶制剂生产关键技术

对动植物酶的提取是酶制剂生产过程中的关键技术。

2.1筛选好的品种及其组织

首先要注意筛选高活力、高含量的动植物品种和组织部分。尤其是植物酶更要注意在高含量的生育阶段来提取。

例如，在提取无花果酶和木瓜酶时，首先要选择高活性含量的品种。无花果中有些品种就可能无法测出其蛋白酶活性；木瓜和剑麻菠萝的酶均取自皮汁，所以木瓜酶只有在未成熟的绿果才含有。另外，剑麻酶的含量与植株生长状况有极大联系，只有生长旺盛的麻株酶具有明显的活性，低产麻的酶活性比高产麻的酶活性相差数10倍。

动物酶的提取则主要局限于含酶组织的选择。比如胰蛋白酶、糜蛋白酶仅在动物胰脏含有，所以只能从胰腺提取。胃蛋白酶仅在动物胃脏存在，因而只能从胃脏提取。

2.2掌握酶的性质

在酶的生产过程中，要考虑酶的蛋白质特性，避免接触蛋白质变性因素。

譬如避免接触强酸、强碱、高温、重金属离子、表面活性剂等，它们都能使蛋白质变性或改变酶蛋自的结构而令酶失活。

2.3避免破坏酶的活性中心

酶的氨基酸链盘曲折叠以至某几个氧基酸残基在一级结构中相距很远(氨基酸首尾连接成肤的顺序称为一级结构，而在空间位置相近。它们的活性琉基、经基、咪哇基之类作用形成所谓的电子传递链。正是这一部位起到了与反应底物结合并催化底物反应的功能，如果它们的结构或组成被破坏就令酶的生物学活性完全丧失。所以，不利于酶活性部位结构的因素都必须避免。如：剑麻酶、木瓜酶、无花果酶、菠萝酶活性中心的琉基(SH基)，就极易被氧化剂、重金属作用而失活，胰、胃蛋白酶活性中心的经基(OH)却容易为二异丙基氟磷酸之类破坏；另外，金属酶则不能接触柠檬酸、乙二氨四乙酸(EDTA)等金属整合剂。

在生产过程中，如上所述的这些因素必须考虑，忽视任何一点都可能会使所得产品毁于一旦。

3国内动植物酶制剂应用存在的问题

虽然酶制剂的市场非常广阔，但同微生物酶制剂一样，动植物酶制剂应用过程中还有许多问题没有解决，其主要问题体现在以下几方面。

3.1酶制剂耐热性差

由于酶制剂饲料在生产过程中，需要经过蒸汽制粒工序，该工序温度在75～85 ℃，而一般酶制剂只能耐受50～70 ℃，所以在制粒过程中，酶的活性会受到一定程度的损失。

3.2销售与科研失衡

国内酶制剂生产企业普遍存在“重销售，忽略应用性研发”的现象，目前国内知名酶制剂企业大都属于销售型企业，据调查，国内酶制剂公司研究开发经费一般占产品销售额的10%～15%。由于过度地把人力和财力投入到销售，忽略了对酶制剂的应用效果进行深入系统地科研研究，故而产品使用效果不明显。

3.3酶制剂数量与酶制剂企业数量的局限性

以饲料产业为例，发现，迄今为止，全球范围内饲料产业仅有10%用到了酶制剂。我国饲用酶制剂的应用只有不到10年的历史，且国内允许在饲料上使用的酶制剂品种只有100种左右，更值得注意的是真正能够发挥作用的酶制剂也是要根据饲料原料的特点来设计产品。因此酶制剂数量与酶制剂企业数量的双重局限性是的当代酶制剂产业的一大问题。

3.4酶活性定义混乱

酶制剂活性一般以单位(Unit)表示。其1单位的定义为：在标准条件下l min内催化一定浓度的作用物(或称底物)进行转化所需的酶量。但目前为止，除了淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、脂肪酶之外，大多数动植物酶种的活力检测方法尚无国家标准或行业通用标准。在实际生产中，绝大多数企业的酶活性定义都是本企业制定的，而不同单位酶活性的含义也不同，有的甚至可以相差200倍。这为全国范围内统一评价特别是各种动植物酶制剂产品的品质带来了诸多不便。

按1.3.1节方法得到的不同酒精度红枣白兰地，采用1.3.2方法对不同酒精度溶液的浊度进行测定。其结果见图1。

4国内动植物酶制剂发展策略及展望

国际上在酶工程研究方面与酶工程产业方面发展非常迅速，酶制剂市场以年平均11%速度逐年增加。而在我国，在微生物、动物、植物三方面的酶源中，后两项一直未能受到应有的重视，多年来出版的工业酶制剂教科书中就鲜于提及动、植物酶。近年来，随着生物技术的深人研究，酶工程产业发展非常迅速，酶制剂产业已成为21世纪的新兴产业之一。在世界各大公司正虎视眈眈我国酶制剂市场之时，我国的酶制剂行业正面临严重的挑战，为使我国的酶制剂工业健康发展，适应需要，积极参与国际竞争，现提出以下发展策略及建议。

4.1投入组建我国酶工程研究中心

长期以来，我国在酶工程领域研究经费投入方面十分狭窄，且研发力量分散，如上文所说，国内酶制剂生产企业普遍存在“重销售，忽略应用性研发”的现象，目前国内知名酶制剂企业大都属于销售型企业，在科研研究方面投资的人力物力财力微乎其微。这就造成了研究机构与企业脱钩的现象，导致我国在全球酶制剂领域尚无巨大、可观的进展。而要摆脱这种被动局面，一方面要联合科研企业单位，组建集中的大型酶工程研究中心；另一方面，则要通过企业重组，重心调整，联合科研单位与院校，目的是形成强强联手的竞争优势。

4.2利用生产原料开发新动、植物酶种

我国幅原辽阔，动植物酶的资源十分丰富。据调查，在南方诸省，便有数以百万亩计的菠萝、剑麻、番木瓜等含丰富蛋白酶的原料植物。这样的原料成本低，且利用率高。例如菠萝中的果肉做成罐头后，其皮汁尚能进一步处理菠萝酶。然而令人惋惜的是，能做到综合利用的仅有南宁罐头厂一家，导致目前国内的菠萝酶的年产量不足两吨，尚未达全国目标需求量的千分之三；据调查，南方诸省拥有麻园2万hm2，其原料不但没有得到充分得到利用，而且大量可制酶的原料都在纤维加工过程中随污水排出，污染了环境。

另一方面，我国的动物脏器酶生产原料的现状仍待改善。全国各地区每年宰杀的猪、牛、羊等家畜可达到亿万，它们的胰、胃等器官均可提取加工成动物酶酶，其作用包括治疗蛇伤坏疽、烧伤的药物成分胰蛋白酶、胃蛋白酶，治疗白内障的药物成分糜蛋白酶，治疗心脏病高血脂的药物成分弹性蛋白酶、激肤酶等等。可在我国，真正能将这些资源利用起来的也仅有武汉、上海等少数厂家。总之，南方诸省地处热带、亚热带，且多山地丘陵，有着特殊的生态环境，拥有丰富的生产资源。然而类似上海、北京等一线城市虽有雄厚的技术力量，却无法找到这样好的地理、气候条件。如何将拥有雄厚技术与科研力量的一线城市与南方诸省的大量生态资源结合起来，是一个亟需解决的问题。

4.3调整酶制剂产品结构

根据我国目前酶制剂研究生产水平，与发达国家无论在品种或质量上抗衡都是不现实的。这主要表现在产品品种少，结构不合理；生产规模小，生产水平低；产品质量差；开发能力差，精细化程度低等方面。各大生产酶制剂企业、机构除了大力生产提高产量外，也要根据我国自身特点，结合社会需要，市场需要，注重“生产集中、应用广泛”，调整酶制剂产品结构，不生搬硬套，走中国自身发展的路。

总之，动、植物酶制剂有着不产生残留、无抗药性、不污染环境、原料丰富、成本低等明显优势，随着人们生活水平的提高，公众环境意识的增强，动、植物酶制剂必将迎来广阔的发展空间。虽然动、植物酶制剂在普遍的生产应用中还存在着许多问题，但在生物技术，特别是基因工程技术不断提高的今天，这些问题都将得到彻底的解决。动、植物酶制剂产业这一渐渐崛起的新兴产业，在21世纪的全球范围内都具有十分广阔的应用前景，在我国这一产业也必定有着稳定而广阔的发展空间。

参考文献:

[1]钱世钧. 酶制剂研制的国内外进展和发展策略[J].生物加工过程，2003(1):28-31.

[2]孙万儒. 我国酶与酶工程及其相关产业发展的回顾[J].微生物学通报，2014(3):10-15.

[3]刘云国，王晓云. 应用酶学研究的几个热点领域[J].生物学通报，2001(10):9-10.

[4]张晓洁，查岭生. 有关酶的生物化学实验改进[J].安徽农学通报，2013(21):28-29.

[5]宋连喜，周丽荣. 复合酶制剂对产蛋鸡生产性能的影响[J].家畜生态学报，2005(6):30-32.

[6]宋连喜，荆阳. 复合酶制剂对断奶仔猪的饲喂效果[J].饲料工业，2004(9):41-42.

[7]王玲. 酶制剂在肉雏鸡饲料中的应用研究[J].饲料研究，2001(2):31-32.

[8]俞路，王雅倩，章世元，等.饲用酶制剂的作用及其应用现状[J].饲料博览，2008(8):31-32.

[9]王小军，蔡青和，佴梅. 饲用酶制剂应用存在的问题和解决方法[J].中国家禽，2009(5):49-51.

[10]熊飞. 饲用酶制剂应用现状与前景[J].畜牧与饲料科学，2010(3):22-23.

[11]张静. 饲料酶制剂研究进展[J].青海草业，2002(3):39-41.