饲料酶制剂应用技术与产业开发现状和展望

■冯定远

（华南农业大学动物科学学院，广东广州510642）

1 概述

我国的饲料工业及畜牧水产养殖业的快速发展，为服务于产业发展的相关行业带来了难得机遇，促进了各个相关分支产业的蓬勃发展和整体提升。饲料酶制剂行业就是其中一个受到广泛关注的分支产业。酶制剂作为生物催化剂具有专一性和高效性，已被广泛应用于多个领域，其中饲料养殖是增长最快，而且是最有潜力的一个领域。作为同时具有营养性添加剂和非营养性添加剂双重特性的饲料酶制剂，由原来的提高日粮营养消化利用的营养功能，已经拓展到包括调节动物肠道健康、杀菌抑菌等七个方面的功能。目前，还没有哪种饲料添加剂同时具有如此众多的潜在作用。越来越多的实践应用显示，饲料酶制剂在提高动物生产性能，开发新的饲料资源，减少养殖的排放污染和替抗减抗养殖等多个领域显现其不同程度的应用价值，使饲料养殖业的安全、高效、环保和可持续发展成为可能。酶制剂的多用途、多领域应用也促进了酶制剂产业的快速发展，饲料酶制剂研发与生产企业成为最有活力的饲料添加剂企业之一。酶制剂的研发不断取得新进步、新突破，生产的有效酶活不断提高，以植酸酶和木聚糖酶为代表的酶制剂酶活水平屡屡提高，部分已处于国际领先水平，其中植酸酶酶活由原先的500单位提高到5万单位，提高100倍。木聚糖酶由原来的5千单位提升到10万单位，提高20倍。饲料酶制剂应用成本大幅度下降，使部分酶制剂，如植酸酶已成为一种常规的、必需的饲料添加剂，而且其应用价值已经能够直接并在配方中加以计算使用。酶制剂在饲料养殖中的应用已从原来的被怀疑到逐渐被接受被认可，再到部分酶制剂被广泛使用，得益于饲料酶基础理论与技术体系的构建，得益于发酵菌种技术与发酵工艺的提升，得益于饲料工业与养殖行业的实践。

饲料酶制剂还有比较大的应用空间和开发潜力。近年来，酶制剂在饲料养殖中应用技术不断发展，新思路、新理念、新技术不断出现，呈现出横向和纵向发展的趋势。横向方面，拓宽了应用领域，例如葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶、溶菌酶等在杀菌抑菌和替抗的应用，促进了这类新产品的发展，酶制剂的药用价值受到广泛关注，成为饲料酶制剂的一个新的增长点。纵向方面，在原有的单酶和复合酶的基础上，出现了针对同一类底物协同作用的组合酶，以及聚焦不同关联底物协同作用的配合酶，以解决饲料日粮复杂性的酶制剂产品。同时，我们也要看到饲料酶制剂行业存在的问题和不足，产品质量问题、应用技术问题、效果评价问题等等仍然突出，需要科研院校、酶制剂企业和饲料养殖行业的多领域协作，共同参与解决。

2 饲料酶制剂现状与发展动态

2.1 酶制剂提高营养消化具有提高动物生产性能和减排环保双重价值

目前，酶制剂产品的应用以提高饲料营养消化利用为主，这是饲料酶制剂最基本的领域。酶制剂提高营养消化利用的功能，不仅能够提高动物生产性能，在环境保护压力越来越大的情况下，酶制剂在减少日粮成分排放和养殖污染的价值和意义已经被重视。酶制剂提高消化功能表现在两个方面，一是消除日粮中的抗营养因子，提高动物对于非常规饲料的消化利用；二是补充消化道酶的不足，当前的养殖模式下，营养的不平衡造成动物体内的酶对玉米-豆粕型日粮的消化障碍。越来越多的研究表明，玉米实际上并不是我们想象的那么容易消化利用，意味着还可以借助一些外源酶，提高玉米、豆粕等原料的消化利用。具有营养功能的酶制剂按其功能分为两类，第一类是直接水解营养底物，如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等；第二类是去除抗营养因子等影响营养消化利用的成分，包括第二代饲料酶如非淀粉多糖酶（木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶等）和植酸酶等，以及第三代饲料酶的特异碳水化合物酶（α-半乳糖苷酶、β-甘露聚糖酶、甲壳素酶、壳聚糖酶等）。

酶制剂通过三个途径改善营养消化利用：直接补充消化道营养水解所需的酶、间接去除饲料中抗营养因子和间接增加动物内源消化酶分泌。第一种途径是一种酶制剂仅提高一类营养成分的消化利用，如蛋白酶只能提高蛋白质消化利用,作用单一明确。第二与第三种途径是一种酶制剂有可能同时提高几类营养成分的消化利用，如木聚糖酶理论上可以提高所有营养的消化利用，作用综合复杂。如果外源酶的添加量适当，对体内酶的分泌是具有诱导促进作用的，但是如果过量，大量长时间添加会造成一种依赖性，影响体内酶的分泌。

2.2 饲料酶制剂功能由提高消化到降低代谢的营养价值认识深化

传统的饲料酶制剂的营养功能认识是基于以蛋白酶、淀粉酶及脂肪酶的直接助消化，和以木聚糖酶和β-葡聚糖酶的间接助消化的认识，实际上酶的营养功能，不仅限于助消化而提高营养的利用，越来越多的证据显示，通过酶制剂而降低营养代谢和营养消耗同样值得重视，例如，β-甘露聚糖酶、蛋白酶通过降低免疫反应可以减少能量的消耗，所以酶制剂对营养的作用体现在开源的一面，也可能在节流的一面。

作为营养节流的技术手段，就是酶制剂通过降低饲料源性免疫反应造成的影响，饲料中的免疫源主要有抗原蛋白类（如大豆抗原蛋白、植物凝集素等）和聚糖类（如类同病原菌表面成分的半乳糖甘露聚糖等）。饲料免疫源（如抗原蛋白）的研究一般是重视免疫应激造成的肠道过敏性反应所产生的绒毛和黏膜完整性影响，与肠道炎症等肠道健康相关。饲料免疫源的另一个影响是免疫反应（特别是长时间低烈度免疫反应）造成的营养消耗，包括能量、氨基酸和维生素等营养的消耗增加。研究表明，某些β-甘露聚糖酶（并不是所有的β-甘露聚糖酶）具有降低由于免疫应激反应造成的营养特别是能量消耗的作用。

大豆蛋白中的β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白是引起幼龄动物过敏反应的主要过敏原，刺激肠道免疫组织，引起T淋巴细胞和B淋巴细胞活化，活化的B细胞转化为浆细胞，产生特异性抗体，如IgE、IgG和IgA等。同样是大豆，豆粕中也含有较高的类似瓜尔胶β-半乳甘露聚糖（β-甘露聚糖中的一种）。β-半乳甘露聚糖会导致刺激特有的免疫系统，导致无目的性的能量损耗的免疫反应。这是由于它组成多种病原体（致病菌）的表面成分(surface components of multiple pathogens)，这种成分可以被特有的免疫系统所识别。肠道组织具有识别抗原的PRR，PRR的特异性广泛，能识别多种病原相关分子模式PAMP。水溶性β-半乳甘露聚糖与 PAMP相似，肠道上的受体(PRR)和甘露聚糖的PAMP结合引起免疫应激。除了上述免疫原外，植物凝集素和某些低等动物的血蓝蛋白也可以造成免疫应激。而免疫反应造成的营养消耗（主要是能量代谢提升）在大量的鸟类、鱼类中已经得到证实，由于营养的免疫耗用而影响其生长。

2.3 饲料酶制剂通过多种途径参与动物肠道健康的构建

动物肠道健康概念有不同方面和层级，重要的有肠道的微生物菌群的微生态平衡，肠道各段发育状况与比例，肠道黏膜的微细结构，肠道理化指标参数和肠道免疫组织器官与功能等五个方面。理论上，种类繁多的酶制剂可以参与到动物肠道健康的构建与维护。最近几年比较受到重视的功能是调节肠道健康的功能，最典型的具有促进肠道健康功能的酶制剂是非淀粉多糖酶，主要通过两个机制来实现。一是利用酶制剂的物理作用降低肠道食糜黏性；二是利用酶制剂的生化代谢作用，产生的寡糖可促进肠道正常蠕动，促进有益菌的增殖，抑制有害菌的定植。肠道健康是大家现在关注比较多的热门话题，通过添加酶制剂的手段可以调节肠道的健康。酶制剂特别是一些非淀粉多糖酶，可以产生一些寡糖，寡糖对维系肠道绒毛及整个肠道的健康具有很好的作用。一些优质的纤维如膳食纤维也是通过酶的分解发挥作用。

肠道微生物可以分解纤维产生一些寡糖等功能性的成份，但是在肠道微生态紊乱的情况下，肠道微生物无法发挥作用，此时添加外源酶可以促进肠道健康。对病原菌杀菌、抑菌功能，这也是广义的肠道健康一部分。最典型的具有病原菌杀菌抑菌功能的酶制剂是葡萄糖氧化酶和溶菌酶，饲料中添加葡萄糖氧化酶是替抗、减抗的有效手段。葡萄糖氧化酶是一把兼具药用和非药用功能的利剑，其杀菌抑菌功能主要通过三个机制来实现。其一，通过氧化葡萄糖，生成葡萄糖酸，降低胃肠道内酸性，酸性环境有利于抑制病原菌；其二，通过氧化反应消耗胃肠道内氧含量，营造厌氧环境，厌氧环境有利于抑制病原菌；其三，反应产生一定量过氧化氢，过氧化氢的氧化能力进行广谱杀菌。任何的添加剂的功能都是条件性的，葡萄糖氧化酶也是一样，如果动物肠道很健康，如果养殖环境很好，葡萄糖氧化酶的作用不会突显。在大规模高密度饲养的肉鸡养殖场，使用葡萄糖氧化酶是有效果的。

2.4 在液体发酵工艺基础上的饲料酶固体发酵具有独特的作用

目前，饲料工业中生产的酶制剂基本上都是采用微生物发酵法，生产方式有固态发酵和液态发酵，各有优缺点。充分发挥固态发酵和液态发酵的优势，才能生产出质量稳定、高产量而又低成本的酶制剂。由于饲料酶与食品酶等酶制剂的不同，一方面，饲料酶并不需要解决所有底物的分解问题（无论是营养还是抗营养成分）；另一方面，固体发酵往往产生一个酶的族群，形成有机的酶系，类似于配合酶，特别是利用目标原料和日粮定向诱导产生的菌株，可以高效解决问题。固体发酵形式也可以一菌株多种酶，或者多菌株一类酶进行工艺设计。例如纤维素酶系主要包括内切酶（EC 3.2.1.4，β-D-葡聚糖葡萄糖水解酶）、外切酶或纤维二糖水解酶（EC 3.2.1.21，β-D-葡糖苷纤维二糖水解酶）、β-葡糖苷酶或纤维二糖酶（EC 3.2.1.21，β-D-葡萄苷葡萄糖）。内切葡聚糖酶活性通常测定其催化羧甲基（CM-）纤维素或羟乙基（HE-）纤维素而释放出的还原单糖量。厌氧性细菌[热纤维梭菌（Clostridium thermocellum）、嗜纤维梭菌（C.cellulovorans）、白色瘤胃球菌（Ruminococcus albus）、生黄瘤胃球菌（R.flavefaciens）、产琥珀酸丝状杆菌（Fibrobacters succinogenes）、解纤维素醋弧菌（Acetivibrio celluolyticus）]和厌氧性真菌[（Neocallinmastix frontalis），（N.patriciarum），（Piromyces equi）]均以多酶复合体的形式产生纤维素酶。

从发酵羽毛粉中分离高效产酶的微生物，在进行定向发酵，会产生非常有针对性，对专一底物或日粮分解效果显著的复合酶制剂甚至配合酶和组合酶制剂。以曲霉为产酶菌株，通过固态发酵和高效表达技术会产生七种酶，在此基础上再额外添加一些液体发酵来源的酶来强化固态发酵来源的酶的不足，制得的就是很好的复合酶。另外，非生物发酵技术提取酶制剂途径与工艺同样值得重视，可以作为微生物发酵酶制剂途径的一种补充，植物来源的酶制剂（如木瓜蛋白酶）和动物内脏来源的酶制剂（如胰蛋白酶、胰脂肪酶），不仅是组合酶和配合酶的很好原料，有时候也具有成本优势。

2.5 酶制剂应用的饲料营养价值评定与参数数据库建立

如果按照原来的营养参数设计日粮配方，营养水平已经偏高的情况下，供给有效营养总量已经足够，再使用酶制剂的意义就不大，生产中也有可能显示不出效果，在某些情况下，使用了酶制剂以后，动物的采食量反而下降，一种可能是使用酶制剂提高了可利用（有效）营养的供应，特别是可消化能或代谢能，动物能够根据营养水平（如代谢能水平）调节采食量，这说明有必要调整饲养标准。目前在饲料酶制剂的精确使用和加酶日粮的饲养标准方面，不少酶制剂生产厂商和科研机构进行研究，其中，加酶日粮ENIV（有效营养改进值）系统的建立和应用有明显的意义。但由于不同来源的酶制剂即使针对同一种原料的降解效果也存在很大差异，不同酶制剂生产厂家显然无法建立统一的饲料原料或日粮配方的ENIV值数据库供客户使用。这就要求酶制剂生产厂家必须针对自己的酶制剂（单酶或复合酶）建立常用饲料原料的ENIV值数据库供客户制作日粮配方时参考，目前已经有部分企业建立了专门产品的ENIV值数据库。

酶制剂体外消化评定方法有胃蛋白酶-胰酶法、胃蛋白酶-小肠液法、胃蛋白酶-胰酶-瘤胃液法、胃蛋白酶-胰酶-碳水化合物酶法和单胃动物仿生仪法等多种。单胃动物仿生消化仪更接近体内消化环境，操作简单、重复性好，可实现体外条件下简单模拟动物胃肠道消化饲料的过程。仿生仪能有效模拟动物胃肠道环境和内源酶分泌变化等参数，利用仿生消化仪测定酶制剂对饲料养分和能量利用率的影响，以及生成寡糖的种类等，可以在一定程度上反映酶制剂对饲料的作用效果。因此，它仅可以作为评估酶制剂作用效果的一种初级手段。

3 饲料酶应用与产业发展存在的问题与展望

3.1 饲料酶制剂的理论研究问题

饲料酶制剂应用技术和产业发展取得了明显的进步，但也要看到饲料酶制剂的局限性，不要夸大其作用效果和使用价值。源于酶制剂的生物敏感性、应用目的的多样性、饲料成分的复杂性，酶制剂的应用还存在不少问题，我们的认识仍然十分有限，基础研究还很不够，研究还比较多地停留在一般的饲养试验和效果验证的层面。饲料酶制剂企业的产品开发仍有相当部分缺乏科学依据。目前，普遍存在某些酶制剂的水平不高，包括含量、配比和针对性等方面，使用酶制剂还有不少的疑虑和争论。使用酶制剂的目的是针对饲料原料的消化问题，特别是对最难消化的饲料原料或者成分，以及动物的种类和生理阶段问题。因此，酶制剂开发的升级路径是高效和精准的，重视与基础营养的结合。营养性的酶制剂需要把它的营养价值量化，非营养性的酶制剂需要把它的饲用价值量化。饲用价值不完全等同营养价值，营养成分是饲料最基本的，其次是营养价值，再次是饲用价值。营养成分高，不等于饲用价值高。如何把添加剂的饲用价值进行可量化？现在已有人注意到这方面，把酶挖掘出来的可消化、可利用的营养折算出来，如植酸酶的磷当量值、脂肪酶有效能价值的当量、脂肪酶价值等。但是做得还很不够，需要立足企业本身，没有统一标准，需要科研院校的结合和指导。

饲料原料，特别是非常规饲料原料的物理特性和化学成分复杂，一般的单酶和复合酶对大部分的非常规饲料原料的作用有限，必须通过同一类酶的有效组合和不同类酶的高效配合。通过同一类酶的组合作用和不同类酶的相互配合技术，形成一整套解决方案，才能较好地克服复杂饲料原料的消化利用问题。饲料酶制剂有七种形式：单酶、混合酶、复合酶、组合酶、配合酶、组合型复合酶、组合型配合酶。单一酶或单酶(Single Enzyme)具有生物催化活性的基本结构单位。混合酶(Blending Enzymes)没有明确目标或具体量化关系的多种单酶组成的酶制剂（目前许多所谓饲料酶产品还是属于这一类）。复合酶(Complex Enzymes)由催化不同底物的多种单酶、有明确目标和具体量化关系组成的酶制剂。组合酶(Combinative Enzymes)由催化同一类底物的多种单酶、有明确目标和具体量化关系组成的酶制剂。配合酶（Formulating Enzymes）是指针对某种饲料物料或者复合组分的降解而设计的多种单酶、有明确目标和具体量化关系组成的酶制剂。单酶、复合酶并不能解决所有组分降解，而配合酶能解决饲料组分的复杂问题。酶制剂与作用底物的复杂性，使饲料酶制剂的使用可以发展成为一个相对独立的子系统。

3.2 饲料酶制剂产品质量提升问题

由于酶制剂的生物活性敏感性、作用对象复杂性、酶种和来源多样性，目前饲料酶制剂应用有一定的盲目性，产品良莠不齐，整体水平有待提升，需要转型升级。一是源头的酶制剂发酵生产，提供更多高水平的单酶品种；二是饲料酶的配制生产品种更有针对性，效率更高，更有利于畜牧水产养殖业的需求，更好解决养殖生产的效率问题、品质问题和环保问题；三是在配制酶制剂产品时，选择合适的形式，目前饲料酶制剂有液体型、固体型、颗粒型、粉剂型、微胶囊型等多种产品形式。

酶制剂产品必须具备高催化活性、好的热稳定性、宽的pH值范围内保持高的活性和保存期间稳定性好等特性。然而，目前许多所谓饲料酶产品属于混合酶，其应用目标部分不明确或者笼统。饲用酶制剂领域还存在很多问题，主要表现在以下8个方面：①酶含量低，在浓缩料、预混料中缺乏使用的成本和重量空间；②粉状剂型的抗逆性差，易受微量元素、胆碱、酸化剂的攻击，限制了其在浓缩料、预混料中的使用；③粉状剂型的抗逆性差，易受饲料制粒高温的破坏，限制了其在全价料中的使用；④粉尘损失严重，使用过程中配方执行不准确；⑤使用过程中产生的含酶蛋白的粉尘对工人的健康可能造成影响；⑥产品的酶活性低或没有酶，在动物消化道中发挥的作用不到位；⑦没有考虑动物消化生理、个体发育规律和日粮抗营养因子特点而设置酶种和活性，酶谱不科学而未能起到应有的作用；⑧应用效果、接受程度等有待进一步改进。

3.3 酶制剂在饲料养殖应用的拓展问题

除了直接添加，酶制剂还可以有一些专门的应用途径。①处理低质量饲料原料：相比玉米和豆粕来说，非常规饲料价格低廉，但存在大量的抗营养因子。猪禽没有足够长的消化道降解食糜中的完整细胞壁。研究使含植酸和非淀粉多糖的谷物和消化率低的饲料原料中的非淀粉多糖部分或完全水解的饲料原料预处理程序，具有很大的潜力。针对某一类或某一种难消化的饲料原料进行开发一些专用的酶制剂，如酶解羽毛粉、酶解皮革粉等是非常有必要的。②生产高质量饲料原料：酶解鱼粉和豆粕等饲料原料中的抗营养因子，生产一些高质量的饲料原料。这种情况下也可以有专门的酶，除了蛋白类的之外也可以比如一些敏感生产抗过敏的门类等等。如酶解鱼粉和豆粕等。③生产饲料添加剂：通过特殊的酶生产的寡糖和小肽的利润比较高。除了碳水化合物和蛋白质之外，其他的复合性的饲料原料都可以用专一的酶来处理，如酶解寡糖和小肽等。

目前部分专用酶属于配合酶，如科学设计的小麦专用酶有可能符合这一要求。但是其他所谓的专用酶如仔猪专用酶、水产专用酶等等，属于一般的复合酶。混合酶也是目前存在的一种形式，它在一定程度上也能发挥作用，只是效率不高。今后可以进行精细化酶谱研究，开发更多专用性酶制剂产品。

3.4 饲料酶制剂应用效果评价问题

应用技术和产品的升级需要一些配套的技术和评价，很多情况下，虽然技术改进了，但在动物上的应用效果不佳，原因可能是客观上的。可以通过优化使用条件（日粮、动物类型等）、建立相应的标准和数据库、采用特殊的加工处理方式以及根据经验积累确定用法与用量等技术来提高产品的价值。

目前，酶制剂效果的评定和评价还没有统一标准。酶制剂效果的评定通常通过常规生产性能，如生长性能、增重性能、产奶性能、产蛋性能、饲料报酬、耗料增重比、料肉比、饵料系数等。这些常规性能很重要，然而许多时候并不明显（达不到生物统计学上的显著水平）。而某些不能量化的指标有差别，如外观表现、健康状况、整齐度、成活率、同时出栏的比例等等。整齐度等可能是非常有经济价值的指标。所以，今后有必要认识和建立“非常规动物生产性能指标”的评定方法，把酶制剂的微细价值挖掘出来，把酶制剂的综合作用和饲料产品及养殖效果稳定性反映出来，更好地把现代生物技术应用到传统的养殖产业中来。