蛋白酶：为后抗生素时代做好准备

王晶晶 唐彩琰

摘  要：人们通常根据酶所能分解的物质对其分类。蛋白酶具有分解蛋白质的能力。在替代性饲料原料使用量不断增加并试图减少生态足迹的时代，蛋白酶是一个令人关注的选择。

关键词：蛋白酶;替代抗生素;饲料

中图分类号：S816 文献标志码：C 文章编号：1001-0769（2019）11-0078-04

在猪的生产中蛋白酶是一种非常现代的饲料添加剂，可改善猪的营养、健康和环境条件，有助于补偿因猪饲料中抗生素使用减少造成的生长差距。直到现在，它的全部价值才被揭示出来，就像植酸酶市场的发展一样，养猪业越来越意识到它是一种具有多种益处的酶。

为什么蛋白酶有利于猪的营养、健康和环境？这与蛋白酶的作用方式密切相关。营养益处牢固建立在业界对可消化氨基酸充分理解的基础上，无论是动物的需求还是饲料原料的可利用性。精确配制蛋白酶并结合合成氨基酸，可优化日粮能量、生产性能、营养过剩和环境浪费，并可有效控制饲料成本。健康益处与降低日粮中的蛋白质水平有关，因此可以减少后肠中未消化的蛋白质水平（图1）。

过量的蛋白质是发酵底物，可能會产生诸如酚、胺、氨和吲哚在内的分解产物，这些分解产物反过来会提高胃肠道pH，这些都不是我们希望得到的结果。同样，抗营养因子，例如胰蛋白酶抑制剂，可能会为C型产气荚膜梭菌的生长创造条件。畜舍中较高的氨水平可能使动物容易患上呼吸道疾病。这些风险都不是新出现的。蛋白酶可以更有效地改善营养管理，从而降低风险，尤其是在“后抗生素时代”。

1  精准饲喂

精准饲喂越来越重要。它需要对以下几个相关因素有准确的认识：

● 饲料原料的营养价值;

● 猪的营养需求;

● 根据环境限制配制日粮;

● 逐步调整其他日粮营养以适应猪的变化需求。

据估计，这种综合方法可使饲喂量减少4.6%以上，此外，还可使氮和磷的排泄量减少38%以上。明尼苏达大学Gerald Shurson教授在2012年营养效率协会上表示，饲料成本占猪总生产成本的65%～70%，而能量成本占猪日粮成本的86%。控制饲料中过量的蛋白质还可以控制过量的能量添加，否则这些能量将被用来排泄过量的氮。

为了限制饲料成本，替代性饲料成分（通常是副产品）的使用量将长期持续增加。这些成分给饲料配方带来了更多的风险和可变性，因此可能会造成一些不良结果，例如降低生产效率和增加环境污染。为了解决这个问题，人们越来越多地使用添加剂来帮助提高饲料利用率。就蛋白质来源而言，还包括了过去数十年来使用的合成氨基酸。尽管主要的限制性氨基酸极其有价值，但要通过添加合成氨基酸来完全平衡所有的必需氨基酸很不现实。因此，蛋白酶的作用在提高饲料原料中多种必需氨基酸的利用率方面变得越来越重要。

蛋白酶的另一个益处是可以减少抗营养因子（如胰蛋白酶抑制剂）对生产效率的负面影响。进一步的研究发现，蛋白酶可以减少肠黏蛋白的产生，从而将吸收的氨基酸通过生产瘦肉或乳汁形成有用的蛋白质，而不是生产不必要的肠黏蛋白。肠黏蛋白的生产还会使用原本用于形成蛋白质的能量。因此，能量得到了更有效的利用，这就得到了具有双重价值的结果。

2  蛋白酶和饲料原料质量

用氨基酸的消化率衡量，未消化的蛋白质含量越高，特定饲料原料的变异性就越大。

氨基酸消化率的变异性在所有饲料原料中普遍存在，但其水平在饲料原料中有所不同。表1列出了常用饲料原料中可消化赖氨酸和蛋氨酸的含量和变异系数（Coefficient of Variation，CV），表明范围可能很广，不能忽略。数据库的变异性可能为一个标准偏差（Standard Deviation，SD）。应该注意的是，假设均值周围呈正态分布，一个标准偏差仅占饲料原料样本变化的68%。表2给出的是玉米样本中氨基酸变异性的范围。在68%的样本中（±SD），赖氨酸的可能浓度在0.21%～0.24%之间。显示数据的另一种方式是，在32%的样本中，赖氨酸的浓度或低于0.21%或高于0.29%，实际水平未知。对于精准饲喂，这种不确定性是不可接受的。消化能显著提高，肉鸡日粮的消化能范围在  77 kcal～130 kcal，各个研究之间的确切结果有所不同，具体取决于测量能量的方法。然而，有证据表明，精确的氨基酸配方降低了能量需求。

3  蛋白酶和猪的营养需求

蛋白酶可以降低饲料原料中不可消化氨基酸的比例，导致可消化氨基酸相应增加。通常来说，不可消化氨基酸的水平越高，添加蛋白酶时消化率的增加就越大。Novus公司的研究表明，蛋白酶可以改善所评估的每种饲料原料的标准回肠消化率（个人交流）。

荟萃分析（图2）显示，对照日粮的总消化率低于70%时，氨基酸消化率可提高10%左右。随着对照日粮总消化率的改善，动物从蛋白酶中受益的机会减少。作者发现，日粮消化率为90%时，蛋白酶的平均应答在2%左右。

DuPont公司Luis Romero博士的研究项目组在2013年观察到了类似的结果。该研究在植酸酶和木聚糖酶中添加了蛋白酶，值得注意的是，在植酸酶和木聚糖酶存在的情况下添加蛋白酶可明显提高氨基酸消化率，而不添加蛋白酶时氨基酸消化率的提高幅度很小。蛋白酶的作用方式不同于其他主要酶类，可能具有叠加效果。

在减小蛋白质中抗营养因子的影响方面，蛋白酶有助于提高氨基酸的消化率。使用蛋白酶时标准回肠消化率的提高可能与抗营养因子（如胰蛋白酶抑制剂）的水平有关。Novus公司的研究表明，蛋白酶作用的胰蛋白酶抑制剂底物水平越高，标准回肠消化率的提高就越大（个人交流）。以前的研究表明，在体外添加蛋白酶后，豆粕中的致敏蛋白、大豆球蛋白和β-糖蛋白的水解程度更高。

4  蛋白酶与健康

通过降低未消化蛋白质的水平，蛋白酶还为更健康的肠道、更低的氮排泄和低蛋白日粮创造了条件，所有这些都有可能提高生产性能、降低饲料和生产成本。这种功能是蛋白酶独有的，这就是为什么它被称为“下一个氨基酸”。

如上所述，蛋白酶的間接营养作用提供了一些进一步的健康益处。后肠腐败蛋白的潜在减少降低了一系列有害代谢物（如粪臭素和硫化氢）的产生风险。荷兰动物保健局Herman Peek博士的研究项目组在2009年指出，添加蛋白酶会导致肉鸡胃肠道中黏液附着层的厚度显著增加，并提高了肉鸡应对球虫病感染的能力。

去年，DSM公司Aaron Cowieson博士领导的研究项目组发现，添加蛋白酶提高了肠道的抗张强度、绒毛高度和隐窝深度，并降低了上皮厚度和减少了杯状细胞数量。这些形态变化表示肠道的完整性和弹性增强，也表明蛋白酶的有益作用不仅仅是增加氨基酸消化率。研究证明，在高蛋白和低蛋白日粮中添加蛋白酶可以增加乳酸菌的数量，并降低结肠中大肠杆菌的水平。尽管在低蛋白日粮中观察到的结果没有统计学意义，但作用效果有进一步改善。

5  蛋白酶与环境

低蛋白日粮可降低疾病风险。长期以来的研究表明，低蛋白日粮会产生氨、硫化氢和臭味含量低得多的肥料。在多杀性巴氏杆菌的存在下，较高的氨水平将导致肺炎增多和生产性能下降。蛋白酶的使用使人们更有信心从低蛋白日粮中获得更稳定的生产性能，从而改善环境和降低感染呼吸道疾病的风险。

6  结束语

氨基酸和能量值的提供对蛋白酶在猪和家禽商业饲料中的应用提供了重要的依据。单纯的消化率研究低估了蛋白酶所提供的全部益处。例如，肠道健康改善也减少了动物对氨基酸和能量的需求。蛋白酶对胃肠道的益处更好地表现在生产性能指标方面。重要的是，这些影响间接改变和提高了饲料配方中的氨基酸基础值。

目前尚无确切的数据表明如何用这两种因素来为每种饲料原料创建可消化氨基酸值。但是，同样清楚的是，蛋白酶的价值体现在胃肠道的改善和蛋白质消化率的提高上。

研究表明，日粮中的营养成分会影响蛋白酶的反应，而且当日粮中的不可消化蛋白质和大豆含量较高时，似乎能达到最佳反应。这并不意味着蛋白酶不能与其他蛋白质型饲料一起使用，而是需要对其有效性的限制进行管控，例如植酸盐和纤维含量。因此，当存在植酸酶和木聚糖酶时，蛋白酶的反应可能更一致。

我们正在学习蛋白酶，就像我们学习植酸酶一样。蛋白酶在猪饲料中应用前景光明，将来它也会像今天的植酸酶一样不可或缺。

原题名：Protease： Ready for the post-antibiotic world（英文）

原作者：Howard Simmins（英国）