外源酶制剂的潜在营养价值及其在实际生产中的应用

李 敬 宫 官 王润之（译）

（1AB Vista Asia Pte Ltd.,新加坡 329682；2南京市畜牧家禽科学研究所，江苏南京 210000)

植酸酶、非淀粉多糖降解酶（NSPase）和蛋白酶是目前饲料行业中应用最多的饲用酶类，在大多数情况下能显著改善营养物质的消化率。尽管它们的添加量通常很低，但往往具有显著的应用效果，这表明酶制剂具有非常高的表观营养值。假设日粮中每添加100 mg/kg NSPase，其表观代谢能值（AME）可增加100 kcal/kg，这相当于给日粮增添了100 000 kcal/kg能量。因此，在添加酶制剂时允许配方师降低100 kcal/kg的日粮能量，这相当于用2%玉米（低成本原料）替代2%的脂肪（高成本原料），成本节省量取决于能量来源的原料价格变化（受脂肪和玉米价格的影响）。当节省量超过酶制剂成本时，配方师将会在日粮配方设计时添加一定量的酶，而100 kcal/kg能量节约值则被认为是该酶的添加带来的潜在营养价值，很明显，这需要确保该酶的添加会实现这样的营养价值，否则动物的生长性能将受到影响。潜在营养价值的推导基于各种试验，包括消化率、生长性能和屠宰试验等的综合分析。对于主要的酶种类，其潜在营养价值应用包括以下内容：①NSPase：能量，氨基酸，蛋白质；②植酸酶：磷，钙，钠，氨基酸，蛋白质，能量以及其他矿物元素；③蛋白酶：氨基酸，蛋白质，能量。

本文的目的在于重点阐述植酸酶和磷潜在营养价值以及NSPase和能量潜在营养价值的应用。在本文的第一部分，将介绍建立特定营养素潜在营养价值的基本原理，以及酶类和营养素之间的相似之处；在第二部分中，将重点介绍酶的潜在营养价值在实际生产中的应用。

1 确定潜在营养价值的原则

正确应用饲用酶的潜在营养价值可帮助使用者大幅节省饲料成本，但只有在配方改变、动物生长性能不受影响时，使用者才会应用这种潜在营养价值。如果使用者感兴趣的是年龄体重、饲料转化率、屠宰量以及测定每千克活体重千卡等指标，那么用来建立潜在营养价值的数据则必须保持这些指标的性能，否则潜在营养价值的适用性是值得怀疑的。因此，关键在于确保所有潜在营养价值的推导都应使用多种方法进行验证，并且至少应该有确凿的证据证明所涉及的商业指标都已涵盖在内。目前有几种方法可用于建立或确定潜在营养价值，如下所示：

1.1 消化率试验

饲用酶可以直接（或间接）通过降解抗营养成分，改善营养物质消化率。通过消化率的测定，可以相对容易地确定营养物质回收率的增加。无论是否对内源性损失进行校正，消化率均可在回肠或粪便水平上进行测定，但应将其视为生长性能的次级代谢指标，而非生长性能本身。因此，如果要考虑这些数据的内容，则需要在之后的生长性能试验中验证这些数据。无论如何，在选择和解释消化率试验时，需要考虑消化率试验的几个特点，下面将讨论其中一部分。

⑴时间点分析。很显然，回肠法采集的样本是一个单一时间点的样本，可能不能代表在选定的时间点之前或之后营养素的消化率。而粪便在禽类的整个生命周期内可以进行连续或间断收集，以便得出日龄相关的估测。

⑵采样位点。就植酸酶而言，回肠采样比粪便采样与磷等矿物质更相关，原因在于回肠采样不易受尿流失影响。如果使用足够的植酸酶，那么回肠吸收的磷会超过机体所需量，则多余的磷就会在尿中存留，从而显著地降低了磷表观代谢率。在这种情况下，植酸酶的负效应则是“过于有效”，因此，世界家禽科学协会磷工作组推荐把回肠消化率作为首选。另一方面，最好采用粪便收集法评估NSPase对能量消化率的影响，这与其作用方式有关。最近的数据表明，使用NSPase所获得的额外能量中，有很大一部分来自于盲肠中增加的发酵纤维，特别是在日龄较大的禽类中，这些禽类的盲肠发育完善，降解纤维的菌群更加丰富，因此对纤维发酵更有效。而回肠采样显然没有包含这些特点。

⑶采食效果。一般来说，同时使用植酸酶和NSPase不仅会改善日粮养分的消化率，还会增加动物的采食量。对于使用者来说，更关注的是对生产性能的影响，而不是次级代谢产物的消化率数据。若一个产品虽然提高能量消化率，但更大程度上抑制采食量，那么它将显著减少能量的摄入，从而降低生产性能。因此，在消化率取样点之前的适当时期内的采食量测定是验证消化率数据相关性的先决条件。

⑷吸收后效果。使用超高剂量的植酸酶会引起酶的“超磷酸”效应，其中一部分原因在于额外的肌醇释放。肌醇具有许多代谢功能，例如提高养分利用率。因此，使用植酸酶可能会使氨基酸的利用率比推荐的消化率数据更高。而只有当消化率和生长性能数据结合时，这种效应才会显现出来。因此，如果测定酶制剂的全部潜在营养价值，则有必要进行这种组合试验。

1.2 性能试验

原则上，此类试验的建立和阐明应相对简单。测定项目应包括目前采用的商业饲粮，以及设定的一系列低营养（如磷或能量）饲粮，以构建相关输出变量的营养物质定标曲线。在最低营养浓度饲粮中添加一种或多种剂量的饲用酶制剂，并将所获得的性能与定标曲线进行比较，从而确定估计的潜在营养价值。然而，此类试验也有一些弊端，以下几点需要在进行试验时加以关注。

⑴使用的定标曲线不当，这主要与植酸酶的磷潜在营养价值有关。例如，将低磷负对照日粮（0.25%有效磷（AvP））与高磷正对照日粮（0.50%AvP）进行比较，动物生长性能差异假设是由日粮之间磷含量的差异所致，那么如果在负对照中添加500 FTU/kg的植酸酶，且保证其生长性能恢复到正对照水平，则植酸酶的磷潜在营养价值为0.25%，即这两种日粮的磷差值。

这一结论显然没有数据支持，原因在于试验中没有迹象表明禽类对磷的实际需求与相关性能参数相对应。例如，0.40%AvP的日粮组可能与0.5%正对照组的性能相同，这就意味着植酸酶可能仅改善了0.15%的AvP。另外，0.5%对照日粮组也可能是有效磷的量仍不足，那么如果使用植酸酶组的生长性能超过正对照组，其潜在营养价值则可能大于0.25%。而植酸酶磷的潜在营养价值可能是0.25%，且仅需要250 FTU/kg的植酸酶就能恢复生长性能。因此，如果试验中只有一个正对照和一个负对照，在负对照基础上中仅添加一种剂量植酸酶，那么在这类试验中，植酸酶的真实潜在营养价值范围将从零到大于正负对照日粮间的有效磷差异值，致使我们无法估计其磷潜在营养价值的真实值。因此，来自此类试验的数据实际上是毫无价值的。唯一有效的试验方法是采用范围较广的定标曲线来准确测定磷的需求量，更重要的是，确保添加多种剂量植酸酶组的生长性能仍低于“P需求量”组，从而避免低估植酸酶的潜在价值。关于NSPase需要注意的是，我们通常很难建立能量的定标曲线来确定其潜在营养价值，这通常与如何降低正对照中能量以及之后的处理方式有关。

⑵同一时间测定多种营养素。鉴于上述因素，显然需要重点考虑的试验是：降低正对照中多种营养素（如磷、钙、钠、能量和氨基酸）的量来设计负对照，然后添加酶确定生长性能的恢复情况。由于每种营养素没有多个校准日粮，我们很难了解到每种营养素真正的“缺乏”量，因此生长性能的恢复并不能证实对所有营养素或某些营养素潜在营养价值的有效性。因此，需要分析单一营养素的潜在营养价值来证明整体潜在营养价值的合理性。

⑶日龄。大量的生长性能试验主要在肉鸡出生后2～4周进行，原因在于成年鸡对磷的需要量要低得多，因此很少应用植酸酶的潜在营养价值。如果在成年鸡试验中建立潜在营养价值，则很可能面临第一节中涉及的问题，进而低估植酸酶的价值。对于NSPase来说，它可以使盲肠更有效地发酵纤维，而这种效应通常可能在3～4周后出现，因此，短期试验可能低估酶的全部潜在营养价值。有研究表明，不同的生长阶段需应用不同的潜在营养价值，但我们更倾向于应用不因动物的日龄而改变产品的潜在营养价值的简单的解决方案。

1.3 缓解因素

影响饲用酶功效的因素有很多，如日粮粘度，钙/磷含量等。与以玉米为主的日粮相比，以黑麦或小麦为主的高粘度日粮可提升NSPase表观能值的改善水平，而高钙日粮会使植酸酶的P潜在营养价值明显降低。以下列举了需要着重考虑的一些因素：日龄，品种，疾病，光照，饲料利用率，饲喂的日龄，饲料形态（粉状或颗粒状），温度和湿度，原料选择，营养浓度（钙、维生素D和钠）。值得注意的是，应用于商业饲料的潜在营养价值应从其试验条件与实际条件相似的试验中获取。

2 饲用酶潜在营养价值在实际应用中需要考虑的因素

一旦建立了饲用酶的潜在营养价值（通常这是一个基于多重消化率和性能试验的重复过程，如上所述），在使用者层面上成功地应用酶潜在营养价值并不是一个简单直接的过程。首先，将酶及其潜在营养价值应用到配方软件所得的最低成本配方，有时会对日粮产生不可预测的影响。例如，去除配方中添加的油脂受限制，或不含无机磷酸盐（如含有肉骨粉的老龄动物日粮）。第二，假设酶衍生的营养素等同于配方中被酶取代的营养素。例如，从酶中得到的1 kcal能量相当于从被取代的能量源（通常为添加的植物性或动物性脂肪）得到的1 kcal能量。第三，提供的酶制剂具有一定的剂量灵活性，并假设剂量效应是线性的，而事实可能并非如此。最后，需要注意的是如果所提供的酶潜在营养价值与添加到日粮中其他相近的添加剂产品类似，那么在实际应用中也会受限。

2.1 配方限制

众所周知，在饲粮配方中饲用酶的推荐及潜在营养价值的应用依赖于其替代的昂贵原料的使用，如豆粕、石粉、无机磷酸盐的替代或添加的脂肪源。然而，如果对这些原料的替代有限制，如维持最低脂肪含量，或由于添加肉骨粉而缺乏无机磷酸盐含量，则饲用酶的潜在营养价值只能部分应用以避免造成日粮配方中其他因素的变化。因此，营养配方师务必要考虑这些日粮因素，特别是当配方空间有限的日粮。根据笔者的经验，通常会出现以下情况：

⑴在低脂肪的幼龄动物日粮中使用饲用酶的能量潜在营养价值；

⑵在低无机磷酸盐（磷酸盐需求量相对较低）的老龄动物日粮中使用饲用酶的磷潜在营养价值；

⑶在已添加几种类似饲料添加剂（已替换了蛋白质、氨基酸、磷酸盐或能量）的日粮中使用饲用酶的潜在营养价值。

因此，应用饲料酶的潜在营养价值时，应着重考虑几个“实际”商业配方案例，在这些实例中，可以准确地确定投资回报率以评估和确认饲用酶供应商产品的应用效果。

2.2 营养素等效性

如上所述，饲用酶的潜在营养价值在某些程度上是间接的，因为它们并不直接提供营养素（如赖氨酸盐酸盐等），而是改变其他日粮成分的消化率动力学。因此，问题在于（从动物的角度来看）酶所提供的潜在营养价值与在配方中被酶取代的营养素是否等同？这一原则的核心在于提供能量的酶（通常是碳水化合物酶，也有植酸酶或蛋白酶），由于在日粮配方中这些酶通常被认为具有某种“能量”假设（这可能是对产生能量的各种营养素消化率的累积效应）以替代添加的脂肪。然而对动物来说，外源性碳水化合物酶释放的100 kcal/kg代谢能可能并不等同于来自动物性或植物性脂肪的100 kcal/kg代谢能，主要原因在于添加的脂肪会产生一系列“额外”效应，如改善制粒质量和制粒机生产量，产生净能/热量、延长胃停留时间、提高碳水化合物和氨基酸代谢等。理想的情况是，日粮配方能提供特定浓度的可消化脂肪、碳水化合物和蛋白质，并且每种营养素的能量贡献都能得到系统控制，基于此能量来源，我们能够更精确地应用酶的“能量效应”。然而，并非所有与酶有关的能量提升都是由于日粮脂肪消化率的改善，尤其是在幼龄动物中。因此，在应用饲用酶替代日粮的脂肪时应着重考虑这类因素。总之，酶在配方中所取代的营养素应尽可能与酶的潜在营养价值所提供的营养素相似。

2.3 剂量效应

在大多数情况下，酶在动物营养中的作用具有剂量依赖性，通常遵循对数线性曲线。例如植酸酶，已有很多关于剂量效应的阐述，植酸酶供应商通常针对不同的植酸酶剂量推荐不同的潜在营养价值（并根据饲粮中的植酸浓度推荐潜在营养价值）。然而，对于碳水化合物酶和蛋白酶，其剂量效应的研究仍较少，根据底物浓度或数值计算来推荐最适剂量仍是一个新兴的研究领域。很少有研究发现一种酶具有完全的线性反应（当剂量范围足够宽时），这就造成了一些与线性规划饲料配方系统不兼容的问题。目前主要有3种方法用以解决这些问题。首先，利用已有的非线性配方系统，例如Adifo软件（Bestmix）提供的系统。其次，饲料酶供应商可以直接向客户推荐固定的剂量，以避免在饲料配方软件添加浓度选项。最后，饲料酶供应商可以推荐营养配方师使用“双剂量酶”方案，例如，植酸酶的第一剂量是固定的（适当的潜在营养价值），而第二剂量允许浮动（假设单位营养素释放量较低，而其剂量效应曲线趋平）。目前，这些讨论通常围绕植酸酶展开，可能会扩展到碳水化合物酶和蛋白酶，如果在将来对这些酶类的剂量效应更加明确，则可以帮助营养学家寻求最大限度的投资回报和配方灵活性。

2.4 解决酶叠加效应

当涉及酶潜在营养价值的应用时，营养配方师所普遍关注的问题是，一种酶提供的营养素在多大程度上可以与第二种（或第三种）饲料添加剂提供的营养素叠加。这一问题非常合理，但也很难回答（事实上已经超出了酶的范畴，扩展到其他改善消化率或作为肠道健康调节剂的功能性添加剂，如益生菌、乳化剂等）。首先，当新的酶种正在开发和注册使用时，通常不希望在含有相似产品（酶或其他）的日粮中检测到这些酶，原因在于这样会显著增加解释效应反应和添加其他必须添加原料的复杂性。其次，一种酶是否是另一种酶的“添加剂”（叠加效应）通常取决于它们添加到饲粮中的顺序。例如，在美国、东南亚或拉丁美洲的许多地区，植酸酶是主要的产品，但在含有相当植酸酶剂量的日粮中，碳水化合物酶和蛋白酶也被要求显示出足够的叠加效应。然而，在加拿大、澳大利亚、新西兰部分地区以及欧洲大部分地区，碳水化合物酶是主要的产品，因此在木聚糖酶或葡聚糖酶效应的基础上，植酸酶效应被认为是叠加效应。在过去10年左右的时间，单一蛋白酶在全球市场日益兴起，目前的合理预期是，这种酶的效果可以在含有木聚糖酶和植酸酶的日粮中得到证明。此外，任何一款酶的效果也取决于其底物在日粮中的浓度。例如，日粮中植酸的含量会影响植酸酶的磷释放潜力，富含高蛋白质原料的使用可能会影响蛋白酶的氨基酸/肽释放。因此，当评价应用酶搭配组合使用的总潜在营养价值时必须谨慎。任何进一步扩大饲料酶市场，例如替代碳水化合物酶、脂肪酶等，将有望在已含有两、三种甚至四种现有酶的日粮持续创造价值。最后，“叠加性”问题并不局限于酶制剂。事实上，在标准氨基酸消化率系统开发和出版之前，人们并不清楚玉米和豆粕中的氨基酸消化率数值是否是叠加的。在将来，饲用酶潜在营养价值的标准化系统（考虑到改变日粮营养素消化率或更确切地通过内源性损失校正来确定影响程度）会得到发展。这类措施很可能会解决酶制剂叠加性的许多问题，同时也为使用者带来更透明的价值计算。

3 结论与应用

在全球范围内，碳水化合物酶、植酸酶和蛋白酶的使用每年为动物饲料行业营养投入成本节省逾80亿美元，并对环境的可持续性发展做出了重大贡献，例如减少土壤中氮磷排放。近年来，营养师对精准饲料配方系统的要求越来越高，因此酶制剂供应商必须针对产品的使用给出明确和透明的推荐以及清楚地阐释潜在营养价值是如何建立和变化的，包括可能导致这种变化的因素等。这些因素可能针对每一类特定的酶，例如，如果酶的特定底物是有限的，那么该酶的潜在营养价值可能需要进行调整。

最后，应确保在配方中加入酶时，不会出现可能造成价值降低的因素或其他失误。毋庸置疑，饲用酶在全球获得了巨大成功，然而，随着新技术的开发和现有技术更充分的利用，饲用酶市场也将继续强劲增长。为保持这一趋势，饲用酶供应商必须确保产品的推荐方案能满足营养学家和畜牧生产专家对产品透明度和精确度日益增长的需求。

译自：Bedford MR,Cowieson AJ.Matrix values for exogenous enzymes and their application in the real world[J].The Journal of Applied Poultry Research,2020,29:15-22.