消化酶、消化吸收与饲料加工

梁万礼，王永昌，王四维

(1.无锡中粮工程科技有限公司 江苏 无锡 214035； 2.中粮工程科技股份有限公司 北京 100020)

饲料加工是为了获得既安全，又具有高消化吸收率的饲料产品。在饲料加工厂内，饲料原料经粉碎、调质和均质(稳定器)到制粒、膨胀、膨化和干燥等工序，使饲料的消化吸收率得到极大的提升；当饲料被动物饲用后，其消化吸收率还取决于动物体内消化酶的品种、活性强弱和浓度。而不同食性和生长期的动物体内消化酶的品种、活性和浓度相差甚大。目前饲料加工厂内，虽已考虑到动物体内消化酶不足时，采用添加动物体内短缺的消化酶来改善动物对饲料的消化吸收；然而，现有饲料生产，对不同生长期与不同食性动物的饲料加工，除饲料配方不同和成品粒度有差异外，其余加工工艺几乎相同。为了提高饲料的消化吸收率，对蛋白质和能量饲料等组分几乎都采用相同的熟化工艺。只有对不同食性和生长期的动物采用不同的熟化工艺，才能使饲料各组分既具有较高的消化吸收率，又使饲料加工更为经济。

消化酶分为：①动物体内能合成并能分泌的内源性消化酶，如：蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等；②动物体内不能合成和分泌的外源性消化酶，如：纤维素酶、果胶酶、β-葡聚糖酶和植酸酶等。这些酶在最适温度和pH值条件下，专一地对蛋白质、淀粉、脂肪和纤维素等组分进行最有效的水解消化，使其分解成低肽及氨基酸、麦芽糖及葡萄糖和短链脂肪酸等。外源性酶是对内源性酶不足时的补充和协同作用。

消化酶都具有对底物专一性的特性，而消化酶的活性和消化效果不仅受温度、pH值、金属离子等因素影响，还与饲料粒度、颗粒表面积大小、饲料的熟化度及干燥等因素有关。因此，饲料加工工艺和原料剂型的选择上，应考虑到不同生长期和不同食性动物消化酶的特性，才能获得较好的喂养效果。此外，金属离子对动物体内和外加消化酶活性是抑制还是激活等问题也应给于重视。但在这方面的研究和报导甚少。

1 动物消化吸收饲料的过程

大多动物消化饲料先在胃里经胃液进行化学性消化和胃蠕动产生的机械性消化成食糜，然后进入小肠由胰液和小肠的运动继续进行消化成小分子，就基本完成了对饲料的消化。

胃液含有盐酸、胃蛋白酶原和黏液细胞等，呈酸性。胃分泌液的量与日粮的数量和组成有关。原始胃蛋白酶原没有活性，须经盐酸激活后转变成内切胃蛋白酶才有活性。胃液中还有少量的胃淀粉酶、胃脂肪酶等。饲料中蛋白质经胃蛋白酶分解成月示、胨和少量的小肽、氨基酸等。胃里淀粉酶对淀粉消化有限，与月示和胨等所有食物变成食糜，并经幽门进入小肠。

小肠消化是胃消化的延续，胃内酸性食糜经幽门进入小肠后，再经碱性的胰液和胆汁等化学消化和小肠运动的机械消化，使酸性食糜逐步转变成碱性，月示、胨和淀粉等物质被胰蛋白酶、糜蛋白酶、胰淀粉酶和胰脂肪酶消化，使大分子物质分解成小分子，即变成低肽或氨基酸、麦芽糖、葡萄糖及短链脂肪酸等物质，然后被小肠黏膜吸收。

十二指肠和小肠是吸收微量元素的主要场所，其大多微量元素、无机盐的吸收率都在5%～15%。因此，粪便中含有较多的微量金属元素，污染了环境。如制成微量元素氨基酸螯合物，吸收率可提高130%～280%，能明显改善微量元素对环境的污染，使粪便中微量元素的排泄量减少35%～69%[1]。

大肠为消化道的最后一段，是微生物消化的主要场所，也是消化纤维素的部位。纤维素消化的产物是挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等,使小肠进入大肠的食糜降低pH值，大肠环境呈酸性，可抑制病原菌的繁殖，确保大肠的环境安全。未被吸收的残渣在大肠内吸收大量水分后排出体外。

2 饲用酶制剂的作用

2.1 能充分破坏植物性饲料的细胞壁

使细胞内的蛋白质、淀粉和脂肪等营养素得到完全释放，被动物所吸收利用[1-2]。

2.2 降低食糜黏度

提高饲料中各养分从细胞中溶出速度与消化酶在食糜中扩散作用，增强对养分的消化和吸收[1-3]。

2.3 降低动物腹泻发病率

添加非淀粉多糖酶(NSP)可消除可溶性非淀粉多糖(SNSP)对内源性消化酶活性的抑制作用，同时可减少和抑制动物消化道有害菌的繁衍和生长，降低鸡和仔猪等动物腹泻的发病率。

2.4 消除抗营养因子

添加植酸酶可消除植物性饲料中植酸和植酸磷对微量元素效价的影响；也可减少豆类及其饼粕中的植物凝集素等抗营养因子的影响，提高动物对蛋白质物质的吸收。

2.5 改善环境

减少动物粪便中的氮和磷等物质的排出，改善环境。

3 影响消化酶作用的因素

消化酶是由生物体产生，具有特殊功能的蛋白质。消化酶的消化特性首先是对底物的专一性，即对底物的选择性，就是一种酶只能催化某一种或某一类物质的特性。消化酶对饲料的作用主要是取决于酶的活性。而消化酶的活性与温度、pH值等因素紧密相关；同时某些金属离子对消化酶具有抑制或激活作用；饲料颗粒大小、颗粒表面积大小、酶的浓度、底物的浓度、饲料熟化度和干燥条件等因素都将影响到消化酶的消化速度和消化效果。

3.1 温度

消化酶的消化速度是温度的函数，在一定温度范围内，温度升高酶的消化速度加快，但温度过高如达60℃以上，蛋白酶开始变性，酶活力就降低；到80～100℃，在短时间内可完全变性，酶就失去活性，而且不可逆。当低于最适温度时，酶的活性就降低；当温度低于8℃时，酶的活性就几乎失去，但温度回升时酶的活性就能恢复。消化酶在某一温度时，酶的消化速度可达到最大，该温度称为酶的最适温度。国内部分消化酶的最适温度见表1。

表1 国内消化酶的主要技术参数

动物按体温分为：恒温动物和变温动物。家禽(41～42℃)和家畜(37～39℃)属恒温动物。水产类为变温动物，体温随水温变化而变化，一般体温低于水温0.5～1.0℃。鱼根据所处环境的水温又分为冷水鱼和温水鱼等。无论是恒温动物还是变温动物，体内的内源酶或外加的消化酶的活性，应与该酶的最适温度接近，是该酶活性最强的温度。鱼体体温每升高1℃，鱼的代谢水平将提高10%以上，鱼体体温每升高10℃，鱼的代谢水平将提高2～3倍。如黑鲈鱼的消化速度与水温关系见表2。

表2 黑鲈胃内消化温度和水温的关系

因此，选用消化酶的最适温度尽量接近动物的体温。当动物的体温与消化酶的最适温度相差较大时，需通过改变消化酶的品种和饲料加工工艺，来提高饲料的消化吸收率。鱼在越冬开春后水温一般在15℃左右，此时的温度远离现有消化酶的最适温度，其活性必然不高。可通过饲料加工工艺改变或选用更合适的消化酶来改善鱼类低温时的消化问题，如：①饲料原料经过必要的体外消化，使蛋白质和淀粉等物料在体外降为低肽和葡萄糖等，有利于动物在低温时吸收。②选用低温酶，即在15℃低温时酶具有高活性，但该酶有待研究开发。为此，采用体外酶化，即用发酵反应罐，模拟胃肠的环境，添加多种消化酶对饲料进行预消化，提前使蛋白质和淀粉等组分解成小分子，有利于被动物消化吸收。

为了有利于消化酶的消化，常采用调质、均质、制粒、膨胀或膨化等工艺来处理饲料。但熟化过程总时间长达1 min以上，温度高达80～90℃以上，使各种消化酶几乎完全失活。为此，饲料中消化酶的添加，一般都采用成型后将消化酶喷涂在颗粒表面的工艺。超临界膨化技术，使消化酶先经超临界的CO2流体淬取，溶解在CO2流体内，该流体具有液体的密度和气体的流动性。消化酶流体从进入膨化机挤压腔的机头内与饲料结合，再从机头模孔挤压成型，时间仅几秒；机头处又经降温处理，饲料温度约90～95℃，因消化酶在90～95℃高温状态的时间短，消化酶的损失就不大[4]；而且消化酶能均匀地分布在颗粒内部，消化酶的稳定性也就较好。超临界膨化颗粒的质量也优于传统膨化颗粒。

3.2 粒度

表3 虹鳟饲料颗粒大小和消化吸收率

物料膨化后，其表面积远大于膨化前的表面积，同时膨化后的物料颗粒内部结构疏松，更便于消化酶向颗粒内部渗透，也就加速物料被酶消化。粉碎与膨化相结合的工艺十分有利于消化酶的消化。如物料先粉碎，膨化后再粉碎，然后制粒或再进行体外消化处理，对提高动物消化吸收较为有效。

3.3 抑制剂和激活剂

我国目前应用于饲料中的酶制剂有20余种，这些酶的活性都受到各类物质的抑制和激活，如强氧化剂、杀菌剂、防腐剂和金属离子、高分子的蛋白质等都可能成为消化酶的抑制剂。因此，在饲料加工过程中应尽量减轻对消化酶的抑制影响，而增强消化酶的活性。

3.3.1抑制剂

影响消化酶活性的抑制剂又分为竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂，竞争性抑制剂是抑制剂先与底物结合，阻碍了底物与酶结合，使消化酶无法发挥作用；非竞争性抑制剂是抑制剂与底物结合后，不影响酶与底物结合。因此，大多金属离子是竞争性抑制剂。在饲料配方中需加入含金属离子的微量元素和消化酶，这些金属阳离子中如Cu2+、Mn2+、Zn2+、Fe2+等对消化酶都具有抑制作用，抑制率一般在45.6%以上。如将微量元素封闭在螯环内，形成化学性质稳定的微量元素氨基酸螯合物，使金属离子不与消化酶直接接触，就可消除金属离子对消化酶的抑制作用。选用微量元素氨基酸螯合物，不仅保证了消化酶的活性，与常选用生物效价高的硫酸盐相比，微量元素氨基酸螯合物生物效价要增加1.3～2.8倍[1-3]，同时提高了微量元素吸收率和稳定性，动物粪便中排出的微量元素大为减少，减轻了对环境的污染。因动物对微量元素氨基酸螯合物吸收效率的提高，微量元素氨基酸螯合物的添加量可适当减少；在满足动物对微量元素需要的同时，又节约了原料成本和降低了对环境的污染。

3.3.2激活剂

促进消化酶反应速度的物质称之为酶的激活剂，有些底物本身就是激活剂。金属离子与高分子蛋白质等都可成为消化酶的激活剂，见表1。如淀粉酶可被金属离子激活，特别是能被氯离子激活。当加入NaCl后淀粉酶活性增加5倍之多，为此，配方设计时应考虑这些因素，提高消化酶的活性，有利于消化吸收。

同时要注意金属离子对有些消化酶是激活，而对另一些消化酶表现为抑制作用。如Ca2+能增强多数地霉脂肪酶Y162[1]的活性，但抑制FL002脂肪酶的活性[1]。

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3.4 pH值

大部分酶的活性会受到pH值的影响，对物料的消化起到重要作用。在某一pH值，消化酶的消化速度达到最大,此时的pH值为最适pH值，见表1。消化酶对饲料的消化主要在胃和小肠内进行，而胃分泌的胃液中主要是盐酸，pH值呈酸性，胃蛋白酶的最适pH值为1.8～3.5，当pH值超过5时，胃蛋白酶即失去活性。在小肠内分泌的肠液呈碱性,胰蛋白酶等酶的最适pH值为7.0～8.4。当选用外源酶时除需考虑酶的最适温度外，还需考虑最适pH值是否接近动物体内的pH值，使消化酶的活性达到最大，以获得最佳的消化效果。

3.5 熟化与干燥

饲料需要经过有效的熟化处理，使蛋白质变性，淀粉糊化，有利于消化酶消化。因此，饲料在加工过程中的水热熟化处理性能和熟化干燥后的物料特性，将影响到消化酶的消化效果。

对豆粕中的尿酶和抗胰蛋白酶等有害因子的灭活温度及干燥温度过高和时间过长，使尿酶含量低于0.02 mg/(g·min-1)以下时，表示对豆粕已熟化过度，动物对蛋白质的消化吸收率下降15%以上。因色氨酸、赖氨酸和蛋氨酸等和淀粉之间产生美拉德反应，降低了饲料的消化率。为此，应严格控制饲料的熟化、干燥的温度和时间十分重要。

3.6 食性与消化酶

动物的食性分为肉食性、草食性和杂食性等。不同食性的动物其体内消化酶的品种、活性及浓度明显不同，消化器官长度也不相同。肉食性动物体内蛋白酶活性强，淀粉酶活性弱，消化器官长度短；草食性动物淀粉酶活性强，蛋白酶活性弱，消化器官长度长。鲤鱼和虹鳟鱼体内消化酶在水温11℃时的活率，见表4。

表4 鲤鱼和虹鳟鱼体内消化酶的活率

从肉食性和草食性动物的饲料来看，肉食性动物饲料中碳水化合物质量分数一般在15%左右，杂食性动物和草食性动物饲料中蛋白质饲料一般在20%～30%，肉食性动物对蛋白质的消化率与草食性的动物对碳水化合物的消化吸收效率都达到85%左右，属较高吸收率。因此，在熟化工序，对肉食性动物饲料和草食性动物饲料中消化吸收效率较低的组分应进行膨胀或膨化处理，对消化吸收较高的组分只需调质、均质处理，无需膨化处理，从而既保证熟化效果又可节约动耗。

3.7 生长期与消化酶

动物随着生长时间的增加，所需营养成分的质和量也随之变化，各消化器官中的消化酶的质和量都随之有相应的变化，见图1、图2[5]。

图1 乳猪体内消化酶活性的变化

图2 黑鲷孵化后体内消化酶活性的变化

由图1、图2可知动物在生长过程中消化酶的质和量一直在变化。因此，在不同生长期的饲料加工工艺的选择和配方设计中，既要符合消化酶的变化规律和动物的生活习性，又要利用酶的特性来提高对动物的养殖效果。如，过冬开春时鱼开始投喂饲料，因水温一般都在15℃左右，显然都远离体内消化酶或外加的消化酶的最适温度，从而影响鱼体内消化酶的活性和浓度。为此，过冬开春鱼饲料的加工，对蛋白质和淀粉等组分，先采用体外消化酶来消化，使其转变成低肽与单糖等小分子物质，再加工成颗粒，就有利于鱼体在低温时吸收。鱼开口饵料的加工，因鱼苗体内消化酶浓度低，活性不强，可先将各主副原料进行粗粉碎和膨化处理，再微粉碎、配料和混合，然后进行消化酶的体外消化，即采用发酵反应罐模拟胃肠的消化条件，对饲料进行酶化处理。酶化后再经湿法超微粉碎机粉碎成(1～2)μm的微粒、经低温(80～90℃)喷雾干燥(压力式或离心式)制成(50～100)μm的微粒。使微粒具有全价性、易消化性、悬浮性和低溶性。

4 饲料酶制剂选用时应注意的问题

饲用消化酶的应用效果，取决于添加酶的品种、活性与动物种类及动物日粮是否相匹配。选用饲用消化酶主要考虑以下几方面。

4.1 根据动物日粮组成来确定

如饲料是高粘度还是低粘度日粮，是高蛋白还是高纤维日粮。

4.2 根据动物的消化生理特点来确定

如体温、pH值和及消化道长度等因素等。

4.3 根据动物日龄或周龄来确定

通常幼龄动物消化器官不健全，体内消化酶浓度较低，外加酶制剂添加量可多些。成年的动物，消化道已成熟，外加酶制剂不必很高，一般添加量在0.5%～0.1%。

4.4 必须注意消化酶的安全性

如有无毒素和杂菌等不安全因素，确认安全后方可使用。

5 我国目前饲用酶制剂问题与展望

国内大多生产的蛋白酶和淀粉酶，其最适温度与动物体温有差距，一般蛋白酶和淀粉酶的最适温度为50～65℃,动物食后，酶的活力达不到较佳状态。目前已有少数酶制剂生产企业，在开发从动物体内提取酶源，其最适温度与动物体温相一致。另外，水产动物低温饲用酶制剂也正在开发，不久将会上市。

目前，国内饲用酶制剂生产，菌种基本采用理化诱变法所得，消化酶的活力相对较低；用转基因定向选育的菌种，酶活力高于理化诱变的菌种2～10倍。其生产方式为固体发酵和液体发酵，固体发酵生产规模一般较小，都以粗制酶为主，产品保质期不长；液体发酵其产品较为精制和多为包被，保质期长，便于大规模生产和实现自动控制，酶制剂的产品质量较稳定。

对变温动物在低温时的饲料，采用更合理的体外预先有酶消化处理的饲料加工工艺，有利于进一步提高饲料的利用效率和动物的养殖效果。

综上，饲料加工厂的粉碎、调质、均质、膨胀和膨化等工艺设计，应根据动物体内消化酶变化而变化，把消化酶当作饲料加工工艺设计和饲料配方设计的基点之一，才能使加工的饲料既能保证质量上乘，又能降低加工成本。