饲用酶制剂在水产动物中应用的最新研究进展

关莹，薛敏，王伟

(1.大连海洋大学，辽宁省北方鱼类应用生物学与增养殖重点实验室， 辽宁 大连 116023；2.中国农业科学院饲料研究所，国家水产饲料安全评价基地；3. 农业农村部饲料生物技术重点实验室:北京 100081)

随着养殖业的快速发展和集约化养殖规模不断扩大，养殖水环境恶化、鱼类疾病暴发现象难以避免，进而造成了因抗生素使用而导致的环境污染等问题[1-3]。近年来，人民对水产品质量的追求不断提高，养殖业涉及的饲料安全成为重要问题，并且当前饲料资源也呈现日益紧缺的态势，所以饲料行业所面临的问题主要是提高饲料资源的利用率和保障饲料安全。绿色饲料添加剂是一种对动物不产生毒害作用、在动物产品中不产生有害残留和动物养殖过程中产生的排泄物不污染环境的饲料添加剂[4]。为了提高饲料安全和水产品质量安全，绿色饲料添加剂的研发和应用是尤为重要的。随着饲料工业和酶制剂工业的不断发展，出现了酶制剂这种具有提高配合饲料质量稳定性、提高饲料利用率和降低环境污染等作用的饲料添加剂，其能在一定程度上缓解目前饲料资源紧缺的现状。酶制剂是绿色饲料添加剂中的一种，指酶经过提纯、加工而成的具有高度专一性的生物催化剂，其在水产饲料中的应用已有广泛研究，但在生产实践中受热敏性限制，并未被广泛应用。近年来，随着多道真空后喷涂技术在水产饲料企业中的应用，使得液体酶制剂在水产饲料中的应用成为可能。

1 饲用酶制剂的种类和应用

饲用酶制剂的种类繁多，主要包括：蛋白酶、α-半乳糖苷酶、β-葡聚糖酶、葡萄糖氧化酶、β-甘露聚糖酶、纤维素酶、脂肪酶、麦芽糖酶、淀粉酶、果胶酶、角蛋白酶、木聚糖酶和植酸酶等[5]。按照其所含酶种类的多少，可将饲用酶制剂分为单一酶制剂和复合酶制剂2种[6]。单一酶制剂包括植酸酶、淀粉酶、非淀粉多糖酶、蛋白酶和脂肪酶等。复合酶制剂是由一种或几种单一酶制剂与其他单一酶制剂混合配制而成，或者是经过一种或几种微生物发酵而成。

1.1 非淀粉多糖酶

非淀粉多糖(NSP)是主要存在于玉米芯、甘蔗渣、麦麸和秸秆中的多聚体，抗营养作用较强，并且可以使消化道食糜黏度提高，从而使动物对饲料养分的消化利用率降低[7]。非淀粉多糖酶主要包括纤维素酶、β-葡聚糖酶、果胶酶和木聚糖酶等，可以降解饲料中NSP的多聚体、使NSP的抗营养性降低，进而使饲料利用率提高[8]。NSP水解后，可以被有益的微生物利用而产生乳酸和有机酸，减少氨的产生，使挥发性脂肪酸的浓度提高，从而促进动物机体的健康，提高生产性能[9-10]。对大菱鲆(Scophthalmusmaximus)幼鱼、赤眼鳟(Squaliobarbuscurriculus)、黄斑蓝子鱼(Siganuscanaliculatus)和花鲈(Lateolabraxjaponicus)的研究结果表明，饲料中添加非淀粉多糖酶可以显著提高生长性能、鱼体肥满度、肠道和胃的淀粉酶活性,并且降低饲料系数。最新研究表明，在大菱鲆幼鱼和赤眼鳟饲料中添加非淀粉多糖酶，可以提高营养物质表观消化率、饲料干物质消化率和抗氧化能力[11-14]。

1.2 植酸酶

植酸酶，又称为肌醇六磷酸水解酶，大多在植物的果实和籽粒中存在，是植物性饲料中磷元素的主要储存形式[15]。植酸酶是一种由微生物发酵而产生的酶制剂，可以将植物中的植酸及其盐类催化降解为肌醇和无机磷，从而提高动物机体对饲料中磷的利用率，减少磷的排泄量，减少环境污染[16]。对杂交鲟、中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)、异育银鲫(Carassiusauratusgibeli)、建鲤(Cyprinuscarpiovar.Jian)、黄颡鱼(Pelteobagrusfulvidraco)和花鲈的研究结果表明，饲料中添加植酸酶可以显著提高生长性能和磷的消化率，并减少磷的排放量。同时表明，在中华绒螯蟹和建鲤饲料中添加植酸酶，可以提高消化酶活力和抗氧化能力，并降低鱼体粗脂肪含量[17-22]。在鱼类饲料使用中，植酸酶需结合鱼类肠道pH特点来应用：有胃鱼的消化道pH较低，胃液可以分泌盐酸，因此对酸性植酸酶比较适用；而无胃鱼的消化道pH为6.8～7.3，所以中性植酸酶适合应用于无胃鱼的饲料中，酸性植酸酶在异育银鲫体内几乎不发挥作用[23-24]。

1.3 蛋白酶

蛋白酶是催化分解肽键的一类酶的总称，可以将蛋白质降解为小分子的蛋白胨、肽和氨基酸，补充动物体内源酶的不足，从而提高动物对蛋白质的消化利用率,减轻水体污染。将蛋白酶按照最适pH值分为酸性蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶3种[25]；将蛋白酶按不同来源分为动物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶3种。胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和胃蛋白酶等来源于动物；木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶和无花果蛋白酶等来源于植物；碱性蛋白酶Alcalase、复合蛋白酶Protamex、中性蛋白酶Neutrase以及放线菌I66、酸性蛋白酶黑曲霉3350等来源于微生物。在对吉富罗非鱼(Oreochromisniloticus)、罗非鱼、鲤鱼(Cyprinuscarpio)、凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)和虹鳟(Oncorhynchusmykiss)的研究中表明，饲料中添加蛋白酶可以显著提高生长性能、肝胰脏和肠道消化酶活性、改善肠道组织结构，并降低饲料系数。研究结果表明，在吉富罗非鱼、凡纳滨对虾和虹鳟的饲料中添加蛋白酶，可以减少肠道菌群中弧菌属的数量，并显著提高干物质利用率[26-30]。

1.4 淀粉酶

淀粉酶是一种由动物机体分泌并帮助其自身消化的活性物质，可以分解各种淀粉糖苷键，对淀粉有专门水解作用的一类酶的总称[31]。按照淀粉水解形式的不同，可分为α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶和脱支酶：α-淀粉酶存在于植物、动物及微生物中，主要由枯草杆菌、芽孢杆菌、吸水链霉菌、米曲霉、黑曲霉及扩展青霉等微生物产生；β-淀粉酶存在于植物和微生物中，主要由曲霉、根霉和内孢霉等微生物产生；糖化酶存在于动物、细菌和霉菌中，主要由根霉、黑曲霉、拟内孢酶和红曲霉等霉菌产生[32-33]。由于动物本身发育的不完善，特别是幼龄动物，消化系统发育还不完善，导致肠道无法分泌足够的内源淀粉酶，从而降低动物机体对淀粉酶的利用率[34]，外源添加淀粉酶可弥补动物肠道内源淀粉酶的不足，提高其对淀粉的消化能力、表观代谢能和养分消化率，从而提高动物的生长性能[35]。黄燕华等[36]研究表明，饲料中添加150 mg/kg的淀粉酶对凡纳滨对虾的生长性能无显著影响。近几年，单一淀粉酶在畜禽动物上的应用较多，但在水产动物上研究较少，大多是作为复合酶制剂的一种酶成分添加到饲料中使用。

1.5 脂肪酶

脂肪酶能够催化长链脂肪酸甘油酯并将其水解，在动物机体脂质代谢过程中发挥重要作用。脂肪酶将饲料中的甘油三酯水解后，生成的脂肪酸、甘油二酯和甘油单酯才可以被动物体机体所吸收[37]。脂肪酶有动物、植物和微生物3种来源，微生物脂肪酶因其稳定性、选择性和广泛的底物专一性而受到特别关注[38-39]。在饲料中添加脂肪酶，可以有效补充水产动物内源消化酶的不足，提高水产动物生长过程中对于脂肪的吸收和利用，补充动物所需的必需脂肪酸，提高消化酶活性[40]。Fei等[41]研究表明，日粮中添加外源性脂肪酶YLL2能显著改善杂交鲟的生长性能，增加DHA和EPA的含量，有助于维持肠道的物理屏障，提高其免疫能力。王国霞等[42]研究表明，在低蛋白质高脂肪饲料中添加脂肪酶,可以降低花鲈的脏体比和脂体比，提高机体抗氧化能力，但花鲈生长性能、粗脂肪和部分脂肪酸表观消化率有所下降。Liu等[43]研究表明，饲料中添加1 193 U/kg脂肪酶，可以提高草鱼(Ctenopharyngodonidella)幼鱼的生长性能，并改善其肠道功能和健康状况。目前，由于脂肪酶多样性、稳定性和对酸的耐受性较差，并且外源性脂肪酶分解生成的游离脂肪酸易被氧化，会对水产动物产生副作用，在水产饲料中的理论和应用研究中难度较高，所以还需对脂肪酶在水产饲料中的应用进行深入探索和研究。

1.6 复合酶制剂

复合酶制剂能将饲料中多种抗营养因子及多种养分同时降解，从而提高饲料的营养价值，其作用效果优于单一酶制剂[44]。按饲用酶制剂的功能特点可以将其分为4类：以蛋白酶和淀粉酶为主的复合酶，可以补充动物内源酶的不足；以β-葡聚糖酶为主的复合酶，主要用于谷物日粮饲料；以纤维素酶、果胶酶为主的复合酶，可以将植物性饲料中多种抗营养因子消除；以纤维素酶、糖化酶、果胶酶、蛋白质酶、淀粉酶和葡聚糖酶为主的复合酶；复合酶制剂可以更好地促进动物对蛋白质、淀粉等营养物质的消化吸收[45-46]。Huang等[47]研究表明，日粮中添加复合酶制剂(中性蛋白酶、酸性蛋白酶、木聚糖酶、纤维素酶、葡聚糖酶和甘露酶)可以提高花鲈的生长性能、消化酶活性和非特异性免疫功能。杨航等[48]研究表明，在低磷低脂饲料和无鱼粉低磷低脂饲料中添加复合酶制剂(植酸酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、果胶酶和淀粉酶)可以提高草鱼的生长性能和对营养物质的利用率。窦勇等[49]研究表明，在黄颡鱼膨化饲料中添加复合酶制剂(蛋白酶、木聚糖酶、β-甘露聚糖酶和纤维素酶)，可以提高黄颡鱼生长性能和粗蛋白质利用率，减少环境中氮排放量，从而减少环境污染。

2 饲用酶制剂的作用机理

2.1 补充动物内源酶的不足

作为饲料行业的一种绿色添加剂，酶制剂可以促进动物消化过程、调节体内代谢平衡和提高养分降解率，在预防动物疾病、保护生态环境和促进动物健康等方面也起着重要的作用[50]。正常的成年动物在适宜条件下，可以充分分泌降解饲料中某些营养物质的酶，但当动物处于幼年或者处于高温、寒冷和疾病等应激状态时，就会出现对酶的分泌能力下降和消化紊乱的状况[51]。因此，在动物饲料中添加外源酶制剂，可以补充动物内源消化酶的不足，从而促进动物对饲料中蛋白质、淀粉及脂类等营养物质的吸收利用，提高饲料利用率[52-53]。

2.2 直接分解营养物质，供给机体营养

水产动物饲料中大多为植物性原料，其中的植物细胞壁和底物营养物质中的大分子生物多聚体严重影响了动物对营养物质的消化和吸收。酶作为一种生物催化剂，在常温常压下高效地催化专一的底物是其主要特点。通过在饲料中添加外源消化酶，动物便可以将大分子生物多聚体消化成可以直接吸收的营养物质，或者分解为小片段营养物质供动物体吸收利用[54]。

2.3 消除抗营养因子，促进消化吸收

植物性饲料原料中常常含有一些非淀粉多糖(NSP)、果胶和纤维素等聚合物，尤其是具有较强的抗营养作用的水溶性非淀粉多糖(SNSP)，溶于水后产生较强的粘性和持水性，能够提高动物机体消化道食糜黏度、降低饲料养分的消化利用率[55-57]。在饲料中添加纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶和果胶酶等酶制剂，可以降解饲料中SNSP的多聚体，将其分解为小分子物质，使NSP的抗营养性和食糜黏度降低，提高饲料利用率及其动物对饲料营养的消化和吸收，改善动物消化机能，进而提高其生长性能[58-59]。如纤维素酶由葡聚糖外切酶、葡聚糖内切酶和β-葡聚糖苷酶组成，这3种酶结合在一起后相互作用，可以将植物性原料中的植物纤维分解成葡萄糖，将植物细胞壁破坏后释放出其中的内容物，从而提高饲料利用率[60]。

2.4 提高机体免疫力

植物性饲料原料中NSP的存在，提高了动物机体消化道食糜黏度，为病原微生物的定植和繁殖提供了有利条件，从而影响肠道健康，容易引起动物的消化道疾病[61-62]。饲料中添加的非淀粉多糖酶可以降解饲料中的NSP, 在NSP被降解的过程中还会产生低聚木糖等寡聚糖。有研究表明，低聚木糖一方面可以减少大肠杆菌(Escherichiacoli)、沙氏门菌(Salmonella)、链球菌(Streptococcus)等有害菌定植在动物肠道内，从而减轻病原菌对动物机体的危害；另一方面还能促进动物肠道内有益菌的增殖，保持良好的肠道内环境[63-64]；此外，低聚木糖可以通过在细菌和病毒的表面结合来减缓抗原吸收，增加抗原效价，从而增强动物机体免疫力[65]。因此，在饲料中添加非淀粉多糖酶，可以改善动物肠道健康，提高机体免疫力，进而提高动物的生长性能。

3 限制饲用酶制剂在水产动物中应用的主要因素

3.1 缺乏精准能量需求和原料消化率数据，影响酶制剂作用效果

有研究表明，动物饲粮的能量水平会直接影响酶制剂的作用效果，并且与能量较高的饲料相比，在能量较低的饲粮中添加酶制剂的作用效果更好[66]。张依量[67]的研究表明，在能量水平为11.1 MJ/kg玉米-豆粕型日粮中添加复合酶1(木聚糖酶11.0×106U/kg、甘露聚糖酶5.0×105U/kg、β-葡聚糖酶12.0×105U/kg、纤维素酶5.0×105U/kg和果胶酶9.0×105U/kg)可以显著提高蛋鸡粗蛋白、钙表观消化率；添加复合酶2(木聚糖酶22.0×106U/kg、甘露聚糖酶6.0×105U/kg、β-葡聚糖酶2.2×106U/kg、纤维素酶1.0×106U/kg和果胶酶1.0×106U/kg)可以显著提高蛋鸡钙、磷表观消化率；添加复合酶3(木聚糖酶11.0×106U/kg、甘露聚糖酶1.0×106U/kg、β-葡聚糖酶1.5×106U/kg、纤维素酶8.0×105U/kg、果胶酶1.0×106U/kg)可以显著提高蛋鸡能量、粗蛋白表观消化率。但目前在水产动物的大部分养殖品种中，都缺乏此类精准的能量需求和原料消化率数据，制约底物与外源酶的准确匹配，从而影响酶制剂的作用效果。

3.2 缺乏在水生变温动物适温下的酶活性，影响酶功能发挥

绝大多数酶是一种对pH和温度较为敏感的蛋白质，饲用酶制剂在水产动物体内发挥着重要的作用，与工业酶制剂相比，其作用环境较复杂[68]。饲用酶制剂在其耐受温度范围内，温度升高，其作用效果会增强，但随着温度的降低作用效果会下降[69]。水产动物是一种体温会随着水温变化而变化的变温动物，15～32 ℃为其适宜的生长温度，从动物消化的生理特点来看，在水产动物体温较低时，饲用酶制剂便达不到其最适温度，影响酶制剂在动物体内的作用效果，从而影响酶功能的正常发挥。

3.3 缺乏针对鱼类复杂多变的消化道环境的酶制剂研发

鱼类的消化道环境比其他门类动物复杂的多，根据鱼类消化道的解剖学结构特征可以将其分为4类：Y状胃的肉食性鱼类、袋状胃的杂食偏肉食性鱼类、无胃的杂食偏草食性鱼类和管状胃的滤食浮游生物鱼类[70]。有研究表明，饲料中添加酸性植酸酶对南亚野鲮(Labeorohita)的生长性能无显著影响[71]，但在异育银鲫饲料中添加中性植酸酶却可以显著提高其生长性能和对营养物质的消化率[72]。目前大部分植酸酶添加剂为酸性植酸酶，仍然缺乏针对鱼类复杂多变消化道环境的酶制剂的研究，限制了无胃鱼对植酸酶的应用，在此方面还需进行对酶制剂的深入研究。

4 展望

随着水产饲料行业“无抗”时代的到来，酶制剂作为一种安全、高效、无污染的环保型绿色饲料添加剂，在水产饲料上的应用将会越来越普遍。中国饲料资源缺乏，饲料原料来源复杂，除玉米、豆粕之外，还有多种杂粕，包括棉粕、菜粕，乃至高粱、大麦等非常规原料，由于这些植物性饲料原料中含有一些抗营养因子，使得酶制剂在水产饲料中的应用率得到提高。在饲料中添加外源酶制剂可以使饲料的消化利用率提高，促进动物对营养物质的吸收利用，可以将这些含有抗营养因子的饲料原料充分利用，提高饲料利用率，促进非常规饲料原料的高效利用，从而在一定程度上缓解中国饲料资源的不足，还可以促进绿色养殖环境的发展。目前，淀粉酶、脂肪酶等单一酶制剂在水产动物上的应用还很少，随着符合水产动物生理特点的酶制剂得到更多研究和开发，在酶活性和生产工艺及稳定化技术上的提高，酶制剂在水产动物上的应用也将会取得进一步的成效。