饲料液态酶及其后喷涂工艺的研究与应用
2010-06-28 15:52:15   来源：本站原创   评论：0 点击：

饲料安全是关系到食品安全和消费者利益的一件大事，是全社会关注的热点。实现畜产品“绿色化”的核心问题是精确使用抗生素等药物类添加剂，更多地应用诸如酶制剂、微生物制剂等“绿色”生物技术产品，以解决畜牧生产中疾病的预防、生产性能的提高等问题。饲用酶制剂作为一种新型“绿色”环保添加剂，自从1975年美国饲料工业首次把酶制剂作为添加剂应用于配合饲料中并取得显著效果后，饲用酶制剂日益受到世界养殖业的重视。其效能特点有：

①    补充动物内源酶的不足，提高饲料报酬；

②    降解植物细胞壁，促进营养物质的消化吸收；

③    消除饲料中的抗营养因子，提高饲料安全性；

④    增强动物的抗病能力，提高畜禽成活率；

⑤    降低氮、磷的排泄量，减少环境污染。

⑥    降低饲料成本。

饲料酶按功能主要分为两类：一类是降解单底物的植酸酶、淀粉酶、蛋白酶、木聚糖酶、纤维素酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶等单酶，其中以植酸酶和木聚糖酶、甘露聚糖酶应用最普遍，多采用基因工程菌液体发酵生产。另一类是以非淀粉多糖为底物，真菌固体或液体发酵，进一步复配单酶加强的复合酶。

为了提高饲料酶的使用效果，需要从酶学性质改进和使用方法优化两方面研究。酶学性质包括酶活、底物适应性、pH曲线、温度曲线、结构稳定性等酶蛋白本身特征，主要由生产菌种和生产工艺决定。使用方法包括酶的剂型、储存稳定性、加工稳定性、酶的配比和剂量与作用饲料底物的对应降解效果。康地恩生物集团等酶制剂生产商建设现代化生产基地，构建高效工程菌株，改进发酵工程技术，配合颗粒饲料大力推广先进的液态酶后喷涂工艺，成为2008年饲料酶一大亮点。

一、基因工程菌株的构建

人们为了解决单胃动物不能利用植物中植酸磷、非淀粉多糖的问题而寻找并发现了植酸酶、木聚糖酶、纤维素酶等饲料酶。对这种应用性很强的酶所进行的基因工程研究紧紧围绕着工业化应用这一中心目标。基因工程饲料酶在养殖业中的应用，有三种可能的途径。

第一，通过植物基因工程改造饲料用作物，直接在植物的籽实中表达合适的植酸酶，省去了植酸酶的生产及其在饲料中的添加。Pen等(1993)首先在烟草种子中成功地表达了外源基因植酸酶，植酸酶的表达量达到种子中可溶蛋白的1%、叶片可溶性蛋白的14.4%[1]。Li J于1997年在大豆(Glycine max)的籽实中成功表达来自黑曲霉的植酸酶，并且其酶学性质与出发菌株所产的相同；饲喂实验结果表明同样可以提升家禽对植酸磷的利用率[2]。近年来，在水稻、苜蓿、玉米、油菜中成功表达植酸酶。但是由于植物籽实作为配合饲料的原料经过饲料生产的全过程，因此其中所包含的植酸酶必须经历高温制粒的过程。同时由于各地用作动物饲料的作物种类甚或品种往往不同，很难仅仅为了提高家畜家禽的植酸磷利用率而大规模弃用原来的优势品种。植酸是植物体内的第二信使之一，在植物生长发育过程中起着重要的作用，也是种子储存磷的主要机制，如果植酸酶过量表达，会对植物造成伤害，出芽率较低[3-6]。转基因植物可以表达具有活性的β-葡聚糖酶和木聚糖酶，并正常生长发育。作为结构物质的非淀粉多糖，如果非淀粉多糖相关酶的合成量提高，也会打破该植物整体的生理平衡，出现倒伏、减产[7]。

第二，利用现代转基因动物技术，使饲料酶基因在单胃动物消化道内源表达，无须外部添加。Serguei P等于2001年将ECP编码基因appA转化入小鼠中。55kDa的活性植酸酶蛋白通过唾液腺分泌入唾液中。转植酸酶基因小鼠的粪便中磷的含量与阴性对照相比降低了11%。Golovan SP等于2001年将植酸酶基因转入猪内，分泌含有植酸酶的唾液以分解食物中的植酸磷，它排出的粪便中含磷量与对照相比降低了75%。这方面的研究起步较晚，仍有许多问题有待解决，其中最主要的是转基因过程对动物体的损伤，及如何避免等问题[3-5]。

第三，微生物发酵生产饲料酶，作为固体饲料添加剂预混在粉状配合饲料中，或制备液体酶在高温制粒后喷涂于颗粒饲料表面。这种策略对使用者来说最为简单易行，但对植酸酶的生产者提出了很高的要求。在微生物体内，植酸酶并非持家基因，因此天然菌株生产植酸酶的能力十分低下，远远不能满足饲料成本控制的需要。野生型黑曲霉NRRL3135菌株产植酸酶的最高水平为6.8 U/ml，采用现代基因工程技术大幅提高生产植酸酶的能力是最为直接的方法。

第一个被分离纯化的植酸酶来源于Aspergillus terreus No. 9 A - 1，从此以后,陆续从十几种微生物中分离到植酸酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶，如枯草芽孢杆菌、假单孢杆菌、乳酸杆菌、大肠杆菌、酵母、曲霉、隔孢伏革菌等，并对酶的生理生化性质进行了较深入的研究[8-11]。

国内以中国农科院饲料所姚斌等为代表的研究者构建了上述饲料酶的大肠杆菌、毕赤酵母等高效表达系统，并迅速产业化[12]。利用转基因技术构建的毕赤酵母表达系统与液体深层发酵工艺相结合，大大拓展了饲料酶基因的来源，为提高饲料酶的产量和酶活提供了强大的技术支持。国家高技术研究发展计划(863计划) “饲料用酶的分子改良与产品研制”立足饲料行业对酶制剂的急需，组织中国农科院、吉林大学、华东理工大学、康地恩、挑战等科研单位与企业，在酶分子改良、高效表达、工程菌高密度发酵、饲料酶规模化生产与应用技术等方面联合攻关，通过分子改良，将满足饲料酶高比活、耐酸性、抗胃肠道蛋白酶等要求，预期木聚糖酶、葡聚糖酶、甘露聚糖酶、半乳糖苷酶在工程菌中表达量高于5g/L，发酵液效价分别达到100000IU/mL、50000IU/mL、8000IU/mL、5000IU/mL。

植酸酶已成为21 世纪世界公认的、最有前景的无公害饲用酶制剂。1999 年植酸酶全球销售额为全部饲用酶制剂的49%。在德国和荷兰，超过90%的猪鸡饲料添加了植酸酶。欧美等国的植酸酶每年以20%左右的速度在递增，亚洲地区以每年80%~100%的速度在递增。中国是全世界首屈一指的饲料需求大国，2010年和2020 年，中国的饲料需求量分别为3.4 亿t 和4.08 亿t，植酸酶添加量以0.1‰计算，植酸酶纯蛋白的需求量应达到3.4~4.08 万t 以上，由此产生的直接经济效益每年将超过30亿人民币，具有良好的市场前景。