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与动物饲料工业有关酶制剂的应用

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2014-01-08

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引言


        本章我们论述酶在加工过程中(如在生物乙醇工业)以及在粗原料的预处理中,确切地降低抗营养因子和/或提高营养价值有效性(如降植酸,降毒性,降葡聚糖,或者提高蛋白水解),从而增加价值的潜力。本章也阐述了酶制剂在饲料原料营养提升的作用,比如生物乙醇工业产生的纤维类副产品。
外源酶制剂在生物乙醇产品及其利用中的应用
        早在2000年,用可再生燃料替代旧有燃料的趋势,为酶制剂的应用创造了更多机会,比如生物柴油和乙醇。通过酶解淀粉和糖来生产乙醇,随后酵母发酵葡萄糖转化为乙醇,不论在动物体外还是动物体内,这是酶技术能应用到两步过程中一部分很好的例子。酶制剂首先被添加到发酵厂提高乙醇的产生,随后作为饲料添加剂被添加到含有乙醇生产副产品饲料中,如DDGS。在乙醇加工过程中,酶使用的程度是决定乙醇加工副产品特性的决定性因素,加工过程本身也在很大程度上影响副产品的饲用价值,并且也会影响后期酶制剂对该副产品潜在营养价值的提升。
        酶制剂在乙醇加工过程中的使用
        全球大量的农业生产谷物被用来发酵生产乙醇(Shetty等,2008;EDC,2009)。在美国和加拿大东部主要使用玉米,高粱等谷物,在欧洲和加拿大西部主要使用小麦,黑麦,黑小麦,大麦。在一些乙醇工厂还根据当地的谷物来源情况使用混合谷物。在巴西,则使用甘蔗来生产乙醇来满足燃料需求。
简单说,低资本投入使得乙醇生产过程中使用全谷物并且将原料粉碎。基础的原料使用循环的清水进行液化,并在此过程中加入适宜的酶制剂。从谷物中其他的组分中(面筋、胚芽、纤维)分离的淀粉生产出大部分的发酵酒精。另一方法,淀粉与耐高温淀粉酶在105℃高压蒸煮并在85℃液化,所得到的糊精冷却到60度加入糖化酶进行糖化,或者直接冷却到32度同时用糖化酶进行糖化和用酵母发酵,发酵过程通常需要1-3天,发酵液通常含有18%左右的乙醇,然后被蒸馏提纯到接近100%无水形态。
一些酶制剂企业通过寻找和发展低温条件下的酶制剂来取消发酵前的蒸煮步骤,这样可以提高乙醇产量和降低有机酸及甘油的产生。
Shetty 等人(2008)在谷物的前处理过程中采用耐高温的植酸酶作为乙醇发酵过程的一个步骤,这个系统被叫做PALS(植酸酶、淀粉酶液化系统),在不进行大规模改造的情况下为乙醇生产企业提高乙醇产量,同时生产低水平的植酸副产品DDGS和酒糟。
        在欧洲,生产乙醇的原料主要为小麦、黑麦及大麦,这些原料在85度液化前,一般要加入降低粘度的酶制剂(纤维素酶,半纤维素酶)在60度以下反应1-2小时。由于在谷物中有内源植酸酶能够水解植酸使得DDGS中的植酸含量有所降低。而对于玉米和高粱含有较低的内源植酸酶,所以shetty描述的PALS系统提供了一个很好的方案。
Kim等人2008年阐述了在已有的干式乙醇生产厂,使用湿蒸馏谷物作为生物乙醇生产的物料来提高产量。湿蒸馏的的谷物含有大约20%的葡聚糖苷(包括纤维素和剩余的淀粉),这些都可以水解成单糖。作者描述了使用一种由酶系包括纤维素酶、葡聚糖酶、木聚糖酶和阿魏酸酯酶,然后用酵母继续发酵,两者共同提高乙醇的产量,同时生产一种蛋白强化的蒸馏谷物副产品。
        现阶段,美国能源部门积极鼓励工厂等发展由纤维类生物原料生产乙醇,比如倾草、稻秸、和玉米秸等。尽管有更多乙醇生产原料,现有物料在高产量并且可以在世界范围内不用集中的农业投入就可生产等特点,比起玉米来,他们被认为是更加可持续的方法。
生物乙醇过程生产副产品营养的生物利用率
        生物乙醇生产的主要副产品是DDGS,在生产乙醇的发酵和蒸馏的过程之后,剩余的蒸馏物离心而生产出湿的谷物碎片(DDG)和一少部分蒸馏物残渣。这一小部分随后被蒸馏来生产浆CDS(浓缩蒸馏可溶物)。这些浆被加回到湿的DDG里面,以不同的浓缩倍数从一个生产厂转移到另外一个生产厂。然后被干燥,从而生产出最终的产品(DDGS)。加回去的可溶物数量和干燥的过程对最终副产品的组成和营养价值有巨大的影响(Zijlstra and Beltranena ,2009)。与稻谷比起来,玉米DDGS的可溶物中包含更多的油/脂肪和磷,而稻谷包含更多的蛋白,所以增加DDGS中可溶物含量会带来营养的升高。
        开始使用谷物作为原料对乙醇生产副产品在动物上的营养价值有巨大影响。玉米比小麦含更多地淀粉和油,更少的蛋白和纤维,发酵这些谷物所产生的副产品可以反映出这些不同(表9.1)。发酵淀粉生成乙醇和二氧化碳,剩余的DDGS以浓缩型式明显反映了初始原料,凭经验的方式,许多酒糟被工厂以原料谷物或者谷物混合物的三分之一浓缩(Zijlstra and Beltranena,2009)。
        和其他的化学元素一样,在玉米和小麦DDGS中的磷也被浓缩了。由于在发酵和干燥过程中的转换,紧凑的植酸(IP6)转化成一系列植酸酯从IP2到IP5(表9.1)这样就影响了DDGS对比于原料中植酸的抗营养水平(如:低害),在动物中随后使用外源植酸酶的反映也不尽相同。DDGS中矿物元素的生物利用率通常比原料提高了,这可能与植酸结合铁的移除或降低有关(Pedersen 等2007,Widyaratne and Zijlstra 2007)。
详见表9.1。
        细胞壁(纤维)也同样被浓缩了,阿拉伯木聚糖含量比谷物原料提高了2-3倍(表9.1)。纤维的浓缩对动物外源添加酶制剂有积极的影响,(如:木聚糖酶),尽管发酵及后续的干燥对木聚糖酶的作用有影响。小麦DDGS可溶性阿拉伯木聚糖通过在干燥前加入的CDS进入最综的产品中。这样,就改变了木聚糖酶的作用效果,尤其在禽类,肠道中营养消化受粘度的负面影响。
        DDGS作为单胃动物一种原料被大量关注的是其蛋白和氨基酸利用率,这主要受以下方面影响:1、发酵过程的特点,如批次、连续性和持续性;2、生产过程中返回的CDS质量的波动;3;DDGS原材料干燥的温度和时间。连续性DDGS工厂最大程度的添加酒糟,但是在随后的储存过程中结块就成为一个难题(如:储仓结块)。过度干燥物料成为在储存期间避免结块风险的办法。
        比起DDGS样品的深紫色判定,单位粗蛋白中生物可利用赖氨酸的含量(使用赖氨酸分析系统,Fontaine等2007)对蛋白质的品质更加具有决定性。然而,一般来讲,过度干燥的DDGS由于氨基团与糖进行了梅拉德反映,蛋白质被破坏,因而颜色也更深,赖氨酸的利用率也就降低。
再发酵过程中不破坏霉菌毒素是在单位动物中使用DDGS的更进一步的挑战。所以,同其他的组分一样,与在原料中相比含量浓缩了大约3倍,(Applegate 等2008)。在欠收季,更多的坏粒和活高水分对动物生产性能是个巨大的威胁,这也是营养师限制使用DDGS的原因。本章后续我们将阐述对这些毒素的酶制剂可行性方案。
外源酶制剂对乙醇副产物饲喂价值的影响
        近年生物乙醇工业使得副产品大量增加,激发了外源酶制剂对营养价值提高的研究工作。表9.2概括了一些近期的研究,其中包括在猪和禽日粮中添加不同水平DDGS,不同水平和种类的酶制剂的添加。
        详见表 9.2。
        表9.2描述了外源添加酶制剂带来的好处表面看起来并不稳定,但同时可以看到在这些研究中的酶活添加也不尽相同(一些还没有很好定义),同时日粮中DDGS的添加量及来源也变化巨大,尤其是在猪的研究,(如:从玉米、小麦或/和高粱来源的6-60%DDGS含量)。未来研究重点应该放在准确说明的原料DDGS及不同酶组合体系对禽和猪影响的研究。酶制剂产品中主要的酶活力的描述也需要进行很好的定义,以帮助理解数据和商业实用。
霉菌毒素的生物转化
        霉菌毒素是真菌生长的次级代谢产物。它们作为自然污染物在许多植物来源原料尤其是谷物中被发现。据评价,世界四分之一以上的谷物被污染超过被检测到的水平(Fink-Gremmals,1999)。极小的并且稳定的分子十分困难被移除或摧毁,并且会保持其毒性进入食物链。在众多存在的毒素中,对饲料工业关系最密切的一些(表9.3)是由属于镰刀霉、曲霉和青霉的真菌产生。两组产霉菌毒素的真菌可以被区分,第一组包括在植物收获之前生长在上面并产生毒素的。这一类(收获前)毒素包括黄曲霉毒素和镰刀霉毒素。另一组包括在作物收获之后及储存运输过程中产生毒素的真菌。这些毒素被命名为储存(收获后)毒素,赭曲霉毒素A属于这一组(EFSA,2009)
霉菌毒素作为影响多数动物生产性能、健康、繁殖性能继续产品品质的因素,在动物生产系统被关注。在农田及储存过程中运用技术降低毒素的产生被研究,在污染的饲料中使用饲料添加剂被广泛关注。许多不同形式的饲料添加剂被使用,包括酶制剂提高生物转化,缓解症状的化合物,以及日粮中添加的吸附剂用以与毒素结合并阻止其被动物吸收。一些微生物、酵母及真菌已经被证明由于可以产生一些酶活而可以能够降低/解毒毒性。
体外研究
        Varga 等(2005)筛选了超过50种丝状真菌来寻找能够降低毒素的种。被检测的真菌中没有一种能够存在黄曲霉毒素降解活力,但是分离出的一些根霉显示成功破坏赭曲霉毒素A及玉米赤霉烯酮。相似的,使用白腐真菌降解黄曲霉毒素B1获得成功(Alberts等,2009)。在最近的研究中证实了,漆酶可被引入到降解过程。最近研究还发现使用从动物消化道分离出来的微生物及酵母能够将霉菌毒素转化为低毒化合物,具有霉菌毒素降解的可能性。Molnar等(2004)显示从白蚁后肠道属于毛孢子菌属的一种酵母在动物饲料中具有潜在降低赭曲霉毒素A及玉米赤霉烯酮的活力。在适宜的条件下,貘粪便中分离的微生物在培养基中能够降低黄曲霉毒素B1超过80%(Guan,2009)。同一作者还研究在鱼类消化道的微生物种群并阐述了鲶鱼消化道内发现的微生物能够降低单端孢霉烯新月毒素(Guan等2009)。总之,其他的一些研究也揭示了瘤胃及肠道微生物能够显著降低体外新月毒素的毒性(He 等1992;Kollarczik等1994)。这些酶解反应使得新月毒素分子中的12,13-环氧基团分裂。
体内研究
        一系列从牛瘤胃分离的真细菌被命名为BBSH797,被发现具有新月毒素解毒作用(Binder等,2001)。这种微生物的代谢机制显示能够产生脱环氧化酶(见前)。此微生物族被用来发展第一个毒素降解的商品饲料添加剂。产品效率在单位动物体外模型被确定,在肉鸡日粮实验也被证实(Heidler and Schatzmayr2003;Diaz 等2005)。研究人员并没有单独直接饲喂微生物。Chen等(2006)研究了在猪被镰刀霉毒素污染的日粮中使用一种叫做MDE的酶制剂产品,该研究显示霉菌毒素降解剂MDE,从包括生产性能、血液生化指标和免疫参数,以及组织病理学观察指标看出,该产品使得霉菌毒素部分或全部的毒性匮乏作用。
其他方法
        在一份最小化霉菌毒素的检验报告中,Jouany(2007),阐述了一种使用GMO技术的方法。一株生产在玉米上的真菌显示了能够产生降解伏马菌素的酶,这个产生酶活的基因编码被克隆并转移到转基因小麦中,然而,正如作者阐述的那样,这个传奇的微生物具有一些限制性,比如在动物消化道内酶的浓度及反应时间。
生产价值更高的饲料原料
        许多动物饲料原料包含一种或更多的抗营养物质。其中最普遍的是非淀粉多糖(NSPs)、植酸、蛋白抑制剂、多酚化合物(如:单宁)、植物凝集素和生物碱。多种方法可以减少或者消除这些物质带来的负面效应。其中的一种就是用酶来预处理饲料或者原料。随着对饲料资源及环保越来越关注,饲料工业开始有机会寻找具有更高营养价值的饲料原料和安全再利用需要被另处理的动物副产品(如:羽毛粉)。酶解方案提高饲料的消化率对满足动物营养需要的饲料量产生直接的影响。并且降低了粪便的排出(Peron and Partridge,2009)
        饲料中植酸的消除
        植物原料,如谷物和豆类,消除植酸可以采用水洗(用水或酸溶液提取)、自溶体系(内源植酸酶的作用)或者应用微生物植酸酶。下面阐述了最后一个方式。
在饲料生产前预处理原料
        几位作者论述了在生产饲料前使用微生物植酸酶消除饲料原料中的植酸的可能性。早在20世纪60年代后期,科学家确认使用酶制剂预处理来提高原料的营养价值。Nelson等(1968)使用霉菌植酸酶来降低豆粕中的植酸水平。Rojas和Scott(1969)阐述了植酸酶处理能够提高鸡棉籽粕日粮的代谢能。尽管酶制剂的益处被证实,但是由于酶制剂的高昂的费用成为酶制剂使用的限制性因素。在20世纪90年代早期随着商业酶制剂的发展,新的方法被引入。由于含有高剂量的植酸酶,油料作物粕成为研究者考虑的对象。在试验材料固体发酵油菜籽粕显示出成功降低植酸含量(Nair和Duvnjal,1990)。在缓冲溶液及培养基条件下,体外系统被证实有更快和更有效地降低植酸水平。Zyla和Koreleski(1993)报告在前处理时使用一种粗制植酸酶将菜籽粕中植酸完全降解掉。使用纯化的植酸酶降解植酸结果具有较低效率,Newkirk和Classen(1998)做了同样的实验,提出非植酸酶能够协助提高植酸酶的作用。主要由于植物植酸与其他纤维祖坟形成紧密的联合(如:纤维),所以将植酸酶与其他酶联合使用能够加强植酸的水解被认可。同时Han(1988)在研究酶预处理对豆粕及棉籽粕中植酸水解的影响时发现当植酸酶预纤维素酶联合使用时,植酸水解被大幅度提高。
在水产饲料加工过程中通常会采用高温(大于100),这将破坏饲料中的植酸酶。与此同时,对一些种类,环境水温对于植酸酶的最适温度显得很低。所以在鱼类生产工业,谷物和油料种子种消除和降低植酸成为热点。
        使用植酸酶预处理豆粕和大豆蛋白在虹鳟鱼(Cain and Garling,1995;Vielma等2006;Wang等2009)、蟹(Nmanna等2007)及鲶鱼(Van Weerd等1999)中获得更好的生产性能和营养利用率。(Cao 等2008)在罗非鱼中使用全植物日粮液做了相似的实验。
在线前处理
        固体发酵或者液体发酵将原料与植酸酶进行前处理通常成功。然而这种方法在原料进入混合机前增加了几步程序。最终这些加入的步骤在饲料生产中增加了时间和能耗。一个可选择的办法是在高温处理之前,将植酸酶预处理作为饲料厂的一部分。这一办法被Denstadli等(2006)发展:使用小麦和豆粕,作者实验了不同的条件(不同温度、湿度、停留时间等),在甲酸和大肠杆菌植酸酶存在的条件下,在日粮中评价了植酸水解的效率。在证明了最适的条件后,显示超过86%的植酸水解了。然后,在很大规模上成功确信之后,作者下结论,这个方法适合成为全价饲料加工过程的一部分,并提交了专利申请。这个新的概念随后被植酸酶后喷涂这种更加普遍的办法形成对比。结果显示,不同于植酸酶后喷,在线预处理植物饲料原料技术在大西洋鲑鱼中有更高的矿物元素利用率(Denstadli等2007)。
        在养殖工业中提高蛋白原料的消化率
        Woodgate(1994)评论了使用酶制剂来为动物设计“完美蛋白源”。这个观点是基于(理想蛋白模型)所生产蛋白原料包含必要且平衡的氨基酸水平,与不同种类及不同生理阶段阶段的需要相适应。然而,一个巨大的挑战是如何准确确定饲养动物的氨基酸需要。作者阐述了采用生物技术和饲料工业中的一些方法。迄今为止,大部分的方法是基于传统饲料原料的生物转化和动物副产品。然而,正如Woodgate(1994)论述的那样,这些原俩都存在缺点,单独使用将不能形成“完美”原料。总之,以下论述了酶制剂预处理明显改善在饲料工业中普遍使用蛋白原料的营养价值。
        油料作物种子粕的预处理
        油料作物种子粕是动物饲料中的主要蛋白原料。但是其中包含多种抗营养因子(如:NSPs,蛋白酶抑制剂)影响他们的利用率。使抗营养因子降低或者失活为酶制剂生产者带来了巨大的机会。大豆或者油菜籽榨油过程通常引入使用溶液(如:己烷)的一步。为了降低使用溶液的危害及污染物质,生产业采用了一种新技术方法。其中一种被描述为水溶液提取过程。依靠水作为分离媒介,添加酶制剂能提高加工过程中的产量,并且生产高品质的副产品。例如,在菜籽的水溶液提取中使用细胞壁降解酶,显示生产出一种对仔猪具有较高营养价值的蛋白粕(Danielsen等1994)。
        许多研究人员对含有大豆的饲料中使用诸如蛋白酶和α半乳糖苷酶等外源酶制剂产生注意,但是获得了不稳定的结果。豆粕使用酶制剂进行前处理也被研究。Caine等(1998)研究显示蛋白酶(枯草芽孢杆菌)对豆粕进行前处理,能够提高单胃动物对大豆蛋白的消化率。在肉鸡饲养实验,Ghazi等(2003)报道,酶(蛋白酶和α半乳糖苷酶)前处理对豆粕营养价值具有积极的影响。在水产饲料中,豆粕的前处理被广泛研究,大部分的研究集中到植酸水解。然而,文章中也含有一些不同寻常的酶制剂的应用,比如——,在鱼的生产性能上获得成功(wong等1996)。在许多热带国家,棕榈粕低的成本和高利用率使得其在水产饲料中被实验。不幸的是,这种原料的使用受到限制,主要由于其含低蛋白和高水平的NSPs。Ng等(2002)的研究显示使用商业酶制剂前处理棕榈粕在罗非鱼获得了更好的生产性能和饲料利用率。
        动物副产品的前处理
        羽毛作为禽肉加工的废物副产品产生量巨大。大量的羽毛可以用在动物饲料当中。然而对于动物营养学者来讲,由于其营养含量的波动及蛋白的质量仍是关注的问题。羽毛蛋白有限的消化率主要是由于在角蛋白中含有大量的交叉连接键和紧密结构。所以,使用微生物降解羽毛产品成为一种替代办法(Grazziotin等,2008)大部分试验研究了从芽孢杆菌分离出的属于丝氨酸内肽酶的蛋白分解酶。Papadopoulos(1985)研究显示使用一种从枯草芽孢杆菌分离的叫做“maxatase”的蛋白酶制剂能够打开胱氨酸的二硫键,提高羽毛的溶解性和对消化酶的敏感性。Williams等(1991)研究了被一种具有角蛋白酶活的地衣芽孢杆菌处理的芽孢杆菌的营养价值,结果显示与未处理组比较起来获得了更好的生产性能。
        同样的,在加入饲料前进行羽毛的前处理显示能够提高肉鸡(Tadtiyanant等1993;Kim和Patterson,2000;Woodgate和Leary,2009)和鱼(Fasakin等2005;Woodgate,2007)生产性能和/或能量利用率。
        海产工业产生的副产品数量巨大。肉食鱼类对植物蛋白源利用困难,寻找水产饲料中替代鱼粉原料的一个重要研究,对使用鱼类废弃物具有浓厚兴趣。酶制剂水解鱼类和虾的身体部分(副产品)生产水解的含有小分子肽和游离氨基酸蛋白。这种水解产物可以作为鱼饲料的蛋白原料(Rebeca等,1991)。这些原料在大菱鲆(Olivia-Telea等1999),鳕鱼(Aksnes等2006)和鲑鱼(Refstie等2004)很成功地部分替代鱼粉。鱼蛋白水解物还显示对采食有促进作用(Refstie等2004),并且对幼鱼的生长有好处(Carvalho等1997;Cahu等1999)。总之,研究的虾生产副产品的蛋白水解物在动物日粮中具有较好的利用价值(Bueno-Solano等2009)。
其他应用例子
        如以上论述,饲料原料的酶解能降低霉菌毒素。同样的方法可以用来瞄准饲料原料中其他的毒性物质。这部分将讨论两种降低特定原料中外源毒性的方法。
油菜粕中芥子碱的降解
        芥子碱限制了油菜粕在动物饲料中作为蛋白原料的使用。动物采食芥子碱之后具有诸如降低适口性、降低生长和生产性能。畜禽生产中测试了多种办法来提高油菜籽的营养价值。最终,微生物降解芥子碱并生产产品,逐渐成为最受关注和经济的方法。Vig和Walia(2001)阐述了固体发酵油菜籽粕明显降低了原料中的芥子碱。时间越长,效果越显著(>2天)。在芥末粕中也获得了同样的结果,经过60-90小时芥子碱完全被水解(Rakariyatham和Sakorn,2002)。在猪含菜籽粕的日粮中直接添加硫甙酶也被研究,结果显示使用酶制剂产生极小并且不稳定的作用(Lawrence等1995)。
        饲用微生物生产高水平的酶制剂
        前处理并不是提高植物原料营养价值的唯一方案。另一个研究领域是有种观点使用酶生物生产酶制剂然后添加到动物消化道中。早期Jones与Lowry(1984)和Jones与Megarrity(1986)很好的论述了这个方法。这些研究者叙述了从Indonesian和Hawaiian山羊的具有抵抗合欢属豆科植物的毒性瘤胃微生物,在Australian动物中能够抵抗毒性型。Cooper等(1995)也表示了同样的观点,他为了防止国内动物抵抗在多种牧草中氟乙酸盐的毒性。然而,科学家没有转移在其他反刍动物消化道内的微生物,需要对动物瘤胃内的微生物进行基因改造,以插入一段从土壤中分离的具有降低毒性的微生物基因的手段。尽管这种方法确认能够在植物饲料中能够解决许多毒性问题,但是事实上是采用了基因GMO技术,具有潜在公害,最终影响这个方法的发展。

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