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酶制剂在水产饲料中的应用及研究进展

酶制剂在水产饲料中的应用及研究进展

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摘要:随着养殖业的发展,对饲料行业的要求也越来越高,饲料资源呈现出紧缺的趋势。饲用酶制剂作为高效,安全,环保添加剂在饲料行业中的应用也越来越重要。本文综述了饲用酶制剂的分类、作用机理、现阶段存在的问题,并展望了饲用酶制剂在水产饲料中的应用前景,为以后饲用酶制剂的研究做参考。 养殖业的发展对饲料行业提出了更高的要求,饲料资源也呈现出日益紧缺的趋势。一方面,如何开发新的饲料资源;另一方面,如何提高现有
摘 要:随着养殖业的发展,对饲料行业的要求也越来越高,饲料资源呈现出紧缺的趋势。饲用酶制剂作为高效,安全,环保添加剂在饲料行业中的应用也越来越重要。本文综述了饲用酶制剂的分类、作用机理、现阶段存在的问题,并展望了饲用酶制剂在水产饲料中的应用前景,为以后饲用酶制剂的研究做参考。
 
养殖业的发展对饲料行业提出了更高的要求,饲料资源也呈现出日益紧缺的趋势。一方面,如何开发新的饲料资源;另一方面,如何提高现有资源的利用率,是饲料行业所面临的重大问题。利用发酵工程和基因工程等生物技术手段研发出的酶制剂,能够提高饲料的利用率,在一定程度上缓解饲料资源紧缺的状况。近年来,生物技术的发展带动着酶制剂快速发展。饲用酶制剂是从生物中提取的具有酶特性的一类物质,主要是从动物、植物、微生物中提取,其中微生物提取酶制剂较为广泛。酶制剂具有高效、安全、环保等特点,在饲料工业中受到越来越多的重视。
 
1· 酶制剂的种类和作用效果
 
饲用酶制剂的种类多样。按照动物自身能否合成来分类,可分为消化酶和非消化酶[1]。其中,消化酶包括蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等,动物体内能够合成这类酶,但因某种原因需要强化和补充。非消化酶包括植酸酶、木聚糖酶等,动物自身不能合成,这类酶大多来源于微生物,能消化动物自身不能消化的物质或降解一些抗营养因子。按照酶制剂的类型来分,可分为单一酶制剂和复合酶制剂。单一酶制剂如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、β-甘露聚糖酶、β-葡聚糖酶和植酸酶等。复合酶制剂由一种或几种单一酶制剂为主体,加上其他单一酶制剂混合而成,或者由一种或几种微生物发酵获得。
 
1.1 单一酶制剂
 
1.1.1 植酸酶
植酸酶是催化植酸及植酸盐水解成肌醇与磷酸(或磷酸盐)的一类酶的总称。植酸酶可提高动物对植酸磷的利用率,降低磷的排泄。宝石鲈饲料中添加1 000 UFA/kg植酸酶对鱼体消化酶有增强作用,对磷的保留率增大,排放率减少[2]。牛纪锋等[3]在大口黑鲈配合饲料中添加1 000 U/kg植酸酶,能有效提高大口黑鲈对蛋白质、干物质、植酸磷和总磷的利用率。在花鲈饲料中添加中性植酸酶,提高了饲料中磷的利用率,减少磷排放量[4]。饲料中植酸酶的添加可减少饲料中磷的添加量,降低饲料成本,提高饲料中磷的利用率,提高增重率[5]。在牙鲆饲料中直接添加植酸酶,显著提高了牙鲆的特定生长率(P<0.01)、氮贮积率(P<0.05)、磷贮积率(P<0.01), 降低了氮排放率(P<0.05)和磷排放率(P<0.01), 但饲料效率和蛋白质效率没有显著变化(P>0.05),而添加用植酸酶预处理的豆粕,降低了植酸含量,提高牙鲆特定生长率、饲料效率、蛋白质效率和氮贮积率,显著降低了氮、磷和钙的排放量[6]。此外,在尼罗罗非鱼[7]、异育银鲫[8]、青鱼[9]、斑点叉尾鮰[10]、鲤鱼[11]等饲料中均有关于植酸酶的研究应用的报道。针对动物体消化系统的特异性,植酸酶有酸性植酸酶和中性植酸酶两种。酸性植酸酶主要作用于畜禽类和有胃水产动物,而对于无胃或是消化道偏中性的水产动物则用中性植酸酶。所以针对不同的养殖对象采用相应的植酸酶。
 
1.1.2 非淀粉多糖酶
非淀粉多糖包括阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖、甘露聚糖、果胶、纤维素、几丁质和木聚糖等[12]。非淀粉多糖是存在于植物性饲料中的主要抗营养因子,不被消化酶所降解,遇水形成胶态溶液,使食糜黏度增大,阻碍营养物质的消化吸收。非淀粉多糖在非淀粉多糖酶的作用下大部分被水解, 肠道中黏度随之下降,抗营养作用也相应降低。在奥尼罗非鱼[13]饲料中添加0.02%和0.04%的非淀粉多糖酶会显著提高鱼体特定生长率,降低饵料系数(P<0.05)。陈京华(2009)[14]在对牙鲆的研究中发现,在豆粕替代45%鱼粉的饲料中添加0.2%非淀粉多糖酶,鱼体特定生长率、饲料效率与全鱼粉组均无显著差异(P>0.05);同时,添加0.2%非淀粉多糖酶组较不添加非淀粉多糖酶组的肝、肠的消化酶活性有显著升高(P<0.05)。饲料中添加非淀粉多糖酶对大黄鱼特定生长率和胃、肠道淀粉酶活性均有显著提高(P<0.05)[15]。
 
1.1.3 蛋白酶
蛋白酶可促进动物体对蛋白质的消化。在奥尼罗非鱼饲料中添加0.1%金属蛋白酶能显著提高罗非鱼的生长性能和血清SOD活力[16]。在鲤鱼饲料中添加蛋白酶AG 175 mg/kg增加了肠道消化酶活性,低鱼粉饲料中添加蛋白酶有助于改善鲤鱼生长性能和提高肠道食糜蛋白酶活力[17-18]。在正常鱼粉含量的凡纳滨对虾饲料中添加蛋白酶AG 175 mg/kg,对增重率没有显著的提高,但在低鱼粉组中添加蛋白酶,则显著提高了虾体增重率(P<0.05)[19]。谭崇桂等(2013)在鱼粉含量为23%的凡纳滨对虾饲料中添加蛋白酶PT 175 mg/kg;提高了虾体增重率11.25%(P<0.05),降低饲料系数0.09(P<0.05)[20]。在鱼粉含量为28%的虹鳟饲料中添加蛋白酶PT 175 mg/kg,提高了鱼体增重率9.42%,降低了饲料系数7.8%;同时,增加胃与肠的蛋白酶活性及肠道皱襞高度和面积[21]。蜘蛛酶是蜘蛛消化道内的共生微生物所分泌的一种高活性的金属蛋白酶,在凡纳滨对虾饲料中添加0.10%、0.15%蜘蛛酶,成活率可分别提高8.34%、7.34%(P<0.05),饲料系数分别降低0.05、0.17(P<0.05)[22]。在青鱼[23]饲料中添加0.1%中性蛋白酶(8 000 U/g),提高鱼体增重率;添加0.2%、0.3%中性蛋白酶,提高了摄食量和蛋白质消化率,但对干物质消化率和消化酶活性没有显著影响。蛋白酶的使用一定要与基础配方相适应,必要时考虑其他酶制剂的综合应用能取得更好的作用效果。
 
1.1.4 脂肪酶
在饲料中增加脂肪的含量,会产生对蛋白质的节约效应,提高蛋白质效率,促进动物生长[24-25]。脂肪酶功能是将脂肪水解为甘油一酯、甘油二酯和游离脂肪酸,是动物体内的一种重要消化酶。目前对脂肪酶的研究还不多,因其多样性和稳定性较差、底物不溶于水、生产成本较高等原因,有关脂肪酶在水产饲料中的研究很少。谷金皇等[26]在瓦氏黄颡鱼饲料中添加300 mg/kg 的脂肪酶,提高了鱼体增重率 9.29%(P<0.05),降低了饲料系数6.35%(P<0.05)。在南方鲇鱼饲料中添加100 mg/kg和300 mg/kg脂肪酶,增重率也提高了4.0%和5.8%,饲料系数降低了5.0%和6.6%;同时增加了粗脂肪的消化率和蛋白质效率(P<0.05)[27]。
 
1.1.5 淀粉酶
淀粉酶的主要作用是促进淀粉的分解消化,与内源淀粉酶相互协同。饲料中添加淀粉酶后提高了肠道中淀粉酶的活性,淀粉酶活性的提高是外源酶和内源酶的叠加效应[28]。黄燕华等(2009)[29]在凡纳滨对虾饲料中添加150 mg/kg的淀粉酶,对增重率、特定生长率、饵料系数均无显著影响(P>0.05)。总体来看,单一淀粉酶在水产饲料上的应用报道很少,通常是作为复合酶制剂的一种成分而应用。
 
1.2 复合酶制剂
 
在饲料中添加一定比例的复合酶制剂,能有效改善动物对饲料中的纤维素、半纤维素、果胶等植物细胞壁材料的消化和吸收,改善对蛋白质和淀粉等的利用,从而提高动物的增重和饲料利用率。钟国防等(2012)在饲料中添加0.05%和0.075%的复合酶制剂(淀粉酶、纤维素分解酶、蛋白酶为主),提高了暗纹东方鲀的干物质和蛋白质表观消化率(P<0.05)[30];在尼罗罗非鱼饲料中添加0.10%、0.15%复合酶制剂(包括淀粉酶、纤维素分解酶、蛋白酶),提高了鱼体增重率和蛋白质效率,降低了饲料系数(P<0.05),肝胰脏的SOD、LSZ活性也有显著提高(P<0.05)[31]。周金敏等(2012)在粗蛋白含量30%和28.5%的草鱼幼鱼饲料中分别添加复合酶制剂100~300 g/(t以蛋白酶、木聚糖酶、纤维素酶为主),提高了饲料效率和特定生长率[32]。王纪亭等[33]将木聚糖酶、β-葡聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶为主的复合酶制剂添加到草鱼饲料中,显著提高了草鱼增重率和干物质、粗蛋白质、粗脂肪及粗纤维的表观消化率(P<0.05),并提高了白细胞吞噬活性和血清杀菌能力(P<0.01)。张满隆等(2002)[34]、王辅臣等(2011)[35]、周金敏等(2010)[36]等关于草鱼饲料中补充复合酶制剂的研究中均表明复合酶能促进草鱼生长,降低饲料系数。在异育银鲫[37-38]、彭泽鲫[39]、黄颡鱼[40]中均有类似报道。
 
2 ·酶制剂的作用机理
 
酶可以消化原来受细胞壁结构包裹的营养物质,增加饲料中多聚糖、油脂和蛋白质等的利用率。其次,酶制剂可以降解影响营养物质消化、吸收和利用的抗营养因子,主要降解谷物细胞壁中的碳水化合物部分,如不能被消化酶消化的β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖。在幼龄动物中应用酶制剂,主要是弥补其自身消化酶分泌的不足[41]。
 
2.1 消除抗营养因子
麦类饲料中含有大量的可溶性非淀粉多糖,进入消化道后会产生黏性,使消化液不易接触饲料,降低饲料消化利用率。若添加一些非淀粉多糖酶,如β-葡聚糖酶、木聚糖酶、纤维素酶等,则可分解非淀粉多糖,减小黏性。酶制剂还可破坏植物细胞壁,消除蛋白类抗营养因子,如胰蛋白酶抑制剂和植物凝集素等。植酸酶还可消除植酸的抗营养作用。Rodehutscord等[42]认为,在磷的需求被满足之前鱼体吸收的所有磷都会在体内累积,不会影响可溶性磷的排泄,植酸酶加入后可提高对饲料原料中磷的利用率,增加饲料中磷的可利用性。张春晓等(2008)[43]在大黄鱼饲料中添加非淀粉多糖酶复合酶制剂,显著降低了鱼体氨氮排泄率(P<0.05),添加植酸酶则增加了可溶性磷的排泄率。非淀粉多糖酶作用于相应底物,使食糜黏度降低,减少养分扩散的阻碍作用,从而提高了养分的消化率和吸收率。
 
2.2 对肠道消化酶和结构的作用
酶制剂对消化器官和消化道的酶活也有影响。饲料中添加非淀粉多糖酶,可使奥尼罗非鱼肝胰脏、胃、肠道蛋白酶活性升高[44];日粮中添加以葡聚糖酶为主的外源酶后, 异育银鲫中肠食糜及组织中蛋白酶、淀粉酶活性均显著提高(P<0.05)[45]。消化酶活性的增加促进了鱼类对营养物质的分解和消化吸收,从而加速其生长。
 
2.3 提高免疫功能
添加酶制剂改善了动物体生长性能,体质增强,其抗病能力也增强。饲料中添加金属蛋白酶,在改善罗非鱼生长的同时,血清SOD、溶菌酶活力也显著上升[16]。
 
2.4 在饲料加工过程中的作用
传统的观点认为,酶在进入动物消化道后才开始发挥作用,但在生产中,一些酶制剂在调质、制粒、后熟化后,其活性已大部消失,但饲养试验的效果却不错,这提醒我们,酶的作用不只局限在动物体内,而在饲料加工的系列过程中就开始发挥作用了。李玉珍等(2008)[46]研究表明,2709碱性蛋白酶在70 ℃预处理10 min,蛋白酶的水解作用得到极大提高。柴仙琦(2013)研究表明,饲料中添加蛋白酶PT,在制粒和熟化过程中,蛋白酶已经发挥了水解蛋白质的作用,蛋白酶经过制粒和后熟化过程后,酶活性仍能保留70%[47]。
综上,在饲料中添加酶制剂,可消除抗营养因子,增加内源酶活力,对动物的生长、消化吸收、抗病免疫都有改善和增强作用。
 
3· 存在的问题及展望
 
酶制剂的生产属于发酵工业,其主要用于生产工业酶制剂。存在的主要问题有:一是现有工业酶制剂的测定方法不能完全适用于饲用酶制剂,不同的企业有不同的测酶标准,在养殖业中很难确定一个统一的测定酶活性的方法,导致酶的特性难以确定,对酶的使用发挥不了最佳效果;二是饲用酶制剂在制粒加工过程中,高温、高湿会对酶活性产生破坏,这对使用酶制剂产生很大限制,可通过制粒后喷涂添加的工艺予以解决,或选用耐高温酶制剂。另外,酶制剂的使用一定要有针对性,动物的种类、年龄、生理阶段、饲料组成均会影响酶制剂的作用效果。
 
今后,应该加大科技投入,综合发酵、生物技术和饲料营养方面的特点和需求,研制出适合于饲料原料和市场特点的饲用酶制剂新产品,以推动饲用酶制剂的生产和广泛应用;制订适合饲用酶制剂检测方法的标准,规范饲用酶制剂生物学评价试验方法;开发耐高温的酶制剂。在酶制剂的使用方面,要针对不同的饲料和对象,使用不同的酶制剂。如在消化系统还未发育健全的动物饲料中应使用消化性的酶制剂来补充酶的不足;在低黏度日粮中应使用木聚糖酶和果胶酶等;在高黏度日粮中应使用β-葡聚糖和木聚糖酶;高纤维日粮中应使用纤维素酶等。
 
随着社会的发展,对动物产品和饲料的安全性提出了越来越高的要求,酶制剂将成为养殖业和饲料工业中的不可缺少的内容而具有广阔的应用前景。