生物饲料科技研究与应用

生物饲料科技研究与应用

蔡辉益1 张 姝1 邓雪娟2 刘国华1 常文环1 闫海洁1

(1.中国农业科学院饲料研究所，北京 100081；2.生物饲料开发国家工程研究中心，北京

100081)

摘 要：生物饲料科技是目前全世界研究开发的热点，是生产绿色、有机等高端畜产品的主要手段，对开发我国饲料资源、保障饲料和畜产品安全、促进防污减排、解决环保问题等诸多方面都显示了极大前景，具有重大战略意义。本文综述了生物饲料领域中重点产品生产与应用技术的研究进展和未来发展趋势，并结合我国生物饲料发展现状和存在问题，总结提出了生物饲料生产与应用技术未来的研究重点，为生物饲料的未来发展指明了方向。 关键词：生物饲料；应用技术；生产性能；未来趋势

中图分类号：S816 文献标识码：A 文章编号：

生物饲料是目前世界上研究和开发的热点，就保障我国饲料资源、饲料和畜产品安全，促进减排、降低环境污染等诸多方面都显示了极大前景，发展生物饲料具有重大战略意义。国外生物饲料研究从20世纪80年代起步，真正发展起来是在20世纪90年代。我国相应的研究也就不过近几年时间。国外生物活性饲料添加剂的研究进展迅速，总体水平高于国内，尤其在饲用生物活性添加剂的生理生化研究方面已较深入。而我国生物饲料的研究除少数传统发酵产品外，普遍存在生产技术水不够完善、品种少、应用技术不配套等问题。然而，目前我国生物饲料无论是研究还是实际应用都呈现出快速、高效的态势。现代生物技术的大量应用，在酶制剂的发酵菌种基因改良提升、发酵工艺和水平等方面已经赶上甚至部分领域超过发达国家的相应水平，如耐高温植酸酶裸酶生产技术、高比活葡萄糖氧化酶生产技术等都已经走在世界前列。在抗生素替代品益生素、益生元和天然植物提取物等方面也是如火如荼，取得了很好的成绩。随着全社会对畜产品安全关注的进一步提升，发酵饲料原料，甚至是全价饲料发酵的研究与应用成为行业发展的大趋势。然而，诸如益生素的应用技术、抗菌肽的生产应用技术等还存在许多问题，为此，本文就我国主要生物饲料产品技术的研发与应用进行了综述。

1 生物饲料的定义及种类

2013年11月生物饲料开发国家工程研究中心专家委员会对生物饲料的定义为：生物饲料是指以饲料和饲料添加剂为对象，以基因工程、蛋白质工程、发酵工程等现代生物技术为手段，利用微生物工程发酵开发的新型饲料资源和饲料添加剂的总称。生物饲料种类主要包括饲用酶制剂、微生物饲料添加剂、功能性蛋白肽、功能性氨基酸、有机微量元素、植物与微生物提取物、益生元、发酵和酶解饲料以及其他生物技术相关产品。 2 饲用酶制剂

2.1 我国目前允许使用的单酶品种

我国目前允许使用的单酶品种包括植酸酶、蛋白酶、木聚糖酶、β-甘露聚糖酶、α-半乳糖苷酶、β-葡聚糖酶、葡萄糖氧化酶、淀粉酶、支链淀粉酶、脂肪酶、麦芽糖酶、果胶酶、纤维素酶13种。

2.2 酶制剂在畜禽生产中的应用

在改善畜禽生产性能方面：综合近年研究结果表明，无论是在仔猪、育肥猪，还是在肉鸡、蛋鸡以及反刍动物（育肥肉牛、羔羊、奶牛等）饲粮中添加包括植酸酶、半乳糖苷酶、甘露聚糖酶、葡聚糖酶、木聚糖酶、葡萄糖氧化酶等单酶都产生了正向效果，表现为提高了动物平均日采食量、平均日增重、产蛋率，改善了饲料转化率[1-6]。

在改变畜产品成分方面：植福华[7]报道，在泌乳前期奶牛饲粮中添加外源非淀粉多糖酶制剂，促进了奶牛泌乳和改善了乳成分。 2.3 饲用酶制剂综合使用效果排名

根据生物饲料开发国家工程技术中心利用单胃动物仿生系统在乳仔猪动物的试验结果，单酶使用效果排名依次为：葡萄糖氧化酶、植酸酶、半乳糖苷酶、甘露聚糖酶、葡聚糖酶、木聚糖酶；单酶性价比排名依次为：植酸酶、甘露聚糖酶、半乳糖苷酶、葡萄糖氧化酶、葡聚糖酶、木聚糖酶。

2.4 新型饲用酶制剂研究与应用

目前，新型饲用酶制剂研发重点首先集中在耐高温酶、耐低温酶和高比活酶等方面，其次是复合酶制剂的研发和应用技术，再次是淬灭酶（N-酰化高丝氨酸内酯酶）、葡萄糖氧化酶等几种新型酶制剂的生产技术和应用方法。 2.4.1 淬灭酶

淬灭酶是由中国农业科学院饲料研究所近来新研制的一种酶制剂，它可以群体感应调控微生物各种基因表达，协助病原菌感染和定植，调控毒力因子的产生和作用，介导病原菌的免疫能力和耐药性[8-9]。张志刚等[10]试验结果表明，淬灭酶可提高乳仔猪日增重8.57%，降低料重比8.24%；在肉鸡生产实践中淬灭酶可以降低肉鸡料重比3.65%，明显提高肉鸡经济效益。 2.4.2 葡萄糖氧化酶

葡萄糖氧化酶是中国农业科学院饲料研究所研制的又一杰作，因其特殊性成为目前市场上再次关注的热点。它具有抗氧化、抑菌、保鲜、提高消化酶活性、降解霉菌毒素、保护肝脏等多种功效，是继植酸酶后又一革命性的新型酶制剂。其酶活性定义为：37 ℃、pH 5.5条件下，每分钟形成1 μmol过氧化氢的酶量为1个单位。其特点是：当pH为4.0~7.0，酶活性≥40%；当温度为25~50 ℃，酶活性≥85%。其作用机制是：

C6H12O6+O2=C6H12O7+H2O2。目前市场葡萄糖氧化酶活性有500、1 000、3 000 U/g等规格。杨久仙等[11]报道，葡萄糖氧化酶可以降低仔猪胃中食糜的pH。汤海鸥等[12]试验结果表明，保育仔猪饲粮添加葡萄糖氧化酶，日增重提高12.06%，料重比降低3.56%，采食量提高7.97%，腹泻率降低44.80%。张宏宇等[13]报道，断奶仔猪饲粮中添加200 mg/kg的葡萄糖氧化酶可显著提高断奶仔猪的生长性能以及养殖经济效益。 2.5 酶制剂作用机理

除了已经明确的机制，如降低肠道食糜黏度、提高养分消化率、减少畜禽后肠道有害微生物的繁殖、改变肠壁结构、提高养分吸收能力等之外，最近的研究还表明，肠道中的pH环境可能影响植酸酶的活性。然而，Martinz等[14]研究表明，饲粮中丁酸与植酸酶的效

果发挥没有联合效应。Sindt等[15]报道，植酸酶剂量与青年公鸡的生长速率和表观氮校正代谢能(AMEn）具有正相关关系，但在后期该效果减弱。Evans等[16]试验结果表明，酶制剂的添加对不含肉粉和肉骨粉的饲粮作用效果更好。此外，研究人员证实，蛋白质、钙、磷和钠离子水平的降低将显著降低饲料转化效率和骨矿化效果，而植酸酶和木聚糖酶的添加则可以消除该副作用[17]。 2.6 复合酶的应用技术 2.6.1 饲用复合酶制剂的设计

常见复合酶的酶谱由6~9种主要单酶组成（表1）。

表1 常见复合酶的酶谱（添加量：500~1 000 g/t）

Table 1 The formula of common enzyme complex （dosage：500 to 1 000 g/t） U/g

项目 蛋白酶 淀粉酶 β-甘露聚糖酶 α-半乳糖苷酶 木聚糖酶 葡萄糖氧化酶 Item Protease Amylase β-mannase α-galactosidase Xylanase Glucose oxidase 活性 Activity 9 000 10 000 1 500 150 10 000 80 2.6.2 使用复合酶后饲料配方调整技术

乳仔猪饲粮应用复合酶后，配方师可以考虑去皮豆粕或膨化大豆降低3%~5%，鱼粉降低1%~2%，膨化玉米降低3%~5%，抗生素可以降至国家允许使用的范围内，酸化剂降低1%~3%，氧化锌降低1 kg/t。 2.6.3 复合酶制剂的应用效果

综合近年研究结果表明，复合酶应用多数集中在仔猪、育肥猪、肉鸡、蛋鸡、肉鸭、鹅等单胃动物，研究结果都产生了正向效果。表现出提高了动物平均日增重、产蛋率，改善了饲料转化率。同时根据仿生系统评估结果表明，乳仔猪复合酶的应用可以使豆粕利用率提高8.32%；玉米利用率提高6.47%。多数试验结果表明，复合酶应用可以降低200 kJ能量，相当于5 kg油脂；降低蛋白质1%~2%，相当于23 kg蛋白质含量43%的豆粕[18-19]。

在复合酶制剂中单酶互作效应方面，Yan等[20]在小麦-干酒糟及其可溶物型肉鸡饲粮中添加复合酶（1 000 U/g木聚糖酶、75 U/g β-葡聚糖酶和12.5 U/g α-半乳糖苷酶）显著降低消化道食物的黏度26%，明显改善饲料转化效率，但3种酶之间没有互作效应。Gareis等[21]指出，复合酶制剂与饲粮能量间存在互作效应。此外，有研究证实，复合酶的发挥效果与饲粮类型和底物浓度有关[22]。 2.6.4 影响酶制剂应用的因素

要使复合酶制剂的作用充分发挥，除了考虑目标动物、生理阶段、饲粮类型等因素外，更重要的是考虑饲料生产加工工艺。在生产实践中，粉料中使用酶制剂效果较颗粒料显著。这主要因为酶制剂对温度比较敏感。如果制粒温度超过85 ℃，应采用制粒后液体酶制剂喷涂技术，可避免高温蒸汽对酶活性的不利影响。目前，国内科学家利用菌种转基因技术生产出一种植酸酶，真正解决了酶制剂耐高温问题，这种无需包被的裸酶具有极大发展潜力。

2.7 酶制剂生产与应用技术发展趋势 2.7.1 生产技术方面

酶制剂生产技术包括以下几项。1）酶表达的基因遗传设计技术。应用组建蛋白质结构的新方法能获得自然界并不存在的具有全新结构和功能的蛋白质。在确定设计目标和初始序列后，经过结构预测和建模，对序列进行初步修改，然后进行酶基因表达或多肽合成，再经过结构功能检测结果指导修改原先设计。2）酶表达基因的修饰技术。多位点定点突变技术：定点突变是蛋白质工程中采用的重要技术之一，但以往一般每次只能引入单点突变，突变效率较低，所以多点突变技术成为研究热点。酶定向进化技术：其利用的主要原理有基因嵌合酶、易错PCR及DNA体外随机拼接技术。利用酶的定向进化技术对酶基因进行遗传修饰，可能获得具有特殊性能的突变酶及突变菌株。3）目标酶性质优秀基因的克隆和表达。随着越来越多的物种基因组的物理图谱和DNA测序的完成、DNA重组技术的完善以及各种蛋白质结构和功能关系数据的积累，人们在很大程度上能突破天然酶缺陷的

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