【欧耐施生物推荐】蛋白酶在动物饲料中的应用

来源:国外畜牧学-猪与禽    作者:唐彩琰 译    人气:    发布时间:2021-01-04    
蛋白酶在动物饲料中的应用
 

唐彩琰 译 

摘要:蛋白质水解产物的应用已有悠久的历史,其可以通过化学水解、微生物水解或酶促水解获得。文章介绍了饲料中蛋白酶的主要用途以及酶促反应促进动物蛋白和植物蛋白水解的作用。

关键词:蛋白酶;饲料;水解  

 
 
 
 
1  动物饲料中的蛋白酶
 
日粮蛋白质的消化是动物营养上的一个重要的原动力,因为蛋白质和氨基酸是最昂贵的营养物质之一。除了内源性蛋白酶在动物机体的所有代谢过程中发挥重要作用外,外源性蛋白酶在动物营养中也有两个重要的用途:(1) 用于食品原料或饲料原料的加工,如蛋白质水解产物;(2) 外源性蛋白酶直接被用作饲料添加剂或直接用于成品饲料的加工。

准确了解饲料原料中氨基酸的消化率和动物的营养需求对配制添加了蛋白酶的日粮很重要。动物要获得最佳的生产性能,至关重要的是要给其饲喂能够满足营养需求的日粮蛋白质和氨基酸。然而,日粮含有过高水平的蛋白质会影响动物的肠道健康和家禽舍垫料的质量。另一个重要的问题是通过动物粪便大量排出的氮会造成环境污染。在饲料中添加外源性蛋白酶可以作为降低日粮蛋白质水平以确保动物拥有较高水平生产性能的一个有效措施。

 
 
 
 
2  蛋白酶在动物饲料中蛋白质水解产物加工上的应用
 

在动物营养上,蛋白质水解产物的应用已有悠久的历史,这些物质可能来自动物或植物。水产动物蛋白、动物副产品(如组织或血液)、乳汁中的乳清以及大豆和小麦等植物的蛋白质水解产物可被用于不同的饲料,特别是幼龄动物和快速生长动物的饲料。

表1列出了可用于生产蛋白质水解产物的蛋白酶。这些酶来自动物、植物或微生物,可以单独使用,也可以与其他酶联合使用。

蛋白酶-表1.jpg

蛋白质水解产物可以通过化学水解、微生物水解或酶促水解获得。在对被用作饲料原料的动物副产品或植物原料进行加工时通常会用酶水解蛋白质。酶促水解通常比较温和且具有特异性,所用的酶在水解结束后可以很方便地通过热处理失去活性。然而,与化学水解相比,在对某些蛋白质进行水解加工上,酶促水解可能存在成本高以及水解效率会受蛋白质底物中的酶抑制剂影响的问题。例如,每年生产出的鱼类加工副产品虽然数量巨大,但需投入巨资处理由此产生的废弃物。由于反应条件温和以及生成的产品质量和功能上乘,酶促水解在实验室显示出良好的应用优势,但由于成本高于化学水解,目前无法在工业化生产中广泛应用。

酶促水解在温和的条件(例如,pH 6~8和温度30 ℃~60 ℃的环境中)下进行,并能将副反应降至最低。蛋白质的肽键能被许多不同种类的蛋白酶(外肽酶和内肽酶单独或联合使用)分解。选择哪一类酶取决于蛋白质的来源和期望达到的水解程度。蛋白质水解产生的较小肽或较大肽都可被用于饲喂动物等。对动物而言上,这些肽既具有营养的功能,也具有生理功能或调节功能。由植物蛋白或动物蛋白产生的一些肽还具有抗菌、抗氧化、抗高血压和免疫调节的功能。除了具有营养价值外,一些肽还具有生物学功能,它们常被称为生物活性肽。人们可以选择性地分馏蛋白质水解产物,以分离特定肽或去除不需要的肽。 

植物蛋白和动物蛋白质水解产生的肽可用于猪、家禽、水产和伴侣动物的日粮,能够改善动物的肠道健康、生长速度和生产性能,且具有成本效益。植物蛋白质水解产物在动物饲料中越来越重要。

蛋白质在幼龄动物的生长发育上起着至关重要的作用。用酶消化技术加工屠宰场副产品(如家禽的组织、猪血和酶促水解羽毛)可提高这些副产品在仔猪上的营养价值,使它们可与鱼粉、喷雾干燥动物血细胞和喷雾干燥血浆蛋白质等优质蛋白质成分媲美,从而可以为饲料配方提供一种新的选择。

在水产养殖中,植物蛋白水解产物可以部分甚至几乎全部替代鱼粉。由于世界范围内缺乏鱼粉,植物蛋白水解产物替代鱼粉显得极为重要。水解大豆蛋白质产品可以替代犊牛生长中常用的脱脂奶粉。

一些蛋白质(如大豆中的胰蛋白酶水解产物)水解后会产生苦味,并且可能需要进行其他处理以减少苦味。

应用美拉德反应和通过使用酶促蛋白质水解产物生成特殊的风味增强剂来改善饲料风味的技术可以为宠物食品行业提供经济有效的解决方案。此外,蛋白质水解产物可提供800 Da~1500 Da的肽,由于这些肽分子极小,因此能够防止伴侣动物出现过敏反应。

利用从屠宰场或鱼类加工厂的副产品中获得的以及从植物原料中提取的蛋白质水解产物在有效循环利用营养物质和可持续利用资源的环境方面非常重要,否则这些副产品和饲料原料不会被用于动物饲料。然而,有时出于不同的原因,所在地的政策法规不允许将某些动物副产品用于动物生产。

底物可能有很大差异,例如,对于各种鱼类加工底物,业已经证明化学组成和适口性(对狗而言)会受底物组成的影响。

Pedersen等证明了四种不同的角蛋白酶在水解鸡毛上的效果。

Nchienzia等证明了用不同品牌的商用蛋白酶水解家禽副产品的可行性。这些研究人员认为,该研究结果对口味增强剂(palatants)的制作具有重要意义,其中相对便宜的水解禽肉粉可用于改善伴侣动物食品的风味。

Coll等证明,用来自地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)的进行了光标记的蛋白酶处理肉粉和骨粉以提高溶解度并灭活朊病毒在技术上是可行的。然而,与骨骼相比,软组织颗粒对酶输注的抵抗力更强。

 
 
 
 
3  蛋白酶在动物饲料中的应用
 

饲料蛋白质消化由消化道内的内源性蛋白水解酶系统完成,包括胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶、氨肽酶和羧肽酶等。

动物不能完全消化和吸收日粮中的蛋白质和氨基酸。未消化的组分可以作为单胃动物后肠微生物的发酵底物,但会导致单胃动物消化紊乱。肉鸡回肠和排泄物消化率之间的差异表明,后肠菌群对氨基酸的代谢作用可能相当重要。

饲料中添加外源性饲用蛋白酶可以通过提高日粮蛋白质的溶解性和水解作用进一步提高原料的蛋白质消化率,减少后肠不良发酵所需的底物。

Caine等在体外试验中研究了用枯草芽孢杆菌蛋白酶预处理豆粕对可溶性粗蛋白和大豆胰蛋白酶抑制剂的影响,结果显示可溶性粗蛋白显著增加,在某些情况下大豆胰蛋白酶抑制剂减少。

外源性饲用蛋白酶在体外能明显降解全大豆的蛋白质贮存液泡。蛋白质降解直观可见,因为蛋白质贮存液泡出现了洞。测定蛋白质和氨基酸消化率的方法是否也是测定外源性蛋白酶有效性的最佳方法目前尚不清楚。蛋白酶在饲料中的应用在一定程度上还没有定论。蛋白酶对蛋白质和氨基酸消化率的积极影响可以在不同动物上进行的大量试验中得到证实,但也有一定数量的试验显示,蛋白酶对这些参数没有有益影响。这些结果可能取决于特定的试验条件,如试验所用蛋白酶来源、试验持续时间、蛋白酶补充水平、动物年龄、基础日粮组成或试验参数和方法等。内源性蛋白酶与饲料中添加的外源性蛋白酶的相互作用及其对代谢的调节也可能是一个因素。

一般来说,动物机体会精密地调节内源性蛋白酶的活性,因为这些酶在错误的部位产生活性可能会消化自身组织或可能激活炎症途径。胰腺能根据日粮组成调节其酶的分泌。Pavlov首次观察到这一现象,后来在采用更复杂技术的几项研究中得到广泛证实。动物适应了富含某种特定营养物质的日粮后,这种营养物质在动物消化道中的水平会升高,随后胰腺中相应酶的水平会迅速增加。这些适应措施完全是凭直觉获知的,表明消化过程受到精密的调节,以避免过度生产消化液。外源性蛋白酶可以弥补饲料成分和动物消化酶补体之间的缺口。饲料中添加外源性蛋白酶可以通过减少内源性酶的分泌节省维持能量,而不一定要通过提高消化率来改善生产性能。

进一步评估蛋白酶在动物营养中最佳条件的研究,有助于在不同动物物种中进行功效研究、在不同蛋白酶之间进行功效研究以及将结果转化为实际的饲料配方,建议建立一个基础设置。最近发表的关于外源性蛋白酶的文章主要关注的是添加外源性蛋白酶后动物的胃肠道健康、肠道形态,或在挑战条件下的添加效果,结果表明外源性蛋白酶具有积极的效果。

 
 
 
 
4  蛋白酶在家禽生产中的应用
 

家禽蛋白质和氨基酸营养是近几十年来家禽研究中最突出的领域之一。

直到最近几年,才有文献记载许多研究评估了蛋白酶、碳水化合物酶和其他酶的组合使用效果,这些研究结果显示酶的组合使用对动物(主要是肉鸡和火鸡,还有部分其他家禽品种)生长性能、能量或蛋白质利用率有积极影响。在实际情况下,需根据基础日粮的组成和配方目标,合理添加各种酶混合物(例如植酸酶、木聚糖酶和蛋白酶)。必须指出的是,单一酶的效应遵循渐进曲线,因此不能100%相加。然而,由于无法区分单一酶的作用,我们不再进一步介绍或讨论那些关于酶混合物的文章。

多年前发表的研究结果表明,两种真菌蛋白酶单独使用或组合使用对饲喂蛋白质限制性日粮肉鸡的增重和饲料转化率(Feed Conversion Ratio,FCR)有益处。饲喂添加蛋白酶日粮的肉鸡与饲喂标准日粮的肉鸡相比,生长性能几乎相同。在进行的研究中没有观察到蛋白酶对氮平衡的直接影响。由于各种原因,这些早期的酶产品并未投入到生产中使用。

不同研究评价了蛋白酶对豆粕营养价值的影响。Marsman分别评估了蛋白酶和碳水化合物酶单独使用以及组合使用对豆粕的作用效果。研究发现,与未经酶处理的豆粕相比,经酶处理后,豆粕中粗蛋白和非淀粉多糖的回肠表观消化率(Apparent Ileal Digestibility,AID)提高了(分别为83.7%对85.2%和14.5%对20.6%),但豆粕经酶处理后并没有提高雏鸡的生长性能。

Ghazi等评估了用芽孢杆菌蛋白酶(P1)和曲霉菌蛋白酶(P2)预处理豆粕的效果。饲喂用曲霉菌蛋白酶处理豆粕后雏鸡的生产性能得到了改善,饲喂预处理的豆粕的雏鸡比饲喂未处理豆粕的雏鸡具有更高采食量和体重。蛋白酶P1和P2都能显著降低雏鸡血清中的抗大豆蛋白抗体,而蛋白酶P2提高了整个消化道的氮回肠表观消化率和氮表观保留率。

两项胃管饲喂试验证实,在试验1所用的预处理豆粕中,只有经蛋白酶P2处理的豆粕氮表观消化率和真代谢能(True Metabolizable Energy,TME)提高了。Ghazi等在用胃管饲喂公鸡或肉鸡的进一步试验中发现,两种黑曲霉蛋白酶(P2和P3)都可以改善豆粕的TME和氮真消化率,而芽孢杆菌蛋白酶(P1)对这些参数的影响很小。与豆粕的预处理相比,在日粮中简单地添加蛋白酶也具有类似的效果。

Thacker比较了以小麦和玉米为能量来源,在肉鸡日粮中添加蛋白酶的效果。酶处理对肉鸡体重无明显影响,但饲喂蛋白酶的肉鸡饲料转化率得到了改善。饲喂小麦型日粮的鸡对干物质和能量的消化率显著高于饲喂玉米型日粮的鸡。氮保留率不受所选谷物种类的影响。补充酶对干物质消化率、能量消化率和氮保留率无明显影响。

地衣芽孢杆菌角蛋白酶改善了饲喂低蛋白或高蛋白日粮的21日龄肉鸡的体重(试验1)和FCR(试验2)。

Wang等进行了一项肉鸡试验,根据行业标准,以低(95%)、中(100%)或高(105%)粗蛋白和氨基酸水平配制不同的日粮。添加地衣芽孢杆菌角蛋白酶的日粮可以改善肉鸡的体重和FCR,在低蛋白质和氨基酸水平下这种改善最明显。中、高蛋白质和氨基酸水平对提高肉鸡胸肉产量最明显。

另一项试验评估了日粮添加角蛋白酶(85 ℃制粒)对肉鸡生产性能的影响。研究人员发现添加该酶后,每羽鸡的体重增加55 g,FCR改善0.17。

Yu等在两个不同季节的重复试验和体外试验中通过肉鸡测试了一种来源于芽孢杆菌的蛋白酶。研究表明,在凉爽季节添加蛋白酶可提高肉鸡对所有类型日粮的采食量,但在炎热季节肉鸡明显降低低蛋白质日粮的采食量,增加基础日粮的采食量。添加蛋白酶提高了肉鸡的体重,改善了饲料转化率。但酶制剂并没有改善干物质和蛋白质的体内消化率。在体外试验中,与未添加蛋白酶的各种成分相比,豆粕的水解率和蛋白质消化率增加。

从第0天到第72天,无论日粮中是否添加30%小麦干酒糟及其可溶物(Distillers Dried Grains With Solubles,DDGS),均未观察到蛋白酶对母火鸡生长性能的影响。

蛋白酶改善了肉鸡和火鸡对小麦DDGS中大量氨基酸的回肠消化率。该试验以小麦DDGS为唯一的氨基酸来源。

 
 
 
 
5  蛋白酶在养猪生产中的应用
 

为了提高日粮蛋白质或氨基酸的消化率或使用替代性饲料成分,我们在仔猪和育肥猪上研究了添加外源性蛋白酶对其生产性能的影响。与介绍以家禽为实验动物的文章相比,以猪为研究对象的文章数量较少,且研究结果也不明确,其原因也不清楚。有试验表明添加蛋白酶具有有益作用,但一些文章显示没有效果。猪,尤其是生长猪或育肥猪,能分泌足够数量的内源性蛋白酶,这可能是一个合理的解释。给猪补充蛋白酶有助于降低维持所需的能量。目前还需要进一步研究才能确定蛋白酶评价的最佳条件。

在生长-育肥猪上进行的两项试验研究了添加蛋白酶对豌豆营养价值的影响。在试验1中,添加蛋白酶对日粮营养物质的消化率和可消化能含量没有影响。在试验2中,添加蛋白酶改善了生长猪的FCR。

研究人员在断奶仔猪上研究了添加丝氨酸蛋白酶对玉米-豆粕型日粮中营养物质AID的影响。结果发现,14 d后蛋白酶对营养物质AID无影响。饲喂29 d后,与对照组相比,酶处理组粗蛋白质的AID增加。必需氨基酸、蛋氨酸-胱氨酸和支链氨基酸的AID增加。在添加蛋白酶的猪上,精氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、组氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、酪氨酸和缬氨酸的AID增加。

Alpine等研究了蛋白酶对育肥猪生长性能和营养物质消化率的影响。与采食不添加蛋白酶日粮的猪相比,采食添加蛋白酶日粮的猪日增重和终末体重均有所下降(试验1),氮的AID系数和总能(Gross Energy,GE)均有所增加。蛋白酶对全肠道GE和氮的总消化率没有影响。总之,添加蛋白酶对生长-育肥猪的生产性能没有积极影响。

De Barros等研究了添加蛋白酶对含硬胚乳玉米仔猪日粮全消化道表观消化率的影响。该研究未观察到添加蛋白酶对消化率参数的影响。Zuo等研究了以三种水平添加蛋白酶对断奶仔猪生长性能、营养物质消化率、肠道形态、消化酶和基因表达的影响,结果表明,断奶仔猪的试验末重,平均日增重,平均日采食量,粗蛋白消化率,胃蛋白酶、胰淀粉酶和胰蛋白酶的酶活性,血浆总蛋白和小肠绒毛高度均显著高于饲喂阳性对照日粮的仔猪,添加200 mg/kg或300 mg/kg蛋白酶的试验日粮组的上述指标高于阴性对照日粮组的。

两项试验评估了包被化合物的蛋白酶对猪日粮中氮和能量的表观总肠道消化率(Apparent Total Tract Digestibility,ATTD)、氨基酸和营养物质AID的影响。添加包被化合物的蛋白酶增加了日粮中的可消化氮和可代谢氮以及能值,提高了氮的消化率和保留率。添加包被化合物的蛋白酶可提高日粮的能量和营养物质的ATTD。包被化合物的蛋白酶增加了粗蛋白质和一些必需氨基酸(包括精氨酸、异亮氨酸和亮氨酸)的AID。包被化合物的蛋白酶提高了能量和营养物质的AID和ATTD,但对营养物质在后肠的消化率无影响。

 
 
 
 
6  蛋白酶对环境的影响
 

氮被认为是一种主要的环境污染物。动物粪便是NH3和N2O排放的来源。根据当地饲养密度,N2O和氨的排放分别会导致环境营养富集、富营养化和酸化。欧洲90%以上的NH3排放来自畜牧生产。通过降低日粮蛋白调整饲料配方,可直接影响氮的排放。

Oxenboll等在一份生命周期评估(Life Cycle Assessment,LCA)中评估了减少日粮蛋白质含量和氮排泄量对环境的影响,该评估考虑了肉鸡生产中的所有阶段,从饲料成分生产到肉鸡离开鸡舍,包括粪便的使用。考虑到所有的影响,该评估认为减少日粮蛋白质含量和氮排泄量取得了显著的效益。最重要的是与氨排放量减少有关的好处,这有助于减少健康风险和环境影响,如酸化和富营养化。当用蛋白酶作为降低日粮蛋白质含量的工具时,效果最明显。即使在蛋白质水平正常的日粮中使用,也能观察到显著的益处。

Leinonen和Williams通过计算量化了在肉鸡饲料中使用一种商用丝氨酸蛋白酶对肉鸡生产链(鸡场大门)和肉鸡饲料生产链(饲料厂大门)的环境影响。该试验通过LCA建模方法完成,其数据来自使用标准化大豆肉鸡日粮和添加蛋白酶的低蛋白质日粮的试验。在肉鸡日粮中使用蛋白酶减少了饲料生产和肉鸡生产对环境的影响。饲料生产链的结果显示,在饲料中使用蛋白酶时,所有环境影响类别都有所减少。其在减少全球变暖方面的潜力最大,主要是由于与大豆生产有关的土地利用变化减少了二氧化碳排放量。结果表明,肉鸡生产链造成的富营养化,特别是酸化有较大的降低,这主要是由于饲料中蛋白质含量的降低以及随后鸡舍和粪肥管理产生的氮排放量减少。减少主要是通过减少NH3的排放量,这将有利于动物健康。

 

打赏

取消

感谢您的支持,我会继续努力的!

扫码支持
扫码打赏,你说多少就多少

打开支付宝扫一扫,即可进行扫码打赏哦

责任编辑:闪电
0