生物酶和微生態制劑在飼料工業中的作用機理及研究進展
生物酶和微生態制劑在飼料工業中的作用機理及研究進展
生物酶作為一種安全有效的飼料添加劑,能有效改善動物生產性能、提高飼料消化率且能減少環境污染,被廣泛應用到飼料工業中。微生態制劑是由多種嚴格篩選的有益微生物及其代謝產物組成的,能有效促進動物體調節腸道微生態平衡,增強機體免疫力,提高營養物質的轉化吸收率,具有防病、治病以及改善生產性能等優點,在動物養殖方面的應用也十分廣泛。主要闡述了生物酶和微生態制劑在飼料工業中的作用機理、研究現狀、發展前景、存在的問題以及解決的方法,希望對生產實際有指導意義。
目前飼料工業中應用最廣、需求量最大的綠色飼料添加劑是生物酶制劑和微生態制劑。生物酶制劑作為一種高效、環保、安全的飼料添加劑,不僅能夠提高飼料的利用率、彌補畜禽消化酶的不足,還能減少動物體內礦物質的排泄量,減輕對環境的污染。目前在飼料工業中應用較為廣泛的生物酶制劑有木聚糖酶 、β-葡聚糖酶 、α-淀粉酶 、蛋白酶 、纖維素酶、脂肪酶、果膠酶和植酸酶。微生態制劑又名益生素、促生素、益生菌劑以及活菌劑,是從自然界或動物上分離、鑒定或生物組建的有益微生物,經培養、發酵、干燥、加工等特殊工藝制成。微生態制劑能有效促進動物體調節腸道微生態平衡,增強機體免疫功能,并能高效轉化飼料,改善生產性能。由酶制劑和微生態制劑科學配伍組成的復合制劑在促進動物生長、提高飼料利用率、防治動物疾病和改善生態環境等方面均有明顯效果。主要針對生物酶和微生態制劑在飼料工業上的作用機理、研究現狀、市場前景以及存在的問題等方面進行分析并指出其中存在的問題及解決的方法。
1作用機理
1 .1 生物酶作用機理
酶是由活細胞產生的具有消化作用的蛋白質。根據作用底物的不同,飼用酶制劑可分為蛋白酶、淀粉酶 、脂肪酶 、木聚糖酶 、β-葡聚糖酶 、β-甘露聚糖酶、纖維素酶、果膠酶和植酸酶。根據動物自身能否分泌產生又可將飼用酶分為消化酶和非消化酶,消化酶是指動物自身能分泌的蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等;非消化酶是指動物自身不能分泌的酶,這些酶能消化分解動物自身不能消化的飼料成分,主要包括木聚糖酶 、β-葡聚糖酶、 β-甘露聚糖酶、纖維素酶、果膠酶和植酸酶。在日常飼喂過程中,復合酶制劑能在動物消化道內環境中將飼料中的蛋白質、淀粉、纖維素、果膠等成分降解,形成易被動物機體吸收的營養物質,從而提高飼料的消化利用率。
生物酶制劑的作用機理通常可闡述為以下幾點。
1 .1 .1 破壞抗營養因子,提高飼料營養成分的利用率
植物細胞壁是由蛋白質、脂肪和多聚糖苷鍵聯結而成的網狀結構。很多動物不能消化這類物質,且飼料中還存在其他植酸、植物凝血素、果膠、蛋白酶抑制因子等抗營養因子,這些成分影響營養物質的消化吸收。復合酶制劑能降解這些抗營養因子,降低腸道內容物粘度。減少粘度對養分和內源消化酶的擴散阻礙作用,從而提高日糧養分的消化率和吸收利用率。
1 .1 .2 補充內源酶的不足,激活內源酶的分泌及活性
在日糧中添加外源性消化酶,可以補充幼年動物或處于應激狀態時動物的內源酶不足,提高飼料的利用率,改善動物的消化能力,減少應激條件下生產能力的下降.同時還可以促進內源酶的分泌。由于水溶性NSP降低內源酶活性,添加NSP酶降解水溶性NSP,可提高腸道內源酶的活性,如腸道內源α-淀粉酶 、胰蛋白酶的活性。
1.1.3 調節畜禽體內代謝,改善腸道內微生物體系,提高機體免疫力
復合酶制劑可優化腸道的微生態環境、破壞飼料原料中的抗營養成分、改善畜禽腸道消化吸收的理化環境,并有很好的殺滅有害菌和促進有益菌生長的作用 。
1.2 微生態制劑作用機理
由多種益生菌復合配制而成。復合微生態制劑具有促進生長、調整正常菌群平衡、提高免疫力、提高飼料轉化率等多種功效。1989年美國食品及藥品管理局公布了可以用作飼料添加劑的微生物種類,共有如下 42 種:米曲霉、黑曲霉、凝結芽孢桿菌、遲緩芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、短小芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、嗜淀粉擬桿菌、多毛擬桿菌、棲瘤胃擬桿菌、產琥珀酸擬桿菌、青春雙岐桿菌、動物雙岐桿菌、兩歧雙岐桿菌、嬰兒雙岐桿菌、長雙岐桿菌、嗜熱雙岐桿菌 、嗜酸乳桿菌 、短乳桿菌 、保加利亞乳桿菌 、干酪乳桿菌、纖維二糖乳桿菌、彎曲乳桿菌、德氏乳桿菌、發酵乳桿菌、瑞士乳桿菌、乳酸乳桿菌、胚芽乳桿菌、羅氏乳桿菌、腸膜明串珠菌、乳酸片球菌、啤酒片球菌 、戊糖片球菌 、費氏丙酸桿菌 、謝氏酸桿菌 、釀酒酵母 、乳脂鏈球菌 、雙醋酸乳鏈球菌 、糞鏈球菌 、中鏈球菌 、乳鏈球菌、嗜熱鏈球菌 。
目前,應用于微生態制劑的菌種主要有乳酸桿菌 、鏈球菌 、雙歧桿菌 、酵母菌 、某些芽 孢桿菌等微生態制劑的作用機理為以下幾點。
1.2.1 調整機體消化道微生物平衡
健康動物消化道內存在上百種的微生物,這些微生物相互依存與制約,共同維持著消化道內的微生態平衡和動物的機體健康。有益菌群主要由真菌、桿菌、消化球菌、厭氧彎曲桿菌等專性厭氧菌群及乳桿菌、雙歧桿菌構成,一旦失去平衡,則引起消化機能紊亂,嚴重的可抑制動物生長發育。動物在提前或發病初期飼喂微生態制劑,使有益菌在數量和作用強度上占絕對優勢,可大大地抑制致病菌群的生長繁殖,從而保持菌群平衡,并可促進腸道優勢菌群的建立,維持動物機體正常微生物的平衡。
1 .2 .2 產生有益代謝物 ,促進營養吸收
微生態制劑的有益菌群能在消化道產生乳酸等有機酸,降低腸道 pH 值;也可合成氨基酸、維生素等營養物質,從而促進動物生長發育和增重;還可產生如嗜酸菌素、乳糖菌素等抗菌物質,抑制病原菌生長。除此之外,益生菌產生的淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等物質對植物性碳水化合物有很強的降解作用,還能降解植物飼料中某些復雜物質,可誘導動物機體內源消化酶的分泌,有利于腸道更好地利用碳水化合物,提高飼料轉化率。
1 .2 .3 生物頡頏作用
有益菌群的某些菌株,如需氧芽孢桿菌以孢子狀態或其他活菌形式進入動物消化道后生長繁殖,消耗腸內的氧氣,使局部形成厭氧環境,抑制病原微生物的生長繁殖,有利于乳酸桿菌、雙歧桿菌、腸球菌等專性厭氧菌的定殖和生長,使健康動物機體微生物保持平衡狀態。競爭排斥作用可阻止病原微生物的繁殖,競爭可抑制病原微生物黏附到腸黏膜上皮細胞上,向病原微生物爭奪有限的營養物質和生態位點,限制致病菌群的生存、繁殖。
1 .2 .4 增強機體免疫功能
益生菌能使動物腸道微生態系統保持正常平衡狀態。研究表明,益生菌能產生非特異性免疫調節因子,增強機體的抗體水平,增加免疫球蛋白的數量和巨噬細胞的活性,從而提高動物機體免疫力。也有學者認為,雙歧桿菌的細胞壁肽聚糖在適當條件下出現免疫原性,增強了體液性免疫應答,激活巨噬細胞活性,因此可抑制腫瘤細胞的增殖和致癌物質的產生。陳春林等研究發現,微生態飼料添加劑可以提高斷奶仔豬的血液淋巴細胞率含量,試驗組比對照組高 7.06%(P>0.05)。
1 .2 .5 凈化環境
枯草芽孢桿菌可在大腸中產生氨基氧化酶、氨基轉移酶及分解硫化物的酶,可將臭源吲哚化合物完全氧化,將硫化物氧化成無臭、無毒物質,從而降低血液及糞便中有害氣體的濃度,也減少了向外界的排放量,改善了飼養環境。黃平用 EM 發酵液噴灑豬欄周圍,可清除糞尿惡臭,減少蒼蠅和寄生蟲,改善環境衛生,使豬舍內外環境得到綜合治理。李文春等研究發現,育肥豬飼喂微生態制劑(含乳酸桿菌、芽孢桿菌、光合細菌)后,試驗組豬舍中 NH3 、H2S 的濃度非常低,分別 為 7.85 mg/m3和2.81 mg/m3 ,舍內尿糞臭味明顯降低,有一種淡淡發酵的乳酸味,從而改善了豬舍環境。
2研究現狀
2.1 生物酶在飼料中的研究現狀
酶是生物體內活細胞產生的具有高效生物催化活性的大分子物質。世界上目前已發現的酶有2500多種,其中約600多個品種可進行工業化規模生產,包括水解酶、氧化還原酶、異構酶、裂合酶4大類。酶的種類繁多,但真正用于飼料生產的酶制劑并不多。20 世紀 90 年代,丹麥、德國和瑞典等專門生產飼用酶制劑的公司開始大量研究飼用酶的生產菌種、工藝和設備。2014-02-01 我國施行的《飼料添加劑品種目錄(2013)》(中華人民共和國農業部公告第2045 號)規定了用于飼料的13種酶制劑 ,見表1 。
目前最具有應用價值的單一酶制劑基本上分為非淀粉多糖酶、植酸酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶5大類,其中非淀粉多糖酶(NSP酶)又包括纖維素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、甘露聚糖酶、 β-半乳糖苷酶 、果膠酶等。
復合酶制劑是由一種或幾種單一酶制劑混合而成,或由一種或幾種微生物發酵制得。與單一酶制劑有限作用相比,復合酶制劑可協同作用,可同時降解飼糧中多種底物,最大限度地提高飼料中蛋白質和淀粉等營養物質的利用率。目前世界上生產的飼用復合酶制劑由于其不同的功能特點,主要有以下幾類:
①以β-葡聚糖酶和木聚糖酶為主的飼用復合酶。②以蛋白酶、淀粉酶為主的飼用復合酶。③以纖維素酶、果膠酶為主的飼用復合酶。④纖維素酶、蛋白酶 、淀粉酶 、糖化酶 、葡聚糖酶 、果膠酶等復合得到的飼用復合酶。
宋連喜等在41周齡的海蘭褐商品蛋雞基礎日糧添加 0.1%的復合酶制劑,試驗28d 后,結果表明,可以使產蛋率平均提高6.12%(P<0.05),料蛋比降低11.69(P<0.05)。羅士津等在海蘭商品蛋雞飼料中添加不同比例的復合酶制劑,結果表明:均可提高蛋雞生產水平,其中添加 0.2%的復合酶制劑組產蛋數提高 3.92%(P<0.05),平均產蛋率提高3.5%(P <0.05),差異顯著,飼料消耗組間差異不顯著。
姚海儒等在仔豬小麥型日糧中添加非淀粉糖復合酶后發現,日增重顯著提高(P<0.05),料重比顯著降低( P<0.05)。試驗結果表明,添加非淀粉多糖復合酶能有效提高仔豬對小麥型日糧的消化率,促進仔豬的生長速度和提高飼料利用率。
王曉亮等研究表明,在日糧中添加 0.2%的以半纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶和木聚糖酶為主的奶牛復合酶,試驗組平均乳脂率比對照組增加3.28%。吳建設等的報道中,添加酶制劑使奶牛泌乳量增加的幅度為 7.1%~11.8%,本試驗添加酶使奶牛泌乳量增加的幅度為 5.9%~9.1%。
翁曉輝等研究了不同水產復合酶對芙蓉鯽的應用效果,結果表明,試驗組的終末尾均重和增重率比對照組提高 5.12%、12.09%,餌料系數降低了7.14%,且差異顯著(P<0.05),肥滿度提高7.55%,差異不顯著(P>0.05);同時還表明,添加水產復合酶可在一定程度上提高魚肝臟淀粉酶和蛋白酶的活性。王輔臣等研究表明,在飼料中直接添加液體酶可在一定程度上提高草魚的生長速度,可促進草魚內源消化酶的分泌。
2.2 微生態制劑在飼料中的研究現狀
1947年,Mollgaard發現用乳酸桿菌飼喂仔豬可有效增加仔豬體重并改善仔豬健康狀況。1989年Fuller把微生態制劑定義為一種能夠促進腸道內微生物平衡,對宿主產生有益作用的活的微生物添加劑。
我國開始飼用微生態制劑的研究起步于20世紀70年代。1989年我國農業部公布了可以直接飼喂動物的飼料級微生物添加劑菌種12 個,即干酪乳桿菌、植物乳桿菌、嗜酸乳桿菌、糞鏈球菌、乳鏈球菌 、枯草芽孢桿菌 、納豆芽孢桿菌 、乳酸片菌 、沼澤紅假單孢菌、啤酒酵母、產假絲酵母、曲霉。2001年又公布地衣芽孢桿菌為可直接使用的菌種。2000年益生菌的生產廠家約 100 多家,到 2002 年,我國益菌素廠家已達 400多家,年產量約1萬t。我國農業部于 2003-12-9 在第 318 號公告中公布了可在飼料中添加的微生物有以下5 種:乳酸乳桿菌、植物乳桿菌 、干酪乳桿菌 、嗜酸乳桿菌 、乳酸腸球菌 、糞腸球菌 、屎腸球菌 、乳酸片球菌 、戊糖片球菌 、兩歧雙歧桿菌 、釀酒酵母 、產朊假絲酵母 、沼澤紅假單胞菌 、枯草芽孢桿菌、地衣芽飽桿菌。
目前主要研究成果有:①通過大量菌種篩選工作,建立了多種有益微生物菌種庫。②物化產品,即高科技微生態活菌制劑,劑型包括粉型和液劑。③生產配套技術。④利用營養緩釋技術生產的微生物活性保護劑。⑤生產高科技生物飼料(綠色飼料)的配套技術和添加劑。生產用微生態制劑在選種時可參照以下要求:第一,若要益生菌在宿主體內短時間內迅速定植并生長繁殖,應優先選擇本動物體內的正常菌群;第二,生產菌種選擇菌株的前提是安全性能要好;第三,菌種需具有易保存、便于運輸的特點;第四,菌種需具備的益生功能,可使其在膽汁和酸性環境中存活并能植入腸粘膜。
齊情等觀察微生態制劑對綠殼蛋雞生產性能的作用效果,發現微生態制劑可以提高蛋雞的產蛋率及蛋清濃度，蛋黃顏色沒有明顯變化；可以提高蛋雞對粗纖維的分解能力；能夠防治綠殼蛋雞脂肪肝的發生。陳家祥等在肉雞日糧中添加地衣芽孢桿菌后，結果發現肉雞日增重顯著提高。戴榮國報道，通過對斷奶仔豬飼喂酵母菌、乳酸菌及芽孢桿菌復合微生態制劑，能在不同程度上對料重比、平均日增重及腹瀉率有所改善。張紅艷等研究報道，液體復合微生態制劑可提高斷奶仔豬對飼料的利用率,平均日增重較對照組提高41.12%~51.78%。
張雙等試驗結果說明，日糧中添加微生態制劑(100克/頭)對奶牛熱應激的預防和調節效果明顯。高堂亮等研究微生態制劑對肉牛生長性能和血清生化指標的影響，分別飼喂全混合日糧和微生態制劑，結果表明，與對照組相比，平均日增重、平均日采食量顯著提高(P<0.05)，料重比顯著降低(P<0.05),對血清生化指標沒有顯著影 響 (P> 0. 0 5 )。
在水產養殖中,微生態制劑可以改善水產養殖的生存環境并提高水產養殖的經濟效益。有報道稱,飼喂以芽孢桿菌為主的微生物復合菌劑對羅非魚與鯉魚的生長均有顯著的效果。
發展前景及存在問題
3.1 發展前景
隨著養殖業規模的擴大,飼料工業得到了迅猛發展。據統計,2016年中國配合飼料行業產量達到18395萬t,飼料添加劑產品總產量達975.9萬t。飼料中粗蛋白質、果膠質、纖維素、半纖維素和木質素等相當一部分的營養物質很難被畜禽直接利用,不僅浪費飼料,而且污染環境,不利于環保。
抗生素的濫用引起動物內源性感染或繼發二次感染,耐藥菌株的產生，畜禽細胞免疫、體液免疫功能的下降,動物腸道菌群失調以及它們在畜禽產品中的殘留等等。基于這些原因,很多國家反對將抗生素過量使用,甚至通過立法對愈來愈多的藥物品種加以限制。我國政府也正積極通過禁止在飼料中使用抗生素、激素等方式來保障飼料和食品的安全,維護生態平衡。人們迫切需要利用酶制劑和微生態制劑來開發新型環保節能型綠色飼料添加劑。
生物酶制劑作為一類高效、無毒、無副作用和環保型的“綠色”飼料添加劑,可以將相應的原料轉變為簡單物質而被吸收利用,提高飼料轉化率,改善飼料利用效率,同時能減少污染和改善環境。含蛋白酶、果膠酶、纖維素酶和半纖維素酶等的飼用復合酶從提高飼料資源利用率、養殖業的經濟社會效益以及環保等方面來看,其應用前景非常廣闊。高效微生物飼料添加劑是一種采用營養緩釋技術、生物發酵技術和特殊生產工藝,把一些富產消化酶的芽孢桿菌、酵母菌和乳酸菌類等多種有益微生物復合而成的新型高科技微生物飼料添加劑。在飼料中添加復合微生態制劑,可以促進消化,防治疾病、提高飼料轉化率和日增重、增強機體免疫力、促進生長發育等。從開發和利用效果看,復合菌制劑如腸道共生復合菌、瘤胃復合菌等較單一菌株作用效果好。
諸多研究表明,微生態制劑與中草藥、酶制劑、寡糖等聯合使用的復合效果明顯優于單一微生態制劑。這是因為酶制劑和微生態制劑具有協同作用。隨著研究工作的進一步深入,以及人們綠色、安全和環保意識的不斷增強,生物酶制劑和微生態制劑的應用前景將會更加廣闊。
3.2 存在問題及解決辦法
生物酶制劑和微生態制劑在飼料中的應用存在以下幾個問題:一是缺乏優良生產菌種,得到的酶或微生物質量不穩定;二是熱穩定性不夠,易失活。我國飼料廠顆粒飼料制粒溫度普遍較高,溫度對復合酶的酶活性有不同程度的影響,降低了酶制劑的使用效果;三是只注重試驗研究而忽略實際應用研究,獲得的試驗結論與生產實際脫節。酶和益生菌添加量不足發揮不了最佳的使用效果,過量則又會降低畜禽的采食量并抑制內源酶的產生;四是缺乏相關的使用標準和規范,沒有統一標準,使用效果難以保證。
針對以上難題,目前的解決辦法有:
①利用生物技術誘變篩選能生產耐高溫、pH值適應范圍廣、抗pH逆性強的酶的優良菌種。②利用遺傳工程技術,改善酶及微生態制劑的耐熱、耐酸等抗外界不良環境特性開發研究出酶活性更高、適用條件更廣的耐高溫、耐酸、耐壓的酶制劑及其包被材料。③改進加工工藝條件。改變傳統的酶制劑添加工藝,采用酶制劑后置添加技術,即將液態酶制劑在飼料制粒、膨化后添加到飼料中去的技術,這樣就可避免在飼料預處理和制粒、膨化過程中損失添加劑的有效成分,也可減少生產環節中重金屬離子、高溫高壓等對酶活及微生物的不良影響。④加強對不同禽種、動物消化道內環境的研究,使飼料酶達到最佳效果并闡明酶及益生菌在動物機體內的作用機制。⑤建立酶制劑、微生態制劑信息數據庫,完善酶制劑與微生態制劑最佳配伍,有針對性的根據動物的種類、生長階段等的變化。⑥制定飼料酶制劑的相關添加標準,使行業發展更加規范化。
4
結語
生物酶能提高飼喂飼料的消化率和利用率,又能提高畜禽動物的生產性能,還能減少畜禽排泄物中氮、磷的含量,保護水體和土壤免受污染;微生態制劑可以優化動物體內的有益菌群、促進動物腸胃消化、促進生長發育提高飼料轉化率和日增重、增強機體免疫力并防治疾病。隨著人民對食品安全及畜牧產業的重視程度越來越高,生物酶和微生態制劑勢必會為我國畜牧行業帶來良好的經濟效益及廣闊的發展前景。
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