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如何评估外源糖酶在水产饲料中的应用价值

  迫于水产养殖业的快速发展及鱼粉产能的限值性因素,近年来水产动物营养研究领域大都集中在用植物蛋白原料替代鱼粉,以确保其可持续性发展。然而,大多数植物性饲料含有各种各样的抗营养因子,如植酸钙、镁等,同时含有非淀粉多糖(NSP)和蛋白酶抑制剂,这可能限制养分利用率,同时损害鱼机体性能和鱼体健康。


  为提高植物蛋白质的消化利用率,通过植物饲料(原料)原料膨化处理以及分离提取农作物抗营养因子,增加其蛋白质相对含量。虽然这些方法已被证明能改善众多植物蛋白质和能量的消化率,但由于缺乏所需的酶分解复杂的细胞壁结构,封装隔绝了其他营养物质,许多成分的消化率仍然很低。


  外源酶作为饲料添加剂的使用能提高植物性饲料养分消化率,在家禽和猪中的研究已经很系统,现在世界各地,广泛应用于来减少抗营养因子和植酸等的影响,分别增加了碳水化合物和磷的利用率。在水产养殖植物饲料(原料)中,使用植酸酶提高磷的利用得以实现。然而,对于糖酶,尽管其对提高养分消化率有正面影响,但是在水产养殖饲料中使用远没有那么普遍。


  糖酶是包括所有催化降低碳水化合物聚合物分子量的酶,但全球市场超过80%的碳水化物酶是由两个主要蛋白质组成,木聚糖酶和葡聚糖酶。此外,其他商用糖酶包括α-淀粉酶、β-甘露聚糖酶,α-半乳糖苷酶和果胶酶。几乎所有与饲料相关的糖酶都在同一组蛋白水解酶、糖苷酶家族,水解高分子碳水化合物生成较低分子量低聚糖或多糖。


  因为在水产养殖饲料补充糖酶的研究较少,本文试图综合现有的大多数研究报道,并具体描述这组酶对养分消化率的影响和鱼体的表现,希望引起更多学者的兴趣。


  1 糖酶酶化学作用和营养物质利用的影响


  外源糖酶的主要功能是水解存在于植物饲料(原料)中复杂的NSP,非反刍动物无法利用内源性消化酶水解抗营养物质。在鱼类消化酶中,水解NSP的酶,特别是β-糖苷含量很低或不存在,其中细胞壁作为抗营养因子的一部分,阻碍了底物与消化酶的接触,或作为细胞的组成成分,它们的存在可能会干扰营养物质的消化和吸收。由化学性质分类规划,常用的植物饲料原料见表1。



  糖酶除了水解NSP以外,最重要的好处之一是减少由NSP导致的食糜粘度过高。有学者已报告,外源糖酶能帮助减少饲料的聚合度,降低其粘度和水解碳水化合物,因此能提高养分利用率。


  另外,外源糖酶能提高非能量营养物质的消化率,如淀粉和脂肪,因为NSP能减少酶与底物接触的机会,从而阻碍养分的吸收。尤其值得注意的是脂肪消化率的改善,众所周知,NSP增加胆汁盐的水解,因此会减少脂肪的利用率。此外,有可能是糖酶作用,增加蛋白酶消化蛋白质机会,提高氮和氨基酸利用率。最后,糖酶通过提高能量利用率,转移近端小肠非能量营养物质的吸收。近端小肠养分利用率的转变将减少寄生菌营养竞争,确保可用性营养吸收效率的最大化。


  糖酶还参与改善养殖动物对矿物质的消化利用。这可能是由于植酸和细胞壁之间的关系。在谷物和豆类饲料中,大部分植酸磷是绑定的。因此,当糖酶水解底物时,植酸钙镁磷和其他矿物质可能接触到消化酶从而被消化吸收。因此,外源糖酶是增加矿物可用性的一种间接作用因素。


  外源糖酶被证明能增加投喂高NSP饲料动物肠道健康。NSP导致食糜粘度的增加,外源糖酶提高食糜的扩散速度,导致微生物粘附的颗粒物和固液比流动增加。这些因素导致慢脱落的微生物和有害细菌扩散。因此,外源糖酶通过减少食糜粘度,逆转这些负面影响。此外,通过增加乳酸和有机酸的比例,减少氨生产,并增加挥发性脂肪酸浓度,新型干法、水解糖酶可以促进和支持有益菌的生长,从而改善动物肠道和整体健康。


  2 外源糖酶在水产养殖饲料中的添加


  近年来补充外源糖酶对水产养殖动物影响的研究有所增加(如表2),水产养殖营养这个话题,迄今为止仍很热门,研究有待更深入。



  Carter等(1994)是在以植物性原料为基础的水产饲料中添加外源酶。研究通过在大西洋鲑基础饲料中补充大豆(质量分数33%)与一种酶(胰蛋白酶、碱性蛋白酶、酸性蛋白酶、淀粉转葡糖苷酶,淀粉酶和纤维素酶)混合,能显著提高增重率和饲料系数。这些结果表明,外源酶能提高植物性蛋白质饲料利用率。然而,几年后,Farhangi和Carter(2007)通过在含有47%大豆的饲料中补充植酸酶、糖酶和蛋白水解酶,发现外源酶对鲑鱼生长性能没有任何影响。这些相互矛盾的结果表明,外源糖酶对水产动物的影响可能取决于饲料中植物饲料(原料)的含量和使用复合酶的种类。


  Stone等(2003)研究了卢平银鲈饲料中添加外源单酶(Natustarch®(α-淀粉酶))和外源酶复合物(Natugrain-blend® (β-木聚糖和β-葡聚糖))对小麦淀粉和豆粕消化率的影响Stone, Allan and Anderson。研究表明,Natustarch®的添加对小麦淀粉的消化率有正面影响;然而,Natugrain-blend®的添加没有提高卢平饲料小麦的消化率。这些学者分析,添加Natugrain-blend®无效可能是由于银鲈无法忍受血液中高水平的半乳糖和木糖。此外,添加Natustarch®虽然提高了生淀粉的消化率,但对糊化淀粉消化率没有。结论是,添加Natustarch®对银鲈饲料中原始生淀粉是有用的,但对加热处理已经糊化的淀粉没有作用。对于淀粉消化效率较低的其他鱼类,外源糖酶的作用可能更明显。


  Ogunkoya等(2006)评估一种混合酶液(蛋白酶和糖酶)对虹鳟生长和排泄的影响,虹鳟饲料豆粕添加量为20%。这个研究结果显示,外源酶的添加对干物质表观消化率、粗蛋白、无氮浸出物、磷和总能量有明显影响。然而,作者认为这些影响意义并不大,可能是由于在这个研究中所有饲料都是高度消化的。同样,外源酶对虹鳟鱼生长的影响不显著。尽管如此,这些学者仍认为,外源酶大大减少了粪便的粘性。这可能使淡水中粪便堆积量减少,减少潜在的对底栖生物的负面影响。相反,在其他水系统,如水沟或再循环系统,增加粪便的内粘度可能帮助其积累和过滤。


  Farhangi等(2007)以去皮豆粕为基础饲料饮食添加外源酶(半纤维素酶、蛋白酶和α-半乳糖)对虹鳟鱼生长性能影响。以豆粕为基础饲料外源酶没有改善虹鳟增重率,但混合酶显著提高了虹鳟蛋白质效率。作者还指出,当前动物饲养受到限制,应该及时对外源酶进行研究,养殖方式的有利影响可能使外源酶被忽略。


  Ai等(2007)发现,日本的尖吻鲈(L.japonicus)特定生长率随外源糖酶(戊聚糖酶、植酸酶、葡聚糖酶、纤维素酶和木聚糖酶)增加而增大;使用40%以上的蛋白质来自植物蛋白(豆粕、菜粕、花生粉和面粉)的饲料饲养尖吻鲈,发现外源糖酶能有效地降低抗营养因子,提高鲈鱼的生长性能。此外,磷和蛋白质利用率增加,特定生长率的增加是由于提高饲料利用率。事实上,在水产动物饲料中加入外源酶,能提高蛋白质利用率,起到蛋白质节约作用,或许还能分解蛋白质-碳水化合物复合物Ai,Mai,Zhang,Xu,Tan,Zhang and Li 。


  Lin等(2007)探讨了在植物性饲料(大豆、菜粕和棉粕)添加外源酶1.0g/kg和1.5g/kg饲料(蛋白酶、β-葡聚糖和木聚糖)饲养杂交罗非鱼幼鱼对其生长性能的影响。结果表明,特定生长率、饲料系数和蛋白质效率随饲料外源酶添加量的增加而显著提高。作者认为,肠道蛋白酶、淀粉酶活性和杂交罗非鱼幼鱼的肝胰腺蛋白酶随饲料外源酶水平的增加而显著提高。这些结果表明,添加外源酶可以促进鱼体内源酶的分泌Lin,Mai and Tan。


  Dalsgaard等(2012)在3种含不同的稿植物性蛋白原料【大豆(344g/kg)】、向日葵(246g/kg)和油菜籽(264g/kg)的饲料中添加3种不同的酶【β-葡聚糖(67mg/kg)】,木聚糖酶(208mg/kg)和蛋白酶(228mg/kg))来评估虹鳟对饲料的表观消化率。结果表明,在棉籽粕和菜粕的实验中,外源酶的添加对虹鳟饲料表观消化率有影响,不过影响不明显;在豆粕试验中,β-葡聚糖和蛋白酶提高了大豆中所有营养物质的表观消化率。添加外源酶对脂类消化的效果比其他营养素更加明显。但在豆粕试验中,β-葡聚糖能量沉积有正面效应,但是在3个实验中对鱼氮存积和鱼性能都没有影响。在这3个试验中,外源糖酶的添加对虹鳟生长性能没有影响;但是,在本研究中,喂养试验只持续了19d。


  Yildirim等(2010),Ghomi等(2012),及Ali等(2012)发现各类商业酶复合物(植酸酶、木聚糖、β-葡聚糖β-淀粉酶,纤维素酶和果胶酶)对非洲鲶鱼、大鲟鱼和褐鳟a生长性能和饲料系数有正面影响但没有特定的植物性饲料被使用到这些研究中。尽管如此,国外学者仍然发现在鲟鱼幼鱼投喂含外源酶(500mg/kg)的混合饲料,n-3必需脂肪酸含量明显较高。Kiarie报道,在仔猪饲料中添加外源糖酶增加了肌肉中的多不饱和脂肪酸含量。


  Zhou等(2013)在以浮萍为主的草鱼饲料中补充外源纤维素酶(3g/kg),评估草鱼生长和肠道菌群的变化。60d喂养试验的结果表明,纤维素酶能促进草鱼生长和提高消化酶(纤维素酶、淀粉酶和蛋白酶)活性。此外,聚合酶链式反应变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)分析表明,投喂外源纤维素酶引起试验鱼肠道菌群的种类和密度改变。16srRNA基因测序指出导致纤维素消化率提高的原因可能是产生了一定纤维素消化细菌的活性增强。作者认为草鱼的内生纤维素酶活动对纤维充分消化吸收是远远不够的,所以外源纤维素酶可以是一个有效的饲料添加剂。


  3 外源酶的可行性分析


  3.1 酶的来源和特点


  提高外源酶添加可行性方案很多。过去重心在酶的生产上,使其在消化道运转过程中被蛋白水解作用减小,从而延长其在消化道中的存活时间。新方法研究酶活性优化,设计增加它们对底物的攻击性。目前,外源酶用于添加到商业饲料中尚不能承受其最严酷的饲料加工技术,如挤压或制粒温度超过95℃。脂质保护作为一个保护方法,已经被用于保护酶在饲料中的加工。另外一个用于提高酶热稳定性的方法是提高涂层剂。


  一个理想的涂料必须包括饲料加工稳定性,在消化过程中易于溶解,必须强大到足以抵抗制粒过程的高温和高压,但也必须在较低的温度下易以消化。其他方法可能是转基因操作产生的相同氨基酸结构的酶,这种酶内部热稳定更好;或寻找本身内部热稳定性就很好的酶,例如嗜热细菌产生的酶。更多热稳定性酶的生产就允许饲料加工过程中的干燥、粉碎等高温操作。


  外源酶除了热不稳定的性质外,还有其他局限性,如pH值特异性和胃肠道酶抑制剂等,都可能极大地限制添加外源酶的潜在优势。为了克服这些问题,外源酶的合理使用方案显得尤为重要。很多聚合物和脂类被用于医学领域来提高的酶,药物和其他化合物的输出效率。Kumar等(2012)开发一个高效的壳聚糖控制传输系统,加强胰蛋白酶在鱼消化道传输功效。在塔野鲮45d的饲养试验结果表明,纳米胰蛋白酶模拟蛋白酶,通过缓释提高鱼体增长率和养分消化率。


  3.2 酶的组合及底物识别


  饲料中使用复合酶作为饲料添加剂经常是为了针对饲料中不同抗营养因子而设计。使用复合糖酶可能比使用单个酶产生更大的效益。然而,为了使酶的组合功效最大化,了解酶水解各自底物的协同作用非常必要。Tahir等(2008)评估了半纤维素酶、纤维素酶、果胶酶单独使用和组合使用,研究认为,因纤维素的水解是细胞内的其他营养物质水解速度的限制性因素。此外,肠道内源消化酶如淀粉酶、蛋白质酶和脂质酶是酶反应一个很重要的组成部分,通过评价日粮中未消化营养成分的含量,确定饲料酶反应的程度和一致性,证明酶有效性。


  3.3 基因表达和内在生理机制


  糖酶补充后对基因表达反应影响研究对于从生理角度观察解释生长性能是非常重要的。Yin等(2010)对猪的研究表明,淀粉的消化与氨基酸吸收呈正相关。这种效应是通过葡萄糖吸收实现的,因为葡萄糖介导氨基酸转运蛋白的信号分子。由于糖酶补充,观察这些生化途径之间的相互作用可能为提高养分利用率提供新的思考。另外,因为鱼类葡萄糖代谢效率很低,说明这些鱼和猪/家禽之间的生理差异的原因是很重要的,会影响添加外源糖酶的反应。


  3.4 饲料配方


  对一些鱼类的研究表明,有可能营养物质的利用率和生长率不一定呈正相关。在这样的情况下,很有可能是在营养上控制投喂没有充分限制来减少增长或在一些饲料中内源性酶活性受外源酶的影响。Zhou等(2013)发现肉鸡可以使用糖酶碳水化合物获得能量,观测到外源木聚糖酶最大反应时能量要求最低,表明添加外源酶时更有利于能量的利用率Zhou等(2008)对肉鸡的研究指出,仅满足基本营养需求的饲料中补充木聚糖酶,可以达到营养素足够的饲料的生产性能。


  4 讨论


  从目前有限的水产养殖相关研究报道中可以看出,水产动物饲料中添加外源糖酶能提高养分消化率和减少营养物质的损耗。鱼类葡萄糖代谢能力较弱,糖酶不仅能提高糖类物质的消化率,也能提高植物性饲料蛋白质和脂类消化率。但外源糖酶对鱼生产性能的影响机理仍不完全明晰。


  在前述研究中,部分水产动物的生产性能得到提高;然而,在其他研究中发现没有影响。毫无疑问,这些研究运用到了不同种类、不同食性鱼类。此外,饲料配方中加入了不同的植物蛋白原料和各种包被,以


  及不同的酶组合和剂量。这些众多的影响因素使交叉研究比较困难。


  总的来说,外源糖酶在水产养殖上研究不够充分。基于外源糖酶在水产养殖上前景明朗,在其他非反刍动物中效果较好,并且发现在一些水产养殖物种上有正面影响,重要的是要有更多的学者关注这个问题,因为这可能是进一步减少鱼粉和增加植物性蛋白质饲料在鱼类的饲料上的使用,确保水产养殖可持续发展的一个有用工具。(作者: 郑宗林、罗强)【基金项目:中央高校基本科研业务费(XDJK2014C056);西南大学博士基金项目(SWU114025)】


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