饲料酶制剂的生产和应用

发布日期: 2022-04-01

上世纪50 年代美国、欧洲、日本已开始认识到酶制剂添加到饲料中的作用,但当时酶的制造成本昂贵,难于推广应用; 到上世纪80 年代,随着发酵工业的长足进步,酶制剂可以大量工业生产,有较好的性价比,酶制剂用作饲料添加剂在国外迅速发展,1996 年欧洲80%的肉鸡饲料添加了以β-葡聚糖酶和木聚糖酶为主的复合酶,2000 年,全球65% 的家禽麦类日粮、10%的猪麦类日粮及5% 肉鸡玉米-豆粕日粮饲料中添加了酶制剂。

上世纪80 年代末,丹麦、芬兰、美国、德国等国有关公司的饲料酶进入我国饲料市场,有单一品种的饲料酶,也有多种酶经复合的饲料酶,在饲料中的添加量< 0. 1%( 0.01% ~ 0. 06%) 。上述信息引起我国畜牧界的重视。

我国畜牧界1992 年成立了《全国饲料安全与生物技术专业委员会》( 当时称《全国饲料毒物与抗营养因子专业委员会》) 。该委员会一项重要的工作是致力于研究开发推动酶制剂在饲料工业中应用,差不多每两年开一次全国性的大会,有不少应用技术研究报告,很多动物营养专家对酶制剂在饲料工业的应用效果给予肯定。我被邀参加大会,结识了畜牧界的一些朋友,了解到我国饲料工业是个庞大的产业,饲料酶制剂有很大的市场前景。

1993 年中国饲料工业办公室与中国发酵工业协会于江苏无锡联合召开“酶制剂用于饲料工业研讨会”,参加会议的代表近300 人。

为了推动酶制剂在饲料工业的应用,农业部将酶制剂列入饲料添加剂品种目录; 农业部发布饲料酶制剂标准; 农科院饲料检测中心承担饲料酶的品质评价; 农科院饲料研究所开展饲料酶研究。

1991 年我国第一家饲料酶制剂厂—广东溢多利生物科技股份有限公司在广东珠海投入生产。至今国内除溢多利已有多家企业( d88尊龙登录下载生物、湖南尤特尔、武汉新华扬、北京挑战集团、山东康地恩等) 生产饲料酶制剂,这些企业已有较大生产规模,年销售额从最初的不足1000 万元,现均超过1 亿元人民币。梳理20 余年的发展历程,本文就饲料酶制剂生产和应用中的几个问题进行讨论,盼同行指正。

一、发酵方法

饲料酶制剂的生产方法有两种:一为固体发酵,另一为液体发酵; 最初主要为固体发酵,现在以液体发酵为主。

1. 固体发酵

所谓固体发酵,是指在固体或半固体培养基上让微生物生长和代谢的方法,其微生物主要为曲霉。

利用固体发酵制造的曲用于生产白酒、黄酒、酱油等在我国至今至少已有1500 多年历史。公元六世纪,后魏高阳太守贾思勰编《齐民要术》,比较详细地记载了各种曲的生产技术。在日本,清酒、料酒、酱油、酱等利用曲霉的酿造技术已有几百年的传统,为全球最具固体发酵工业技术经验的国家之一。

按照固体培养基与空气的接触方式,固体发酵分类为:

( 1) 静置发酵。

将接入曲种的培养基做成数厘米以下的薄层进行发酵,培养基的温度由发酵室的室温控制,空气通过自然换气或表面强制通风流通( 用风温来达到培养基的温度控制) 。此方法劳动强度大,但发酵酶活力较高且稳定,不易染菌。

( 2) 通风发酵是在金属多孔板上将接入曲种的培养基堆积成数十厘米厚,让风向上穿过培养基而流动,由风温控制培养基的温度。国产的固体通风发酵机已为多家企业使用,可自动( 或手动) 控温,喷微雾保湿,能基本满足微生物生长代谢所需控制的环境要求。型号—5 固体通风发酵机,每批生产量约800 kg。

( 3) 流化床发酵

使铺在金属网或多孔板上已接入曲种的粉末状培养基通过向上吹的风形成流化状态而进行培养,通过风温控制培养基的温度。此法日本研究最早,上世纪80 年代已进入实验工厂的研究阶段。此法实验室装置发酵酶活力明显高于通风发酵,关键技术为如何保持培养基的温度、水分均一,不能过分搅拌损伤菌体,并要避免水分在局部的地方留存诱发染菌污染。进入新世纪,国内已有研究单位研发出用于工业生产的固体流化床发酵装置,现处于推广应用阶段。

固体发酵方法优点为培养基组成较单纯,谷物加工副产品为主要原料,另加水和少量无机盐即可;产品易于回收,目的产物蓄积在固体基质表面,将其回收所需要的的溶剂比液体发酵要小得多,工程废水也少。缺点为微生物有其适宜的生长和产酶温度,发酵过程会产生热量,应除热,大规模工业生产时,除热( 降温) 方法是一道难题; 在固体发酵过程中,要掌握pH、温度、物料水分、菌体增殖量和产物数量等的变化较难,难以实施让目的产物最大生成的控制发酵方法。

进入新世纪,蒸球已在固体发酵生产企业普遍使用,蒸球设备可使蒸料、冷却、接种在其中完成,降低了劳动强度,提高了生产效率。

最后需提及的是,固体发酵生产出的酶制剂,具有广谱的酶活性。我国最初采用固体发酵生产的纤维素酶用于肉鸡麦类日粮取得良好效果,学者指出,似不是纤维素酶的作用,而是该产品中含有显著的半纤维素酶( 木聚糖酶等) 发挥作用。印度拜康公司(诺维信2007 年收购) 采用固体发酵生产的果胶酶,用于果汁和葡萄酒生产在全球居领先地位。d88尊龙登录下载生物固体发酵生产的果胶酶,用作饲料添加剂和果汁、葡萄酒生产亦取得良好成绩。

2.液体发酵

液体发酵为现代工业微生物的发酵方法,可实现纯种培养,发酵过程参数( PH、温度、溶氧、补料等) 自动控制、大规模生产。目前高产酶的基因工程菌基本上都是酵母菌和细菌,需采用液体发酵。

企业单个发酵罐容积20m3 ~ 100 m3,生产的酶制剂品种有α-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、脂肪酶、植酸酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶、α-甘露聚糖酶等多种。

进入新世纪,企业发酵罐均采用不锈钢制造,配变频电机,重视管道阀门配置防止死角,选择绝对无油空气压缩机和高效空气过滤器,采用发酵过程自动控制,发酵液及时提取制成产品,推行GMP 管理,发酵染菌率已很低,产品有较好的性价比。

二、 酶制剂的耐热和贮存稳定问题

用于饲料的酶制剂产品有固体和液体两种剂型。最初的固体产品为粉末状,与饲料混配时易飞扬损失,本世纪初已有国产造粒机,可将粉末状固体酶或液体酶制成颗粒状( 颗粒大小500 μm ~600 μm) 饲料酶,不少企业已将粉末状饲料酶( 植酸酶、木聚糖酶等) 制造成颗粒状。

饲料生产有道造粒工序,酶制剂与饲料混匀后在80 ℃左右的高温造粒,酶易变性失活。此外,企业生产的固体酶或液体酶在存放中也存在失活问题。

上世纪60 年代以来国内外许多生物化学工作者对酶的热稳定性进行了广泛的研究,提出了一些提高热稳定性的方法,如酶分子交联法和化学结构修饰法,但这些方法技术难度大,成本高,无法为饲料行业接受。

进入上世纪80 年代,欧洲和北美对酶的热稳定性和贮存稳定性的研究有了很大进展,不仅使酶制剂在一定时间存放的稳定性有了保障,并使其与饲料混匀后能够耐受造粒的高温,失活率小于15%,而且费用可以接受。其方法:

1、选育酶耐热性好的生产菌种;

2、加盐。一些饲料酶制剂溶液中融入一定量的某些无机盐,比如镁盐或锌盐,然后再进行喷雾干燥,获得的酶粉贮存稳定性可以得到明显提高。这一方法已为国内生产企业采用;

3、制备包衣型酶颗粒。所谓包衣型,是在酶颗粒的外层包被上惰性材料,使其在与饲料一起高温造粒时,避免或降低对酶的破坏损失。欧洲一些著名的酶制剂制造公司上世纪80 年代成功研制出包衣型酶颗粒用于洗涤剂和饲料工业。国内本世纪已有企业开发出包衣型饲料酶。

此外,开发液体剂型饲料酶具有重要意义。

液体剂型酶制剂用于饲料,是为了避开饲料高温造粒对酶的破坏,饲料造粒后将液体酶用喷涂机喷涂于饲料颗粒表面。此方法欧洲最早使用,效果不错。本世纪初,欧洲丹尼斯克公司的液体酶开始用于广东饲料企业造粒后喷涂,并提供喷涂机,引起国内酶制剂生产企业重视。

液体酶的生产涉及到酶在液体状况下的稳定技术,应研究确定加入某种防腐剂和稳定剂,使产品在温度25℃,于密闭容器中避光贮存4 个月其酶活力不低于标示酶活。由于液体酶生产可节省能源,使用方便,上世纪90 年代国内酶制剂企业生产的糖化酶、耐高温α-淀粉酶等液体剂型已占很大比例。近几年,溢多利、尤特尔、新华扬等推出液体木聚糖酶、液体植酸酶、液体复合酶等产品提供给饲料企业,同时提供国产喷涂机,受到饲料企业欢迎。国产液体糖化酶、植酸酶已大量出口国外。

三、 酶活力测定和表示方法

酶制剂是一种具有催化作用的生物制剂,酶活力是指酶的催化能力,以酶所催化的化学反应速度表示,催化的反应速度越快,酶的活力越高。酶活力的测定是研究、生产和应用酶的基础。生产酶制剂时,产品的质量和产量酶活力为重要的依据指标。

1. 酶活力测定方法分两类

( 1) 绝对测定法

根据在指定的测定条件下,底物的消耗速率或产物的生成速率对活力进行定量。对底物质量的稳定性有严格要求。本法具有一定的普遍适用性,国内研究生产、应用多采用。

( 2) 相对测定法

采用已知活力的标准酶作为基础,在指定的测定条件下对标准酶及样品同时进行测定,将标准酶形成的产物信号绘成标准曲线,样品的酶活力由准曲线读得。该法需要有标准酶,跨国公司多采用。

不同跨国公司有各自的标准酶,酶活力定义也不一样,因此,跨国公司之间的酶活力水平没有可比性。

一些跨国公司对发酵过程中取样或最终酶制剂产品测定酶活力,采用芬兰Konelab 系列自动分析仪等先进分析手段,排除人为影响因素,对样品进行准确分析。

2.酶活力测定方法标准

酶制剂的活力测定方法有国家标准、行业标准、企业标准三种。如果有国家标准,应执行国家标准。

如果没有国家测定标准,有行业测定标准,应执行行业测定标准。如果没有国家和行业测定标准,执行企业测定标准。

酶制剂生产企业菌种和工艺文件是保密的,但活力测定方法是公开的。

企业在产品说明书中应说明执行的产品标准编号,说明酶活力定义,公示活力测定方法可以来函索取,这样做,实际是倡导明明白白消费。

较长时间以来,工业酶制剂归口轻工行业管理,可用于饲料的α-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、脂肪酶等上世纪80 年代起已有国家或轻工行业标准。进入新世纪,农业部相继发布了用于饲料的植酸酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶等产品的质量标准。在农业部未发布标准前,饲料酶生产企业执行企业标准,由于企业生产该产品的技术来源不同,各企业酶活力的测定方法不同,同一样品,其测定结果不会相同。以木聚糖酶为例,尽管均采用DNS 法,以Sigma 公司的燕麦木聚糖为底物,但不同企业底物浓度不同( 1%和2%两种) ,反应温度不同( 40 ℃、50 ℃两种) ,反应时间不同( 10 min、15 min 和30min 三种) ,在这三个不同条件下,测定结果不会一样。当时,木聚糖酶的酶活力定义有3 种:

( 1) 在测定条件下,1 h 水解木聚糖产生1 mg还原糖( 以木糖计) 所需的酶量定义为一个酶活力单位。

( 2) 在测定条件下,1 min 水解木聚糖产生1μg 还原糖( 以木糖计) 所需的酶量定义为一个酶活力单位。

( 3) 在测定条件下,1 min 水解木聚糖产生1Umol 还原糖( 以木糖计) 所需的酶量定义为一个酶活力单位。此表示方法为1961 年国际酶学会议规定。

这三种酶活力单位表示方法,其数值相差很大。上述情况,由于不同企业生产的同一产品缺乏可比性,造成使用时混乱。因此,农业部发布饲料酶活力测定方法标准,有利于酶制剂在饲料工业的推广应用。

四、使用酶制剂可降低饲料生产成本

酶制剂用于饲料,国内外学者研究和企业应用表明,可以扩大饲料原料的来源,提高饲料原料的营养价值,比如通过降解单胃动物几乎不能利用的一些多糖,从而提高了日粮的代谢能值,对粗蛋白的消化率亦有较明显的提高。

一个典型的实例为2001 年我国玉米价格一路上涨,不少饲料企业探索降低饲料成本的方法,增加小麦、麦麸、米糠等非常规饲料的使用量,如用小麦替代配合饲料中玉米50% 的用量,当时小麦比玉米每吨差价200 元。添加木聚糖酶、β-葡聚糖酶、果胶酶、蛋白酶等组成的复合酶制剂消除非淀粉多糖( NSP) 的抗营养作用,可大大降低饲料成本。据广东饲料行业管理部门提供的信息,2001 年对饲料酶制剂的需求量一直处于上升趋势,有些酶制剂厂的产量半年内翻了一倍。很多饲料厂、养殖场户通过实践认识到添加复合饲料酶,既可以使用小麦、大麦等非常规饲料,又可以达到保质保量,降低成本的目的。实践表明,小麦比玉米每吨差价50 元以上,用小麦替代部分玉米,添加复合饲料酶制剂,既具有成本优势。

欧洲和澳大利亚的肉鸡实验证明,饲用复合酶提高饲料代谢能幅度为( 0. 49 ~ 0. 93) MJME /kg。根据该实验数据提出了一个降低代谢能0. 5MJME /kg的能值,相当每吨饲料可节约40 kg 玉米。

国内有学者应用复合酶调整蛋鸡饲料配方试验表明,在常规饲料中,减去1% ~ 2%玉米和0. 5% ~1%豆粕,增添1. 5% ~ 3%沸石粉,添加0. 03%复合酶,与对照组比较,提高代谢能为0. 254 kcal /g ~0. 331kcal /g,产蛋率提高2. 6% ~ 3. 7%。按常规饲料减去1. 5%玉米和0. 5%豆粕,相当每吨饲料减9. 3 kg 玉米和2 kg 豆粕,扣除购买沸石粉和复合酶支付的费用,饲料企业每吨饲料的原料总成本可下降约5 ~ 10 元。

诺维信2008 年推出乐多仙ProAct,是一种热稳定性较好的蛋白酶,通过补充动物体内自身的消化酶,例如胃蛋白酶和胰蛋白酶的不足,释放各种饲料蛋白原料的营养价值,减少豆粕等蛋白原料用量,使饲料成本降低几个百分点。该产品已在巴西、拉美、欧洲和亚洲各国上市。

现在,国内饲料酶生产企业,大都建立了应用技术实验室,配有动物营养工程师,根据饲料原料品种和动物种类、年龄,研究确定添加哪些酶及添加量。

据报道,武汉新华扬历时9 年,建立了饲料原料底物数据库、底物—酶动态数据库和酶—潜在营养价值数据库。重视酶的应用技术,可设计较科学的加酶饲料配方,降低饲料生产成本。

五、酶制剂在环境保护中发挥重要作用

几乎在所有的谷物饲料中,绝大部分磷酸盐以植酸形式存在( 肌醇六磷酸) ,比如小麦、大麦、玉米、高粱等其中植酸磷占总磷比例达到60% ~80%。由于单胃动物消化道中植酸酶的活力很低,大部分植酸磷被排出体外,不仅浪费磷源,且造成环境污染。添加植酸酶可替代饲料配方中50% ~70%的磷酸氢钙,向环境排泄的磷相应减少,在环境保护中发挥重要作用。

上世纪90 年代,巴斯夫和诺和诺德的植酸酶进入我国饲料市场,当时由于酶的售价较高,磷酸氢钙便宜,应用企业不多。

中国农科院饲料所承担的植酸酶研发项目( 包括禽类、鱼类、猪等专用植酸酶) ,列入国家“863”计划,于1998 年取得重大突破,在国内率先实现工业生产。2005 年研究又取得重大进展,开发出新一代高比活植酸酶,处于国际领先地位。2010 年,该产品生产销售超过15 000 吨,产值超过3 亿元,占据了国内植酸酶市场90%以上。

实验表明,酶活力5 000U/g 的植酸酶1 kg 能够从植物中的植酸磷分解出8 kg 有效磷。2010 年,我国饲料行业统计,由于使用植酸酶,节约饲料原料磷酸氢钙20 万吨以上,并使动物粪便中排出的可污染环境的磷减少了约30 万吨。

诺维信的环境评估指出,饲料中加入蛋白酶乐多仙ProAct,可相应减少肉鸡排泄物中氮的含量,最终降低家禽养殖业的环境影响。每年,欧洲要饲养约63 亿只肉鸡,美国饲养86. 6 亿只,如果整个行业采用乐多仙ProAct,欧洲可将排放到大气中的氮减少2 万吨,美国可减少3 万吨。欧洲一些国家已颁布法规限制氮排放。


酶制剂可以应用于很多行业,进入新世纪以来,饲料酶制剂发展最为迅速。2010 年,在中国生物发酵产业协会和企业老总支持下,我曾对我国市场对酶制剂的需求量按9个应用行业进行评估,饲料行业位居首位,年需求量10 亿元,占需求总量40 亿元的25%。饲料工业为我国国民经济10 大产业之一。2013 年全国饲料产量达到1. 92 亿吨,出口105. 6 万吨。饲料企业逐渐大型化。已有企业年产量百万吨以上,并在国外建厂,为酶制剂的应用提供了很大的空间。应进一步开发饲料酶新品种,解决生产和应用中存在的问题( 比如开发基因工程细菌和曲霉菌高效表达、研究酶学特性、酶的耐热性、液体酶常温贮存稳定性等) 。这些问题的解决,将推动我国饲料酶制剂持续发展。