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導(dǎo)讀

從20世紀(jì)中葉研究起始至今，短短60年時(shí)間，飼用酶制劑先后經(jīng)歷了從以助消化為目的第一代飼用酶制劑、以降解簡(jiǎn)單抗?fàn)I養(yǎng)因子為目的第二代飼用酶制劑，向以降解復(fù)雜抗?fàn)I養(yǎng)因子或毒物為目的第三代飼用酶制劑的跨越（馮定遠(yuǎn)，2012）。第一代飼料酶制劑，由于其主要目的是補(bǔ)充體內(nèi)“消化酶”，一般也稱(chēng)為“外源性營(yíng)養(yǎng)消化酶”，如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、乳糖酶、肽酶等；第二代飼料酶制劑則以降解“單一組分抗?fàn)I養(yǎng)因子或毒物”為目的，如木聚糖酶、β- 葡聚糖酶、纖維素酶、黃曲霉毒素脫毒酶類(lèi)等，這類(lèi)酶以非淀粉多糖酶為主，主要是水解酶類(lèi)，而黃曲霉毒素脫毒酶是分解酶類(lèi)；以降解“多組分抗?fàn)I養(yǎng)因子”為目的的酶制劑，如α- 半乳糖苷酶、β- 甘露聚糖酶、果膠酶、殼聚糖酶、木質(zhì)素過(guò)氧化物酶，我們可稱(chēng)之為“第三代飼料酶制劑”。

當(dāng)前，飼料酶制劑的研究和技術(shù)發(fā)展迅速，在飼料中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，但是目前飼料酶制劑開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中仍然存在許多問(wèn)題。酶制劑在畜禽日糧中的應(yīng)用還有不少的爭(zhēng)議，而且這些問(wèn)題和爭(zhēng)議將會(huì)很長(zhǎng)時(shí)間存在。不少的飼料酶制劑產(chǎn)品達(dá)不到作為飼料添加劑的要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的盲目性還比較普遍。但不可否認(rèn)，酶制劑是最有發(fā)展前景的飼料添加劑之一，作為一類(lèi)具有生物學(xué)活性的飼料添加劑產(chǎn)品，天然、綠色、安全、高效是其本身的特性，決定了其使用具有廣闊的前景。飼料酶制劑比其他酶制劑更加復(fù)雜，問(wèn)題更突出，其中對(duì)酶制劑的功能、特性、作用，特別是如何與動(dòng)物的生理特性結(jié)合起來(lái)，如何使其價(jià)值的量化，如何營(yíng)養(yǎng)化等等，將是飼料酶制劑急需解決的問(wèn)題，也是將來(lái)研究的重點(diǎn)。

影響酶制劑在飼料中應(yīng)用的因素很多，既有酶本身的因素、動(dòng)物對(duì)象的因素，也有日糧構(gòu)成及其加工的因素，還有綜合的因素等。本文將針對(duì)理想飼料酶制劑的一些特性以及如何根據(jù)動(dòng)物生理特點(diǎn)、飼料加工等因素改進(jìn)酶制劑的特性進(jìn)行論述，并提出一些改進(jìn)思路和設(shè)計(jì)方案。

1酶制劑的生物不穩(wěn)定性

酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，它與所有其他的飼料蛋白質(zhì)一樣，對(duì)動(dòng)物胃酸、胃蛋白酶、胰蛋白酶和飼料加工處理非常敏感。飼料蛋白質(zhì)是以氨基酸為單位而發(fā)揮作用的，所以無(wú)需維持構(gòu)型，而飼料酶制劑如果不能夠耐受動(dòng)物胃內(nèi)的酸性環(huán)境、不能夠抵抗胃蛋白酶和胰蛋白酶的消化、不能夠耐受飼料加工過(guò)程中的高溫高濕條件，則其構(gòu)型就會(huì)發(fā)生改變甚至被破壞，以致發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變性，而失去活性不再發(fā)揮作用。

從自然界中篩選的不同微生物基因所表達(dá)的酶制劑，其生物敏感性也有比較大的差異。Pettersson 等（1997）研究證實(shí)，由高溫霉菌（Thermomyces）、腐質(zhì)霉（Humicola）和木霉（Trichoderma）分離到的木聚糖酶在熱穩(wěn)定性上也存在差異。由木霉分離到的木聚糖酶在75℃調(diào)質(zhì)溫度下明顯失活；而由高溫霉與腐質(zhì)霉分離到的木聚糖酶在85℃調(diào)質(zhì)溫度下可保留80%以上的活性。其中由高溫霉菌分離到的木聚糖酶，即使在95℃的調(diào)質(zhì)溫度下仍可保留70%以上的活性。

所以，作為飼料用酶制劑，一方面我們要篩選特性好、對(duì)底物降解能力強(qiáng)的酶制劑，同時(shí)還要篩選的酶制劑盡可能耐受胃酸、胃蛋白酶、胰蛋白酶和飼料加工制粒時(shí)的高溫、高濕條件。當(dāng)然，我們除了從自然界中篩選具備這些抗逆特性的酶制劑基因外，隨著生物技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們還可以對(duì)一些特性好的酶制劑基因進(jìn)行針對(duì)性的抗逆特性改造。比如，我們可以通過(guò)基因突變選育或基因工程改造的手段，使由木霉分離到的木聚糖酶對(duì)飼料制粒調(diào)質(zhì)溫度的耐受性從75℃提高到85℃，即在85℃調(diào)質(zhì)溫度下可保留90%以上的活性。同樣，我們也可以通過(guò)基因突變選育或基因工程改造的手段，獲得能夠耐受胃酸、胃蛋白酶、胰蛋白酶的飼料酶制劑。

里氏木霉

2酶制劑的種類(lèi)和來(lái)源的多樣性

目前，用于飼料酶制劑的種類(lèi)和來(lái)源非常多，如何選擇適用于各種復(fù)雜的飼料原料和飼料配方以及不同的動(dòng)物品種和生理階段的酶制劑，這也是飼料酶制劑行業(yè)面臨的一個(gè)重大課題。

以最常用的木聚糖酶和植酸酶為例，木聚糖酶由細(xì)菌和真菌產(chǎn)生，此類(lèi)微生物包括：需氧性微生物（aerobes）、厭氧性微生物（anaerobes）、嗜溫微生物（mesophiles）、嗜熱微生物（thermophiles）和極端微生物（extremophiles）。通常，木聚糖酶對(duì)多聚木聚糖的內(nèi)部β-1,4鍵有活性，這種木聚糖酶稱(chēng)為內(nèi)切木聚糖酶。根據(jù)其對(duì)不同多糖的活性，內(nèi)切木聚糖酶又可分為特異性和非特異性木聚糖酶（Coughlan，1992、1993）。特異性?xún)?nèi)切木聚糖酶僅對(duì)木聚糖的β-1,4鍵有活性，而非特異性?xún)?nèi)切木聚糖酶可以水解以β-1,4鍵連接的木聚糖、混合木聚糖的β-1,4鍵及其它糖類(lèi)β-1,4鍵連接的多糖。

很多種微生物能夠產(chǎn)生對(duì)植酸具有水解作用的酶類(lèi)，Dvorakova（1998）列出了29種已知的能夠產(chǎn)生植酸酶活性的真菌、細(xì)菌、酵母。所列的這29種微生物中，21種產(chǎn)生的是細(xì)胞外植酸酶，如細(xì)絲狀真菌——黑曲霉（Aspergillus niger）能產(chǎn)生一種高活性的細(xì)胞外植酸酶等（Volfova等，1994）。植酸酶可以被分成6-植酸酶和3-植酸酶。這種分類(lèi)是根據(jù)植酸分子水解的起始位點(diǎn)而劃分的， 6-植酸酶多來(lái)源于植物，而3-植酸酶是由霉菌（Aspergillussp.）產(chǎn)生的。

我們?cè)谶x擇飼料酶制劑的時(shí)候，就要根據(jù)飼料原料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子特性來(lái)選擇相應(yīng)種類(lèi)和來(lái)源的酶制劑。另外，為了提高酶制劑的降解效率并適應(yīng)復(fù)雜的飼料原料和配方，我們還可以選擇多種來(lái)源的作用于同一底物的酶制劑進(jìn)行組合，即目前已經(jīng)在飼料酶制劑行業(yè)中使用的組合酶技術(shù)。比如我們可以選擇高效降解玉米木聚糖的木聚糖酶和高效降解小麥木聚糖的木聚糖酶進(jìn)行組合，用于目前常用的玉米-小麥日糧；選擇酸性木聚糖酶和中性木聚糖酶進(jìn)行組合，以擴(kuò)大木聚糖酶的作用pH范圍，適應(yīng)動(dòng)物胃中偏酸性的環(huán)境和腸道的中性環(huán)境。

3動(dòng)物種類(lèi)和生理階段的差異性

目前，單胃動(dòng)物日糧中使用酶制劑已迅速得到普及和推廣，酶制劑在單胃動(dòng)物體內(nèi)的作用機(jī)制和作用模式也已經(jīng)建立。酶制劑在反芻動(dòng)物日糧中添加對(duì)其生產(chǎn)性能有改善作用，但是結(jié)果并不完全一致，瘤胃消化道的特點(diǎn)（如有很多微生物菌落，能產(chǎn)生很多內(nèi)源性酶制劑） 使得外源酶制劑在反當(dāng)動(dòng)物體內(nèi)的作用機(jī)制更加復(fù)雜（McAllister等，2001）。同樣是單胃動(dòng)物，豬和家禽也是有差別的，豬和家禽對(duì)日糧中添加外源性碳水化合物酶反應(yīng)不同的原因可能由生理解剖結(jié)構(gòu)不同引起的（Chesson，1993；Dierick等，1994、1996）。與家禽相比，影響豬對(duì)酶制劑潛在反應(yīng)的主要因素有：胃腸道解剖結(jié)構(gòu)、消化能力以及食糜的特征等（Partridge，2001）。不同種類(lèi)和來(lái)源的酶制劑的最佳pH值不同，肉仔雞嗉囊的存在，使得一些酶在進(jìn)人pH值低的肌胃之前，首先在相對(duì)高的pH值環(huán)境（pH值約為6.0）中發(fā)揮活性。而對(duì)于豬來(lái)講，在胃的pH值更低的環(huán)境中（pH值小于3），酶制劑會(huì)迅速與其底物接觸，而潛在地影響到外源性酶的活性。另外，家禽的固態(tài)和液態(tài)食糜的平均保留時(shí)間比豬少（Moran，1982），所以這兩種動(dòng)物對(duì)外源性酶制劑的需要及相對(duì)重要性也有差異。

幼齡動(dòng)物的消化生理明顯與成年動(dòng)物不同，酶制劑的作用差別更大。用外源酶對(duì)豆粕進(jìn)行預(yù)處理，這對(duì)幼齡動(dòng)物特別是對(duì)早期斷奶仔豬似乎有重要意義（Hessing等，1996；Rooke等，1998），而用酶制劑預(yù)處理的大豆粕對(duì)生長(zhǎng)育肥豬似乎不特別重要。

根據(jù)不同的動(dòng)物種類(lèi)和生理特點(diǎn)來(lái)選擇飼料酶制劑尤為重要。比如，乳仔豬處于生長(zhǎng)發(fā)育的初級(jí)階段，體內(nèi)各種內(nèi)源酶的分泌機(jī)能還不夠成熟，同時(shí)喂給乳仔豬的飼料中通常含有較高的動(dòng)物源性蛋白質(zhì)、脂肪等，而含有較少的高水平抗?fàn)I養(yǎng)因子的植物性原料，故乳仔豬日糧中酶制劑的選擇應(yīng)以酸性蛋白酶、中性蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等為主，以補(bǔ)充內(nèi)源酶分泌不足，而非淀粉多糖酶類(lèi)應(yīng)作為輔助酶制劑使用。反芻動(dòng)物飼料酶制劑的作用部位主要在瘤胃，由于瘤胃內(nèi)特殊的消化環(huán)境（pH6.5左右的偏中性環(huán)境，大量的微生物群系，多種內(nèi)源酶的作用），外源酶制劑在瘤胃中作用受到很多因素的影響，造成了外源酶制劑在反芻動(dòng)物中使用的效果不確定性。但以瘤胃真菌基因所表達(dá)的中性纖維素酶和以瘤胃產(chǎn)甲烷菌基因表達(dá)的中性木聚糖酶（湖南尤特爾生化有限公司奶牛專(zhuān)用復(fù)合酶）在產(chǎn)奶牛日糧中的應(yīng)用，取得了顯著的效果，奶牛的產(chǎn)奶性能和乳脂產(chǎn)量有明顯的提升（任慧波等，2013；徐曉明等，2014）。

4谷物中天然抑制因子對(duì)酶制劑的抑制作用

Debyser等（1997）在研究用大麥芽和未發(fā)芽小麥釀造過(guò)程中阿拉伯木聚糖的增溶作用時(shí)，首次證明了小麥中含有蛋白類(lèi)木聚糖酶抑制劑。近年來(lái)在一些谷物（如小麥、黑麥、硬粒小麥、大麥、水稻和玉米）中已發(fā)現(xiàn)三種不同類(lèi)型的木聚糖酶抑制劑，分別為T(mén)AXI 型、XIP型和TLXI 型。這些谷物中存在的抑制木聚糖酶活性的蛋白質(zhì)，降低了木聚糖酶在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用效果。

Gebruers等（2001）用Bacillus subtilis 木聚糖酶和Aspergillus niger木聚糖酶作為純化過(guò)程中抑制活性測(cè)定的實(shí)驗(yàn)酶，從小麥中得到了兩種具有不同抑制活性的TAXI 亞型：TAXI-I 和TAXI-II。其中，TAXI-I 為非糖基化的堿性單體蛋白，分子量大約為40 kDa； TAXI-II 為非糖基化的二聚體蛋白，兩個(gè)亞單位分子量分別為30 kDa 和10 kDa。

XIP型木聚糖酶抑制劑 XIP-I 是一種糖基化的堿性單體蛋白，pI 約為8.8，分子量為29 kDa，擁有一個(gè)獨(dú)特的N-末端序列(AGGKTGQVTVFWGRN)，該抑制劑的糖基化水平約為2%(w /w)，與近年來(lái)鑒定的有兩個(gè)N-糖基化位點(diǎn)的 XIP-I 的X-射線衍射結(jié)構(gòu)相吻合。通過(guò)陽(yáng)離子交換層析(CEC)和疏水色譜(HIC)的方法首先從小麥中分離出 XIP 型抑制劑，并用黑曲霉木聚糖酶作為其純化的實(shí)驗(yàn)酶（McLauchlan W R，Garcia-Conesa M T，Williamson G.等，1999）。從其他一些谷物，如黑麥、硬粒小麥、大麥及玉米中純化得到的XIP-I，其分子特性及N-末端氨基酸序列與小麥XIP-I 高度相似，都是堿性單體蛋白。其中，黑麥和硬粒小麥 XIP 的pI 為8.0～8.5，大麥XIP 的 pI 為8.1～9.0，玉米 XIP 的 pI 為7.0～7.5 (Goesaert H，Gebruers K，Brijs K等，2011)。通過(guò)高分辨率的陽(yáng)離子交換及等電聚焦，已經(jīng)從不同谷物中檢測(cè)到至少5種亞型的XIP-I（Gebruers K，Goesaert H，Brijs K 等，2002）。

Fierens等（2007）發(fā)現(xiàn)，谷物中除了 TAXI 型和 XIP 型木聚糖酶抑制劑之外，還存在第三種在結(jié)構(gòu)上完全不同于前兩種的木聚糖酶抑制劑———TLXI ( Thaumatinlike xylanase inhibitor)型。TLXI首先在小麥中被發(fā)現(xiàn)，與類(lèi)甜蛋白( TLPs) 的同源相似性達(dá)60%以上，且具有類(lèi)甜蛋白典型的特征。因此，TLXI 型抑制劑被劃分到類(lèi)甜蛋白家族，與該家族的 TLP3 同源性最高。

通常來(lái)說(shuō)，同一種木聚糖酶抑制劑對(duì)不同來(lái)源的木聚糖酶抑制程度有所區(qū)別。TAXI 型抑制劑作用于 GH11 家族細(xì)菌和真菌來(lái)源的木聚糖酶，而對(duì) GH10 家族真菌木聚糖酶則沒(méi)有抑制作用（Gebruers K，Debyser W，Goesaert H 等，2001）。除棘孢曲霉(Aspergillusaculeatus，GH10) 木聚糖酶及厭氧真菌(如 Neocallimastix，GH11)來(lái)源的木聚糖酶外， XIP 型抑制劑 XIP-I 對(duì) GH10 和GH11 家族的真菌木聚糖酶有抑制作用，而對(duì) GH10 和GH11 家族的細(xì)菌木聚糖酶沒(méi)有抑制作用(Flman R，McLauchlan W R，Juge N 等，2002)。TLXI 能非競(jìng)爭(zhēng)性抑制大部分 G/11 家族的木聚糖酶，但不抑制 GH10 和高等電點(diǎn)的GH11 木聚糖酶。例如: G/11 家族高等電點(diǎn)的長(zhǎng)枝木霉木聚糖酶II( pI9.0)、枯草芽孢桿菌木聚糖酶對(duì) TLXI 不敏感。實(shí)驗(yàn)證實(shí)野生 TLXI 和重組 TLXI 均為慢的緊束縛型抑制劑，而 TAXI 和 XIP則屬于競(jìng)爭(zhēng)型的抑制劑（Fierens E，Rombouts S，Gebruers K 等，2007）。

谷物中木聚糖酶抑制劑的存在大大降低了木聚糖酶的使用效果，不僅增加了動(dòng)物生產(chǎn)中的飼料成本，而且造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染。隨著分子生物技術(shù)的發(fā)展和對(duì)木聚糖酶抑制劑研究的逐漸深入，弄清木聚糖酶抑制劑與不同來(lái)源木聚糖酶的作用機(jī)理，并進(jìn)一步篩選出對(duì)抑制劑敏感度較低(具有良好抗逆性)的木聚糖酶，不僅是推動(dòng)畜牧生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，同時(shí)也是響應(yīng)低碳減排、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。相關(guān)的研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展， 第一是篩選出對(duì)抑制劑敏感度較低的木聚糖酶的天然菌株；第二是對(duì)木聚糖酶分子進(jìn)行人工改良，以降低木聚糖酶對(duì)抑制劑的敏感度，最終獲得對(duì)抑制劑敏感度極低的木聚糖酶及其工程菌株。

5日糧營(yíng)養(yǎng)水平與酶作用提供可利用營(yíng)養(yǎng)的比較性

從理論上講, 不管是直接提高營(yíng)養(yǎng)成分消化率的酶制劑（如蛋白酶、淀粉酶等）,還是間接提高飼料營(yíng)養(yǎng)消化利用的酶制劑（如木聚糖酶、葡聚糖酶等）,都不同程度提高了動(dòng)物消化道總的有效營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)量，這與沒(méi)有添加酶制劑的情況不同。在實(shí)踐應(yīng)用中，如果按照原來(lái)的營(yíng)養(yǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)日糧配方，營(yíng)養(yǎng)水平已經(jīng)偏高的情況下，供給有效營(yíng)養(yǎng)總量已經(jīng)足夠，再使用酶制劑的意義就不大，生產(chǎn)中也有可能顯示不出效果。營(yíng)養(yǎng)水平較高的玉米-豆粕型日糧中添加酶制劑沒(méi)有明顯效果（Charlton，1996），在 Borja vila（1999）的試驗(yàn)中，當(dāng)日糧中的大豆粕含量增加到60%時(shí)，其代謝能和未加酶組相比無(wú)差異。該結(jié)果與 Leske 等（1993）的報(bào)道一致，這說(shuō)明有必要調(diào)整飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。在某些情況下，使用了酶制劑以后，動(dòng)物的采食量反而下降（不少情況是提高采食量），一種解釋是使用酶制劑提高了可利用（有效）營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)，特別是可消化能或代謝能，有時(shí)候動(dòng)物能夠根據(jù)營(yíng)養(yǎng)水平（如代謝能水平）調(diào)節(jié)采食量，相應(yīng)地動(dòng)物將減少飼料的攝人量。

目前在飼料酶制劑的精確使用和加酶日糧的飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)方面，不少酶制劑生產(chǎn)廠商和科研機(jī)構(gòu)都投入了大量的人力物力進(jìn)行研究，也取得了不少創(chuàng)新性成果。其中，加酶日糧ENIV（有效營(yíng)養(yǎng)改進(jìn)值）系統(tǒng)的建立和應(yīng)用，給酶制劑的精確使用指明了方向，但由于不同來(lái)源的酶制劑即使針對(duì)同一種原料的降解效果也存在很大差異，故不同酶制劑生產(chǎn)廠家顯然無(wú)法建立統(tǒng)一的飼料原料或日糧配方的ENIV值數(shù)據(jù)庫(kù)供客戶(hù)使用。這就要求酶制劑生產(chǎn)廠家必須針對(duì)自己的酶制劑（單酶或復(fù)合酶）建立常用飼料原料的ENIV值數(shù)據(jù)庫(kù)供客戶(hù)制作日糧配方時(shí)參考，這對(duì)酶制劑生產(chǎn)廠家來(lái)講確實(shí)是一項(xiàng)投資巨大、耗時(shí)耗力，但意義重大的工程。

6酶制劑在畜禽飼料中應(yīng)用功能的多元性

酶制劑在飼料中的應(yīng)用功能有許多方面，其中營(yíng)養(yǎng)功能是最主要的。但是，某些酶制劑并不表現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)的功能，反映在一般的生產(chǎn)性能方面的效果可能不明顯。傳統(tǒng)上，人們討論酶制劑在畜禽日糧中使用的效果時(shí)，一般是考慮動(dòng)物的生產(chǎn)性能，特別是日增重和飼料報(bào)酬。酶制劑在畜禽飼料中應(yīng)用大部分也是改善動(dòng)物傳統(tǒng)意義上的生產(chǎn)性能，但是部分酶制劑的功能并不表現(xiàn)在典型的生產(chǎn)性能提高，而有可能是其他性能，或者是廣義上的生產(chǎn)性能，例如外觀表現(xiàn)、健康狀況、整齊度、成活率、同期出欄的比例等等，廣義上的生產(chǎn)性能同樣也影響飼養(yǎng)的效益。這些狹義上的生產(chǎn)性能（或者傳統(tǒng)意義上的生產(chǎn)性能）以外的其他動(dòng)物生產(chǎn)性能指標(biāo)稱(chēng)為“非常規(guī)動(dòng)物的生產(chǎn)性能指標(biāo)”（馮定遠(yuǎn)等，2011）。由于酶制劑的復(fù)雜性及其功能的多元性，有些時(shí)候，應(yīng)用“非常規(guī)動(dòng)物生產(chǎn)性能指標(biāo)”評(píng)定飼料酶制劑的作用效果更有意義。

隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展和飼養(yǎng)水平的不斷提高，人們對(duì)飼用酶制劑的特性和功能的要求也越來(lái)越高，理想的飼用酶制劑將是未來(lái)飼料酶制劑發(fā)展的方向和追求的目標(biāo)。我相信，隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展和酶制劑應(yīng)用技術(shù)研究的不斷深入，理想的飼用酶制劑離我們?cè)絹?lái)越近，也會(huì)源源不斷地應(yīng)用到我們的畜牧養(yǎng)殖和飼料生產(chǎn)中，為提高畜牧養(yǎng)殖的水平和飼料工業(yè)的效益發(fā)揮不可磨滅的作用。