生物科技在飼料工業上的應用
奧特奇(Alltech)，創立十五年來，能夠快速的成長，係建立在一原則上，即以科學性的研究來解決全世界畜牧生產所面臨的問題，並以所研得之成果，生產出具有市場潛力的產品。這種探究需要有一種「市場導向」的哲學來引導。進一步是技術人員對所要探討的問題做一全盤性的思考，很多時候，在其他研究人員還未真正參與工作之前，他們就必須先提出研究計劃，然後才是所有參與的工作人員全心的投入，以確保計劃在預定的時間和進度內完成。十五年來，奧特奇雇用了250位員工，目前名列全球成長最快的美國公司的第89位。意想不到的是，這些排名前百名的公司中，只有奧特奇是參與生物技術和畜牧生產的公司，其他大部分公司的性質，不用置疑的，幾乎是從事電腦和電子通訊事業。而奧特奇的成長心脈，經常是位於目前的兩大生物技術中心(Bioscience centers)，以及1995年在中國大陸北京開幕的生技中心。這些中心，與許多所大學及其他公司合作，提供大學生一個充滿創意的學習環境，另一方面，學生則提供予公司幾近無限的才幹、年輕氣息和好疑的精神。隨著北京生技中心的開幕，全職的研究人員將達45人。
奧特奇的事業含括相當廣的領域，包括環境問題、健康問題及畜產方面的問題。在我們看來，這些不同的領域都密切的關連(表1)。舉例來說，在畜牧上，使用酵素可增加飼料的利用效率，而且是可減低動物廢棄物對環境的污染。同樣的，提升鋅、銅、硒、鉻和磷的利用率可減少其自糞便排出的量，更對家畜的健康和營養分的利用上帶來極大的衝擊。更重要的是，我們必須有一種觀念，即這些研究將反應到消費者身上。如家畜的飼料品質，是否含有黃麴毒素(aflatoxin)、沙門氏菌(salmonella)、抗生素(antibotic)殘留，瘦肉率以及動物的健康狀況。這些問題都在家畜的產物變成人類食物時反應到人類身上，同時家畜副產物與堆肥都與人們的生活脫離不了關係。所以不管是在實驗室或現場來研究這些問題，我們都不會將市場的訴求及消費者的利益給犧牲掉。
表1. 奧特奇在農業問題上所鎖定的目標
| 環境與農業 | 動物健康 | 飼料品質與利用 |
| 副產物利用 | 瘤胃過酸 | 飼料黴菌毒素 |
| 磷酸鹽的污染 | 鉻的代謝 | 飼糧中特殊酵素 |
| 硒的利用 | 免疫與營養 | 保護性胺基酸 |
| 糞臭與分解 | 生菌劑：活性酵母菌 | 蛋白礦物質複合物 |
| (S. Cerevisiae Var boulardii) | ||
環境與農業
家畜之糞臭
世界上所有的畜牧生產都或錯或對的被指為會對空氣和水源構成污染。營養師們不斷的接獲新法規，規定糞便要如何處理，如何避免磷或氮流入河川，如何減少氨的瀰漫，這些規定直接或間接的限制了單位土地面積所能飼養之家畜頭數。
最近在美國，養豬業界很快的聯合起來，反攻媒體的報導，這還包括對農業友善的出版界，其中一個例子是最近的一系列由Des Mones Register出版商出版的「豬戰(The Hog Wars)」。縱使是美國養豬業的心臟地，愛俄華州(Iowa)，也正對肉豬生產加以限制。目前被認定的三個主要污染是臭味、糞中氮及糞磷。北卡羅萊那州立大學(North Carolina State)的Tark Force認為臭味是畜牧生產上的首號問題，牧場內令人不悅的臭味含許多毒氣，包括硫化氫及氨氣。後者是我們研究的對象。一種萃取自絲蘭(Yucca Schidigera)，經標準化後的醣類物質(Glycocompound)具有很大的潛力。我們成功的關鍵在於發展出一套品管的處理過程，使天然的萃取物可經過標準化，此種醣類物質，可有效的結合氨氣(Headon et al., 1991；Killeen et al., 1994)，它刺激堆肥中微生物的生長，以便有效的利用堆肥中的氮，因而減少家禽堆肥中將近50％的氨氣被彌散出來。同時更進一步的增進動物健康和生產表現，且相當明顯的提升增重及降低發病率和死亡率。在肉雞生產上，顯著的降低因腹水(ascite)所造成的損失；在肉豬生產上增加生長期及肥育階段的生產效率(表2、表3)。
表2. 剋氨寶(De-0dorase)對21天和42天肉雞生產性能之影響
| 21天 | 42天 | |||
| 對照組 | 剋氨寶 | 對照組 | 剋氨寶 | |
| 體重(g) | 532a | 553a | 1640 | 1614 |
| 採食量(g) | 755b | 767a | 2873 | 2864 |
| 飼料轉換率(FCR) | 1.53b | 1.49a | 1.80 | 1.82 |
| 死亡率(％) 一般性 腹水 |
5.54b 0.55a |
3.88a 0.64a |
14.88b 6.69b |
12.13a 5.00a |
ab平均差異
*Arce and Avila,1994
表3. 剋氨寶(De-0dorase，Yucca Schidigera萃取物)對肥育豬舍中氨濃度和豬隻生產表現之影響
| 對照組 | 剋氨寶 | |
| 起始NH3 | 30 | 30 |
| 最終NH3 | 30 | 20 |
| 體重(kg) | 32 | 30.23 |
| 上市體重(kg) | 91.67 | 91.88 |
| 上市天數 | 73 | 73 |
| 日增重(g) | 820 | 850 |
另外，牧草地及靡爛芻料的臭味也非常重要。此可藉由絲蘭萃取物來進行除臭。康乃爾(Cornell)大學的專家對此萃取物進行試驗。他們每天餵飼每頭牛(cow)3g的剋氨寶，並在廢水池中加入剋氨寶。結果氨氣的釋出量減少了40-50％(圖1)，在進行抽取廢水池的廢水到田間作業時，鄰近的居民不再提出抗議。更甚的是，廢水池中的固形物降低，節省了許多時間，同時減少抽取和噴酒廢水的能源支出。
植酸磷的利用
磷酸鹽的污染情形可藉由新發現的酵素而減少，那就是植酸𠕇(phytase)和纖維素(cellulase)。此二酵素活力的結合可使糞中磷酸二鈣(dicalicum phosphate)減少0.1％，實質上的減少了磷酸鹽的浪費。Cantor et al., (1994)利用黑麴菌(Aspergillus niger)之磷酸𠕇和植酸𠕇增加飼料中有效磷的含量。從脛骨灰分(脛骨灰分與飼糧中Ca和P的量呈最佳的直線關係)。對飼糧中有效磷含量之迴歸等式，可以發現基礎飼糧中添加等量的植酸𠕇提升了約0.1％有效磷，粗略等於40％的植酸磷。顯而易見，植酸𠕇的添加對減少家禽飼料中磷酸鹽用量確實是個有效的方法，而且由於去除了具抗營養特性的植酸(Phytin)，也促進了動物對胺基酸和礦物質的利用效率。
鉻，一個最適營養代謝所必需之營養素：長瘦肉、緊迫和生殖效率
全世界的畜牧生產有一個趨勢，那就是降低屠體脂肪含量。事實上，大部份動物食品工業者都密切注意三價鉻(Cr+3)的研究，因為在一些研究中顯示出有增加瘦肉率的效果。例如、酵母鉻(Cr yeast)毗啶甲酸鉻(Cr picolinate)對屠體組成有影響(Wenk et al., 1995, 表4)。三價鉻(Cr+3)最早由Schwartz and Mertz於1959年鑑定為葡萄糖耐受因子(Glucose Tolerance Factor,GTF)的組成分。此物質可恢復飼予礦物質缺乏飼糧之大鼠的葡萄糖耐受能力，這方面的研究以及在動物和人類的發現，都證明鉻是GTF的輔助因子(cofactor)，可促進胰島素(Insulin)的作用，增進循環系統內的葡萄糖被移入周圍組織內(Anderson and Mertz，1977)。
表4. 添加Cr對屠體性狀的影響
| 對照組 | 酵母鉻 | 啶甲酸鉻 | |
| 屠體評級(Quality Score) | 2.1 | 2.3 | 2.4 |
| 相對比例(％) | 100 | 110 | 114 |
| 背脂厚度(cm) | |||
| 最後腰椎處(croupe) | 1.6 | 1.7 | 1.6 |
| 最後肋骨處(Back) | 1.8 | 2.0 | 1.9 |
| 腰眼面積(cm2) | 49.5 | 53.8 | 48.6 |
屠體評級：2為正常；3為高瘦肉量
葡萄糖耐受因子的正確結構式迄今未明，目前的構想是以菸鹼酸─Cr+3─菸鹼酸為軸心，再接上麩胺酸(Glutamic acid)、甘胺酸(Glycin)及半胱胺酸(Cysteine)(Mertz et al., 1974圖2)。相同的，GTF促進胰島素功能的作用機制亦未知，然而Mooradian and Morley(1987)之研究指出GTF可促進胰島素在標的細胞上與其接受器(receptor)結合(圖3)。研究至今，GTF因子在畜牧飼料的應用上顯著太貴了，不過不用擔心，業者已生產出含1000ppm的有機鉻之標準品可供使用。
圖2. 葡萄糖耐受因子的建議構造式
圖3. GTF鉻與胰島素的關係
右將葡萄糖移入周圍組時之關係
最近有機鉻的研究焦點在於其對生殖效率的影響。Lindemann et al, (1995)報告中指稱第一次發情女豬於200ppb有機鉻的添加(整個生長和生產期)下，提高了窩仔數(litter size)和離乳活仔數(表5)。有學者指出鉻對生育力的影響係透過提高組織對胰島素的親和力。母豬的生殖週期受下視丘─腦下腺─卵巢軸內泌素的刺激／抑制所調控。激黃體素(Leutenizing Hormone，LH)受下視丘激性腺素釋放素(GnRH)刺激而分泌，作用於卵巢而影響離乳後的動情週期(Estrous cycle)，外源胰島素證實可增加LH的分泌，以增加濾泡的形成並排卵(ovulation)(Cox, 1995). Cox發現使用外源胰島素可改善新女豬之「新二胎窩仔數暴跌(Second litter Slump)」的現象而增加窩仔數。有效胰島素的降低將導致哺乳母豬的能量呈現負平衡。鉻對促進生殖能力的作用可能後增加組織對胰島素的親和力，經由訊息傳遞到下視丘／腦下腺／卵巢內內泌軸而對生殖性能造成影響(Lindemann et al., 1995)。
表5. 飼糧鉻對新女豬窩仔數的影響
| Trt1 | Trt2 | Trt3 | |||||
| 生長階段Cr, ppb | 0 | 200 | 500／1000 | P 值 | |||
| 生殖階段Cr, ppb | 0 | 200 | 0 | SD | SD | Trt1(總) | Trt2(總) |
| 窩仔數(litter sige) 總出生仔數 出生活仔數 21天仔數 乳時仔數 |
9.58 8.93 8.15 8.10 |
11.82 11.25 10.30 10.25 |
10.50 10.07 9.34 9.25 |
3.01 2.93 2.77 2.69 |
3.01 2.93 2.77 2.69 |
0.09 0.07 0.08 0.07 |
0.03 0.02 0.03 0.02 |
*(改編自Lindemann et al., 1995)
其他學者亦發現Cr+3對內分泌調節作用的影響。Page et al.(1993)的報告，雖然結果不甚一致，但可看出鉻的添加對豬生長素濃度有增加的趨勢。Mowat(1994)以5~6mg有機鉻飼予小女牛(Heifer)，結果其體內IGF濃度增加，泌乳量比對照組多出13％，且胰島素和IGF-1的接受器一樣多，可在高濃度下相互影響。由於IGF-1具有類似胰島素的功能，在代謝和內分泌的調節作用有很複雜的關係(White et al., 1994)，因此對葡萄糖、胺基酸和脂肪的代謝都有影響。
Pagan and Jackson(1995)發現餵飼鉻於劇烈運動的馬可提昇血中葡萄糖的清除能力，與吃不含鉻之穀物的馬比較之下，其血液中胰島素和Cortisol(皮質酮)的濃度均較低，且在劇烈運動及運動過後的血漿乳酸濃度亦較低(圖4)。此結果可瞭解為何添加鉻可提升馬兒對劇烈運動的耐受能力。
免疫：甘露寡糖(Mannanoligo saccharides)和最適免疫反應
免疫系統是體內極度複雜的防禦系統。任何有機體都依賴系統來分辦自身和外來的細胞，而一旦發現是外來的病原體即有效的產生抵抗作用。近幾年來的研究傾向在於瞭解如何透過飼料品質或成分來影響家禽的免疫活性，這個趨勢反應出目前極為集約和密集的家禽產業存在著緊迫和健康的問題，更反應出抗生素效果的衰減。利用萃取自酵母細胞壁的甘露寡糖(Mannanoligo saccharide)添加於動物飼料，以試驗其刺激免疫反應的能力，是我們正在進行的研究。甘露寡糖扮演對腸道及一般性病原菌產生免疫反應，許多常見的腸道病原菌(Enteric pathogen)如大腸桿菌(Escherichia Coli)及沙門氏菌(Salmonella)之外源凝集素(Lectins)認識甘露糖(Mannose)而攻擊小腸上皮細胞，飼糧中加入甘露糖可減低病原菌在腸道增生和穿透腸壁之能力。而且細菌細胞壁的甘露糖經由另類的路徑(Alternative pathway)致活輔助系統而引起階梯激活反應(Cascadeactivation)(圖5)，此反應增加吞噬細胞和巨噬細胞(Macrophage)，而加速抗原的清除並促進發炎反應(Inflammatory response)。此機制說明了Bio-Mos增加有效吞噬細胞的效果。
波蘭當局認識到在整個抗沙門氏菌的計劃中，添加相當高劑量(3kg／噸)確實可有效的清除沙門氏菌。在商業生產上，甘露糖展現了其對疾病的抵抗力以及增進家畜幾項生產之表現。Reid(1994)發現在兔子的離乳飼糧中加入Bio-Mos可減輕腸炎(Enteritis)和球蟲病(Coccidia)所帶來的緊迫而造成的損失(圖6)。火雞業者亦指稱有促進生長的效果，且每隻火雞的飼料消耗量減少了1.3kg(圖7)，而肉豬生產上亦顯示有減少飼料支出及增加增重的效果。故可見此項技術未來的發展將是非常令人鼓舞的。
微生物生菌作用：活性酵母菌(Saccharomyces cerevisiae Var Boulardii)在單胃動物的應用
酵母菌屬之不同代謝和細胞壁持性而在調整腸道微生物之利用上有不同的作用形式。活性酵母1026和8417可刺激某些重要的瘤胃菌群之生長。而S. cerevisiae varboulardii(SCB)可能在單胃動物和家禽方面較為有用，如以SCB處理正進行抗生素治療的病患有遏止病原菌繁殖之效果(Surawiz et al., 1989)。此種破壞腸道病原菌叢的作用對於用藥中的家畜亦相同；同時亦解釋了為何使用酵母菌於家畜飼料可提升家畜之生產表現。Bradley et al., (1994)提出一個假說，認為腸道微生物菌叢(microflora)的改變是受到腸道上皮細胞顯微構造改變的影響。試驗以0.01，0.02及0.06％的SCB添加於玉米／大豆飼糧餵飼家禽，結果三種處理之21日齡雛重都顯著的增加，而且自組織學上的分析，揭示出0.02％SCB飼糧組之腸道杯狀細胞(goblet cell)的高和深都減少。腸道杯狀細胞是微生物棲息之處；其所分泌的粘液蛋白(Mucin)是微生物的營養來源，對於在無菌室生長的老鼠，其小腸絨毛數目較多(Larson, 1989)。李培昆氏腺(Lieberkuhn Crypt)行有絲分裂(Mitosis)形成上皮細胞，腺窩較淺表示細菌產生之毒素較少，這即SCB對此等有毒代謝物質的抑制作用，可省下許多能量來用於瘦肉組織的生長(Bradley et al., 1994)。
飼料黴菌毒素：一個隱形殺手
最近之調查顯示全世界有黴菌毒素(mycotoxin)污染的穀物高達25％，而產生此種黴菌毒素的黴菌(mold)是可以利用高濃度的酸和乾燥的方法加以控制。儘管如此，飼料中黴菌毒素還是經常殘留著。最主要考慮的黴菌毒素是黃麴毒素(aflatoxin)，其他尚包括Zearalenone, Vomitoxin和fumonisin。在詳細的研究這些毒素的化學結構後，新的生物吸收劑(absorbents)被開發出來，此吸收劑，可在不影響重要營養素如維生素和礦物質的情況下清除毒素。一些深具潛力的結合劑(Binding agents)已被開發出來(表6)。業經修正的甘露糖已被證實是個極佳的毒素吸收劑，初步的研究顯示可成功的結合aflatoxin和Zearalenone. Trenholm and co-worker(1994)發現甘露寡糖可結合aflatoxin和Zearalenone(圖9)。
表6. 有效結合各種毒素的結合劑
| 黴菌毒素 | 有效的結合劑 |
| aflatoxin | 矽、酵母菌之甘露糖 |
| Zearalenone | 酵母菌甘露糖、膽脂烯胺 |
| Ochratoxin | 木炭、膽脂烯胺(Cholestyramine) |
| Vomitoxin | |
| Fumonisine |
Deregowda(個人通訊)證實甘露糖可結合黃麴毒素B1，並發現在PH4.5時，不論開始的毒素濃度是250ppb或500ppb，其所結合的百分比都相同，而在PH增至6.8時被結合的毒素也逐漸的增加。也許不久的將來，使用這樣範圍的結合劑而製成的有效抗毒素包(antitoxin pack)的理想將可實現。
飼糧特殊酵素：促進蛋白質飼料成分的利用
經過幾年的研究和現場實用經驗，飼料工業界開始肯定碳水化合物酵素在促進穀物能量利用上之功效，世界上有許多地方的飼料廠，在家禽之大麥(Barley)飼糧和小麥(Wheat)飼糧中，例行性的加入β-六碳糖脢(β-glucanase)和五碳糖脢(pentosanase)。最終的好處是飼料公司可在不損失飼料效率的情況下任意的變換飼料原料。然而目前的注意力已轉向同時提升蛋白質飼料原料之蛋白質和能量的利用率。儘管如此，還是得小心的選取能作用於原料中某種基質(Substrate)的酵素。Pugh and Charlton(個人通訊)以特殊的酵素配方，稱做Allzyme VerProⅡ加入以油仔籽為主要原料的肉雞飼糧中，結果增加了氮矯正代謝能(TMEn)。從來調整酵素配方以應用於大豆粕為主要原料的飼糧，結果在每噸飼料加入1kg時，TMEn增加7.2％；在每噸飼料加入2kg時，則TMEn增加9.2％(圖11)。
過瘤胃保護性胺基酸
瘤胃之發酵作用是消化纖維所必需的，然而對於必需胺基酸和甲硫胺酸(methionine)和離胺酸(lysine)而言則是浪費的。最好的方法是將此等胺基酸直接加到小腸，由於必須經過瘤胃內容物的分解，到最後這些胺基酸往往是負的平衡。有鑑於此，研究如何提供一種胺基酸，使其在PH6-7的情況下不會被分解；而在PH4時又轉變成可被動物利用，是這方面探討的重點。目前已發展出來的兩個方法：
1. 利用酵母菌境養的Yea-Sace1026。因為它可選擇性的刺激瘤胃甘菌群的生長。Erasmus et al.(1992)指出小腸確實增加了相當生物質量的離胺基酸和甲硫胺酸(參考圖12)。事實上瘤胃微生物本身就生產了其自身的過瘤胃胺基酸。
2. 另一種選擇是利用酵母菌在瘤胃的生存能力，而能夠將代謝物質運送通過瘤胃。目前已生產出富含離胺酸和甲硫胺酸的酵母菌品系，並正在進行商用測試。其中的一個品系的甲硫胺酸與離胺酸的比例是1：3，且總胺基酸含量比一般高10％，此產品可能於明年上市。
結論：展望未來
許多國家，包括美國和大部分歐洲國家，誠如以上述及的新產品，都必須經過註冊。由於這些產品大部分都不是傳統的飼料成分形態，以致在評估和註冊的作業上截然不同。而且分析這些原料盛或品的方法和技術也要同時發展出來，如以放射線漫射技術(radial diffusion technique)來分析酵素是個完善的方法，又如分析絲蘭(Yucca Schidigera)的有效成分之方法亦已面市。同時酵素的分析方法也可以用來鑑定酵素在經過打粒(pelleting)後是否還具有活性。
奧特奇公司(Alltech)自訂了一個目標，到公元2000元將使公司擴大至750人，以及在每一塊大陸上都設有生物技術中心。這些中心足以應付當地的產業需求，同時可以吸收當地大學的專家。因此，未來的發展潛力是無窮的，然而這任務是艱辛但令人鼓舞的。如果說歷史具有警世作用，那麼雇用年輕科學的策略，將使公司完成此項極具挑戰性的目標，更可解決許多畜牧生產的重要問題。如果說生活在這令人鼓舞的時刻時必須期許的，那麼至少科學的一切是我們所真正期望的。
飼料營養雜誌(p.37~53)─Dr. T. P. LYONS．九五年第十二期
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