生物科技在饲料工业上的应用

        奥特奇(Alltech)，创立十五年来，能够快速的成长，系建立在一原则上，即以科学性的研究来解决全世界畜牧生产所面临的问题，并以所研得之成果，生产出具有市场潜力的产品。这种探究需要有一种「市场导向」的哲学来引导。进一步是技术人员对所要探讨的问题做一全盘性的思考，很多时候，在其他研究人员还未真正参与工作之前，他们就必须先提出研究计划，然後才是所有参与的工作人员全心的投入，以确保计划在预定的时间和进度内完成。十五年来，奥特奇雇用了250位员工，目前名列全球成长最快的美国公司的第89位。意想不到的是，这些排名前百名的公司中，只有奥特奇是参与生物技术和畜牧生产的公司，其他大部分公司的性质，不用置疑的，几乎是从事电脑和电子通讯事业。而奥特奇的成长心脉，经常是位於目前的两大生物技术中心(Bioscience centers)，以及1995年在中国大陆北京开幕的生技中心。这些中心，与许多所大学及其他公司合作，提供大学生一个充满创意的学习环境，另一方面，学生则提供予公司几近无限的才干、年轻气息和好疑的精神。随着北京生技中心的开幕，全职的研究人员将达45人。

        奥特奇的事业含括相当广的领域，包括环境问题、健康问题及畜产方面的问题。在我们看来，这些不同的领域都密切的关连(表1)。举例来说，在畜牧上，使用酵素可增加饲料的利用效率，而且是可减低动物废弃物对环境的污染。同样的，提升锌、铜、硒、铬和磷的利用率可减少其自粪便排出的量，更对家畜的健康和营养分的利用上带来极大的冲击。更重要的是，我们必须有一种观念，即这些研究将反应到消费者身上。如家畜的饲料品质，是否含有黄麴毒素(aflatoxin)、沙门氏菌(salmonella)、抗生素(antibotic)残留，瘦肉率以及动物的健康状况。这些问题都在家畜的产物变成人类食物时反应到人类身上，同时家畜副产物与堆肥都与人们的生活脱离不了关系。所以不管是在实验室或现场来研究这些问题，我们都不会将市场的诉求及消费者的利益给牺牲掉。

表1. 奥特奇在农业问题上所锁定的目标

环境与农业

家畜之粪臭

        世界上所有的畜牧生产都或错或对的被指为会对空气和水源构成污染。营养师们不断的接获新法规，规定粪便要如何处理，如何避免磷或氮流入河川，如何减少氨的弥漫，这些规定直接或间接的限制了单位土地面积所能饲养之家畜头数。

        最近在美国，养猪业界很快的联合起来，反攻媒体的报导，这还包括对农业友善的出版界，其中一个例子是最近的一系列由Des Mones Register出版商出版的「猪战(The Hog Wars)」。纵使是美国养猪业的心脏地，爱俄华州(Iowa)，也正对肉猪生产加以限制。目前被认定的三个主要污染是臭味、粪中氮及粪磷。北卡罗莱那州立大学(North Carolina State)的Tark Force认为臭味是畜牧生产上的首号问题，牧场内令人不悦的臭味含许多毒气，包括硫化氢及氨气。後者是我们研究的对象。一种萃取自丝兰(Yucca Schidigera)，经标准化後的醣类物质(Glycocompound)具有很大的潜力。我们成功的关键在於发展出一套品管的处理过程，使天然的萃取物可经过标准化，此种醣类物质，可有效的结合氨气(Headon et al., 1991；Killeen et al., 1994)，它刺激堆肥中微生物的生长，以便有效的利用堆肥中的氮，因而减少家禽堆肥中将近50％的氨气被弥散出来。同时更进一步的增进动物健康和生产表现，且相当明显的提升增重及降低发病率和死亡率。在肉鸡生产上，显着的降低因腹水(ascite)所造成的损失；在肉猪生产上增加生长期及肥育阶段的生产效率(表2、表3)。

表2. 克氨宝(De-0dorase)对21天和42天肉鸡生产性能之影响

ab平均差异

*Arce and Avila,1994

表3. 克氨宝(De-0dorase，Yucca Schidigera萃取物)对肥育猪舍中氨浓度和猪只生产表现之影响

        另外，牧草地及靡烂刍料的臭味也非常重要。此可藉由丝兰萃取物来进行除臭。康乃尔(Cornell)大学的专家对此萃取物进行试验。他们每天喂饲每头牛(cow)3g的克氨宝，并在废水池中加入克氨宝。结果氨气的释出量减少了40-50％(图1)，在进行抽取废水池的废水到田间作业时，邻近的居民不再提出抗议。更甚的是，废水池中的固形物降低，节省了许多时间，同时减少抽取和喷酒废水的能源支出。

植酸磷的利用

        磷酸盐的污染情形可藉由新发现的酵素而减少，那就是植酸鶣(phytase)和纤维素(cellulase)。此二酵素活力的结合可使粪中磷酸二钙(dicalicum phosphate)减少0.1％，实质上的减少了磷酸盐的浪费。Cantor et al., (1994)利用黑麴菌(Aspergillus niger)之磷酸鶣和植酸鶣增加饲料中有效磷的含量。从胫骨灰分(胫骨灰分与饲粮中Ca和P的量呈最佳的直线关系)。对饲粮中有效磷含量之回归等式，可以发现基础饲粮中添加等量的植酸鶣提升了约0.1％有效磷，粗略等於40％的植酸磷。显而易见，植酸鶣的添加对减少家禽饲料中磷酸盐用量确实是个有效的方法，而且由於去除了具抗营养特性的植酸(Phytin)，也促进了动物对胺基酸和矿物质的利用效率。

铬，一个最适营养代谢所必需之营养素：长瘦肉、紧迫和生殖效率

        全世界的畜牧生产有一个趋势，那就是降低屠体脂肪含量。事实上，大部份动物食品工业者都密切注意三价铬(Cr⁺³)的研究，因为在一些研究中显示出有增加瘦肉率的效果。例如、酵母铬(Cr yeast)毗啶甲酸铬(Cr picolinate)对屠体组成有影响(Wenk et al., 1995, 表4)。三价铬(Cr⁺³)最早由Schwartz and Mertz於1959年鉴定为葡萄糖耐受因子(Glucose Tolerance Factor,GTF)的组成分。此物质可恢复饲予矿物质缺乏饲粮之大鼠的葡萄糖耐受能力，这方面的研究以及在动物和人类的发现，都证明铬是GTF的辅助因子(cofactor)，可促进胰岛素(Insulin)的作用，增进循环系统内的葡萄糖被移入周围组织内(Anderson and Mertz，1977)。

表4. 添加Cr对屠体性状的影响

屠体评级：2为正常；3为高瘦肉量

        葡萄糖耐受因子的正确结构式迄今未明，目前的构想是以菸硷酸─Cr⁺³─菸硷酸为轴心，再接上麸胺酸(Glutamic acid)、甘胺酸(Glycin)及半胱胺酸(Cysteine)(Mertz et al., 1974图2)。相同的，GTF促进胰岛素功能的作用机制亦未知，然而Mooradian and Morley(1987)之研究指出GTF可促进胰岛素在标的细胞上与其接受器(receptor)结合(图3)。研究至今，GTF因子在畜牧饲料的应用上显着太贵了，不过不用担心，业者已生产出含1000ppm的有机铬之标准品可供使用。

图2. 葡萄糖耐受因子的建议构造式

图3. GTF铬与胰岛素的关系

右将葡萄糖移入周围组时之关系

        最近有机铬的研究焦点在於其对生殖效率的影响。Lindemann et al, (1995)报告中指称第一次发情女猪於200ppb有机铬的添加(整个生长和生产期)下，提高了窝仔数(litter size)和离乳活仔数(表5)。有学者指出铬对生育力的影响系透过提高组织对胰岛素的亲和力。母猪的生殖周期受下视丘─脑下腺─卵巢轴内泌素的刺激／抑制所调控。激黄体素(Leutenizing Hormone，LH)受下视丘激性腺素释放素(GnRH)刺激而分泌，作用於卵巢而影响离乳後的动情周期(Estrous cycle)，外源胰岛素证实可增加LH的分泌，以增加滤泡的形成并排卵(ovulation)(Cox, 1995). Cox发现使用外源胰岛素可改善新女猪之「新二胎窝仔数暴跌(Second litter Slump)」的现象而增加窝仔数。有效胰岛素的降低将导致哺乳母猪的能量呈现负平衡。铬对促进生殖能力的作用可能後增加组织对胰岛素的亲和力，经由讯息传递到下视丘／脑下腺／卵巢内内泌轴而对生殖性能造成影响(Lindemann et al., 1995)。

表5. 饲粮铬对新女猪窝仔数的影响

*(改编自Lindemann et al., 1995)

        其他学者亦发现Cr⁺³对内分泌调节作用的影响。Page et al.(1993)的报告，虽然结果不甚一致，但可看出铬的添加对猪生长素浓度有增加的趋势。Mowat(1994)以5~6mg有机铬饲予小女牛(Heifer)，结果其体内IGF浓度增加，泌乳量比对照组多出13％，且胰岛素和IGF-1的接受器一样多，可在高浓度下相互影响。由於IGF-1具有类似胰岛素的功能，在代谢和内分泌的调节作用有很复杂的关系(White et al., 1994)，因此对葡萄糖、胺基酸和脂肪的代谢都有影响。

        Pagan and Jackson(1995)发现喂饲铬於剧烈运动的马可提升血中葡萄糖的清除能力，与吃不含铬之谷物的马比较之下，其血液中胰岛素和Cortisol(皮质酮)的浓度均较低，且在剧烈运动及运动过後的血浆乳酸浓度亦较低(图4)。此结果可了解为何添加铬可提升马儿对剧烈运动的耐受能力。

免疫：甘露寡糖(Mannanoligo saccharides)和最适免疫反应

        免疫系统是体内极度复杂的防御系统。任何有机体都依赖系统来分办自身和外来的细胞，而一旦发现是外来的病原体即有效的产生抵抗作用。近几年来的研究倾向在於了解如何透过饲料品质或成分来影响家禽的免疫活性，这个趋势反应出目前极为集约和密集的家禽产业存在着紧迫和健康的问题，更反应出抗生素效果的衰减。利用萃取自酵母细胞壁的甘露寡糖(Mannanoligo saccharide)添加於动物饲料，以试验其刺激免疫反应的能力，是我们正在进行的研究。甘露寡糖扮演对肠道及一般性病原菌产生免疫反应，许多常见的肠道病原菌(Enteric pathogen)如大肠杆菌(Escherichia Coli)及沙门氏菌(Salmonella)之外源凝集素(Lectins)认识甘露糖(Mannose)而攻击小肠上皮细胞，饲粮中加入甘露糖可减低病原菌在肠道增生和穿透肠壁之能力。而且细菌细胞壁的甘露糖经由另类的路径(Alternative pathway)致活辅助系统而引起阶梯激活反应(Cascadeactivation)(图5)，此反应增加吞噬细胞和巨噬细胞(Macrophage)，而加速抗原的清除并促进发炎反应(Inflammatory response)。此机制说明了Bio-Mos增加有效吞噬细胞的效果。

        波兰当局认识到在整个抗沙门氏菌的计划中，添加相当高剂量(3kg／吨)确实可有效的清除沙门氏菌。在商业生产上，甘露糖展现了其对疾病的抵抗力以及增进家畜几项生产之表现。Reid(1994)发现在兔子的离乳饲粮中加入Bio-Mos可减轻肠炎(Enteritis)和球 病(Coccidia)所带来的紧迫而造成的损失(图6)。火鸡业者亦指称有促进生长的效果，且每只火鸡的饲料消耗量减少了1.3kg(图7)，而肉猪生产上亦显示有减少饲料支出及增加增重的效果。故可见此项技术未来的发展将是非常令人鼓舞的。

微生物生菌作用：活性酵母菌(Saccharomyces cerevisiae Var Boulardii)在单胃动物的应用

        酵母菌属之不同代谢和细胞壁持性而在调整肠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长。而S. cerevisiae varboulardii(SCB)可能在单胃动物和家禽方面较为有用，如以SCB处理正进行抗生素治疗的病患有遏止病原菌繁殖之效果(Surawiz et al., 1989)。此种破坏肠道病原菌丛的作用对於用药中的家畜亦相同；同时亦解释了为何使用酵母菌於家畜饲料可提升家畜之生产表现。Bradley et al., (1994)提出一个假说，认为肠道微生物菌丛(microflora)的改变是受到肠道上皮细胞显微构造改变的影响。试验以0.01，0.02及0.06％的SCB添加於玉米／大豆饲粮喂饲家禽，结果三种处理之21日龄雏重都显着的增加，而且自组织学上的分析，揭示出0.02％SCB饲粮组之肠道杯状细胞(goblet cell)的高和深都减少。肠道杯状细胞是微生物栖息之处；其所分泌的粘液蛋白(Mucin)是微生物的营养来源，对於在无菌室生长的老鼠，其小肠绒毛数目较多(Larson, 1989)。李培昆氏腺(Lieberkuhn Crypt)行有丝分裂(Mitosis)形成上皮细胞，腺窝较浅表示细菌产生之毒素较少，这即SCB对此等有毒代谢物质的抑制作用，可省下许多能量来用於瘦肉组织的生长(Bradley et al., 1994)。

饲料霉菌毒素：一个隐形杀手

        最近之调查显示全世界有霉菌毒素(mycotoxin)污染的谷物高达25％，而产生此种霉菌毒素的霉菌(mold)是可以利用高浓度的酸和乾燥的方法加以控制。尽管如此，饲料中霉菌毒素还是经常残留着。最主要考虑的霉菌毒素是黄麴毒素(aflatoxin)，其他尚包括Zearalenone, Vomitoxin和fumonisin。在详细的研究这些毒素的化学结构後，新的生物吸收剂(absorbents)被开发出来，此吸收剂，可在不影响重要营养素如维生素和矿物质的情况下清除毒素。一些深具潜力的结合剂(Binding agents)已被开发出来(表6)。业经修正的甘露糖已被证实是个极佳的毒素吸收剂，初步的研究显示可成功的结合aflatoxin和Zearalenone. Trenholm and co-worker(1994)发现甘露寡糖可结合aflatoxin和Zearalenone(图9)。

表6. 有效结合各种毒素的结合剂

        Deregowda(个人通讯)证实甘露糖可结合黄麴毒素B1，并发现在PH4.5时，不论开始的毒素浓度是250ppb或500ppb，其所结合的百分比都相同，而在PH增至6.8时被结合的毒素也逐渐的增加。也许不久的将来，使用这样范围的结合剂而制成的有效抗毒素包(antitoxin pack)的理想将可实现。

饲粮特殊酵素：促进蛋白质饲料成分的利用

        经过几年的研究和现场实用经验，饲料工业界开始肯定碳水化合物酵素在促进谷物能量利用上之功效，世界上有许多地方的饲料厂，在家禽之大麦(Barley)饲粮和小麦(Wheat)饲粮中，例行性的加入β-六碳糖 (β-glucanase)和五碳糖 (pentosanase)。最终的好处是饲料公司可在不损失饲料效率的情况下任意的变换饲料原料。然而目前的注意力已转向同时提升蛋白质饲料原料之蛋白质和能量的利用率。尽管如此，还是得小心的选取能作用於原料中某种基质(Substrate)的酵素。Pugh and Charlton(个人通讯)以特殊的酵素配方，称做Allzyme VerProⅡ加入以油仔籽为主要原料的肉鸡饲粮中，结果增加了氮矫正代谢能(TMEn)。从来调整酵素配方以应用於大豆粕为主要原料的饲粮，结果在每吨饲料加入1kg时，TMEn增加7.2％；在每吨饲料加入2kg时，则TMEn增加9.2％(图11)。

过瘤胃保护性胺基酸

        瘤胃之发酵作用是消化纤维所必需的，然而对於必需胺基酸和甲硫胺酸(methionine)和离胺酸(lysine)而言则是浪费的。最好的方法是将此等胺基酸直接加到小肠，由於必须经过瘤胃内容物的分解，到最後这些胺基酸往往是负的平衡。有鉴於此，研究如何提供一种胺基酸，使其在PH6-7的情况下不会被分解；而在PH4时又转变成可被动物利用，是这方面探讨的重点。目前已发展出来的两个方法：

        1. 利用酵母菌境养的Yea-Sace1026。因为它可选择性的刺激瘤胃甘菌群的生长。Erasmus et al.(1992)指出小肠确实增加了相当生物质量的离胺基酸和甲硫胺酸(参考图12)。事实上瘤胃微生物本身就生产了其自身的过瘤胃胺基酸。

        2. 另一种选择是利用酵母菌在瘤胃的生存能力，而能够将代谢物质运送通过瘤胃。目前已生产出富含离胺酸和甲硫胺酸的酵母菌品系，并正在进行商用测试。其中的一个品系的甲硫胺酸与离胺酸的比例是1：3，且总胺基酸含量比一般高10％，此产品可能於明年上市。

结论：展望未来

        许多国家，包括美国和大部分欧洲国家，诚如以上述及的新产品，都必须经过注册。由於这些产品大部分都不是传统的饲料成分形态，以致在评估和注册的作业上截然不同。而且分析这些原料盛或品的方法和技术也要同时发展出来，如以放射线漫射技术(radial diffusion technique)来分析酵素是个完善的方法，又如分析丝兰(Yucca Schidigera)的有效成分之方法亦已面市。同时酵素的分析方法也可以用来鉴定酵素在经过打粒(pelleting)後是否还具有活性。

        奥特奇公司(Alltech)自订了一个目标，到公元2000元将使公司扩大至750人，以及在每一块大陆上都设有生物技术中心。这些中心足以应付当地的产业需求，同时可以吸收当地大学的专家。因此，未来的发展潜力是无穷的，然而这任务是艰辛但令人鼓舞的。如果说历史具有警世作用，那麽雇用年轻科学的策略，将使公司完成此项极具挑战性的目标，更可解决许多畜牧生产的重要问题。如果说生活在这令人鼓舞的时刻时必须期许的，那麽至少科学的一切是我们所真正期望的。

饲料营养杂志(p.37~53)─Dr. T. P. LYONS．九五年第十二期

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