探讨饲料添加酵素之效果
酵素为一具有催化作用之蛋白质,存在於动物、植物及微生物之细胞内。水解酵素是最常用来应用於动物饲粮,以改善对饲料中营养成分之利用率。表一为此类水解酵素之名称及作用;其中以淀粉鶣、蛋白鶣、聚葡萄糖鶣(glucanase)、半纤维素鶣(hemicellulase)、聚木糖鶣(xylanase)在饲料工业上被应用之比例较多。
表1. 水解酵素(hydrolases)之名称及作用
酵素名称 | 作用 |
淀粉鶣(amylases) | 淀粉→糊精、醣类 |
蛋白鶣(proteinases) | 蛋白质→ 鷇、胺基酸 |
聚葡萄糖鶣(glucanases) | 聚葡萄糖→低分子量聚葡萄糖、葡萄糖 |
纤维素鶣(cellulases) | 纤维素→低分子量纤维素、纤维双糖 |
半纤维素鶣(hemicellulases) | 水解β,1-4之甘露糖键结 |
聚木糖鶣(xylanases) | 水解β1-3木糖键结 |
淀粉葡萄糖鷈鶣(amyloglucosidases) | 糊精→葡萄糖 |
脂肪鶣(lipase) | 脂质→脂肪酸、甘油 |
果胶鶣(pectinase) | 果胶→五碳醣 |
纤维双糖鶣(cellobioase) | 纤维双糖→葡萄糖 |
乳糖鶣(lactase) | 乳糖→半乳糖、葡萄糖 |
水解酵素虽於1950年即被应用添加至动物饲料,但由於当时所应用之酵素主要是针对生产食品,饮料及洗洁剂之用,因此所生产之酵素并不适用於饲料或动物之肠道环境(Chesson,1987)。导致早期酵素应用於畜牧生产之改善效果并不明显。近年来,因使用抗生素或化学制剂促进动物生长所造成畜产品残留问题及因应用非传统性之饲料原料如大麦、小麦、燕麦、裸麦、鲁冰豆或葵花子粕等之比例增加,而使酵素工业之应用再度重视。综观饲料添加酵素具有下列之意义:
1. 补充动物内源性酵素之活性:
特别是幼畜在其消化道尚未完全发育,补充消化酵素,以提高营养分之消化率。进一步因残留至後肠供微生物粕酵之基质减少,而减少消化道疾病之发生。
2. 破坏饲料原料所含之抗营养因子(anti-nutritional factor):
因单胃动物消化道缺乏破坏抗营养因子之适当酵素,而影响或干扰其他有效营养分之利用,此些抗营养因子如大豆粕之α-半乳糖鷈(α-galac─toside)、棉籽粕之棉籽酚(gossypol)、豆类之寡醣(oligosaccharides)、大麦之β-聚葡萄糖鷈(β-glucan)或五碳聚醣(pentosan)。
3. 改善营养分之可利用率:
谷类之细胞壁结构,含多量之非淀粉多醣类(non─starch─polysaccharides),由於不被消化酵素水解,因此限制酵素的作用及细胞内营养分之扩散。此类非淀粉多醣如经水解破坏,提高其他营养分之可利用率,降低排泄减少环境污染。
针对上述酵素添加之意义,显示酵素之添加应有目标,如补充或加强消化道酵素则以淀粉鶣、蛋白鶣或脂肪鶣为宜,而其他之多醣类酵素乃是针对所用之特殊原料而添加。但由於饲料组成分复杂,因此如以复合酵素(multi─enzyme)方式添加更为适当,但需考虑多种酵素之添加,其效果并无加成性。
饲料添加酵素对猪、家禽(肉鸡或蛋鸡)生产性状之改善效果,已被广泛探讨。但在试验报告或实际饲养之结果则变异相当大(Langhout et al. 1997),亦有不显着之添加效果(Goh et al. 1982;Allen et al. 1997)。酵素添加至饲料,经摄取後,由於动物之消化道为一复杂之生物反应器,因此酵素於in vitro下之活性,并不能完全表现,导致添加效果之差异性。兹就影响酵素添加效果之可能原因分述如下:
1. 酵素活性力价含量
2. 酵素之特性差异
3. 饲料原料选择
4. 动物年龄
一、酵素活性力价含量
酵素活性(activity)高低乃以其力价(unit)表示,许多商业化之酵素产品虽明确标示其力价含量,然而在力价之定义却有相当大之差异。力价之定义乃指单位时间内基质被酵素作用产生一固定量生成物所需之酵素量称之一unit。於此定义下,如同一酵素作用之基质不同,且作用条件(温度、pH)不同,而所释出之生成物以1μ mole或1μg或1mg表示,所得力价含量即有相当差异。所以同一酵素,以不同力价定义表示,则含量亦异。因此在比较酵素活性高低,应就同一条件下加以比较才是正确的。
二、酵素之特性差异
酵素经添加至饲料後,因饲料加工处理、消化道环境均影响酵素之活性,且商业化酵素来源自动物,植物或微生物(细菌或霉菌),不同酵素(包括同一酵素,不同来源)之特性各异,如最适作用温度、pH,温度及pH之稳定性,矿物质之影响,被消化酵素作用程度等。不同酵素於pH2.0之缓冲液及动物胃内之稳定性。显然动物胃内除pH外尚有其他更复杂之因素影响酵素之活性。酵素之热稳定,亦是选择之因素之一,部份霉菌来源之酵素於室温下稳定,但超过60℃(裸露型态)即被破坏(Clesson,1993),然而於饲料打粒过程中因有饲料之保护,所以影响程度降低(Yu & Tsen,1993)。此外如饲料中所含之矿物质如Cl-是淀粉鶣之致活因子,但Fe2+、Zn-2+、Ca2+则明显抑制木瓜酵素(papain)之活性,而对同为植物来源之凤梨酵素(bromelain)之影响并不明显(Yu & Tsen, 1993)。因此为使添加之酵素於消化道内仍有活性,须审慎了解酵素之特性。
三、饲料原料选择
由於酵素之作用具有基质特异性,而蛋白质与淀粉是饲料原料之主要成分,因此淀粉鶣、蛋白鶣应用之范围较为广泛。然而针对含有特定之抗营养因子之原料,如含β-glucan之大麦、燕麦,含聚木糖、阿拉伯聚木糖之小麦、大豆、裸麦(表二),及含甘露聚糖(mannan)之大豆等,此类非淀粉多醣类因不被单胃动物肠内之消化酵素水解,且水溶性部分,因具有成胶性(gel─forming),使肠内容物之粘滞性增加,降低蛋白质、能量之消化、吸收及造成粘稠之排泄物(Bedford,1995)。因此,以此类谷类为主之饲粮,添加多醣类水解酵素则具有意义。但添加效果会因饲粮中水溶性非淀粉多醣类之含量及饲粮中所用之油脂来源不同呈现完全不同之效果(表三,Langhout et al. 1997)。
表2. 不同谷类所含非淀粉多醣类之组成(%乾物质)
组成分为(%) | 玉米 | 高粱 | 小麦 | 去壳大麦 | 大豆粕 |
淀粉 粗纤维 非淀粉多醣类 β-聚葡萄糖 阿拉伯聚木糖 纤维素 木质素 |
64 2.5 8 0.1 4.4 2.4 0.5 |
62 2.2 8 0.7 4.5 2.1 0.6 |
61 2.5 10 0.7 5.4 2.5 0.7 |
56 4.0 17 4.0 6.3 3.9 2.0 |
2.7
21.7
6.2 1.6 |
表3. 不同脂肪来源与聚木糖鶣对肉鸡生长性状影响(1-21日龄)
Group | Fat Source | Enzyme Addition | Weight gain(g) | Food Intake (g/bird/d) | Food/Gain Ratio |
Ⅰ | Soya oil | - | 636b | 48.7 | 1.610ab |
Ⅱ | Soya oil | + | 638b | 47.3 | 1.556a |
Ⅲ | Animal fat | - | 567a | 47.2 | 1.748c |
Ⅳ | Animal fat | + | 621b | 48.6 | 1.644b |
SEM(df=20) | 17.7 | 1.3 | 0.0205 | ||
a,b,cMean values within a column with no common superscripts differ significantly(P≤0.05). (Langhout et al., 1997) |
有关纤维素鶣之应用,乃针对植物细胞壁成分之破坏及降解,以增加细胞内成分与消化酵素作用之机会,即降低纤维於消化道上所引起之负作用(negative effect)。然而细胞壁成分除纤维素外,仍含有其他结构性纤维,所以单一之纤维素鶣之添加,效果并不显着(Inborr & Ogle,1988)。
四、动物年龄
酵素添加效果於不同生长阶段之动物,其结果亦异;淀粉鶣及蛋白鶣添加至离乳猪(3─7周龄)中,显着增加其体重及饲料转换率(Collier and Hardy,1986),然而添加至已成长之猪只,并未获得改善效果(Cromwell et al., 1988),此原因为年幼仔猪其消化系统尚未发育完全,包括胃内pH值偏高,及消化酵素分泌不足(Lindemann et al., 1986;Owsley et al., 1986)。β-glucanase或xylanase添加至肉鸡後期饲料(Yu et al., 1998)或蛋鸡饲料(Albustany and Elwinger,1988)中均未获得显着之改善效果。此乃因成熟鸡只,其消化道因受前期阶段摄取含glucan或xylan之饲粮,刺激肠内微生物产生水解酵素,致添加效果并不如小鸡阶段之明显。
近十年来酵素之应用逐渐增加,为使酵素之添加达到显着之效果,有关限制酵素於动物消化道内活性之因素需加以考虑外,选用适当之酵素,始能提高酵素之添加效果。而将来利用生物科技生产"second generation enzyme"以提高酵素之稳定性亦为重要之方向。
饲料营养杂志(p.71~77)─余碧、九八年七期