酶制劑在低碳環(huán)保經(jīng)濟中的應用與未來

詹志春 周 櫻 武漢新華揚生物股份有限公司，武漢 430074

酶在中國飼料工業(yè)中的應用已歷經(jīng)10多年歷史，目前為行業(yè)普遍接受。2009年中國飼用酶制產(chǎn)值已達6億元人民幣。除飼料工業(yè)領域外，能源、食品、環(huán)保等領域?qū)γ钢苿┑难芯颗c應用方興未艾，預計2013年全球酶制劑市場產(chǎn)值將突破70億美元，酶制劑已成為生物工程及其交叉學科中最熱門的研究話題。

低碳經(jīng)濟，是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導下，通過技術創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、新能源開發(fā)等多種手段，盡可能地減少煤炭石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體和廢棄物的排放，達到經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護雙贏的一種經(jīng)濟發(fā)展形態(tài)。

如何實現(xiàn)酶制劑在低碳經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)中的廣泛應用，不僅是飼料行業(yè)關注的焦點，更是人類實現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)生存與發(fā)展的關鍵。

本文將就酶制劑在飼料工業(yè)、泛生物工業(yè)中對于實現(xiàn)綠色、無抗生產(chǎn)和緩解環(huán)境污染方面的應用與未來發(fā)展趨勢進行研究與報道。

1 酶與無抗生產(chǎn)

1.1 甘露聚糖酶在低聚寡糖免疫促進作用中的應用

β-甘露聚糖酶廣泛存在于動物、植物（魔芋、萵苣等）和微生物中，是豆科植物細胞壁的主要組成成分。

β-甘露聚糖酶可將甘露聚糖降解為甘露低聚糖，其對畜禽的免疫系統(tǒng)有較好的調(diào)節(jié)作用，Savvage等（1996）報道，甘露寡糖能提高火雞粘膜IgA水平，并顯著提高血液中IgG含量，意味著甘露寡糖能同時提高與腸粘膜及體液免疫有關的免疫應答反應。Zou等（2006）的研究表明，在肉雞飼料中添加β-甘露聚糖酶能增強機體的免疫機能，增加免疫器官指數(shù)，顯著增加血清中IgM含量，促進T淋巴細胞增殖。

同時，甘露低聚糖能夠調(diào)控動物胃腸道的微生態(tài)環(huán)境，促進有益菌繁殖、抑制有害菌在腸道上皮定植（圖1），從而維持正常的消化道微生態(tài)系統(tǒng)。

圖1 甘露寡糖抑制有害菌在腸道上皮定植

1.2 木聚糖酶在益生素微生態(tài)調(diào)節(jié)中的應用

木聚糖普遍存在于植物性飼料原料的細胞壁中（表1），按其在水中的溶解程度分為水溶性和非水溶性兩種，是半纖維素中主要的結(jié)構(gòu)形式。

木聚糖酶可通過典型的酸堿親核水解反應作用于飼料原料中的木聚糖，從而產(chǎn)生木糖或木寡糖（XOS，圖2）。木寡糖又稱為低聚木糖，是由2～7個木糖分子以β-1,4糖苷鍵結(jié)合而成的功能性聚合糖。木寡糖是畜禽腸道中雙歧桿菌的主要食物，因此可高度選擇性促進雙歧桿菌的繁殖，而雙歧桿菌可促進盲腸中丁酸的產(chǎn)生，從而進一步促進厭氧菌的增殖。而丁酸可減少沙門氏菌對腸道上皮細胞的侵襲及在盲腸與組織器官中的定植，從而改善腸道微生態(tài)區(qū)系，減少腹瀉等疾病的發(fā)生。

表1 常用飼料原料中木聚糖含量及類型

圖2 0.2μm電鏡下酶制劑對聚糖的降解效果

1.3 溶菌酶在替代抗生素中的應用

溶菌酶名稱起源于1922年，A1exander F1em ing發(fā)現(xiàn)人的唾液、眼淚中存在一種可溶解細菌細胞壁的酶，因其具有溶菌作用，就命名為溶菌酶。

一般人認為，溶菌酶能切斷肽聚糖中N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸之間的β-1,4糖苷鍵，破壞肽聚糖支架，從而使細菌細胞在內(nèi)部滲透壓的作用下脹裂而死亡（B1ake CC,et a1.，1965）。

溶菌酶在飼料行業(yè)已取得一些應用研究進展。

Humphrey等 (2002)研究禽日糧抗生素替代品時，發(fā)現(xiàn)老鼠表達人的乳鐵蛋白和溶菌酶飼喂雞時也有抗生素的作用：給Cobb肉雞飼喂176mg/kg飼料的溶菌酶，飼料效率相對對照組顯著提高(P＜0.05)，十二指腸絨毛高度增加，回腸固有層變薄，腸上皮及粘膜粒性白細胞減少，表明在肉雞日糧中溶菌酶可替代抗生素使用。

DR Brundige等(2008)報道，用轉(zhuǎn)基因羊產(chǎn)生的富含溶菌酶的奶每天2遍飼喂斷奶豬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溶菌酶可影響其生長、腸上皮狀況及大腸桿菌數(shù)量。相對對照組，飼喂該奶6周的豬回腸大腸桿菌類顯著降低（P＜0.029)，腸道致病大腸桿菌數(shù)量也顯著降低 （P＜0.030)。 同時腸絨毛寬度增加 （P＜0.029)，每微米高度絨毛的上皮淋巴細胞減少（P＜0.020)。結(jié)果表明，飼喂溶菌酶可改善豬腸道健康，抵抗致病性大腸桿菌 （EPEC）。E1izabeth A.等(2006)研究發(fā)現(xiàn)溶菌酶對豬也有類似的效果。

溶菌酶除具備類似抗生素常規(guī)的抗微生物活性外，還可抗不同的病毒：如抗HIV-1(Le-Huang S,et a1，1999)，Oevermann(2003) 體外試驗發(fā)現(xiàn)溶菌酶可有效抗HSV-1（單純皰疹病毒）、副流感病毒3型及豬呼吸道冠狀病毒。張繡（2007）等發(fā)現(xiàn)來源于海洋微生物的溶菌酶可抗豬偽狂犬病毒。

1.4 噬菌體裂解酶在“后抗生素時代”中的應用

噬菌體用于抗菌治療和預防細菌感染的研究已有較長的歷史，在抗生素發(fā)現(xiàn)和廣泛使用之前，人們就設想運用噬菌體來治療細菌感染。但是許多因素阻礙了噬菌體治療的研究和發(fā)展，尤其是抗生素的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移了人們對噬菌體治療研究的興趣，忽略了對噬菌體治療的正確認識。隨著致病菌對大多數(shù)抗生素產(chǎn)生抗性，細菌的耐藥性已成為現(xiàn)代醫(yī)學中的一個非常嚴峻的問題，人類正重新進入“后抗生素”時代，亟需發(fā)展非抗生素類抗感染藥物。噬菌體裂解酶是噬菌體在感染細菌后期表達的一類細胞壁水解酶。該酶通過水解細菌細胞壁肽聚糖上糖與肽間的酰胺鍵或肽內(nèi)氨基酸殘基間的連接鍵而使細菌裂解，從而釋放出子代噬菌體用于感染其他細菌。

與抗生素相比：①噬菌體裂解酶作用只針對特異宿主菌的細胞壁，專一性強，因而作用可集中在感染部位；抗生素則是通過干擾和破壞細菌的新陳代謝而抑制和殺滅細菌，最終被排出體外，不能集中在感染部位；②噬菌體裂解酶具有高度的特異性，只破壞目標菌而不影響正常菌群，噬菌體裂解酶用于預防和治療動物的細菌感染的研究未發(fā)現(xiàn)有嚴重的副反應；抗生素在殺滅病原微生物的同時也破壞機體內(nèi)的有益菌群，從而很可能破壞機體的菌群平衡，抗生素的使用經(jīng)常出現(xiàn)多種不良反應，包括胃腸功能障礙、過敏反應及二次感染等；③一種噬菌體耐受的細菌對具有類似宿主范圍的其它噬菌體仍保持敏感；細菌性抗生素的耐受則不局限于目標菌群，因而一種抗生素就可能造成很多耐藥菌群。隨著抗生素應用的日益廣泛，細菌對一些常用的藥物已呈現(xiàn)不同程度的耐藥性；④研制開發(fā)新的噬菌體裂解酶來裂解耐受菌株相對開發(fā)新的抗生素周期短、成本低，自然界中幾乎所有的細菌都有相應的噬菌體，因而，噬菌體裂解酶的開發(fā)研究具有重要的價值。

1.5 泛素化酶在抗病毒感染及控炎癥反應中的應用

2009年《自然免疫學》雜志中報道了一種新型酶制劑--泛素化酶Nrdp1，該酶能夠直接結(jié)合在免疫識別與免疫調(diào)節(jié)中起重要作用的兩個信號分子（MyD88和TBK1）上，通過不同位點介導的泛素化過程促進MyD88降解而激活TBK1，從而抑制了MyD88信號通路觸發(fā)巨噬細胞等炎癥性細胞因子產(chǎn)生，促進TBK1信號通路觸發(fā)的Ⅰ型干擾素產(chǎn)生，從而實現(xiàn)抑制炎癥性細胞因子的產(chǎn)生，幫助機體有效清除病毒感染并減弱炎癥損害。

2 酶與去環(huán)境污染

2.1 植酸酶在減磷排放中的應用

動物集約化養(yǎng)殖體系對環(huán)境造成的污染是當今農(nóng)業(yè)面臨的主要問題，而磷污染是其中一個主要的方面。據(jù)推算，全國每年僅養(yǎng)豬業(yè)就向環(huán)境中排泄150萬噸左右的磷。過量的磷流人土壤后，會被土壤顆粒吸收，最終污染地表水。此外，水產(chǎn)養(yǎng)殖中由于向水體中投喂大量的飼料，從而大量殘餌和未被消化吸收的磷溶解于水中，造成水體磷污染。

日糧中添加植酸酶可提高植酸磷的利用率，有效降低外源磷的添加量，從而減少磷的過剩排泄和對環(huán)境的污染。目前植酸酶已在畜禽飼料中廣泛應用。但由于消化道生理特性及飼料加工特點，水產(chǎn)飼料中并未規(guī)?；褂弥菜崦?。

新華揚技術中心與武漢工業(yè)學院2008年研究表明：飼料中使用1.5%磷酸二氫鈣為對照組，在此基礎上添加中性耐溫植酸酶500和1000HYU/kg分別為試驗Ⅱ組和試驗Ⅳ組，降低磷酸二氫鈣的水平為0.75%，再添加中性耐溫植酸酶500和1000HYU/kg分別為試驗Ⅰ組和試驗Ⅲ組，在調(diào)質(zhì)、制粒溫度85℃左右的條件下制作試驗飼料，飼養(yǎng)27g大小的青魚77d后，結(jié)果顯示，試驗Ⅱ組和Ⅳ組青魚的增重率顯著大于對照組（P＜0.05），飼料系數(shù)小于對照組，但差異不顯著（P＞0.05）；當降低配合飼料中的磷酸二氫鈣配比時，添加中性耐溫植酸酶的試驗Ⅰ組和Ⅲ組青魚增重率大于對照組（P＞0.05）；添加中性耐溫植酸酶各試驗組青魚對飼料干物質(zhì)和磷的表觀消化率均大于對照組。這些結(jié)果說明，飼料中添加中性耐溫植酸酶500～1000HYU/Kg可有效促進青魚的生長，提高青魚對飼料的消化吸收。本試驗結(jié)果還說明使用中性耐溫植酸酶可使飼料磷酸二氫鈣的用量降低0.75%而不影響青魚的生長。

新華揚技術中心2009年研究表明，以初始體重(31.45±4.68)g的草魚為研究對象，在大豆粕、菜籽粕和棉粕為主要蛋白源的飼料中，用同一水平（500U/kg）的中性植酸酶梯度替代基礎飼料中2.0%的磷酸二氫鈣，替代水平分別為25%(P25)、50%(P50)和75%(P75)，研究草魚生長、魚體組成和血液生化指標的變化，以期獲得中性植酸酶對磷酸二氫鈣的適宜替代量。9周的試驗結(jié)果顯示，各替代組的增重率、特定生長率、餌料系數(shù)和成活率除P75外都與對照組無顯著性差異(P＞0.05)。全魚組成成分中粗蛋白含量，P25、P50與對照組相比無顯著性差異(P＞0.05)，但有上升趨勢；粗脂肪含量P25顯著性低于對照組(P＜0.05)，P50與對照組無顯著性差異(P＞0.05)。 血樣分析顯示，P25、P50和 P75的堿性磷酸酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶和谷草轉(zhuǎn)氨酶活性都顯著性高于對照組(P＜0.05)，且P50最高；血磷、血鈣含量與對照組相比有上升趨勢，且替代組的血鈣含量都顯著性高于對照組(P＜0.05)。根據(jù)試驗結(jié)果，飼料中加入500U/kg的中性植酸酶，磷酸二氫鈣的添加量可減少0.5%～1%，即每噸飼料中加入0.2kg的中性植酸酶，可減少5～10kg的磷酸二氫鈣。

同時，試驗表明，日糧中添加植酸酶，可降低向水體中排放的磷含量10%～35%。

2.2 復合酶在減氮排放中的應用

隨著養(yǎng)殖業(yè)集約化的發(fā)展，養(yǎng)殖業(yè)所產(chǎn)生的氮污染越來越嚴重，而且凈化氮污染的難度大、費用高。因此，集約化養(yǎng)殖場附近糞養(yǎng)分往往過度承載，已經(jīng)成為制約養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。隨糞尿排出的磷對環(huán)境的污染已成為全球性問題之一。解決氮的過量排泄，以盡量減少養(yǎng)分浪費、降低養(yǎng)殖業(yè)生態(tài)環(huán)境的破壞是養(yǎng)殖業(yè)所面臨的重大課題。

萬振環(huán)、咼于明（2009）研究表明，以對照組日糧、低氮日糧和低氮加酶日糧飼喂1日齡愛拔益加肉仔雞，試驗表明，低氮日糧導致雛禽生長性能顯著下降，但添加酶制劑可改善其生產(chǎn)性能和綜合生產(chǎn)指數(shù)，顯著降低糞便中氮的排放量。

2.3 酶在污水處理中的應用

（1）鹵醇脫鹵酶對化學制劑、農(nóng)藥廢水的處理

隨著化工業(yè)的飛速發(fā)展，以及人們對化學制劑及農(nóng)藥的廣泛使用和不正當?shù)墓I(yè)排廢，有機鹵化物污染土壤及水源的現(xiàn)象日趨普遍，其對環(huán)境及人類健康造成的危害也日趨嚴重。這類異生質(zhì)鹵化物往往自降解能力很差，同時許多該類化合物是疑似致癌或高誘變物質(zhì)。傳統(tǒng)的物理化學治理方法容易造成二次污染，因此，應用微生物降解有機鹵化物已成為研究熱點。國內(nèi)外多個研究機構(gòu)已經(jīng)成功地篩選到多種可以降解有機鹵化物的微生物菌株，其催化碳鹵鍵斷裂的機制各不相同，如以鹵代烷烴脫鹵酶和鹵酸脫鹵酶為代表的水解脫鹵、還原脫鹵酶通過還原反應脫鹵、通過水合作用脫鹵等，已有多篇綜述報道。新近研究的鹵醇脫鹵酶具有不同于上述脫鹵酶的反應機理，它們通過分子內(nèi)親和取代機制進行脫鹵。

目前，國內(nèi)對鹵醇脫鹵酶的研究還未見報道。后期，在借鑒國外對已有鹵醇脫鹵酶進行研究的同時，應用宏基因組技術進行新酶的挖掘也將是研究的熱點。盡管目前對該類酶的研究還處于起步階段，但毋庸置疑的是，鹵醇脫鹵酶必將在制備精細化工品與手性藥品的綠色化學通路中扮演越來越重要的角色。

（2）過氧化物酶對酚類廢水的處理

酚類化合物是常見的有毒有機污染物，含酚廢水主要來自焦化廠、樹脂廠、塑料廠、合成纖維廠、煤氣廠、石油化工廠、絕緣材料廠等工業(yè)部門以及石油裂解制造乙烯、合成苯酚、聚酰胺纖維、合成染料、有機農(nóng)藥和酚醛樹脂的生產(chǎn)過程，它是水體的重要污染物之一。含酚廢水在我國水污染控制中被列為重點解決的有害廢水之一，它的大量排放對水體、土壤造成嚴重的污染，進而危害人類的健康。因此，用酶的催化聚合作用來處理酚類及芳香胺類化合物的污染已經(jīng)引起了國內(nèi)外學者的普遍興趣。由于過氧化物酶能催化H2O2氧化酚類、芳香胺類物質(zhì)的聚合反應，具有反應條件溫和、選擇性高、催化效率高的優(yōu)點。所以在含酚廢水處理方面有著潛在的應用前景,近年來越來越引起人們的重視。

80年代中期，K1ibanov等人通過研究發(fā)現(xiàn)了辣根過氧化物酶能處理氯酚和苯胺，這類酶整個反應過程和以往的酶處理反應過程不同，先是酶反應，接著是化學反應，克服了酶反應中基質(zhì)特異性的限制，用一種酶可以處理廢水中多種含羥基的芳香族化合物。

利用過氧化物酶的催化氧化作用來處理酚類、芳香胺類、染料類廢水的污染是近年來受到重視的新方法，降解的結(jié)果有效地降低了有毒有機污染物的含量，同時也降低了毒性，是一種很有潛力的廢水處理方法；但有機合成通常是在高溫、強酸、強堿、高離子強度、有機溶劑等環(huán)境中進行，在這些極端條件下酶穩(wěn)定性差，易失活，同時過氧化物酶本身是水溶性的，而且反應后混入催化產(chǎn)物等物質(zhì)使純化困難，不能重復使用。因而使用固定化酶技術，必然會降低處理廢水的成本，提高酶的使用效果，也必然會受到越來越多人的關注，在工業(yè)生產(chǎn)的各個方面具有極大的推廣價值。

2.4 有機磷農(nóng)藥降解酶的應用

有機磷農(nóng)藥作為一類高效廣譜的殺蟲劑自上世紀40年代發(fā)明以來，已在全世界范圍內(nèi)大量生產(chǎn)并大面積使用。有機磷農(nóng)藥大大提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，是農(nóng)業(yè)豐收的保證，為人類社會發(fā)展做出了重要的貢獻。但隨著有機磷農(nóng)藥長期和大范圍的使用，越來越多的環(huán)境問題、人類健康問題、人類可持續(xù)發(fā)展問題日益凸顯出來，已經(jīng)引起社會的廣泛關注。

為保護生態(tài)環(huán)境和人類健康，科研工作者們一直在尋找各種辦法消除有機磷農(nóng)藥對環(huán)境的污染。傳統(tǒng)的方法是采用化學法或焚燒、掩埋，而這些方法副作用大，往往造成環(huán)境的二次污染，且作用緩慢。隨著科學技術的發(fā)展，大量研究表明土壤和水環(huán)境中的微生物可以分泌一種能水解磷酸酯鍵的酶--有機磷降解酶。有機磷降解酶又稱磷酸三酯酶，可降解有機磷農(nóng)藥分子，破壞有機磷化合物分子和一些軍用神經(jīng)毒劑如沙林的磷酯鍵而使其脫毒。由于有機磷農(nóng)藥都有類似的結(jié)構(gòu)，只是取代基不同，所以一種有機磷降解酶往往可以降解多種有機磷農(nóng)藥。

除降解有機磷農(nóng)藥外，有機磷農(nóng)藥降解酶還具有以下作用：

（1）環(huán)境污染監(jiān)測。有機磷農(nóng)藥降解酶制劑可以水解廣泛的有機磷化合物，釋放出容易檢測的硝基酚、氟化物或氫離子，快速、敏感、有選擇性地直接檢測有機磷化合物。

（2）有機磷污染物的脫毒。固定化有機磷農(nóng)藥降解酶制劑，制成的酶反應器已用于用于污水處理中，可以重復使用，而且避免極端條件下酶變性，用于土壤異位修復中可避免土壤吸附、失活以及水解蛋白的微生物降解。

（3）醫(yī)療中應用有機磷神經(jīng)毒劑索曼(soman)、沙林(sarin)等都含有磷酸三酯鍵，而磷酸三酯鍵斷裂后，很大程度上降低了有機磷的毒性，所以有機磷農(nóng)藥降解酶制劑可開發(fā)作為有機磷中毒的解毒劑或預防劑，以消除有機磷神經(jīng)毒劑對人體的傷害。

3 結(jié)語

自然界中，微生物的生命力最為強大。

未來幾十年，隨著世界人口的增長，農(nóng)業(yè)將經(jīng)歷具有重大意義的革新。毫無疑問，生物技術作為科學和技術在這場變革中將起到關鍵性的作用。酶制劑等生物技術的應用，將推動著畜牧業(yè)、飼料工業(yè)的無抗化、去污染化發(fā)展，推動著國民經(jīng)濟實現(xiàn)低碳、環(huán)保與可持續(xù)進步。

（略）