制粒前添加木聚糖酶的意義

陳國(guó)營(yíng)

木聚糖酶投入市場(chǎng)已有多年。新的觀點(diǎn)表明，于調(diào)質(zhì)前（替代制粒后）在分批式混合機(jī)中添加木聚糖酶會(huì)帶來(lái)很多好處，尤其是如果該酶能以液體形式添加時(shí)。

中圖分類(lèi)號(hào)：S816.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C 文章編號(hào)：1001-0769（2015）11-0081-03

由于為了滿(mǎn)足對(duì)飼料的更高水平衛(wèi)生和制粒質(zhì)量的要求，多年來(lái)飼料生產(chǎn)過(guò)程中的溫度和調(diào)質(zhì)時(shí)間不斷提高，這給非淀粉多糖（Non-starch Polysaccharide，NSP）飼用酶的應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。顯然，飼用酶的應(yīng)用目的是均勻并持續(xù)地將所需劑量的活性酶呈遞至作用部位，即動(dòng)物胃腸道中。然而，由于許多商用NSP酶制劑耐熱性不足，經(jīng)不起飼料加工過(guò)程中的制粒和熱液調(diào)質(zhì)的高溫，所以這些年來(lái)已經(jīng)引入了一些關(guān)鍵成果以使這一目的得以實(shí)現(xiàn)。就酶的應(yīng)用技術(shù)和酶本身而言，這些的新成果仍在繼續(xù)發(fā)展。來(lái)自既要提高飼料性能（包括飼用酶的效果）同時(shí)還要降低生產(chǎn)成本的壓力，也確保了這些新成果能在酶制劑生產(chǎn)商和飼料加工商中面前保持基本的優(yōu)先權(quán)。

1 早期應(yīng)用的發(fā)展

在以小麥、黑麥和黑小麥為基礎(chǔ)的動(dòng)物飼料中添加NSP酶（木聚糖酶）產(chǎn)生的積極作用早在20多年前就為人們所知，首次商業(yè)性應(yīng)用是于1989年在英國(guó)的小麥型肉雞飼料中。那時(shí)，研究確立的木聚糖酶在谷物型家禽日糧中的主要作用模式，是降低主要由可溶性木聚糖導(dǎo)致的食糜黏性。然而，很顯然，木聚糖酶破壞了谷物中富含阿拉伯木聚糖的糊粉層和胚乳細(xì)胞壁，從而釋放了被包裹的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)也釋放出了對(duì)腸道細(xì)菌有積極作用的木寡糖。已知木聚糖酶能提高小麥中蛋白質(zhì)的消化率，這主要?dú)w功于釋放了在富含木聚糖的厚厚細(xì)胞壁中糊粉層（富含蛋白質(zhì)）內(nèi)的蛋白質(zhì)。

數(shù)十年前，當(dāng)NSP酶首次用于動(dòng)物飼料時(shí)，它們最初只有干粉劑產(chǎn)品可用，于制粒前將其添加到分批式混合機(jī)中的粉料中。雖然當(dāng)時(shí)常用的飼料加工溫度較低，使酶在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生了明顯的作用，但很快發(fā)現(xiàn)其在熱穩(wěn)定性方面存在不足。這促使人們開(kāi)發(fā)了在制粒后將液體酶噴灑到顆粒飼料表面的設(shè)備，從而避開(kāi)了其固有的耐熱性差的弱點(diǎn)，并帶來(lái)更高的酶活性和動(dòng)物生產(chǎn)性能。

由于制粒后液體酶應(yīng)用系統(tǒng)（Post-pelleting Liquid Application，PPLA）裝置的廣泛應(yīng)用，使這項(xiàng)技術(shù)成功地為飼料行業(yè)服務(wù)了20多年。此最好的PPLA系統(tǒng)能夠同時(shí)在劑量和可用產(chǎn)品數(shù)上帶來(lái)了相當(dāng)大的靈活性。雖然這第一套系統(tǒng)僅能達(dá)到酶活性恢復(fù)率20 %左右的變異系數(shù)（CVs），但最新設(shè)備已經(jīng)能使CVs降低至小到10 %。從全球來(lái)看，近幾年對(duì)PPLA系統(tǒng)的投入相當(dāng)大，每套制粒和加工生產(chǎn)線(xiàn)都需要一套獨(dú)立的系統(tǒng)。雖然這套系統(tǒng)的效率很高并已被廣泛認(rèn)可，但高昂的初期資金投入加上需要定期保養(yǎng)和校準(zhǔn)，意味著運(yùn)行PPLA系統(tǒng)的總費(fèi)用會(huì)比較高。

2 混合機(jī)應(yīng)用技術(shù)

因此，恢復(fù)到在調(diào)質(zhì)前于分批式混合機(jī)中添加酶所帶來(lái)的機(jī)會(huì)，將會(huì)帶來(lái)許多益處，尤其是這些酶如果能以液體的方式使用時(shí)。對(duì)飼料成分（如脂肪、甜菜堿、氯化膽堿和液態(tài)氨基酸等）而言，通過(guò)分批式混合機(jī)添加液體已經(jīng)是一種經(jīng)過(guò)充分發(fā)展的操作，其技術(shù)已經(jīng)為人們所熟知，同時(shí)安裝相對(duì)簡(jiǎn)單。這種混合機(jī)液體應(yīng)用（Mixer Liquid Application，MLA）技術(shù)在購(gòu)買(mǎi)成本和保養(yǎng)費(fèi)用上顯著低于PPLA系統(tǒng)，而且在每一條制粒生產(chǎn)線(xiàn)上并不需要安裝獨(dú)立的系統(tǒng)。

另外，研究表明，當(dāng)把液體木聚糖酶加入分批式混合機(jī)以代替制粒后添加時(shí)，無(wú)論是顆粒料還是粉料，酶活性恢復(fù)率變異系數(shù)都可以降低至低到5 %，同時(shí)制粒過(guò)程中的能源費(fèi)用也可隨之降低4 %。然而，MLA技術(shù)的應(yīng)用完全依賴(lài)于酶的發(fā)展，即酶能否耐受飼料加工過(guò)程中的高溫。因此，尋找應(yīng)對(duì)酶熱穩(wěn)定性的解決方案仍在繼續(xù)，并且至今為止的研究和開(kāi)發(fā)工作可大體分為三類(lèi)：包被技術(shù)的應(yīng)用、酶工程以及尋找新的天然耐熱性酶替代品。

3 耐熱性酶的解決方案

3.1 酶工程——改造酶氨基酸結(jié)構(gòu)

例如，包被技術(shù)在酶上的應(yīng)用，能通過(guò)限制水的滲透作用提高酶的耐熱性。雖然在商品飼料制粒中，這能使酶活性的恢復(fù)率接近 100 %；但是，在植酸酶上的應(yīng)用結(jié)果表明，這一技術(shù)可能會(huì)對(duì)酶的水解速率產(chǎn)生不利的影響，因此進(jìn)而會(huì)影響酶的使用效果。相反，對(duì)現(xiàn)有酶的氨基酸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，通過(guò)使酶本身具有更強(qiáng)的疏水性（驅(qū)水性）或更緊密和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而提高酶的耐熱性。

這項(xiàng)技術(shù)可避開(kāi)對(duì)酶進(jìn)行包被的要求，并已經(jīng)成功地用于多種商品酶制劑的生產(chǎn)中。然而還是要特別注意，以確保任何改變都不會(huì)減弱酶的效率。

3.2 尋找耐熱性酶

第三種方案是在溫?zé)岬沫h(huán)境（如熱泉和深海裂隙）中篩選微生物以尋找天然耐熱性酶。將這些酶的基因轉(zhuǎn)入普通生產(chǎn)微生物大規(guī)模生產(chǎn)酶，使酶的效果達(dá)到或超過(guò)前面的水平，但仍保留其高耐熱性——足以確保使其能以液體的狀態(tài)添加到分批式混合機(jī)中。

4 耐熱性帶來(lái)益處

對(duì)進(jìn)入市場(chǎng)的最新一代天然耐熱性木聚糖酶進(jìn)行的獨(dú)立測(cè)試證實(shí)了其潛在效率已經(jīng)超過(guò)了市場(chǎng)上現(xiàn)有的耐熱性酶產(chǎn)品。在一項(xiàng)研究中，這種木聚糖酶（Econase XT，圖1）在常規(guī)的制粒調(diào)質(zhì)條件下能耐高達(dá)95 ℃的溫度，此研究中的條件是30 s蒸汽調(diào)質(zhì)隨后再經(jīng)3 mm壓模制粒。

除此之外，在歐洲許多商業(yè)化飼料廠中進(jìn)行的各種調(diào)質(zhì)和制粒過(guò)程對(duì)酶熱穩(wěn)定性影響的測(cè)試表明，粉料中酶活性的恢復(fù)率為90 %～110 %。同樣重要地是，將木聚糖酶以液體的方式添加到分批式混合機(jī)中，在粉料和顆粒料中的CVs都低至5 %，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了更均勻的分布。一家知名研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行的獨(dú)立調(diào)研中還強(qiáng)調(diào)，將液體木聚糖酶加入分批式混合機(jī)中有可能會(huì)降低制粒所需的能耗（Pelleting Power Consumption，PPC）。

減少飼料加工過(guò)程中的這類(lèi)主要耗能源，將不僅能夠降低飼料加工成本，而且也會(huì)給環(huán)境帶來(lái)益處，如可減少碳排放。圖2中的數(shù)據(jù)表明，較之兩組對(duì)照日糧——基礎(chǔ)日糧與基礎(chǔ)日糧+水，添加天然耐熱性液態(tài)木聚糖酶后能耗分別降低了30 %和13 %。PPC水平的降低為飼料生產(chǎn)商帶來(lái)了真正的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境價(jià)值，是一種不應(yīng)該被輕易丟棄的方法。

5 維持動(dòng)物生長(zhǎng)性能

大量生產(chǎn)試驗(yàn)表明，耐熱性的提高不會(huì)犧牲酶在動(dòng)物體內(nèi)的功效，也不會(huì)影響動(dòng)物的生長(zhǎng)性能。在一項(xiàng)此類(lèi)試驗(yàn)中，一種天然耐熱性木聚糖酶與一種前一代產(chǎn)品利用小麥型日糧在肉公雞上進(jìn)行了比較——假設(shè)日糧中的小麥能量分別提升0 %、8 %或10 %。結(jié)果發(fā)現(xiàn)各組在42日齡的公雞活重上無(wú)差異，但添加木聚糖酶的兩組公雞飼料轉(zhuǎn)化率顯著提高（P<0.01），添加天然耐熱性酶的試驗(yàn)組公雞提升幅度明顯更大，甚至當(dāng)飼料轉(zhuǎn)化率因假定的小麥能量增幅加劇時(shí)而惡化時(shí)，耐熱性木聚糖仍會(huì)產(chǎn)生理想的生產(chǎn)性能（圖3）。

6 結(jié)論

因此，適合在分批式混合機(jī)中添加的耐熱性木聚糖酶的開(kāi)發(fā)成功，意味著飼料加工業(yè)向前邁出了重大的一步。使用MLA技術(shù)既能節(jié)省飼料的生產(chǎn)成本，又能改善飼料制粒后酶活性恢復(fù)率的CVs，并在使用木聚糖酶上為PPLA系統(tǒng)提供了一種替代系統(tǒng)。

原題名：Benefits of adding xylanases pre-pelleting（英文）

原作者：Paul Steen