消化酶、消化吸收與飼料加工

梁萬禮，王永昌，王四維

(1.無錫中糧工程科技有限公司 江蘇 無錫 214035； 2.中糧工程科技股份有限公司 北京 100020)

飼料加工是為了獲得既安全，又具有高消化吸收率的飼料產品。在飼料加工廠內，飼料原料經粉碎、調質和均質(穩(wěn)定器)到制粒、膨脹、膨化和干燥等工序，使飼料的消化吸收率得到極大的提升；當飼料被動物飼用后，其消化吸收率還取決于動物體內消化酶的品種、活性強弱和濃度。而不同食性和生長期的動物體內消化酶的品種、活性和濃度相差甚大。目前飼料加工廠內，雖已考慮到動物體內消化酶不足時，采用添加動物體內短缺的消化酶來改善動物對飼料的消化吸收；然而，現有飼料生產，對不同生長期與不同食性動物的飼料加工，除飼料配方不同和成品粒度有差異外，其余加工工藝幾乎相同。為了提高飼料的消化吸收率，對蛋白質和能量飼料等組分幾乎都采用相同的熟化工藝。只有對不同食性和生長期的動物采用不同的熟化工藝，才能使飼料各組分既具有較高的消化吸收率，又使飼料加工更為經濟。

消化酶分為：①動物體內能合成并能分泌的內源性消化酶，如：蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等；②動物體內不能合成和分泌的外源性消化酶，如：纖維素酶、果膠酶、β-葡聚糖酶和植酸酶等。這些酶在最適溫度和pH值條件下，專一地對蛋白質、淀粉、脂肪和纖維素等組分進行最有效的水解消化，使其分解成低肽及氨基酸、麥芽糖及葡萄糖和短鏈脂肪酸等。外源性酶是對內源性酶不足時的補充和協(xié)同作用。

消化酶都具有對底物專一性的特性，而消化酶的活性和消化效果不僅受溫度、pH值、金屬離子等因素影響，還與飼料粒度、顆粒表面積大小、飼料的熟化度及干燥等因素有關。因此，飼料加工工藝和原料劑型的選擇上，應考慮到不同生長期和不同食性動物消化酶的特性，才能獲得較好的喂養(yǎng)效果。此外，金屬離子對動物體內和外加消化酶活性是抑制還是激活等問題也應給于重視。但在這方面的研究和報導甚少。

1 動物消化吸收飼料的過程

大多動物消化飼料先在胃里經胃液進行化學性消化和胃蠕動產生的機械性消化成食糜，然后進入小腸由胰液和小腸的運動繼續(xù)進行消化成小分子，就基本完成了對飼料的消化。

胃液含有鹽酸、胃蛋白酶原和黏液細胞等，呈酸性。胃分泌液的量與日糧的數量和組成有關。原始胃蛋白酶原沒有活性，須經鹽酸激活后轉變成內切胃蛋白酶才有活性。胃液中還有少量的胃淀粉酶、胃脂肪酶等。飼料中蛋白質經胃蛋白酶分解成月示、胨和少量的小肽、氨基酸等。胃里淀粉酶對淀粉消化有限，與月示和胨等所有食物變成食糜，并經幽門進入小腸。

小腸消化是胃消化的延續(xù)，胃內酸性食糜經幽門進入小腸后，再經堿性的胰液和膽汁等化學消化和小腸運動的機械消化，使酸性食糜逐步轉變成堿性，月示、胨和淀粉等物質被胰蛋白酶、糜蛋白酶、胰淀粉酶和胰脂肪酶消化，使大分子物質分解成小分子，即變成低肽或氨基酸、麥芽糖、葡萄糖及短鏈脂肪酸等物質，然后被小腸黏膜吸收。

十二指腸和小腸是吸收微量元素的主要場所，其大多微量元素、無機鹽的吸收率都在5%～15%。因此，糞便中含有較多的微量金屬元素，污染了環(huán)境。如制成微量元素氨基酸螯合物，吸收率可提高130%～280%，能明顯改善微量元素對環(huán)境的污染，使糞便中微量元素的排泄量減少35%～69%[1]。

大腸為消化道的最后一段，是微生物消化的主要場所，也是消化纖維素的部位。纖維素消化的產物是揮發(fā)性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等,使小腸進入大腸的食糜降低pH值，大腸環(huán)境呈酸性，可抑制病原菌的繁殖，確保大腸的環(huán)境安全。未被吸收的殘渣在大腸內吸收大量水分后排出體外。

2 飼用酶制劑的作用

2.1 能充分破壞植物性飼料的細胞壁

使細胞內的蛋白質、淀粉和脂肪等營養(yǎng)素得到完全釋放，被動物所吸收利用[1-2]。

2.2 降低食糜黏度

提高飼料中各養(yǎng)分從細胞中溶出速度與消化酶在食糜中擴散作用，增強對養(yǎng)分的消化和吸收[1-3]。

2.3 降低動物腹瀉發(fā)病率

添加非淀粉多糖酶(NSP)可消除可溶性非淀粉多糖(SNSP)對內源性消化酶活性的抑制作用，同時可減少和抑制動物消化道有害菌的繁衍和生長，降低雞和仔豬等動物腹瀉的發(fā)病率。

2.4 消除抗營養(yǎng)因子

添加植酸酶可消除植物性飼料中植酸和植酸磷對微量元素效價的影響；也可減少豆類及其餅粕中的植物凝集素等抗營養(yǎng)因子的影響，提高動物對蛋白質物質的吸收。

2.5 改善環(huán)境

減少動物糞便中的氮和磷等物質的排出，改善環(huán)境。

3 影響消化酶作用的因素

消化酶是由生物體產生，具有特殊功能的蛋白質。消化酶的消化特性首先是對底物的專一性，即對底物的選擇性，就是一種酶只能催化某一種或某一類物質的特性。消化酶對飼料的作用主要是取決于酶的活性。而消化酶的活性與溫度、pH值等因素緊密相關；同時某些金屬離子對消化酶具有抑制或激活作用；飼料顆粒大小、顆粒表面積大小、酶的濃度、底物的濃度、飼料熟化度和干燥條件等因素都將影響到消化酶的消化速度和消化效果。

3.1 溫度

消化酶的消化速度是溫度的函數，在一定溫度范圍內，溫度升高酶的消化速度加快，但溫度過高如達60℃以上，蛋白酶開始變性，酶活力就降低；到80～100℃，在短時間內可完全變性，酶就失去活性，而且不可逆。當低于最適溫度時，酶的活性就降低；當溫度低于8℃時，酶的活性就幾乎失去，但溫度回升時酶的活性就能恢復。消化酶在某一溫度時，酶的消化速度可達到最大，該溫度稱為酶的最適溫度。國內部分消化酶的最適溫度見表1。

表1 國內消化酶的主要技術參數

動物按體溫分為：恒溫動物和變溫動物。家禽(41～42℃)和家畜(37～39℃)屬恒溫動物。水產類為變溫動物，體溫隨水溫變化而變化，一般體溫低于水溫0.5～1.0℃。魚根據所處環(huán)境的水溫又分為冷水魚和溫水魚等。無論是恒溫動物還是變溫動物，體內的內源酶或外加的消化酶的活性，應與該酶的最適溫度接近，是該酶活性最強的溫度。魚體體溫每升高1℃，魚的代謝水平將提高10%以上，魚體體溫每升高10℃，魚的代謝水平將提高2～3倍。如黑鱸魚的消化速度與水溫關系見表2。

表2 黑鱸胃內消化溫度和水溫的關系

因此，選用消化酶的最適溫度盡量接近動物的體溫。當動物的體溫與消化酶的最適溫度相差較大時，需通過改變消化酶的品種和飼料加工工藝，來提高飼料的消化吸收率。魚在越冬開春后水溫一般在15℃左右，此時的溫度遠離現有消化酶的最適溫度，其活性必然不高。可通過飼料加工工藝改變或選用更合適的消化酶來改善魚類低溫時的消化問題，如：①飼料原料經過必要的體外消化，使蛋白質和淀粉等物料在體外降為低肽和葡萄糖等，有利于動物在低溫時吸收。②選用低溫酶，即在15℃低溫時酶具有高活性，但該酶有待研究開發(fā)。為此，采用體外酶化，即用發(fā)酵反應罐，模擬胃腸的環(huán)境，添加多種消化酶對飼料進行預消化，提前使蛋白質和淀粉等組分解成小分子，有利于被動物消化吸收。

為了有利于消化酶的消化，常采用調質、均質、制粒、膨脹或膨化等工藝來處理飼料。但熟化過程總時間長達1 min以上，溫度高達80～90℃以上，使各種消化酶幾乎完全失活。為此，飼料中消化酶的添加，一般都采用成型后將消化酶噴涂在顆粒表面的工藝。超臨界膨化技術，使消化酶先經超臨界的CO2流體淬取，溶解在CO2流體內，該流體具有液體的密度和氣體的流動性。消化酶流體從進入膨化機擠壓腔的機頭內與飼料結合，再從機頭?？讛D壓成型，時間僅幾秒；機頭處又經降溫處理，飼料溫度約90～95℃，因消化酶在90～95℃高溫狀態(tài)的時間短，消化酶的損失就不大[4]；而且消化酶能均勻地分布在顆粒內部，消化酶的穩(wěn)定性也就較好。超臨界膨化顆粒的質量也優(yōu)于傳統(tǒng)膨化顆粒。

3.2 粒度

表3 虹鱒飼料顆粒大小和消化吸收率

物料膨化后，其表面積遠大于膨化前的表面積，同時膨化后的物料顆粒內部結構疏松，更便于消化酶向顆粒內部滲透，也就加速物料被酶消化。粉碎與膨化相結合的工藝十分有利于消化酶的消化。如物料先粉碎，膨化后再粉碎，然后制?；蛟龠M行體外消化處理，對提高動物消化吸收較為有效。

3.3 抑制劑和激活劑

我國目前應用于飼料中的酶制劑有20余種，這些酶的活性都受到各類物質的抑制和激活，如強氧化劑、殺菌劑、防腐劑和金屬離子、高分子的蛋白質等都可能成為消化酶的抑制劑。因此，在飼料加工過程中應盡量減輕對消化酶的抑制影響，而增強消化酶的活性。

3.3.1抑制劑

影響消化酶活性的抑制劑又分為競爭性抑制劑和非競爭性抑制劑，競爭性抑制劑是抑制劑先與底物結合，阻礙了底物與酶結合，使消化酶無法發(fā)揮作用；非競爭性抑制劑是抑制劑與底物結合后，不影響酶與底物結合。因此，大多金屬離子是競爭性抑制劑。在飼料配方中需加入含金屬離子的微量元素和消化酶，這些金屬陽離子中如Cu2+、Mn2+、Zn2+、Fe2+等對消化酶都具有抑制作用，抑制率一般在45.6%以上。如將微量元素封閉在螯環(huán)內，形成化學性質穩(wěn)定的微量元素氨基酸螯合物，使金屬離子不與消化酶直接接觸，就可消除金屬離子對消化酶的抑制作用。選用微量元素氨基酸螯合物，不僅保證了消化酶的活性，與常選用生物效價高的硫酸鹽相比，微量元素氨基酸螯合物生物效價要增加1.3～2.8倍[1-3]，同時提高了微量元素吸收率和穩(wěn)定性，動物糞便中排出的微量元素大為減少，減輕了對環(huán)境的污染。因動物對微量元素氨基酸螯合物吸收效率的提高，微量元素氨基酸螯合物的添加量可適當減少；在滿足動物對微量元素需要的同時，又節(jié)約了原料成本和降低了對環(huán)境的污染。

3.3.2激活劑

促進消化酶反應速度的物質稱之為酶的激活劑，有些底物本身就是激活劑。金屬離子與高分子蛋白質等都可成為消化酶的激活劑，見表1。如淀粉酶可被金屬離子激活，特別是能被氯離子激活。當加入NaCl后淀粉酶活性增加5倍之多，為此，配方設計時應考慮這些因素，提高消化酶的活性，有利于消化吸收。

同時要注意金屬離子對有些消化酶是激活，而對另一些消化酶表現為抑制作用。如Ca2+能增強多數地霉脂肪酶Y162[1]的活性，但抑制FL002脂肪酶的活性[1]。

傳統(tǒng)文化是人類在長期的進化以及發(fā)展過程當中保留下來的寶貴的遺產，它凝結著古代勞動人民的智慧，在一代又一代的傳承中又逐漸推陳出新，最終形成可以被接受和認可的形式。我國的傳統(tǒng)文化是我國歷朝歷代發(fā)展的文明結晶，它以多種方式留存，給予了后代子孫繼續(xù)前行的動力，傳統(tǒng)文化滋養(yǎng)了在歷史的長河中輾轉更替的中華兒女們。

3.4 pH值

大部分酶的活性會受到pH值的影響，對物料的消化起到重要作用。在某一pH值，消化酶的消化速度達到最大,此時的pH值為最適pH值，見表1。消化酶對飼料的消化主要在胃和小腸內進行，而胃分泌的胃液中主要是鹽酸，pH值呈酸性，胃蛋白酶的最適pH值為1.8～3.5，當pH值超過5時，胃蛋白酶即失去活性。在小腸內分泌的腸液呈堿性,胰蛋白酶等酶的最適pH值為7.0～8.4。當選用外源酶時除需考慮酶的最適溫度外，還需考慮最適pH值是否接近動物體內的pH值，使消化酶的活性達到最大，以獲得最佳的消化效果。

3.5 熟化與干燥

飼料需要經過有效的熟化處理，使蛋白質變性，淀粉糊化，有利于消化酶消化。因此，飼料在加工過程中的水熱熟化處理性能和熟化干燥后的物料特性，將影響到消化酶的消化效果。

對豆粕中的尿酶和抗胰蛋白酶等有害因子的滅活溫度及干燥溫度過高和時間過長，使尿酶含量低于0.02 mg/(g·min-1)以下時，表示對豆粕已熟化過度，動物對蛋白質的消化吸收率下降15%以上。因色氨酸、賴氨酸和蛋氨酸等和淀粉之間產生美拉德反應，降低了飼料的消化率。為此，應嚴格控制飼料的熟化、干燥的溫度和時間十分重要。

3.6 食性與消化酶

動物的食性分為肉食性、草食性和雜食性等。不同食性的動物其體內消化酶的品種、活性及濃度明顯不同，消化器官長度也不相同。肉食性動物體內蛋白酶活性強，淀粉酶活性弱，消化器官長度短；草食性動物淀粉酶活性強，蛋白酶活性弱，消化器官長度長。鯉魚和虹鱒魚體內消化酶在水溫11℃時的活率，見表4。

表4 鯉魚和虹鱒魚體內消化酶的活率

從肉食性和草食性動物的飼料來看，肉食性動物飼料中碳水化合物質量分數一般在15%左右，雜食性動物和草食性動物飼料中蛋白質飼料一般在20%～30%，肉食性動物對蛋白質的消化率與草食性的動物對碳水化合物的消化吸收效率都達到85%左右，屬較高吸收率。因此，在熟化工序，對肉食性動物飼料和草食性動物飼料中消化吸收效率較低的組分應進行膨脹或膨化處理，對消化吸收較高的組分只需調質、均質處理，無需膨化處理，從而既保證熟化效果又可節(jié)約動耗。

3.7 生長期與消化酶

動物隨著生長時間的增加，所需營養(yǎng)成分的質和量也隨之變化，各消化器官中的消化酶的質和量都隨之有相應的變化，見圖1、圖2[5]。

圖1 乳豬體內消化酶活性的變化

圖2 黑鯛孵化后體內消化酶活性的變化

由圖1、圖2可知動物在生長過程中消化酶的質和量一直在變化。因此，在不同生長期的飼料加工工藝的選擇和配方設計中，既要符合消化酶的變化規(guī)律和動物的生活習性，又要利用酶的特性來提高對動物的養(yǎng)殖效果。如，過冬開春時魚開始投喂飼料，因水溫一般都在15℃左右，顯然都遠離體內消化酶或外加的消化酶的最適溫度，從而影響魚體內消化酶的活性和濃度。為此，過冬開春魚飼料的加工，對蛋白質和淀粉等組分，先采用體外消化酶來消化，使其轉變成低肽與單糖等小分子物質，再加工成顆粒，就有利于魚體在低溫時吸收。魚開口餌料的加工，因魚苗體內消化酶濃度低，活性不強，可先將各主副原料進行粗粉碎和膨化處理，再微粉碎、配料和混合，然后進行消化酶的體外消化，即采用發(fā)酵反應罐模擬胃腸的消化條件，對飼料進行酶化處理。酶化后再經濕法超微粉碎機粉碎成(1～2)μm的微粒、經低溫(80～90℃)噴霧干燥(壓力式或離心式)制成(50～100)μm的微粒。使微粒具有全價性、易消化性、懸浮性和低溶性。

4 飼料酶制劑選用時應注意的問題

飼用消化酶的應用效果，取決于添加酶的品種、活性與動物種類及動物日糧是否相匹配。選用飼用消化酶主要考慮以下幾方面。

4.1 根據動物日糧組成來確定

如飼料是高粘度還是低粘度日糧，是高蛋白還是高纖維日糧。

4.2 根據動物的消化生理特點來確定

如體溫、pH值和及消化道長度等因素等。

4.3 根據動物日齡或周齡來確定

通常幼齡動物消化器官不健全，體內消化酶濃度較低，外加酶制劑添加量可多些。成年的動物，消化道已成熟，外加酶制劑不必很高，一般添加量在0.5%～0.1%。

4.4 必須注意消化酶的安全性

如有無毒素和雜菌等不安全因素，確認安全后方可使用。

5 我國目前飼用酶制劑問題與展望

國內大多生產的蛋白酶和淀粉酶，其最適溫度與動物體溫有差距，一般蛋白酶和淀粉酶的最適溫度為50～65℃,動物食后，酶的活力達不到較佳狀態(tài)。目前已有少數酶制劑生產企業(yè)，在開發(fā)從動物體內提取酶源，其最適溫度與動物體溫相一致。另外，水產動物低溫飼用酶制劑也正在開發(fā)，不久將會上市。

目前，國內飼用酶制劑生產，菌種基本采用理化誘變法所得，消化酶的活力相對較低；用轉基因定向選育的菌種，酶活力高于理化誘變的菌種2～10倍。其生產方式為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵，固體發(fā)酵生產規(guī)模一般較小，都以粗制酶為主，產品保質期不長；液體發(fā)酵其產品較為精制和多為包被，保質期長，便于大規(guī)模生產和實現自動控制，酶制劑的產品質量較穩(wěn)定。

對變溫動物在低溫時的飼料，采用更合理的體外預先有酶消化處理的飼料加工工藝，有利于進一步提高飼料的利用效率和動物的養(yǎng)殖效果。

綜上，飼料加工廠的粉碎、調質、均質、膨脹和膨化等工藝設計，應根據動物體內消化酶變化而變化，把消化酶當作飼料加工工藝設計和飼料配方設計的基點之一，才能使加工的飼料既能保證質量上乘，又能降低加工成本。