飼料加工工藝對酶制劑活性的影響

akenuma

　　許毅 周巖民 王恬
　　南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院 210095
　　摘要：酶制劑作為一種高效飼料添加劑，已日益為人們所重視。現(xiàn)代配合飼料加工工藝趨于顆粒化，使酶制劑有可能參與飼料熱加工過程，而酶作為一種生物蛋白對諸多環(huán)境因素，如溫度、水分、壓力等條件敏感，因此飼料加工工藝對酶制劑活性的影響就必須加以考慮。本文結(jié)合現(xiàn)行的飼料加工工藝及部分試驗的結(jié)果，就飼料加工工藝對酶制劑活性的影響進(jìn)行分析。
　　關(guān)鍵詞：飼料加工 酶制劑 酶活 影響因素
　　前言
　　酶是一種催化效率極高的生物催化劑，其催化效率比無機催化劑高107~1013倍，但酶的催化活性極易受到多種物理與化學(xué)因素的調(diào)控，如溫度、pH值、水分、壓力、紫外線等條件都會對酶活產(chǎn)生很大的影響。目前顆粒飼料、膨化飼料的大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)成為世界飼料工業(yè)的一個發(fā)展趨勢，據(jù)不完全統(tǒng)計，國外飼料產(chǎn)品的70%以上是經(jīng)過熱加工(調(diào)質(zhì)、制粒或膨化)處理的。飼料在制粒、擠壓和膨化過程中受溫度、壓力和濕度的強烈作用，對飼料成品中酶制劑的活性提出了挑戰(zhàn)。酶制劑雖可在制粒后噴涂[1]或飼喂前進(jìn)行預(yù)酶解[2]，但在飼用酶制劑成本不斷下降的現(xiàn)狀下，增大其添加量以獲得最終產(chǎn)品中足夠活性可能是酶制劑最簡單經(jīng)濟的使用方法，因此必須就飼料加工工藝對酶制劑活性的影響這一問題加以研究，確定其影響的原因及程度才能更精確的保證酶制劑的添加量。
　　一. 影響酶活工序的特點
　　目前飼料加工工藝中對酶制劑起破壞作用的主要是制粒和膨化工序。這兩個涉及高溫、高濕及擠壓的綜合作用對飼用酶制劑的活性是一個嚴(yán)峻的考驗。
　　1.1制粒工序
　　在制粒過程中，需要加入4~5%的蒸汽進(jìn)行調(diào)質(zhì)，從而使物料升溫50℃左右。另外，物料與壓輥、壓模與模孔之間的摩擦，也可使物料升溫5~20℃，從而使制粒后顆粒溫度達(dá)到70~90℃，甚至100℃左右。一般來說，調(diào)質(zhì)的溫度不低于70℃，才能使粉料比較充分的糊化，另外還需一定的糊化時間，如果條件允許，最好使粉料在調(diào)質(zhì)中滯留15s以上，一般也不低于6s，而達(dá)到最佳制粒效果所需的物料水分含量在15.5~17.5%之間[3]。
　　1.2膨化工序
　　在擠壓膨化工藝中，溫度可高達(dá)200℃，但是飼料在如此高的溫度下的滯留時間很短(5~10s)。在加工浮性飼料時，蒸汽和水的添加量達(dá)干飼料的8%，擠出物在達(dá)到模頭時具有以下性質(zhì)：最終壓力為3.45×103~3.75×103kPa、溫度125~138℃、水分25~27%。在沉性飼料的生產(chǎn)中，在調(diào)質(zhì)器內(nèi)先加入少量的蒸汽，然后加入水。混合料離開調(diào)質(zhì)器時的最終水分通常為20~24%。混合料的溫度在調(diào)質(zhì)筒的出口處達(dá)到70~90℃，擠出物的水分含量達(dá)到28~30%。生產(chǎn)魚飼料時，擠壓機模頭處的壓力通常是2.63×103~3.04×103kPa。非膨化的完全熟化水產(chǎn)飼料，擠壓機模頭外的擠出物溫度為120℃[4]。
　　二. 影響酶活的因素
　　酶是一種生物催化劑，與其它蛋白質(zhì)一樣對溫度、濕度、壓力等因素比較敏感(Guus等，2000)。制粒膨化過程中的溫度可達(dá)100~200℃，并伴有高濕(引起飼料中較高的水分活度)、高壓(改變酶蛋白的空間多維結(jié)構(gòu)而變性)，在該條件下，大多數(shù)酶制劑的活性都將受到不同程度的影響。
　　2.1溫度
　　溫度對酶活性影響有兩個方面：一方面溫度升高可使底物分子的鍵能增加，分子碰撞概率提高，從而加快反應(yīng)速度;但溫度升高到一定的程度，酶蛋白逐漸變性，活性喪失。常用飼用酶制劑的主要來源與最適溫度，如下表1所示。
　　表1 常用飼用酶制劑的主要來源與最適溫度[5][6][7]
　　酶的種類 來源 最適溫度/℃
　　非消化酶 纖維素酶 綠色木霉 45~65
　　木霉 45~50
　　康寧木霉 45~50
　　黑曲霉 45~55
　　半纖維素酶 枯草芽胞桿菌 40~55
　　木霉 40~50
　　果膠酶 根霉 40~50
　　黑曲霉 40~50
　　植酸酶 黑曲霉 40~50
　　米曲霉 40~50
　　丹寧酶 無花果曲霉 40~50
　　黑曲霉 40~50
　　β-葡聚糖酶 枯草芽胞桿菌 55~70
　　木霉 50~60
　　消化酶 蛋白酶 AS1398枯草芽胞桿菌 35~40
　　枯草桿菌 45~50
　　糖化酶 黑曲霉 50~60
　　根霉 55~65
　　淀粉酶 黑曲霉 55~70
　　大麥和小麥基礎(chǔ)日糧經(jīng)過熱加工，其中植酸酶在經(jīng)過各個加工工序的相對活性如表2所示[8]。Israelsen(1995)報道，110℃時植酸酶的活性存留率為零。Vanderpoel報道，110℃時β-葡聚糖酶和纖維素酶的活性已無法檢測到;Gradient報道，淀粉酶在80℃時活性顯著下降。Clayton(1999)認(rèn)為，如制粒溫度超過85℃，就應(yīng)采用液體酶制劑噴涂到冷卻后的顆粒料上，從而避免高溫蒸汽對酶活性的不利影響[9]。
　　表 2　大麥和小麥基礎(chǔ)的豬飼料在膨脹加工過程中植酸酶的相對活性
　　工序 溫度 /℃ 植酸酶的相對活性
　　調(diào)質(zhì)前 27.9 100%
　　調(diào)質(zhì)后 80.5 76%
　　制粒后 70 47%
　　膨脹后 102 18%
　　膨脹制粒后 79 12%
　　P.Spring(1996)測定了不同制粒溫度對纖維素酶、細(xì)菌淀粉酶、真菌淀粉酶和戊聚糖酶活性的影響。試驗樣品為含有不同酶制劑的大麥-小麥-豆餅型飼料，制粒溫度分別為60℃、70℃、80℃、90℃和100℃。結(jié)果表明纖維素酶、戊聚糖酶和真菌淀粉酶在80℃時仍穩(wěn)定，但在90℃時活性喪失90%(P<0.05)。細(xì)菌淀粉酶更穩(wěn)定些，在100℃時仍具有60 %的活力[10]。Cowan和Rasmussen(1993)測定了不同酶制劑在溶液中酶活的穩(wěn)定性，其中戊聚糖酶的測定結(jié)果與P. Spring(1996)的結(jié)果相似[11]。但制粒條件下和溶液條件下都有不同結(jié)果的報道，Gadient等(1993)報道，在熱溶液處理過程中，如果臨界溫度不超過75℃，碳水化合物酶的活性不受影響[12]。Nunes(1993)報道，制粒蒸汽溫度高于60℃時，顯著降低戊聚糖酶的活性[13]。這種結(jié)果的差異可能是由于酶活的測定方法不同或不同菌種來源的酶制劑耐熱性差異所導(dǎo)致的。制粒后酶活的測定是一個尚具爭議的問題，因為目前尚未出現(xiàn)統(tǒng)一的測定加酶飼料中被高度稀釋的酶活方法。
　　Gadient等(1993)認(rèn)為酶活性損失的程度明顯受到酶制劑類型的影響，淀粉酶在80℃下活力顯著下降。植酸酶經(jīng)70～90℃制粒后活力下降50%以上[8]。Cowan(1993)報道，未經(jīng)處理的β-葡聚糖酶經(jīng)70℃制粒后在飼料中的存活率僅為10%。Inborr(1994)報道，β-葡聚糖酶在料溫為75℃時調(diào)質(zhì)30s，其存活率為64%，而再經(jīng)90℃的制粒其存活率僅為19%[14]。
　　飼料加工調(diào)制對飼料消化率的提高、對酶活性的破壞以及酶對飼料消化率的提高三者之間可能存在著一個平衡。Bedford等(1998)試驗表明，日糧中木聚糖酶的活性隨著飼料加工溫度的升高而逐漸下降，但飼養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，飼料加工溫度為82℃時肉仔雞生產(chǎn)性能最好，溫度低于或高于82℃，生產(chǎn)性能都有所下降，而飼料轉(zhuǎn)化率與飼料中酶的活性之間相關(guān)性不顯著。且所有加工溫度的加酶飼料都降低了肉仔雞腸內(nèi)容物的粘度，而且在95℃時粘度降幅最大，這亦可反映出熱加工和酶制劑在提高飼料消化率上共同的作用。Michael(1997)報導(dǎo)，以玉米、豆粕型肉雞料做試驗，粉狀料加酶后45日齡肉雞的體重和飼料效率分別比不加酶的對照組高5%和1.77%，而相同配方的顆粒料加酶后上述兩項指標(biāo)僅分別比對照組高4%和1.23%[15]。這也提示，在實際生產(chǎn)中應(yīng)以動物的實際生產(chǎn)性能作為檢驗酶制劑有效性的標(biāo)準(zhǔn)。
　　2.2壓力和剪切力
　　壓力對酶分子影響的研究已有40余年的歷史，但近年才重視壓力對酶與底物相互作用的影響。實驗證明，加壓可提高酶的活性，降壓也可改進(jìn)酶的催化效能。一般認(rèn)為，蛋白質(zhì)在壓力影響下，會改變其體積、構(gòu)象及活性部位，采用激光拉曼分光光度計法可以檢測到這一現(xiàn)象。加壓若使反應(yīng)速度減慢，活化體積增加，即是一種解離反應(yīng);反之，則是一種鍵合反應(yīng)。在試驗條件下壓力可以得到精確控制，但飼料制粒過程的壓力很難精確把握，精確確定制粒或膨化過程中壓力對被稀釋酶的活性影響仍存在很多困難。
　　目前關(guān)于剪切力導(dǎo)致酶失活的研究較少。在制粒前添加的酶制劑所經(jīng)過的攪動、混合、振動、擠壓等過程中都存在剪切力的作用。在攪動過程中酶的失活主要是一種表面現(xiàn)象，并不等同于酶的加熱及化學(xué)作用下失活。攪動作用使肽鏈在氣液界面暴露并展開，雖然暴露在氣液界面(包括液體中產(chǎn)生的氣體泡)的肽鏈數(shù)量相對于總肽鏈來說很少，但其產(chǎn)生的影響不可忽略，因為攪動會連續(xù)產(chǎn)生新的界面導(dǎo)致更多肽鏈的展開，使酶難以與底物發(fā)生反應(yīng)。Fikret[16]等通過試驗研究了剪切力作用對酶活性的影響。試驗結(jié)果表明纖維素酶活性隨著剪切強度的增加及時間的推移而降低，半纖維素酶在低的剪切強度作用下活性降低較緩慢，而在剪切強度較高時，混合10min以后，活性很快降低。在制粒和膨化過程中劇烈的剪切力可能是導(dǎo)致酶活損失的一個原因，但目前缺乏足夠的數(shù)據(jù)來證實這一影響。
　　2.3濕度
　　水分含量對酶制劑活性同樣有很大的影響。水分存在條件下蛋白質(zhì)因為表面張力而出現(xiàn)變性，蛋白質(zhì)的多肽經(jīng)常會在二相界面上松散，特別是氣液界面，這也是泡沫多的蛋白質(zhì)溶液會產(chǎn)生變性的原因。經(jīng)過包被處理的飼用酶制劑，在干燥條件下，90℃加熱30min不會失活，但在相同溫度下供給蒸汽，酶制劑就會迅速失活[17]。
　　另外與水分含量相關(guān)的水分活度也會造成蛋白質(zhì)變性。氫鍵在維持酶的空間構(gòu)象中起著重要的作用，當(dāng)體系中含有大量自由水時，就會破壞酶分子內(nèi)部的氫鍵相互作用，使酶分子的構(gòu)象容易發(fā)生變化，酶易于變性失活。在一定溫度下，飼用復(fù)合酶及配合飼料中水分含量與水分活度的關(guān)系由水的吸附等溫線表示，雖然這種關(guān)系不是一級直線關(guān)系，但總的趨勢是，樣品水分含量越高，水分活度越大。在較高的水分活度下，酶蛋白的變性會顯著增強。當(dāng)樣品水分含量降為10%時，溫度升高到60℃，脂酶才開始失活，而水分含量為23%時，在常溫下便出現(xiàn)明顯的失活現(xiàn)象。對于大多數(shù)酶制劑，在接近中性的pH和較低溫度下將水分活度降到0.3以下，能防止因酶蛋白變性和微生物生長引起的變質(zhì)，從而保存較多的酶活力。當(dāng)酶蛋白通過一定的穩(wěn)定化措施后，對水分活度較高的環(huán)境仍能保存足夠的活性，但損失仍存在[18]。
　　2.4其它因素
　　酶抑制劑、酶激活劑等都能顯著改變酶的催化活性。金屬離子不僅會影響酶的活性，而且會影響酶的穩(wěn)定性。Co2+，Mn2+等離子通常可顯著增加D-葡萄糖異構(gòu)酶的活性;Cu2+、Fe2+、Al3+、Hg2+、Zn2+、Ca2+均有不同程度的抑制催化活性的作用;Hg2+，Pb2+可使酶發(fā)生變性作用，因此應(yīng)避免其與酶接觸。另外飼料中的添加物對酶也有影響，如PO43-根對酶活性有一定程度的抑制作用，其他如CO32-、Cl-、SO42-、NO3-等酸根離子則影響不大，有機物如尿素和胍等都可引起蛋白質(zhì)變性，但單純由尿素引起的變性常是可逆的。對纖維素酶而言，甲醛和碘酸鉀能造成失活，但半胱氨酸，重鉻酸鉀對其有激活作用，能提高纖維素酶水解CMC的能力20%左右。另外，飼料原料中存在許多酶的天然抑制劑，它們有些是非專一的抑制劑，如植物中單寧類成分具有強烈的結(jié)合蛋白質(zhì)的能力，易使酶失活，動物體內(nèi)的肝素，青霉素等抗菌素也能影響很多酶的活性，對纖維素酶而言，植物體內(nèi)的酚類即各種白色素則是其抑制劑。
　　在飼料加工過程中，酶制劑不可避免的要與飼料原料中對酶活起抑制作用的金屬離子或物質(zhì)接觸，且在制粒和膨化的高溫、高壓、高濕度的條件下，更易于與其進(jìn)行反應(yīng)，因此此類因素對酶失活應(yīng)起到一定的作用，但目前尚無關(guān)于加工過程中此類因素對酶失活的研究報道。
　　三. 發(fā)展方向
　　綜上所述，制粒、膨化過程中的溫度、壓力和水分等對酶制劑活性有很大影響，因此，目前配合飼料工業(yè)采用以下工藝來添加飼用酶制劑：1)利用載體或包被劑，如將液態(tài)的纖維素酶和β-葡聚糖酶吸附于某種載體上，或?qū)㈩w粒狀酶制劑用包被劑包被起來，可使這些飼用酶制劑在90℃時仍能保持95%以上的活性。被包被的酶制劑雖可最大的減少加工溫度對其的影響，但如何保證其在動物消化道內(nèi)的合適部位及時得到釋放，并發(fā)揮出最大的催化效果可能將成為包被工藝最值得考慮的問題。2)制粒后噴涂，即向經(jīng)冷卻后的顆粒飼料表面噴涂酶制劑以避免飼料成型工藝中的高溫對酶活性產(chǎn)生的不良影響。后噴涂技術(shù)完全避免了加工過程對酶的破壞，但需要安裝新的噴涂設(shè)備，在技術(shù)上要求也較高，因此相應(yīng)的成本也較高，另外噴涂的準(zhǔn)確性不高、均勻性難控制、噴涂后易剝離、易氧化失活、粉化率增高等因素都是今后應(yīng)著手重點解決的問題。
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