飼料科學(xué)論文《飼料加工工藝對(duì)酶制劑活性的影響》許毅周巖民王恬

正虹 · 發(fā)表于 2010-12-27 08:54:39

飼料加工工藝對(duì)酶制劑活性的影響

許毅周巖民王恬
　　南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)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(guò)程，而酶作為一種生物蛋白對(duì)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(duì)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(yàn)的結(jié)果，就飼料加工工藝對(duì)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(wú)機(jī)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(xiàn)等條件都會(huì)對(duì)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(gè)發(fā)展趨勢(shì)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)外飼料產(chǎn)品的70%以上是經(jīng)過(guò)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(guò)程中受溫度、壓力和濕度的強(qiáng)烈作用，對(duì)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(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的使用方法，因此必須就飼料加工工藝對(duì)酶制劑活性的影響這一問(wèn)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(diǎn)
　　目前飼料加工工藝中對(duì)酶制劑起破壞作用的主要是制粒和膨化工序。這兩個(gè)涉及高溫、高濕及擠壓的綜合作用對(duì)飼用酶制劑的活性是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。
　　1.1制粒工序
　　在制粒過(guò)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(lái)說(shuō)，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(shí)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(shí)間很短(5~10s)。在加工浮性飼料時(shí)，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(shí)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(kāi)調(diào)質(zhì)器時(shí)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(yú)飼料時(shí)，擠壓機(jī)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(jī)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(duì)溫度、濕度、壓力等因素比較敏感(Guus等，2000)。制粒膨化過(guò)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(duì)酶活性影響有兩個(gè)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(lái)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(lái)源與最適溫度[5][6][7]
　　酶的種類(lèi) 來(lái)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(wú)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(guò)熱加工，其中植酸酶在經(jīng)過(guò)各個(gè)加工工序的相對(duì)活性如表2所示[8]。Israelsen(1995)報(bào)道，110℃時(shí)植酸酶的活性存留率為零。Vanderpoel報(bào)道，110℃時(shí)β-葡聚糖酶和纖維素酶的活性已無(wú)法檢測(cè)到;Gradient報(bào)道，淀粉酶在80℃時(shí)活性顯著下降。Clayton(1999)認(rèn)為，如制粒溫度超過(guò)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(duì)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(guò)程中植酸酶的相對(duì)活性
　　工序溫度 /℃
植酸酶的相對(duì)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(cè)定了不同制粒溫度對(duì)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(yàn)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(shí)仍穩(wěn)定，但在90℃時(shí)活性喪失 90%(P<0.05)。細(xì)菌淀粉酶更穩(wěn)定些，在100℃時(shí)仍具有60 %的活力[10]。Cowan和Rasmussen(1993)測(cè)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(cè)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(bào)道，Gadient等(1993)報(bào)道，在熱溶液處理過(guò)程中，如果臨界溫度不超過(guò)75℃，碳水化合物酶的活性不受影響[12]。Nunes(1993)報(bào)道，制粒蒸汽溫度高于60℃時(shí)，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(cè)定方法不同或不同菌種來(lái)源的酶制劑耐熱性差異所導(dǎo)致的。制粒后酶活的測(cè)定是一個(gè)尚具爭(zhēng)議的問(wèn)題，因?yàn)槟壳吧形闯霈F(xiàn)統(tǒng)一的測(cè)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(lèi)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(bào)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(bào)道，β- 葡聚糖酶在料溫為75℃時(shí)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(duì)飼料消化率的提高、對(duì)酶活性的破壞以及酶對(duì)飼料消化率的提高三者之間可能存在著一個(gè)平衡。Bedford等(1998)試驗(yàn)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，飼料加工溫度為82℃時(shí)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(shí)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(bào)導(dǎo)，以玉米、豆粕型肉雞料做試驗(yàn)，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(duì)照組高5%和1.77%，而相同配方的顆粒料加酶后上述兩項(xiàng)指標(biāo)僅分別比對(duì)照組高4%和1.23%[15]。這也提示，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)以動(dòng)物的實(shí)際生產(chǎn)性能作為檢驗(yàn)酶制劑有效性的標(biāo)準(zhǔn)。
　　2.2壓力和剪切力
　　壓力對(duì)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(duì)酶與底物相互作用的影響。實(shí)驗(yàn)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(huì)改變其體積、構(gòu)象及活性部位，采用激光拉曼分光光度計(jì)法可以檢測(cè)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(yàn)條件下壓力可以得到精確控制，但飼料制粒過(guò)程的壓力很難精確把握，精確確定制粒或膨化過(guò)程中壓力對(duì)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(guò)的攪動(dòng)、混合、振動(dòng)、擠壓等過(guò)程中都存在剪切力的作用。在攪動(dòng)過(guò)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(dòng)作用使肽鏈在氣液界面暴露并展開(kāi)，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(duì)于總肽鏈來(lái)說(shuō)很少，但其產(chǎn)生的影響不可忽略，因?yàn)閿噭?dòng)會(huì)連續(xù)產(chǎn)生新的界面導(dǎo)致更多肽鏈的展開(kāi)，使酶難以與底物發(fā)生反應(yīng)。Fikret[16]等通過(guò)試驗(yàn)研究了剪切力作用對(duì)酶活性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明纖維素酶活性隨著剪切強(qiáng)度的增加及時(shí)間的推移而降低，半纖維素酶在低的剪切強(qiáng)度作用下活性降低較緩慢，而在剪切強(qiáng)度較高時(shí)，混合10min以后，活性很快降低。在制粒和膨化過(guò)程中劇烈的剪切力可能是導(dǎo)致酶活損失的一個(gè)原因，但目前缺乏足夠的數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)這一影響。
　　2.3濕度
　　水分含量對(duì)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?yàn)楸砻鎻埩Χ霈F(xiàn)變性，蛋白質(zhì)的多肽經(jīng)常會(huì)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(huì)產(chǎn)生變性的原因。經(jīng)過(guò)包被處理的飼用酶制劑，在干燥條件下，90℃加熱30min不會(huì)失活，但在相同溫度下供給蒸汽，酶制劑就會(huì)迅速失活[17]。
　　另外與水分含量相關(guān)的水分活度也會(huì)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(shí)，就會(huì)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(xiàn)表示，雖然這種關(guān)系不是一級(jí)直線(xiàn)關(guān)系，但總的趨勢(shì)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(huì)顯著增強(qiáng)。當(dāng)樣品水分含量降為10%時(shí)，溫度升高到60℃，脂酶才開(kāi)始失活，而水分含量為23%時(shí)，在常溫下便出現(xiàn)明顯的失活現(xiàn)象。對(duì)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(zhǎng)引起的變質(zhì)，從而保存較多的酶活力。當(dāng)酶蛋白通過(guò)一定的穩(wěn)定化措施后，對(duì)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(huì)影響酶的活性，而且會(huì)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(duì)酶也有影響，如PO43-根對(duì)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(jī)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(duì)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(duì)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(zhuān)一的抑制劑，如植物中單寧類(lèi)成分具有強(qiáng)烈的結(jié)合蛋白質(zhì)的能力，易使酶失活，動(dòng)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(duì)纖維素酶而言，植物體內(nèi)的酚類(lèi)即各種白色素則是其抑制劑。
　　在飼料加工過(guò)程中，酶制劑不可避免的要與飼料原料中對(duì)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(lèi)因素對(duì)酶失活應(yīng)起到一定的作用，但目前尚無(wú)關(guān)于加工過(guò)程中此類(lèi)因素對(duì)酶失活的研究報(bào)道。
　　三. 發(fā)展方向
　　綜上所述，制粒、膨化過(guò)程中的溫度、壓力和水分等對(duì)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(lái)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(lái)，可使這些飼用酶制劑在90℃時(shí)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(duì)其的影響，但如何保證其在動(dòng)物消化道內(nèi)的合適部位及時(shí)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(wèn)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(duì)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(guò)程對(duì)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(diǎn)解決的問(wèn)題。
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