饲料加工工艺对酶制剂活性的影响

akenuma

　　许毅 周岩民 王恬
　　南京农业大学动物科技学院 210095
　　摘要：酶制剂作为一种高效饲料添加剂，已日益为人们所重视。现代配合饲料加工工艺趋于颗粒化，使酶制剂有可能参与饲料热加工过程，而酶作为一种生物蛋白对诸多环境因素，如温度、水分、压力等条件敏感，因此饲料加工工艺对酶制剂活性的影响就必须加以考虑。本文结合现行的饲料加工工艺及部分试验的结果，就饲料加工工艺对酶制剂活性的影响进行分析。
　　关键词：饲料加工 酶制剂 酶活 影响因素
　　前言
　　酶是一种催化效率极高的生物催化剂，其催化效率比无机催化剂高107~1013倍，但酶的催化活性极易受到多种物理与化学因素的调控，如温度、pH值、水分、压力、紫外线等条件都会对酶活产生很大的影响。目前颗粒饲料、膨化饲料的大规模生产已经成为世界饲料工业的一个发展趋势，据不完全统计，国外饲料产品的70%以上是经过热加工(调质、制粒或膨化)处理的。饲料在制粒、挤压和膨化过程中受温度、压力和湿度的强烈作用，对饲料成品中酶制剂的活性提出了挑战。酶制剂虽可在制粒后喷涂[1]或饲喂前进行预酶解[2]，但在饲用酶制剂成本不断下降的现状下，增大其添加量以获得最终产品中足够活性可能是酶制剂最简单经济的使用方法，因此必须就饲料加工工艺对酶制剂活性的影响这一问题加以研究，确定其影响的原因及程度才能更精确的保证酶制剂的添加量。
　　一. 影响酶活工序的特点
　　目前饲料加工工艺中对酶制剂起破坏作用的主要是制粒和膨化工序。这两个涉及高温、高湿及挤压的综合作用对饲用酶制剂的活性是一个严峻的考验。
　　1.1制粒工序
　　在制粒过程中，需要加入4~5%的蒸汽进行调质，从而使物料升温50℃左右。另外，物料与压辊、压模与模孔之间的摩擦，也可使物料升温5~20℃，从而使制粒后颗粒温度达到70~90℃，甚至100℃左右。一般来说，调质的温度不低于70℃，才能使粉料比较充分的糊化，另外还需一定的糊化时间，如果条件允许，最好使粉料在调质中滞留15s以上，一般也不低于6s，而达到最佳制粒效果所需的物料水分含量在15.5~17.5%之间[3]。
　　1.2膨化工序
　　在挤压膨化工艺中，温度可高达200℃，但是饲料在如此高的温度下的滞留时间很短(5~10s)。在加工浮性饲料时，蒸汽和水的添加量达干饲料的8%，挤出物在达到模头时具有以下性质：最终压力为3.45×103~3.75×103kPa、温度125~138℃、水分25~27%。在沉性饲料的生产中，在调质器内先加入少量的蒸汽，然后加入水。混合料离开调质器时的最终水分通常为20~24%。混合料的温度在调质筒的出口处达到70~90℃，挤出物的水分含量达到28~30%。生产鱼饲料时，挤压机模头处的压力通常是2.63×103~3.04×103kPa。非膨化的完全熟化水产饲料，挤压机模头外的挤出物温度为120℃[4]。
　　二. 影响酶活的因素
　　酶是一种生物催化剂，与其它蛋白质一样对温度、湿度、压力等因素比较敏感(Guus等，2000)。制粒膨化过程中的温度可达100~200℃，并伴有高湿(引起饲料中较高的水分活度)、高压(改变酶蛋白的空间多维结构而变性)，在该条件下，大多数酶制剂的活性都将受到不同程度的影响。
　　2.1温度
　　温度对酶活性影响有两个方面：一方面温度升高可使底物分子的键能增加，分子碰撞概率提高，从而加快反应速度;但温度升高到一定的程度，酶蛋白逐渐变性，活性丧失。常用饲用酶制剂的主要来源与最适温度，如下表1所示。
　　表1 常用饲用酶制剂的主要来源与最适温度[5][6][7]
　　酶的种类 来源 最适温度/℃
　　非消化酶 纤维素酶 绿色木霉 45~65
　　木霉 45~50
　　康宁木霉 45~50
　　黑曲霉 45~55
　　半纤维素酶 枯草芽胞杆菌 40~55
　　木霉 40~50
　　果胶酶 根霉 40~50
　　黑曲霉 40~50
　　植酸酶 黑曲霉 40~50
　　米曲霉 40~50
　　丹宁酶 无花果曲霉 40~50
　　黑曲霉 40~50
　　β-葡聚糖酶 枯草芽胞杆菌 55~70
　　木霉 50~60
　　消化酶 蛋白酶 AS1398枯草芽胞杆菌 35~40
　　枯草杆菌 45~50
　　糖化酶 黑曲霉 50~60
　　根霉 55~65
　　淀粉酶 黑曲霉 55~70
　　大麦和小麦基础日粮经过热加工，其中植酸酶在经过各个加工工序的相对活性如表2所示[8]。Israelsen(1995)报道，110℃时植酸酶的活性存留率为零。Vanderpoel报道，110℃时β-葡聚糖酶和纤维素酶的活性已无法检测到;Gradient报道，淀粉酶在80℃时活性显著下降。Clayton(1999)认为，如制粒温度超过85℃，就应采用液体酶制剂喷涂到冷却后的颗粒料上，从而避免高温蒸汽对酶活性的不利影响[9]。
　　表 2　大麦和小麦基础的猪饲料在膨胀加工过程中植酸酶的相对活性
　　工序 温度 /℃ 植酸酶的相对活性
　　调质前 27.9 100%
　　调质后 80.5 76%
　　制粒后 70 47%
　　膨胀后 102 18%
　　膨胀制粒后 79 12%
　　P.Spring(1996)测定了不同制粒温度对纤维素酶、细菌淀粉酶、真菌淀粉酶和戊聚糖酶活性的影响。试验样品为含有不同酶制剂的大麦-小麦-豆饼型饲料，制粒温度分别为60℃、70℃、80℃、90℃和100℃。结果表明纤维素酶、戊聚糖酶和真菌淀粉酶在80℃时仍稳定，但在90℃时活性丧失90%(P<0.05)。细菌淀粉酶更稳定些，在100℃时仍具有60 %的活力[10]。Cowan和Rasmussen(1993)测定了不同酶制剂在溶液中酶活的稳定性，其中戊聚糖酶的测定结果与P. Spring(1996)的结果相似[11]。但制粒条件下和溶液条件下都有不同结果的报道，Gadient等(1993)报道，在热溶液处理过程中，如果临界温度不超过75℃，碳水化合物酶的活性不受影响[12]。Nunes(1993)报道，制粒蒸汽温度高于60℃时，显著降低戊聚糖酶的活性[13]。这种结果的差异可能是由于酶活的测定方法不同或不同菌种来源的酶制剂耐热性差异所导致的。制粒后酶活的测定是一个尚具争议的问题，因为目前尚未出现统一的测定加酶饲料中被高度稀释的酶活方法。
　　Gadient等(1993)认为酶活性损失的程度明显受到酶制剂类型的影响，淀粉酶在80℃下活力显著下降。植酸酶经70～90℃制粒后活力下降50%以上[8]。Cowan(1993)报道，未经处理的β-葡聚糖酶经70℃制粒后在饲料中的存活率仅为10%。Inborr(1994)报道，β-葡聚糖酶在料温为75℃时调质30s，其存活率为64%，而再经90℃的制粒其存活率仅为19%[14]。
　　饲料加工调制对饲料消化率的提高、对酶活性的破坏以及酶对饲料消化率的提高三者之间可能存在着一个平衡。Bedford等(1998)试验表明，日粮中木聚糖酶的活性随着饲料加工温度的升高而逐渐下降，但饲养试验发现，饲料加工温度为82℃时肉仔鸡生产性能最好，温度低于或高于82℃，生产性能都有所下降，而饲料转化率与饲料中酶的活性之间相关性不显著。且所有加工温度的加酶饲料都降低了肉仔鸡肠内容物的粘度，而且在95℃时粘度降幅最大，这亦可反映出热加工和酶制剂在提高饲料消化率上共同的作用。Michael(1997)报导，以玉米、豆粕型肉鸡料做试验，粉状料加酶后45日龄肉鸡的体重和饲料效率分别比不加酶的对照组高5%和1.77%，而相同配方的颗粒料加酶后上述两项指标仅分别比对照组高4%和1.23%[15]。这也提示，在实际生产中应以动物的实际生产性能作为检验酶制剂有效性的标准。
　　2.2压力和剪切力
　　压力对酶分子影响的研究已有40余年的历史，但近年才重视压力对酶与底物相互作用的影响。实验证明，加压可提高酶的活性，降压也可改进酶的催化效能。一般认为，蛋白质在压力影响下，会改变其体积、构象及活性部位，采用激光拉曼分光光度计法可以检测到这一现象。加压若使反应速度减慢，活化体积增加，即是一种解离反应;反之，则是一种键合反应。在试验条件下压力可以得到精确控制，但饲料制粒过程的压力很难精确把握，精确确定制粒或膨化过程中压力对被稀释酶的活性影响仍存在很多困难。
　　目前关于剪切力导致酶失活的研究较少。在制粒前添加的酶制剂所经过的搅动、混合、振动、挤压等过程中都存在剪切力的作用。在搅动过程中酶的失活主要是一种表面现象，并不等同于酶的加热及化学作用下失活。搅动作用使肽链在气液界面暴露并展开，虽然暴露在气液界面(包括液体中产生的气体泡)的肽链数量相对于总肽链来说很少，但其产生的影响不可忽略，因为搅动会连续产生新的界面导致更多肽链的展开，使酶难以与底物发生反应。Fikret[16]等通过试验研究了剪切力作用对酶活性的影响。试验结果表明纤维素酶活性随着剪切强度的增加及时间的推移而降低，半纤维素酶在低的剪切强度作用下活性降低较缓慢，而在剪切强度较高时，混合10min以后，活性很快降低。在制粒和膨化过程中剧烈的剪切力可能是导致酶活损失的一个原因，但目前缺乏足够的数据来证实这一影响。
　　2.3湿度
　　水分含量对酶制剂活性同样有很大的影响。水分存在条件下蛋白质因为表面张力而出现变性，蛋白质的多肽经常会在二相界面上松散，特别是气液界面，这也是泡沫多的蛋白质溶液会产生变性的原因。经过包被处理的饲用酶制剂，在干燥条件下，90℃加热30min不会失活，但在相同温度下供给蒸汽，酶制剂就会迅速失活[17]。
　　另外与水分含量相关的水分活度也会造成蛋白质变性。氢键在维持酶的空间构象中起着重要的作用，当体系中含有大量自由水时，就会破坏酶分子内部的氢键相互作用，使酶分子的构象容易发生变化，酶易于变性失活。在一定温度下，饲用复合酶及配合饲料中水分含量与水分活度的关系由水的吸附等温线表示，虽然这种关系不是一级直线关系，但总的趋势是，样品水分含量越高，水分活度越大。在较高的水分活度下，酶蛋白的变性会显著增强。当样品水分含量降为10%时，温度升高到60℃，脂酶才开始失活，而水分含量为23%时，在常温下便出现明显的失活现象。对于大多数酶制剂，在接近中性的pH和较低温度下将水分活度降到0.3以下，能防止因酶蛋白变性和微生物生长引起的变质，从而保存较多的酶活力。当酶蛋白通过一定的稳定化措施后，对水分活度较高的环境仍能保存足够的活性，但损失仍存在[18]。
　　2.4其它因素
　　酶抑制剂、酶激活剂等都能显著改变酶的催化活性。金属离子不仅会影响酶的活性，而且会影响酶的稳定性。Co2+，Mn2+等离子通常可显著增加D-葡萄糖异构酶的活性;Cu2+、Fe2+、Al3+、Hg2+、Zn2+、Ca2+均有不同程度的抑制催化活性的作用;Hg2+，Pb2+可使酶发生变性作用，因此应避免其与酶接触。另外饲料中的添加物对酶也有影响，如PO43-根对酶活性有一定程度的抑制作用，其他如CO32-、Cl-、SO42-、NO3-等酸根离子则影响不大，有机物如尿素和胍等都可引起蛋白质变性，但单纯由尿素引起的变性常是可逆的。对纤维素酶而言，甲醛和碘酸钾能造成失活，但半胱氨酸，重铬酸钾对其有激活作用，能提高纤维素酶水解CMC的能力20%左右。另外，饲料原料中存在许多酶的天然抑制剂，它们有些是非专一的抑制剂，如植物中单宁类成分具有强烈的结合蛋白质的能力，易使酶失活，动物体内的肝素，青霉素等抗菌素也能影响很多酶的活性，对纤维素酶而言，植物体内的酚类即各种白色素则是其抑制剂。
　　在饲料加工过程中，酶制剂不可避免的要与饲料原料中对酶活起抑制作用的金属离子或物质接触，且在制粒和膨化的高温、高压、高湿度的条件下，更易于与其进行反应，因此此类因素对酶失活应起到一定的作用，但目前尚无关于加工过程中此类因素对酶失活的研究报道。
　　三. 发展方向
　　综上所述，制粒、膨化过程中的温度、压力和水分等对酶制剂活性有很大影响，因此，目前配合饲料工业采用以下工艺来添加饲用酶制剂：1)利用载体或包被剂，如将液态的纤维素酶和β-葡聚糖酶吸附于某种载体上，或将颗粒状酶制剂用包被剂包被起来，可使这些饲用酶制剂在90℃时仍能保持95%以上的活性。被包被的酶制剂虽可最大的减少加工温度对其的影响，但如何保证其在动物消化道内的合适部位及时得到释放，并发挥出最大的催化效果可能将成为包被工艺最值得考虑的问题。2)制粒后喷涂，即向经冷却后的颗粒饲料表面喷涂酶制剂以避免饲料成型工艺中的高温对酶活性产生的不良影响。后喷涂技术完全避免了加工过程对酶的破坏，但需要安装新的喷涂设备，在技术上要求也较高，因此相应的成本也较高，另外喷涂的准确性不高、均匀性难控制、喷涂后易剥离、易氧化失活、粉化率增高等因素都是今后应着手重点解决的问题。
　　参考文献：
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晕菜

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