楊　柳

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科技學(xué)院，四川 成都 611130)

飼用動植物酶制劑生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)

楊柳

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科技學(xué)院，四川 成都 611130)

酶工程是在一定的生物反應(yīng)器內(nèi)，利用酶的催化作用，進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的技術(shù)，是生物技術(shù)的一個重要組成部分。而酶制劑(Enzyme Preparation)則是從生物體(菌體、動植物體)中，經(jīng)分離提純而得到的具有一定純度和活性的酶制品。不斷開發(fā)新型酶制劑，用現(xiàn)代生物技術(shù)改良產(chǎn)酶原料，改善酶的反應(yīng)技術(shù)，擴大酶的應(yīng)用等是酶工程的主要研究內(nèi)容。它服務(wù)于國民經(jīng)濟相關(guān)的許多行業(yè)，涉及到食品、醫(yī)藥、紡織、化工、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、國防等許多方面，能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟與社會效益。本文簡述了當代動植物酶制劑生產(chǎn)應(yīng)用的特點，闡述了動植物酶制劑在飼料生產(chǎn)中的優(yōu)勢，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)含量、研發(fā)能力等方面總結(jié)了近年來酶制劑工業(yè)發(fā)展中存在的問題，簡要提出了動植物酶制劑生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展的建議與策略。

1動植物酶的應(yīng)用及優(yōu)勢

1.1 動植物酶的應(yīng)用

人類利用動、植物酶的歷史已非常悠久，遠在6 000年前，巴比倫人已用麥芽釀造出了類似啤酒的飲品，5 000年前，巴比倫人已懂得將酒精轉(zhuǎn)變?yōu)榇椎姆椒ā?1世紀的今天，國際酶制劑工業(yè)已進入了全新階段，基因工程、蛋白質(zhì)工程、生化分析、臨床檢測等的各種酶制劑的迅猛發(fā)展，對 2l 世紀的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等事業(yè)具有十分重大意義。

在畜牧學(xué)中，更多的動、植物酶被運用在家畜的飼養(yǎng)中。飼用酶制劑可在提高動物的消化能力、改善飼料的利用率、消除抗營養(yǎng)因子、擴大可利用飼料資源范圍、改善養(yǎng)殖的生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮重要作用。例如：在產(chǎn)蛋雞的基礎(chǔ)日糧中添加0.1%的復(fù)合酶制劑可以使產(chǎn)蛋率平均提高6.12%，料蛋比降低11. 69%。說明在蛋雞的基礎(chǔ)日糧中添加適當?shù)膹?fù)合酶制劑能提高飼料轉(zhuǎn)化率和經(jīng)濟效益；在斷奶仔豬的基礎(chǔ)日糧中添加復(fù)合酶制劑，可以使斷奶仔豬的日增重提高6%，而且每千克增重飼料成本降低0.14元。這些不僅提高了經(jīng)濟利用率，而且提高了經(jīng)濟效益；在肉雛雞的日飼料中添加酶制劑，粗脂肪、粗纖維的消化率分別降低了28.09%與49.83%，且雛雞糞便中的大腸桿菌數(shù)降低了71.48%。酶制劑的添加不僅提高了飼料利用率，而且保證了肉雛雞的健康發(fā)育。在我國國寶大熊貓的飼養(yǎng)中，在其日糧中添加0.3%的營養(yǎng)性復(fù)合酶制劑或纖維素復(fù)合酶制劑，可顯著提高大熊貓日飼糧總能的消化吸收率，已經(jīng)成為動植物復(fù)合酶制劑應(yīng)用于移地保護大熊貓飼養(yǎng)中的成功案例。

另一方面，植物細胞存在一些獨特的酶，能完成化學(xué)合成和微生物轉(zhuǎn)化等難以完成的一些專一性修飾，催化立體專一性的反應(yīng)，產(chǎn)生獨特的手性產(chǎn)物。這是微生物酶制劑所辦不到的。植物酶制劑在生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的運用中較為完善。目前，已有多種催化重要反應(yīng)的植物酶被分離，如用于合成異羥基洋地黃毒苷(digoxin)的洋地黃毒苷12β-羥基化酶，用于將莨菪堿(hyoscyam ine)轉(zhuǎn)化為東莨菪堿(scopolam ine)的莨菪堿6β-羥基化酶，以及用于紫杉醇半合成的C10-去乙酰酶、C7-木糖酶等。

1.2動植物酶的生產(chǎn)優(yōu)勢

雖然目前生產(chǎn)性用酶大多還靠微生物體制取，微生物酶制劑的生產(chǎn)也有其獨到之處，然而動、植物酶在制備工序等方面相比微生物酶的生產(chǎn)仍有很多不可低估的優(yōu)勢。

1.2.1降低環(huán)境污染動植物酶不需微生物酶生產(chǎn)時所用的繁多而大型的發(fā)酵設(shè)施，無需擔(dān)心發(fā)酵時雜菌污染甚至滿罐作廢；且在飼料中添加動植物酶制劑可以有效降低動物糞便中有機物、氮、磷的含量，從而降低環(huán)境污染量。

1.2.2提取成本大大降低使用微生物提取酶時需要大量的原料才可提取出微量的細菌、真菌用來發(fā)酵成為酶制劑。而動植物目標大，體內(nèi)可以提取的酶種類和原料非常之多，這與微生物發(fā)酵相比大大降低了成本。

1.2.3生產(chǎn)工藝簡潔方便動、植物酶制劑在生產(chǎn)過程中不需要微生物酶制取時破除細胞壁所需的麻煩工序。目前，很多動、植物組織的直接干燥粉末都可以作為酶制劑使用。如劍麻酶可由干燥劍麻植物葉表柵欄組織制成產(chǎn)品，這樣的粗制品即可用于皮革工業(yè)。駱駝刺酶用于糠革的制品亦與劍麻酶相似。蝸牛酶也僅需把蝸牛的消化道冷凍干燥制成干粉就可獲得具有高活性的工業(yè)酶制劑。

1.2.4酶制劑與抗生素相比的優(yōu)越性隨著國際上取消或禁止使用抗生素，酶制劑被認為是替代抗生素的功能性添加劑，將會受到更多行業(yè)的青睞。

2動植物酶制劑生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

對動植物酶的提取是酶制劑生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1篩選好的品種及其組織

首先要注意篩選高活力、高含量的動植物品種和組織部分。尤其是植物酶更要注意在高含量的生育階段來提取。

例如，在提取無花果酶和木瓜酶時，首先要選擇高活性含量的品種。無花果中有些品種就可能無法測出其蛋白酶活性；木瓜和劍麻菠蘿的酶均取自皮汁，所以木瓜酶只有在未成熟的綠果才含有。另外，劍麻酶的含量與植株生長狀況有極大聯(lián)系，只有生長旺盛的麻株酶具有明顯的活性，低產(chǎn)麻的酶活性比高產(chǎn)麻的酶活性相差數(shù)10倍。

動物酶的提取則主要局限于含酶組織的選擇。比如胰蛋白酶、糜蛋白酶僅在動物胰臟含有，所以只能從胰腺提取。胃蛋白酶僅在動物胃臟存在，因而只能從胃臟提取。

2.2掌握酶的性質(zhì)

在酶的生產(chǎn)過程中，要考慮酶的蛋白質(zhì)特性，避免接觸蛋白質(zhì)變性因素。

譬如避免接觸強酸、強堿、高溫、重金屬離子、表面活性劑等，它們都能使蛋白質(zhì)變性或改變酶蛋自的結(jié)構(gòu)而令酶失活。

2.3避免破壞酶的活性中心

酶的氨基酸鏈盤曲折疊以至某幾個氧基酸殘基在一級結(jié)構(gòu)中相距很遠(氨基酸首尾連接成膚的順序稱為一級結(jié)構(gòu)，而在空間位置相近。它們的活性琉基、經(jīng)基、咪哇基之類作用形成所謂的電子傳遞鏈。正是這一部位起到了與反應(yīng)底物結(jié)合并催化底物反應(yīng)的功能，如果它們的結(jié)構(gòu)或組成被破壞就令酶的生物學(xué)活性完全喪失。所以，不利于酶活性部位結(jié)構(gòu)的因素都必須避免。如：劍麻酶、木瓜酶、無花果酶、菠蘿酶活性中心的琉基(SH基)，就極易被氧化劑、重金屬作用而失活，胰、胃蛋白酶活性中心的經(jīng)基(OH)卻容易為二異丙基氟磷酸之類破壞；另外，金屬酶則不能接觸檸檬酸、乙二氨四乙酸(EDTA)等金屬整合劑。

在生產(chǎn)過程中，如上所述的這些因素必須考慮，忽視任何一點都可能會使所得產(chǎn)品毀于一旦。

3國內(nèi)動植物酶制劑應(yīng)用存在的問題

雖然酶制劑的市場非常廣闊，但同微生物酶制劑一樣，動植物酶制劑應(yīng)用過程中還有許多問題沒有解決，其主要問題體現(xiàn)在以下幾方面。

3.1酶制劑耐熱性差

由于酶制劑飼料在生產(chǎn)過程中，需要經(jīng)過蒸汽制粒工序，該工序溫度在75～85 ℃，而一般酶制劑只能耐受50～70 ℃，所以在制粒過程中，酶的活性會受到一定程度的損失。

3.2銷售與科研失衡

國內(nèi)酶制劑生產(chǎn)企業(yè)普遍存在“重銷售，忽略應(yīng)用性研發(fā)”的現(xiàn)象，目前國內(nèi)知名酶制劑企業(yè)大都屬于銷售型企業(yè)，據(jù)調(diào)查，國內(nèi)酶制劑公司研究開發(fā)經(jīng)費一般占產(chǎn)品銷售額的10%～15%。由于過度地把人力和財力投入到銷售，忽略了對酶制劑的應(yīng)用效果進行深入系統(tǒng)地科研研究，故而產(chǎn)品使用效果不明顯。

3.3酶制劑數(shù)量與酶制劑企業(yè)數(shù)量的局限性

以飼料產(chǎn)業(yè)為例，發(fā)現(xiàn)，迄今為止，全球范圍內(nèi)飼料產(chǎn)業(yè)僅有10%用到了酶制劑。我國飼用酶制劑的應(yīng)用只有不到10年的歷史，且國內(nèi)允許在飼料上使用的酶制劑品種只有100種左右，更值得注意的是真正能夠發(fā)揮作用的酶制劑也是要根據(jù)飼料原料的特點來設(shè)計產(chǎn)品。因此酶制劑數(shù)量與酶制劑企業(yè)數(shù)量的雙重局限性是的當代酶制劑產(chǎn)業(yè)的一大問題。

3.4酶活性定義混亂

酶制劑活性一般以單位(Unit)表示。其1單位的定義為：在標準條件下l min內(nèi)催化一定濃度的作用物(或稱底物)進行轉(zhuǎn)化所需的酶量。但目前為止，除了淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、脂肪酶之外，大多數(shù)動植物酶種的活力檢測方法尚無國家標準或行業(yè)通用標準。在實際生產(chǎn)中，絕大多數(shù)企業(yè)的酶活性定義都是本企業(yè)制定的，而不同單位酶活性的含義也不同，有的甚至可以相差200倍。這為全國范圍內(nèi)統(tǒng)一評價特別是各種動植物酶制劑產(chǎn)品的品質(zhì)帶來了諸多不便。

按1.3.1節(jié)方法得到的不同酒精度紅棗白蘭地，采用1.3.2方法對不同酒精度溶液的濁度進行測定。其結(jié)果見圖1。

4國內(nèi)動植物酶制劑發(fā)展策略及展望

國際上在酶工程研究方面與酶工程產(chǎn)業(yè)方面發(fā)展非常迅速，酶制劑市場以年平均11%速度逐年增加。而在我國，在微生物、動物、植物三方面的酶源中，后兩項一直未能受到應(yīng)有的重視，多年來出版的工業(yè)酶制劑教科書中就鮮于提及動、植物酶。近年來，隨著生物技術(shù)的深人研究，酶工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速，酶制劑產(chǎn)業(yè)已成為21世紀的新興產(chǎn)業(yè)之一。在世界各大公司正虎視眈眈我國酶制劑市場之時，我國的酶制劑行業(yè)正面臨嚴重的挑戰(zhàn)，為使我國的酶制劑工業(yè)健康發(fā)展，適應(yīng)需要，積極參與國際競爭，現(xiàn)提出以下發(fā)展策略及建議。

4.1投入組建我國酶工程研究中心

長期以來，我國在酶工程領(lǐng)域研究經(jīng)費投入方面十分狹窄，且研發(fā)力量分散，如上文所說，國內(nèi)酶制劑生產(chǎn)企業(yè)普遍存在“重銷售，忽略應(yīng)用性研發(fā)”的現(xiàn)象，目前國內(nèi)知名酶制劑企業(yè)大都屬于銷售型企業(yè)，在科研研究方面投資的人力物力財力微乎其微。這就造成了研究機構(gòu)與企業(yè)脫鉤的現(xiàn)象，導(dǎo)致我國在全球酶制劑領(lǐng)域尚無巨大、可觀的進展。而要擺脫這種被動局面，一方面要聯(lián)合科研企業(yè)單位，組建集中的大型酶工程研究中心；另一方面，則要通過企業(yè)重組，重心調(diào)整，聯(lián)合科研單位與院校，目的是形成強強聯(lián)手的競爭優(yōu)勢。

4.2利用生產(chǎn)原料開發(fā)新動、植物酶種

我國幅原遼闊，動植物酶的資源十分豐富。據(jù)調(diào)查，在南方諸省，便有數(shù)以百萬畝計的菠蘿、劍麻、番木瓜等含豐富蛋白酶的原料植物。這樣的原料成本低，且利用率高。例如菠蘿中的果肉做成罐頭后，其皮汁尚能進一步處理菠蘿酶。然而令人惋惜的是，能做到綜合利用的僅有南寧罐頭廠一家，導(dǎo)致目前國內(nèi)的菠蘿酶的年產(chǎn)量不足兩噸，尚未達全國目標需求量的千分之三；據(jù)調(diào)查，南方諸省擁有麻園2萬hm2，其原料不但沒有得到充分得到利用，而且大量可制酶的原料都在纖維加工過程中隨污水排出，污染了環(huán)境。

另一方面，我國的動物臟器酶生產(chǎn)原料的現(xiàn)狀仍待改善。全國各地區(qū)每年宰殺的豬、牛、羊等家畜可達到億萬，它們的胰、胃等器官均可提取加工成動物酶酶，其作用包括治療蛇傷壞疽、燒傷的藥物成分胰蛋白酶、胃蛋白酶，治療白內(nèi)障的藥物成分糜蛋白酶，治療心臟病高血脂的藥物成分彈性蛋白酶、激膚酶等等?？稍谖覈?，真正能將這些資源利用起來的也僅有武漢、上海等少數(shù)廠家?？傊?，南方諸省地處熱帶、亞熱帶，且多山地丘陵，有著特殊的生態(tài)環(huán)境，擁有豐富的生產(chǎn)資源。然而類似上海、北京等一線城市雖有雄厚的技術(shù)力量，卻無法找到這樣好的地理、氣候條件。如何將擁有雄厚技術(shù)與科研力量的一線城市與南方諸省的大量生態(tài)資源結(jié)合起來，是一個亟需解決的問題。

4.3調(diào)整酶制劑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

根據(jù)我國目前酶制劑研究生產(chǎn)水平，與發(fā)達國家無論在品種或質(zhì)量上抗衡都是不現(xiàn)實的。這主要表現(xiàn)在產(chǎn)品品種少，結(jié)構(gòu)不合理；生產(chǎn)規(guī)模小，生產(chǎn)水平低；產(chǎn)品質(zhì)量差；開發(fā)能力差，精細化程度低等方面。各大生產(chǎn)酶制劑企業(yè)、機構(gòu)除了大力生產(chǎn)提高產(chǎn)量外，也要根據(jù)我國自身特點，結(jié)合社會需要，市場需要，注重“生產(chǎn)集中、應(yīng)用廣泛”，調(diào)整酶制劑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，不生搬硬套，走中國自身發(fā)展的路。

總之，動、植物酶制劑有著不產(chǎn)生殘留、無抗藥性、不污染環(huán)境、原料豐富、成本低等明顯優(yōu)勢，隨著人們生活水平的提高，公眾環(huán)境意識的增強，動、植物酶制劑必將迎來廣闊的發(fā)展空間。雖然動、植物酶制劑在普遍的生產(chǎn)應(yīng)用中還存在著許多問題，但在生物技術(shù)，特別是基因工程技術(shù)不斷提高的今天，這些問題都將得到徹底的解決。動、植物酶制劑產(chǎn)業(yè)這一漸漸崛起的新興產(chǎn)業(yè)，在21世紀的全球范圍內(nèi)都具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在我國這一產(chǎn)業(yè)也必定有著穩(wěn)定而廣闊的發(fā)展空間。

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[收稿日期]2015-09-07

[作者簡介]楊柳(1996-)，女，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)專業(yè)2014級在讀生。

[中圖分類號]S 16.6

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-6704(2016)01-0100-03