论文部分内容阅读
木聚糖酶投入市场已有多年。新的观点表明，于调质前（替代制粒后）在分批式混合机中添加木聚糖酶会带来很多好处，尤其是如果该酶能以液体形式添加时。
中图分类号：S816.34 文献标识码：C 文章编号：1001-0769（2015）11-0081-03
由于为了满足对饲料的更高水平卫生和制粒质量的要求，多年来饲料生产过程中的温度和调质时间不断提高，这给非淀粉多糖（Non-starch Polysaccharide，NSP）饲用酶的应用带来了挑战。显然，饲用酶的应用目的是均匀并持续地将所需剂量的活性酶呈递至作用部位，即动物胃肠道中。然而，由于许多商用NSP酶制剂耐热性不足，经不起饲料加工过程中的制粒和热液调质的高温，所以这些年来已经引入了一些关键成果以使这一目的得以实现。就酶的应用技术和酶本身而言，这些的新成果仍在继续发展。来自既要提高饲料性能（包括饲用酶的效果）同时还要降低生产成本的压力，也确保了这些新成果能在酶制剂生产商和饲料加工商中面前保持基本的优先权。
1 早期应用的发展
在以小麦、黑麦和黑小麦为基础的动物饲料中添加NSP酶（木聚糖酶）产生的积极作用早在20多年前就为人们所知，首次商业性应用是于1989年在英国的小麦型肉鸡饲料中。那时，研究确立的木聚糖酶在谷物型家禽日粮中的主要作用模式，是降低主要由可溶性木聚糖导致的食糜黏性。然而，很显然，木聚糖酶破坏了谷物中富含阿拉伯木聚糖的糊粉层和胚乳细胞壁，从而释放了被包裹的营养物质，同时也释放出了对肠道细菌有积极作用的木寡糖。已知木聚糖酶能提高小麦中蛋白质的消化率，这主要归功于释放了在富含木聚糖的厚厚细胞壁中糊粉层（富含蛋白质）内的蛋白质。
数十年前，当NSP酶首次用于动物饲料时，它们最初只有干粉剂产品可用，于制粒前将其添加到分批式混合机中的粉料中。虽然当时常用的饲料加工温度较低，使酶在动物体内产生了明显的作用，但很快发现其在热稳定性方面存在不足。这促使人们开发了在制粒后将液体酶喷洒到颗粒饲料表面的设备，从而避开了其固有的耐热性差的弱点，并带来更高的酶活性和动物生产性能。
由于制粒后液体酶应用系统（Post-pelleting Liquid Application，PPLA）装置的广泛应用，使这项技术成功地为饲料行业服务了20多年。此最好的PPLA系统能够同时在剂量和可用产品数上带来了相当大的灵活性。虽然这第一套系统仅能达到酶活性恢复率20 %左右的变异系数（CVs），但最新设备已经能使CVs降低至小到10 %。从全球来看，近几年对PPLA系统的投入相当大，每套制粒和加工生产线都需要一套独立的系统。虽然这套系统的效率很高并已被广泛认可，但高昂的初期资金投入加上需要定期保养和校准，意味着运行PPLA系统的总费用会比较高。
2 混合机应用技术
因此，恢复到在调质前于分批式混合机中添加酶所带来的机会，将会带来许多益处，尤其是这些酶如果能以液体的方式使用时。对饲料成分（如脂肪、甜菜碱、氯化胆碱和液态氨基酸等）而言，通过分批式混合机添加液体已经是一种经过充分发展的操作，其技术已经为人们所熟知，同时安装相对简单。这种混合机液体应用（Mixer Liquid Application，MLA）技术在购买成本和保养费用上显著低于PPLA系统，而且在每一條制粒生产线上并不需要安装独立的系统。
另外，研究表明，当把液体木聚糖酶加入分批式混合机以代替制粒后添加时，无论是颗粒料还是粉料，酶活性恢复率变异系数都可以降低至低到5 %，同时制粒过程中的能源费用也可随之降低4 %。然而，MLA技术的应用完全依赖于酶的发展，即酶能否耐受饲料加工过程中的高温。因此，寻找应对酶热稳定性的解决方案仍在继续，并且至今为止的研究和开发工作可大体分为三类：包被技术的应用、酶工程以及寻找新的天然耐热性酶替代品。
3 耐热性酶的解决方案
3.1 酶工程——改造酶氨基酸结构
例如，包被技术在酶上的应用，能通过限制水的渗透作用提高酶的耐热性。虽然在商品饲料制粒中，这能使酶活性的恢复率接近 100 %；但是，在植酸酶上的应用结果表明，这一技术可能会对酶的水解速率产生不利的影响，因此进而会影响酶的使用效果。相反，对现有酶的氨基酸结构进行改造，通过使酶本身具有更强的疏水性（驱水性）或更紧密和稳定的结构，从而提高酶的耐热性。
这项技术可避开对酶进行包被的要求，并已经成功地用于多种商品酶制剂的生产中。然而还是要特别注意，以确保任何改变都不会减弱酶的效率。
3.2 寻找耐热性酶
第三种方案是在温热的环境（如热泉和深海裂隙）中筛选微生物以寻找天然耐热性酶。将这些酶的基因转入普通生产微生物大规模生产酶，使酶的效果达到或超过前面的水平，但仍保留其高耐热性——足以确保使其能以液体的状态添加到分批式混合机中。
4 耐热性带来益处
对进入市场的最新一代天然耐热性木聚糖酶进行的独立测试证实了其潜在效率已经超过了市场上现有的耐热性酶产品。在一项研究中，这种木聚糖酶（Econase XT，图1）在常规的制粒调质条件下能耐高达95 ℃的温度，此研究中的条件是30 s蒸汽调质随后再经3 mm压模制粒。
除此之外，在欧洲许多商业化饲料厂中进行的各种调质和制粒过程对酶热稳定性影响的测试表明，粉料中酶活性的恢复率为90 %～110 %。同样重要地是，将木聚糖酶以液体的方式添加到分批式混合机中，在粉料和颗粒料中的CVs都低至5 %，因为实现了更均匀的分布。一家知名研究机构进行的独立调研中还强调，将液体木聚糖酶加入分批式混合机中有可能会降低制粒所需的能耗（Pelleting Power Consumption，PPC）。
减少饲料加工过程中的这类主要耗能源，将不仅能够降低饲料加工成本，而且也会给环境带来益处，如可减少碳排放。图2中的数据表明，较之两组对照日粮——基础日粮与基础日粮 水，添加天然耐热性液态木聚糖酶后能耗分别降低了30 %和13 %。PPC水平的降低为饲料生产商带来了真正的经济和环境价值，是一种不应该被轻易丢弃的方法。
5 维持动物生长性能
大量生产试验表明，耐热性的提高不会牺牲酶在动物体内的功效，也不会影响动物的生长性能。在一项此类试验中，一种天然耐热性木聚糖酶与一种前一代产品利用小麦型日粮在肉公鸡上进行了比较——假设日粮中的小麦能量分别提升0 %、8 %或10 %。结果发现各组在42日龄的公鸡活重上无差异，但添加木聚糖酶的两组公鸡饲料转化率显著提高（P<0.01），添加天然耐热性酶的试验组公鸡提升幅度明显更大，甚至当饲料转化率因假定的小麦能量增幅加剧时而恶化时，耐热性木聚糖仍会产生理想的生产性能（图3）。
6 结论
因此，适合在分批式混合机中添加的耐热性木聚糖酶的开发成功，意味着饲料加工业向前迈出了重大的一步。使用MLA技术既能节省饲料的生产成本，又能改善饲料制粒后酶活性恢复率的CVs，并在使用木聚糖酶上为PPLA系统提供了一种替代系统。
原题名：Benefits of adding xylanases pre-pelleting（英文）
原作者：Paul Steen
中图分类号：S816.34 文献标识码：C 文章编号：1001-0769（2015）11-0081-03
由于为了满足对饲料的更高水平卫生和制粒质量的要求，多年来饲料生产过程中的温度和调质时间不断提高，这给非淀粉多糖（Non-starch Polysaccharide，NSP）饲用酶的应用带来了挑战。显然，饲用酶的应用目的是均匀并持续地将所需剂量的活性酶呈递至作用部位，即动物胃肠道中。然而，由于许多商用NSP酶制剂耐热性不足，经不起饲料加工过程中的制粒和热液调质的高温，所以这些年来已经引入了一些关键成果以使这一目的得以实现。就酶的应用技术和酶本身而言，这些的新成果仍在继续发展。来自既要提高饲料性能（包括饲用酶的效果）同时还要降低生产成本的压力，也确保了这些新成果能在酶制剂生产商和饲料加工商中面前保持基本的优先权。
1 早期应用的发展
在以小麦、黑麦和黑小麦为基础的动物饲料中添加NSP酶（木聚糖酶）产生的积极作用早在20多年前就为人们所知，首次商业性应用是于1989年在英国的小麦型肉鸡饲料中。那时，研究确立的木聚糖酶在谷物型家禽日粮中的主要作用模式，是降低主要由可溶性木聚糖导致的食糜黏性。然而，很显然，木聚糖酶破坏了谷物中富含阿拉伯木聚糖的糊粉层和胚乳细胞壁，从而释放了被包裹的营养物质，同时也释放出了对肠道细菌有积极作用的木寡糖。已知木聚糖酶能提高小麦中蛋白质的消化率，这主要归功于释放了在富含木聚糖的厚厚细胞壁中糊粉层（富含蛋白质）内的蛋白质。
数十年前，当NSP酶首次用于动物饲料时，它们最初只有干粉剂产品可用，于制粒前将其添加到分批式混合机中的粉料中。虽然当时常用的饲料加工温度较低，使酶在动物体内产生了明显的作用，但很快发现其在热稳定性方面存在不足。这促使人们开发了在制粒后将液体酶喷洒到颗粒饲料表面的设备，从而避开了其固有的耐热性差的弱点，并带来更高的酶活性和动物生产性能。
由于制粒后液体酶应用系统（Post-pelleting Liquid Application，PPLA）装置的广泛应用，使这项技术成功地为饲料行业服务了20多年。此最好的PPLA系统能够同时在剂量和可用产品数上带来了相当大的灵活性。虽然这第一套系统仅能达到酶活性恢复率20 %左右的变异系数（CVs），但最新设备已经能使CVs降低至小到10 %。从全球来看，近几年对PPLA系统的投入相当大，每套制粒和加工生产线都需要一套独立的系统。虽然这套系统的效率很高并已被广泛认可，但高昂的初期资金投入加上需要定期保养和校准，意味着运行PPLA系统的总费用会比较高。
2 混合机应用技术
因此，恢复到在调质前于分批式混合机中添加酶所带来的机会，将会带来许多益处，尤其是这些酶如果能以液体的方式使用时。对饲料成分（如脂肪、甜菜碱、氯化胆碱和液态氨基酸等）而言，通过分批式混合机添加液体已经是一种经过充分发展的操作，其技术已经为人们所熟知，同时安装相对简单。这种混合机液体应用（Mixer Liquid Application，MLA）技术在购买成本和保养费用上显著低于PPLA系统，而且在每一條制粒生产线上并不需要安装独立的系统。
另外，研究表明，当把液体木聚糖酶加入分批式混合机以代替制粒后添加时，无论是颗粒料还是粉料，酶活性恢复率变异系数都可以降低至低到5 %，同时制粒过程中的能源费用也可随之降低4 %。然而，MLA技术的应用完全依赖于酶的发展，即酶能否耐受饲料加工过程中的高温。因此，寻找应对酶热稳定性的解决方案仍在继续，并且至今为止的研究和开发工作可大体分为三类：包被技术的应用、酶工程以及寻找新的天然耐热性酶替代品。
3 耐热性酶的解决方案
3.1 酶工程——改造酶氨基酸结构
例如，包被技术在酶上的应用，能通过限制水的渗透作用提高酶的耐热性。虽然在商品饲料制粒中，这能使酶活性的恢复率接近 100 %；但是，在植酸酶上的应用结果表明，这一技术可能会对酶的水解速率产生不利的影响，因此进而会影响酶的使用效果。相反，对现有酶的氨基酸结构进行改造，通过使酶本身具有更强的疏水性（驱水性）或更紧密和稳定的结构，从而提高酶的耐热性。
这项技术可避开对酶进行包被的要求，并已经成功地用于多种商品酶制剂的生产中。然而还是要特别注意，以确保任何改变都不会减弱酶的效率。
3.2 寻找耐热性酶
第三种方案是在温热的环境（如热泉和深海裂隙）中筛选微生物以寻找天然耐热性酶。将这些酶的基因转入普通生产微生物大规模生产酶，使酶的效果达到或超过前面的水平，但仍保留其高耐热性——足以确保使其能以液体的状态添加到分批式混合机中。
4 耐热性带来益处
对进入市场的最新一代天然耐热性木聚糖酶进行的独立测试证实了其潜在效率已经超过了市场上现有的耐热性酶产品。在一项研究中，这种木聚糖酶（Econase XT，图1）在常规的制粒调质条件下能耐高达95 ℃的温度，此研究中的条件是30 s蒸汽调质随后再经3 mm压模制粒。
除此之外，在欧洲许多商业化饲料厂中进行的各种调质和制粒过程对酶热稳定性影响的测试表明，粉料中酶活性的恢复率为90 %～110 %。同样重要地是，将木聚糖酶以液体的方式添加到分批式混合机中，在粉料和颗粒料中的CVs都低至5 %，因为实现了更均匀的分布。一家知名研究机构进行的独立调研中还强调，将液体木聚糖酶加入分批式混合机中有可能会降低制粒所需的能耗（Pelleting Power Consumption，PPC）。
减少饲料加工过程中的这类主要耗能源，将不仅能够降低饲料加工成本，而且也会给环境带来益处，如可减少碳排放。图2中的数据表明，较之两组对照日粮——基础日粮与基础日粮 水，添加天然耐热性液态木聚糖酶后能耗分别降低了30 %和13 %。PPC水平的降低为饲料生产商带来了真正的经济和环境价值，是一种不应该被轻易丢弃的方法。
5 维持动物生长性能
大量生产试验表明，耐热性的提高不会牺牲酶在动物体内的功效，也不会影响动物的生长性能。在一项此类试验中，一种天然耐热性木聚糖酶与一种前一代产品利用小麦型日粮在肉公鸡上进行了比较——假设日粮中的小麦能量分别提升0 %、8 %或10 %。结果发现各组在42日龄的公鸡活重上无差异，但添加木聚糖酶的两组公鸡饲料转化率显著提高（P<0.01），添加天然耐热性酶的试验组公鸡提升幅度明显更大，甚至当饲料转化率因假定的小麦能量增幅加剧时而恶化时，耐热性木聚糖仍会产生理想的生产性能（图3）。
6 结论
因此，适合在分批式混合机中添加的耐热性木聚糖酶的开发成功，意味着饲料加工业向前迈出了重大的一步。使用MLA技术既能节省饲料的生产成本，又能改善饲料制粒后酶活性恢复率的CVs，并在使用木聚糖酶上为PPLA系统提供了一种替代系统。
原题名：Benefits of adding xylanases pre-pelleting（英文）
原作者：Paul Steen