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脂肪酶的研究進展及其在飼料中的應用

中國農業科學院飼料研究所/ 王海燕 高秀華

            原刊于《新飼料》雜志2007年第4期

    脂肪酶(triacylglycerol lipase EC3.1.1.3)是廣泛存在的一種酶,在脂質代謝中發揮重要的作用。在油水界面上,脂肪酶催化三酰甘油的酯鍵水解,釋放更少酯鍵的甘油酯或甘油及脂肪酸。脂肪酶反應條件溫和,具有優良的立體選擇性,并且不會造成環境污染,因此,在食品、皮革、醫藥、飼料和洗滌劑等許多工業領域中均有廣泛的應用。

    1脂肪酶的來源

    脂肪酶廣泛的存在于動植物和微生物中。植物中含脂肪酶較多的是油料作物的種子,如蓖麻子、油菜籽,當油料種子發芽時,脂肪酶能與其他的酶協同發揮作用催化分解油脂類物質生成糖類,提供種子生根發芽所必需的養料和能量;動物體內含脂肪酶較多的是高等動物的胰臟和脂肪組織,在腸液中含有少量的脂肪酶,用于補充胰脂肪酶對脂肪消化的不足,在肉食動物的胃液中含有少量的丁酸甘油酯酶。在動物體內,各類脂肪酶控制著消化、吸收、脂肪重建和脂蛋白代謝等過程;細菌、真菌和酵母中的脂肪酶含量更為豐富(Pandey 等,1999)。由于微生物種類多、繁殖快、易發生遺傳變異,具有比動植物更廣的作用pH、作用溫度范圍以及底物專一性,且微生物來源的脂肪酶一般都是分泌性的胞外酶,適合于工業化大生產和獲得高純度樣品,因此微生物脂肪酶是工業用脂肪酶的重要來源,并且在理論研究方面也具有重要的意義。

    2脂肪酶的性質

    脂肪酶是一類具有多種催化能力的酶,可以催化三酰甘油酯及其他一些水不溶性酯類的水解、醇解、酯化、轉酯化及酯類的逆向合成反應,除此之外還表現出其他一些酶的活性,如磷脂酶、溶血磷脂酶、膽固醇酯酶、酰肽水解酶活性等(Hara,1997;Schmid,1998)。脂肪酶不同活性的發揮依賴于反應體系的特點,如在油水界面促進酯水解,而在有機相中可以酶促合成和酯交換。

    脂肪酶的性質研究主要包括最適溫度與pH、溫度與pH 穩定性、底物特異性等幾個方面。迄今,已分離、純化了大量的微生物脂肪酶,并研究了其性質,它們在分子量、最適pH、最適溫度、pH 和熱穩定性、等電點和其他生化性質方面存在不同(Veeraragavan 等,1990)??傮w而言,微生物脂肪酶具有比動植物脂肪酶更廣的作用pH、作用溫度范圍,高穩定性和活性,對底物有特異性(Schmid 等,1998;Kazlauskas 等,1998)。

    脂肪酶的催化特性在于:在油水界面上其催化活力最大,早在1958年Sarda和Desnnelv就發現了這一現象。溶于水的酶作用于不溶于水的底物,反應是在兩個彼此分離的完全不同的相的界面上進行。這是脂肪酶區別于酯酶的一個特征。酯酶(EC3.1.1.1)作用的底物是水溶性的,并且其最適底物是由短鏈脂肪酸(≤C8)形成的酯。

    3脂肪酶的生產

    脂肪酶的制備方法有提取法、化學合成法和微生物發酵法。提取法資源有限、工藝復雜、產量低;化學合成法成本太高;微生物發酵法的應用前景要遠遠大于提取法和化學合成法,它不受環境影響,資源豐富,產酶周期短,產物較單純且成本低,生產上易于管理。商品化脂肪酶主要來源于各種細菌、酵母和真菌等微生物的發酵,有些霉菌可通過固態發酵及液體深層發酵兩種方法進行發酵。通過傳統誘變育種以及優化發酵條件提高了脂肪酶的產量,使得許多脂肪酶實現了產業化生產,尤其是基因工程的引入,大大提高了脂肪酶的產量。由于提取材料來源和酶含量的因素,動植物脂肪酶主要應用于科學研究。    

    4脂肪酶在飼料中的應用

    飼料資源不足一直是我國養殖業面臨的一個大問題,在耕地和水資源嚴重緊缺的情況下,糧食產量已很難提高。我國動物生產中飼料轉化率低,豬、雞、奶牛等的飼料轉化率均比國際先進水平低0.3~0.6個百分點,使得飼料資源不足的問題更加嚴峻。飼料用酶制劑的開發和應用極大的緩解了飼料資源的不足。近年來,酶制劑一直是國內外動物營養研究的熱點之一,它們在飼料工業中的有效應用使得飼料工業和養殖業安全、高效、環保和可持續發展成為可能。

    脂肪在畜禽體內的作用主要是氧化供能,它含有的能量是碳水化合物的2.25倍,可滿足動物體對較高能量濃度的要求;脂肪是脂溶性維生素和某些激素的溶劑,促進對這些物質的吸收和利用,同時為畜禽提供必需的不飽和脂肪酸,保證畜禽的健康生長;添加脂肪還可減少飼料加工過程中的粉塵,改善飼料外觀,在高溫條件下,還有利于提高能量攝入量,降低畜禽的體熱增耗,減緩熱應激。此外,添加脂肪可有效地提高飼料的適口性。因此,在豬、雞和奶牛飼養中,在飼料中添加脂肪是比較普遍的。

    脂肪酶是脂肪代謝最基本的酶,若缺乏將會危及機體健康。單胃動物自身能夠分泌淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等內源性消化酶。但幼禽幼畜消化機能尚未發育健全,內源性消化酶分泌量不足。在現代養豬生產中,為了縮短母豬繁殖周期和使仔豬盡早適應植物蛋白日糧,早期斷奶甚至超早期斷奶在養豬生產中普遍實施,但早期斷奶產生明顯應激,對消化系統發育和消化酶分泌產生不良影響,消化酶分泌急劇減少,斷奶2周后才又逐漸恢復與上升。斷奶后兩周內消化酶分泌不足是斷奶仔豬生長阻滯的主要因素之一;雛雞大多數消化酶在2周齡左右才發育到高峰,個別的(如脂肪酶)還要到21日齡左右。因此,消化酶分泌不足是雛雞對飼料利用的主要限制因素之一。在幼禽幼畜日糧中添加外源性淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等,能補充體內內源酶的不足,并能減輕斷奶仔豬的斷奶應激,提高動物的生產性能。有的研究表明,在豬和家禽日糧中添加外源酶對內源消化酶的分泌還有一定的促進作用,因而有利于畜禽對營養成分的消化分解和吸收利用。外源性脂肪酶可提高飼料中的脂肪消化率,特別是可顯著提高米糠中的脂肪消化率,因而可提高米糠的表觀代謝能值和飼料轉化率(Pluske 等,1997)。

    Polin等(1980)給白來航公雞飼以含4%動物油的玉米基礎日糧,研究了豬胰脂肪酶粗提物與膽汁鹽對脂肪消化的影響,在添加和不添加0.4%膽汁酸的情況下,孵化后第2~9天添加0.1%的脂肪酶均能提高脂肪的吸收,但是效果不顯著,其原因不難理解,在酸性條件下,豬胰脂肪酶容易失活,當其到達主要作用位點(十二指腸)時其活力已經相當低了,并且豬胰脂肪酶活性的發揮依賴于輔脂肪酶及膽汁鹽的存在。如果脂肪酶能夠耐酸,且其活力不依賴于輔脂肪酶及膽汁鹽,那么從理論上說將其添加到日糧中應該能夠提高脂肪的消化。在含全脂米糠、高油玉米、干苜蓿粉、血粉、餅粕等的飼料中添加脂肪酶,可提高表觀消化能5%~11%,提高豬禽增重速度4%~10%,提高飼料利用率2%~7%,減少糞便排泄量(Tan 等,2000)。

    5展望

    20世紀50年代人們已經認識到酶制劑在飼料中添加的作用,但由于其生產成本昂貴而進展緩慢,到20世紀80年代由于轉基因技術和微生物發酵工業的長足進步,飼用酶制劑應用進入了迅猛發展的階段,不管是在學術研究方面還是在技術應用方面,都取得了舉世矚目的成績。飼用酶制劑的種類有很多,脂肪酶也是其中重要的一種。幼年動物分泌的內源酶較少,成年動物處于病理、應激狀態時內源酶也會發生分泌障礙或分泌減少。飼料中添加該酶能釋放出脂肪酸,提高油脂類飼料原料的能量利用率,增加和改進飼料的香味和風味,改進家畜的食欲,并對局部炎癥有一定的治療功效(楊振海等,2003)。但是相對于其它酶制劑而言,對于脂肪酶的理論研究和應用研究的投入要少的多,其中的原因,筆者認為,主要是由于脂肪酶的特殊性增加了對其進行研究的難度,因此導致了對脂肪酶的研究和應用要相對滯后。

    現在有很多商品化的脂肪酶產品,多數是通過微生物發酵制得,只有少數幾種來源于動物的脂肪酶是通過從動物體中提取的方法制備。根據不同用途開發出不同特性的脂肪酶產品,而這些已實現商品化生產的脂肪酶產品其pH 穩定性多在中性偏堿范圍內,對酸的耐受性較差(Claudia,1999),而添加于飼料中的脂肪酶必須要經過胃腸道的酸性條件及內源酶的水解到達作用位點,并能夠在作用位點的pH 范圍內具有較高的活性,因此絕大多數已實現商品化生產的脂肪酶并不適合于飼料用?;谶@種現狀,對脂肪酶研究進行一些探索性的工作,從而推動脂肪酶在飼料工業中的應用,也是一件非常有意義的工作。

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