饲料加工对酶制剂热稳定性的影响

1975年，美国饲料工业首次将微生物酶作为添加剂应用于配合饲料中。20世纪80年代，国外配合饲料中已普遍使用酶制剂，90年代初，开始引入我国。酶制剂是由微生物产生的生物制品。饲用酶制剂包括单一酶制剂和复合酶制剂。复合酶制剂按日粮类型可分为小麦型、大麦型和玉米-豆粕型日粮等酶制剂。一般酶制剂在60~65℃以下的制粒过程中，经稳定载体处理的酶制剂可保持约80%左右活性，某些经特殊包被处理的酶制剂在75℃以下可保持较高的活性。但考虑到沙门氏菌的灭活，制粒温度一般达到90℃以上，此时最稳定的酶制剂也将变得无效。因此，通常我国对酶制剂产品耐热性能要求比国外要高得多。能否提高酶制剂的耐热性能是我国饲用酶制剂进一步推广的关键之一。

　　可能影响酶制剂耐热性能的因素：

　　（1）菌种，饲用酶制剂是由微生物如细菌、酵母和真菌通过发酵生产的生物制品，不同菌种发酵生产的酶耐热性能不同。目前用于饲料工业的大多数酶菌种来自真菌类，很少来自细菌类。细菌类酶制剂比真菌类酶制剂具有更多的优点。如细菌木聚糖酶，来源于枯草杆菌，近中性pH值，热稳定性好于真菌类木聚糖酶，对木聚糖酶抑制剂不敏感，对不溶性木聚糖有较高活性；

　　（2）包被技术和颗粒化生产工艺，采用包被技术和颗粒化生产工艺可提高酶的耐热性能。但是采用包被处理来防止酶制剂被破坏会对其生物利用率产生很大的负面影响。颗粒状植酸酶和包被型植酸酶生物利用率不同的原因是：包被型植酸酶在动物胃肠道中释放的速度更慢；

　　（3）载体，酶制剂的不同载体可能对酶的耐热性能有影响。理想的载体应有助于酶与饲料中营养物质的结合，降低营养小分子或内源性酶的抑制作用，能将表现最适pH值改变到理想值，不利于微生物生长，不产生免疫反应和凝血反应等。至于选择哪一种载体，要综合考虑酶活和成本等各方面的因素。

　　但不管采用什么菌种、工艺，酶制剂对高温的耐受性能都有一定的限度。

　　由于酶是一种生物催化剂，如同其他蛋白质一样对温度比较敏感。因此，饲料加工过程对酶制剂的活性有重要影响。一般酶的最适温度在35~40℃之间，最高不超过50℃，但制粒膨化过程中的温度可达120~150℃，或更高，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），在这样的条件下，大多数酶制剂的活性都将损失殆尽。一般情况下，非淀粉多糖酶（NSP酶）、木聚糖酶的热稳定性高于葡聚糖酶；植酸酶比NSP酶更易受温度的影响。

　　1 制粒

　　1.1 制粒常用条件

　　制粒工艺大体分为3类，即干法制粒、蒸汽制粒和二次制粒。国内颗粒饲料生产多采用蒸汽制粒工艺。目前常用的制粒条件为：制粒温度为77~88℃，调质时间为1~2min，最近几年来，有些饲料厂为了生产出高卫生指标、无病原菌（尤其是无沙门氏菌）的饲料产品，已呈现提高制粒温度的趋势，以利于更有效地灭菌。这些饲料常用制粒温度一般规定在85℃以上，这是有效杀死沙门氏菌的示值温度。目前西欧已开始采用二次制粒工艺，其制粒温度达到90℃。实际生产测定结果表明，应用这种制粒技术能有效地灭菌。

　　1.2 制粒对酶制剂热稳定性的影响

　　制粒过程（调质、挤压）中涉及到的温度、湿度均容易使酶类具有催化活性的特殊蛋白质变性失活，同时酶活性损失的程度明显受到酶制剂类型的影响，温度对酶制剂的影响包括两个方面：（1）当温度升高时，反应速度也加快；（2）随温度升高，引起酶蛋白分子中一些疏水键断裂，从而改变了分子的构象，丧失酶活性。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%；由Trichoderma生产的β-葡聚糖酶在料温为75℃时调质30s，其存活率为64%，而再经90s的制粒其存活率仅为19%；淀粉酶在80℃下活力明显大幅度下降。植酸酶经70~90℃制粒后活力下降也在50%以上。

    需要指出的是制粒时的湿度对酶制剂的活性也有很大的影响。在一定温度下，饲用复合酶添加剂及配合饲料中水分含量与水分活度的关系用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地增强。例如样品水分含量降为10%时，直至温度提高到60℃，脂酶才开始失活；而水分含量提高到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，从而保持较高的酶活力。

　　2 挤压膨化

　　2.1 挤压膨化常用条件

　　20世纪80年代后，挤压膨化技术已成为国外发展速度最快的饲料加工新技术。挤压膨化包括干法挤压膨化和湿法挤压膨化，它主要应用于特种动物饲料（如宠物饲料）、水产饲料、早期断奶仔猪料和饲料资源开发方面。挤压技术在我国饲料工业中的应用尚属起步，20世纪90年代才开始在我国得到广泛应用。但近几年来，随着研究手段的不断改进，膨化设备的巨大进步，膨化技术在饲料生产中不断得到广泛的应用。挤压膨化是一个高温、高压、高湿的过程。其工作条件一般为：挤压腔内工作压力为3.0~10.0 Mpa；筒体内温度为120~200℃；物料在筒内停留时间为10~30s；挤压膨化原料水分含量为12~18%；原料通蒸汽后水分含量为20~30%。

　　2.2 挤压膨化对酶制剂活性的影响

　　膨化过程涉及到高温、高湿及挤压的综合作用。高湿引起较高的水分活度，对酶制剂的影响如制粒，已述及。通常膨化温度可达120~150℃，在这么高的温度条件下大多数酶制剂都将完全丧失其活性。110℃条件下，植酸酶的活性存留率为零，β-葡聚糖酶和半纤维素酶的活力已经无法测得。经过对以大麦和小麦为主要原料的猪饲料进行上述膨化加工，其中热敏性较高的植酸酶在经过各个加工工序后的相对活性如表1所示。


饲料加工过程中高温、高湿对饲用酶制剂的热稳定性影响很大。为了提高饲料加工过程中饲用酶制剂的热稳定性，笔者认为可以从两个主要途径入手：

　　（1）筛选优良菌种。目前许多研究主要集中于耐高温菌种的筛选，但笔者认为还可以从菌种种类入手。据报道，细菌类酶制剂作用效果好于真菌类；内切酶应用效果优于外切酶；

　　（2）优化加工工艺。目前大量研究主要集中在酶制剂包被处理上。包被型酶制剂固然可以保护酶制剂免遭制粒时高温的影响，但是当温度达到90℃后，包被型酶制剂也不能经受住如此高的温度，而且包被型酶制剂在动物体内的生物利用率下降。目前许多动物营养学家把目光转移到液体酶制剂的后喷涂技术上来。这样可以很好解决酶制剂的热稳定性问题，是一项很有发展前景的饲料加工保真新技术。

　　当前，如何解决好酶制剂加工过程中的热稳定性问题已成为酶制剂应用中十分关键的问题和研究热点。如果能够很好地解决酶制剂的热稳定性问题将对饲料工业产生巨大的促进作用，从而使得酶制剂有可能替代抗生素等抗菌药物的使用，提高畜禽的生产性能和健康水平，无毒、无害、无残留，并能显著地减少畜禽粪便中的氮、磷的排泄和对环境的污染，真正成为一种名副其实的安全、有效、不污染环境的“绿色饲料添加剂”。

　　原文标题：饲料加工对酶制剂热稳定性的影响