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脂肪酶的研究进展及其在饲料中的应用

中国农业科学院饲料研究所/ 王海燕 高秀华

            原刊于《新饲料》杂志2007年第4期

    脂肪酶(triacylglycerol lipase EC3.1.1.3)是广泛存在的一种酶,在脂质代谢中发挥重要的作用。在油水界面上,脂肪酶催化三酰甘油的酯键水解,释放更少酯键的甘油酯或甘油及脂肪酸。脂肪酶反应条件温和,具有优良的立体选择性,并且不会造成环境污染,因此,在食品、皮革、医药、饲料和洗涤剂等许多工业领域中均有广泛的应用。

    1脂肪酶的来源

    脂肪酶广泛的存在于动植物和微生物中。植物中含脂肪酶较多的是油料作物的种子,如蓖麻子、油菜籽,当油料种子发芽时,脂肪酶能与其他的酶协同发挥作用催化分解油脂类物质生成糖类,提供种子生根发芽所必需的养料和能量;动物体内含脂肪酶较多的是高等动物的胰脏和脂肪组织,在肠液中含有少量的脂肪酶,用于补充胰脂肪酶对脂肪消化的不足,在肉食动物的胃液中含有少量的丁酸甘油酯酶。在动物体内,各类脂肪酶控制着消化、吸收、脂肪重建和脂蛋白代谢等过程;细菌、真菌和酵母中的脂肪酶含量更为丰富(Pandey 等,1999)。由于微生物种类多、繁殖快、易发生遗传变异,具有比动植物更广的作用pH、作用温度范围以及底物专一性,且微生物来源的脂肪酶一般都是分泌性的胞外酶,适合于工业化大生产和获得高纯度样品,因此微生物脂肪酶是工业用脂肪酶的重要来源,并且在理论研究方面也具有重要的意义。

    2脂肪酶的性质

    脂肪酶是一类具有多种催化能力的酶,可以催化三酰甘油酯及其他一些水不溶性酯类的水解、醇解、酯化、转酯化及酯类的逆向合成反应,除此之外还表现出其他一些酶的活性,如磷脂酶、溶血磷脂酶、胆固醇酯酶、酰肽水解酶活性等(Hara,1997;Schmid,1998)。脂肪酶不同活性的发挥依赖于反应体系的特点,如在油水界面促进酯水解,而在有机相中可以酶促合成和酯交换。

    脂肪酶的性质研究主要包括最适温度与pH、温度与pH 稳定性、底物特异性等几个方面。迄今,已分离、纯化了大量的微生物脂肪酶,并研究了其性质,它们在分子量、最适pH、最适温度、pH 和热稳定性、等电点和其他生化性质方面存在不同(Veeraragavan 等,1990)。总体而言,微生物脂肪酶具有比动植物脂肪酶更广的作用pH、作用温度范围,高稳定性和活性,对底物有特异性(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就发现了这一现象。溶于水的酶作用于不溶于水的底物,反应是在两个彼此分离的完全不同的相的界面上进行。这是脂肪酶区别于酯酶的一个特征。酯酶(EC3.1.1.1)作用的底物是水溶性的,并且其最适底物是由短链脂肪酸(≤C8)形成的酯。

    3脂肪酶的生产

    脂肪酶的制备方法有提取法、化学合成法和微生物发酵法。提取法资源有限、工艺复杂、产量低;化学合成法成本太高;微生物发酵法的应用前景要远远大于提取法和化学合成法,它不受环境影响,资源丰富,产酶周期短,产物较单纯且成本低,生产上易于管理。商品化脂肪酶主要来源于各种细菌、酵母和真菌等微生物的发酵,有些霉菌可通过固态发酵及液体深层发酵两种方法进行发酵。通过传统诱变育种以及优化发酵条件提高了脂肪酶的产量,使得许多脂肪酶实现了产业化生产,尤其是基因工程的引入,大大提高了脂肪酶的产量。由于提取材料来源和酶含量的因素,动植物脂肪酶主要应用于科学研究。    

    4脂肪酶在饲料中的应用

    饲料资源不足一直是我国养殖业面临的一个大问题,在耕地和水资源严重紧缺的情况下,粮食产量已很难提高。我国动物生产中饲料转化率低,猪、鸡、奶牛等的饲料转化率均比国际先进水平低0.3~0.6个百分点,使得饲料资源不足的问题更加严峻。饲料用酶制剂的开发和应用极大的缓解了饲料资源的不足。近年来,酶制剂一直是国内外动物营养研究的热点之一,它们在饲料工业中的有效应用使得饲料工业和养殖业安全、高效、环保和可持续发展成为可能。

    脂肪在畜禽体内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,可满足动物体对较高能量浓度的要求;脂肪是脂溶性维生素和某些激素的溶剂,促进对这些物质的吸收和利用,同时为畜禽提供必需的不饱和脂肪酸,保证畜禽的健康生长;添加脂肪还可减少饲料加工过程中的粉尘,改善饲料外观,在高温条件下,还有利于提高能量摄入量,降低畜禽的体热增耗,减缓热应激。此外,添加脂肪可有效地提高饲料的适口性。因此,在猪、鸡和奶牛饲养中,在饲料中添加脂肪是比较普遍的。

    脂肪酶是脂肪代谢最基本的酶,若缺乏将会危及机体健康。单胃动物自身能够分泌淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等内源性消化酶。但幼禽幼畜消化机能尚未发育健全,内源性消化酶分泌量不足。在现代养猪生产中,为了缩短母猪繁殖周期和使仔猪尽早适应植物蛋白日粮,早期断奶甚至超早期断奶在养猪生产中普遍实施,但早期断奶产生明显应激,对消化系统发育和消化酶分泌产生不良影响,消化酶分泌急剧减少,断奶2周后才又逐渐恢复与上升。断奶后两周内消化酶分泌不足是断奶仔猪生长阻滞的主要因素之一;雏鸡大多数消化酶在2周龄左右才发育到高峰,个别的(如脂肪酶)还要到21日龄左右。因此,消化酶分泌不足是雏鸡对饲料利用的主要限制因素之一。在幼禽幼畜日粮中添加外源性淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等,能补充体内内源酶的不足,并能减轻断奶仔猪的断奶应激,提高动物的生产性能。有的研究表明,在猪和家禽日粮中添加外源酶对内源消化酶的分泌还有一定的促进作用,因而有利于畜禽对营养成分的消化分解和吸收利用。外源性脂肪酶可提高饲料中的脂肪消化率,特别是可显著提高米糠中的脂肪消化率,因而可提高米糠的表观代谢能值和饲料转化率(Pluske 等,1997)。

    Polin等(1980)给白来航公鸡饲以含4%动物油的玉米基础日粮,研究了猪胰脂肪酶粗提物与胆汁盐对脂肪消化的影响,在添加和不添加0.4%胆汁酸的情况下,孵化后第2~9天添加0.1%的脂肪酶均能提高脂肪的吸收,但是效果不显著,其原因不难理解,在酸性条件下,猪胰脂肪酶容易失活,当其到达主要作用位点(十二指肠)时其活力已经相当低了,并且猪胰脂肪酶活性的发挥依赖于辅脂肪酶及胆汁盐的存在。如果脂肪酶能够耐酸,且其活力不依赖于辅脂肪酶及胆汁盐,那么从理论上说将其添加到日粮中应该能够提高脂肪的消化。在含全脂米糠、高油玉米、干苜蓿粉、血粉、饼粕等的饲料中添加脂肪酶,可提高表观消化能5%~11%,提高猪禽增重速度4%~10%,提高饲料利用率2%~7%,减少粪便排泄量(Tan 等,2000)。

    5展望

    20世纪50年代人们已经认识到酶制剂在饲料中添加的作用,但由于其生产成本昂贵而进展缓慢,到20世纪80年代由于转基因技术和微生物发酵工业的长足进步,饲用酶制剂应用进入了迅猛发展的阶段,不管是在学术研究方面还是在技术应用方面,都取得了举世瞩目的成绩。饲用酶制剂的种类有很多,脂肪酶也是其中重要的一种。幼年动物分泌的内源酶较少,成年动物处于病理、应激状态时内源酶也会发生分泌障碍或分泌减少。饲料中添加该酶能释放出脂肪酸,提高油脂类饲料原料的能量利用率,增加和改进饲料的香味和风味,改进家畜的食欲,并对局部炎症有一定的治疗功效(杨振海等,2003)。但是相对于其它酶制剂而言,对于脂肪酶的理论研究和应用研究的投入要少的多,其中的原因,笔者认为,主要是由于脂肪酶的特殊性增加了对其进行研究的难度,因此导致了对脂肪酶的研究和应用要相对滞后。

    现在有很多商品化的脂肪酶产品,多数是通过微生物发酵制得,只有少数几种来源于动物的脂肪酶是通过从动物体中提取的方法制备。根据不同用途开发出不同特性的脂肪酶产品,而这些已实现商品化生产的脂肪酶产品其pH 稳定性多在中性偏碱范围内,对酸的耐受性较差(Claudia,1999),而添加于饲料中的脂肪酶必须要经过胃肠道的酸性条件及内源酶的水解到达作用位点,并能够在作用位点的pH 范围内具有较高的活性,因此绝大多数已实现商品化生产的脂肪酶并不适合于饲料用。基于这种现状,对脂肪酶研究进行一些探索性的工作,从而推动脂肪酶在饲料工业中的应用,也是一件非常有意义的工作。