精準化應用植酸酶的難點與解決方法

精準化應用植酸酶的難點與解決方法飼用酶制劑應用技術有關此話題的思考已數(shù)年，但遲遲未能更為清楚地表述何謂“精準化應用”。這個話題不僅適用于植酸酶，而且適用于非碳水化合物酶，甚至于廣義的講，也許適用于其它的酶制劑類產(chǎn)品。鑒于對酶制劑認識的限制，主要討論植酸酶的精準化應用3個問題，其中的一些概念或思路為使用其它酶制劑也有借鑒意義。精準化使用的唯一目的就是力圖在各種可能的使用背景下均發(fā)揮出酶制劑的最大效益。有人認為酶制劑是近年發(fā)展最快的添加劑。普遍認為無論是植酸酶還是非碳水化合物酶，無論制造還是應用都略遲于歐洲的美國，也因為自2008年以來的原材料價格的大幅度上漲以及乙醇汽油工業(yè)的發(fā)展均極快地促進了酶制劑在美國的發(fā)展，迅速地由偶爾使用變成常規(guī)的添加劑(FeedInternational,April2009)。近年投入到酶制劑方面的資金和技術比例很高(JohnGeuss，Adisseo)。如試圖用植酸酶和木聚糖酶聯(lián)合提高DDGS的價值(Danisco,2008)，也有酶制劑的專業(yè)制造商在探討開發(fā)專門消除DDGS限制因子的酶制劑。其間，中國以其特殊的發(fā)酵制造能力和飼料資源不足的壓力，用了不足10年的時間發(fā)展成飼料酶制劑的制造和應用大國。據(jù)西方的估計，2003?2008的5年間中國的飼料用酶制劑銷售額增加了70%，期間中國的飼用酶制劑價格下降可能不止70%。無疑植酸酶是其中發(fā)展最快的之一。問題是：隨著酶制劑價格的顯著下降和使用的廣泛化，用戶的使用是否充分發(fā)揮出了酶的作用？是否獲得了其經(jīng)濟效益？如果答案是否定的，那么答案在哪里？回答這個問題較難，因為絕大多數(shù)的制造商與用戶分離。微薄的利潤使包括植酸酶的原創(chuàng)者德國巴斯夫公司都逐漸地淡出了應用市場的開發(fā)，目前僅剩極個別植酸酶制造商仍然在應用領域有所投入。大部分國內(nèi)的制造商原本也沒有興趣在這方面投入。植酸酶的注意力被引導到了價格上面，制造商以不斷提高的發(fā)酵效率對應用戶不斷提出的降價要求。制造商同時換取的是添加劑量不斷上升，獲得了更大的消費總量以滿足利潤。代價也是顯而易見的：一方面用戶的投入其實并還有潛力沒有發(fā)揮出來，另一方面也無謂地消耗了大量發(fā)酵制造能力。按照目前在中國銷售2萬噸(折合5000FTU/g規(guī)格)植酸酶粗略的估算，甚至不該再需要DCP?？墒聦嵤牵磕耆砸陌偃f噸左右DCP。原因是植酸酶的應用在持續(xù)發(fā)展的過程中，應用技術仍粗糙。試圖解決是否充分發(fā)揮出了酶的作用和是否獲得了其經(jīng)濟效益還有可能。目前幾乎所有使用植酸酶的難點就是不精準的問題，對于難點的討論至少可以找到一部分答案。1精準化使用植酸酶的前提是對酶的基本了解近年發(fā)酵制造的飛速發(fā)展出現(xiàn)了很多植酸酶品牌可供選擇。特別是在國內(nèi)市場，世界上可能再沒有什么地方能比中國的客戶有這么多品牌和規(guī)格可以供選擇了。如果對選擇的酶都沒有基本的了解，無從談起精準化使用。除了價格的選擇以外，選擇酶是精準使用的第一步。其至少要包括：1.1植酸酶的含量無論定義還是標示方法，植酸酶是目前所有飼料用酶制劑中最為統(tǒng)一（北京挑戰(zhàn)生物技術有限公司協(xié)辦）2010.0150和規(guī)范的。即便如此，仍然可以發(fā)現(xiàn)以現(xiàn)有的定義和標示方法仍然無法描述的情況，例如：標示的活性含量和無機磷替代量相同的情況下，某產(chǎn)品的添加量要高出50%。規(guī)格按照酶活含量的高低劃分（目前基本在1000FTU/g?50000FTU/g范圍）。1.2劑型按照其物理狀態(tài)分為粉劑、顆粒和液體。其中顆粒和液體都力圖解決高溫的破壞，液體酶便宜但是使用不方便、設備貴；而顆粒酶價格貴但是不需要專用的后噴涂設備。1.3特性曲線酶的特性曲線非常重要，包括三條曲線（pH-相對酶活曲線，時間-溶解度曲線，溫度-相對酶活曲線）。其中以pH-相對酶活曲線最重要，主要由酶的來源決定。而對于同源的酶，幾乎不受規(guī)格、劑型的影響。不少供應商未提供準確的數(shù)據(jù)，原因不清。甚至不排除一些制造商自身也尚未掌握的可能性。時間-溶解度曲線為劑型的特征。MikeBedford等（2009）認為從有限的作用時間盡快釋放酶活性的角度看，經(jīng)過包被的產(chǎn)品與粉劑相比在動物性能上不一定總具有優(yōu)勢。溫度-相對酶活曲線為酶的最適溫度特性，對于Themostable基因菌或水產(chǎn)用植酸酶產(chǎn)品來說具有重要意義。1.4穩(wěn)定性特性穩(wěn)定性特性（常溫、高溫）可以用數(shù)值或曲線表示。分別反映在常溫儲存時的存留率和加工溫度耐受極限的特性。常溫穩(wěn)定性決定了產(chǎn)品儲存期限，一般不低于6?12個月。也就是說，選擇的產(chǎn)品在保質(zhì)期內(nèi)實際的酶活含量不得低于標示量。而加工溫度耐受極限通常都用極限溫度與存留率同時表示，例如：耐受極限溫度95°C，存留率85%。1.5潛在營養(yǎng)價值最為直接的是磷的價值，其次是鈣。如果一個產(chǎn)品這兩個數(shù)值不清楚，那么用戶根本無法正確地使用。如果許多產(chǎn)品的這兩個數(shù)值完全相同，那么用戶也無法理解產(chǎn)品間存在差異。而更為深入的潛在營養(yǎng)價值如蛋白質(zhì)、能量、某些重要的氨基酸和微量元素是精準和最大程度發(fā)揮酶潛力的關鍵。作為使用者不必過度關注其發(fā)酵反應器種類來源（霉菌、細菌、酵母）或后加工工藝和制造技術環(huán)節(jié)。2精準化使用植酸酶涉及到鈣、磷和維生素D3的水平試驗的數(shù)據(jù)，特別是大量的應用結果顯示，飼料中添加植酸酶的效果，除了已經(jīng)清楚地了解受動物的種類、年齡階段、大料組成等的影響以外，甚至直接與鈣、磷和維生素D3的水平相關。鈣磷是物質(zhì)基礎，而植酸酶和維生素D3是輔助性的。也就是說，植酸酶和維生素D3發(fā)揮作用都以鈣磷為基礎。前者是決定性的，后者是條件性的。如果以植酸酶為討論的核心，仍然以鈣磷的正常供應為前提。與使用DCP的傳統(tǒng)飼料比較，使用植酸酶的飼料需要更多的維生素D3。充分發(fā)揮植酸酶水解植酸潛力需要量更高。有報道，在肉雞飼料中3600IU顯示出預期的效果。這一變化適用于蛋雞、肉雞和豬。而維生素A卻沒有同步的變化，也就是說，預示維生素A：維生素D3的比例必須隨之變化。母豬的數(shù)據(jù)積累尚不足得出結論。3酶劑量與DCP替代量的關系經(jīng)典的植酸酶潛在營養(yǎng)數(shù)據(jù)以“DCP磷”表示。毫無疑問，動搖“可利用磷”指標起因于植酸酶的出現(xiàn)。而植酸酶的基本功能就是將“不可利用”概念下的磷轉化為“可利用磷”。追溯與植酸酶水解植酸的能力，或釋放植酸磷的能力，或稱為磷的潛在營養(yǎng)價值有關的研究論文，相當于1FTU=4.7mgDCP磷，1FTU=2.4mgDCP磷。由產(chǎn)品宣稱效率提高了20%。4關注總磷有助于精準使用植酸酶眾所周知植物性來源磷可利用性的復雜性，并非可以利用實驗室、查閱原料數(shù)據(jù)等常規(guī)手段獲得；同一種植物來源的磷對于不同的動物種類也是不同的，甚至于動物的年齡階段也有巨大的影響。這是動物試驗測定植物來源磷利用率的主要難點。且還需考慮處于植物自身的不同階段其磷的組成和利用率也存在顯著的差別。面對這個難題，在經(jīng)過幾十年的摸索，營養(yǎng)界選擇的辦法還是不得不以最粗略的估算為飼料配制提供數(shù)據(jù)，即植物來源的磷有1/3可以利用。即使為獲得這個極為粗糙的推算數(shù)據(jù)，也是投入了大量的人力物力資源換取的。在企業(yè)普遍利用精準、高速的配方設計軟件程序時，輸入的基礎數(shù)據(jù)卻如此雜亂無章不可靠，出現(xiàn)所謂的“垃圾進垃圾出”現(xiàn)象。因此，業(yè)界不得2010.0151飼用酶制劑應用技術已的對應措施就是從一開始就留足磷的安全閾量。付出的代價是成本上升，飼料的常規(guī)營養(yǎng)素中以磷元素的單位價格就高居不下。浪費資源，加劇環(huán)境污染。描述動物對飼料中磷的可利用性是很困難的，因此，NRC對于豬(1998)使用了“Availablephosphorus,AP”(翻譯為可利用磷，有效磷)；而在家禽上則使用“非植酸磷(Non-phytatephosphorus,non-PhyP)”；ARC(1981)使用了“磷的利用率(Pavailability)”實際上描述的是磷在體內(nèi)的凈存留率，都沒有使用“可消化磷”。因傳統(tǒng)的消化概念描述磷元素的代謝很難、不適用。營養(yǎng)專家們?nèi)匀粯O為謹慎的不使用“消化率”描述磷的特性，由此可見問題的復雜。配方中同時關注和使用2個磷指標是困難的，特別是診斷和評估磷供應狀態(tài)時更為困擾。自2008年3月以來，全球范圍內(nèi)磷資源持續(xù)緊張狀況促使對這個問題的再思考?！笆褂每偭赘谩钡目捶ɑ谝韵?點：可利用磷的概念因植酸酶的出現(xiàn)而發(fā)生了本質(zhì)變化；絕大多數(shù)情況下飼料原料中天然磷以植酸來源為主；使用動物源性飼料原料愈來愈少，高可利用磷主要來自DCP。對這個問題探討的目的是尋找更為簡單、準確的指標，假如已經(jīng)有了實測的總磷含量數(shù)據(jù)、全部磷都來自植酸、又知道了植酸的消化率，直接用總磷不是更簡單嗎？詳細討論如下。植酸是問題的核心。上述所有的難點均來自于飼料和動物營養(yǎng)界談的植酸特有的兩個特點：首先，植酸并非一個基于分子結構的準確化學定義；其次，植物中的植酸是肌醇磷酸鹽的混合物。無機磷的可利用性的不確定進一步說明“可利用磷”指標特有的不確定性。例如應用最廣泛的DCP磷并非100%可利用。DCP的產(chǎn)地來源、品質(zhì)對磷的可利用性的影響是肯定的。歐洲與北美業(yè)界對其可利用性的估計就有很大差別。歐洲的磷酸鹽企業(yè)認為行業(yè)主流商品DCP磷的可利用率為87%；通過計算NRC的總磷與可利用磷，推算出對DCP磷可利用率在89%?100%之間(豬)。也就是說，即使飼料中全部磷均是無機來源，可利用磷仍然是一個有爭議的指標。以上歸納得出的結論是可利用磷在常規(guī)實驗室不能測定，估算的不確定性很高。如果“植酸在動物體內(nèi)被水解后釋放出的磷是完全可以利用的，至少等同于優(yōu)質(zhì)的DCP”這一假設可以成立，同時DCP在配方中用量又被大幅度地替代的前提下，對于總磷的討論更傾向于對植酸降解率的討論。當處于極端狀態(tài)下，即無機磷被全部替代時，對植酸磷的描述就可以轉變?yōu)閷偭椎拿枋?。使用總磷就更為準確地描述磷的供應狀態(tài)。當然，對于以使用MCP的飼料，如水產(chǎn)飼表1豬飼料中的總磷和有效磷不同階段(kg)總磷需要(NRC,%)有效磷需要(NRC,%)總磷基礎需要(%)有效磷基礎需要(%)假設粗蛋白的含磷量磷(％)基礎日糧0.320.0700-80?1200.400.150.080.0810050?800.450.190.130.129220?500.500.230.180.168910?200.600.320.280.25895?100.650.400.330.331003?50.700.550.380.48126注：資料來源NRCVer.10th1998。表2豬飼料中添加植酸酶的總磷情況不同階段(kg)總磷需要(%)有效磷(%)總磷的基礎需要量(非植酸磷，%)16%可消化粗蛋白(MT/kg)植酸酶(FTU/kg)備注基礎日糧0.320.160.000.080?1200.320.160.000.040050?800.330.170.010.040020?500.380.220.063.850010?200.480.320.116.95002%魚粉=0.05總磷5?100.530.370.116.95004%魚粉=0.1總磷3?50.250.420.138.15005%魚粉=0.13總磷例如：20?50kg階段，0.38-0.32=0.06；O.38X可消化植酸鹽+0.06=0.22有效磷2010.0152料，并不適用。巧合的是水產(chǎn)飼料尚不具備規(guī)模使用植酸酶的條件。相對于飼料可利用磷指標的粗略性，總磷卻始終是可以在化學方法測定中可以獲得的數(shù)據(jù)。使用總磷可以幫助將問題簡單化。至少由于已知植酸被水解的比例范圍遠比對植酸磷的估計準確，同時因DCP添加量的大幅度降低而將其可利用率的不精確性至少縮小一倍，反映更為清晰準確，使用總磷指標的優(yōu)點明顯。以我國典型豬飼料中磷的供應為例模擬分析：關于植酸酶在產(chǎn)蛋雞和生長肥育豬飼料中的應用可以說是目前了解最清楚、精準程度比較高的。至于肉雞，類似數(shù)據(jù)和資料還在歸納整理中待后再續(xù)。使用總磷不會為使用者造成任何不便，不會增加額外的工作量，也不增加測定的開支。因為無論在配方設計，還是定型過程中總磷始終是實際存在的指標，無需改動數(shù)據(jù)庫；利用常規(guī)的化學實驗室可以快速、簡便、經(jīng)濟、準確地測定總磷的含量，無論是原料還是混合后的制成品；總磷始終是原料質(zhì)檢、成品質(zhì)量監(jiān)控和標簽法定標示中的必控指標，都不增加額外負擔?？偭椎目蓽y定性和高準確性更為此提供了物質(zhì)基礎上的可靠性和其它一切后續(xù)討論的基礎。以上歸納得出的結論恰與可利用磷相反，總磷是客觀存在可以實測，從指標的層面隔離了植物和動物對總磷的影響。建議的做法是使用總磷指標，方法非常簡單，就是顛倒設計順序，即將過去以可利用磷為主要設計指標，輔助觀察總磷為輔的做法變?yōu)橐钥偭诪橹饕O計指標，輔助觀察可利用磷為輔。原配方設計中的總磷標準維持不變。由于使用植酸酶后該用總磷指標，也就是說實際上用總磷更趨向于反映植物來源磷的數(shù)量，非常適合大量使用非常規(guī)原料如雜粕、糠麩類副產(chǎn)品和DDGS等植酸含量高的飼料。這類飼料的特點是采食量大，以百分率表示的磷需要量往往略高于實際需要量，這也是在一些時間和地區(qū)可以出現(xiàn)DCP被全部替代的重要原因。對于特殊原料結構的飼料和特殊動物種類的飼料要給與特殊的關注和小心。例如，含有相當比例動物性來源磷的幼年動物飼料，大量使用木薯粉的飼料。其實，使用總磷指標并沒有解決磷營養(yǎng)中的真實需要量問題。僅是在原有動物的磷需要量的了解和知識基礎上從另一個角度分析而已，離精確描述磷的狀況更近了一步，還未能從代謝水平描述磷的凈需要量。使用總磷的另一個局限性表現(xiàn)在植酸酶種類上。5結束語使用植酸酶替代無機磷時用總磷更好的觀點既無棄用可利用磷指標的意圖，事實上也無可能。認識能力的限制和掌握的資料不全，以上論點僅供參考。使用總磷的方法僅限于企業(yè)使用植酸酶的時候用，而科學工作者，研究還是要將注意力集中在可利用性上才能準確反映本質(zhì)。相信一定會有不同的看法，更有建設