饲料蛋白酶的最新研究与应用进展

蛋白质、碳水化合物和脂肪是三种主要的常量营养元素,可提供动物生长所需的能量和必需营养物质。以蛋白质为例,必需的营养元素是氨基酸,它也是机体和所有生物代谢过程中必需的。动物可产生内源蛋白酶来消化蛋白质,例如胃蛋白酶、胰蛋白酶和糜蛋白酶是最主要的内源蛋白酶。一般来说,内源蛋白酶对饲料蛋白的消化效率为80%~90%,因此,添加外源蛋白酶可起到辅助补充作用,进一步提高蛋白质的消化率。在猪禽营养中,高效的蛋白质消化率可以更有效、更充分的实现饲料原料的应用价值,保证生产效率,维持肠道健康和减少环境中氨氮的排放。除了对蛋白质营养的贡献外,蛋白酶也可以协助释放其它养分(如淀粉、脂肪和矿物质)、降解蛋白类抗营养因子和抗原(如植物凝集素、伴大豆球蛋白和胰蛋白酶抑制因子)。抑制上述抗原类所诱导的不必要的耗能免疫反应,降低未被动物消化的养分水平。并且,通过增加蛋白质的消化率,蛋白酶还可以降低到达胃肠道(GIT)后段的蛋白质含量,从而减少有害微生物的发酵底物。

1、偏碱性蛋白酶更广泛的底物特异性

与动物内源蛋白酶具有互补作用

蛋白质是氨基酸多聚体,由20种不同的天然氨基酸组成。对于活的生物体来说,氨基酸是最重要的生命建筑基石。氨基酸之间通过肽键连接起来形成聚体称作肽。根据肽其长短可以分为短链肽(寡肽,由2~3个氨基酸组成的二肽和三肽)、中链(多肽)和长链肽(即蛋白)。蛋白酶的作用即通过水解连接氨基酸的肽键,降解蛋白质至多肽和寡肽甚至游离的氨基酸。动物摄入的饲料蛋白质首先在胃肠道被水解成中链多肽,然后进一步水解成寡肽、三肽、二肽或者游离氨基酸。游离氨基酸、二肽和三肽均可以直接被小肠吸收,其途径是通过小肠上皮细胞膜上的转运子,最终进入血液循环。

在小肠中,pH值由酸性转化为更接近中性和碱性水平,且有胆汁酸表面活性剂的协助,使得一些饲料蛋白质的溶解性发生改变,但是,同时也降低了胃蛋白酶的效率。因此,这就需要动物体分泌一组新的蛋白消化酶。通过胰腺分泌至肠道的胰液中包含胰蛋白酶、糜蛋白酶和弹性蛋白酶,它们的最适pH值与小肠的酸碱度吻合。与胃蛋白酶不同,胰腺分泌的这些蛋白酶底物特异性比较狭窄,众所周知,胰蛋白酶只水解碱性氨基酸赖氨酸和精氨酸旁的肽键(表1);糜蛋白酶比较偏重于水解大分子的疏水性氨基酸旁的肽键,如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸及亮氨酸;胰弹性蛋白酶则更喜欢水解含有小的疏水侧链的氨基酸旁的肽键,如丙氨酸、缬氨酸及亮氨酸。尽管从整体考量这三种蛋白酶一起作用,底物特异性范围也较广,但是,值得注意的是,胰蛋白酶是胰腺分泌的主要的蛋白酶,糜蛋白酶的分泌量大约只有它的50%,弹性蛋白酶的量更少。换言之,胰腺分泌的蛋白酶更倾向于水解赖氨酸和精氨酸旁的肽键,而不是水解蛋白中所有的肽键。

2、偏碱性蛋白酶产物为可消化小肽

3、偏碱性蛋白酶独特作用方式

不同于其它蛋白酶,偏碱性蛋白酶的作用方式很独特;它不会与胃蛋白酶、胰蛋白酶和其它胰腺分泌的动物内源蛋白酶在蛋白水解方面产生竞争,而是与这些内源蛋白酶产生互补作用。

由于偏碱性蛋白酶具有不同的底物特异性(见表1),与胃蛋白酶和胰腺分泌蛋白酶相比,基于水解多肽位点的差异可产生一组不同的小肽。

基于纯的酶蛋白特性,尽管偏碱性蛋白酶最优作用范围在偏碱性pH值范围,以水解产生的寡肽、多肽的总量为标准,它在胃环境中仍具有约猪胃蛋白酶40%的活性,可产生类似数量的可消化小肽(图1A)。

我们最新的数据显示,偏碱性蛋白酶和猪胰腺分泌的蛋白酶在小肠环境中所产生的可消化小肽的量,前者超过后者70%(图1B)。

偏碱性蛋白酶不受植物源蛋白类酶抑制因子的影响,而胰蛋白酶和糜蛋白酶均会受抑制因子影响,这是因为它们可以和这些抑制剂形成难解离的复合物,如,大豆胰蛋白酶抑制因子(STI)和大豆胰蛋白酶-糜蛋白酶抑制因子(STCI)(图2)。植物源蛋白类酶抑制因子不仅富集于大豆中,也同样存在于其它植物性饲料原料中。

4、偏碱性蛋白酶不仅表现在提高蛋白质的消化率

众所周知,植酸酶具有“超越释放植酸磷”的作用,饲用蛋白酶也证明具有“超越降解蛋白”的效果。除了提高蛋白质氨基酸的消化率外,偏碱性蛋白酶也可提高饲料中淀粉、脂肪和包括纤维等结构性碳水化合物的消化率。这是因为在饲料中不同的养分之间存在着紧密的结构联系。例如谷物中的淀粉颗粒常常被贮存蛋白包被,油脂(甘油三酯)以脂肪体的形式贮存,外周是以蛋白质和磷脂组成的膜包裹(图3)。

以玉米为例,淀粉分布在胚乳的两个区域,角质区域和粉质区域(图3A)。较粉质区域,角质区域的淀粉颗粒更紧实的结合在淀粉-蛋白基质上(图3B,3C)。很明显,包被玉米淀粉粒的蛋白质(玉米醇溶蛋白、白蛋白、球蛋白、谷蛋白)须先降解,淀粉酶才能进而水解淀粉。植物细胞中包被脂肪体的结构蛋白叫做油脂蛋白(图3D)。

5、偏碱性蛋白酶与内源蛋白酶以及其它饲料酶均具有互补协同作用

本质上所有的饲料酶都是蛋白质,因此,检测外源蛋白酶对饲料酶(如植酸酶、木聚糖酶和淀粉酶)的影响是非常重要的。在体外高浓度条件下,我们实验室对这些饲料酶之间的相互作用进行了广泛的测试,结果表明偏碱性蛋白酶对所测饲料酶,如木聚糖酶、淀粉酶和植酸酶以及动物内源胃蛋白酶和胰蛋白酶都没有负作用。尽管如此也需注意,即高浓度的液体蛋白酶产品在与饲料混合之前不应该与其它饲料酶预混。

偏碱性蛋白酶添加到饲料中,可与动物体内源胃蛋白酶和胰蛋白酶产生协同作用。我们的研究表明偏碱性蛋白酶也可与木聚糖酶产生协同作用提高蛋白的释放量,这主要是由于谷物中某些蛋白和结构碳水化合物的紧密联系。

6、偏碱性蛋白酶在家禽和猪上的生物学效率

任何饲料酶产品的效果都是通过动物的生长性能来表现的。偏碱性蛋白酶在肉鸡和猪的日粮中都进行了测试,结果表明均可显著改善动物的生长性能(图4)。在1~42d肉鸡试验中,负对照(NC)饲喂氨基酸和能量缺乏的玉米豆粕型日粮,在此基础上添加偏碱性蛋白酶可以显著降低料肉比(FCR)4.1%,显著提高体增重(BWG)60~70g/只。在25~65kg生长猪的试验中,饲喂添加副产品的玉米豆粕型日粮,添加偏碱性蛋白酶显著降低FCR6.9%,BWG无显著差异,表明偏碱性蛋白酶提高了饲料利用效率。

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