1、毕业论文 文献综述 生物工程 植酸酶处理改善豆粕和菜籽饼粕的营养品质 摘要 ： 鱼粉是渔用饲料的主要蛋白源 ， 但是目前正面临着短缺的问题 。 因此 ， 寻找合适的鱼粉替代物显得尤为迫切 。豆粕和菜籽饼 作为鱼粉替代品有很多的优点 。 但同时也存在着一些问题 ，都豆粕和菜籽饼 含有一定种类和一定量的抗营养因子 植酸。 因此在应用之前必须采用合适的方法进行处理以消除抗营养因子 ， 否则会影响使用效果 。本实验中，选用加入植酸酶的方法来去除植酸。 关键字： 抗营养因子、植酸酶、酶处理法、豆粕 在水产养殖中，饲料是很重要的一个组成部分，鱼粉是传统的饲料 蛋白源，它也是饲料中价格最高和最重要的组成成分
2、。但是随着水产养殖业的快速发展，在不远的将来鱼粉将会出现短缺现象， FAO 估计世界鱼粉供应量只会维持到 2015 年（ FAO 2002）。此外，鱼粉是价格较高的蛋白源经济上的压力将会使得人们考虑降低对鱼粉的依赖性，并去寻找一些价格较低，更合适的鱼粉替代物（ Tacon 2004）。此外，由于现有鱼粉资源竞争的加剧以及人们在食品安全、环境保护方面意识的提高，均会促使水产养殖业寻找合适的鱼粉替代物。以大豆为代表的植物蛋白具有很好的应用潜力（ Maitra 等， 2007； Refstie 等， 2006a）。但是植物蛋白原料也存在缺点，如含有各种各样的抗营养因子（ ANFs）。正因为抗营养因子
3、的存在，植物蛋白原料的加工处理对于其可利用性，显得尤为关键。 水产饲料中使用主要植物蛋白源有，豆粕、油菜籽、羽扇豆籽、豌豆、葵籽饼、棉籽、苜蓿叶、芥子油饼、芝麻等。而豆粕被认为是目前最适宜的鱼粉替代物（ Dersjant-Li 2002）。其产量在所有的植物蛋白中是最多的。豆粕因为具有较高的蛋白质含量，相对平衡的氨基酸配比，因此也被认为是一种高质量的植物蛋白源（ Storebakken 等 2000）。除豆 粕外、油菜籽饼和棉籽饼在水产饲料中也是应用较多的植物蛋白源。 所谓植酸酶是一类特殊的磷酸单酯酶，能够将植酸和植酸盐中的磷酸基团逐一水解 ,最终释放出肌醇和无机磷。植酸酶是一个广义概念，所有
4、能够水解植酸产生无机磷的酶都可以称为植酸酶。由于对植酸酶的分类标准还不统一，目前国内外对植酸酶的分类比较混乱。例如，基于植酸酶的来源可将植酸酶分为细菌植酸酶、真菌植酸酶和植物植酸酶；基于植酸酶的最适 pH可分为酸性植酸酶和碱性植酸酶；基于植酸酶水解底物植酸的立体专一性可分为 32 植酸酶 (myo2inosit olhexakis phos phate 32 phos phorylase， EC 3 . 1 . 3 . 8 )、 62 植酸酶 (myo2inosit ol hexakis phos phate 62 phos2phorylase， EC 3 . 1 . 3 . 26)和 52
5、植酸酶(myo2inosit olhexakis phos phate 52 phos phorylase， EC 3 . 1 . 3 . 72)这种分类方法是从底物出发，由国际纯粹应用化学联合会 -国际生物化学与分子生物学联合会 ( I UPAC2I UBMB)确定的。但利用该方法来确定植酸酶的分类比较复杂，因为对每一个植酸酶的分类都需要通过色谱法对产物进行分析。另一种是从植酸酶本身的序列和结构出发，基于三维结构和催化机制，将植酸酶分为组氨酸酸性磷酸酶 ( histidine acid phos phatase, HAP)、 beta 折叠桶磷酸酶 ( 2 p r opellar phyta
6、se， BPP)、 半胱氨酸磷酸酶 ( cysteine phos phatase， CP)和紫色酸性磷酸酶(purp le acid phos phatase， PAP)等。这种分类方法比较简单 ,被绝大多数植酸酶研究者所采纳。 植物蛋白源中的抗营养因子多种多样，它们大至可分为 4 种：影响蛋白质利用和消化的因子，如蛋白酶抑制因子；影响微量元素利用和消化的因子，如植酸；影响维生素利用的因子，如抗维生素因子；其他如毒枝菌素、植物雌激素、生物碱和异黄酮等（ Francis 等， 2001）。 除了研究胰蛋白酶抑制剂对鱼的生长性能的影响以外，一些学者分别用体外法和体内法研究 了其对鱼的消化蛋白酶活
7、性的影响。 Alarcon 等（ 1999）用体外法测定了植物蛋白提取物对金头鲷消化蛋白酶的作用，结 果表明，不同的植物蛋白提取物对消化蛋白酶活性的抑制率为 25 % 50 % 。 El-Sayed 等（ 2000）用体内法研究了经不同处理的豆粕和小麦麸对尼罗罗非鱼消化蛋白酶活性的影响，结果观察到对消化蛋白酶的抑制率为 67.4 % 87.2 % 。另有通过豆类提取物对消化蛋白酶活性的研究，发现豆类提取物不会影响胃蛋白酶活性，但对肠的蛋白酶却有显著影响（ Alarcon 等， 2001）。 Maitra 等（ 2007）用体外法测定了大豆、草豆 、黑绿豆和马豆的种子提取物对南亚野鲮消化蛋白酶活
8、性的影响并比较了这些植 物对蛋白酶活性所产生的抑制效果，结果表明它们的抑制率分别超过了 30 % 、 50 % 、 50 %和 40 %。 植酸普遍存在于植物种子中，它是植物蛋白质原料中主要的抗营养因子之一。常见的植物蛋白质原料如豆粕、菜籽饼和芝麻饼中都含有一定量的植酸，例如：豆粕为 10 15 g/kg，菜籽饼为 5074 g/kg，芝麻饼为 24 g/kg。植酸能与磷结合形成植酸磷，鱼类的消化系统中由于缺乏植酸酶，因此不能利用植酸磷。植酸还能与一些金属离子形成稳定的不溶性络合物， 从而降低了这些矿物质元素的利用率，甚至引起矿物质元 素缺乏症。此外，植酸还能与蛋白质形成难溶的植酸蛋白质络化物
9、，影响鱼体对蛋白质的吸收利用（ Storebakken 等， 2000）。 Sajjadi 和 Garter（ 2004a）在鲑鱼的饲料中的添加 10 g/kg 的植酸钠之后，发现额外添加植酸钠并不会对饲料采食量和鱼体增重产生显著影响，也不会减弱胰蛋白酶的活性，但是却会显著降低蛋白质消化率。 Riche 和 Garling （ 2004）对罗非鱼也做了类似的研究，研究包括两个试验，在第一个试验中，在所采用的部分豆粕饲料中添加了植酸酶，目的是利用植酸酶来酶解豆粕饲料的植 酸，从而探究饲料中植酸含量降低对鱼体氮的贮留率的影响。另一试验直接往饲料中添加不同量的植酸，以确定其对氮的贮留率的影响。最终所
10、得到的研究结果与前述研究正好相反，即植酸不会降低氮的贮留率，而且豆粕中的植酸酶会降低氮的贮留率。 Denstadli 等（ 2006a）探讨了不同剂量植酸对鲑鱼生长和矿物质元素的利用的影响，认为鲑鱼对植酸的耐受水平为 4.7 10.0 g/kg，且矿物质元素的利用率随着植酸含量的增多而降低。 Helland 等（ 2006）就不同水平植酸对大西洋鲑鱼的骨骼发育和矿物质元素在体内积存的影响 进行了研究，结果表明，植酸对于鱼体和脊柱磷的积累无显著影响，但是，高水平的植酸却对 Ca、 Mg、 Ca： P 和脊柱中 Zn 的积累产生了负面影响，同时，出现一种比较新奇的脊柱病理现象 ,即超密度脊柱，随着
11、饲料中植酸水平的升高，超密度脊柱现象从最初的 16 %升至 45 % 60 %。 生物学的处理方法是较为传统的方法，近年来由于其具有处理效率高、成本低、没有残留问题，应用比较安全，对饲料营养成分的影响和破坏也较小等独特优点，正越来越引起人们的重视。生物学方法包括微生物发酵、酶制剂处理、植物育种和发芽处理等方法，本文将只讨 论微生物发酵和酶制剂处理法。 微生物发酵法主要是利用微生物发酵产生的各种酶类来消除原料中的抗营养因子，如在发酵过程中可产生水解酶、发酵酶和呼吸酶等，因此可以有效地去除蛋白酶抑制因子，也能去除植物蛋白原料中对水产动物生长和健康的产生负面影响的一些碳水化合物，如非淀粉多糖和不可消
12、化寡糖。由于在发酵过程中，微生物还能将植酸转化为细胞中的有机盐，因此也能有效地去除植酸。除了能钝化多种抗营养因子之外，发酵还能对营养组分进行体外降解，提高了各营养成分的消化吸收率，也可明显提高饲料原料的适口性。此外，在发酵过程中，微生物 大量繁殖，把部分大豆原料转化为菌体蛋白，改善了蛋白质的品质。如 Hong 等（ 2004） 用米曲霉 GB-107 发酵生豆粕并对发酵后的豆粕与经别的方法处理的豆粕在营养价值上进行了对比，结果表明，发酵过程在不改变必需氨基酸组成的情况下能增加 10 %的粗蛋白质 ，还能消除豆粕中的大部分胰蛋白酶抑制剂，以及增加小肽的含量 Lampart-Szczapa 等（
13、2006）报道，经乳酸发酵处理后的羽扇豆籽具有较多的可溶性蛋白。关于发酵处理后植物蛋白原料对鱼类的影响有许多报道。 Shimeno 等（ 1994）用宇佐美曲 霉对溶剂卒取的豆粕进行发酵，但结果由于得到的发酵豆粕物理特性较差，因此在随后进行的鱼类养殖试验中未得出正确的评价结果。 Mukhopadhyay 和 Ray（ 1999）报道，乳酸菌发酵处理极大地改善了用于饲喂南亚野鲮的芝麻籽饼营养价值。乳酸菌在以后的发酵研究过程中逐渐成为一种常用的菌种。 Skrede 等（ 2003、 2002、 2001）用乳杆菌成功地降低了小麦饼和大麦饼中的非淀粉碳水化合物的水平，而且发现在膨化饲料中，用发酵法处
14、理过的谷物来替代未经发酵处理的谷物，可以显著提高大西洋鲑鱼对淀粉、油脂和能量的表观消化率（ Skrede 等， 2002）。 Refstie 等（ 2005）用乳酸菌对豆粕进行处理，并作为蛋白质来源饲喂大西洋鲑鱼结果证实了乳酸菌发酵能有效去除豆粕中的蛋白酶抑制因子和不可消化碳水化合物，同时部分去除饲料中限制脂质吸收的因子，改善了豆粕的营养价值。微生物发酵不仅能降低非淀粉碳水化合物水平，而且能够显著降低植酸的含量。如上述研究也证实了乳酸菌发酵能降低谷物（ Skrede 等， 2003）和芝麻籽饼（ Skrede 等， 2001）中的植酸含量。 另一方面， Forde-Skjarvik 等（ 20
15、06）的研究表明， 用经生物学方法处理的豆粕部分替代鱼粉饲喂鳕鱼仍然会降低粗蛋白质、粗脂肪、能量和几乎所有氨基酸的消化率。 Refstie 等（ 2006b）也得出了相同的结果，即鳕鱼氨基酸和脂肪的消化率会受到经生物学方法处理的豆粕的抑制，但是他们也观察到鳕鱼生长的体成分无显著变化。原因认为是鳕鱼的消化道具有较好的适应能力，能通过结构的改变来适应豆粕料（ Refstie 等， 2006b）。 酶制剂处理法是应用酶制剂对原料进处理，利用酶来消除饲料原料中的抗营养因子，如当前应用较为广泛的是植酸酶，它能水解植酸从而破坏其抗营养作用。但是酶制 剂在饲料原料加工处理过程中易受高温高压的影响，如在用挤压
16、膨化方式加工饲料的过程中，酶就会被破坏，达不到预期的效果。因此，目前的研究主要有以下三个方面，一是在植物蛋白质原料中添加酶制剂，研究对鱼生长的影响；二是从鱼类所需最适添加量方面进行研究；最后一个方面研究如何使用酶制剂才能达到最好的使用效果，即加工处理过程中的使用方法。 使用植物蛋白源时，如果添加一定量的酶制剂，往往能够改善鱼类的生长性能和对矿物质元素的利用。 Cheng 和 Hardy（ 2002）证实往大麦、菜籽饼、小麦和小麦粗粉中添加了 500 FTU/kg 的植酸酶能显著提高虹鳟鱼对 Ca、 Mg、 Mn 总磷和植酸磷的消化率，以及总能的利用率。另有 Vielma 等（ 2004）证实植
17、酸酶能改善虹鳟鱼对磷的利用率，提高蛋白质的效率。Saijadi 和 Carter（ 2004b）就菜籽饼添加植酸酶后对鲑鱼利用磷的效率进行了研究，得到了较为相似的结果，即植酸酶能够改善磷的利用率，因此，减少了磷的浪费。同一作者也证实了植酸酶通过限制植酸对蛋白质的影响，从而改善鲑鱼的生长性能（ Sajjadi 和 Carter，2004a）。 Debnath 等（ 2005a、 2005b）也有类似的研究 。他们证实了植酸酶对生长性能和磷利用的正面效果。 Ai 等（ 2007）除了对植酸酶的作用进行了研究，还对非淀粉多糖酶的作用进行了探讨，观察到非淀粉多糖酶也能改善石首鱼的生长和饲料利用率。 饲
18、料原料如果添加过量酶制剂，会扰乱鱼类消化道的正常消化机能而产生不良反应。因此确定合适的酶制剂使用量也是一个重要的研究内容。 Yan 等（ 2002）在斑点叉尾鮰的饲料添加 1000 FTU/kg 的植酸酶，结果观察到骨骼中 Ca、 P、 Mg 和 Mn的含量显著提高。 Debnath 等（ 2005b）的研究结果表明，在鲶饲料中 500 FTU/kg 植酸酶添加量能够促进鱼的生长和饲料利用率。 Biswas 等（ 2007）也观察到 2000 FTU/kg 的植酸添加量能够减少磷流失，促进鱼体的生长。酶制剂在饲料原料加工处理过程易受高温高压的影响，如挤压膨化加工处理饲料时，酶就会被破坏，达不到
19、预期的效果。因此酶制剂使用时的温度、湿度和持续时间是非常关键的因素。 Denstadli 等（ 2006b）探讨了不同温度、湿度和持续时间对酶制剂处理效果的影响结果表明，在温度为 45湿度为 45 %的条件下，持续处理 45 min 时是效果最好的， 此时小麦和豆粕中的植酸能够降 低 86 %。 总结： 通过以上对植酸酶的处理方法的比较，可以看出酶处理法是现今国内外一大重要发展趋势，其效果好，消耗时间少，产量高，并且资金投入少，能弥补物理、化学等方法中的一些不足之处。为今后的研究 研究提供基础和实验依据。 参考文献 1 Ai Q,Mai K, Zhang W .Effects of exoge
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