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一文读懂酶制剂在反刍动物中的优秀应用!

日期: 2020-04-17
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近年来,草料和谷物价格不断上涨,饲料成本也随之增加,这对于广大牧场而言无疑是一笔较大的投入,寻求提高饲料转化率的方法和改善动物生产性能已成为当下牧场都在研究的课题,而酶制剂作为一种绿色、天然的生物酶制剂,它具有改善纤维消化和提升动物生产性能的作用,可以较低的投入成本改善动物生产性能,这也是在反刍动物日粮中使用酶制剂的重要原因。

从目前的研究来看,当下反刍动物用酶研究多数集中在纤维分解酶上,通过它可提高纤维消化率,因为增加纤维消化率可增加动物对可消化能量的摄入,也就是生产1公斤牛奶或增加1公斤体重所需的饲料更少,或是动物每千克消耗的饲料可以生产更多的牛奶或增加更多的体重。

下面我们就详细了解一下。

饲料酶主要针对的是饲料的纤维部分,饲草干物质(DM)中的中性洗涤纤维(NDF)含量约为30-70%。即使在理想的饲喂条件下,反刍动物在消化道中的NDF消化率通常也低于65%,而瘤胃中的NDF消化率(可降解性)通常低于50%。瘤胃纤维降解性的改善可以提高全道消化率。同时,瘤胃纤维降解能力的改善使牛通过减少瘤胃中的物质填充而消耗更多的饲料。可以说较高的干物质摄入量(DMI)对奶牛极为有利,因为牛奶的生产会受到可消化能量摄入的限制。据报道瘤胃中饲草NDF降解性每增加1个百分点,DMI每天增加0.17千克,脂肪校正乳每天增加0.25千克。同样,玉米青贮饲料中NDF降解能力每增加1个百分点,DMI每天增加0.12 kg,经过脂肪校正的牛奶产量每天增加0.14 kg(Jung等,2004)。 瘤胃中NDF降解性的提高也刺激了微生物蛋白的合成(Oba和Allen,2000),这增加了牛体内可代谢蛋白质的供应。因此,增加NDF降解能力的酶制剂具有显著提高奶牛和其他高产反刍动物生产性能和饲料转化效率的潜力。

这在夏盛的试验中也得以充分验证,夏盛在内蒙古某万头高产牧场进行了夏盛奶牛专用复合酶的科学饲喂,在该牧场3个月的观察验证中,发现该牧场使用奶牛专用复合酶后奶牛泌乳前期和高峰期每头牛每天平均增加1.2-2.0kg;干物质采食量明显改善,增加牧场奶牛日干物质采食量1.0-1.5kg;日粮能量供给改善,奶牛粗饲料干物质、NDF消化率提高8-10%。

作用方式如下

由于瘤胃微生物生态系统的复杂性和纤维消化的过程,反刍动物酶的作用方式相对未知。酶制剂在瘤胃环境中相对稳定,尤其是通过饲料添加时,饲喂后瘤胃中的条件,例如蛋白水解活性降低和pH值降低,有助于提高饲喂酶的稳定性。此外,饲料底物的存在有助于降低酶对失活的敏感性。外源酶具有增加瘤胃环境中酶活性的能力,但瘤胃水解能力的提高将取决于在瘤胃条件下(即pH范围5.5-6.8,温度39±1ºC)施加到饲料上的酶的用量和外源酶的活性。

在饲喂研究中通常使用的水平下,酶制剂可提高瘤胃中正常存在的约5-15%的酶活性。但定量饲喂酶,瘤胃中酶活性的真正增加是很难定量的。而外源酶和瘤胃微生物酶协同作用,其净作用是整体水解能力的显著提高,超过了各个单独组分的累加作用。

除了提高瘤胃环境中的酶活性外,将酶制剂应用于饲料还可以促进纤维的水解。这种水解以增加表面积的方式改变了饲料的结构。瘤胃细菌主要在草料颗粒的切开或浸软的表面上开始其初始粘附。因此,由于外源酶的初始水解而引起的饲料表面积的变化可以解释为酶制剂刺激了瘤胃微生物对纤维的粘附和定殖。细菌粘附对于随后的纤维细胞壁降解至关重要。有证据表明,在日粮中添加饲料酶会增加瘤胃中的细菌数量。

  而且酶制剂可提高在体内纤维的消化率,肉牛日增重(ADG),奶牛的产奶量和肉牛/奶牛的饲料利用率。将酶添加到高能量需求的高产反刍动物的日粮中是最有效的。于奶牛而言,泌乳阶段对确保酶制剂的作用至关重要。例如,Schingoethe等人(1999)在TMR的草料部分(60%的玉米青贮和40%的苜蓿干草)上应用了酶制剂,泌乳早期的母牛(研究开始时泌乳天数不足100天)的饲料转化效率提高了10-30%,3.5%脂肪校正的牛奶产量增加18-24%。

通常自由采食的牛比限制摄入的牛对酶的反应更好。随意饲喂牛时,纤维的消化率趋于降低,因为在瘤胃中的停留时间相对较短,瘤胃的pH值通常会低于纤维消化的最佳值(NRC,2001)。当饲料在瘤胃中的停留时间很短时,瘤胃中纤维降解率的增加最有可能改善全肠道消化率。因此,酶技术用以满足维持能量时,不太容易使反刍动物受益;而饲喂反刍动物以实现最高生产率时,预计会产生更大的效益。

饲料酶制剂是提高反刍动物性能的高效手段,是要加深对作用方式的了解,并确定关键的酶活性和所需的剂量,从而确保以低成本高效益的方式使用这些酶制剂。

消化纤维的主要酶

   大多数反刍动物饲料酶都含有纤维素酶和半纤维素酶,因为纤维素和半纤维素是植物中主要的结构多糖。但纤维素酶和半纤维素酶的类型在商业酶产品之间有很大的不同,这取决于来源生物体以及该生物体的生长方式。不同来源生物表达的酶活性将极大地影响酶制剂的有效性。

参与纤维素水解的主要酶是内切葡聚糖酶,外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶。内切葡聚糖酶随机水解纤维素链以产生纤维素低聚物;外切葡聚糖酶从非还原端水解纤维素链,产生纤维二糖。β-葡糖苷酶从纤维二糖释放葡萄糖,并从还原端和非还原端水解短纤维素链。在这里所有三种酶都是纤维素完全水解所必需的。这其中将半纤维素的木聚糖降解的主要酶是内切β-1,4-木聚糖酶和β-1,4-木糖苷酶,它们分别产生短的木聚糖链和木糖。许多其他半纤维素酶也参与侧链的消化,包括甘露糖苷酶,阿拉伯呋喃糖苷酶,葡糖醛酸糖苷酶,半乳糖苷酶,乙酰-木聚糖酯酶和阿魏酸酯酶。

在商业酶产品中包含许多酶活性,因此确定反刍动物应用所需的关键活性和最佳剂量至今仍是个挑战。困难的部分是外源酶与瘤胃中的微生物酶协同作用很难量化,并且所需的关键活性可能取决于内源性微生物。另外,所需的关键酶活性取决于预期酶作用于其上的饲料的化学组成。因此,一种特定的酶制剂并非对所有日粮都有效,最佳剂量在不同的饲料中也会有所不同。Colombatto等人(2003)在体外评估了26种酶产品,只有一种产品对苜蓿干草和玉米青贮饲料均有效。因此,需要为特定类型的草料配制酶制剂。Eun和Beauchemin(2008)进行了荟萃分析,以鉴定饲料酶制剂中关键的酶活性,这些添加剂可改善体外饲料NDF的降解性。对于苜蓿干草,评估了八项研究的数据,这些研究使用45种酶制剂进行了83种酶处理,对于玉米青贮饲料,数据来自使用23种酶制剂进行61种酶处理的6项研究。所有研究均使用同一批培养体外方法进行,所有酶分析均在同一实验室中使用相同的pH(6.0),温度(39ºC)和底物条件进行,这有助于最大程度地减少酶单位测定方法带来的差异 。酶活性单位的定义取决于方法,并且在实验室之间是有差异的。苜蓿干草的NDF降解率平均提高了12.3%,范围从–32.1到82.3%。同样,玉米青贮饲料的NDF降解能力平均提高了14.3%,范围从–23.3至60.5%。因此,使用某些酶制剂的两种牧草均获得了NDF可降解性的大幅提高。其可降解性的范围表明了产品配方的重要性。同样很明显,如果未优化酶的活性和剂量,酶制剂会对纤维的消化产生不利影响。

对于木聚糖酶,酶的类型和特征似乎比活性单位更重要。Eun和Beauchemin(2007)对13种内切葡聚糖酶和10种木聚糖酶,评估了其改善苜蓿干草体外瘤胃降解的潜力。内切葡聚糖酶中的六种和木聚糖酶中的五种增加了有机物的降解;两种类型的酶产物均观察到高达20%的OM降解增加。添加的内切葡聚糖酶活性(在瘤胃条件下测定)与OM降解之间的相关性中等(r2 = 0.50),而对于木聚糖酶,响应不是添加的活性的直接线性函数。在该研究中,木聚糖酶活性是使用来源小麦籽粒中的阿拉伯木聚糖在pH 5.4和37ºC下测定的,和使用桦木木聚糖在pH 6.0和39ºC下测定。某些单活性木聚糖酶可改善草料降解的事实表明,木聚糖酶很重要,但不能使用标准的活性测定法来预测其反应,这也证实了先前的研究发现(Eun等,2007)。

研究表明,纤维素酶和木聚糖酶的活性均对草料的纤维降解具有有益的作用。虽然纤维素酶活性的浓度对改善草料降解很重要,但对于木聚糖酶,酶的类型和特性比活性更重要。

评估反刍动物酶产品的功效

由于无法准确预测酶活性对酶的反应,因此需要使用模拟其在瘤胃中作用的生物测定方法筛选酶制剂。在缓冲的瘤胃液中进行体外分批培养可以成为选择能改善纤维降解的酶制剂的有力筛选工具。与体内方法相比,体外方法便宜,耗时少并且可以更好地控制实验条件。此外,体外系统可以容纳大量的候选酶。但最终使用快速生长的牛或在哺乳初期的奶牛进行动物饲养研究是评估酶产品是否能提高饲料利用率的最佳方法。

上面提到酶制剂可提高纤维消化率,可为动物提供更多可消化的能量,以供生长或产奶。 但更高的生产率增加了动物对可代谢蛋白质的需求。因此,要确保日粮中的可代谢蛋白质含量符合在使用酶制剂时的需求。而且,使用酶提高瘤胃中纤维部分的消化率会有可能增加瘤胃酸中毒的风险,特别是如果日粮已经高度发酵的话。饲料的瘤胃发酵能力可能对瘤胃pH值产生重大影响,所以如果日粮中淀粉含量高且饲料中没有足够的草料,则日粮发酵能力的进一步提高会导致瘤胃pH值下降。例如,Eun和Beauchemin(2005)向奶牛饲喂仅含34%饲草(以DM为基础)的高浓度饲料,其平均瘤胃pH值为5.6。在日粮中添加酶可使全肠道NDF消化率提高26%(从39.9%至50.2%),导致瘤胃平均pH值进一步降低至5.5,换言之在各方面不合理的情况下饲喂酶会导致瘤胃酸中毒的迹象,例如饲喂后瘤胃pH降低和乳脂降低。因此,在向纤维含量低的饲料中添加饲料酶时必须格外小心。为了避免瘤胃酸中毒,使用酶制剂时增加饲料中草料的比例(或降低淀粉含量)是有利的。酶在为牛的生产者提供饲喂高纤维日粮机会的同时,保持了其生产性能,最大程度地减少消化不良等情况。

结论

饲料酶的使用,在改善反刍动物对饲料的利用方面具有巨大潜力,已有大量报道显示某些酶制剂在牛奶产量、增重和饲料转化效率方面有积极作用,但不同牧场反应的结果却不一致,设计能够提供增强目标底物饲草降解能力所需的酶制剂将可提高该技术的有效性。

夏盛根据奶牛、肉牛羊生理特点和全混合日粮结构,匹配设计了奶牛专用复合酶、肉牛羊专用复合酶、青干贮专用复合酶等产品,适用于不同的养殖动物和应用场景,帮助广大用户以最低的成本获得最佳的效益。


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