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談蛋白酶,沒有比這個更詳細的了

2020-09-03 00:00:00  建明和曦曦博士   點擊: 請關注艾格農業微信公眾號,獲取更多精彩文章
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   大家好!今天我們來聊聊蛋白酶吧~ 「酶」(enzyme) 這個概念大家都不陌生啦。不論是人還是動物,自身都會分泌酶;吃了東西,胃腸道中營養物質的消化都需要消化酶的參與,才能被吸收從而被機體利用;而在機體內每分每秒的正常代謝活動,也需要各種代謝酶的參與。可以見得,生命一點兒也離不開酶。

  從定義上,酶是「由活細胞產生能對特異底物起催化作用的一類特殊的蛋白質」。分解一下 --- 首先,它是蛋白質;其次,它具有底物特異性(就像鑰匙和鎖一樣,隨便開不了);第三,它的作用是加快化學反應、降低反應所需能量,但并不能改變化學平衡(不能憑空增加產物哦!)。

  這三點很重要,后面我會再繞回來~

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酶可以加快反應過程,但不能改變反應的起點和終點(圖片引自biologydictionary)

  蛋白酶制劑

  在動物營養界, 酶制劑早已不是陌生的概念。在農業部的添加劑目錄(2013)里面,就有12類酶是允許在畜牧動物飼料中使用的 (同一類酶又有不同的來源)。

  它們要么是動物自身能夠分泌的消化酶,在需要的情況下,作為外援部隊來支援;要么,則是動物自己不能夠分泌的酶(非消化酶),聰明的人類利用微生物生產出來,加到飼料中,可以與內源酶打配合,完成動物自身不能完成的任務。

  那么很明顯,「蛋白酶」這類外源酶制劑 (exogenous protease) 屬于消化酶。既然來支援、來幫忙的,要打贏比賽,我們得先搞明白已經在場上的隊員(內源酶)是個什么狀況、什么時候需要派上外援、派上了能帶來什么效果~

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現在市場上常用的飼用蛋白酶,都是微生物源蛋白酶(通過細菌培養或真菌發酵提取;引自《飼料添加劑品種目錄(2013)》)

  Q1: 場上隊員(內源酶)是什么狀況?

  第一個問題很重要。我們以家禽為例 --- 家禽自身就能分泌的蛋白酶有:

  •   胃分泌的:胃蛋白酶 (pepsin)
  •   胰腺分泌的:胰蛋白酶 (trypsin)、糜蛋白酶 (chymotrypsin)、 彈性蛋白酶 (elastase)、羧肽酶 (carboxypeptidase A & B),腸肽酶 (enteropeptidase)
  •   腸細胞刷狀緣分泌的:多肽酶 (brush boarder peptidases)

  看來,「內源蛋白酶」是一個家族,它們并不是孤軍奮戰的。這些酶各自負責不同的肽鍵 (蛋白質消化的本質就是切斷肽鍵)--- 它們有的可以切肽鏈中間(即內切蛋白酶, endo-protease),有的只從兩頭下手(exo-protease);有的比較專一,只認一兩個氨基酸,比如「胰蛋白酶」就只切精氨酸和賴氨酸相連的肽鍵;有的呢又更活躍,比如「糜蛋白酶」就能切好些氨基酸的肽鍵 (但也是有特異性的!)。

  而因為蛋白質本身的結構千變萬化,從20個氨基酸里可以排列組合出數不清的肽鏈種類,又能纏纏繞繞出第二、三、四級結構,所以,得由蛋白酶家族的隊員們一起上,分工+合作,才能夠把這個大塊頭水解成能夠被能夠被機體所吸收的游離氨基酸和小肽。

  延伸閱讀:動物營養101 | 單胃動物如何消化和吸收蛋白質?看這一篇就夠了

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蛋白質消化的本質就是切斷肽鍵(圖片來自bbc.co)

  那么,內源蛋白酶有這么多種,「外源蛋白酶」該派誰上呢?

  事實上,我們的飼料蛋白原料有很多種,原料和配方不同,就會帶來不同類型的日糧、不同的氨基酸構成。也許酶A最適合原料A,酶B最喜歡原料B,而如果配方里有原料A+B,能否同時派出酶A+B?

  所以,單一酶該派誰、派多少,復合酶又要如何組合才最優,其解體原則就是酶需要與底物所契合 --- 回到酶的定義之「底物特異性」: 酶要發揮作用,必須得有相應的底物、合適的底物濃度;契合好了,才能達到最佳效果 。

  當然,我們的終極期待是它能夠盡可能地廣譜(broad-spectrum),能夠適用于盡可能多的日糧類型,去配合內源酶做盡可能多的工作。(既然場上隊員都各有各的強項,那么外援部隊也不能太弱吧)。

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酶的底物特異性(圖片引自Jacobs, 2014)

  除了底物特異性,酶還挺挑環境 --- 不同的酶,能發揮最佳作用的pH值都不同,因此蛋白酶又可分為酸性、中性以及堿性蛋白酶三種類別。而動物的內源蛋白酶就「酸、中、堿」三種都有 --- 因為從胃到腸,pH是逐漸升高的,那么自然,胃分泌的蛋白酶自然就是酸性;而胰腺、腸細胞分泌的蛋白酶則是中性、堿性。

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肉雞的胃腸道部位pH和平均停留時間 (引自Ravindran, 2013)

  在蛋白酶剛剛在飼料工業中應用的開始階段,用得最多的是酸性和中性蛋白酶,就是因為堿性蛋白酶很難在胃酸的強大攻勢下存活下來。而今天,隨著「包被」等炫酷的加工工藝、或是耐酸行菌株的選育手段的出現,堿性蛋白酶也能夠穿上馬甲、穿過胃到達小腸發揮作用啦 --- 有多少能成功到達?這就是產品的耐酸性。(如果用蛋白酶做「體外預消化」的話,則可不用考慮胃酸影響...所以對蛋白酶的預期和要求,得分使用目的和方式)

  除了挑pH, 酶還挑溫度。身為蛋白質,它便具有蛋白質受熱變性的特性。對于飼用蛋白酶來說,我們對它的要求是需要耐得住飼料加工的高溫(顆粒料的85°C左右、膨化料的95°C左右),保證加工完成后酶還是那個有活性的酶;如果真耐不住咋辦?那,就和粉料做朋友吧~哦,還可以后噴!

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電鏡圖:Kemin的兩層包被蛋白酶(圖片來自Kemin)

  Q2: 既然動物自己有內源蛋白酶,為啥還需要蛋白酶制劑?

  話說蛋白酶的底物「蛋白質」,在動物飼糧里絕對少不了(還很貴!),但遺憾的是,并不是所有的飼料蛋白都能夠被動物所消化吸收。舉個例子,根據生長階段,家禽飼糧的粗蛋白水平一般在16 - 24%之間;而使用最為廣泛的玉米豆粕型日糧,其粗蛋白消化率一般在80-90%左右。也就是說,平均來看,飼料中至少有3個百分點的粗蛋白是未能消化而損失掉的,真不劃算哇。

  而且,在動物幼齡或是應激的情況下,內源酶的分泌不太跟得上,損失的飼料蛋白更多。對仔豬而言,集約化養殖使它們不得不提早斷奶,腸道的消化功能也表示壓力山大。還有非常規原料的使用、不得不面對的抗營養因子...等等在生產中需要面對的情況,都讓「消化功能」這件事會成為最大化生長潛力的限制因素。

  這時候,如果有蛋白酶制劑來支援一下,幫助促進蛋白消化,那么便既可提高飼料利用率,又減少氮排放(消化吸收的多,排的就少)、降低飼料成本(粗蛋白水平不用加那么高),就很給力了。

  而這最后一點,則又與「低蛋白日糧」這個大趨勢相吻合了呢。

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畜牧生產中氮的排放是嚴重的環境問題(這里的Absorbed改為Utlized應該更準確)

  延伸閱讀:回歸根本 |「低蛋白日糧」的理論基礎和解題思路,你真的清楚了嗎?

  Q3: 這個外援部隊真的有用嗎?

  在實踐中,蛋白酶制劑到底能否提高消化率,我們可以根據測定家禽的「氨基酸回腸消化率」來評估。根據2018年的一篇meta-analysis,基于67篇發表的文章(家禽和豬都有,主要是家禽),添加蛋白酶的確可以提高大部分氨基酸的回腸消化率,從而FCR也顯著降低。

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Meta-analysis顯示,添加外源蛋白酶可以增加大部分氨基酸的回腸消化率(引自Lee et al., 2018)

  至于具體的功效,它受日糧和日糧中是否已添加其它的酶制劑影響;當然,也受酶本身特性的影響。比如上面這個meta-analysis所考察的文章都使用的是單一蛋白酶;而如果是復合蛋白酶,還可能進一步提高部分氨基酸的消化率。

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在肉雞里,復合蛋白酶可進一步提高部分氨基酸的消化率(藍色=對照組;黃色=單一蛋白酶;紅色=復合蛋白酶;引自A. Lim et al.; 2007)

  要注意的是,不論是單一酶還是復合酶,我們不能指望添加外源酶能讓動物達到100%的消化率,這不符合生物學規律。同時,回到文章的開頭,酶并不能夠改變化學平衡,所以不可能憑空增加產物。大家在評估數據時要特別注意~

  提問:用了酶制劑后,可消化氨基酸濃度有可能高于總氨基酸水平嗎?🙋🏻‍♀️ 回答:仔細想一想哦, "If this happens, it's a damn good enzyme!"

  --- Dr. Carl Parsons @ 2019 PSA------

  另:除了提高營養物質消化吸收這個本職工作之外,蛋白酶制劑其實還能通過降解抗營養因子、影響腸道免疫功能、調節腸道微生物等方式來影響動物的「腸道健康」...這點其實不難理解 --- 腸道是一個整體、一個系統,一個功能的變化一定會對其它功能帶來影響。(今天寫不完啦,改天有機會再展開聊哇~)

  Point是:在今天禁抗無抗、強調腸道健康的大環境下,我們對蛋白酶的理解也許需要一些重新的認識。這位同學,其實能力多多呢~

  蛋白酶的選擇和評估

  如何選擇蛋白酶?其實我們只要從上面講到的酶的科學基本出發,這個問題就很清晰了 --- 除了酶本身的研發和生產技術的專業和安全之外,我們需要考慮

  • 底物(飼糧類型對口不)、
  • 酶的成分和組合 (與底物契合嗎,廣譜嗎)
  • 酶的化學特性(耐酸不,需要它耐酸不,耐熱不,需要它耐熱不)
  • 實地評估效果(消化率、生長性能、健康狀況 --- 一句話,靠譜嗎)
  • ....等等。當然,最終還是需要一個好的ROI(投資回報率)!

  關于酶制劑在家禽營養中的應用,上周剛好也和張克英老師聊了聊,錯過的小伙伴戳這里可以聽:對話|張克英教授:酶制劑在家禽營養中的新思考

  建明開發的「八寶威」復合蛋白酶是一個酸性、中性和堿性蛋白酶的復配組合;同時,它運用兩層包被技術,耐熱又耐酸,實現在消化道內的定點釋放,對大多數飼料原料和不同類型的日糧都能發揮不錯的蛋白水解效率。

  戳這里,了解更多~

  蛋白酶的選擇與應用10問

  蛋白酶對家禽氨基酸消化率的影響

 

  八寶威蛋白酶的貢獻——減少了8.5萬噸蛋白質浪費,降低了1.36萬噸碳排放

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本文標簽: 建明 蛋白酶

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