多酶飼料是生物飼料的一種，飼料中富含多種飼用酶，能夠在一定程度上消除飼料原料中的抗營養成分或對動物內源性酶類起到補充作用，從而有利于改善現有飼料的品質、提高飼料的利用率。結合國內外有關資料，就常見飼用酶的種類和作用以及多酶生物飼料的研發工藝、存在問題和研究現狀進行了綜述，并對多酶生物飼料的發展做出展望。
到2020年，飼料用糧預計達到2.98億t，將取代口糧在中國糧食用途中占最大份額[1]。人畜爭糧現狀是我國正面臨的嚴峻挑戰之一，因此，開發新型飼料和提高飼料的利用水平勢在必行。多酶生物飼料是一種通過生物技術的手段使飼料中富含多種酶類的飼料，與普通飼料相比，其所含的酶類能夠在一定程度上消除飼料原料中抗營養成分或者對內源性酶類起到補充作用，從而在一定程度上提高飼料的利用水平。
1、飼用酶及應用效果的研究
飼料酶制劑大致可分為非消化酶和外源性消化酶兩大類。非消化酶是指動物自身無法分泌到消化道內的酶，這類酶能消化動物自身不能消化的物質或降解一些抗營養因子，主要包括纖維素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、植酸酶、果膠酶等等。外源消化酶是指通過技術手段外加的消化酶，這些酶動物自身可以分泌，如淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶類等。對主要飼用酶做如下介紹。
1.1木聚糖酶
木聚糖酶主要是指β-1，4-D-木聚糖酶，它以內切的方式水解木聚糖分子中的β-1，4-木糖苷鍵，其水解產物有低聚糖和少量木糖等單糖。木聚糖酶在飼料中的主要作用在于降解木聚糖，從而降低食糜黏度。此外，低聚木糖還能調節動物腸道微生態環境、減少動物結腸炎的發生以及降低抗生素等獸藥用量的功效[2]。Tapingkae研究了酸性木聚糖酶對小豬的消化吸收以及產仔情況的影響，發現飼喂6周后的斷奶小豬日增重相對提高63g/d，腹瀉率降低50%[3]。Vandeplas等在肉雞日糧中添加不同來源的木聚糖酶，肉雞日增重相對提高4.5%，粗纖維消化吸收率提高58.9%
[4]。此外，Vandeplas的研究還表明，飼料中加入木聚糖酶后，腸道中雙歧桿菌的數量明顯增加，同時糞便中鼠傷寒沙門氏菌的數量明顯降低[5]。
1.2β-葡聚糖酶
β-葡聚糖酶是一類能催化β-葡聚糖水解的多種酶類的總稱。其中β-1，3-1，4-葡聚糖酶活性為最高。β-葡聚糖酶能夠水解飼料原料中的β-葡聚糖，生成寡糖和葡萄糖;消除由于β-葡聚糖的高吸水、高持水等特性而產生的物理作用，從而降低消化道內容物黏度，提高禽畜消化吸收水平。Newman等人在大麥為基礎的飼料中添加β-葡聚糖酶，仔豬日增重和飼料轉化率分別提高1%和16%[6]。Campbell等在豬飼料中添加β-葡聚糖酶，能量和蛋白質利用率分別提高13%和21%[7]。
1.3β-甘露聚糖酶
β-甘露聚糖酶是一類能夠催化含有β-1，4-甘露糖苷鍵的甘露聚糖及其衍生物水解的內切水解酶[8]。甘露聚糖酶在飼料中的作用在于能夠降解飼料原料中的甘露聚糖，降低食糜的黏度，解除甘露聚糖與金屬離子、消化酶、膽鹽的結合作用，增加養分的吸收;并且有研究表明，酶解生成的甘露低聚糖可用作雙歧桿菌促生長因子[9]，使有益菌繁殖，對動物腸道起著重要的調節作用。另外，甘露寡糖還能夠刺激免疫應答，增強動物細胞免疫和體液免疫[10]。
張輝華等研究β-甘露聚糖酶對肉鴨椰籽粕消化率的影響，結果表明添加β-甘露聚糖酶后蛋白質消化率與真實消化率分別提高8.04%與7.35%;能量利用率與真實利用率分別提高3.61%與3.38%[11]。喬海云等研究表明，在玉米-豆粕型日糧中添加β-甘露聚糖酶可以提高肉雞的免疫力，降低腸道pH
值，抑制大腸桿菌繁殖，增加有益菌的數量[12]。
1.4α-半乳糖苷酶
α-半乳糖苷酶是水解α-半乳糖苷鍵的一種外切糖苷酶，能專一性催化多糖、糖脂、糖蛋白中糖鏈末端的α-1，6半乳糖苷鍵水解，其不僅能水解棉籽糖和水蘇糖等低聚糖，還能水解含α-半乳糖苷的雜多糖[13]。在飼料中添加α-半乳糖苷酶的作用在于能夠降解飼料原料中的α-半乳糖苷，破壞食糜的水化膜使食糜蠕動減緩，提高食糜消化程度。同時還可抑制腸道內微生物的過度發酵，使胺和甲酚等有害物質和氣體減少，提高內源性蛋白酶的活力，增加多肽類物質，控制因飼料消化不良引起的腹瀉[14]。蔣小豐等研究表明，玉米-豆粕型日糧中添加α-半乳糖苷酶能提高斷奶仔豬對蛋白質的利用率，促進抗體合成，提高粗纖維、粗脂肪和粗蛋白質的表觀消化率[15]。Baucells等研究表明，在肥育豬日糧中添加α-半乳糖苷酶能分別提高干物質消化率和蛋白質消化率2.8%和12.5%[16]。戴求仲等研究表明，在玉米-豆粕型日糧中添加α-半乳糖苷酶能夠提高仔豬的平均日增重，明顯降低仔豬腹瀉率[17]。
1.5果膠酶
果膠酶是指是能夠分解果膠質的多種酶的總稱，可以裂解β-1，4-糖苷鍵，有效地分解植物細胞壁間的果膠質，破壞細胞組織。果膠酶在飼料中的作用在于降解果膠，降低腸道食糜的黏度，還能使植物細胞壁、液泡等受損，提高飼料營養和能量的利用率。姜曉霞研究結果表明，飼料中添加果膠酶能顯著提高肉雞的平均日增重和體重[18]。Tahir等研究表明，復合使用果膠酶與纖維素酶顯著提高肉雞的屠宰率、胸肌率[19]。梅寧安等研究也表明日糧中添加果膠酶能顯著提高肉仔雞的生長性能[20]。
1.6植酸酶
植酸酶即肌醇六磷酸水解酶，是水解植酸及植酸鹽成肌醇與磷酸的一類酶的總稱。植酸酶在飼料中的作用，主要體現在可以促進植酸的消化和吸收，從而在一定程度上消除其抗營養作用。在動物體內，由于植酸是螯合劑，所以會引起禽畜出現微量元素缺乏癥;植酸也是許多蛋白酶的抑制劑，從而影響禽畜的消化功能。另外，植酸還能夠和蛋白質結合為植酸復合體，降低蛋白質的消化利用率。單胃動物體內缺乏植酸酶，無法利用植酸，80%以上的磷從動物糞便中排出，從而造成環境的污染和資源的浪費。Powell等在低磷日糧中添加植酸酶，可以提高肉雞生長速度以及鈣、磷消化率和鈣利用率[21]。Pilial等研究發現，在肉雞低磷日糧中添加植酸酶，可顯著提高屠宰率[22]。
2.7纖維素酶
纖維素酶是一類能夠降解纖維素為葡萄糖的多組分酶系的總稱，它們協同作用，分解纖維素產生寡糖和纖維二糖，最終水解為葡萄糖。纖維素酶在飼料中的作用主要在于：對植物原料的細胞壁進行降解，促進營養的吸收;增強機體代謝水平和機體免疫力，有利于改善動物微生態環境。鄧玉英等在斷奶羔羊日糧中添加0.5%纖維素酶，結果羊平均日增重提高4.22%(P>0.05)，料重比降低5.20%，并且腹瀉率明顯降低[23]。Eun等在以青貯玉米和苜蓿干草為主的飼料中添加纖維素酶和木聚糖酶飼喂奶牛，中性洗滌纖維的降解度提高[24]。毛倩倩等研究表明，高纖維飼糧中添加果膠酶能夠提高五龍鵝的生長和屠宰性能，果膠酶與纖維素酶配合使用效果更好[25]。
2.8外源消化酶
飼料中淀粉、蛋白質等大分子化合物是禽畜的營養來源，動物體內可以分泌相應的內源性消化酶，比如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等等，但是由于動物生理上的差異，不同的動物消化道中的酶系不同，特別是幼齡動物或動物處于病態和應激情況下，酶的分泌較弱，此時，在飼料中添加消化酶可以起到對內源性消化酶補充的作用，并且也可以促進一些較難水解的營養組分的降解，比如血粉蛋白、膨化羽毛粉蛋白等，進而提高飼料的利用率和畜禽的生產性能。
何前等在黃羽肉雞飼料添加脂肪酶，能顯著提高飼料中粗脂肪的表觀利用率[26]。Angle等在低蛋白日糧中添加外源蛋白酶后，在肉雞生產性能上，低蛋白日糧組與正常蛋白日糧組無顯著差異，飼料轉化效率相對提高[27]。
3、多酶飼料制備工藝的研究
多酶飼料制備的工藝主要有以下兩種：加酶法，即通過外加現成的飼料酶的方式制備多酶飼料，這一種方式較為常見;發酵法，即利用微生物發酵產酶的方式制備多酶飼料。聯合使用外加酶的酶解作用和微生物的發酵作用的方式制備多酶飼料，也歸為發酵法一類。
3.1加酶法
加酶法制備多酶生物飼料的工藝簡單，是目前較為常見的方法，對于酶制劑的選擇，不是簡單的復配，而是要根據飼料原料的不同以及酶種類的特性有機組合。比如，用于豆粕型飼料的飼用酶以α-半乳糖苷酶為主，同時需要添加木聚糖酶等酶類;而大麥型飼料則主要以β-葡聚糖酶為主。我國農業部對飼料酶的添加也做了相應的規定與建議，見表1。
3.1.1加酶法多酶生物飼料的制備工藝
提高酶制劑的穩定性是加酶法制備多酶生物飼料的主要研究內容。由于在飼料的加工過程中，會經歷許多條件較為劇烈的階段，比如，制粒、膨化等階段，在這些階段中，飼料會受到溫度、壓力和濕度等的強烈作用，會使酶活嚴重損失甚至完全喪失，嚴重影響多酶飼料的質量。有關研究表明，通過擠壓膨化工藝后，酶活會完全喪失，通過環模制粒工藝后，酶活力的損失也非常明顯[28]。另外，酶作為一種蛋白質，動物的消化作用對其活性的影響也很大，所以對所加飼用酶酶活的保護是一個棘手的技術問題。目前常用確保酶活力的制備工藝有兩種：一是利用載體或包被的穩定性技術，主要采用物理包埋、化學修飾來提高酶的穩定性以在飼料加工過程減少酶活的損失。如將液態飼用酶吸附在特定載體上，或將顆粒狀的酶制劑用包被劑包被起來，可使這些飼用酶制劑在經歷高溫階段后保持較高的活性，并可減少動物腸道對酶活力的不良影響。二是制粒后噴涂，這種技術是待飼料制粒后，將酶以液態的形式通過一定設備噴涂于其表面，從而避免了在飼料加工后期工序中酶活力的損失。
加酶法的另一種方式是體外消化方式，章世元等提出兩種工藝流程設想：一是配料結束，混合前加入預消化工序(圖1);二是混合結束后，制粒、膨化等后續其他工序前加入預消化工序(圖2)[29]。此外，章世元等還研制了兩種體外消化設備：即釜式調質器和改造型混合機。經過試驗證明，體外預消化生產工藝可促進飼用酶發揮作用，兩種預消化生產工藝可顯著改善加酶飼料質量及營養品質，無機磷含量和還原糖含量顯著提高，并且酸性洗滌纖維明顯降低[30]。
章世元等通過實驗得出加酶飼料在含水量14.5%、溫度45℃條件下作用30min預消化效果較好，酸性洗滌纖維含量相對降低9.64%[31]。徐煒研究表明，加酶飼料經預消化處理后明顯提高了動物對飼料養分的消化代謝率。與常規加酶飼料比，預消化加酶飼料的雞飼料能量表觀代謝率、蛋白質表觀代謝率和磷表觀代謝率分別提高6.20%、12.45%和67.39%[32]。
3.1.2加酶法制備多酶生物飼料存在的問題
雖然在加酶法制備多酶飼料的研究中，研究人員采取各種方法解決酶活問題，但是在加酶法制備多酶飼料工藝上，仍有很多不足之處，需要進一步研究和改進。載體法、包被法和噴涂法雖然在一定程度上防止了飼料加工過程中和動物消化道中不利因素的影響，但是并不能絕對確保酶制劑在后處理過程中的穩定性。比如，被包被的飼用酶，經過90℃通蒸汽加熱會使酶迅速失活[33]。當制粒的調質溫度為65℃時，載體對酶制劑有一定的保護作用，而當溫度為75℃時，將失活70%左右[34]。另外，由于目前飼用酶基本為微生物所產，酶解的最適條件與動物體內條件不一定相符，而且動物體內環境復雜、多變，不同動物、不同生長發育階段的動物體內的環境也不一樣，從而飼用酶的體外測量和體內實際作用存在出入。最后，要將技術推廣使用，成本也是一個非常重要的因素，無論是噴涂法、包被法還是載體法都會極大增加飼用酶的生產和應用成本。
體外消化加酶法雖然沒有上述存在的問題，但是其消化工藝參數的有效控制比較困難，而且消化步驟所投入的時間較長，設備成本也較高。
3.2發酵法
發酵法制備的多酶生物飼料，屬于發酵生物飼料的一種。利用微生物產酶，不僅可以得到多種飼用酶，起到改善飼料品質，提高利用率的效果，還能通過調節動物體內的微生態平衡，達到促進免疫力、增強機體機能等功效。
3.2.1菌種
利用微生物發酵法制備多酶生物飼料，首要關鍵點在于菌種的選擇，好的菌種，生存能力強，產酶活力高，在飼料中能夠起到更好的效果。除此之外，在飼料中添加的微生物，還需要滿足眾多其他條件，比如所選用的微生物，最好是來源于家畜體內，這樣可以在一定程度上確保微生物進入動物體內后，不會因為微生物本身或者所產的其他物質致使動物患病或者死亡，確保安全性。另外這些微生物也更容易在家畜體內定植和繁殖并進行新陳代謝，從而發揮作用。而使用外源性微生物就必須要通過實驗動物所做的急性、亞急性毒性實驗和致畸致殘等試驗。另外，如果采取多菌種混合發酵，則要求各菌種在生理條件和產酶條件上能具有協同性，并且所產酶類能具有互補性。如果所用菌種是益生菌株，還要考慮到菌體的抗逆性，尤其需要對膽酸鹽和胃酸具有較強的抵抗能力，這樣才能夠在進入禽畜的消化道后繼續發揮作用，起到益生的效果。
美國FAD 批準用作直接飼喂的微生物已有43種(表2)。目前，我國農業部也在《飼料添加劑品種目錄(2013)》(表3)中公布了可在飼料中添加的微生物種類，并于2014-02-01開始實施。
3.2.2發酵法多酶生物飼料的制備工藝
發酵法制備多酶飼料與加酶法相比，由于加入發酵步驟，在工藝上要復雜一些，但所含有的酶為微生物代謝產生，所以能夠在一定程度上降低由于外加酶所帶來的成本。針對單菌種或者多菌種混合固態發酵制備多酶飼料的工藝，主要有以下幾個技術關鍵點：含水量需要控制得當。固體發酵與液態發酵的主要區別在于含水量，含水量會影響到菌體的生長代謝以及產物的形成。含水量多少應根據所選菌種及原料的不同來確定，高含水量會增加基質粘度，容易結塊，影響透氣和散熱，也不利于基質中營養物質的利用與抗營養因子的水解;含水量低時，微生物生長受到抑制，尤其是真菌菌絲的生長和孢子的萌發，并且培養基表面很快干燥，發酵不徹底，致使酶活力降低。在發酵過程中，翻料時可以適量加入無菌水以及時補充水分。菌種的接種量應嚴格控制，接種量太大，則會出現基質消耗過快，使熱量與廢氣堆積，產酶能力較低。對于霉菌而言，發酵后期還會出現孢子現象，不利于抗營養因子的水解;接種量太小，菌體量不夠大，不利于產酶，并且發酵周期延長，污染雜菌的幾率增加。相比單菌種發酵，多菌種混合發酵的條件控制較為困難，不同菌株的生長代謝會存在或大或小的差異，但是混合發酵可以有效地利用它們之間的互補性。對于多菌種混菌發酵而言，接種順序與比例對多酶飼料的制備影響很大。
如王慧杰等人在制備含酶蛋白飼料的研究中將糖化和發酵分步進行。因為這樣做可以使各菌種均可以在最佳條件下進行作用，而同步進行的糖化和發酵都很難在最佳條件下進行作用[35]。如果采用酶菌共效的方式，還需要考慮到酶的添加時間與用量，使得酶解作用能夠與菌種的發酵作用相協調。溫度也是需要考慮的重要因素，溫度的變化不僅會影響微生物的生長、代謝以及培養基的傳質、黏度等;還會影響產物酶的穩定性。發酵溫度過高，不僅耗能較多，而且會加劇基質水分的蒸發，不利于產酶。固態物料的厚薄對發酵過程也有較大的影響。培養基太厚，不利于氣體傳遞，會抑制微生物的生長，從而酶活性較低。另外，pH值也是一個很重要的參數，在固態發酵過程中較難控制，培養基中氮源對其影響較大，比如，銨鹽做主要氮源時，易引起基質酸堿度下降。在培養基質中，還有很多主要組分以外的成分對酶的活力也有一定的影響。比如無機鹽類、輔料等等。麥麩是一種很好的飼料原料，也是一種很好的發酵輔料，能夠起到膨松和輔助氮源的作用，從而促進微生物生長和產酶，但麩皮過多也會使基質黏性增加，不利于透氣，影響微生物的生長。對于無機鹽類也需要注意，有時對酶活力影響很大，比如，Zn2+、Ca2+
和Cu2+ 對木聚糖酶有微弱的促進作用，Fe2+、Fe3+ 和Mn2+ 對木聚糖酶明顯抑制[36]。
衛洋洋等用黑曲霉發酵制備油茶餅粕多酶生物飼料。確定發酵最佳基質中油茶餅粕與豆粕的混合比例為1︰1，料水比為1︰0.5，添加1%的硫酸銨，0.1%的磷酸氫二鉀。結果表明，以pH5，溫度28℃，1.5%接種量為最佳發酵條件，培養4d后，纖維素酶活力達到1 481.9
U/g，蛋白酶活力達到4 128.1U/g，蛋白質相應提高，各種抗營養因子如粗纖維。單寧等明顯降低[37]。徐海燕，張志焱等以啤酒糟為主要原料，利用黑曲霉固態發酵生產富酶蛋白飼料。結果表明：最適發酵培養基啤酒糟∶棉粕比例為5∶5，KH2PO40.2%;最適發酵條件為：料水比為1∶1，接種量為含4.0×106
個孢子的孢子懸液，發酵溫度為30℃，培養時間為54～60h，纖維素酶達到1 991U/g，木聚糖酶達到1 998U/g，酸性蛋白酶達到4 559U/g[38]。莊童琳等采用兩株黑曲霉對蘋果渣進行固態混菌發酵生產多酶生物飼料。結果表明：采用蘋果渣︰棉粕比例1︰1，1%(NH4)2SO4，0.1%KH2PO4為最佳培養基，兩株黑曲霉最佳配比為2︰1，接種量0.4%，30℃恒溫培養48h，蛋白酶和纖維素酶活力分別為3 674、1 207U/g，果膠與單寧的降解率分別為99.0%和66.1%[39]。陳曦等采用米曲霉和酵母菌，利用混合酒糟制備含酶蛋白飼料。結果表明：最優的培養基配比是啤酒糟︰黃酒糟︰豆粕︰麩皮為4︰1︰1︰4，初始料水比為1︰1.8，硫酸銨2%和磷酸鹽1%，米曲霉在酵母菌培養16h時接入，發酵周期為68h。混株發酵與單株發酵相比，酵母數提高了3倍，平均粗蛋白質提高5.32%，粗蛋白質增幅為35.74%，且發酵產物中含有蛋白酶901U/g，纖維素酶1 824U/g[40]。
3.2.3發酵法制備多酶生物飼料存在的問題
目前發酵法多酶飼料的研制與開發已取得了較大進步，但是仍存在許多技術問題。在菌種方面，由于添加到飼料中的微生物必須保證其安全性，所以大都采用沒有經過改良的原始菌種作為發酵菌種，所以其酶活力一般比較低，這是發酵法的主要技術問題。另外，采用混合菌種時，如何很好地利用各菌種的互補性，這一方面也尚未研究透徹。在工藝方面，發酵法存在發酵速度慢，周期長，工作強度大，較難自動化等問題。由于發酵過程傳質不均勻，天然原料成分復雜多變，菌體生長和酶的產生在各處也不均一，使得發酵參數的檢測和控制也比較困難，從而影響到飼料的質量。
4、展望
多酶生物飼料的開發不僅能夠提高現有飼料的利用水平，更能夠擴大可利用飼料原料的范圍，為新飼料原料的開發與利用提供新途徑，對促進養殖業的發展有重要意義。就目前而言，對于多酶生物飼料的研發還存在許多問題，未來還需要在酶活力的保護與提高、酶類與原料的選擇、禽畜消化道的適應性、混菌發酵的協調性、菌種的益生性等方面多做研究工作和加大投入，爭取取得更有突破性的解決方案。多酶生物飼料是飼料開發領域不容置疑的發展方向，相信會有更多種類、更多功效的多酶生物飼料被開發成功。