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                脂肪酶特性与应用

                陈倩婷

                (88老虎机网址 510663

                1 前言

                饲料资源不足一直是我国繁育业面临的一个大问题,在耕地和水资源严重紧缺的情况下,粮食产量已很难提高。我国动物生产中饲料转化率低,猪、鸡、奶牛等的饲料转化率均比国际先进水平低0.3—0.6%,使得饲料资源不足的问题更加严峻。饲料用酶制剂的开发和应用极大的缓解了饲料资源的不足,酶制剂在饲料工业中的有效应用使得饲料工业和繁育业安全、高效、环保和可持续发展成为可能。

                目前研究较多的饲用酶制剂有蛋白酶、甘露聚糖酶、β-葡聚糖酶、木聚糖酶、纤维素酶及植酸酶等。脂肪酶也是一种重要的酶制剂,它能够水解脂肪(三脂酰甘油,甘油三酯)为甘油一酯、甘油二酯和游离脂肪酸,最终产物是甘油和脂肪酸。

                产物脂肪酸为动物体生长和繁殖提供能量,部分中链脂肪酸能抑制肠道有害微生物,改善肠道菌落环境,从而促进消化,起到类似抗生素的作用,脂肪酶在常温常压下反应,反应条件温和,转化率高,具有优良的立体选择性,不易产生副产物,幸免因化学催化法而带来的有害物质,不会造成环境污染,因此,在食品、皮革、医药、饲料和洗涤剂等许多工业领域中均有广泛的应用。

                2 脂肪酶的来源

                    脂肪酶按其来源主要分为3类:(1)动物源性脂肪酶,如猪、牛等胰脂肪酶提取物。(2)植物源脂肪酶,如蓖麻籽、油菜等。(3)微生物源性脂肪酶。由于微生物类别多、繁殖快、易发生遗传变异,具有比动植物更广的作用pH、作用温度范围以及底物专一性,且微生物来源的脂肪酶一般都是分泌性的胞外酶,所以微生物脂肪酶是主要的研究对象。产微生物脂肪酶菌种的研究主要集中在真菌,包括根霉、黑曲霉、镰孢霉、红曲霉、黄曲霉、毛霉、犁头霉、须霉、白地霉、核盘菌、白地霉、青霉、木霉,其次是细菌,如假单胞菌、枯草芽抱杆菌、大肠杆菌工程菌、无色杆菌、小球菌、发光杆菌、粘质赛氏杆菌、无色杆菌、非极端细菌和葱头伯克霍尔德菌等,另外还有解酯假丝酵母和放线菌。

                3 特性

                3.1 脂肪酶催化特性

                脂肪酶不同活性的发挥依赖于反应体系的特点,在油水介面促进酯水解,而在有机相中可以酶促合成和酯交换。其催化特性在于:在油水介面上其催化活力最大,溶于水的酶作用于不溶于水的底物,对均匀分散的或水溶性底物不作用,反应是在两个彼此分离的完全不同的相的介面上进行。Macrae等研究表明,在油水介面上油脂量决定脂肪酶活性,增加乳化剂量,可提高油水介面饱和度,从而提高脂肪酶活性,增加油水介面面积,可承载更多脂肪酶分子,也可增加催化反应速率。而在水体系中,大多数脂肪酶活性很低或没有活性。

                    由于脂肪酶在非均相体系中表现出的高催化活性,且在酶催化反应中不需辅酶,所以可利用非水相中的脂肪酶催化完成各种有机合成及油脂改性反应,如酯化、酸解、醇解、转酯、羟基化、酸酐化、环氧化、氨解、酰基化、开环反应、聚合等反应。

                3.2 脂肪酶底物特异性

                不同来源脂肪酶对底物不同碳链长度和饱和度脂肪酸表现出不同反应性,圆弧青霉(Penicillium cyclopium) 和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)脂肪酶水解短链(C8以下)脂肪酸所形成的三脂酰甘油,黑曲霉(Aspergilllus niger)和根霉(Rhizopus)对中等长链(C8—C12)脂肪酸形成的三脂酰甘油有强烈特异性,而长链脂肪酸形成的三脂酰甘油,猪葡萄球菌(Staphylococcus hyicus 脂肪酶偏爱磷脂为底物,也可以水解脂肪酸链长短不一的各种油脂。解脂无色杆菌(Achromobacter lipolyticum) 对饱和脂肪酸表现出特异性,而来源于金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)脂肪酶对不饱和脂肪酸具有特异性。

                3.3 脂肪酶部位特异性

                大部分脂肪酶作用于三脂酰甘油的初级位(1—位或3—位)酯键,即α型;葡萄球菌、黑曲霉和圆弧青霉等脂肪酶无部位专一性,能水解初级和次级位 2—位)的酯键,即αβ型;白地霉(Geotrichum candidum)对油酸甘油酯表现出强特异性。

                来源于卡门柏青霉U-150Pencillium camembertii U-150)和米曲霉(Aspergillus oryzae)的脂肪酶在一类较特殊的脂肪酶,它仅作用于单脂酰或二脂酰甘油,而对三脂酰甘油完全不起催化作用,与三脂酰甘油脂肪酶 triacylglycerol lipase)一起应用时能协助或加速三脂酰甘油的彻底水解所以被称为单-双脂酰甘油脂肪酶(mono-diacylglycerol lipase)。

                3.4 脂肪酶立体特异性

                   酶作用的底物应具有特定的立体结构才能被催化。脂肪酶对三脂酰甘油立体对映结构1位和3位具有选择性水解能力,并且能够以不同的反应速率选择性催化两种对映体,Akesson等发现,来源于荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)脂肪酶水解2—位和3—位酯键的二酰基甘油比水解它的对映体速度快得多。因此,可利用脂肪酶这种立体选择性进行动力学拆分得到高产率的光学活性产物。

                4 脂肪酶的主从酶学性质

                许多学者已分离、纯化了大量的微生物脂肪酶,并对其性质进行了研究,它们在分子量、最适作用温度、热家弦户诵、最适pHpH家弦户诵、等电点和其他生化性质方面在不同。

                4.1 分子量

                来源不同的微生物脂肪酶,其氨基酸组成不同,分子量大都在20000—60000之间。

                4.2 最适作用温度和热家弦户诵

                大多数脂肪酶最适作用温度为30-60,但也有些脂肪酶在较高或较低温度下有较高活力,Rathi等从假单胞菌(Pseudomonas)中分离的脂肪酶在100条件下能稳定存活,在150以上仍有数秒钟半衰期。Bradoo等培植嗜热脂肪芽孢杆菌B. stearothermophilus)得到耐热脂肪酶,在100条件下有15-25min半衰期。一般真菌脂肪酶最适作用温度对立较低,而细菌脂肪酶则较耐热。

                在不同底物中,脂肪酶最适作用温度也不相同。Surinenaite等研究发现,从假单胞菌3121-1中分离一种脂肪酶,当以ρ-硝基苯丁酸酯(ρ-nitrophenyl butyrateρ-NPB)为底物时,脂肪酶最适作用温度为52Tween-80为底物时,最适温度为50-60,橄榄油为底物时,则为50-65

                4.3 最适作用pHpH家弦户诵

                脂肪酶的活力受pH影响很大,pH的变可影响酶活性主导部位活性基团的解离,从而影响到酶与底物的结合或催化底物转变为产物。大多数脂肪酶最适pH6-9,其中大部分真菌脂肪酶为碱性脂肪酶,如曲霉Aspergillus sp.、扩展青霉Penicillium expansum、凝结芽孢杆菌Bacillus coagulans ZJU318、产碱菌Alcaligenes sp.、肉色曲霉Aspergillus carneus所产脂肪酶作用的最适pH都为9,该类型脂肪酶酶具有广泛的pH稳定范围,且家弦户诵良好,在pH5-10之间,在加酶洗衣粉及洗涤剂量工业中有较大的应用价。但也有一部分脂肪酶的最适值pH偏酸性,如蒋咏梅等得到的罗伦隐球酵母(Cryptococcus laurentii)最适pH值只有5.4

                5 应用

                5.1 在饲料中的应用

                脂肪在畜禽体内的作用主要是氧化供能,它含有的能量是碳水化合物的2.25倍。在饲料中添加脂肪酶可以提高油脂的消化利用率,为动物体提供更多的能量,脂肪酶可提高饲料中的脂肪消化率,特别是可显著提高含脂量高的饲料,如全脂米糠、高油玉米、干紫花苜蓿粉、血饼、饼粕等,可提高能量饲料原材料的表观消化能5%11%,猪、禽增重速度4%10%,饲料利用率2%7%,并减少粪便排泄量。同时,相应地节约作为能量消耗的蛋白质,使其更好地用于生长,进而提高蛋白质效率;减少油脂的添加量;降低饲料成本;能补充幼禽、幼畜因消化机能尚未发育健全所造成的内源性消化酶分泌量的不足。因此,脂肪酶在鸡、猪和水产中有较广泛的研究与应用。

                5.1.1 在鸡饲养中的应用

                幼龄家禽由于消化道酶尚未发育完善,对淀粉、脂肪和蛋白质的消化能力较弱,有必要添加外源性消化道酶以弥补内源酶的不足。雏鸡大多数消化酶在2周龄左右才发育到高峰,像脂肪酶还要到21日龄左右。因此,胰腺脂肪酶分泌不足是雏鸡对饲料利用的主要限制要素之一。

                李杰等人研究发现,肉鸡具有较快的生长速度不光与采食量有关,较高的能量和粗蛋白质利用率也是促进高速生长的重要要素。何前等人选用7001日龄健康岭南黄公鸡(快大型),随机分为4处理,每处理5个重复。对照组饲喂玉米-豆粕型基础日粮,加酶1组、2组、3组分别在饲喂基础日粮中添加2U/g4 U/g6 U/g脂肪酶,试验分为121d2242 d两阶段,为期42 d。结果显示,添加4 U/g6 U/g水平显著提高2242日龄黄羽肉鸡试末均重、平均日增重(P0.05)。饲粮中添加脂肪酶,能显著提高粗脂肪的表观利用率(P0.05),有提高粗蛋白质表观利用率的趋势(0.05P0.10),显著降低能量表观利用率(P0.05)。试验得出脂肪酶添加水平为4 U/g效果最佳。

                Tan等在含全脂米糠、高油玉米、干紫花苜蓿粉、血粉、饼粕等的肉鸡饲料中添加0.1%外源脂肪酶,表观消化能提高5%11%,增重速度提高4%10%,饲料利用率提高2%7%

                Polin等给白莱航公鸡饲喂含动物油4%的玉米型日粮,发现添加脂肪酶0.1%显著改善了动物油的吸收,脂质吸收的改善使得干物质的消化率也得到了改善。

                Marzooqi等在肉仔鸡日粮中添加不同剂量的脂肪酶,结果表明,021日龄肉鸡采食量和生长性能随脂肪酶添加量的增加而减少,对2142日龄或142日龄肉鸡生长性能和采食量均无影响。

                Lichovnikova等人认为外源添加脂肪酶可显著增加蛋黄中多不饱和脂肪酸的含量,长期饲喂脂肪酶对蛋黄中多不饱和脂肪酸含量有加强作用,而对鸡蛋的重量无显著影响。

                奚刚报道,酶制剂能提高脂肪的表观利用率,混合酶制剂对丝毛乌骨鸡的粗脂肪利用率显著提高,可达到86%。

                5.1.2 在猪饲养中的应用

                在现代养猪生产中,为了缩短母猪繁殖周期和使仔猪尽早服植物蛋白日粮,早期断奶甚至超早期断奶在养猪生产中普遍实施,但早期断奶产生明显应激,对消化系发育和消化酶分泌产生不良影响,消化酶分泌急剧减少,断奶后两周内消化酶分泌不足是断奶仔猪生长阻滞的主要要素之一。

                Dierick等在饲料中添加0.05%微生物源脂肪酶后,仔猪前肠内容物的中链脂肪酸、游离脂肪酸含量分别比对照组提高104%116%(P0.01),添加0.1%微生物源脂肪酶,日均增重率显著提升143%(P0.01),饲料转换率提高5.4%。而在动物油脂脂肪源的猪日粮中添加0.05%微生物源脂肪酶显著提高了低链脂肪酸(C60C140),干物质和消化能的表观回肠消化率(the apparent ileal digestibility, AID),干物质、有机物、粗蛋白、粗灰分和消化能的表观粪便(the apparent faecal digestibility, AFD)消化率(P0.05)

                张勇等研究表明,32日龄断奶仔猪日粮中添加淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等组成的复合酶制剂0.1%,可促进断奶仔猪生长,改善饲料利用率,降低腹泻率,减少不同个体间体重的变异。

                5.1.3 在水产饲养中的应用

                W. M. Koven等人在金头鲷(Sparus aurata)基础饲料中添加0.05%猪胰脂肪酶,研究脂肪酶对21273245日龄金头鲷生长的影响。结果发现,脂肪酶只对45日龄的金头鲷组织脂肪有显著提高,提高了3.42倍,由于日粮卵磷脂添加不足和早期日龄金头鲷肠道功能未发育完全,所以脂肪酶的添加对其他日龄的金头鲷无显著影响。

                T.Samuelsen为研究添加脂肪酶对虹鳟(Oncorhynchus mykiss)(体重23.22 ±4.81g,体长124.7±6.35mm)生长和身体成分的影响,分别往基础饲料中添加2083 mg/kg脂肪酶、208.3 mg/kg脂肪酶和2083 mg/kg热灭活脂肪酶,饲喂202天后结果显示,脂肪酶的添加对虹鳟的生长,对鱼头组成,肝、心脏和内脏指数没有显著影响(P>0.05),而对鱼头中单不饱和脂肪酸(油酸)的含量有显著影响(P<0.05)

                杨新文等人在基础饲料中分别添加00.10.3g/kg的脂肪酶,饲喂平均体重(57.6±0.02)g的南方鲇(Silurusme ridionalis Chen)60天,添加0.1g/kg0.3g/kg的脂肪酶,增重率比对照组分别提高了4.0%5.8%,但异样不显著(P>0.05),饲料系数分别下降了5.0%6.6%,异样显著(P<0.05),肥满度和粗脂肪消化率显著提高(P<0.05),对外脏指数、肝脏指数、肠脂指数、蛋白酶活力、肠蛋白酶活力、肠脂肪酶活力及血液生化指标均没有显著影响(P>0.05)。由于动物幼体消化机能发育不完全,消化酶系不够完善,添加外源消化酶可以刺内源消化酶的分泌,补充内源消化酶的不足,提高动物幼体消化机能和营养物质利用率,添加0.3g/kg的脂肪酶能显著提高胰脂肪酶活力(P<0.05),添加0.1g/kg的脂肪酶对胰脂肪酶活力没有显著影响(P>0.05)。所以,在脂肪水平10%的饲料中添加0.3g/kg的脂肪酶可以提高胰脂肪酶活力,提高脂肪消化率,改善饲料利用率。

                谷金皇等人在瓦氏黄颡鱼(均体重(3.47±0.05)g)基础饲料中分别添加0mg/kg100mg/kg300mg/kg500mg/kg脂肪酶制剂后,对其生长、消化酶以及血清生化指标的影响进行研究。试验结果表明:饲喂90d后,添加脂肪酶100mg/kg300mg/kg500mg/kg组分别比对照组增重率提高3.86%(P0.05)9.29%(P0.05)6.75%(P0.05),饲料系数降低了3.17%(P0.05)6.35%(P0.05)5.29%(P0.05),血清甘油三酯、低密度脂蛋白和总组织胺含量都显著仅次于对照组(P0.05)。通过消化酶测定表明,脂肪酶添加各组均显著提高了蛋白酶和肠淀粉酶活性(P0.05)100mg/kg脂肪酶组还显著提高了胰脂肪酶和凝血酶(P0.05)300 mg/kg脂肪酶组胰脂肪酶活性最高(P0.05),所以,脂肪酶在瓦氏黄颡鱼饲料中的适当添加量为300 mg/kg为最适宜。

                对鳗的研究表明,添加0.2g/kg的脂肪酶可提高鳗鱼的日增重率28.53%71.38%,显著降低饲料系数14.69%20.98%

                Nunes等人在巨骨舌鱼(Arapaima gigas)日粮中添加00.05%0.1%0.2%脂肪酶制剂,提高了增重率29.3%14.88%65.9%,并提高了蛋白质效率。

                Silva等人在大盖巨脂鲤(Colossoma macropomum)饲料中添加脂肪酶0.2%,繁育幼鱼38d,增重率比对照组上升了55.1%(P0.05)

                5.2 在食品中的应用

                利用脂肪酶作用反应后释放出的链较短的脂肪酸,增加和改进食品的风味和香味,特别是奶油和奶酪的风味在人造黄油、点心、冷糕点等的制造中是不可短少的;利用脂肪酶催化的醇解和醋化反应来生产各种香精醋,作调料剂;用有专一性的微生物脂肪酶,如应用青霉属的丝状菌产生的脂肪酶来将甘油二酯选择性水解成甘油和脂肪酸,从而增加油脂中甘油三酯的含量,提高棕榈油等食用油营养价,制备精制油脂;用于酒类的去浊除渣;改善面包品质;添加脂肪酶防止来自蛋黄的污染脂肪混入88老虎机手机版式中引起发泡能力的下降,改善蛋白的发泡等。

                5.3 在造纸工业与皮革加工中的应用

                脂肪酶在造纸工业中添加能直接分解废纸上的油墨、涂料及色料,达成脱墨效果;去除纸浆中的树脂,去除造纸用白水及冷却水的黏泥。

                作为一种高效无污染的脱脂剂,脂肪酶在皮革脱脂工艺上尤其具有重要的用途,且在碱性条件下使得脂肪更易从皮中除去。与传统的皂化法、乳化法和溶剂法脱脂相比较,酶法脱脂皮板柔软、富有弹性、粒面毛孔清晰、毛发光亮柔软,对皮革品质有明显的提高。

                5.4 在洗涤工业中的应用

                衣物所附的污垢有四分之三是脂肪污垢。加入脂肪酶可使甘油三酯分解成容易祛除脂肪酸和甘油,所以加入脂肪酶可大大提高洗涤剂的去污效果,而且脂肪酶是生物88老虎机手机版式,易被降解,不污染环境。

                5.5 催化合成生物柴油

                生物柴油是生物质能的一种形式,具有绿色、可再生、能耗低等长处,能够缓解石油即将枯竭和环境污染对人类造成的财政危机。徐炜枫利用固定化脂酶Lipozyme TL IM催化菜籽油醇解反应制备生物柴油。贺芹等比较了5种不同商品化脂肪酶和自制的华根霉CCTCCM201021全细胞脂肪酶(RCL)催化油脂合成生物柴油的转化效果。Hsu A F等人用固定化南极假丝酵母(C.antarctica)脂肪酶催化泔水油。可制造生物柴油。

                6 展望

                饲料中添加脂肪酶能释放出脂肪酸,提高油脂类饲料原材料的能量利用率,增加和改进饲料的香味和风味,改进畜禽的食欲,并对局部炎症有一定的治疗功效。但是,现在有很多商品化的脂肪酶88老虎机手机版式,多数是通过微生物发酵制得,其pH家弦户诵多在中性偏碱范围内,对酸的耐受性较差,对立于蛋白酶、淀粉酶等其他酶来说,脂肪酶的多样性、家弦户诵较差、底物不溶于水、提纯困难以及生产成本较高等特殊性增加了对其进行研究的难度,招致了对于脂肪酶的理论研究和应用研究的投入较其他酶类滞后,所以,对脂肪酶研究进行一些探索性的工作,如野生新菌种的筛选、基因工程菌的筛选,发酵工艺的改进,下流技能的提高和检查法子技能的改进,与其他酶制剂的合理复配应用,正确的添加时刻、添加量和添加方式,都能推动脂肪酶在饲料工业中的广泛应用。

                (参考文献略,需者可函索)

                 

                 

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