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谈蛋白酶,没有比这个更详细的了

2020-09-03 00:00:00  建明和曦曦博士   点击: 请关注艾格农业微信公众号,获取更多精彩文章
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   大家好!今天我们来聊聊蛋白酶吧~ 「酶」(enzyme) 这个概念大家都不陌生啦。不论是人还是动物,自身都会分泌酶;吃了东西,胃肠道中营养物质的消化都需要消化酶的参与,才能被吸收从而被机体利用;而在机体内每分每秒的正常代谢活动,也需要各种代谢酶的参与。可以见得,生命一点儿也离不开酶。

  从定义上,酶是「由活细胞产生能对特异底物起催化作用的一类特殊的蛋白质」。分解一下 --- 首先,它是蛋白质;其次,它具有底物特异性(就像钥匙和锁一样,随便开不了);第三,它的作用是加快化学反应、降低反应所需能量,但并不能改变化学平衡(不能凭空增加产物哦!)。

  这三点很重要,后面我会再绕回来~

酶可以加快反应过程,但不能改变反应的起点和终点(图片引自biologydictionary)

  蛋白酶制剂

  在动物营养界, 酶制剂早已不是陌生的概念。在农业部的添加剂目录(2013)里面,就有12类酶是允许在畜牧动物饲料中使用的 (同一类酶又有不同的来源)。

  它们要么是动物自身能够分泌的消化酶,在需要的情况下,作为外援部队来支援;要么,则是动物自己不能够分泌的酶(非消化酶),聪明的人类利用微生物生产出来,加到饲料中,可以与内源酶打配合,完成动物自身不能完成的任务。

  那么很明显,「蛋白酶」这类外源酶制剂 (exogenous protease) 属于消化酶。既然来支援、来帮忙的,要打赢比赛,我们得先搞明白已经在场上的队员(内源酶)是个什么状况、什么时候需要派上外援、派上了能带来什么效果~

现在市场上常用的饲用蛋白酶,都是微生物源蛋白酶(通过细菌培养或真菌发酵提取;引自《饲料添加剂品种目录(2013)》)

  Q1: 场上队员(内源酶)是什么状况?

  第一个问题很重要。我们以家禽为例 --- 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)、 弹性蛋白酶 (elastase)、羧肽酶 (carboxypeptidase A & B),肠肽酶 (enteropeptidase)
  •   肠细胞刷状缘分泌的:多肽酶 (brush boarder peptidases)

  看来,「内源蛋白酶」是一个家族,它们并不是孤军奋战的。这些酶各自负责不同的肽键 (蛋白质消化的本质就是切断肽键)--- 它们有的可以切肽链中间(即内切蛋白酶, endo-protease),有的只从两头下手(exo-protease);有的比较专一,只认一两个氨基酸,比如「胰蛋白酶」就只切精氨酸和赖氨酸相连的肽键;有的呢又更活跃,比如「糜蛋白酶」就能切好些氨基酸的肽键 (但也是有特异性的!)。

  而因为蛋白质本身的结构千变万化,从20个氨基酸里可以排列组合出数不清的肽链种类,又能缠缠绕绕出第二、三、四级结构,所以,得由蛋白酶家族的队员们一起上,分工+合作,才能够把这个大块头水解成能够被能够被机体所吸收的游离氨基酸和小肽。

  延伸阅读:动物营养101 | 单胃动物如何消化和吸收蛋白质?看这一篇就够了

蛋白质消化的本质就是切断肽键(图片来自bbc.co)

  那么,内源蛋白酶有这么多种,「外源蛋白酶」该派谁上呢?

  事实上,我们的饲料蛋白原料有很多种,原料和配方不同,就会带来不同类型的日粮、不同的氨基酸构成。也许酶A最适合原料A,酶B最喜欢原料B,而如果配方里有原料A+B,能否同时派出酶A+B?

  所以,单一酶该派谁、派多少,复合酶又要如何组合才最优,其解体原则就是酶需要与底物所契合 --- 回到酶的定义之「底物特异性」: 酶要发挥作用,必须得有相应的底物、合适的底物浓度;契合好了,才能达到最佳效果 。

  当然,我们的终极期待是它能够尽可能地广谱(broad-spectrum),能够适用于尽可能多的日粮类型,去配合内源酶做尽可能多的工作。(既然场上队员都各有各的强项,那么外援部队也不能太弱吧)。

酶的底物特异性(图片引自Jacobs, 2014)

  除了底物特异性,酶还挺挑环境 --- 不同的酶,能发挥最佳作用的pH值都不同,因此蛋白酶又可分为酸性、中性以及碱性蛋白酶三种类别。而动物的内源蛋白酶就「酸、中、碱」三种都有 --- 因为从胃到肠,pH是逐渐升高的,那么自然,胃分泌的蛋白酶自然就是酸性;而胰腺、肠细胞分泌的蛋白酶则是中性、碱性。

肉鸡的胃肠道部位pH和平均停留时间 (引自Ravindran, 2013)

  在蛋白酶刚刚在饲料工业中应用的开始阶段,用得最多的是酸性和中性蛋白酶,就是因为碱性蛋白酶很难在胃酸的强大攻势下存活下来。而今天,随着「包被」等炫酷的加工工艺、或是耐酸行菌株的选育手段的出现,碱性蛋白酶也能够穿上马甲、穿过胃到达小肠发挥作用啦 --- 有多少能成功到达?这就是产品的耐酸性。(如果用蛋白酶做「体外预消化」的话,则可不用考虑胃酸影响...所以对蛋白酶的预期和要求,得分使用目的和方式)

  除了挑pH, 酶还挑温度。身为蛋白质,它便具有蛋白质受热变性的特性。对于饲用蛋白酶来说,我们对它的要求是需要耐得住饲料加工的高温(颗粒料的85°C左右、膨化料的95°C左右),保证加工完成后酶还是那个有活性的酶;如果真耐不住咋办?那,就和粉料做朋友吧~哦,还可以后喷!

电镜图:Kemin的两层包被蛋白酶(图片来自Kemin)

  Q2: 既然动物自己有内源蛋白酶,为啥还需要蛋白酶制剂?

  话说蛋白酶的底物「蛋白质」,在动物饲粮里绝对少不了(还很贵!),但遗憾的是,并不是所有的饲料蛋白都能够被动物所消化吸收。举个例子,根据生长阶段,家禽饲粮的粗蛋白水平一般在16 - 24%之间;而使用最为广泛的玉米豆粕型日粮,其粗蛋白消化率一般在80-90%左右。也就是说,平均来看,饲料中至少有3个百分点的粗蛋白是未能消化而损失掉的,真不划算哇。

  而且,在动物幼龄或是应激的情况下,内源酶的分泌不太跟得上,损失的饲料蛋白更多。对仔猪而言,集约化养殖使它们不得不提早断奶,肠道的消化功能也表示压力山大。还有非常规原料的使用、不得不面对的抗营养因子...等等在生产中需要面对的情况,都让「消化功能」这件事会成为最大化生长潜力的限制因素。

  这时候,如果有蛋白酶制剂来支援一下,帮助促进蛋白消化,那么便既可提高饲料利用率,又减少氮排放(消化吸收的多,排的就少)、降低饲料成本(粗蛋白水平不用加那么高),就很给力了。

  而这最后一点,则又与「低蛋白日粮」这个大趋势相吻合了呢。

畜牧生产中氮的排放是严重的环境问题(这里的Absorbed改为Utlized应该更准确)

  延伸阅读:回归根本 |「低蛋白日粮」的理论基础和解题思路,你真的清楚了吗?

  Q3: 这个外援部队真的有用吗?

  在实践中,蛋白酶制剂到底能否提高消化率,我们可以根据测定家禽的「氨基酸回肠消化率」来评估。根据2018年的一篇meta-analysis,基于67篇发表的文章(家禽和猪都有,主要是家禽),添加蛋白酶的确可以提高大部分氨基酸的回肠消化率,从而FCR也显著降低。

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

  至于具体的功效,它受日粮和日粮中是否已添加其它的酶制剂影响;当然,也受酶本身特性的影响。比如上面这个meta-analysis所考察的文章都使用的是单一蛋白酶;而如果是复合蛋白酶,还可能进一步提高部分氨基酸的消化率。

在肉鸡里,复合蛋白酶可进一步提高部分氨基酸的消化率(蓝色=对照组;黄色=单一蛋白酶;红色=复合蛋白酶;引自A. Lim et al.; 2007)

  要注意的是,不论是单一酶还是复合酶,我们不能指望添加外源酶能让动物达到100%的消化率,这不符合生物学规律。同时,回到文章的开头,酶并不能够改变化学平衡,所以不可能凭空增加产物。大家在评估数据时要特别注意~

  提问:用了酶制剂后,可消化氨基酸浓度有可能高于总氨基酸水平吗?🙋🏻‍♀️ 回答:仔细想一想哦, "If this happens, it's a damn good enzyme!"

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

  另:除了提高营养物质消化吸收这个本职工作之外,蛋白酶制剂其实还能通过降解抗营养因子、影响肠道免疫功能、调节肠道微生物等方式来影响动物的「肠道健康」...这点其实不难理解 --- 肠道是一个整体、一个系统,一个功能的变化一定会对其它功能带来影响。(今天写不完啦,改天有机会再展开聊哇~)

  Point是:在今天禁抗无抗、强调肠道健康的大环境下,我们对蛋白酶的理解也许需要一些重新的认识。这位同学,其实能力多多呢~

  蛋白酶的选择和评估

  如何选择蛋白酶?其实我们只要从上面讲到的酶的科学基本出发,这个问题就很清晰了 --- 除了酶本身的研发和生产技术的专业和安全之外,我们需要考虑

  • 底物(饲粮类型对口不)、
  • 酶的成分和组合 (与底物契合吗,广谱吗)
  • 酶的化学特性(耐酸不,需要它耐酸不,耐热不,需要它耐热不)
  • 实地评估效果(消化率、生长性能、健康状况 --- 一句话,靠谱吗)
  • ....等等。当然,最终还是需要一个好的ROI(投资回报率)!

  关于酶制剂在家禽营养中的应用,上周刚好也和张克英老师聊了聊,错过的小伙伴戳这里可以听:对话|张克英教授:酶制剂在家禽营养中的新思考

  建明开发的「八宝威」复合蛋白酶是一个酸性、中性和碱性蛋白酶的复配组合;同时,它运用两层包被技术,耐热又耐酸,实现在消化道内的定点释放,对大多数饲料原料和不同类型的日粮都能发挥不错的蛋白水解效率。

  戳这里,了解更多~

  蛋白酶的选择与应用10问

  蛋白酶对家禽氨基酸消化率的影响

 

  八宝威蛋白酶的贡献——减少了8.5万吨蛋白质浪费,降低了1.36万吨碳排放

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本文标签: 建明 蛋白酶

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