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飼料加工也會影響酶制劑熱穩定性

  作者: 來源: 日期:2012-11-20  

1975年,美國飼料工業首次將微生物酶作為添加劑應用于配合飼料中。20世紀80年代,國外配合飼料中已普遍使用酶制劑,90年代初,開始引入我國。酶制劑是由微生物產生的生物制品。飼用酶制劑包括單一酶制劑和復合酶制劑。復合酶制劑按日糧類型可分為小麥型、大麥型和玉米-豆粕型日糧等酶制劑。一般酶制劑在60~65℃以下的制粒過程中,經穩定載體處理的酶制劑可保持約80%左右活性,某些經特殊包被處理的酶制劑在75℃以下可保持較高的活性。但考慮到沙門氏菌的滅活,制粒溫度一般達到90℃以上,此時最穩定的酶制劑也將變得無效。因此,通常我國對酶制劑產品耐熱性能要求比國外要高得多。能否提高酶制劑的耐熱性能是我國飼用酶制劑進一步推廣的關鍵之一。

可能影響酶制劑耐熱性能的因素:

(1)菌種,飼用酶制劑是由微生物如細菌、酵母和真菌通過發酵生產的生物制品,不同菌種發酵生產的酶耐熱性能不同。目前用于飼料工業的大多數酶菌種來自真菌類,很少來自細菌類。細菌類酶制劑比真菌類酶制劑具有更多的優點。如細菌木聚糖酶,來源于枯草桿菌,近中性pH值,熱穩定性好于真菌類木聚糖酶,對木聚糖酶抑制劑不敏感,對不溶性木聚糖有較高活性;

(2)包被技術和顆粒化生產工藝,采用包被技術和顆粒化生產工藝可提高酶的耐熱性能。但是采用包被處理來防止酶制劑被破壞會對其生物利用率產生很大的負面影響。顆粒狀植酸酶和包被型植酸酶生物利用率不同的原因是:包被型植酸酶在動物胃腸道中釋放的速度更慢;

(3)載體,酶制劑的不同載體可能對酶的耐熱性能有影響。理想的載體應有助于酶與飼料中營養物質的結合,降低營養小分子或內源性酶的抑制作用,能將表現最適pH值改變到理想值,不利于微生物生長,不產生免疫反應和凝血反應等。至于選擇哪一種載體,要綜合考慮酶活和成本等各方面的因素。

但不管采用什么菌種、工藝,酶制劑對高溫的耐受性能都有一定的限度。

由于酶是一種生物催化劑,如同其他蛋白質一樣對溫度比較敏感。因此,飼料加工過程對酶制劑的活性有重要影響。一般酶的最適溫度在35~40℃之間,最高不超過50℃,但制粒膨化過程中的溫度可達120~150℃,或更高,并伴有高濕(引起飼料中較高的水分活度)、高壓(改變酶蛋白的空間多維結構而變性),在這樣的條件下,大多數酶制劑的活性都將損失殆盡。一般情況下,非淀粉多糖酶(NSP酶)、木聚糖酶的熱穩定性高于葡聚糖酶;植酸酶比NSP酶更易受溫度的影響。

1 制粒

1.1 制粒常用條件

制粒工藝大體分為3類,即干法制粒、蒸汽制粒和二次制粒。國內顆粒飼料生產多采用蒸汽制粒工藝。目前常用的制粒條件為:制粒溫度為77~88℃,調質時間為1~2min,最近幾年來,有些飼料廠為了生產出高衛生指標、無病原菌(尤其是無沙門氏菌)的飼料產品,已呈現提高制粒溫度的趨勢,以利于更有效地滅菌。這些飼料常用制粒溫度一般規定在85℃以上,這是有效殺死沙門氏菌的示值溫度。目前西歐已開始采用二次制粒工藝,其制粒溫度達到90℃。實際生產測定結果表明,應用這種制粒技術能有效地滅菌。

1.2 制粒對酶制劑熱穩定性的影響

制粒過程(調質、擠壓)中涉及到的溫度、濕度均容易使酶類具有催化活性的特殊蛋白質變性失活,同時酶活性損失的程度明顯受到酶制劑類型的影響,溫度對酶制劑的影響包括兩個方面:(1)當溫度升高時,反應速度也加快;(2)隨溫度升高,引起酶蛋白分子中一些疏水鍵斷裂,從而改變了分子的構象,喪失酶活性。未經處理的β-葡聚糖酶經70℃制粒后在飼料中的存活率僅為10%;由Trichoderma生產的β-葡聚糖酶在料溫為75℃時調質30s,其存活率為64%,而再經90s的制粒其存活率僅為19%;淀粉酶在80℃下活力明顯大幅度下降。植酸酶經70~90℃制粒后活力下降也在50%以上。

需要指出的是制粒時的濕度對酶制劑的活性也有很大的影響。在一定溫度下,飼用復合酶添加劑及配合飼料中水分含量與水分活度的關系用水的吸附等溫線表示。雖然這種關系不是一級直線關系,但總的趨勢是:樣品水分含量越高,水分活度越大。在較高的水分活度下,酶蛋白的變性會顯著地增強。例如樣品水分含量降為10%時,直至溫度提高到60℃,脂酶才開始失活;而水分含量提高到23%時,在常溫下便出現明顯的失活現象。對于大多數酶制劑,在接近中性的pH和較低溫度下將水分活度降到0.3以下,能防止因酶蛋白變性和微生物生長引起的變質,從而保持較高的酶活力。

2 擠壓膨化

2.1 擠壓膨化常用條件

20世紀80年代后,擠壓膨化技術已成為國外發展速度最快的飼料加工新技術。擠壓膨化包括干法擠壓膨化和濕法擠壓膨化,它主要應用于特種動物飼料(如寵物飼料)、水產飼料、早期斷奶仔豬料和飼料資源開發方面。擠壓技術在我國飼料工業中的應用尚屬起步,20世紀90年代才開始在我國得到廣泛應用。但近幾年來,隨著研究手段的不斷改進,膨化設備的巨大進步,膨化技術在飼料生產中不斷得到廣泛的應用。擠壓膨化是一個高溫、高壓、高濕的過程。其工作條件一般為:擠壓腔內工作壓力為3.0~10.0 Mpa;筒體內溫度為120~200℃;物料在筒內停留時間為10~30s;擠壓膨化原料水分含量為12~18%;原料通蒸汽后水分含量為20~30%。

2.2 擠壓膨化對酶制劑活性的影響

膨化過程涉及到高溫、高濕及擠壓的綜合作用。高濕引起較高的水分活度,對酶制劑的影響如制粒,已述及。通常膨化溫度可達120~150℃,在這么高的溫度條件下大多數酶制劑都將完全喪失其活性。110℃條件下,植酸酶的活性存留率為零,β-葡聚糖酶和半纖維素酶的活力已經無法測得。經過對以大麥和小麥為主要原料的豬飼料進行上述膨化加工,其中熱敏性較高的植酸酶在經過各個加工工序后的相對活性如表1所示。

飼料加工過程中高溫、高濕對飼用酶制劑的熱穩定性影響很大。為了提高飼料加工過程中飼用酶制劑的熱穩定性,筆者認為可以從兩個主要途徑入手:

(1)篩選優良菌種。目前許多研究主要集中于耐高溫菌種的篩選,但筆者認為還可以從菌種種類入手。據報道,細菌類酶制劑作用效果好于真菌類;內切酶應用效果優于外切酶;

(2)優化加工工藝。目前大量研究主要集中在酶制劑包被處理上。包被型酶制劑固然可以保護酶制劑免遭制粒時高溫的影響,但是當溫度達到90℃后,包被型酶制劑也不能經受住如此高的溫度,而且包被型酶制劑在動物體內的生物利用率下降。目前許多動物營養學家把目光轉移到液體酶制劑的后噴涂技術上來。這樣可以很好解決酶制劑的熱穩定性問題,是一項很有發展前景的飼料加工保真新技術。

當前,如何解決好酶制劑加工過程中的熱穩定性問題已成為酶制劑應用中十分關鍵的問題和研究熱點。如果能夠很好地解決酶制劑的熱穩定性問題將對飼料工業產生巨大的促進作用,從而使得酶制劑有可能替代抗生素等抗菌藥物的使用,提高畜禽的生產性能和健康水平,無毒、無害、無殘留,并能顯著地減少畜禽糞便中的氮、磷的排泄和對環境的污染,真正成為一種名副其實的安全、有效、不污染環境的“綠色飼料添加劑”。

 
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