耿莲凤狂新城:生物技术在动物营养中的应用

中国农业科学院饲料研究所/巩霞
原刊于《新饲料》杂志2006年第11期
1 利用基因工程技术改善饲料作物的品质
利用生物技术可以进行降低植物收获后的运输和贮藏过程中植物的酶活性，减少养分损失；利用组织培养、单倍体育种、细胞质融合和基因工程等现代生物技术可以改善饲料原料如禾谷类植物、植物油副产品和牧草的育种方法，改变植物种子含油量或蛋白质、淀粉含量及组分，增加饲料作物中果聚糖和可溶性糖的浓度，降低副产品的木质素含量等。
1．1提高饲料作物的蛋白质数量与质量
农作物种子中含有丰富的蛋白质，如豆类蛋白质含量高达20％左右，但是作物种子蛋白中必需氨基酸的组成不平衡（如豆科种子中缺乏含硫氨基酸），严重降低了蛋白质的营养价值。目前，许多国家相继研究和培育出了一些高赖氨酸玉米品系，如中国培育出的有“中单206”、“新玉米”、“农大107”等品系。大量研究表明，其饲料价值是普通玉米的1.5～1.6倍。澳洲科学家利用基因工程培育了富含蛋白质的苜蓿新品种。70年代末到80年代初美国等开始了牧草基因工作研究，并取得了突破，1991年转基因苜蓿植株已移到田间。在许多国家，大麦是粮食中主要组成，但蛋白质含量偏低。现在英国等科学家正试图对大麦蛋白质合成基因进行重组，以获得高品质的大麦品种。许多植物含有抗营养因子或含有影响该植物品质的物质，这些因子或物质对植物本身蛋白质的合成以及家畜对饲料物质的吸收有不利影响。通过采用生物技术选育出不含或少含抗营养因子的植物，可以降低或减少这种不利影响。
1．2 提高饲用作物种子含油量
植物籽实中的饱和脂肪酸含量过低一直是影响动物胴体品质的重要因素。利用植物基因工程技术，控制脂肪酸的不饱和程度。由于发育的种子中存在着活性极高的去饱和酶，故饱和脂肪酸在大多数植物的贮存脂类中极为罕见，用反义核酸技术抑制十八碳脂酰-ACP去饱和酶的表达，使其脂肪酸组成发生了很大变化。由于十八碳脂酰-ACP去饱和酶的活性下降故饱和脂肪酸的浓度明显增加，从原来的不足2％增加到现在的40％，同时也降低了油酸含量。我国已培养出高油玉米，进一步提高了玉米的营养价值。但是我国的高油玉米的培育主要是通过杂交育种手段产生，据估计控制玉米油量的基因在 30对以上，传统的育种周期很长，利用转基因技术则可以取得快速的进展。
1．3 培育低毒饲料作物
中国传统的油菜含有硫代葡萄糖苷（简称硫苷，在饼粕中约含7％～9％）和芥酸（约占脂肪酸的50％以上），硫苷本身无毒，但它在动物体内经芥子酶的催化生成纤维素唑烷硫酮、异硫氰酸酯、硫氰酸盐等有害物质，可引起动物代谢紊乱，以致中毒死亡。芥酸含量高，油酸、亚油酸等脂肪酸含量就低，使传统的菜油营养价值大大降低。中国科学家首次发现并采用“波里马油菜细胞质雄性不育系”培育出双低油菜（低芥酸、低硫苷），其水平处于世界先进水平，如“湘油11”、“ 浙优油2号”、“河南3-227”、“贵优油21”、“华中3号”等。如华中3号较传统品种芥酸降低90％以上，硫甙降低80％，产量提高10％左右。另外，国内已有多家成功地利用微生物单菌或多菌发酵工艺，使棉饼中游离棉酚含量降至0.04％以下，菜饼中异硫氰酸酯，恶唑烷酮含量降至0.045％以下。
2 利用细胞工程技术生产动物用营养物质
单细胞蛋白（single cell protein，SCP）是指利用各种基质大规模培养一些微生物而获得的微生物蛋白。SCP营养丰富，蛋白质含量高达80％，所含氨基酸组分齐全平衡，且含有多种维生素，消化利用率高达80％。利用微生物生产SCP可以缓解蛋白质资源的缺乏。SCP是现代饲料工业重要的蛋白来源，其最大特点是原料来源广，微生物繁殖快，成本低，效益高。生产SCP的微生物有酵母菌，非病原菌、放线菌、真菌和藻类、光合细菌等；生产SCP的主要原料有造纸工业的纸浆废液、制糖业的糖蜜及废弃物、酿酒业的酒糟及废弃物、各种植物秸秆、谷物的颖壳、木屑等的纤维素。试验表明，每千克 SCP可使奶牛产奶量增加6％～7％，用含10％ SCP的饲料饲喂蛋鸡，产蛋量增高21％～35％。据统计，1吨SCP可节约饲粮5～7吨。
上海酵母厂通过特异生物技术培育成能富积微量元素的微生物，如硒酵母、锌酵母等。美国还生产铬酵母（又称第三辅助因子），铬关系到机体的糖类代谢和脂类代谢，促进蛋白质的利用，是人和动物不可缺少微量元素之一。有机铬的吸收率比无机铬的吸收率高10倍。螺旋藻作为藻蛋白生产，近年在国内大面积培养推广，藻粉营养极为丰富，含多种氨基酸、维生素和微量元素，消化率85％以上，被称为“营养之王”。
3 利用酶工程技术提高动物营养物质的利用率
饲料用酶主要有：蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶、乳糖酶、植酸酶、非淀粉多糖酶、果胶酶等，这些酶绝大数是利用微生物中酵母、曲霉菌和其他细菌来生产的。目前，工业化生产主要采用微生物发酵工程技术，但也有的已开始逐步向基因工程发展，通过新的生物技术的应用，各种饲料酶的活性、稳定性及耐热性都有很大提高。在饲料中使用酶制剂的目的包括如下几个方面: 对动物内源酶的补充，包括蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶；消除某些饲料中抗营养因子, 如β- 葡聚糖酶、木聚糖酶和植酸酶等；使某些营养物质更易于被吸收, 提高不易被吸收利用的饲料成分的营养价值, 如纤维素酶；对某些饲料原料如羽毛、动物内脏等进行预处理, 使其更易消化。
植酸酶是一种水解植酸的磷酸酶类，它能将植物磷降解为肌醇和无机磷酸，饲料中添加植酸酶，可使饲料中磷的利用率提高7.8，粪便中磷的排出量减少4.8，有利于单胃动物对矿物质和氨基酸的吸收利用。β-葡聚糖酶、戊聚糖酶添加于以大麦、小麦、黑麦、燕麦和次粉为主的饲粮中，能分解饲粮中的抗营养因子葡聚糖和戊聚糖，提高养分消化利用，改善了非淀粉多糖的消化率，降低了肉仔鸡和仔猪肠道内的粘性。研究表明，木聚糖酶、蛋白酶和淀粉酶的混合物可改善低粘性谷物如玉米、高粱的消化。
粗饲料在结构上主要是由植物细胞壁组成，细胞壁的基本成分是纤维素、半纤维素和木质素，纤维素及半纤维素可以通过瘤胃微生物的作用被反刍动物消化利用。影响纤维营养价值的因素主要有两点：消化道的纤维消化程度、消化率和瘤胃纤维消化率。通过增加微生物对木质素的水解和饲喂前对饲料进行预处理或经育种改变细胞壁结构能提高纤维消化率。纤维素是由葡萄糖β-1. 4 键结合成的长链高分子化合物，其中的木糖较其它组分难降解。处理秸秆所选用酶制剂有纤维素、半纤维素分解酶、果胶酶，甚至还有淀粉酶、蛋白酶、糖化酶等酶，能把饲料中大分子的纤维素、半纤维素等分解成易消化吸收的小分子物质，从而提高饲料利用率，改善饲料品质。纤维素分解酶能把废弃的高纤维素类物质分解为易被家畜消化吸收的低分子化合物和葡萄糖。饲用酶制剂可提高家禽对营养物质的消化吸收、改善断奶仔猪的增重，提高奶牛产奶量，帮助幼年反刍动物消化吸收营养物质，促进生长。对梅花鹿，在日粮中添加酶制剂，可提高鹿茸产量，增加鹿茸中有效成分含量。王安等人在饲粮中添加纤维素复合酶，可使瘤胃中玉米秸秆的干物质、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、木质素、纤维素、半纤维素的消失率分别提高为：15.18％、14.27％、7.08％、11.26%、7.04%和28.58%。
4 利用微生物工程技术生产饲料用物质
微生物工程也称发酵工程，是将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机地结合起来，是一门利用微生物的生长和新陈代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。该技术可用于饲料的青贮、改善饲料营养价值、微生物饲料的生产以及微生物来净化有毒的物质，消除有毒气体和恶毒物质以及处理有机废水、废渣等；还可用于生产抗生素、维生素、人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素、透明质酸、微生物蛋白、氨基酸和一些食品添加剂（如柠檬酸、乳酸、天然色素等）的生产。
4．1  生产氨基酸
日粮中添加氨基酸可以平衡氨基酸的比例，提高饲料蛋白质的利用效率，减少氮排出造成的环境污染。目前，利用发酵工程技术和基因工程技术将合成特定氨基酸基因克隆到细菌质粒中，借助微生物的增殖活动生产所需氨基酸，这一技术已在用新菌种生产氨基酸的工程中被应用。Komatsubar等在生产苏氨酸的一些菌种以及在 L–赖氨酸、L–苏氨酸的生产中成功的使用了基因转导技术。随着理想蛋白质氨基酸模式的深入研究和建立，将生产不同氨基酸的菌种或其基因按理想蛋白质氨基酸模式进行组装，以期在体外或体内生产出满足动物营养需要的新一代理想天然产品——理想氨基酸复合制剂，将会成为今后研制生产氨基酸的趋势。
4． 2 生产酶制剂
在饲料中添加的酶制剂都是由微生物通过特定生产工艺加工而成的包含单一酶或混合酶的工业产品。目前，工业化生产酶主要采用微生物发酵工程技术, 有些也结合基因工程技术。通过生物技术的应用, 改造出新的菌种，其产生的酶的活性、稳定性以及耐热性和产量都有很大提高。动物消化系统中分泌的淀粉酶、胃蛋白酶、胰脂酶、蔗糖酶、乳糖酶、麦芽糖酶等是消化吸收不可缺少的, 这些酶称为内源性酶, 仅仅依靠这些内源性酶, 动物对饲料的利用能力是有限的。为了充分利用现有饲料资源, 开发新的非常规饲料, 同时也为减少动物排泄物对环境的污染, 必须研制和生产外源性饲料酶。世界上已发现的酶品种有1700多种, 生产用酶已达300多种, 但是饲料用酶只有20多种。国外开发的饲料用酶制剂有蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、植酸酶、β- 葡聚糖酶、木聚糖酶和植酸酶等。现在欧洲95％以上的饲料中都添加酶制剂, 他们在90％以上的大麦饲料中添加了专用于这种饲料的添加剂β-葡聚糖酶, 而其它饲料用酶在饲料中的使用量综合不足8％, 正处在发展之中。目前, 我国农业部批准使用的饲料酶制剂有: 淀粉酶( 产自黑曲霉、解淀粉芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌)、纤维素酶( 产自长柄木霉、李氏木霉)；β－葡聚糖酶（产自黑曲霉、枯草芽孢杆菌、长柄木霉）、葡萄糖氧化酶（产自特异青霉）、脂肪酶（产自黑曲霉）、麦芽糖酶（产自枯草芽孢杆菌）、甘露聚糖酶（产自迟缓芽孢杆菌）、果胶酶（产自黑曲霉）、植酸酶( 产自黑曲霉、米曲霉)、蛋白酶( 产自黑曲霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌)；支链淀粉酶（产自酸解支链淀粉芽孢杆菌）、木聚糖酶（产自米曲霉、孤独腐质霉长柄木霉、枯草芽孢杆菌霉、李氏木霉）、半乳甘露聚糖酶（产自黑曲霉和米曲霉）等,基本上包括了饲料中应用的主要酶种。随着人们生活水平的提高及环境意识的增强, 饲用酶制剂以其不产生残留、无抗药性、不污染环境等优势会进一步推广应用。因而饲用酶制剂作为一类高效、无毒副作用和环保型的“绿色”添加剂, 在21 世纪将有着十分广阔的应用前景。
4．3. 生产益生素（probiotics）
益生素又称益菌剂，是将微生物菌体或其相应物质直接饲喂动物，参与动物胃肠道微生物群的生态平衡及维护胃肠道的正常功能，从而达到动物保健及提高生产性能的目的。益生素的主要菌种有乳酸杆菌、双歧杆菌、粪链球菌、酵母菌、枯草杆菌等。益生素能够产生乳酸、过氧化氢等抑制、杀灭病原微生物的物质；能够抑制、排除消化道内有害菌，增加有益微生物的数量；产生各种消化酶及合成微生物，从而提高饲料的转化率；提高动物抗体水平和巨嗜细胞的活性，增强机体免疫功能；间接促进生长和提高饲料利用率的作用。肖振铎等用抗生素作对照，研究了产酸型活菌制剂对仔猪、肉仔鸡和产蛋鸡的效果。与对照组相比，到60日龄时仔猪平均增重提高14.3％，肉料比提高46％，对腹泻的治愈率达98.62％，产蛋率提高4.38％，死亡率降低3.81％，肉仔鸡生长速度提高5.35％，饲料消耗降低5.34％。针对目前益生素应用效果及应用过程中出现的问题，人们开始研究和探讨如何更加合理的使用益生素，使之发挥其预期效力。从国外的开发和使用效果看，复合菌制剂较单一菌株益生素的作用效果更好，更符合生态环境；复合菌制剂一般都具有协同作用，因此有单一菌株的益生素逐渐向复合益生素发展的趋势，如肠道共生复合菌、瘤胃复合菌等；从医用益生素逐渐向适合动物生理生化特性的益生素品种开发；同时在饲用益生素发展的基础上，逐渐向农业、医疗保健及环境改良等方面发展。
4．4 处理饲料中有毒有害物质
运用生物技术脱毒是一种有发展前景的方法。Cegler比较了真菌、细菌酵母消除黄曲霉毒素的能力，发现了橙色杆菌能在体外消除黄曲霉素。Devegonda等的试验证实，啤酒酵母培养物添加到含有黄曲霉毒素的日粮中可使鸡的体重、饲料利用率、抗新城疫的血凝抑制滴度提高，死亡率下降，法氏囊相对比重提高。体外试验发现，有88％的毒素被降解。Rajll等模拟肉鸡消化道理化环境，将从酵母培养物中提取具有抗原活性的物质和黄曲霉毒素饲料在pH6.5，温度为37℃条件下，温育3h，发现提取物对黄曲霉毒素、玉米赤霉烯酮和储曲霉毒素结合率分别为82.5％、51.6％和26.4％。
运用物理的或化学的办法可降低棉籽饼粕和菜籽饼粕中的棉酸和硫葡萄糖甙分解物的含量。然而利用微生物发酵技术，可使棉酚含量下降至饲用水平。李延云等筛选出脱毒率高的菌种，使棉籽饼的饲用价值得到明显的提高。杨景芝等培养出的B菌，使棉酚脱毒率为60％左右，使可溶性蛋白含量提高3－11倍。另外，国内已有多家成功的利用微生物单菌或多菌发酵工艺，使棉饼中游离酚含量降至0.04％以下，菜饼中异硫氰酸酯、（口恶）唑烷硫酮含量降至0.045％以下，这些技术已在实用中取得了较好的效果。
饲料中的抗营养因子、毒物等广泛存在于各种饲料原料，直接或间接影响饲料营养物质的消化、吸收及代谢，降低饲料的营养价值及可利用性。由于生物技术在消除饲料中的抗营养因子、毒素以及在畜禽代谢过程中产生的有害物质等方面起着越来越重要的作用。应用生物技术进行排除或抑制饲料中抗营养因子以及在畜禽代谢过程中产生的有害产物具有下列优点：处理效率高，尤其是酶技术应用的处理效率很高、成本低；没有残留，应用比较安全；与物理化学方法比较，生物技术处理对饲料营养成分的破坏和影响较少。
5 利用生物技术进行动物的营养调控
动物的一切代谢活动，包括生长和生产都是基因表达的结果。认识和利用营养——基因互作关系，配制能改变动物生理活动的日粮，可以有效提高和控制动物生长和生产性能。近年来，随着生物技术的出现和不断成熟，营养成分对动物基因表达调控已成为当今研究的一个热点。
大量科学研究证明，主要的营养物质，以及某些维生素和矿物质，对许多的基因表达有影响，而这些基因中含有关键代谢酶的密码。日粮中的营养物质，可以通过各种途径来调控基因的表达，影响动物机体的代谢过程，最终影响动物的生长。常见的例子是对大鼠禁食，然后再喂给碳水化合物来影响肝脏和脂肪组织的脂肪合成过程（Clarke等，1992）。禁食可以活化糖原异生和脂肪分解途径的基因，而再喂给碳水化合物则可以激活糖原分解和脂肪合成途径的基因。用脂肪代替碳水化合物可降低大鼠脂肪和肝组织的磷酸果糖激酶、丙酮酸脱氢酶和乙酰辅酶A 羧化酶这些酶的活性。日粮调控被认为是在基因转录水平上对基因表达的调节。
维生素，如维生素D 和维生素A，对基因的表达有重要作用。维生素A 可以调节几种蛋白质的表达，这些蛋白质包括生长激素和磷酸甘油脱氢酶，后者是脂肪合成的一种关键酶。维生素C 缺乏则降低豚鼠血管基底膜中胶原蛋白IV型的表达及平滑肌中弹性蛋白（Elastin）基因的表达。
二价金属可以通过基因转录、mRNA的稳定性和翻译，影响基因的表达。例如镉可提高金属有硫基基因（methllothionein）的转录速率、锌通过“锌指”（zinc fingers） 把激活子蛋白结合到DNA的增强子上调节几种基因的表达mRNA的稳定性和翻译调节转铁蛋白和铁蛋白的水平（Bremner等，1990）。
在家畜饲养中，关键是整个生产周期能保证稳定的营养供给。营养供给无常时，营养—基因的互作就起抑制代谢量的过大变化的作用（Gurney等，1994）。这些互作作用能提高和加快基因选择的转换以调节营养供给。因此，为通过基因表达的稳定性取得所希望的结果，日粮配制必须考虑生长、肥育或生产所需的特定营养—基因的互作。在整个生产过程中，日粮不能改变太多，应尽可能连续供给同一种类型的营养。
6  展望
现代生物技术在动物营养中的应用还处于初级阶段，随着生物技术的进一步发展和应用，各种生物产品层出不穷，将在更大程度上促进动物生产的发展；分子生物学技术在动物营养上的应用，将为分子水平研究动物生长代谢规律提供有效的工具；营养与基因表达调控关系的研究将为通过营养调控基因表达、改善动物生产性能提供理论依据。现代生物技术与传统的营养研究方法相结合研究营养物质分子作用机制,将是未来营养研究的重要领域，必将为畜牧业高效、持续、稳定发展开辟新的广阔前景。