酶制剂在低碳环保经济中的应用与未来

詹志春 周 樱 武汉新华扬生物股份有限公司，武汉 430074

酶在中国饲料工业中的应用已历经10多年历史，目前为行业普遍接受。2009年中国饲用酶制产值已达6亿元人民币。除饲料工业领域外，能源、食品、环保等领域对酶制剂的研究与应用方兴未艾，预计2013年全球酶制剂市场产值将突破70亿美元，酶制剂已成为生物工程及其交叉学科中最热门的研究话题。

低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体和废弃物的排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。

如何实现酶制剂在低碳经济产业中的广泛应用，不仅是饲料行业关注的焦点，更是人类实现绿色、低碳、可持续生存与发展的关键。

本文将就酶制剂在饲料工业、泛生物工业中对于实现绿色、无抗生产和缓解环境污染方面的应用与未来发展趋势进行研究与报道。

1 酶与无抗生产

1.1 甘露聚糖酶在低聚寡糖免疫促进作用中的应用

β-甘露聚糖酶广泛存在于动物、植物（魔芋、莴苣等）和微生物中，是豆科植物细胞壁的主要组成成分。

β-甘露聚糖酶可将甘露聚糖降解为甘露低聚糖，其对畜禽的免疫系统有较好的调节作用，Savvage等（1996）报道，甘露寡糖能提高火鸡粘膜IgA水平，并显著提高血液中IgG含量，意味着甘露寡糖能同时提高与肠粘膜及体液免疫有关的免疫应答反应。Zou等（2006）的研究表明，在肉鸡饲料中添加β-甘露聚糖酶能增强机体的免疫机能，增加免疫器官指数，显著增加血清中IgM含量，促进T淋巴细胞增殖。

同时，甘露低聚糖能够调控动物胃肠道的微生态环境，促进有益菌繁殖、抑制有害菌在肠道上皮定植（图1），从而维持正常的消化道微生态系统。

图1 甘露寡糖抑制有害菌在肠道上皮定植

1.2 木聚糖酶在益生素微生态调节中的应用

木聚糖普遍存在于植物性饲料原料的细胞壁中（表1），按其在水中的溶解程度分为水溶性和非水溶性两种，是半纤维素中主要的结构形式。

木聚糖酶可通过典型的酸碱亲核水解反应作用于饲料原料中的木聚糖，从而产生木糖或木寡糖（XOS，图2）。木寡糖又称为低聚木糖，是由2～7个木糖分子以β-1,4糖苷键结合而成的功能性聚合糖。木寡糖是畜禽肠道中双歧杆菌的主要食物，因此可高度选择性促进双歧杆菌的繁殖，而双歧杆菌可促进盲肠中丁酸的产生，从而进一步促进厌氧菌的增殖。而丁酸可减少沙门氏菌对肠道上皮细胞的侵袭及在盲肠与组织器官中的定植，从而改善肠道微生态区系，减少腹泻等疾病的发生。

表1 常用饲料原料中木聚糖含量及类型

图2 0.2μm电镜下酶制剂对聚糖的降解效果

1.3 溶菌酶在替代抗生素中的应用

溶菌酶名称起源于1922年，A1exander F1em ing发现人的唾液、眼泪中存在一种可溶解细菌细胞壁的酶，因其具有溶菌作用，就命名为溶菌酶。

一般人认为，溶菌酶能切断肽聚糖中N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸之间的β-1,4糖苷键，破坏肽聚糖支架，从而使细菌细胞在内部渗透压的作用下胀裂而死亡（B1ake CC,et a1.，1965）。

溶菌酶在饲料行业已取得一些应用研究进展。

Humphrey等 (2002)研究禽日粮抗生素替代品时，发现老鼠表达人的乳铁蛋白和溶菌酶饲喂鸡时也有抗生素的作用：给Cobb肉鸡饲喂176mg/kg饲料的溶菌酶，饲料效率相对对照组显著提高(P＜0.05)，十二指肠绒毛高度增加，回肠固有层变薄，肠上皮及粘膜粒性白细胞减少，表明在肉鸡日粮中溶菌酶可替代抗生素使用。

DR Brundige等(2008)报道，用转基因羊产生的富含溶菌酶的奶每天2遍饲喂断奶猪，结果发现溶菌酶可影响其生长、肠上皮状况及大肠杆菌数量。相对对照组，饲喂该奶6周的猪回肠大肠杆菌类显著降低（P＜0.029)，肠道致病大肠杆菌数量也显著降低 （P＜0.030)。 同时肠绒毛宽度增加 （P＜0.029)，每微米高度绒毛的上皮淋巴细胞减少（P＜0.020)。结果表明，饲喂溶菌酶可改善猪肠道健康，抵抗致病性大肠杆菌 （EPEC）。E1izabeth A.等(2006)研究发现溶菌酶对猪也有类似的效果。

溶菌酶除具备类似抗生素常规的抗微生物活性外，还可抗不同的病毒：如抗HIV-1(Le-Huang S,et a1，1999)，Oevermann(2003) 体外试验发现溶菌酶可有效抗HSV-1（单纯疱疹病毒）、副流感病毒3型及猪呼吸道冠状病毒。张绣（2007）等发现来源于海洋微生物的溶菌酶可抗猪伪狂犬病毒。

1.4 噬菌体裂解酶在“后抗生素时代”中的应用

噬菌体用于抗菌治疗和预防细菌感染的研究已有较长的历史，在抗生素发现和广泛使用之前，人们就设想运用噬菌体来治疗细菌感染。但是许多因素阻碍了噬菌体治疗的研究和发展，尤其是抗生素的发现转移了人们对噬菌体治疗研究的兴趣，忽略了对噬菌体治疗的正确认识。随着致病菌对大多数抗生素产生抗性，细菌的耐药性已成为现代医学中的一个非常严峻的问题，人类正重新进入“后抗生素”时代，亟需发展非抗生素类抗感染药物。噬菌体裂解酶是噬菌体在感染细菌后期表达的一类细胞壁水解酶。该酶通过水解细菌细胞壁肽聚糖上糖与肽间的酰胺键或肽内氨基酸残基间的连接键而使细菌裂解，从而释放出子代噬菌体用于感染其他细菌。

与抗生素相比：①噬菌体裂解酶作用只针对特异宿主菌的细胞壁，专一性强，因而作用可集中在感染部位；抗生素则是通过干扰和破坏细菌的新陈代谢而抑制和杀灭细菌，最终被排出体外，不能集中在感染部位；②噬菌体裂解酶具有高度的特异性，只破坏目标菌而不影响正常菌群，噬菌体裂解酶用于预防和治疗动物的细菌感染的研究未发现有严重的副反应；抗生素在杀灭病原微生物的同时也破坏机体内的有益菌群，从而很可能破坏机体的菌群平衡，抗生素的使用经常出现多种不良反应，包括胃肠功能障碍、过敏反应及二次感染等；③一种噬菌体耐受的细菌对具有类似宿主范围的其它噬菌体仍保持敏感；细菌性抗生素的耐受则不局限于目标菌群，因而一种抗生素就可能造成很多耐药菌群。随着抗生素应用的日益广泛，细菌对一些常用的药物已呈现不同程度的耐药性；④研制开发新的噬菌体裂解酶来裂解耐受菌株相对开发新的抗生素周期短、成本低，自然界中几乎所有的细菌都有相应的噬菌体，因而，噬菌体裂解酶的开发研究具有重要的价值。

1.5 泛素化酶在抗病毒感染及控炎症反应中的应用

2009年《自然免疫学》杂志中报道了一种新型酶制剂--泛素化酶Nrdp1，该酶能够直接结合在免疫识别与免疫调节中起重要作用的两个信号分子（MyD88和TBK1）上，通过不同位点介导的泛素化过程促进MyD88降解而激活TBK1，从而抑制了MyD88信号通路触发巨噬细胞等炎症性细胞因子产生，促进TBK1信号通路触发的Ⅰ型干扰素产生，从而实现抑制炎症性细胞因子的产生，帮助机体有效清除病毒感染并减弱炎症损害。

2 酶与去环境污染

2.1 植酸酶在减磷排放中的应用

动物集约化养殖体系对环境造成的污染是当今农业面临的主要问题，而磷污染是其中一个主要的方面。据推算，全国每年仅养猪业就向环境中排泄150万吨左右的磷。过量的磷流人土壤后，会被土壤颗粒吸收，最终污染地表水。此外，水产养殖中由于向水体中投喂大量的饲料，从而大量残饵和未被消化吸收的磷溶解于水中，造成水体磷污染。

日粮中添加植酸酶可提高植酸磷的利用率，有效降低外源磷的添加量，从而减少磷的过剩排泄和对环境的污染。目前植酸酶已在畜禽饲料中广泛应用。但由于消化道生理特性及饲料加工特点，水产饲料中并未规模化使用植酸酶。

新华扬技术中心与武汉工业学院2008年研究表明：饲料中使用1.5%磷酸二氢钙为对照组，在此基础上添加中性耐温植酸酶500和1000HYU/kg分别为试验Ⅱ组和试验Ⅳ组，降低磷酸二氢钙的水平为0.75%，再添加中性耐温植酸酶500和1000HYU/kg分别为试验Ⅰ组和试验Ⅲ组，在调质、制粒温度85℃左右的条件下制作试验饲料，饲养27g大小的青鱼77d后，结果显示，试验Ⅱ组和Ⅳ组青鱼的增重率显著大于对照组（P＜0.05），饲料系数小于对照组，但差异不显著（P＞0.05）；当降低配合饲料中的磷酸二氢钙配比时，添加中性耐温植酸酶的试验Ⅰ组和Ⅲ组青鱼增重率大于对照组（P＞0.05）；添加中性耐温植酸酶各试验组青鱼对饲料干物质和磷的表观消化率均大于对照组。这些结果说明，饲料中添加中性耐温植酸酶500～1000HYU/Kg可有效促进青鱼的生长，提高青鱼对饲料的消化吸收。本试验结果还说明使用中性耐温植酸酶可使饲料磷酸二氢钙的用量降低0.75%而不影响青鱼的生长。

新华扬技术中心2009年研究表明，以初始体重(31.45±4.68)g的草鱼为研究对象，在大豆粕、菜籽粕和棉粕为主要蛋白源的饲料中，用同一水平（500U/kg）的中性植酸酶梯度替代基础饲料中2.0%的磷酸二氢钙，替代水平分别为25%(P25)、50%(P50)和75%(P75)，研究草鱼生长、鱼体组成和血液生化指标的变化，以期获得中性植酸酶对磷酸二氢钙的适宜替代量。9周的试验结果显示，各替代组的增重率、特定生长率、饵料系数和成活率除P75外都与对照组无显著性差异(P＞0.05)。全鱼组成成分中粗蛋白含量，P25、P50与对照组相比无显著性差异(P＞0.05)，但有上升趋势；粗脂肪含量P25显著性低于对照组(P＜0.05)，P50与对照组无显著性差异(P＞0.05)。 血样分析显示，P25、P50和 P75的碱性磷酸酶、谷丙转氨酶和谷草转氨酶活性都显著性高于对照组(P＜0.05)，且P50最高；血磷、血钙含量与对照组相比有上升趋势，且替代组的血钙含量都显著性高于对照组(P＜0.05)。根据试验结果，饲料中加入500U/kg的中性植酸酶，磷酸二氢钙的添加量可减少0.5%～1%，即每吨饲料中加入0.2kg的中性植酸酶，可减少5～10kg的磷酸二氢钙。

同时，试验表明，日粮中添加植酸酶，可降低向水体中排放的磷含量10%～35%。

2.2 复合酶在减氮排放中的应用

随着养殖业集约化的发展，养殖业所产生的氮污染越来越严重，而且净化氮污染的难度大、费用高。因此，集约化养殖场附近粪养分往往过度承载，已经成为制约养殖业可持续发展的瓶颈。随粪尿排出的磷对环境的污染已成为全球性问题之一。解决氮的过量排泄，以尽量减少养分浪费、降低养殖业生态环境的破坏是养殖业所面临的重大课题。

万振环、呙于明（2009）研究表明，以对照组日粮、低氮日粮和低氮加酶日粮饲喂1日龄爱拔益加肉仔鸡，试验表明，低氮日粮导致雏禽生长性能显著下降，但添加酶制剂可改善其生产性能和综合生产指数，显著降低粪便中氮的排放量。

2.3 酶在污水处理中的应用

（1）卤醇脱卤酶对化学制剂、农药废水的处理

随着化工业的飞速发展，以及人们对化学制剂及农药的广泛使用和不正当的工业排废，有机卤化物污染土壤及水源的现象日趋普遍，其对环境及人类健康造成的危害也日趋严重。这类异生质卤化物往往自降解能力很差，同时许多该类化合物是疑似致癌或高诱变物质。传统的物理化学治理方法容易造成二次污染，因此，应用微生物降解有机卤化物已成为研究热点。国内外多个研究机构已经成功地筛选到多种可以降解有机卤化物的微生物菌株，其催化碳卤键断裂的机制各不相同，如以卤代烷烃脱卤酶和卤酸脱卤酶为代表的水解脱卤、还原脱卤酶通过还原反应脱卤、通过水合作用脱卤等，已有多篇综述报道。新近研究的卤醇脱卤酶具有不同于上述脱卤酶的反应机理，它们通过分子内亲和取代机制进行脱卤。

目前，国内对卤醇脱卤酶的研究还未见报道。后期，在借鉴国外对已有卤醇脱卤酶进行研究的同时，应用宏基因组技术进行新酶的挖掘也将是研究的热点。尽管目前对该类酶的研究还处于起步阶段，但毋庸置疑的是，卤醇脱卤酶必将在制备精细化工品与手性药品的绿色化学通路中扮演越来越重要的角色。

（2）过氧化物酶对酚类废水的处理

酚类化合物是常见的有毒有机污染物，含酚废水主要来自焦化厂、树脂厂、塑料厂、合成纤维厂、煤气厂、石油化工厂、绝缘材料厂等工业部门以及石油裂解制造乙烯、合成苯酚、聚酰胺纤维、合成染料、有机农药和酚醛树脂的生产过程，它是水体的重要污染物之一。含酚废水在我国水污染控制中被列为重点解决的有害废水之一，它的大量排放对水体、土壤造成严重的污染，进而危害人类的健康。因此，用酶的催化聚合作用来处理酚类及芳香胺类化合物的污染已经引起了国内外学者的普遍兴趣。由于过氧化物酶能催化H2O2氧化酚类、芳香胺类物质的聚合反应，具有反应条件温和、选择性高、催化效率高的优点。所以在含酚废水处理方面有着潜在的应用前景,近年来越来越引起人们的重视。

80年代中期，K1ibanov等人通过研究发现了辣根过氧化物酶能处理氯酚和苯胺，这类酶整个反应过程和以往的酶处理反应过程不同，先是酶反应，接着是化学反应，克服了酶反应中基质特异性的限制，用一种酶可以处理废水中多种含羟基的芳香族化合物。

利用过氧化物酶的催化氧化作用来处理酚类、芳香胺类、染料类废水的污染是近年来受到重视的新方法，降解的结果有效地降低了有毒有机污染物的含量，同时也降低了毒性，是一种很有潜力的废水处理方法；但有机合成通常是在高温、强酸、强碱、高离子强度、有机溶剂等环境中进行，在这些极端条件下酶稳定性差，易失活，同时过氧化物酶本身是水溶性的，而且反应后混入催化产物等物质使纯化困难，不能重复使用。因而使用固定化酶技术，必然会降低处理废水的成本，提高酶的使用效果，也必然会受到越来越多人的关注，在工业生产的各个方面具有极大的推广价值。

2.4 有机磷农药降解酶的应用

有机磷农药作为一类高效广谱的杀虫剂自上世纪40年代发明以来，已在全世界范围内大量生产并大面积使用。有机磷农药大大提高农作物的产量，是农业丰收的保证，为人类社会发展做出了重要的贡献。但随着有机磷农药长期和大范围的使用，越来越多的环境问题、人类健康问题、人类可持续发展问题日益凸显出来，已经引起社会的广泛关注。

为保护生态环境和人类健康，科研工作者们一直在寻找各种办法消除有机磷农药对环境的污染。传统的方法是采用化学法或焚烧、掩埋，而这些方法副作用大，往往造成环境的二次污染，且作用缓慢。随着科学技术的发展，大量研究表明土壤和水环境中的微生物可以分泌一种能水解磷酸酯键的酶--有机磷降解酶。有机磷降解酶又称磷酸三酯酶，可降解有机磷农药分子，破坏有机磷化合物分子和一些军用神经毒剂如沙林的磷酯键而使其脱毒。由于有机磷农药都有类似的结构，只是取代基不同，所以一种有机磷降解酶往往可以降解多种有机磷农药。

除降解有机磷农药外，有机磷农药降解酶还具有以下作用：

（1）环境污染监测。有机磷农药降解酶制剂可以水解广泛的有机磷化合物，释放出容易检测的硝基酚、氟化物或氢离子，快速、敏感、有选择性地直接检测有机磷化合物。

（2）有机磷污染物的脱毒。固定化有机磷农药降解酶制剂，制成的酶反应器已用于用于污水处理中，可以重复使用，而且避免极端条件下酶变性，用于土壤异位修复中可避免土壤吸附、失活以及水解蛋白的微生物降解。

（3）医疗中应用有机磷神经毒剂索曼(soman)、沙林(sarin)等都含有磷酸三酯键，而磷酸三酯键断裂后，很大程度上降低了有机磷的毒性，所以有机磷农药降解酶制剂可开发作为有机磷中毒的解毒剂或预防剂，以消除有机磷神经毒剂对人体的伤害。

3 结语

自然界中，微生物的生命力最为强大。

未来几十年，随着世界人口的增长，农业将经历具有重大意义的革新。毫无疑问，生物技术作为科学和技术在这场变革中将起到关键性的作用。酶制剂等生物技术的应用，将推动着畜牧业、饲料工业的无抗化、去污染化发展，推动着国民经济实现低碳、环保与可持续进步。

（略）