Research progress on catalytic synergistic effects in feed multi enzyme complexes

doi:10.16178/j.issn.0528-9017.20240994

Abstract

Abstract:

Most of the feed ingredients are plant-based, which are rich in nutrients such as protein and carbohydrates, as well as a small amount of anti-nutritional factors that affect the nutritional value of the feed, which can hinder the normal performance of livestock and poultry production. Enzyme preparations are efficient green feed additives with functions of aiding digestion, promoting growth, maintaining health, and improving quality and efficiency. Exogenous addition of enzyme preparations can compensate for insufficient endogenous enzyme secretion in livestock and poultry, eliminate anti nutritional components in feed, and reduce the cost of non-point source pollution control. How to maximize the economic and efficient feed utilization value of enzyme preparations in precision feed formulations has become the core of "breeding efficiency and environmental stress reduction" in animal husbandry and the research hotspot in animal husbandry circles. In this paper, the classification of synergistic effects of enzyme preparations, the main anti-nutrient components of typical livestock and poultry feed, and the research progress of synergistic effects of enzyme preparations with their target substrates were reviewed, and the principles of development and application of enzyme preparations were put forward in order to provide reference for the development and application of efficient and economical enzyme preparations.

Key words: enzyme preparations, livestock and poultry feed, main enzyme, coenzyme, synergistic effect

CLC Number:

S816

LIU Haijun. Research progress on catalytic synergistic effects in feed multi enzyme complexes[J]. Journal of Zhejiang Agricultural Sciences, 2025, 66(5): 1263-1270.

Figures/Tables 2

References 57

[1]	朱青青. 新型蛋白酶在仔猪豆粕和菜籽粕饲粮中的应用效果研究[D]. 雅安: 四川农业大学, 2023.
[2]	刘胜军, 王帅杰, 张成杰, 等. 复合酶制剂在肉鸡低蛋白日粮中的应用研究[J]. 饲料研究, 2023, 46(11): 40-46.
[3]	侯茗馨. 酶制剂及其在畜禽生产中的应用[J]. 中国畜禽种业, 2022, 18(11): 21-23.
[4]	冯定远. 饲料“配合酶”的原理及其与复合酶和组合酶的关系: 动物营养研究进展论文集[C]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2012.
[5]	冯定远. 饲料酶中的主效酶与辅效酶[J]. 饲料工业, 2019, 40(17): 1-11.
[6]	WANG J P, QUIRK A, LIPKOWSKI J, et al. Real-time observation of the swelling and hydrolysis of a single crystalline cellulose fiber catalyzed by cellulase 7B from Trichoderma reesei[J]. Langmuir, 2012, 28(25): 9664-9672.
[7]	GOURLAY K, HU J G, ARANTES V, et al. The use of carbohydrate binding modules (CBMs) to monitor changes in fragmentation and cellulose fiber surface morphology during cellulase and swollenin-induced deconstruction of lignocellulosic substrates[J]. Journal of Biological Chemistry, 2015, 290(5): 2938-2945.
[8]	袁茂翼, 叶发银, 雷琳, 等. 纤维二糖水解酶的研究进展[J]. 食品与发酵工业, 2017, 43(10): 248-255.
[9]	BEYENE D, CHAE M, DAI J, et al. Characterization of cellulase-treated fibers and resulting cellulose nanocrystals generated through acid hydrolysis[J]. Materials, 2018, 11(8): 1272.
[10]	WU S S, WU S F. Processivity and the mechanisms of processive endoglucanases[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2020, 190(2): 448-463.
[11]	邬敏辰, 秦芳. 蛋白酶对脂肪酶活性影响的研究[J]. 河北轻化工学院学报, 1997, 18(1):61-64.
[12]	林清霞, 李品周, 施巧琴. 脂肪酶合成过程中蛋白酶抑制剂及分子筛的研究:2006中国微生物学会第九次全国会员代表大会暨学术年会论文摘要集[C]. 武汉: 中国微生物学会出版, 2006.
[13]	蒋正宇. 外源α-淀粉酶对肉鸡消化器官发育、内源酶活性的影响及后续效应的研究[D]. 南京: 南京农业大学, 2006.
[14]	KNUDSEN K E B. Fiber and nonstarch polysaccharide content and variation in common crops used in broiler diets 1[J]. Poultry Science, 2014, 93(9): 2380-2393.
[15]	王林林, 陈培钦, 罗云, 等. 阿魏酸酯酶酶化发酵饲料品质的研究及对肉鸡生产性能的影响[J]. 动物营养学报, 2015, 27(5): 1540-1548.
[16]	LI C Y, CAO H, WU W, et al. Expression and characterization of α-L-arabinofuranosidase derived from Aspergillus awamori and its enzymatic degradation of corn byproducts with xylanase[J]. Bioresource Technology, 2023, 384: 129278.
[17]	LI T G, WU Y R, HE J Z. Heterologous expression, characterization and application of a new β-xylosidase identified in solventogenic Clostridium sp. strain BOH3[J]. Process Biochemistry, 2018, 67: 99-104.
[18]	SHI P J, LI N, YANG P L, et al. Gene cloning, expression, and characterization of a family 51 alpha-L-arabinofuranosidase from Streptomyces sp. S9[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2010, 162(3): 707-718.
[19]	ZHANG J H, SIIKA-AHO M, TENKANEN M, et al. The role of acetyl xylan esterase in the solubilization of xylan and enzymatic hydrolysis of wheat straw and giant reed[J]. Biotechnology for Biofuels, 2011, 4(1): 60.
[20]	伏晓丽. 木聚糖酶和纤维素酶多酶复合体的构建及其降解纤维素效果研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2018.
[21]	王虹玲. 新型多功能酶的固定化及协同作用降解木质纤维素和提高茶品质的机理研究[D]. 沈阳: 沈阳农业大学, 2023.
[22]	李雅林, 刘吉芸, 武文洁, 等. 脂肪酶、蛋白酶与糖化酶协同脱脂研究[J]. 皮革科学与工程, 2020, 30(4): 37-44.
[23]	宋士良, 陆克文. 大豆酶解蛋白复合酶组合试验研究[J]. 粮食与饲料工业, 2021(6): 47-52.
[24]	高理想. 猪饲粮非淀粉多糖酶谱仿生优化方法的研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2016.
[25]	张帝, 魏祥法, 刘雪兰, 等. 不同复合酶制剂对817肉鸡生长性能、血液生化指标和消化道酶活的影响[J]. 家禽科学, 2024(5): 1-6.
[26]	KIM M, INGALE S L, HOSSEINDOUST A, et al. Synergistic effect of exogenous multi-enzyme and phytase on growth performance, nutrients digestibility, blood metabolites, intestinal microflora and morphology in broilers fed corn-wheat-soybean meal diets[J]. Animal Bioscience, 2021, 34(8): 1365-1374.
[27]	李兆勇, 杨在宾, 李富伟, 等. 酶制剂在仔猪玉米-豆粕型饲粮中的应用[J]. 饲料工业, 2007, 28(14): 15-17.
[28]	高崇敏, 文裕, 易显凤, 等. 不同纤维源饲粮对育肥猪肠道微生物菌群的影响[J]. 饲料研究, 2022, 45(8): 27-31.
[29]	郁冯艳, 付佳伟, 从光雷, 等. 非淀粉多糖在家禽生产中的应用研究进展[J]. 现代畜牧兽医, 2023(10): 86-91.
[30]	CAPRITA R, CAPRITA A, JULEAN C. Biochemical aspects of non-starch polysaccharides[J]. Lucrari stiintifice Zootehnie si Biotehnologii, 2010.
[31]	腾敏, 王玉, 孟勇, 等. 不同类型畜禽饲粮复合酶研究进展[J]. 中国饲料, 2023(22): 363-370.
[32]	黄燕华, 冯定远. 不同来源纤维素酶体外消化高纤维饲料的比较试验:中国畜牧兽医学会动物营养学分会:第九届学术研讨会论文集[C]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2004.
[33]	易兰兰, 朱俊红, 程文杰, 等. 植物纤维的降解机制及菌酶协同发酵应用[J]. 动物营养学报, 2024, 36(3): 1361-1374.
[34]	马文锋, 毛培, 刘芦鹏, 等. 木聚糖酶和果胶酶对小麦-玉米-豆粕型日粮的体外酶解研究[J]. 家畜生态学报, 2020, 41(6): 41-45.
[35]	孙臻绪. 天然可纺甘蔗纤维的制备与性能研究[D]. 大连: 大连工业大学, 2013.
[36]	周天骄, 谯仕彦, 马曦, 等. 大豆饲料产品中主要抗营养因子含量的检测与分析[J]. 动物营养学报, 2015, 27(1): 221-229.
[37]	刘海军. 大豆蛋白致仔猪肠道过敏反应作用及检测技术研究[D]. 南京: 南京农业大学, 2011.
[38]	周钇灵. 酶解协同益生菌发酵消减豆粕抗营养因子及其品质评估[D]. 南昌: 南昌大学, 2024.
[39]	孟成明, 刘子昱, 慕春龙, 等. 饲粮中添加蛋白酶对猪生长性能、营养物质消化率和血清生化指标影响的Meta分析[J]. 饲料工业, 2024, 45(4): 30-37.
[40]	邵兵, 阎佩佩, 梁永利, 等. 饲料总磷和大剂量植酸酶对小型白羽肉鸡生长性能和理化指标的影响[J]. 山东农业科学, 2025, 27(3): 173-180.
[41]	谢秀云, 韩景华, 刘保, 等. 日粮添加植酸酶对猪生长性能、养分消化及气体排放的影响[J]. 饲料工业, 2024, 45(15): 64-69.
[42]	黄俊毅. 养殖业怎样实现豆粕减量替代[N]. 经济日报,2024-09-10(6).
[43]	喻方勇, 徐晓锋. 畜禽日粮豆粕减量替代研究进展[J]. 中国奶牛, 2024(4): 5-9.
[44]	文露华, 万文根, 夏骏, 等. 豆粕减量替代技术现状与分析[J]. 江西畜牧兽医杂志, 2023(6): 31-35.
[45]	高峰, 徐鹏. 家禽日粮豆粕减量替代技术研究进展[J]. 饲料工业, 2023, 44(20): 1-6.
[46]	周贤文. 不同处理的玉米胚芽粕对生长猪饲用效果的研究[D]. 长春: 吉林农业大学, 2014.
[47]	杨元森, 邱彬航, 张爽, 等. 杂粕的营养成分、饲用限制因素及其提质增效技术研究进展[J]. 饲料工业, 2023, 44(5): 25-32.
[48]	张亨. 饲料杂粕抗营养因子降解酶挖掘及分子改良[D]. 北京: 中国农业科学院, 2022.
[49]	BAGHBAN-KANANI P, HOSSEINTABAR-GHASEMABAD B, AZIMI-YOUVALARI S, et al. Effect of different levels of sunflower meal and multi-enzyme complex on performance, biochemical parameters and antioxidant status of laying hens[J]. South African Journal of Animal Science, 2018, 48(2): 390.
[50]	ZHOU H, WU Y, SUN X, et al. Effects of exogenous α-(1, 4)-amylase on the utilisation of corn starch and glucose metabolism in broiler chickens[J]. Animal, 2021, 15(11): 100396.
[51]	王玉, 腾敏, 孟勇, 等. 酶制剂在稻谷及其加工副产物饲粮中的应用[J]. 中国饲料, 2024(9): 143-149.
[52]	许丽蓉, 汤余欢, 蒋桂韬, 等. 稻谷及其加工副产品在家禽饲粮中的应用[J]. 饲料工业, 2023, 44(4): 12-16.
[53]	张变英, 王芳. 小麦的饲用价值及小麦替代玉米在饲料中的应用前景[J]. 中国畜牧兽医文摘, 2015, 31(2): 196-198.
[54]	周传凤, 薛梅, 张廷荣, 等. 肉鸡小麦-豆粕型饲粮添加复合酶制剂对内源消化酶活性和养分利用率的影响[J]. 动物营养学报, 2020, 32(10): 4881-4894.
[55]	LEI Z, SHAO Y X, YIN X N, et al. Combination of xylanase and debranching enzymes specific to wheat arabinoxylan improve the growth performance and gut health of broilers[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2016, 64(24): 4932-4942.
[56]	乔子文, 张克英, 张扬, 等. 复合酶制剂对肉鸭稻谷表观代谢能和标准回肠氨基酸消化率的影响[J]. 动物营养学报, 2023, 35(8): 5142-5151.
[57]	丁立人, 孙伟武, 纪婷婷, 等. 脱脂米糠日粮添加复合酶制剂和阿魏酸酯酶对生长猪养分消化率的影响[J]. 畜牧与兽医, 2022, 54(12): 31-35.

相互作用类别	作用机制	参考文献
协同作用	酶的协同效应是指2种或2种以上的单酶同时配合使用,相互影响、配合补充,以产生更强更优的底物催化效应。如纤维素酶、纤维二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶对植物纤维素降解的协同作用。其中纤维素酶首先对纤维素起到水解、溶胀、分子链断裂等作用,致其结构松散及微纤维暴露,并促进纤维二糖水解酶作用于纤维素链末端,依次切开相隔β-1,4-糖苷键,释放出纤维二糖,最后纤维二糖被β-葡萄糖苷酶水解为动物可利用的单糖葡萄糖	[6-10]
拮抗作用	酶的拮抗效应是指某外源添加的饲料酶会对其他外源添加饲料酶或内源消化酶的稳定性、活性等产生消极影响,从而影响底物催化总效果的作用。如由于多数酶类属于蛋白质,可对脂肪酶等起到水解作用,影响脂肪酶的稳定及活性。又如外源α-淀粉酶可显著下调肉鸡的胰淀粉酶mRNA表达量,从而抑制内源消化酶胰淀粉酶的活性	[11-13]

相互作用类别	作用机制	参考文献
协同作用	酶的协同效应是指2种或2种以上的单酶同时配合使用,相互影响、配合补充,以产生更强更优的底物催化效应。如纤维素酶、纤维二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶对植物纤维素降解的协同作用。其中纤维素酶首先对纤维素起到水解、溶胀、分子链断裂等作用,致其结构松散及微纤维暴露,并促进纤维二糖水解酶作用于纤维素链末端,依次切开相隔β-1,4-糖苷键,释放出纤维二糖,最后纤维二糖被β-葡萄糖苷酶水解为动物可利用的单糖葡萄糖	[6-10]
拮抗作用	酶的拮抗效应是指某外源添加的饲料酶会对其他外源添加饲料酶或内源消化酶的稳定性、活性等产生消极影响,从而影响底物催化总效果的作用。如由于多数酶类属于蛋白质,可对脂肪酶等起到水解作用,影响脂肪酶的稳定及活性。又如外源α-淀粉酶可显著下调肉鸡的胰淀粉酶mRNA表达量,从而抑制内源消化酶胰淀粉酶的活性	[11-13]

多酶配伍	作用对象	试验结果	参考文献
木聚糖酶、β-木糖苷酶	木聚糖	木聚糖酶、β-木糖苷酶同时应用,水解生成的还原糖较单独使用木聚糖酶生成的还原糖量提高了129.8%	[17]
木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶	小麦木聚糖、燕麦木聚糖	以小麦木聚糖、燕麦木聚糖为目标底物时,木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶共同水解时,其底物还原糖的生成量分别提高了1.21、1.19倍	[18]
木聚糖酶、乙酰木聚糖酯酶	小麦秸秆纤维素	乙酰木聚糖酯酶可通过消除底物的乙酰基团,使木聚糖主链进一步暴露,进而提升木聚糖酶对主链糖苷键的可及性	[19]
纤维素酶、木聚糖酶	微晶纤维素	采用基因重组技术将纤维素酶、木聚糖酶基因以脚手架蛋白的形式组装并在宿主菌内表达,最终形成纤维素多酶复合体,对纤维素的降解效果显著	[20]
新型双功能酶(木聚糖酶/阿魏酸酯酶)、纤维素酶	玉米秸秆木质素纤维	基于栖瘤胃普雷沃氏菌木聚糖酶/阿魏酸酯酶的功能域,成功构建了新型双功能酶。经玉米秸秆木质素水解试验发现,当新型双功能酶、纤维素酶按4∶6配合使用时,释放的还原糖量比纤维素酶单独使用时释放的还原糖量提高了65.0%,并且木聚糖、葡聚糖的转化率也显著提升	[21]
脂肪酶、蛋白酶与糖化酶	脂肪	体外试验发现,脂肪酶、蛋白酶与糖化酶配合使用时的催化脱脂率高于三者单独脱脂的催化脱脂率之和	[22]
中性蛋白酶、果胶酶、甘露寡糖酶、纤维素酶、木聚糖酶和β-葡聚糖酶	玉米-豆粕型日粮	相比于单一使用中性蛋白酶和非淀粉多糖(NSP)复合酶制剂(包括果胶酶、甘露寡糖酶、纤维素酶、木聚糖酶和β-葡聚糖酶),将它们配合使用时,其降低酶解豆粕NSP含量和增加水解肽含量的效果更为显著,增幅分别为20.51%、12.26%	[23]
果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、α-半乳糖苷酶和β-甘露聚糖酶	玉米-杂粕型日粮	果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、α-半乳糖苷酶和β-甘露聚糖酶的添加水平与玉米-杂粕(5%菜籽粕、5%棉籽粕、10%甜菜粕)型日粮的体外干物质消化率(IVDMD)呈线性关系;且优化后的6种酶复合体对杂粕型日粮的酶解协同作用均优于单一酶,其IVDMD的提高幅度为3.7%	[24]
脂肪酶、酸性蛋白酶、果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶和葡聚糖酶	玉米-杂粕型日粮	与无添加对照组比,在基础日粮添加酶制剂(脂肪酶、酸性蛋白酶、果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶和葡聚糖酶)后,可对肉鸡的体重和日增重产生明显的积极影响	[25]
淀粉酶、蛋白酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶和植酸酶	小麦型日粮	添加外源性酶混合物(淀粉酶、蛋白酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶)和植酸酶后,该组肉鸡的饲料转化率优于几种酶单独使用时饲料的转化率,并且肉鸡的肠道绒毛高度、隐窝深度以及绒隐比指标均优于基础日粮组和植酸酶组,此外,钙、磷血清浓度显著高于其他组	[26]

多酶配伍	作用对象	试验结果	参考文献
木聚糖酶、β-木糖苷酶	木聚糖	木聚糖酶、β-木糖苷酶同时应用,水解生成的还原糖较单独使用木聚糖酶生成的还原糖量提高了129.8%	[17]
木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶	小麦木聚糖、燕麦木聚糖	以小麦木聚糖、燕麦木聚糖为目标底物时,木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶共同水解时,其底物还原糖的生成量分别提高了1.21、1.19倍	[18]
木聚糖酶、乙酰木聚糖酯酶	小麦秸秆纤维素	乙酰木聚糖酯酶可通过消除底物的乙酰基团,使木聚糖主链进一步暴露,进而提升木聚糖酶对主链糖苷键的可及性	[19]
纤维素酶、木聚糖酶	微晶纤维素	采用基因重组技术将纤维素酶、木聚糖酶基因以脚手架蛋白的形式组装并在宿主菌内表达,最终形成纤维素多酶复合体,对纤维素的降解效果显著	[20]
新型双功能酶(木聚糖酶/阿魏酸酯酶)、纤维素酶	玉米秸秆木质素纤维	基于栖瘤胃普雷沃氏菌木聚糖酶/阿魏酸酯酶的功能域,成功构建了新型双功能酶。经玉米秸秆木质素水解试验发现,当新型双功能酶、纤维素酶按4∶6配合使用时,释放的还原糖量比纤维素酶单独使用时释放的还原糖量提高了65.0%,并且木聚糖、葡聚糖的转化率也显著提升	[21]
脂肪酶、蛋白酶与糖化酶	脂肪	体外试验发现,脂肪酶、蛋白酶与糖化酶配合使用时的催化脱脂率高于三者单独脱脂的催化脱脂率之和	[22]
中性蛋白酶、果胶酶、甘露寡糖酶、纤维素酶、木聚糖酶和β-葡聚糖酶	玉米-豆粕型日粮	相比于单一使用中性蛋白酶和非淀粉多糖(NSP)复合酶制剂(包括果胶酶、甘露寡糖酶、纤维素酶、木聚糖酶和β-葡聚糖酶),将它们配合使用时,其降低酶解豆粕NSP含量和增加水解肽含量的效果更为显著,增幅分别为20.51%、12.26%	[23]
果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、α-半乳糖苷酶和β-甘露聚糖酶	玉米-杂粕型日粮	果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、α-半乳糖苷酶和β-甘露聚糖酶的添加水平与玉米-杂粕(5%菜籽粕、5%棉籽粕、10%甜菜粕)型日粮的体外干物质消化率(IVDMD)呈线性关系;且优化后的6种酶复合体对杂粕型日粮的酶解协同作用均优于单一酶,其IVDMD的提高幅度为3.7%	[24]
脂肪酶、酸性蛋白酶、果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶和葡聚糖酶	玉米-杂粕型日粮	与无添加对照组比,在基础日粮添加酶制剂(脂肪酶、酸性蛋白酶、果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶和葡聚糖酶)后,可对肉鸡的体重和日增重产生明显的积极影响	[25]
淀粉酶、蛋白酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶和植酸酶	小麦型日粮	添加外源性酶混合物(淀粉酶、蛋白酶、甘露聚糖酶和木聚糖酶)和植酸酶后,该组肉鸡的饲料转化率优于几种酶单独使用时饲料的转化率,并且肉鸡的肠道绒毛高度、隐窝深度以及绒隐比指标均优于基础日粮组和植酸酶组,此外,钙、磷血清浓度显著高于其他组	[26]