現代生物技術在動物營養(yǎng)中的應用研究進展

華夏風云 · 發(fā)表于 2008-8-15 10:00:51

生物技術是指用活的生物體（或生物體的物質）來改進產品，改良植物和動物，或為特殊用途而培養(yǎng)微生物的技術?，F代生物技術是在傳統(tǒng)生物技術基礎上發(fā)展起來的，以DNA重組技術的建立為標志，以現代生物學研究成果為基礎，以基因或基因組為核心，生物技術產業(yè)以基因產業(yè)為核心，并輻射到各個生物科技領域；利用生物特定功能通過現代生物技術的設計方法和手段，改變動物體內生理生化反應和物質代謝過程，運用飼料加工處理新技術和研制新型飼料添加劑產品等，為人類生產出所需的各種物質，包括糧食、醫(yī)藥、食品、化工原料、能源、金屬等各種產品。現代生物技術運用于畜牧業(yè)可以用來節(jié)省飼料，提高飼料利用率，提高環(huán)境質量，預防動物各種疾病，以達到動物生產的優(yōu)質、高產和高效，同時還可生產出一大批新型的營養(yǎng)品、保健品和添加劑。
1  發(fā)酵工程技術
發(fā)酵工程是將微生物學、生物化學和化學工程學的基本原理有機地結合起來，是一門利用微生物的生長和代謝活動來生產各種有用物質的工程技術。該技術可用于生產抗生素、維生素等常用藥物和人胰島素、乙肝疫苗、干擾素、透明質酸等新藥，用于微生物蛋白、氨基酸和一些食品添加劑（如檸檬酸、乳酸、天然色素等）的生產，用于生物固氮、微生物飼料的生產，可用微生物來凈化有毒的高分子化合物，消除有毒氣體和惡臭物質以及處理有機廢水、廢渣等等。利用發(fā)酵法或半合成法生產的維生素有VC、 VB2、VB12。VD以及β一胡蘿卜素等。
目前，微生物發(fā)酵生產及遺傳工程技術將合成特定氨基酸的基因克隆進入微生物細胞質粒中，從而借助某些微生物增殖生產等，生物技術已在用新菌種生產氨基酸過程中被應用，這些方法具有產量較高、生產周期短、成本低等優(yōu)點。Komatsubar等人在生產蘇氨酸的一些菌種以及在L一賴氨酸、L一蘇氨酸的生產中已成功地使用了基因傳導技術。隨著理想氨基酸模型的深入研究，將具有生產木同氨基酸的菌種或其基因按理想營養(yǎng)模式進行組裝，以期在體外或體內生產出滿足動物需求的新一代理想天然產品―――理想氨基酸復合制劑的研究開發(fā)，將會成為今后研制生產氨基酸的發(fā)展趨勢。日糧中添加氨基酸可以平衡氨基酸的比例，可以提高飼料蛋白質的利用效率，減少氮排出造成的環(huán)境污染，維生素可以提高動物機體營養(yǎng)物質的吸收代謝，維持動物生命和正常生長，在動物飼料中添加高劑量的某些維生素，可以增進動物免疫應答能力，提高抗病毒、抗腫瘤和抗應激能力，提高畜產品品質。
2  動物生物技術
基因工程技術為胚胎工程技術的發(fā)展提供了新的手段，可大大提高家畜良種的繁育和推廣。將外源基因導人動物的基因組并獲得表達，由此產生的動物稱為轉基因動物，如目前已有轉基因魚、雞、牛、馬、羊等各種動物成功的報道。
1997年，美國首先采用大腸桿菌生產出了人類第一個基因工程藥物―――人生長激素、人心鈉素、人干擾素、腫瘤壞死因子、集落刺激因子等，我國也開發(fā)了乙肝疫苗、白細胞介素一2．表皮生長因子和人胸腺素等基因工程藥物。利用DNA重組技術在微生物中表達外源蛋白技術雖已成熟，但該系統(tǒng)不能進行真核蛋白的加工，可以利用轉基因動物生產人類所需要的藥用蛋白。利用生物技術還可生產人畜使用的疫苗（如乙肝疫苗）的生產。這種疫苗不用滅活的病毒作接種，基因工程使我們應用微生物細胞，大量生產具有抗原性的病毒，將決定抗原性的遺傳信息插入到適當的微生物細胞，然后這種微生物細胞就可以生產免疫反應所需的抗原性物質。
現在許多不同的蛋白質可用DNA重組技術在細胞、酵母和組織培養(yǎng)下經大規(guī)模的表達而行生產。目前用牛a一S1酪蛋白基因指導異源基因表達的蛋白質有人尿激酶、人乳鐵蛋白（hLf）、牛凝乳酶原、人類胰島素促生長因子一1（IGF－l）、可用動物反應生產藥物蛋白質如人血紅蛋白、a，1－1胰蛋白酶抑制因子（AAT）、人抗凝血酶Ⅲ、人囊性纖維跨膜電導調節(jié)因子（CFTR）、人乳鐵蛋白和人C蛋白等。Genpharm  Internationd用酪蛋白啟動子和人乳鐵蛋白（hLf）cD――NA構建了轉移基因，1990年得到世界上第一頭未表達的轉基因公牛  Herman，轉基因公牛  Herman與非轉基因母牛交配，產生了轉基因后代。在1995年底和1996年，這些母牛開始泌乳，乳中含有人乳鐵蛋白，后來又培育出促紅細胞生成素的轉基因牛。乳鐵蛋白能促進幼畜對鐵的吸收，提高免疫力，紅細胞生成素能促進紅細胞生產，對腫瘤化療等細胞減少癥有積極療效。美國DNX生物技術公司用豬β一珠蛋白啟動子與人血紅蛋白基因融合后得到轉基因豬，在豬血液中表達產生人血紅蛋白，它不含AIDS和肝炎病毒，可用來給病人輸血。英國pharmaceutical  pritein公司用羊β一乳球蛋白啟動子與人 a， l－ l抗胰蛋白酶基因融合，得到綿羊奶中表達的一種糖蛋白（ATT），ATT可用于治療人的組織纖維化和肺氣腫。Ward等研究了綿羊瘤胃上皮對絲氨酸乙酸轉移酶和O一乙酸絲氨酸硫化氫酶的轉基因表達，得到的轉基因羊胃上皮細胞能利用胃中的硫化氫合成半胱氨酸。
3  單細胞蛋白（SCP）的生產
   SCP是指利用各種基質大規(guī)模培養(yǎng)細菌、酵母菌、霉菌。微藻、光合細菌等而獲得的微生物蛋白，是現代飼料工業(yè)和食品工業(yè)中重要的蛋白來源。SCP營養(yǎng)豐富，蛋白質含量高，可達80％，所含氨基酸組分齊全平衡，且有多種維生素，消化利用率高（一般高于80％），其最大特點是原料來源廣，微生物繁殖快，成本低，效益高。細胞和酵母利用甲醇、乙醇、甲烷和多鏈烷烴生產單細胞蛋白；利用廢物中的許多物質轉化為SCP，如稻秸、蔗渣、檸檬酸廢料、果核、糖漿、動物糞便和污物等；以淀粉副產物的混合物為原料，通過固態(tài)發(fā)酵法生產單細胞蛋白，原料配比對酵母菌的生長有影響。固態(tài)發(fā)酵的最佳工藝條件為：溫度30℃，水分60％，接種量15％，混合物的粗蛋白含量提高了8％－10％。利用藻類（如小球藻、藍藻）生產SCP。生產SCP的微生物有酵母、非病原性細胞，放線菌和真菌及藻類等，其中飼用酵母和藻類蛋白發(fā)展最快。生產SCP的主要原料有造紙工業(yè)的紙漿廢液、制糖業(yè)的精蜜及廢棄物、釀酒業(yè)的浮類及廢棄物等，利用各種植物秸稈、殼類、糖渣類、木屑等農村廢棄物中的纖維素生產 SCP，  SCP飼料其菌體蛋白含量可達 40％－80％，若加入限制性氨基酸蛋氨酸后可達90％以上。且各種氨基酸、維生素含量豐富。每千克SCP可使母牛產奶量增加 6－ 7kg，用含 10％ SCP的飼料喂蛋雞，產蛋量增高 21％－35％，It SCP可節(jié)約飼糧5－7t。
4  新型飼料添加劑的生產
4．1  新型甜味劑
目前用作飼料添加劑的低聚糖主要有異麥芽低聚糖、半乳聚糖、甘露寡糖、低聚葡萄糖、半乳蔗糖、大豆低聚糖、低聚果糖。與益生素相對應的產品稱為促生素（prebiotics），它為消化道已有的有益細菌直接提供可發(fā)酵底物，促進有益微生物的大量增殖、調節(jié)消化道微生物生態(tài)平衡。這類產品分兩類：一類是促進有益細菌生長的低聚果糖，另一類是促進免疫反應的低聚甘露糖。卵黃抗體通過免疫反應阻止病原性大腸桿菌在小腸粘膜上的粘著，從而預防和治療仔豬的下痢。已商品化應用的二肽甜味劑有阿斯巴甜（aspartame）和阿力甜（alitame）。阿斯巴甜通過生物技術合成，它是一種H肽，其甜度為蔗糖的180－200倍，阿力甜的甜度是蔗糖的200倍。最甜的是在阿斯巴甜基礎上合成的一種稱為樂甜（neotame）的二肽甜味劑，其甜度可達蔗糖的11 000倍。甜味劑能增進雛雞的食欲，初生雛雞飲用一定濃度的糖水可提高初生雛雞的成活率，并可提高應激狀態(tài)下雞的采食量，改善適口性。
4.2 酶制劑
酶制劑是從動、植物和微生物中提取制備的具有酶傳注的高效生物活性物質，通常與少量載體混合而制成粉劑。應用生物技術生產的酶有：蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶、乳糖酶、植酸酶、非淀粉多糖酶、果膠酶等。大多數酶來自真菌類，但最近的基因編碼已將不同的酶如β一葡聚糖酶、水聚糖酶和植酸酶進行克隆。
飼用酶制劑能夠直接分解底物，供給機體營養(yǎng)物質；刺激內源性消化酶的分泌，水解植物細胞壁使細胞內營養(yǎng)物質釋放出；破壞飼料中的可溶性非淀粉多糖，降低腸道內容物的粘度，增加養(yǎng)分的消化吸收；參與動物內分泌調節(jié)，促進合成代謝。
植酸酶是一種水解植酸的磷酸酶類，它能將植物磷降解為肌醇和無機磷酸，飼料中添加植酸酶，可使飼料中磷的利用率提高60％，糞便中磷的排出量減少40％，有利于單胃動物對礦物質和氨基酸的吸收利用。β一葡聚糖酶、戊聚糖酶添加于以大麥、小麥。黑麥、燕麥和次粉為主的飼糧中，能分解飼糧中的抗營養(yǎng)因子葡聚糖和戊聚糖，提高養(yǎng)分消化利用，改善
了非淀粉多糖的消化率，降低了肉仔雞和仔豬腸道內的粘性。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。
粗飼料在結構上主要是由植物細胞壁組成，細胞壁的基本成分是纖維素、半纖維素和木質素，纖維素及半纖維素可以通過瘤胃微生物的作用被反芻動物消化利用。影響纖維營養(yǎng)價值的因素主要有兩點：消化道的纖維消化程度（消化率）和癌胃纖維消化率。通過增加微生物對木質素的水解和飼喂前對飼料進行預處理或經育種改變細胞壁結構能提高纖維消化率。纖維素是由葡萄糖β－1．4鍵結合成的長鏈高分子化合物，其中的木糖較其它組分難降解。處理秸稈所選用酶制劑有纖維素、半纖維素分解酶、果膠酶，甚至還有淀粉酶、蛋白酶、糖化酶等酶，能把飼料中大分子的纖維素、半纖維素等分解成易消化吸收的小分子物質，從而提高飼料利用率，改善飼料品質。纖維素分解酶能把廢棄的高纖維素類物質分解為易被家畜消化吸收的低分子化合物和葡萄糖。飼用酶制劑可提高家禽對營養(yǎng)物質的消化吸收、改善斷奶仔豬的增重，提高奶牛產奶量，幫助幼年反芻動物消化吸收營養(yǎng)物質，促進生長。對梅花鹿，在日糧中添加酶制劑，可提高鹿茸產量，增加鹿茸中有效成分含量。王安等人在飼糧中添加纖維素復合酶，可使瘤胃中玉米秸稈的子物質、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、木質素、維素。半纖維素的消失率分別提高為：15．18％、14.27％。7.08％、 11．26％、 7. 04％和 28．58％。尹長安等用纖維素酶對玉米秸稈的全株及葉莖進行分解研究發(fā)現，葡萄糖含量明顯增高，對秸稈、粗纖維素分解效果顯著，可使飼養(yǎng)奶牛產奶量提高、飼料利用率提高。
4.3  小肽
肽作為動物消化道蛋白質的主要酶解產物，是迅速吸收的氨基酸供體，其在小腸粘膜的吸收速度要高于相應氨基酸的吸收速度。同時釋放的許多肽具有活性作用，參與機體的生命活動，起著調節(jié)動物體消化系統(tǒng)、神經系統(tǒng)、內分泌、免疫機能的生物活性作用。
抗菌肽不僅存在于昆蟲體內，從細菌到哺乳動物普遍存在這一類防御。生多肽，因而被稱為“第二防御體系”或“第二免疫系統(tǒng)”。抗菌肽不僅對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌有效，其對大腸桿菌、金黃葡萄球菌、白色念珠菌、綠膿桿菌等100多種致病菌和非致病菌都有明顯的殺傷作用，尤其對耐藥菌株有顯著效果，抗菌肽還可以對真菌、原蟲和病毒的增殖有一定的抑制作用。具有免疫活性的內源性肽包括干擾素和白細胞介素，二者都可以激活和調節(jié)免疫應答的中心。
5  利用生物技術降解秸稈木質素
水質素與纖維素間形成的堅固酯鍵，阻礙了瘤胃微生物纖維素的降解。英國ASTON大學研究人員從秸稈堆中分離出一種白腐真菌，只降解木質素、不降低纖維素，用白腐真菌發(fā)酵切碎的麥秸，5－6周后，蛋白質含量不僅得到提高，而且秸稈的體外消失率從19．63％提高到41．13％。在適宜條件下，白腐真菌的菌絲首先用其分泌的超纖維氧化酶溶解表面的蠟質，
然后菌絲進入秸稈內部并產生纖維素酶、半纖維素酶、內切聚糖酶、外切聚糖酶進行降解水質素和纖維素，使其成為含有酶的糖類，從而使秸稈飼料變得香甜可口，易于消化吸收。
6  益生素的利用
益生素又稱益菌劑，是將微生物菌體或其相應物質直接飼喂動物，參與動物胃腸道微生物群的生態(tài)平衡及維護胃腸道的正常功能，從而達到動物保健及提高生產性能的目的。益生素的主要菌種有乳酸桿菌。雙歧桿菌、糞鏈球菌。酵母菌、枯草桿菌等。益生素能夠產生乳酸、過氧化氫等抑制、殺滅病原微生物的物質；能夠抑制、排除消化道內有害菌，增加有益微生物的數量；產生各種消化酶及合成微生物，從而提高飼料的轉化率；提高動物抗體水平和巨嗜細胞的活性，增強機體免疫功能；間接促進生長和提高飼料利用率的作用。肖振擇等用抗生素作對照，研究了產酸型活菌制劑對仔豬。肉仔雞和產蛋雞的效果，與對照組相比，到60日齡時仔豬平均增重提高14 3％，肉料比46％，對腹瀉的治愈率達98．62％，產蛋率提高4．38％，死亡率降低3．81％，肉仔雞生長速度提高5．35％洞料消耗降低5．34％。
光合細菌是一類能進行光合作用的細菌統(tǒng)稱，以低級脂肪酸、氨、氮為營養(yǎng)進行不產氧的光合作用而合成身營養(yǎng)物質。光合細菌菌體含60％以上的蛋白質，并富含多種維生素，特別是VB12、葉酸、生物素的含量是酵母的幾千倍，含有抗病毒物質和生長促進因子，因此，用它作飼料添加劑能促進畜禽生長、增強動物抗病能力，并且光合細菌有特異分化構成的光合成分，并含葉綠素和胡蘿卜素，能有效改善蛋殼、蛋黃等的色澤。光合細菌制劑能明顯改善肉質，降低飼養(yǎng)成本，凈化周圍環(huán)境。據報道，每雞每日喂光合細菌菌液2ml飲水，8周中，產蛋率比對照組提高9．12％，破蛋率降低1％，平均蛋重提高0．47g，產蛋量提高15％－17％，飼料轉化率提高12．2％，死亡率降低3．49％，并且蛋殼和蛋黃色澤顯著優(yōu)于對照組。用加入4％、6％、8％光合細菌液的水分別每日給雛雞自由飲水，在24d的試驗期內成活率分別提高5．92％、8．49％、9．61％。肉雞日糧中分別添加光合細菌菌液1ml／kg、
3ml／kg，在56d的試驗期內，增重比對照組分別提高14.97％和16．4％。仔豬飼料中每日每頭添加光合細菌菌液25－30ml，連續(xù)飼喂30一40d，比對照組平均增重提高  13.2％。
7  運用生物技術處理飼料中有毒有害物質
運用生物技術脫毒是一種有發(fā)展前景的方法。Cegler篩選比較了真菌、細菌酵母消除黃曲霉毒素的能力，發(fā)現了橙色桿菌能在體外消除黃曲霉素。＊e仇k認為酵母細胞壁能吸收毒素和致病細菌。Devegonda等的試驗證實，啤酒酵母培養(yǎng)物添加到含有黃曲霉毒素的日糧中可使雞的體重、飼料利用率、抗新城疫的血凝抑滴度提高，死亡率下降，法氏囊相對比重提高。體外試驗發(fā)現，有88％的毒素被降解。Rajll等模擬肉雞消化道理化環(huán)境，將從酵母培養(yǎng)物中提取具有抗原活性的物質和黃曲霉毒素飼料在pH二6．5，溫度為37t條件下，溫育3h，發(fā)現提取物對黃曲霉毒素。玉米赤霉烯酮和儲曲霉毒素結合率分別為82 5％。sl．  6％和  26  4％。
運用物理的或化學的辦法可降低棉籽餅粕和菜籽餅粕中的棉酸和硫葡萄糖貳分解物的含量。然而利用微生物發(fā)酵技術，可使棉酚含量下降至飼用水平。李延云等篩選出脫毒率達引％的菌種，使棉籽餅的飼用價值得到明顯的提高。楊景芝等培養(yǎng)出的B菌，使棉酚脫毒率為60％左右，使可溶性蛋白含量提高3－11倍。另外，國內已有多家成功的利用微生物單菌或多菌發(fā)酵工藝，使棉餅中游離酚含量降至0．04％以下，菜餅中異硫氰酸酯、（口惡）唑烷硫酮含量降至0．045％以下，這些技術已在實用中取得了較好的效果。
飼料中的抗營養(yǎng)因于、毒物等廣泛存在于各種飼料原料，直接或間接影響飼料營養(yǎng)物質的消化、吸收及代謝，降低飼料的營養(yǎng)價值及可利用性。由于生物技術在消除飼料中的抗營養(yǎng)因子、毒素以及在畜禽代謝過程中產生的有害物質等方面起著越來越重要的作用。應用生物技術進行排除或抑制飼料中抗營養(yǎng)因子以及在畜禽代謝過程中產生的有害產物具有下列優(yōu)點：①處理效率高，尤其是酶技術應用的處理效率很高、成本低；②沒有殘留，應用比較安全；③與物理化學方法比較，生物技術處理對飼料營養(yǎng)成分的破壞和影響較少。
8  營養(yǎng)與基因表達調控
飼料中某些營養(yǎng)成分對動物某些基因表達有調控作用。日糧中的營養(yǎng)物質，可以通過各種途徑來調控基因的表達，影響動物機體的代謝過程，最終影響動物的生長。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）活性主要存在于肝、腎皮質、脂肪組織、空腸和乳腺，是肝和腎中糖異生的關鍵酶。當動物進食含大量糖類的飼料時，肝中PEPCK水平大幅度下降，禁食或飼以高蛋白低糖糧時，則可使其水平提高。胰高血糖素、甲狀腺激素、糖皮質激素、視黃酸可誘導該基因的轉錄，而胰島素則抑制基因轉錄。碳水化合物可以通過體內胰島素介導脂肪酸合成酶基因的表達，葡萄糖能顯著影響脂肪酸合成酶基因的表達，飼喂大鼠高碳水化合物（無脂）日糧補加少量長鏈不飽和脂肪酸（PUFA）（2－30g／kg）能明顯降低脂肪合成能力及脂肪合成酶活力，相反，單不飽和脂肪酸則沒有這種能力。蛋白質影響許多基因的表達，神經肽Y（NPY）可以刺激采食，注入NPY可導致飲食過度和體內脂肪沉積。禁食或限食可導致室房核NPY水平上升，同時NPY基因在下丘腦的表達也上升。對肝細胞及肝衍生細胞，從培養(yǎng)基中去除組氨酸可降低鼠肝細胞的清蛋白mR－NA的表達及蛋白質的合成。
某些礦物質元素、維生素等均可調控某些基因的表達，如銅含量降低，白介素一2基因mRNA量降低，鼠腎上腺中的多巴胺β一單氧化酶基（DBM）mRNA及酶活性提高，但去甲腎上腺素的量卻下降。飼料中鋅缺乏，鼠腦中金屬硫蛋白基因表達降低；維生素，如維生素D和維生素A，對基因的表達有重要作用。維生素A可以調節(jié)幾種蛋白質的表達，這些蛋白質包
括生長激素和磷酸甘油脫氫酶。后者是脂肪合成的一種關鍵酶（Clarke’等，1992）。維生素C缺乏則降低豚鼠血管基底膜中膠原蛋白IV型的表達及平滑肌中Elastin基因的表達。
9  展望
現代生物技術在動物營養(yǎng)中的應用還處于初級階段，隨著對動物營養(yǎng)和功能的深層了解及物質合成技術的完善，將可以通過生物技術生產甚至仿生促進飼料生產業(yè)的發(fā)展?，F代生物技術與傳統(tǒng)的營養(yǎng)研究方法相結合研究營養(yǎng)物質分子作用機制，將是未來營養(yǎng)研究的重要領域，必將為畜牧業(yè)高效、持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展開辟新的廣闊前景。

zspzfy · 發(fā)表于 2008-9-27 11:33:37

很好，文筆水平很高@@004: