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现代生物技术在动物营养中的应用研究进展

中国养殖网 2005-12-30 11:11:21 浏览:1428次 评论(0) 字号:【

    生物技术是指用活的生物体(或生物体的物质)来改进产品,改良植物和动物,或为特殊用途而培养微生物的技术。现代生物技术是在传统生物技术基础上发展起来的,以DNA重组技术的建立为标志,以现代生物学研究成果为基础,以基因或基因组为核心,生物技术产业以基因产业为核心,并辐射到各个生物科技领域;利用生物特定功能通过现代生物技术的设计方法和手段,改变动物体内生理生化反应和物质代谢过程,运用饲料加工处理新技术和研制新型饲料添加剂产品等,为人类生产出所需的各种物质,包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等各种产品。现代生物技术运用于畜牧业可以用来节省饲料,提高饲料利用率,提高环境质量,预防动物各种疾病,以达到动物生产的优质、高产和高效,同时还可生产出一大批新型的营养品、保健品和添加剂。


1  发酵工程技术

    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代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。该技术可用于生产抗生素、维生素等常用药物和人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素、透明质酸等新药,用于微生物蛋白、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,用于生物固氮、微生物饲料的生产,可用微生物来净化有毒的高分子化合物,消除有毒气体和恶臭物质以及处理有机废水、废渣等等。利用发酵法或半合成法生产的维生素有VC、 VB2、VB12。VD以及β一胡萝卜素等。

    目前,微生物发酵生产及遗传工程技术将合成特定氨基酸的基因克隆进入微生物细胞质粒中,从而借助某些微生物增殖生产等,生物技术已在用新菌种生产氨基酸过程中被应用,这些方法具有产量较高、生产周期短、成本低等优点。Komatsubar等人在生产苏氨酸的一些菌种以及在L一赖氨酸、L一苏氨酸的生产中已成功地使用了基因传导技术。随着理想氨基酸模型的深入研究,将具有生产木同氨基酸的菌种或其基因按理想营养模式进行组装,以期在体外或体内生产出满足动物需求的新一代理想天然产品―――理想氨基酸复合制剂的研究开发,将会成为今后研制生产氨基酸的发展趋势。日粮中添加氨基酸可以平衡氨基酸的比例,可以提高饲料蛋白质的利用效率,减少氮排出造成的环境污染,维生素可以提高动物机体营养物质的吸收代谢,维持动物生命和正常生长,在动物饲料中添加高剂量的某些维生素,可以增进动物免疫应答能力,提高抗病毒、抗肿瘤和抗应激能力,提高畜产品品质。

2  动物生物技术

    基因工程技术为胚胎工程技术的发展提供了新的手段,可大大提高家畜良种的繁育和推广。将外源基因导入动物的基因组并获得表达,由此产生的动物称为转基因动物,如目前已有转基因鱼、鸡、牛、马、羊等各种动物成功的报道。

    1997年,美国首先采用大肠杆菌生产出了人类第一个基因工程药物―――人生长激素、人心钠素、人干扰素、肿瘤坏死因子、集落刺激因子等,我国也开发了乙肝疫苗、白细胞介素一2.表皮生长因子和人胸腺素等基因工程药物。利用DNA重组技术在微生物中表达外源蛋白技术虽已成熟,但该系统不能进行真核蛋白的加工,可以利用转基因动物生产人类所需要的药用蛋白。利用生物技术还可生产人畜使用的疫苗(如乙肝疫苗)的生产。这种疫苗不用灭活的病毒作接种,基因工程使我们应用微生物细胞,大量生产具有抗原性的病毒,将决定抗原性的遗传信息插入到适当的微生物细胞,然后这种微生物细胞就可以生产免疫反应所需的抗原性物质。

   现在许多不同的蛋白质可用DNA重组技术在细胞、酵母和组织培养下经大规模的表达而行生产。目前用牛a一S1酪蛋白基因指导异源基因表达的蛋白质有人尿激酶、人乳铁蛋白(hLf)、牛凝乳酶原、人类胰岛素促生长因子一1(IGF-l)、可用动物反应生产药物蛋白质如人血红蛋白、a,1-1胰蛋白酶抑制因子(AAT)、人抗凝血酶Ⅲ、人囊性纤维跨膜电导调节因子(CFTR)、人乳铁蛋白和人C蛋白等。Genpharm  Internationd用酪蛋白启动子和人乳铁蛋白(hLf)cD――NA构建了转移基因,1990年得到世界上第一头未表达的转基因公牛  Herman,转基因公牛  Herman与非转基因母牛交配,产生了转基因后代。在1995年底和1996年,这些母牛开始泌乳,乳中含有人乳铁蛋白,后来又培育出促红细胞生成素的转基因牛。乳铁蛋白能促进幼畜对铁的吸收,提高免疫力,红细胞生成素能促进红细胞生产,对肿瘤化疗等细胞减少症有积极疗效。美国DNX生物技术公司用猪β一珠蛋白启动子与人血红蛋白基因融合后得到转基因猪,在猪血液中表达产生人血红蛋白,它不含AIDS和肝炎病毒,可用来给病人输血。英国pharmaceutical  pritein公司用羊β一乳球蛋白启动子与人 a, l- l抗胰蛋白酶基因融合,得到绵羊奶中表达的一种糖蛋白(ATT),ATT可用于治疗人的组织纤维化和肺气肿。Ward等研究了绵羊瘤胃上皮对丝氨酸乙酸转移酶和O一乙酸丝氨酸硫化氢酶的转基因表达,得到的转基因羊胃上皮细胞能利用胃中的硫化氢合成半胱氨酸。

3  单细胞蛋白(SCP)的生产

      SCP是指利用各种基质大规模培养细菌、酵母菌、霉菌。微藻、光合细菌等而获得的微生物蛋白,是现代饲料工业和食品工业中重要的蛋白来源。SCP营养丰富,蛋白质含量高,可达80%,所含氨基酸组分齐全平衡,且有多种维生素,消化利用率高(一般高于80%),其最大特点是原料来源广,微生物繁殖快,成本低,效益高。细胞和酵母利用甲醇、乙醇、甲烷和多链烷烃生产单细胞蛋白;利用废物中的许多物质转化为SCP,如稻秸、蔗渣、柠檬酸废料、果核、糖浆、动物粪便和污物等;以淀粉副产物的混合物为原料,通过固态发酵法生产单细胞蛋白,原料配比对酵母菌的生长有影响。固态发酵的最佳工艺条件为:温度30℃,水分60%,接种量15%,混合物的粗蛋白含量提高了8%-10%。利用藻类(如小球藻、蓝藻)生产SCP。生产SCP的微生物有酵母、非病原性细胞,放线菌和真菌及藻类等,其中饲用酵母和藻类蛋白发展最快。生产SCP的主要原料有造纸工业的纸浆废液、制糖业的精蜜及废弃物、酿酒业的浮类及废弃物等,利用各种植物秸秆、壳类、糖渣类、木屑等农村废弃物中的纤维素生产 SCP,  SCP饲料其菌体蛋白含量可达 40%-80%,若加入限制性氨基酸蛋氨酸后可达90%以上。且各种氨基酸、维生素含量丰富。每千克SCP可使母牛产奶量增加 6- 7kg,用含 10% SCP的饲料喂蛋鸡,产蛋量增高 21%-35%,It SCP可节约饲粮5-7t。

4  新型饲料添加剂的生产

4.1  新型甜味剂

    目前用作饲料添加剂的低聚糖主要有异麦芽低聚糖、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。与益生素相对应的产品称为益生元(prebiotics),它为消化道已有的有益细菌直接提供可发酵底物,促进有益微生物的大量增殖、调节消化道微生物生态平衡。这类产品分两类:一类是促进有益细菌生长的低聚果糖,另一类是促进免疫反应的低聚甘露糖。卵黄抗体通过免疫反应阻止病原性大肠杆菌在小肠粘膜上的粘着,从而预防和治疗仔猪的下痢。已商品化应用的二肽甜味剂有阿斯巴甜(aspartame)和阿力甜(alitame)。阿斯巴甜通过生物技术合成,它是一种H肽,其甜度为蔗糖的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础上合成的一种称为乐甜(neotame)的二肽甜味剂,其甜度可达蔗糖的11 000倍。甜味剂能增进雏鸡的食欲,初生雏鸡饮用一定浓度的糖水可提高初生雏鸡的成活率,并可提高应激状态下鸡的采食量,改善适口性。

4.2 酶制剂

    酶制剂是从动、植物和微生物中提取制备的具有酶传注的高效生物活性物质,通常与少量载体混合而制成粉剂。应用生物技术生产的酶有: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。大多数酶来自真菌类,但最近的基因编码已将不同的酶如β一葡聚糖酶、水聚糖酶和植酸酶进行克隆。

    饲用酶制剂能够直接分解底物,供给机体营养物质;刺激内源性消化酶的分泌,水解植物细胞壁使细胞内营养物质释放出;破坏饲料中的可溶性非淀粉多糖,降低肠道内容物的粘度,增加养分的消化吸收;参与动物内分泌调节,促进合成代谢。

    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60%,粪便中磷的排出量减少40%,有利于单胃动物对矿物质和氨基酸的吸收利用。β一葡聚糖酶、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)和癌胃纤维消化率。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子物质、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、木质素、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%。尹长安等用纤维素酶对玉米秸秆的全株及叶茎进行分解研究发现,葡萄糖含量明显增高,对秸秆、粗纤维素分解效果显著,可使饲养奶牛产奶量提高、饲料利用率提高。

4.3  小肽

    肽作为动物消化道蛋白质的主要酶解产物,是迅速吸收的氨基酸供体,其在小肠粘膜的吸收速度要高于相应氨基酸的吸收速度。同时释放的许多肽具有活性作用,参与机体的生命活动,起着调节动物体消化系统、神经系统、内分泌、免疫机能的生物活性作用。

    抗菌肽不仅存在于昆虫体内,从细菌到哺乳动物普遍存在这一类防御。生多肽,因而被称为“第二防御体系”或“第二免疫系统”。抗菌肽不仅对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌有效,其对大肠杆菌、金黄葡萄球菌、白色念珠菌、绿脓杆菌等100多种致病菌和非致病菌都有明显的杀伤作用,尤其对耐药菌株有显著效果,抗菌肽还可以对真菌、原虫和病毒的增殖有一定的抑制作用。具有免疫活性的内源性肽包括干扰素和白细胞介素,二者都可以激活和调节免疫应答的中心。

5  利用生物技术降解秸秆木质素

    水质素与纤维素间形成的坚固酯键,阻碍了瘤胃微生物纤维素的降解。英国ASTON大学研究人员从秸秆堆中分离出一种白腐真菌,只降解木质素、不降低纤维素,用白腐真菌发酵切碎的麦秸,5-6周后,蛋白质含量不仅得到提高,而且秸秆的体外消失率从19.63%提高到41.13%。在适宜条件下,白腐真菌的菌丝首先用其分泌的超纤维氧化酶溶解表面的蜡质,

然后菌丝进入秸秆内部并产生纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶、外切聚糖酶进行降解水质素和纤维素,使其成为含有酶的糖类,从而使秸秆饲料变得香甜可口,易于消化吸收。

6  益生素的利用

    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。肖振择等用抗生素作对照,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%洞料消耗降低5.34%。

    光合细菌是一类能进行光合作用的细菌统称,以低级脂肪酸、氨、氮为营养进行不产氧的光合作用而合成身营养物质。光合细菌菌体含60%以上的蛋白质,并富含多种维生素,特别是VB12、叶酸、生物素的含量是酵母的几千倍,含有抗病毒物质和生长促进因子,因此,用它作饲料添加剂能促进畜禽生长、增强动物抗病能力,并且光合细菌有特异分化构成的光合成分,并含叶绿素和胡萝卜素,能有效改善蛋壳、蛋黄等的泽。光合细菌制剂能明显改善肉质,降低饲养成本,净化周围环境。据报道,每鸡每日喂光合细菌菌液2ml饮水,8周中,产蛋率比对照组提高9.12%,破蛋率降低1%,平均蛋重提高0.47g,产蛋量提高15%-17%,饲料转化率提高12.2%,死亡率降低3.49%,并且蛋壳和蛋黄色泽显著优于对照组。用加入4%、6%、8%光合细菌液的水分别每日给雏鸡自由饮水,在24d的试验期内成活率分别提高5.92%、8.49%、9.61%。肉鸡日粮中分别添加光合细菌菌液1ml/kg、3ml/kg,在56d的试验期内,增重比对照组分别提高14.97%和16.4%。仔猪饲料中每日每头添加光合细菌菌液25-30ml,连续饲喂30一40d,比对照组平均增重提高  13.2%。

7  运用生物技术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筛选比较了真菌、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pH二6.5,温度为37t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。

    饲料中的抗营养因于、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:①处理效率高,尤其是酶技术应用的处理效率很高、成本低;②没有残留,应用比较安全;③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。

8  营养与基因表达调控

    饲料中某些营养成分对动物某些基因表达有调控作用。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。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)活性主要存在于肝、肾皮质、脂肪组织、空肠和乳腺,是肝和肾中糖异生的关键酶。当动物进食含大量糖类的饲料时,肝中PEPCK水平大幅度下降,禁食或饲以高蛋白低糖粮时,则可使其水平提高。胰高血糖素、甲状腺激素、糖皮质激素、视黄酸可诱导该基因的转录,而胰岛素则抑制基因转录。碳水化合物可以通过体内胰岛素介导脂肪酸合成酶基因的表达,葡萄糖能显著影响脂肪酸合成酶基因的表达,饲喂大鼠高碳水化合物(无脂)日粮补加少量长链不饱和脂肪酸(PUFA)(2-30g/kg)能明显降低脂肪合成能力及脂肪合成酶活力,相反,单不饱和脂肪酸则没有这种能力。蛋白质影响许多基因的表达,神经肽Y(NPY)可以刺激采食,注入NPY可导致饮食过度和体内脂肪沉积。禁食或限食可导致室房核NPY水平上升,同时NPY基因在下丘脑的表达也上升。对肝细胞及肝衍生细胞,从培养基中去除组氨酸可降低鼠肝细胞的清蛋白mRNA的表达及蛋白质的合成。

    某些矿物质元素、维生素等均可调控某些基因的表达,如铜含量降低,白介素一2基因mRNA量降低,鼠肾上腺中的多巴胺β一单氧化酶基(DBM)mRNA及酶活性提高,但去甲肾上腺素的量却下降。饲料中锌缺乏,鼠脑中金属硫蛋白基因表达降低;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(Clarke’等,1992)。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Elastin基因的表达。

9  展望

    现代生物技术在动物营养中的应用还处于初级阶段,随着对动物营养和功能的深层了解及物质合成技术的完善,将可以通过生物技术生产甚至仿生促进饲料生产业的发展。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。

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