新型瘦肉型饲料添加剂生物基1,3-二羟基丙酮的开发与应用

马 骏 胡忠策 郑裕国

摘要: 综述了瘦肉型饲料添加剂的研究现状,分析了生物基1,3-二羟基丙酮的生产及安全性,并对其前景进行展望。

关键词:瘦肉型饲料添加剂;生物基1,3-二羟基丙酮;动物营养

中图分类号:S816.7文献标识码:A文章编号: 1007-5739(2009)20-0332-02

随着生活水平的提高,人们对膳食营养、口感、品质、结构的要求越来越高。动物食品是人们膳食结构中的重要组成部分,需求量在逐年上升,尤其是对高蛋白低脂肪、营养价值高、口感好、品质高的动物食品需求量越来越大,要求也越来越高。这对禽畜养殖行业、饲料行业、食品加工行业提出了更高的要求。对于饲料及饲料添加剂行业,为了满足市场与消费者的需求,开发新型绿色安全饲料添加剂是当务之急。目前,新型瘦肉型饲料添加剂的研究与开发是饲料科技研究领域的研究热点,也是饲料工业企业科技创新、提升产品科技含量、提高企业竞争能力与盈利水平的重要手段。

1瘦肉型饲料添加剂的现状

降低禽畜酮体脂肪含量、提高禽畜酮体瘦肉率在过去几十年一直是动物育种、动物营养、饲料、养殖领域的重要研究方向和主要目标。虽然有关瘦肉型禽畜的育种工作一直在有序的开展,也有一定的成效,但是培育一个稳定高产的瘦肉型禽畜品种的周期长,工作量大,且对于瘦肉型品种的禽畜也要有相应合理的配比饲料和科学的养殖方法,才能得到高品质的动物酮体。

一直以来,世界各国科学家都在努力开发能提高禽畜瘦肉率的饲料添加剂。利用代谢调节剂促进动物脂肪消耗、提高蛋白质沉积是一条行之有效的方法。在生产实践应用中,使用肾上腺素受体激动剂、甾醇类药物作为饲料添加剂,如盐酸克伦特罗(俗称“瘦肉精”),能促使体内脂肪酶活化,促进甘油三酯分解成游离脂肪酸和甘油,能有效地缓解、减少脂肪沉积,增加肌肉蛋白含量,从而改善禽畜酮体品质,提高瘦肉率。这些物质虽然能有效提高瘦肉率,但是,却能在禽畜酮体中残留,对人体有一定的毒害作用,因此,国家相关部门已经禁止在动物日粮中使用该类物质[1-4]。

目前,市场上没有一种绿色安全、价廉物美、高效、广泛使用的瘦肉型饲料添加剂。同时,市场对瘦肉型饲料添加剂的需求量很大,当年风靡全国的“瘦肉精”足以说明瘦肉型饲料添加剂市场的庞大。这种突出的供需矛盾,促使不少的企业、研究机构、大专院校投入大量的人力、物力、财力研发瘦肉型饲料添加剂,并取得了一定的研究成果。如国家发明专利(NO.ZL86105967)提供了一种从含莨菪烷类生物碱的茄科莨菪类植物中提取有效成分,制取提高禽畜瘦肉率的饲料添加剂的方法。该发明提供的生产方法工艺简单、原料充足、无三废污染,由该专利方法制备得到的产品能有效促进禽畜生长,尤其能够提高禽畜的瘦肉率,并能改善肉质风味,减少饲料消耗,增强禽畜的免疫抗病能力,对禽畜无毒、无致畸、无致突变等副作用。但是,该专利制备的饲料添加剂很少在市场上销售[5]。

俞祖勋申请了一项“瘦肉型饲料添加剂”(NO.ZL0214-5029.3)国家发明专利,该专利提供的一种瘦肉型饲料添加剂为丙酮酸与一水肌酸混合物,其中丙酮酸盐含量为55%～75%,该专利制备的饲料添加剂对人体安全,也能有效提高禽兽类的瘦肉率。但是,这些得到专利保护的能提高瘦肉率的饲料添加剂,由于各种原因没有得到很好的应用推广,无法满足消费市场对瘦肉型饲料添加剂的大量需求,没能有效解决瘦肉型饲料添加剂供给问题[6]。

针对目前这种状况,急需开发一种绿色安全、能广泛使用的新型、安全、价廉的瘦肉型饲料添加剂,来填补市场需求的空白,以满足人们对高品质动物食品的需求。

2生物基1,3-二羟基丙酮的生产及其安全性

2.11,3-二羟基丙酮简介及其生产

1,3-二羟基丙酮,也称二羟基丙酮,分子量为90.08,分子式为C3H8O3。它是一种简单酮糖,晶体呈白色,易溶于水以及乙醇、丙酮等有机溶剂。1,3-二羟基丙酮可以以甘油为基质通过微生物转化生产获得。由于甘油由动物脂肪、植物油脂转化获得,也可以通过微生物发酵生产,因此,由微生物转化甘油生产的1,3-二羟基丙酮是基于生物源和生物技术的一种化学品。

二羟基丙酮生产用的菌种与生产过程亦是绿色环保的,目前用于二羟基丙酮工业化生产的微生物菌种是葡糖杆菌(Gluconobacter oxydans),该菌株对人体与环境都安全。二羟基丙酮是人体糖代谢过程中的三碳化合物中间产物,在人体内有存在,对人体无毒害作用,是一种绿色安全的化学品,目前已得到美国FDA认证,广泛应用于化妆品、医药中间体、饲料添加剂等领域[7-12]。

2.2二羟基丙酮生物学功能

二羟基丙酮作为一个生物体糖代谢的中间产物,在生物体的代谢过程中有着十分重要的作用。一方面,二羟基丙酮在二羟基丙酮激酶(dihydroxyacetone kinase)催化作用下进行磷酸化反应,生成磷酸二羟基丙酮;磷酸二羟基丙酮在磷酸丙糖异构酶(trioseph-osphate isomerase)的催化下迅速转化为3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛是糖代谢过程中重要的三碳中间产物,二羟基丙酮能通过生物体的糖酵解途径,进入生物体内的新陈代谢。另一方面,二羟基丙酮能参与脂肪代谢,磷酸二羟丙酮在甘油磷酸脱氢酶作用下,还原生成α-磷酸甘油(或称3-磷酸甘油);生成的α-磷酸甘油在脂酰转移酶(acyl transferase)作用下,与2分子脂酰CoA反应生成3-磷酸-1,2-甘油二酯,即磷脂酸(phosphatidic acid),磷脂酸是合成含甘油脂类的前体。此外,磷酸二羟丙酮也可先酯化,后还原生成溶血磷脂酸,然后再经酯化合成磷脂酸。磷脂酸在磷脂酸磷酸酶作用下,水解释放出无机磷酸,而转变为甘油二酯,酯化生成甘油三酯[12]。二羟基丙酮在生物体内的代谢过程比较复杂,它是联系糖代谢和脂肪代谢重要的中间产物,能有效调节糖代谢与脂肪代谢的关系。

另外,体外供给二羟基丙酮,能有效提高生物体机体的性能,有效地减缓脂肪合成速率,从而起到减肥作用。二羟基丙酮喂养禽畜动物后,禽畜酮体的脂肪含量减少,蛋白质含量增加,酮体的蛋白质结构变得更加合理,使酮体的瘦肉率大大提高。Stanko等用丙酮酸与二羟基丙酮的混合物口服喂养大鼠112d,结果表明,喂养丙酮酸与二羟基丙酮的大鼠的脂肪细胞中的脂肪合成速率下降,肌体的脂肪含量比对照组下降32%,血浆中胰岛素水平下降,而且机体的能量消耗大大提高。二羟基丙酮与丙酮酸混合物(比例为3∶1)喂养猪的研究结果显示,该混合物能有效降低酮体的脂肪含量,而肌肉的蛋白质含量没有变化。用二羟基丙酮与丙酮酸1∶1的混合物喂养96羽1d龄肉鸡42d,随着二羟基丙酮与丙酮酸喂养量的增加,肉鸡的体重呈现曲线性减少。这些研究结果说明,二羟基丙酮和丙酮酸混合物对脂肪的稳定作用是非种特异性,具有普遍性,而且作用效果非常明显[13-18]。

3生物基1,3-二羟基丙酮的开发前景

利用改变生物体内代谢流方向,调节糖代谢与脂肪代谢两大代谢的关联以及代谢流向,降低糖代谢向脂肪代谢迁移,从而减缓脂肪合成代谢,实现减肥,提高酮体蛋白质含量、机体性能的研究是一项非常复杂的系统工程,是各国科学家研究的热点。通过喂养二羟基丙酮为主,配比其他辅料的饲料添加剂,能有效改善糖代谢与脂肪代谢过程,改变糖代谢与脂肪代谢的流向,提高饲料利用效率,减少脂肪合成代谢,改善酮体品质,提高蛋白质含量,减少脂肪含量,提高瘦肉率。

目前还没有以二羟基丙酮为主要成分的饲料添加剂。该研究所以二羟基丙酮为原料,配以其他辅料,制备成瘦肉型饲料添加剂,初步研究结果表明:二羟基丙酮有良好缓解脂肪代谢、减肥等功效,能有效提高禽畜酮体瘦肉率,是一种很有开发前景的绿色安全高效的瘦肉型饲料添加剂。并申请了国家发明专利(申请号:200910097682.1)。另一方面,在原料二羟基丙酮的生产技术方面,以甘油为原料,采用微生物发酵法生产二羟基丙酮,经过膜过滤、结晶等工序制备得到二羟基丙酮结晶体,生产工艺的各项技术指标都处于领先,并申请了多项国家发明专利。目前二羟基丙酮已经投入了工业化生产,产品已经出售,产品质量得到用户的认可。因此,将二羟基丙酮开发成瘦肉型饲料添加剂,有显著的原料供给和生产成本优势[19,20]。

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