包衣微丸型植酸酶的研制

马俊孝 刘 伟 张赞剑 史衍鲁 卢彦梅

矿物质磷对于动物生长、骨骼矿化、免疫、繁殖等均是至关重要的营养元素之一，在以植物性原料为主的饲料中，磷主要以植酸磷的形式存在，植酸磷是植物性饲料中普遍存在的一种抗营养因子，而单胃动物由于体内无相应的分解酶很难利用。一方面饲料中需要大量添加无机磷来补充磷的不足；另一方面饲料中大量的植酸磷不能被利用而随粪便排入环境，既浪费了资源，又对环境造成了污染。植酸酶是一种能水解植酸的酶类，可使植酸磷降解成肌醇和磷酸，从而减少饲料中磷酸氢钙等无机磷的添加量。目前，植酸酶在提高磷的利用率、减少粪便中有机磷的排放，节约矿物质资源以及降低饲料成本方面的效果已被广泛证实[1-2]，是迄今为止饲料酶制剂应用最成功的范例。

但是，随着饲料厂越来越多地采用高温短时加工设备，如制粒机、膨化机、深度调质器以及通用熟化制粒机等，容易使饲料中添加的植酸酶丧失活性，造成其有效性降低，这是目前植酸酶在饲料中推广应用的限制性因素之一。为减少颗粒饲料中的植酸酶因饲料加工过程而造成的损失，改善植酸酶的耐热性成为植酸酶研究的一项重要工作。将制药领域中成熟的微丸包衣技术应用到植酸酶的生产工艺中，是解决植酸酶的稳定性问题的一条现实途径。采用微丸包衣技术，将植酸酶采用包被技术处理后，由于人为制造的一个小环境与外部在一定程度得以隔绝，被包裹的植酸酶的耐热性得到较大提高。另外，用造粒和包衣处理的微丸产品替代粉末植酸酶，使用时减少了粉尘，产品在贮藏、运输等环节的稳定性更好。

1 材料与方法

1.1 实验材料

粉状植酸酶为康地恩生物集团生产的普通植酸酶，耐热性差。其它制粒、包衣材料为食品级或药用辅料级。

酶活测定所用试剂购自Sigma公司，其它试剂均为分析纯。

1.2 空白丸芯上酶的涂敷、包衣

空白丸芯制备：准确称取淀粉等辅料，过筛，混合均匀，再加入适量水，在槽型混合机中充分搅拌，放入挤出机中挤出，挤出网孔直径0.5 mm。然后，把挤出的长条状物料倒入滚圆机中，使其充分切断并滚圆物料，从而制备符合要求的丸芯。滚圆后的芯丸放入流化床中，在70℃进风环境下干燥，干燥后过30、60目标准筛，即得所需空白芯丸，备用。

空白丸芯上进行酶的涂敷：在植酸酶的浓缩液中加入适量糊精，视黏稠情况加一定量水，过100目筛，制成包衣液。取2 kg上述空白丸芯，投入流化床包衣机中，将包衣液涂敷到空白丸芯上。流化床参数为：风量100 m3/h，进风温度60℃，1.5 mm喷枪，2.5 bar雾化压力。涂敷结束后，继续加热致料温至60℃。

包衣：采用同样的操作，再次在涂敷有酶层的丸子上进行隔离层的涂敷。采用不同的包衣材料及其配比来考察包衣对耐热性的影响。

1.3 含酶颗粒的包衣

含酶颗粒的制备：操作同1.2节中空白丸芯的制备。将各种辅料及酶粉按比例混合均匀，过筛，加入一定量的水，制备软材。然后挤出、滚圆、干燥，即得含酶颗粒。与液体酶制备含酶颗粒的操作类似，将各种辅料按比例混合均匀，过筛，加入液体酶，必要时加少量水，制备软材。然后挤出、滚圆、干燥，即得含酶颗粒。

包衣：用水或有机溶剂在搅拌状态下溶解各种包衣材料，过100目筛，制成包衣液。取上述含酶颗粒2 kg于流化床包衣机中，参数同1.2节中酶的涂敷。同样，采用不同的包衣材料及其配比来考察包衣对耐热性的影响。

1.4 耐热性评价

植酸酶的耐热性能以酶活的残留率来表述，以处理后与处理前植酸酶样品的酶活比值(%)来表示，所有数据均为3次测定结果的平均值。

植酸酶样品的活力测定按国家标准GB/T 18634—2009，采用分光光度法测定(GB/T 18634—2009《饲用植酸酶活性的测定——分光光度法》)。酶活力定义为：样品在植酸钠浓度为5.0 mmol/l、温度为37℃、pH值为5.0的条件下，每分钟从植酸钠中释放1 μmol无机磷，即为一个植酸酶活性单位，以U/ml（或U/g）表示。

植酸酶样品的实验室耐热性评价采用湿热蒸汽处理法，在手提式高压蒸汽消毒器内，用99～110℃的饱和水蒸气处理植酸酶样品，蒸汽处理时防止水滴掉入样品中。取出后自然冷却，分别测定处理前后的酶活。饲料试验评估植酸酶耐热性时，饲料中的植酸酶活性按照刘玉庆等[3]所述方法测定。

1.5 包衣微丸型植酸酶的颗粒性能

①外观：肉眼或使用放大镜观察颗粒的圆整情况。

②粒度：随即抽取1 kg样品，用标准筛进行筛分，考察样品的粒径分布。

③硬度：感官测量，用手指使劲捻时是否有破碎。

④容重：向1 L量筒中加入微丸包衣型植酸酶至1 L刻度线，测定加入的植酸酶的重量，即为容重。

⑤溶解性：将微丸包衣型植酸酶样品与水以1：50比例放入水溶液中，磁力搅拌慢速搅拌，记录溶解时间。

⑥稳定性：将本产品在25℃常温保存6个月时，考察酶活的保留情况，用百分比表述。

⑦在饲料中的混合均匀度：将制备的不同微丸包衣型植酸酶样品在饲料厂分别进行禽料511的制粒试验，调质温度在 75～85 ℃，调质时间 18～30 s，蒸汽压力0.4～0.6 MPa，按照刘玉庆等所述方法测定混合均匀度。一般混合均匀度在35%以内可以满足饲料原料充分混合的要求。

2 结果

2.1 空白芯上酶的涂敷、包衣

在空白丸上涂敷酶、包衣后所得颗粒的情况见表1，空白丸芯上涂敷酶、包衣后产品的耐热性较差，实验室评价条件下耐热性只有2.5%的酶活。空白丸芯上涂敷酶以后，酶层完全裸露在外，因此受热后酶易失活。在酶层外面再包被隔离层后，耐热性稍有提高，但整体而言酶活残留率很低。另外，表1中还可以看出，随着包衣材料及其配比的优化，耐热性有提高的趋势。

表1 空白丸芯上涂敷酶及包衣后的耐热性表现

2.2 含酶颗粒的包衣

将酶与辅料混合后制成颗粒，然后对颗粒进行包衣，用实验室和饲料制粒2种方法对耐热性进行评价，结果见表2，将植酸酶制成含酶颗粒后具有一定的耐热性，达36.3%，比在空白丸芯上涂敷酶所得颗粒的耐热性有较大提高（见表1，空白丸芯上涂敷酶后耐热性仅为2.5%）。从表2中可以看出，含酶颗粒经过包衣后的样品，其耐热性大幅提高，实验室耐热性达到80%，在如下的饲料制粒条件下：环模压缩比1：10、调制温度70℃、调制时间12 s、蒸汽压力5 MPa，饲料制粒的耐热性达到75%。

表2 含酶颗粒及其包衣样品的耐热性(%)

由表2可知，含酶颗粒经过包衣后耐热性有非常明显的提高。因此，在含酶颗粒的基础上进一步考察不同的包衣材料和包衣配方对包衣微丸型植酸酶耐热性的影响。在更为严格的实验室和饲料调制条件下（环模规格：压缩比1：7，孔径3.0 mm；调制温度80℃，蒸汽压力0.4 MPa，调质时间30 s；饲料料号511），对不同包衣配方的植酸酶样品进行耐热性评价，结果见表3。从表3可以看出，随着包衣材料及其配方的逐步优化，耐热性有较大的提升。本研究制备的包衣酶与进口的对照样品有大致相当的耐热性。

表3 包衣增重对包衣植酸酶耐热性的影响(%)

2.3 包衣微丸型植酸酶的性能

除耐热性外，对制备的包衣微丸型植酸酶的其它性能进行了分析，结果见表4。由表4可以看出，本研究中制备的包衣微丸型植酸酶，颗粒流动性好，没有粉尘。颗粒圆整，粒径分布适当，混合均匀度好，能确保在饲料中混合时达到分散均匀的要求。颗粒有较好的强度，能避免在饲料制粒操作时不被破碎。

表4 包衣微丸型植酸酶的性能

3 讨论

如何有效降低植酸酶在储存及饲料调制、制粒等环节中的活力稳定性是当前酶制剂和饲料加工需要解决的问题。近年来，研究人员尝试将医药领域中成熟的药品包衣技术应用到饲用植酸酶的生产工艺中，这是一个创举，能大幅度提高植酸酶的热稳定性。但是相对于医药包衣技术，笔者在包衣微丸型植酸酶的实际制备过程中发现，饲用植酸酶的制粒、包衣技术有其自身的特点和难点。首先，饲料配方中酶制剂的添加成本受到严格限制，包衣酶的成本相应地也受限制，必须大规模筛选低廉且有效的制粒和包衣材料，因此，就包衣植酸酶原辅料而言，不能完全照搬医药包衣技术及其理论；其次，针对高昂的药用辅料性质所设计的制药机械，在用于性质差异较大的酶制剂原辅料时，设备与生产工艺间磨合的难度较大；再次，常规制药机械的生产能力较低，而饲料级植酸酶的生产能力一般要求比较大。另外，包衣植酸酶产品的生产工艺尽管可以参照制药的工艺，其特别之处在于，包衣植酸酶除了在动物消化道内迅速释放外，更重要的是要考虑阻热、防潮的目的，从而提高产品的耐热性能。

植酸酶在饲料行业的重要性日益突出，但由于其热稳定性差，在饲料制粒过程中酶容易变性失活，成为植酸酶在动物饲料中推广应用的限制性因素之一。据报道，未经处理的β-葡聚糖酶经70℃制粒后在饲料中的存活率仅为10%，β-葡聚糖酶在饲料75℃调制30 s，其存活率为64%，而再经90℃的制粒其存活率仅为19%，植酸酶经70～90℃制粒后活力下降也在50%以上[4]。本研究中发现，颗粒经过包衣后耐热性能大幅提高（见表2、表3），并且制备的包衣微丸型植酸酶，在调制温度80℃、蒸汽压力0.4 MPa、调制时间30 s的条件下，耐热性达到76%，与国外最优秀的耐高温植酸酶的耐热性能相当（见表3）。另外，本研究制备的包衣微丸型植酸酶的生产成本极具竞争优势。

4 结语

目前价格低廉的未包衣植酸酶在市场上仍占主导，包衣型植酸酶无疑将增加产品成本，已有的包衣植酸酶，其包衣成本一般在每千克10元左右。但饲用植酸酶的包衣微丸是发展趋势，与其在低端市场的微利状况下挣扎，不如开发高端包衣产品，早开发早受益。通过对植酸酶的包衣，能够降低植酸酶在饲料制粒过程中的损失，减少在储运过程中酶的损失，更全面地发挥植酸酶的经济效益、社会效益和生态效益。

[1]陈琳,王恬.植酸酶对樱桃谷肉鸡能量、蛋白质和氨基酸利用率及消化酶活性的影响[J].动物营养学报,2009,21(6):938-944.

[2]赵春,朱忠珂,李勤凡,等.不同剂型植酸酶对肉鸡生长性能和钙、磷利用率的影响[J].动物营养学报,2007,19(6):714-718.

[3]刘玉庆,王海,孟庆贺.液态植酸酶后喷涂工艺设备及其产品均匀度测定[J].饲料工业,2007,28(15):12-14.

[4]邓春来,邓斌,张曦.热敏性营养素在饲料加工中的损失及其后添加方法[J].饲料博览,2004,4:39-40.