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酵母核苷酸的生物制造关键技术突破及其产业化应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-09-27  浏览次数:3480
核心提示:南京工业大学生物与制药工程学院陈晓春 副研究员当今养殖业发展迅速,但伴随着集约化养殖程度的不断加深,环境问题、饲料短缺问题
 

南京工业大学生物与制药工程学院

陈晓春 副研究员

当今养殖业发展迅速,但伴随着集约化养殖程度的不断加深,环境问题、饲料短缺问题、食品安全问题、药物残留问题等日益凸显,在养殖过程中不仅要关注动物的营养需求,更需要从饲料本身关注养殖动物的健康状况。核酸是生命体中遗传信息携带及传递的最重要的生理物质之一。核苷酸是组成核酸最基本的单元,遗传信息蕴藏在核苷酸序列中。通过在饲粮中添加外源核苷酸,可以提高水产动物生长性能,改善免疫力及抗病力,维护肠道健康。酵母水解物中核苷酸含量高,是优质的外源核苷酸来源,具有广阔的应用前景。

一、外源性核苷酸的重要生物学功能

核苷酸类似氨基酸、胆碱、生物类黄酮等营养物质,为半必需营养素,对组织发育、肠道发育和神经发育,以及器官修复、代谢调控和免疫应激等方面具有重要作用。在生物体的快速生长期和应激期会严重缺乏。因此,外源添加核苷酸,成为一种广泛的需求!

核苷酸做为一种改善动物肠胃的产品,其功能主要体现在两个方面:

(一)促进小肠细胞增殖、分化

核苷酸会使小肠Bax基因(诱导细胞脱落的基因)的mRNA水平升高,核苷酸可通过此途径诱导小肠上皮细胞脱落,从而促进小肠上皮细胞的增殖、分化。

(二)促进小肠绒毛的生长

小肠细胞缺乏利用氨基酸从头合成核苷酸的能力,并且肠道缺乏嘌呤从头合成所需要的一种关键酶—谷氨酸核糖转移酶。因此,补充核苷酸有利于促进小肠细胞的快速分化、生长。

二、核苷酸生产存在的难题和解决方案

目前,生产核苷酸的整个生物过程比较复杂,而且流程较长,生产成本高,这限制了其在动物饲料添加剂领域的大规模应用。从酵母细胞来制备核苷酸,整个过程分为三个步骤。第一步是培养酵母提取核糖核酸;第二步是利用生物发酵技术制备核酸酶P1,酶解核糖核酸;第三步是利用生物分离以及生物洁净技术制备高纯度的核苷酸。

目前,全球尚无从酵母—核酸—核苷酸完整的生产线在连续运行。问题主要有三个,1)间歇培养核酸含量低,2)深层液体发酵杂酶多和3)杂质和副产物多。针对问题1),我们探究了高核酸酵母累积机理,发明了连续发酵的培养技术;针对问题2),发明了一个新的固定化酶反应器;针对问题3),研究了产品的特性,制备了一个新的介质,并发明了一个新的结晶体。为建立一个高效、完整的酵母核苷酸生产线,为客户提供质量最好、性价比最高的产品,奠定了技术基础。

三、核苷酸生产新技术的优势

1. 提高核糖核酸含量和纯度

利用我们的核酸技术把细胞的核糖核酸的含量提高将近1倍多,核糖核酸的杂质降低1/6~1/2,在河南南阳建立核酸最大的生产基地,年产400-600吨,产品质量明显优于巴西的OMTEK和意大利的PROSOL等国际老牌公司,为核苷酸的高效分离奠定了物质基础。

2. 提高核酸酶活性

用新技术可以使核酸酶P1的酶活从7000提高到23000,在酶的活性以及稳定性,杂酶含量等主要酶学性能与全球最大的产核酸酶P1的公司Amano Enzyme相比有明显的优势。酶解率可以到85%,核苷酸的浓度可以提高25-30克/升。

3. 提升产品质量

新技术采用醇析和盐析的复合结晶新技术和反应结晶的新体系,产品呈形状规则的晶体状态,显著提升了产品质量。

4. 降低生产成本

本技术在产品质量、收得率、生产成本以及能耗、物耗、污染物排放等方面有较大的优势。利用这个新技术,奶粉中核苷酸的价格,国内售价从2007年YAMASA的280万元/吨下降到120万元/吨,把日本的YAMASA核苷酸公司赶出中国市场,为国内婴幼儿食品大规模使用核苷酸奠定了价格基础。

四、 新核苷酸生产线的建立和产品的应用

(一)新核苷酸生产线的建立

目前,该技术已经通过了江苏省科技厅鉴定,并分别于2014年和2015年获得了江苏省科技进步一等奖和国家技术发明二等奖。基于该技术,我们建成了国际上规模最大的、技术最先进的第一条从酵母-核糖核酸-核苷酸的生物制造生产线,从酵母到核糖核酸的生产基地在南阳同凯,核苷酸的生产基地在南京同凯。Prosol SPA(原欧洲最大的核苷酸生产商)认为:本技术在成本、质量方面均有明显的优势,愿关闭在意大利的核苷酸生产线,与同凯建立战略伙伴合作关系,共同开拓欧洲市场。

该生产线是物耗小、能耗低、污染物排放少的核苷酸清洁生产路线,生产成本大幅下降,使得核苷酸从高端乳品的应用转向畜牧业的应用成为了一种可能。

(二)核酸酶P1彻底酶解产品在断奶仔猪生产上的应用

为探讨核苷酸在断奶仔猪生产中的应用效果,我们委托了南京农业大学动物科技学院的王恬教授的团队,研究了断奶仔猪日粮中核苷酸的适宜添加量。

1. 降低腹泻率和死亡率

断奶初期仔猪处于应激状态、消化系统发育不完善、肠道微生物结构不稳定,这些都可能造成断奶仔猪发生腹泻,从而导致断奶仔猪的生长滞后甚至死亡。在试验中,对照组的死亡率为5%,而添加核苷酸组均无死亡。

2. 提高生产性能

仔猪在断奶初期正处于快速生长和免疫应激阶段,对核苷酸的需求量增大,而典型的教槽料中核苷酸含量较低,不能满足仔猪的生长需求。在本试验中,添加0.05%,0.1%和0.2%的核苷酸,料重比分别降为1.43,1.43和1.41。

3. 提高经济效益

日粮中添加0.05%,0.1%和0.2%的核苷酸,每吨饲料分别可多增重49.02 kg、46.43 kg、58.39 kg的猪肉,具有明显的经济效益。

(三)核酸酶P1彻底酶解产品在凡纳滨对虾养殖中的应用

为探讨核苷酸在凡纳滨对虾养殖中的应用效果,我们委托了广东省农科院畜牧研究所和华南农业大学动物科学学院,研究了凡纳滨对虾饲料中核苷酸的适宜添加量,检测了其对对虾的增重率、特定生长率、存活率、饲料系数、摄食量、蛋白质沉积率和肝胰指数等的影响。

研究结果发现,各个核苷酸添加组增重率明显高于对照组,饲料系数明显下降,饲料利用率提高了将近40%。对虾质量明显改善,粗蛋白及脂肪含量均显著提高。

随饲料中核苷酸添加量的升高,肝胰指数逐渐升高,0.6g/kg添加组提高15.7%;添加组的肠壁厚度均高于对照组,0.4 g/kg组的肠绒毛高度显著高于对照组。

酚氧化物酶(PO)和溶菌酶(LZM)是反映对虾免疫能力的重要指标,在对虾防御体系中发挥重要作用。添加适量核苷酸可显著提高酚氧化物酶和溶菌酶活性。

(四)核苷酸非彻底酶解产品在育肥猪生产中的应用

酶解核苷酸非彻底产物是含有核苷酸、寡核苷酸以及核糖核酸的混合物,主要用做育肥猪生产中的饲料添加剂。通过委外实验,观测了核苷酸非彻底酶解产品对育肥猪成长肉质以及风味的改善。

在正常日粮中添加添加20克/吨的产品。20天以后,发现猪体毛比较干净,30天之后臀部以及背部的肌肉成型度较好,生产结束后经过杀猪品肉,发现实验组肉比较紧致,水煮肉质比对照组香、甜、口感好,猪油粘度不粘手,背部肉质的厚度在三指到三指半,明显高于对照组。

五、结语

酵母核苷酸作为一种新型的促生长剂和肉质改良剂,从应用的结果看,对断奶仔猪、育肥猪和凡尔赛对虾的蛋白代谢和脂肪代谢均有有较强的调控作用,对畜禽和水产养殖过程中疾病的产生和代谢有正向积极的作用,具有广阔的应用前景。

本文内容根据陈晓春副研究员在BFC·第五届中国生物饲料科技大会上的报告整理而成,未经本人审阅。

 


 
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