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饲用淀粉酶的应用现状及分析

   日期:2018-03-18     来源:山东省饲料行业协会    评论:    
核心提示:幼龄动物由于消化系统发育不成熟,淀粉酶分泌不足,限制了淀粉的消化吸收。冯定远指出,随着动物日粮配方富营养化、饲养条件应激和环境污染问题越来越突出,成年健康动物添加“外源性营养消化酶”的作用也越来越明显,意义也越来越大
   能量供应状况是影响动物生长性能的重要因素。谷物中的淀粉是单胃动物能量的主要来源,其供能约占动物总能量需求的60%~80%。玉米历来被认为是能量饲料原料的所谓“黄金标准”,认为玉米中的淀粉消化性良好,消化率超过95%,但是Noy等(1995)研究表明,在理想状态下,4~12日龄的肉鸡日粮中的淀粉回肠末端消化率很少超过85%,肉仔鸡(4~21日龄)小肠末端淀粉消化率仍然仅为82%,对回肠食糜进行显微镜检查发现,回肠内有大量未消化玉米胚乳成分,鸡日龄增加时消化率也没有提高的迹象。
    幼龄动物由于消化系统发育不成熟,淀粉酶分泌不足,限制了淀粉的消化吸收。冯定远指出,随着动物日粮配方富营养化、饲养条件应激和环境污染问题越来越突出,成年健康动物添加“外源性营养消化酶”的作用也越来越明显,意义也越来越大,对外源性营养消化酶在饲料工业和养殖领域的应用有必要重新认识。通过添加外源性淀粉酶来提高饲料淀粉的消化吸收,对于提高动物生产性能、节约饲料资源意义重大。
    1· 淀粉的结构和性质
    淀粉贮存在植物种子和块茎中,是由葡萄糖单元聚合而成的多聚糖,分为直链淀粉和支链淀粉两种。直链淀粉是由葡萄糖分子通过α-1,4糖苷键连接在一起的聚合物,由500~600个葡萄糖单位组成,链的长度较大,分子量大约为100 kDa,可溶于热水,遇碘反应呈纯蓝色。支链淀粉是葡萄糖分子以α-1,4糖苷键连接为主链,并有α-1,6糖苷键连接作为分支点而形成的葡聚糖。从结构上来讲,支链淀粉是一个具有树枝形分支结构的多糖,相对分子质量较大,一般由1 000~300 000个左右葡萄糖单位组成,分子量约为100万kD,有些可达600万kD。支链淀粉在冷水中不溶,与热水作用则膨胀而成糊状,遇碘呈紫或红紫色。支链淀粉约含4%~5%的α-1,6糖苷键,天然淀粉中70%~80%为支链淀粉。
    2· 单胃动物对淀粉的消化吸收
    单胃动物对淀粉的消化起始于口腔,淀粉在唾液淀粉酶的作用下被部分分解成部分糊精和少量麦芽糖,但食物在口腔中停留的时间很短且唾液淀粉酶活性很低,故唾液对淀粉的消化非常有限。胃内不分泌淀粉酶,但唾液淀粉酶可在胃内对淀粉持续消化一段时间。
小肠是淀粉消化的主要场所,大部分淀粉的消化吸收是在小肠中进行的。饲料淀粉在十二指肠与胰液、肠液、胆汁混合后,在α-淀粉酶的作用下,直链淀粉被逐步分解为麦芽糖和麦芽三糖,支链淀粉被分解为麦芽糖、麦芽三糖和α-极限糊精。α-极限糊精在异麦芽糖酶(α-1,6糖苷酶)的作用下被分解成麦芽糖和葡萄糖。麦芽糖、麦芽三糖在麦芽糖酶的作用下被分解成葡萄糖而被肠壁吸收。
    3· 淀粉酶的分类
    淀粉酶(Amylase)是能催化淀粉水解转化成葡萄糖、麦芽糖及低聚糖的一类酶的总称,按其水解淀粉的作用方式不同可以分为α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶和脱支酶,不同种类的淀粉酶水解淀粉会生成不同的酶解产物。
    3.1 α-淀粉酶
    α-淀粉酶是一种内切酶,其国际酶学分类编号为Ec.3.2.1.1,它能随机水解淀粉分子内部的α-1,4糖苷键,由于产物的末端残基碳原子构型为α构型,故称α淀粉酶。α-淀粉酶不能水解淀粉分子内的α-1,6糖苷键,但可以跨越此键水解分子内部的α-1,4糖苷键。α-淀粉酶能使直链淀粉的黏度很快降低,碘液颜色迅速消失,而且由于生成还原基团而增加了还原力,水解的终产物是麦芽糖和葡萄糖。α-淀粉酶以类似的方式水解支链淀粉,因不能水解α-1,6-糖苷键,但可以跨越此键水解分子内部的α-1,4糖苷键,最后使淀粉生成麦芽糖、葡萄糖、异麦芽糖。
    3.2 β-淀粉酶
    β-淀粉酶是一种外切酶,国际酶学分类编号为Ec.3.2.1.2,它从淀粉分子的非还原性末端开始,依次切下麦芽糖分子,同时发生瓦尔登转位反应,使产物由α-型转为β-型麦芽糖。β-淀粉酶只能水解α-1,4-糖苷键,不能水解支链淀粉中的α-1,6-糖苷键,且不能跨越此键,遇到此键水解作用停止。β-淀粉酶水解直链淀粉时,麦芽糖的生成速度较慢;水解支链淀粉时,因支链淀粉分支较多,非还原性末端较多,麦芽糖生成速度较快,但不能水解分支以内的部分。
    3.3 糖化酶
    也称为α-1,4-葡萄糖苷酶或者葡萄糖淀粉酶,国际酶学分类编号为Ec.3.2.1.3,是一种外切酶。它从淀粉分子的非还原性末端开始,依次切下葡萄糖,形成的产物只有葡萄糖。它不仅能水解α-1,4-糖苷键,也能水解支链淀粉中的α-1,6糖苷键,但水解α-1,6糖苷键的速率要比对α-1,4糖苷键低约30倍。
    3.4 脱支酶
    脱支酶是水解淀粉、糊精或糖原中的分支点α-1,6-糖苷键的酶,能够专一性地切开支链淀粉分支点的α-1,6-糖苷键,从而剪下整个侧枝,形成直链淀粉。支链淀粉分解成葡萄糖最终需要脱支酶的参与。根据底物特异性差异,脱支酶分为几种:低聚葡萄糖苷酶、淀粉-1,6-葡萄糖苷酶、异淀粉酶、普鲁兰酶。脱支酶的应用主要以普鲁兰酶和异淀粉酶为主,但普鲁兰酶和异淀粉酶对底物的特异性存在差异。当分支点处葡萄糖残基数量大于2时,普鲁兰酶就切断α-1,6-糖苷键,其作用底物的最小单位为麦芽糖基麦芽糖。异淀粉酶在分支点的葡萄糖残基少于3个时就不能发挥作用,其作用底物的最小单位为麦芽三糖和麦芽四糖。
    4· 我国淀粉酶的生产及应用现状
    我国酶制剂行业起步于1965 年成立的无锡酶制剂厂,经过数十年的发展,技术水平有了很大的提升。但还存在酶的品种少,自主开发能力弱,后处理工艺落后等问题。与世界先进水平相比,在酶的种类和生产水平上仍有很大差距。以淀粉酶为例,目前国内生产的淀粉酶主要有以下几种。
    4.1 中温α-淀粉酶
    由枯草芽孢杆菌7658菌株经深层发酵而成,是一种内切淀粉酶,能随机水解淀粉分子内部的α-1,4糖苷键,产生短链糊精和少量的低分子量的糖类,从而使得淀粉糊的黏度迅速下降,即“液化”作用 ,故又称液化酶。它水解位于分子中间的α-1,4糖苷键的概率比水解位于分子末端的概率大,它不能水解支链淀粉的α-1,6糖苷键,也不能水解紧靠1,6 分支点的α-1,4糖苷键,不能水解麦芽糖,但可以水解含有3个或3个以上α-1,4糖苷键的低聚糖,其水解速度随底物聚合度减少而降低。其最适作用温度70~80 ℃,在70~90 ℃之间,随着作用温度升高,其反应速度加快,但失活也加快。pH值6.0~7.0较稳定,最适作用pH值6.0~6.4,pH值5.0以下失活严重。该酶已被广泛应用于啤酒、酒精、味精、淀粉、糖、饲料、纺织、印染等行业,也是饲料工业中应用最广泛的淀粉酶。其缺点是最适作用温度高,为70~80 ℃,pH值5.0以下失活严重。
    4.2 糖化酶
    糖化酶又称葡萄糖淀粉酶,是由黑曲霉(As⁃pergilusniger)经液体深层发酵而成。它是一种外切酶,能从淀粉的非还原性未端水解α-1,4糖苷键产生葡萄糖,也能缓慢水解α-1,6糖苷键,转化为葡萄糖。水解α-1,6糖苷键的速度大约是水解α-1,4糖苷键速度的三十分之一。最适作用温度是60~62 ℃,最适作用pH值为4.0~5.0。产品广泛用于生产白酒、黄酒、酒精、啤酒;用于以葡萄糖作发酵培养基的各种抗生素、有机酸、氨基酸、维生素的发酵;也用于生产各种规格的葡萄糖,在饲料行业也有应用。该酶的缺点是它是一种外切酶,酶解效率低。
    4.3 耐高温α-淀粉酶
    采用地衣芽孢杆菌(Bacillus Licheniformis),经液体发酵而成,能在较高的温度下水解淀粉分子中的α-1,4糖苷键,从淀粉分子内部任意切割成长短不一的短键糊精和少量的低聚糖,从而使淀粉糊的黏度迅速下降。若液化时间长,还会产生少量的葡萄糖和麦芽糖。最适pH值范围6.0~6.2,最适温度范围95~97 ℃。主要应用于啤酒酿造、酒精生产、味精、饴糖和葡萄糖等工业。由于其作用温度太高,在饲料工业中很少有应用。
    4.4 真菌α-淀粉酶
    真菌α-淀粉酶是由曲霉属微生物发酵产生的一种内切型α-淀粉酶。因其最适作用温度较中温α-淀粉酶低20~30 ℃左右,亦称为低温α-淀粉酶。它可以迅速水解直链淀粉和支链淀粉内部的α-1,4糖苷键,水解淀粉的产物主要是短链糊精、高含量的麦芽糖和一些低聚糖及少量的葡萄糖。真菌α-淀粉酶可用于对淀粉液化和糖化(葡萄糖和麦芽糖),最适作用温度为45~55 ℃左右,在pH值为4.0~6.6时具有较高的酶活,最适作用pH值为4.8~5.4,主要应用于淀粉糖浆、低聚糖、啤酒、烘焙食品、面制品等的生产。目前,世界上有诺维信、丹尼斯克等少数几家大型酶制剂公司拥有较高的真菌α-淀粉酶生产技术,而国内真菌α-淀粉酶的生产起步较晚,发酵水平低,生产成本较高,因此在饲料行业应用不广,在一些高档饲用酶制剂中有使用。
    5 ·饲用淀粉酶存在的问题及展望
    目前对于饲料专用淀粉酶的研究开发较少,一般均采用食品加工、化纤、印染等工业用酶,如上文提及的中温α-淀粉酶是目前饲料工业中应用最多的淀粉酶,它属于一种高效的内切淀粉酶,其缺陷是最适作用温度为70~80 ℃,在动物体温(37~42 ℃)的温度条件下活性较低,最适作用pH值为6.0~6.4,pH值5.0以下失活严重。糖化酶是一种外切型淀粉酶,酶解效率低,作为饲料酶制剂使用,意义不大。
    由此可见,饲料工业缺乏专门针对动物生理特点而开发的淀粉酶,从动物消化生理特点来看,饲用淀粉酶应具备:①在动物体温(37~42 ℃)的温度条件下能发挥较高的活性;②最适pH值与消化道内食糜的pH值相一致;③对淀粉有较高的酶解效率(内切酶);④具有良好的稳定性,包括在饲料高温制粒过程中的稳定性、保存过程中的稳定性以及在动物消化道中对胃酸、胃蛋白酶、胰蛋白酶、金属离子等的耐受性。
    真菌α-淀粉酶是一种内切型α-淀粉酶,同时具有液化和糖化作用,并且其最适作用温度、最适作用pH值和动物消化道相吻合,是一类理想的饲用淀粉酶,虽然应用效果好,但目前生产成本较高,在饲料工业应用不多。因此,如何开发高效、低成本的真菌α-淀粉酶对提高饲料利用率,节约饲料资源,增进动物健康、降低污染物排放具有重要意义。另外,研究几种不同淀粉酶的组合(如α-淀粉酶和脱支酶的组合)利用有利于提高酶解效率,也有着广阔的发展空间。
 
标签: 饲用淀粉酶
 
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