飼用淀粉酶的應用現狀及分析

 能量供應狀況是影響動物生長性能的重要因素。谷物中的淀粉是單胃動物能量的主要來源，其供能約占動物總能量需求的60%~80%。玉米歷來被認為是能量飼料原料的所謂“黃金標準”，認為玉米中的淀粉消化性良好，消化率超過95%，但是Noy等(1995)研究表明，在理想狀態下，4~12日齡的肉雞日糧中的淀粉回腸末端消化率很少超過85%，肉仔雞(4~21日齡)小腸末端淀粉消化率仍然僅為82%，對回腸食糜進行顯微鏡檢查發現，回腸內有大量未消化玉米胚乳成分，雞日齡增加時消化率也沒有提高的跡象。

    幼齡動物由于消化系統發育不成熟，淀粉酶分泌不足，限制了淀粉的消化吸收。馮定遠指出，隨著動物日糧配方富營養化、飼養條件應激和環境污染問題越來越突出，成年健康動物添加“外源性營養消化酶”的作用也越來越明顯，意義也越來越大，對外源性營養消化酶在飼料工業和養殖領域的應用有必要重新認識。通過添加外源性淀粉酶來提高飼料淀粉的消化吸收，對于提高動物生產性能、節約飼料資源意義重大。

    1· 淀粉的結構和性質

    淀粉貯存在植物種子和塊莖中，是由葡萄糖單元聚合而成的多聚糖，分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種。直鏈淀粉是由葡萄糖分子通過α-1，4糖苷鍵連接在一起的聚合物，由500~600個葡萄糖單位組成，鏈的長度較大，分子量大約為100 kDa，可溶于熱水，遇碘反應呈純藍色。支鏈淀粉是葡萄糖分子以α-1，4糖苷鍵連接為主鏈，并有α-1，6糖苷鍵連接作為分支點而形成的葡聚糖。從結構上來講，支鏈淀粉是一個具有樹枝形分支結構的多糖，相對分子質量較大，一般由1 000~300 000個左右葡萄糖單位組成，分子量約為100萬kD，有些可達600萬kD。支鏈淀粉在冷水中不溶，與熱水作用則膨脹而成糊狀，遇碘呈紫或紅紫色。支鏈淀粉約含4%~5%的α-1，6糖苷鍵，天然淀粉中70%~80%為支鏈淀粉。

    2· 單胃動物對淀粉的消化吸收

    單胃動物對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麥芽糖，但食物在口腔中停留的時間很短且唾液淀粉酶活性很低，故唾液對淀粉的消化非常有限。胃內不分泌淀粉酶，但唾液淀粉酶可在胃內對淀粉持續消化一段時間。

小腸是淀粉消化的主要場所，大部分淀粉的消化吸收是在小腸中進行的。飼料淀粉在十二指腸與胰液、腸液、膽汁混合后，在α-淀粉酶的作用下，直鏈淀粉被逐步分解為麥芽糖和麥芽三糖，支鏈淀粉被分解為麥芽糖、麥芽三糖和α-極限糊精。α-極限糊精在異麥芽糖酶（α-1，6糖苷酶）的作用下被分解成麥芽糖和葡萄糖。麥芽糖、麥芽三糖在麥芽糖酶的作用下被分解成葡萄糖而被腸壁吸收。

    3· 淀粉酶的分類

    淀粉酶(Amylase)是能催化淀粉水解轉化成葡萄糖、麥芽糖及低聚糖的一類酶的總稱，按其水解淀粉的作用方式不同可以分為α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶和脫支酶，不同種類的淀粉酶水解淀粉會生成不同的酶解產物。

    3.1 α-淀粉酶

    α-淀粉酶是一種內切酶，其國際酶學分類編號為Ec.3.2.1.1，它能隨機水解淀粉分子內部的α-1，4糖苷鍵，由于產物的末端殘基碳原子構型為α構型，故稱α淀粉酶。α-淀粉酶不能水解淀粉分子內的α-1，6糖苷鍵，但可以跨越此鍵水解分子內部的α-1，4糖苷鍵。α-淀粉酶能使直鏈淀粉的黏度很快降低，碘液顏色迅速消失，而且由于生成還原基團而增加了還原力，水解的終產物是麥芽糖和葡萄糖。α-淀粉酶以類似的方式水解支鏈淀粉，因不能水解α-1，6-糖苷鍵，但可以跨越此鍵水解分子內部的α-1，4糖苷鍵，最后使淀粉生成麥芽糖、葡萄糖、異麥芽糖。

    3.2 β-淀粉酶

    β-淀粉酶是一種外切酶，國際酶學分類編號為Ec.3.2.1.2，它從淀粉分子的非還原性末端開始，依次切下麥芽糖分子，同時發生瓦爾登轉位反應，使產物由α-型轉為β-型麥芽糖。β-淀粉酶只能水解α-1，4-糖苷鍵，不能水解支鏈淀粉中的α-1，6-糖苷鍵，且不能跨越此鍵，遇到此鍵水解作用停止。β-淀粉酶水解直鏈淀粉時，麥芽糖的生成速度較慢；水解支鏈淀粉時，因支鏈淀粉分支較多，非還原性末端較多，麥芽糖生成速度較快，但不能水解分支以內的部分。

    3.3 糖化酶

    也稱為α-1,4-葡萄糖苷酶或者葡萄糖淀粉酶，國際酶學分類編號為Ec.3.2.1.3，是一種外切酶。它從淀粉分子的非還原性末端開始，依次切下葡萄糖，形成的產物只有葡萄糖。它不僅能水解α-1，4-糖苷鍵，也能水解支鏈淀粉中的α-1，6糖苷鍵，但水解α-1，6糖苷鍵的速率要比對α-1，4糖苷鍵低約30倍。

    3.4 脫支酶

    脫支酶是水解淀粉、糊精或糖原中的分支點α-1，6-糖苷鍵的酶，能夠專一性地切開支鏈淀粉分支點的α-1，6-糖苷鍵，從而剪下整個側枝，形成直鏈淀粉。支鏈淀粉分解成葡萄糖最終需要脫支酶的參與。根據底物特異性差異，脫支酶分為幾種：低聚葡萄糖苷酶、淀粉-1，6-葡萄糖苷酶、異淀粉酶、普魯蘭酶。脫支酶的應用主要以普魯蘭酶和異淀粉酶為主，但普魯蘭酶和異淀粉酶對底物的特異性存在差異。當分支點處葡萄糖殘基數量大于2時，普魯蘭酶就切斷α-1，6-糖苷鍵，其作用底物的最小單位為麥芽糖基麥芽糖。異淀粉酶在分支點的葡萄糖殘基少于3個時就不能發揮作用，其作用底物的最小單位為麥芽三糖和麥芽四糖。

    4· 我國淀粉酶的生產及應用現狀

    我國酶制劑行業起步于1965 年成立的無錫酶制劑廠，經過數十年的發展，技術水平有了很大的提升。但還存在酶的品種少，自主開發能力弱，后處理工藝落后等問題。與世界先進水平相比，在酶的種類和生產水平上仍有很大差距。以淀粉酶為例，目前國內生產的淀粉酶主要有以下幾種。

    4.1 中溫α-淀粉酶

    由枯草芽孢桿菌7658菌株經深層發酵而成，是一種內切淀粉酶，能隨機水解淀粉分子內部的α-1，4糖苷鍵，產生短鏈糊精和少量的低分子量的糖類，從而使得淀粉糊的黏度迅速下降，即“液化”作用 ，故又稱液化酶。它水解位于分子中間的α-1，4糖苷鍵的概率比水解位于分子末端的概率大，它不能水解支鏈淀粉的α-1，6糖苷鍵，也不能水解緊靠1，6 分支點的α-1，4糖苷鍵，不能水解麥芽糖，但可以水解含有3個或3個以上α-1，4糖苷鍵的低聚糖，其水解速度隨底物聚合度減少而降低。其最適作用溫度70~80 ℃，在70~90 ℃之間，隨著作用溫度升高，其反應速度加快，但失活也加快。pH值6.0~7.0較穩定，最適作用pH值6.0~6.4，pH值5.0以下失活嚴重。該酶已被廣泛應用于啤酒、酒精、味精、淀粉、糖、飼料、紡織、印染等行業，也是飼料工業中應用最廣泛的淀粉酶。其缺點是最適作用溫度高，為70~80 ℃，pH值5.0以下失活嚴重。

    4.2 糖化酶

    糖化酶又稱葡萄糖淀粉酶，是由黑曲霉（As?pergilusniger）經液體深層發酵而成。它是一種外切酶，能從淀粉的非還原性未端水解α-1，4糖苷鍵產生葡萄糖，也能緩慢水解α-1，6糖苷鍵，轉化為葡萄糖。水解α-1，6糖苷鍵的速度大約是水解α-1，4糖苷鍵速度的三十分之一。最適作用溫度是60~62 ℃，最適作用pH值為4.0~5.0。產品廣泛用于生產白酒、黃酒、酒精、啤酒；用于以葡萄糖作發酵培養基的各種抗生素、有機酸、氨基酸、維生素的發酵；也用于生產各種規格的葡萄糖，在飼料行業也有應用。該酶的缺點是它是一種外切酶，酶解效率低。

    4.3 耐高溫α-淀粉酶

    采用地衣芽孢桿菌(Bacillus Licheniformis)，經液體發酵而成，能在較高的溫度下水解淀粉分子中的α-1，4糖苷鍵，從淀粉分子內部任意切割成長短不一的短鍵糊精和少量的低聚糖，從而使淀粉糊的黏度迅速下降。若液化時間長，還會產生少量的葡萄糖和麥芽糖。最適pH值范圍6.0~6.2，最適溫度范圍95~97 ℃。主要應用于啤酒釀造、酒精生產、味精、飴糖和葡萄糖等工業。由于其作用溫度太高，在飼料工業中很少有應用。

    4.4 真菌α-淀粉酶

    真菌α-淀粉酶是由曲霉屬微生物發酵產生的一種內切型α-淀粉酶。因其最適作用溫度較中溫α-淀粉酶低20~30 ℃左右，亦稱為低溫α-淀粉酶。它可以迅速水解直鏈淀粉和支鏈淀粉內部的α-1，4糖苷鍵，水解淀粉的產物主要是短鏈糊精、高含量的麥芽糖和一些低聚糖及少量的葡萄糖。真菌α-淀粉酶可用于對淀粉液化和糖化（葡萄糖和麥芽糖），最適作用溫度為45~55 ℃左右，在pH值為4.0~6.6時具有較高的酶活，最適作用pH值為4.8~5.4，主要應用于淀粉糖漿、低聚糖、啤酒、烘焙食品、面制品等的生產。目前，世界上有諾維信、丹尼斯克等少數幾家大型酶制劑公司擁有較高的真菌α-淀粉酶生產技術，而國內真菌α-淀粉酶的生產起步較晚，發酵水平低，生產成本較高，因此在飼料行業應用不廣，在一些高檔飼用酶制劑中有使用。

    5 ·飼用淀粉酶存在的問題及展望

    目前對于飼料專用淀粉酶的研究開發較少，一般均采用食品加工、化纖、印染等工業用酶，如上文提及的中溫α-淀粉酶是目前飼料工業中應用最多的淀粉酶，它屬于一種高效的內切淀粉酶，其缺陷是最適作用溫度為70~80 ℃，在動物體溫（37~42 ℃）的溫度條件下活性較低，最適作用pH值為6.0~6.4，pH值5.0以下失活嚴重。糖化酶是一種外切型淀粉酶，酶解效率低，作為飼料酶制劑使用，意義不大。

    由此可見，飼料工業缺乏專門針對動物生理特點而開發的淀粉酶，從動物消化生理特點來看，飼用淀粉酶應具備：①在動物體溫（37~42 ℃）的溫度條件下能發揮較高的活性；②最適pH值與消化道內食糜的pH值相一致；③對淀粉有較高的酶解效率（內切酶）；④具有良好的穩定性，包括在飼料高溫制粒過程中的穩定性、保存過程中的穩定性以及在動物消化道中對胃酸、胃蛋白酶、胰蛋白酶、金屬離子等的耐受性。

    真菌α-淀粉酶是一種內切型α-淀粉酶，同時具有液化和糖化作用，并且其最適作用溫度、最適作用pH值和動物消化道相吻合，是一類理想的飼用淀粉酶，雖然應用效果好，但目前生產成本較高，在飼料工業應用不多。因此，如何開發高效、低成本的真菌α-淀粉酶對提高飼料利用率，節約飼料資源，增進動物健康、降低污染物排放具有重要意義。另外，研究幾種不同淀粉酶的組合（如α-淀粉酶和脫支酶的組合）利用有利于提高酶解效率，也有著廣闊的發展空間。