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                异淀粉酶在饲料工业中的应用价

                王晓燕1234  廖昌珑1235  杨云娟234  李俊俊234  唐湘华234  黄遵锡1234

                1 中国农业大学水利与土木工程院;2 生物能源持续开发利用教育部工程研究主导;

                3 云南师范大学酶工程重点实验室;4 云南师范大学生命科学院;

                5 云南大学生命科学院省工业微生物发酵工程重点实验室)

                在动物体内,营养物质的消化和吸收过程中,酶起着非常重要的促进作用。一般情况下,动物自身能分泌消化酶——蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等,进入消化道,对其摄入的蛋白、脂肪和淀粉等营养物质进行降解,成为能被吸收的小分子,如:氨基酸、脂肪酸、甘油和葡萄糖等。饲料中不光有营养物,还有大量的结构性多糖,如:果胶、纤维素、甘露聚糖、木聚糖及抗营养物植酸等,而动物(尤其是反刍动物)自身不能产生或分泌降解这些结构性多糖及抗营养物的酶(果胶酶、纤维素酶、甘露聚糖酶、木聚糖酶和植酸酶),因而为了降解这些结构性抗营养物,显著提高饲料的利用率,添加于饲料中的酶,一般是消化酶(蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶)和非消化酶制成的复合酶制剂。

                饲用酶制剂的研究与应用已有十多年的史,大量研究表明:饲用酶制剂是一种高效、无毒且无残留的绿色饲料添加剂。饲用酶制剂中非消化酶和消化酶的添加,都能不同档次地降低食糜黏稠度,促进营养物质的消化和吸收,提高饲料利用率。非消化酶的添加可破坏植物细胞壁,降低食糜黏稠度,消除饲料抗营养物的有害作用;消化酶的添加可补充内源消化酶的不足,促进消化机能的改善与养分的吸收利用,提高饲料的生物转化率,促进畜禽的生长发育与生产性能,降低繁育成本,减少粪便中有机物及磷和氮的排放量,减轻畜禽繁育对环境的污染。另外,由于无毒、无残留和不产生抗药性,饲用酶制剂还可作为抗生素添加剂的替代品,添加溶菌酶可杀灭畜禽及水88老虎机手机版式体内的几许病原体,防止一些疾病的发生,提高畜禽及水产繁育的整体效益。

                谷物(如玉米、高粱、麦类和豆类)中的淀粉是畜禽饲料中糖类的主要来源,淀粉是由葡萄糖单体通过α-14-葡萄糖苷键聚合形成的直链淀粉和在α-16位有分支的支链淀粉组成的混合物。饲料中的淀粉只有被水解成为葡萄糖单体,才能被动物消化道有效吸收。因而,饲用酶制剂中,作为外源性辅助消化酶,淀粉酶的应用占有重要地位。按照水解淀粉方式的不同,主要的淀粉酶分为4大类型:α-淀粉酶、糖化酶、β-淀粉酶和淀粉解支酶。目前,饲用酶制剂中常用的淀粉酶有α-淀粉酶、糖化酶(葡萄糖淀粉酶)和β-淀粉酶。

                α-淀粉酶是内切型糖苷酶,它以随机的方式水解葡聚糖非链端处的内部α-14-糖苷键,产生各类别型的寡糖,可使底物黏度迅速降低,不能水解α-16-糖苷键,但能跨越;糖化酶属于外切型糖苷酶,可从非还原末端催化α-14-糖苷键和α-16-糖苷键水解断裂,逐个切下葡萄糖单元,产生葡萄糖,但后者的水解速率极慢;β-淀粉酶,属于外切型糖苷酶,从非还原末端的外侧每隔2个葡萄糖单位水解α-14-糖苷键,产生对立低分子品质并带有β-D构型的单一类型产物,作用于支链淀粉产生极限糊精,不能越过α-16分支点去进攻另一侧的α-14-糖苷键,主要产物为麦芽糖及β-极限糊精。

                饲料工业用淀粉质原材料大部分含有70%~80%的支链淀粉,支链淀粉是由α-14-葡萄糖链通过α-16-糖苷键产生侧枝而形成高度分支的多糖,由于每隔2025个葡萄糖单位就有一个支链点,支链淀粉含4%~5%的α-16-糖苷键。因为糖化酶对淀粉中的α-16-糖苷键微重力较弱,即使α-淀粉酶与糖化酶联合应用对淀粉的最高转化率DE值为96%,支链淀粉不被分解则影响饲料中淀粉的彻底利用。因而,饲用酶制剂中添加专一水解α-16-键的异淀粉酶,可极大提高淀粉的水解速度及最终水解度。理论上可使淀粉彻底水解。

                1异淀粉酶的来源

                异淀粉酶是淀粉酶家族的重要成员,属于解支酶的一种。自然界中,异淀粉酶来源广泛。目前已在许多植物(如大米、蚕豆、土豆、麦芽和甜玉米)中发现有异淀粉酶(R-酶)。高等动物的肝和肌肉中亦有类似于异淀粉酶的分解α-16糖苷键的酶在。微生物是工业用异淀粉酶的主要来源。微生物中能产生异淀粉酶的菌种很多,最初由日本学者从酵母细胞提取液中发现,后续的研究者发现,有不少细菌和几许放线菌均能产生异淀粉酶。但能满足工业化生产的菌种还比较难得。

                酶制剂中的异淀粉酶主要由微生物发酵制造。海内外常用的微生物有产气气杆菌ATCC9621、产气气杆菌10016菌株、假单胞菌、链霉和酵母等。目前,世界上只有丹麦的Novo公司具备异淀粉酶的工业化生产能力,我国工业所用异淀粉酶全部从Novo公司进口,价格相当昂贵,极大限制了异淀粉酶在我国的应用。因此,如何降低酶成本,寻找一条国产化生产异淀粉酶的途径,成为酶制剂行业努力的方向。

                海内虽然从1973年就开始解支酶的研究工作,但一直局限于微生物(典型菌株产气气杆菌来源的普鲁兰酶和高等植物(如麦芽)来源的R-酶(植物支链淀粉脱支酶)。近年来,王弋博等研究的中温地衣芽孢杆菌,其出发菌株的异淀粉酶活达到3.35U/mL,诱变后酶活提高到7.37U/mL。夏静等从云南梁河温泉水样中分离筛选到一株产异淀粉酶的栖热菌,其产酶的初始酶活达4.14U/mL。王武等对短杆菌异淀粉酶产生菌进行选育及酶作用性质的研究,结果发现,摇瓶发酵液中酶活单位最高可达520U/mL,酶作用最适pH可低至5,最适温度可高至55℃,是迄今为止海内较为优良的产异淀粉酶菌株,但未见其工业化生产的报道。

                近十五日来,云南师范大学酶工程重点实验室和生物能源持续开发利用教育部工程研究主导一直致力于产异淀粉酶菌株的分离筛选及酶学性质研究。从云南全省各方温泉和土壤中分离鉴定了数10株产异淀粉酶的菌株,结果发现,其中有一株枯草芽孢杆菌在含可溶性淀粉的LB平板上50℃培植24 h,产生典型的变色透明圈;以普鲁兰糖为底物,用DNS法测酶活力,无酶活力;以可溶性淀粉为底物,用国标法测α-淀粉酶活力,也无活力。而以1%玉米支链淀粉为底物,用DNS法测酶活力,测定条件:温度55℃,pH 5,酶活为87.45 U/mL。可见,该菌所产异淀粉酶,酶系纯,除了异淀粉酶活力,测定不出其他淀粉酶活力;该酶底物专一性强,最适pH可低至5,具有良好的应用后景。

                2异淀粉酶的作用原理

                异淀粉酶是一种内切型淀粉酶,与普鲁兰酶、寡-16-葡萄糖苷酶和支链淀粉-6-葡聚糖水解酶同等属淀粉脱支酶。异淀粉酶能专一性地切开支链淀粉分支点的α-16-糖苷键,可剪下整个侧支,形成直链淀粉,它的最小作用底物是63-麦芽三糖基麦芽四糖,不能从β-限制糊精和-限制糊精水解由2个或3个葡萄糖单位构成的侧链,对茁霉多糖的活性很低;只能水解构成分支点的α-16-糖苷键,而不能水解直链分子中的α-16-糖苷键。由于异淀粉酶对底物中α-16-糖苷键部位的特异性强,因而早期被应于淀粉、糖原及其水解产物和其他有关化合物分子结构的理论研究。近年来,异淀粉酶已广泛应用于酶制剂或食品工业的加工助剂,异淀粉酶可单独应用,也可与其他酶配合应用。单独应用,异淀粉酶可改变谷类淀粉性质,使支链淀粉变为直链淀粉,制造粉丝和淀粉膜;异淀粉酶与β-淀粉酶配合应用可生产高麦芽糖;与其他淀粉酶(α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶)配合应用,可使淀粉糖化迅速且完全。

                3异淀粉酶的酶学特性

                微生物来源的异淀粉酶为诱导型胞外酶。酵母、细菌和几许放线菌均能产生异淀粉酶,但不同来源的异淀粉酶对于底物作用的专一性有所不同,对于各种不同聚合度的支链淀粉具有不同的分解能力。酶作用的最适温度和最适pH环境及金属离子对酶的影响都有异样。一般而言,酵母异淀粉酶最适pH66.8,最适温度为2025℃;产气气杆菌l0016菌株异淀粉酶最适pH5.67.2,最适温度为4550℃;放线菌异淀粉酶最适温度较高,如:链霉菌N0.28的异淀粉酶最适pH5,最适温度为60℃,在pH 5.55.7时酶最稳定。金属离子对异淀粉酶活性有影响,一般受Mg2+Ca2+轻微激活,但受到Hg2+Cu2+Fe3+A13+等的抑制;而钙离子能提高异淀粉酶pH家弦户诵和热家弦户诵。

                异淀粉酶的酶学特性对其在工业中的应用,具有重要的参考价。以淀粉质为原材料的淀粉糖加工、食品、饲料和医药等行业,可依据自身的加工条件,选用不同的异淀粉酶,以期达到对淀粉的最充分利用,以减少粮耗和能耗,从而降低生产成本。

                4异淀粉酶在饲料工业中的应用

                酶有高度的专一性和特异性,并且不同动物类别和不同的生长阶段,动物体内产生的酶类别和数量并不相同,因此,根据不同动物和不同生长阶段的特点选用合适的饲用酶制剂,才能有效发挥和提高酶制剂的作用效果。动物的幼龄期,消化系的发育还不完善,消化酶,尤其是蛋白酶和淀粉酶分泌还不足,是应用酶制剂较理想的阶段。一般应选用含有多种消化酶,特别是淀粉酶和蛋白酶为主的酶制剂。由于一般用于饲料的谷物淀粉中,直链淀粉含量仅占20%,支链淀粉含量高达80%,而目前常用酶制剂中的淀粉酶主要为α-淀粉酶、糖化酶和β-淀粉酶,这几种酶无论是作为单酶应用还是作复合酶应用都不能迅速彻底地水解支链淀粉,因而,添加适量的异淀粉酶分解经液化的分分支部分,使其转变为直链淀粉,这样更有利于其他淀粉酶的水解过程。据国外报道,采用此法,饲料中的谷物淀粉的利用率可得到极大的提高。

                (参考文献略,需者可函索)

                 

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