饲用淀粉酶的应用现状及分析

■闫祥洲吴 勃

(1.河南省农业科学院，河南郑州 450002；2.杭州保安康生物技术有限公司，浙江杭州 311508)

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。

（参考文献10篇，刊略，需者可函索）