饲料淀粉类酶制剂的营养机理及应用现状

蒋苏苏，段红伟，于 锋

(1.兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020；2.广州威司特生物科技有限公司，广东 广州 510663)

谷物是动物日粮的重要组成成分，而谷物中的淀粉是单胃动物的主要能量来源，其供能占动物需求的60%～80%。一般幼龄动物消化道内淀粉酶和麦芽糖酶活性很低，不能充分消化日粮中的淀粉，大量饲喂淀粉可引起幼龄动物腹泻,而成年动物对淀粉的表观消化率也只有80%～95%。在饲料工业中，淀粉类酶制剂作为一种重要的消化性酶制剂能有效地补充动物在特定条件下内源酶的不足，起到辅助动物消化道酶系，降解淀粉成为易吸收的小分子的作用。

1 日粮中的淀粉

1.1淀粉结构 淀粉是由α-D-葡萄糖单元聚合而成的多糖。不同来源的淀粉，其形状和大小等不同。根据葡萄糖聚合方式及淀粉形态的不同，淀粉分为直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉是以葡萄糖单元经α-1,4糖苷键连接而成的直链状淀粉，分子质量变化较大。直链淀粉还含有相当一部分的分支直链淀粉，分支点隔开很远，物理性质基本上和直线型直链淀粉相同[1]。支链淀粉是一种高分枝的束状结构，主链通过α-1,4 糖苷键连接而成。α-1,6 糖苷键约占总糖苷键4%～5%，相对分子量较大。直链淀粉难溶于水，溶液不稳定，凝成性强，支链淀粉则相反。玉米(Zeamays)和小麦(Triticumaestivum)约含直链淀粉28%，马铃薯(Solanumtuberosum)含21%，木薯(Manihotesculenta)含17%[2]。根据支链淀粉侧链连接方式可将其分为：A型、B型和C型。A型淀粉支链较多且排列分散，B型淀粉支链较少，链与链之间较集中，C型淀粉介于两者之间。体外研究发现，A型淀粉易于动物消化利用，多为谷物类淀粉，B型淀粉经热处理后也难以消化，而C型淀粉消化性介于A型淀粉和B型淀粉之间，大部分为豆类淀粉。

1.2淀粉的分类 根据营养学分类，淀粉可分为:1)快速消化淀粉(Rapidly Digestible Starch，RDS)，即经过加热处理的糊化淀粉，这种淀粉易于消化；2)缓慢消化淀粉(Slowly Digestible Starch，SDS)，即天然淀粉，可被缓慢地完全消化；3)抗性淀粉(Resistant Starch，RS)。Englyst等[3]将抗性淀粉分为3个亚类：1)物理上不可接近的淀粉，阻碍了淀粉酶对其的降解作用。如包裹在食糜内部，或位于部分破碎颗粒或整粒谷物内，谷物颗粒的大小和组成阻止了淀粉酶的作用；2)具有特殊结构或构成，对酶具有高度抗性，影响天然淀粉的消化；3)加工过程中形成的“回生”淀粉。“回生”淀粉又称为老化淀粉，指直链淀粉和支链淀粉组成的淀粉在糊化时分散，但在冷却时分散的分子重新发生聚合形成的结晶体，这种结晶体能抵抗酶的水解作用，也是最主要的抗性淀粉。Brown[4]研究发现，“回生”淀粉在动物体内未经消化可转入肠道后段。Patil等[5]研究了不同的来源的饲料中淀粉的组成(表1)。

1.3淀粉的消化利用 在畜禽体内，淀粉的消化开始于口腔，唾液α-淀粉酶水解淀粉生成寡糖和少量葡萄糖，但作用有限。唾液淀粉酶的最适pH值是6.6～6.8，在食糜进入胃后，唾液淀粉酶的作用被胃酸破坏，胃内没有消化淀粉的酶，但可以受到胃酸的微弱水解。另外，胃的机械作用能够破坏大多数食物的结构，从而使淀粉酶接触到原来被蛋白质网络或细胞壁包埋的淀粉。淀粉的主要消化部位位于小肠，淀粉在消化液中的α-淀粉酶作用下，被分解为麦芽糖、麦芽三糖及α-极限糊精。大分子的α-极限糊精又在小肠分泌的低聚α-极限糊精酶作用下分解为二糖，而后，在胰腺和肠粘膜中的麦芽糖酶、蔗糖酶和乳糖酶作用下最终分解为单糖。Rogel等[6]研究发现，空肠α-淀粉酶活性最强，大部分淀粉可在空肠内消化。

表1 不同饲料的淀粉组成[5]

1.4淀粉性质对畜禽消化利用的影响

1.4.1淀粉颗粒大小、直/支链淀粉比及来源 由于品种及生长阶段的差异，淀粉的颗粒大小、直/支链淀粉的含量与比率及淀粉结晶程度也存在差异。体外法研究发现大淀粉颗粒水解速度较慢，说明淀粉颗粒的大小影响淀粉水解速度，进而影响酶对淀粉的降解。Zobel[7]研究发现，饲料淀粉中直链淀粉含量越高其消化性能越差。Regmi等[8]也证实，体外消化率低且直链淀粉含量较高的淀粉，可增强猪的肠道内营养物质的流动及微生物发酵，选择性地促进后肠末端双歧杆菌的生长。Zhou等[9]研究发现，玉米中的直/支链淀粉比是影响鸭子的真代谢能的主要因素，同时也可作评定玉米生物学效价的重要指标。戴球仲等[10]证实，用直/支链淀粉比不同的日粮饲喂黄羽肉仔鸡，试鸡的腹脂率和食后0.5 h血液中葡萄糖和胰岛素含量受到显著影响。Weuding等[11]研究发现，不同的饲料淀粉在肉鸡体内消化率不同，且在特定消化部位消化率也存在差异，淀粉主要消化部位为肉鸡的空肠。

1.4.2饲料加工处理 饲料在高温、高压、高水分及高机械力作用下，淀粉分子间氢键断裂，产生水化作用，淀粉由生淀粉(β-淀粉)转化为熟淀粉(α-淀粉)，即完成淀粉的糊化作用。在饲料加工过程中，淀粉的本质并没有发生变化，只是淀粉部分发生糊化，或产生少量的老化淀粉。淀粉的水解程度随糊化度增加。胡友军等[12]研究发现，糊化淀粉使仔猪淀粉表观消化率平均提高了6.7%,血糖反应提前且峰值持续较长。许多学者研究了不同饲料加工处理方法及其对饲料淀粉消化部位、消化速率和消化程度的影响。目前，有大量关于饲料加工处理对饲料淀粉消化部位和消化率影响的研究。Hale[13]总结了18种饲料加工方法，并将其分为干处理和湿处理两大类，同时研究发现由于处理方法的不同饲料淀粉的消化出现差异。Muir等[14]发现，到达后肠中的淀粉量与谷物中抗性淀粉的含量及加工方式有关，即抗性淀粉含量越高，如未经蒸煮碾磨等方式处理的谷物，过小肠而未能被消化的淀粉颗粒越多。Tricarico等[15]研究发现，不同加工方式的玉米中添加α-淀粉酶(添加量580或160 DU· kg-1，DM)可提高干物质摄入量和平均体质量日增加量。每千克干物质添加580 DU的α-淀粉酶后，背最长肌的面积最大。Carre等[16]将淀粉来源为小麦、玉米和豌豆(Pisumsativum)的饲料，经粉碎(过2 mm筛)后蒸汽制粒处理，发现淀粉消化率明显增大(表2)。

2 淀粉酶

2.1淀粉酶类型和来源 催化淀粉水解的酶统称为淀粉酶(Amylase)，按照底物水解方式分为4类：α-淀粉酶(α-Amylase)、β-淀粉酶(β-Amylase)、糖化酶(Glucoamylase)和脱支酶(Debranchins enzyme)。微生物中产淀粉酶的菌种非常广泛，通过发酵等工艺，不同的微生物可以产生不同的淀粉酶(表3)。

表2 饲料加工处理对成年肉鸡淀粉消化率的影响[16]

表3 微生物来源的淀粉酶类型[17]

2.2淀粉酶的作用机理及其特性

2.2.1α-淀粉酶 α-淀粉酶是一种内切淀粉酶，以随机切断2-1，4-糖苷键的方式作用于淀粉分子，对分支点的α-1,6-糖苷键无效，且不能越过分支点水解α-1,4-糖苷键，水解后葡萄糖还原末端C1的构型为α-型，故称为α-淀粉酶。直链淀粉子在α-淀粉酶作用下，可迅速水解为麦芽糖、麦芽三糖和较大的寡糖，再进一步水解为麦芽糖和葡萄糖。α-淀粉酶水解淀粉的最初阶段，淀粉分子降解，引起黏性迅速降低，工业上称为液化作用。

酶是有“活性”的蛋白质，其催化活力和稳定性受到很多因素的影响，其中最主要的是温度和pH值。酶都有最适的温度和pH值范围，在此范围内酶活力最好。不同来源的淀粉酶也有其最适温度和pH值范围。芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌所产的α-淀粉酶耐热性最高，其最适温度为90～92 ℃，属耐高温型淀粉酶；枯草杆菌所产的α-淀粉酶，最适反应温度为70 ℃，属中温型淀粉酶；真菌来源的α-淀粉酶，最适温度为55 ℃。通常淀粉酶在pH值5.5～8.0时稳定，在pH值4.0以下时易失活，最适pH值为5.0～6.0。除黑曲霉产生的α-淀粉酶耐酸(pH值2.0～3.0)，其他酶一般不耐酸，pH值低于4.5时易失活。纯化的α-淀粉酶在50 ℃以上容易失活，但在大量Ca2+存在或淀粉的水解产物糊精存在时酶对热的稳定性会增强[17]。

2.2.2β-淀粉酶 β-淀粉酶为外切型淀粉酶，作用于淀粉非还原末端的α-1,4-糖苷键，依次切下一个麦芽糖单位，对分支点的α-1,6-糖苷键无效，且不能跨过分支点水解，生成麦芽糖及大分子的β-界限糊精，产物由α-型变为β-型麦芽糖，故称为β-淀粉酶。β-淀粉酶的活性中心为巯基(-SH)，在氧化剂、重金属离子及巯基试剂作用下可失活，但还原性试剂如谷胱甘肽、半胱氨酸能提高其对热的稳定性。β-淀粉酶和α-淀粉酶作用最适pH值范围基本相同，一般在5.0～6.5,但β-淀粉酶的热稳定性明显低于α-淀粉酶，70 ℃以上均会失活。不同来源的β-淀粉酶差异较大，细菌β-淀粉酶最适作用温度低于50 ℃。此酶的主要产酶菌种有曲霉、根霉和内孢霉。

2.2.3葡萄糖淀粉酶 葡萄糖淀粉酶也称为α-1,4葡萄糖水解酶，俗称糖化酶。糖化酶对淀粉的水解作用与β-淀粉酶相似，从淀粉非还原端开始催化α-1,4糖苷键断裂，水解产物只有葡萄糖。糖化酶专一性较差，水解α-1,4糖苷键的同时，还能以较低的速度催化α-1,6和α-1,3糖苷键的断裂。不同来源的糖化酶最适温度和pH值存在一定差异。黑曲霉的最适温度为55～60 ℃，最适pH值为3.5～5.5；根霉的最适温度为50～55 ℃，最适pH值为4.5～5.5；拟内孢霉最适温度为50 ℃，最适pH值为4.8～5.0。以上这3种是主要的产酶菌种，但其所产糖化酶各有差异。黑曲霉的酶活稳定，能在较高的温度和较低pH值范围内使用，但产物中混有少量葡萄糖基转移酶，影响了葡萄糖的最终产率，根霉和拟内孢霉所产酶不含杂酶。根霉由于不适合深层发酵，工业上很难实现大量生产。目前，我国生产上最常用的是黑曲霉及其突变株发酵培养。

2.2.4脱支酶 脱支酶能高效、专一的切开支链淀粉分支点的α-1,6糖苷键，从而切下支链淀粉的整个侧链，形成直链淀粉。α-1,6糖苷键是淀粉水解利用率低的主要障碍因素。所以，脱支酶和其他淀粉酶的配合使用，能有效提高淀粉利用率。根据水解底物专一性不同，可将脱支酶分为异淀粉酶(Isoamylase)、普鲁兰酶(Pullulanase)、低聚葡萄糖苷酶(Oligo-1-6-glucosidase)和淀粉-1,6葡萄糖苷酶(Amylo-1-6-glucosidase)。

目前，较为广泛使用的脱支酶为异淀粉酶和普鲁兰酶，这两种酶对底物的水解方式各有差异。异淀粉酶能水解分支点的α-1,6糖苷键，但对直链淀粉中的α-1,6糖苷键无作用。其最小作用底物是63-麦芽三糖基麦芽四糖，当分支点葡萄糖残基少于3个时不能发挥作用，对普鲁兰糖(Pullulan)无作用。普鲁兰糖也称为茁酶多糖，是由麦芽三糖两端以α-1,6-糖苷键连接其他麦芽三糖形成的高分子多糖。普鲁兰酶可以作用于直/支链淀粉中的α-1,6糖苷键，水解所要求的底物分子最小。

2.3淀粉酶应用研究 研究表明，在动物日粮中添加淀粉酶，可提高动物的生产性能，改善饲料转化率。Gracia等[18]研究发现日粮中添加α-淀粉酶，可使肉鸡体质量日增加量提高9.4%(P<0.05)，饲料转化率提高4.2%(P<0.05)。蒋正宇等[19]也发现α-淀粉酶的添加，提高了肉鸡前期和后期体质量增加量，且体质量日增加量与添加剂量呈线性关系(P<0.01)，但饲料转化率未受影响。Pavlovic等[20]证实，与基础日粮组相比，实验组降低代谢能5%的同时添加α-淀粉酶，体质量日增加量较基础日粮组高出1.95%，料重比下降0.54%，α-淀粉酶的添加有利于动物健康和提高经济效益。Onderci等[21]研究发现，添加产α-淀粉酶的大肠杆菌到仔鸡饮水中，显著提高了21日龄仔鸡的体质量日增加量(P<0.05)、饲料转化率(P<0.01)及饲料的表观消化率(P<0.01)，但对粗蛋白及脂肪的消化率无显著影响；产α-淀粉酶的大肠杆菌的添加相对减少了胰腺的质量，但对肝脏质量及空肠、回肠等长度无显著影响(P>0.05)。可能是由于禽类消化道较短，内源淀粉酶分泌有限，使得淀粉酶对食糜中淀粉的消化程度受到限制，而添加淀粉酶可弥补内源淀粉酶的不足，提高对淀粉及能量的利用率，进而改善了其生产性能。金立志[22]进行了添加含淀粉酶的复合酶试验，发现该复合酶使肉鸡平均生长速度提高3.5%，饲料转化率提高2.5%～13.9%。刘庆华等[23]研究以玉米-豆粕型为基础日粮，分别添加0.15 kg·t-1淀粉酶、0.20 kg·t-1复合酶和0.20 kg·t-1复合酶+0.15 kg·t-1淀粉酶，发现单独添加淀粉酶能显著提高蛋种鸡对饲料中淀粉、干物质、有机物和能量的利用率与日粮代谢能(P<0.05)；单独或与复合酶联合添加淀粉酶均能显著改善蛋种鸡的产蛋率与料蛋比(P<0.05)，与单独添加相比，两者联合添加有进一步提高养分利用率的趋势，但效果并不明显。以上研究表明，日粮中淀粉酶或含有淀粉酶的复合酶，均可改善动物对养分利用率。淀粉酶的使用对单胃动物淀粉的消化有重要的影响。Tricarico等[15]研究表明，粗饲料[紫花苜蓿(Medicagosativa)、棉仔饼]中添加α-淀粉酶对肉牛胴体品质有显著影响(P<0.05)，棉籽饼添加组提高28～112 d的体质量日增加量(ADG)，并且在其他阶段也趋向提高ADG。在两种来源的粗饲料中，添加α-淀粉酶可提高肉牛背最长肌的眼肌面积(LM)。Klingerman等[24]也证实了外源α-淀粉酶的添加能改善泌乳期奶牛的生产性能。另外，饲料中添加的外源酶对动物机体内源酶的影响一直是人们关注的焦点。外源性酶与畜禽内源性消化酶活性的关系较为复杂，受到动物品种和饲粮类型等多方面的影响。据推测，在饲粮中添加外源性酶制剂，可增加在肠道中进一步分解或吸收的养分量，从而刺激机体消化系统的发育[25]。奚刚等[26]研究玉米-豆粕型饲粮中添加葡萄糖淀粉酶和中性蛋白酶，结果表明，37和67日龄丝毛乌骨鸡的小肠胰蛋白酶、总蛋白水解酶活性明显提高，但对内源性α-淀粉酶和脂肪酶活性无显著影响。杨全明[27]证实了在断奶仔猪料中添加淀粉酶和蛋白酶，对仔猪小肠肠道中淀粉酶、蛋白酶的活性没有影响，但总蛋白酶活性提高。

3 展望

随着饲料工业及养殖业的发展，饲料资源短缺的问题也日渐突出，而玉米作为动物主要的能量来源，需求量持续增大，进口量大幅增加,其价格从2010年上半年上升态势迅猛。淀粉酶制剂的添加可提高谷物类原料的利用率，改善动物生产性能等点。但由于动物自身能产生少量的淀粉酶，使得人们忽视了对淀粉酶的添加利用。再者，几种淀粉类酶制剂组合使用在现在饲料中的研究也越来越多，也是淀粉类酶制剂在饲料工业中应用发展的一个方向。淀粉酶制剂在饲料中的使用仍然处于发展阶段，对淀粉酶的研究内容在不断扩大，如淀粉酶与其他酶制剂的协同关系、对于动物内环境的影响，以及最经济及最有效的添加量等方面。总之，淀粉酶类酶制剂发展有着广阔的前景。

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