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    飼用淀粉酶的應用現狀及分析

    作者: 百度百科 來源: 百度百科 時間:2018年11月22日
      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
      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,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。其適合作用溫度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。適合作用溫度是60~62 ℃,適合作用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。適合pH值范圍6.0~6.2,適合溫度范圍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。因其適合作用溫度較中溫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),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,適合作用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多的淀粉酶,它屬于一種有效的內切淀粉酶,其缺陷是適作用溫度為70~80 ℃,在動物體溫(37~42 ℃)的溫度條件下活性較低,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,并且其適作用溫度、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,如何開發有效、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。

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