异淀粉酶的应用

异淀粉酶的应用异淀粉酶在饲料工业中的应用价值（1中国农业大学水利与土木工程学院；2生物能源持续开发利用教育部工程研究中心；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学院；5云南大学生命科学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一一蛋白酶、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。饲料中不仅有营养物，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历史，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，都能不同程度地降低食糜黏稠度，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，降低养殖成本，减少粪便中有机物及磷和氮的排放量，减轻畜禽养殖对环境的污染。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产品体内的某些病原体，防止一些疾病的发生，提高畜禽及水产养殖的整体效益。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a-1，4-葡萄糖苷键聚合形成的直链淀粉和在a-1，6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，淀粉酶的使用占有重要地位。按照水解淀粉方式的不同，主要的淀粉酶分为4大类型：a-淀粉酶、糖化酶、P-淀粉酶和淀粉解支酶。目前，饲用酶制剂中常用的淀粉酶有。-淀粉酶、糖化酶（葡萄糖淀粉酶）和6-淀粉酶。a-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a-1，4-糖苷键，产生各种类型的寡糖，可使底物黏度迅速降低，不能水解a-1，6-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a-1,4-糖苷键和a-1,6-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；6-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a-1，4-糖苷键，产生相对低分子质量并带有6-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a-1，6分支点去进攻另一侧的a-1，4-糖苷键，主要产物为麦芽糖及6-极限糊精。饲料工业用淀粉质原料大部分含有70%〜80%的支链淀粉，支链淀粉是由a-1，4-葡萄糖链通过a-1，6-糖苷键产生侧枝而形成高度分支的多糖，由于每隔20〜25个葡萄糖单位就有一个支链点，支链淀粉含4%〜5%的a-1，6-糖苷键。因为糖化酶对淀粉中的a-1，6-糖苷键作用力较弱，即使a-淀粉酶与糖化酶联合使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a-1，6-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、马铃薯、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a-1，6糖苷键的酶存在。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，有不少细菌和某些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。国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。国内虽然从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饱杆菌，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笆，是至今为止国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。近几年来，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中心一直致力于产异淀粉酶菌株的分离筛选及酶学性质研究。从云南全省各地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，其中有一株枯草芽饱杆菌在含可溶性淀粉的LB平板上50°C培养24h,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a-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55C，pH5，酶活为87.45U/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,具有良好的应用前景。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-1，6-葡萄糖苷酶和支链淀粉-6-葡聚糖水解酶等同属淀粉脱支酶。异淀粉酶能专一性地切开支链淀粉分支点的a-1，6-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6-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a-1，6-糖苷键，而不能水解直链分子中的a-1，6-糖苷键。由于异淀粉酶对底物中a-1，6-糖苷键位置的特异性强，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，异淀粉酶可单独使用，也可与其他酶配合使用。单独使用，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6-淀粉酶配合使用可生产高麦芽糖；与其他淀粉酶（a-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶）配合使用，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、细菌和某些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差异。一般而言，酵母异淀粉酶最适pH为6〜6.8，最适温度为20〜25°C；产气气杆菌10016菌株异淀粉酶最适pH为5.6〜7.2，最适温度为45〜50C;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pH为5，最适温度为60C，在pH5.5〜5.7时酶最稳定。金属离子对异淀粉酶活性有影响，一般受Mg2+和Ca2+轻微激活，但受到Hg2+、Cu2+、Fe3+和A13+等的抑制；而钙离子能提高异淀粉酶pH稳定性和热稳定性。异淀粉酶的酶学特性对其在工业中的应用，具有重要的参考价值。以淀粉质为原料的淀粉糖加工、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，并且不同动物种类和不同的生长阶段，动物体内产生的酶种类和数量并不相同，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，消化系统的发育还不完善，消化酶，尤其是蛋白酶和淀粉酶分泌还不足，是使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a-淀粉酶、糖化酶和6-淀粉酶，这几种酶无论是作为单酶使用还是作复合酶使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。异淀粉酶只水解糖原或支链淀粉分枝点的-1,6糖苷链，切下整个侧枝，形成长短不一的直链淀粉。异淀粉酶对底物的作用特点，可以从其对糯米淀粉作用后产物的特性得到证实。当异淀粉酶作用于糯米淀粉时，随着解支作用的进行，碘色反应由红变兰，还原力增加，在丁醇中发生沉淀，淀粉溶液变为易于老化，出现了直链淀粉的特征。异淀粉酶与其他淀粉酶配合使用时，一个引人注目的现象是，可使淀粉糖化完全。目录1简介2原理3应用1简介异淀粉酶的性质在淀粉酶分类中,通常将异淀粉酶排在最后,它是淀粉酶类家族中的一名新成员.2原理其实早在1940年由酵母抽提渡中即发现了异淀粉酶但对异淀粉酶的酶学特性认识却经历了一段不算太短的时间.\表淀粉酶分类常用名作用的键主要生成物来辑0一淀粉酶1.4葡萄糖动物（睡液.胰脏）期精细曹，霉菌麦芽糖植糟（麦芽）淀粉酶1.4麦芽糖大豆.山芋，鲴膏糖化蘸1.41.6葡萄糖动物.霉曹.细曹.群母异捷粉辞】.6直链期精植绚蜘曹群母当时.对如下现象的结论显然是错误的.该酶与糯米淀粉液作用.能引起混浊.并于数日后发生白色沉淀，如以碘反应运渐变为蓝色.这种碘反应的变化与用酸和淀粉酶等分解淀粉时的变化恰好相反，因而当时误认为该酶有合成淀粉作用，而将其命名为淀粉合成酶.后来.随着淀粉化学的进展，对淀粉酶有了更深入的了解.认识到上述碘反应颜色的变化是与支链淀粉和直链淀粉的性能有关，所谓淀粉合成酶实际上是切断'6糖苷键的酶.放将该酶重新命名为异淀粉酶.异淀粉酶.广泛存在于自然界.在植物中.如大米，蚕豆，马铃薯,麦芽和甜玉米等均发现有异淀粉酶的存在.在高等动物的肝脏，肌肉中亦有类似于异淀粉酶的分解II一1,6糖苷键的酶存在.微生物中能够产生异淀粉酶的菌种很多.除最初以酵母中发现异淀粉酶外,后来发现，不少细菌和某些放线菌均能产生异淀粉酶.而且还了解到，不同来源的异淀粉酶对于底物作用的专一性有所不同.3应用主要表现在对于各种支链多聚糖以及茁霉多糖的分解能力上.轻工业部食品发酵工业研究所经过多年的研究.选育到一株可甩于工业化生产的产气气杆菌(),编号为065-10该菌产生的异淀粉酶能分解茁霉多糖及糯米淀粉分子中的,6糖苷键.所谓茁霉多糖.其构造根据1965年-]]等的研究,它是含1.4键聚麦芽三糖，在其两端有,6键，如此反复聚合成直链状葡聚糖.由培养产气气杆菌1065-1获得的异淀粉酶.其特性为:1.底物专一性.该酶能专一地分解糯米淀粉及茁霉多糖分子中的1,6糖苷键.主要产物为麦芽三糖.4.异淀粉酶近年来，人们在开发改善可食淀粉包装膜性能方面做了大量细致工作，但到目前为止几乎没有淀粉基包装膜得到工业化生产和实际商业应用，这主要是由于现有可食性淀粉包装膜力学性能较差，抗水稳定性不够理想。因此,淀粉膜性能改善