α-淀粉酶在畜禽生产中的作用机理及应用进展

α-淀粉酶在畜禽生产中的作用机理及应用进展摘要随着近代酶技术及生物技术的发展，高效能生物活性物质——酶制剂已能大规模地工业化生产，并被应用于饲料工业中，许多实验和实际应用结果都表明，饲用酶制剂作为一种饲料添加剂能有效地提高饲料的利用率、促进动物生长和防治动物疾病的发生，与抗生素和激素类物质相比，具有卓越的安全性，引起了全球范围内饲料行业的高度重视。饲用酶种类繁多，淀粉酶作为其中的一种，在畜禽生产中取得了相当好的效果。本文主要介绍淀粉酶的组成、基本性质以及在畜禽生产中的应用。关键词：α-淀粉酶畜禽生产作用机理应用进展正文：1、α-淀粉酶的简介1.1α-淀粉酶的定义淀粉酶是一类能分解淀粉糖苷键的酶的总称，广泛存在于动植物和微生物中，是利用最早、用途最广、工业产量最大的酶制剂品种。按照水解淀粉酶的方式，淀粉酶主要可分为四大类：α-淀粉酶（α-amylase）、β-淀粉酶（β-amylase）、葡萄糖淀粉酶（glucoamylase）和异淀粉酶（isoamylase）。［1］其中，α-淀粉酶（α-1，4-葡聚糖-4-葡聚糖苷酶，EC3.2.1.1）多是胞外酶，其作用于淀粉时可从分子内部随机地切开淀粉链的α-1，4糖苷键，而生成糊精和还原糖，产物的末端残基碳原子构型为α-构型，故称α-淀粉酶。［2］-［3］1.2α-淀粉酶的分类和结构依α-淀粉酶产物不同可将它们分为糖化型和液化型两种：液化型α-淀粉酶，能将淀粉酶快速液化，其终产物为寡聚糖和糊精：糖化型α-淀粉酶有较强的酶切活性，在水解可溶性淀粉时，随着水解时间的延长而产生寡聚糖，麦芽糖直至葡萄糖。按照其使用条件可以分为低温型、中温型、高温型、耐酸耐碱型。按产生菌不同又可以分为细菌、真菌、植物和动物淀粉酶。［4］研究表明所有α-淀粉酶均为分子量在50ku左右的单体，由经典的三个区域（A、B、C）组成：中心区域A由一个（β/α）8圆筒构成；区域B由一个小的β-折叠突出于β3和α3之间构成；而C-末端球型区域C则由一个Greek-key基序组成，为该酶的活性部位，负责正确识别底物并与之结合。为保持α-淀粉酶的结构完整性和活性，至少需要一个能与之紧密结合的Ca2+，而Cl-往往是α-淀粉酶的变构激活因子，并且在所有Cl-依赖性的α-淀粉酶中，组成催化三联体的残基都是严格保守的。［5］-［6］具有淀粉结合位点（SBD）的α-淀粉酶的三维模型图［7］1.3α-淀粉酶的基本性质微生物α-淀粉酶在pH5.5-8稳定，pH4以下容易失去活性，酶活性的最适pH为5-6，每分子酶含1克原子Ca2+，Ca2+对淀粉酶有稳定作用，可减少因加热、加酸所引起的变性，还可保护淀粉酶不受蛋白酶的水解，但Ca2+浓度过高对酶的活性有抑制作用。α-淀粉酶中含一定量的糖类残基，对维持酶的稳定性有重要影响；一些微生物酶蛋白中缺乏暴露的SH键或二硫键，这可能使酶具有耐热、耐酸碱的特性。［8］2、α-淀粉酶的作用机理α-淀粉酶（α-1，4-葡聚糖-4-葡聚糖苷酶，EC3.2.1.1），以糖原或淀粉为底物，从分子内部切开α-1，4键而生成糊精和还原糖，产物的末端的葡萄糖残基C1碳原子为α-构型。α-淀粉酶对于直链淀粉的作用，第一步是将直链淀粉任意地迅速降解为小分子糊精、麦芽糖和麦芽三糖，第二步缓慢地将第一步生成的低聚糖水解为葡萄糖和麦芽糖。由于α-淀粉酶不能切开支链淀粉分支点α-1，6键，也不能切开α-1，6键附近的α-1，4键，但能越过分支点而切开内部的α-1，4键，因此水解产物中除了含葡萄糖、麦芽糖以外，还残留系列具有α-1，6键的极限糊精和含四个或更多葡萄糖残基的α-1，6键的低聚糖。［9］3、α-淀粉酶在畜禽生产中的应用畜禽生产实际上是高度组织化了的体内合成和分解的结果，它包含消化、吸收、代谢、同化等一系列生理生化现象。因此，在畜牧业生产中，首先面临着如何解决营养物质进入体内后，尽可能多的被机体所消化、吸收。近年来，酶制剂的应用被看做是提高畜牧业生产效率的有效手段之一。3.1α-淀粉酶在猪生产中的应用3.1.1α-淀粉酶在断奶仔猪中的应用断奶仔猪体内消化酶系统尚未发育成熟，断奶后从吸收易消化的初乳，转为以谷物为主的日粮，常造成消化不良引起的腹泻，因此，在仔猪饲料中添加以淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶为主的外源酶制剂，对内源酶进行调整。弥补仔猪早期各种消化酶的缺乏，保证仔猪正常消化吸收功能。前苏联科学家在早期断奶仔猪日粮中添加淀粉糊精酶，使得日增重提高14.6%，碳水化合物消化率提高77.2%。据美国有关资料报道，Collier在早期断奶仔猪日粮中补充酶制剂（含蛋白酶、淀粉酶、葡聚糖酶）。结果实验组比对照组日增重提高了25%，饲料转化率提高了15.5%。［10］3.1.2α-淀粉酶在育肥猪中的应用在生长肥育猪饲料中添加以淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶为主的外源酶制剂，其主要作用是改善饲料的营养价值。西德学者曾多次进行育肥猪添加复合酶制剂的实验研究，在以大麦为主的日粮中，添加0.1%的复合酶制剂，结果为：实验组比对照组生长速度提高5.1%，饲料利用率提高4.1%。3.2α-淀粉酶在养禽业中的应用3.2.1α-淀粉酶在肉鸡生产中的应用在中国，肉鸡饲料以玉米和豆粕为主，玉米—豆粕型日粮属于低粘度日粮。过去多数的研究认为玉米较其他禾谷类饲料容易消化吸收，且不会引起肉鸡食糜粘度升高，因而其在肉鸡中不存在消化不良的问题，研究认为玉米中淀粉消化率高达98%。但Pack（1995）测定玉米淀粉、脂肪在肉鸡回肠消化率时发现其淀粉消化率只有82%（4—21日龄），同时发现玉米中许多营养物质的消化发生在后肠，而后肠养分的吸收率较低，只能提供少量可利用能量。Noy（1995）在显微镜下观察到肉鸡回肠末端存在大量未消化的玉米胚乳微粒，这说明肉鸡对玉米的消化率并不象想象中的那么高。豆粕中除含蛋白酶抑制剂、植物凝集素之外，还含有约7%的非淀粉多糖，如：阿拉伯木聚糖、果胶以及α-半乳糖苷类寡聚糖，这些物质不能被家禽消化道酶消化。在IRTA，S进行的一个肉鸡实验表明，当肉鸡日粮中豆粕含量为40%时，添加α-半乳糖苷酶（5009/t），豆粕的代谢能提高了11%。Fransiseo等（1999）在饲料中添加α-半乳糖苷酶，家禽对大豆粕中氨基酸和蛋白质消化率提高了3—5%，可消化氨基酸提高了6—8%。生产型日粮中添加有淀粉酶、中性蛋白酶和脂肪酶组成的复合酶制剂，提高日粮总能代谢率3—7%，粗蛋白代谢率16—22%，肉鸡日增重提高5.7—13.5%，饲料转化率改善2.35—8.63%。欧洲51个实验结果表明玉米—豆粕型日粮中添加一种叫“爱维生1500”的商品酶制剂（含蛋白酶、淀粉酶和木聚糖酶）可使肉鸡的体增重提高2.2%，FCR改善2.8%。［12］3.2.2α-淀粉酶在蛋鸡生产中的应用在蛋鸡日粮中添加适量的酶制剂，有利于鸡体内营养物质的沉积，提高蛋鸡的生产性能。在蛋鸡日粮中添加一定比例的酶制剂（淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶）能使可溶性非淀粉多糖（NSP），如纤维素、半纤维素、β-葡聚粉、木聚粉、果胶分解成可利用的多糖类，并能有效破坏细胞壁中非水溶性屏障性抗营养因子，进而有利于细胞内营养物质的释放，同时有效缓解水溶性NSP导致的食糜粘度过大，从而提高饲料利用率，降低粪便粘度，有效减少脏蛋数量，肠道内有害微生物的繁殖及降低排泄物中有机物的含量，具有一定的经济效益和环保效益。［13］3.3α-淀粉酶在反刍动物中的应用粗饲料是全世界反刍动物生产的支柱，但由于粗饲料细胞壁消化率的限制，由粗饲料转化为肉和奶制品的效率有限。植物细胞壁占常规粗饲料干物质含量的40—70%。即使在非常理想的饲喂条件下，细胞壁在整个消化消化道的降解率仍低于65%。因此，粗饲料消化率低下是限制反刍动物生产性能充分发挥的一个重要因素。［14］从20世纪60年代开始，人们就试图通过添加外源酶制剂来改善粗饲料的消化率。现如今，取得了比较显著的效果。大量的实验结果和生产实践已表明，在饲料中添加外源酶制剂（淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等）可改善肉牛的日增重和饲料转化率，明显提高奶牛的产奶量，对反刍动物生产性能的提高有明显的促进作用。但是，由于反刍动物消化道内营养物质消化和代谢的复杂性，这些结果具有很大的不稳定性。3.4α-淀粉酶在水产动物中的应用目前，酶制剂的研究主要集中在外源酶在畜禽饲料中的应用，在水产动物生产中的应用还处于摸索阶段。鱼类对蛋白质的要求特别高，蛋白质水平一般要求在40—50%，这是因为鱼类体内蛋白酶的活性高，淀粉酶的活性低。据营养学方面的研究，鱼类对蛋白质的消化利用率为78—93%，对淀粉的消化利用率只有26—46%。因此，大多数鱼类不能充分利用淀粉作为能量，于是蛋白质除了构成鱼体蛋白以外，还要作为能源消耗掉，会造成蛋白质的浪费，由于蛋白质是昂贵的饲料原料，因此鱼虾饲料价格都比较昂贵。在饲料中添加淀粉酶和糖化酶后，可以补充水产动物严重缺乏的淀粉酶，将淀粉的消化吸收率提高到80%以上，从而起到增加饲料能量、提高饲料利用率、减少蛋白质作为能量消耗的作用，进而达到降低饲料成本的目的。［15］4、α-淀粉酶的发展前景我国人均占有粮食不足400kg，粮食的短缺是困扰我国饲料工业发展的主要因素。因此，要选择有利于节约粮食资源的畜牧业发展道路，提高饲料利用率，充分利用有限的粮食资源获得尽可能多的畜产品。α-淀粉酶等酶制剂的使用，能有效的解决这个问题，从目前在生产、实验中的实际应用效果可以看出，其作为饲料添加剂用于畜牧业生产中已成为必然。近年来我国酶制剂工业蓬勃发展，品种和产量也在不断增加。但是同国外酶制剂行业相比尚有一定的差距。国外α-淀粉酶发酵水平达到900U/ml，而我国常温α-淀粉酶活力为300—500U/ml，并且我国α-淀粉酶剂型、品种和生产菌株都很单一。为适应畜牧业经济发展的需要，应加强α-淀粉酶以下几个方面的研究：①α-淀粉酶下游工程的研究，研制不同酶制以及不同剂型的酶制剂；②加强菌种的筛选和诱变育种工作；③加强基础理论的研究，如α-淀粉酶的饲喂方式及最佳用量与其他添加剂间的相互作用等。［15］小结：在畜禽饲料中添加α-淀粉酶，能显著提高畜禽对饲料的消化吸收，促进生长，降低饲料成本，并且作为一种绿色饲料添加剂，它的使用具有安全性，有利于畜牧业生产走上经济节约型的发展道路，在畜牧业生产中具有里程碑式的意义。参考文献：［1］陈运中淀粉酶的性质和分类［J］武汉粮食工业学院学报1990，1：15-22［2］韩萍魏云林α-淀粉酶低温适应性分子机制的研究进展微生物杂志2006，26：4［3］Janecek,Sα-amylasefamily:MolecularbiologyandevolutionJProgBiophysMolBiol1997,67:67-97［4］李金霞蔡桓路福平等地衣芽孢杆菌耐高温α-淀粉酶基因在大肠杆菌中的克隆表达及其产物的分泌［J］生物技术1994，4（3）：1-5［5］FellerG,Bussy,O,Houssier,C,etal.StructuralandfunctionalaspectsofchloridebindingtoAlteromonashaloplanctisα-amylaseJ.JBioChem,1996,271:23-83［6］AghajariN,FellerG,GerdayC,etalStructuralbasisofα-amylaseactivationbychlorideJProteinScience,200211:1-435［7］孙连海α-淀粉酶结构和功能关系的研究河北农业大学2006：4-5［8］张树政酶制剂工业［M］北京科学出版社1998：456-486［9］钱海丰赵晓娟赵心爱α-淀粉酶基因表达的调控［J］西北农业学报200312（4）［10］陈喜斌饲料学科学出版社188-189［11］蒋正宇周延民王恬外源α-淀粉酶对肉仔鸡消化器官发育及小肠消化酶活性影响的后续效应畜牧兽医学报2007，38（7）：672-677［12］宋连喜周丽荣复合酶制剂对产蛋鸡生产性能的影响