淀粉营养及淀粉酶的研究与应用

1 淀粉结构

淀粉(Starch)是由许多葡萄糖分子缩合而成的多糖，化学成分是：C44.4%，H6.2%，O49.4%，化学式(C₆H₁₀O₅)n。

作为能量储藏形式的淀粉，广泛存在于高等植物当中，按结构和来源可分为A型的谷物淀粉（来自玉米、小麦、水稻、大麦、糯米等）；B型的块根块茎淀粉（来自木薯、甘薯、马铃薯）；C型的豆类种子淀粉（来自大豆、豌豆、蚕豆），其他淀粉（如西米）（姚新灵，2001）。

淀粉在植物体内以淀粉粒的形式存在，胚乳造粉体是淀粉粒形成的地方。不同植物来源，淀粉颗粒形态和大小各异，淀粉颗粒的直径从不足1μm到100μm，形状有球形、卵圆形、多角形、混合形等多种，见表1。

淀粉颗粒虽然只含有葡萄糖一种单糖，但其成分并不是均一的，它可以用热水分成两部分：一部分可溶解于热水，水溶液粘度小，称为直链淀粉（Amylose）；另一部分难溶于热水，水溶液成糊状，粘度较高，称为支链淀粉(Amylopectin)。淀粉中的葡萄糖之间的连接存在两种键，一种是α-1,4糖苷键，主要见于直链淀粉；另外一种是α-1,6糖苷键，主要见于支链淀粉，见图1。天然的淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉组成，淀粉的来源不同，两种组分的比例也不同。大多数淀粉含直链淀粉20％～25％，含支链淀粉75％～80％，见表2。

1.1直链淀粉

直连淀粉是由D-葡萄糖通过α-1,4糖苷键聚合而成的直线型大分子，由1000-5000个葡萄糖单元连结而成，基本不分支或很少分支，分子量为10⁵-10⁶kDa。直链淀粉主要通过分子内氢键，使长链分子卷曲形成螺旋形的构象而存在，螺旋的每一圈含有6个葡萄糖单元。这种螺旋构象，在分子链上各极性基团的相互作用下产生弯曲与折叠。

1.2支链淀粉

支链淀粉是多数淀粉的主要成分，支链淀粉除含有α-1,4糖苷键外，还存在许多α-1,6糖苷键的分支，如树枝状，分子量比直链淀粉要大，约为10⁷-10⁹kDa，由5000-50000个葡萄糖单元构成。支链淀粉分支较多，平均20-26个α-1,4糖苷键连接的葡萄糖残基就有一个α-1,6糖苷键分支点。支链淀粉共有A 、B 、C 三种糖链，C 链为支链淀粉的骨架主链，具有一个还原性末端，每个分子只有一个C 链；B 链是经α-1,6- 糖苷键与C 链相连接的分支链；A 链是通过还原性末端与其他链连接的链，是淀粉分子最外侧不含分支的链。A 链与B 链的比值实际上反映了支链淀粉分子的分支化度，分支化度定义为每条B链上所具有的A 链数目（Marshall JJ，1974），见图2。因此，支链淀粉与直链淀粉在物理、化学性质上存在一些差异，见表3。

1.3 直/支链淀粉比对畜禽生产性能的影响

淀粉颗粒大小、非淀粉多糖、日粮油脂水平、内源淀粉消化酶活性、直/支链淀粉比等，都影响畜禽对淀粉的消化率（Cummings J H，1995）。

宾石玉等（2006）研究不同日粮来源的淀粉（玉米、早籼稻糙米和糯米）对断奶仔猪生产性能的影响，发现直链淀粉和支链淀粉的比值大小显著影响断奶仔猪的生产性能，其中玉米组（直/支比为0.23）日增重比糯米组（直/支比为0）高24.53%，料肉比低18.18%。

戴球仲等（2008）分别用直/支链淀粉比为0.11、0.23、0.35、0.47的日粮饲喂黄羽肉仔鸡，结果表明，直/支链淀粉比为0.23的日粮组料肉比最低，日粮大多数氨基酸消化率最高，日粮直/支链淀粉比可能改变消化道中葡萄糖的供给状态，从而影响饲料蛋白质和氨基酸的消化道代谢。

2 饲用外源淀粉酶系

淀粉酶（Amylase）的主要功能是水解淀粉，按其水解淀粉的作用方式不同分为α-淀粉酶（α-Amylase）、β-淀粉酶（β-Amylase）、糖化酶（葡萄糖淀粉酶Glucoamylase）、脱支酶（Debranchins enzyme）。

2.1 α-淀粉酶

α-淀粉酶，也称为内切淀粉酶，主要是水解淀粉分子内部的α-1，4糖苷键，且水解此糖苷键的次序是无规律的；而不能水解淀粉分子内部的α-1，6糖苷键，但可跨越此键水解分子内部的α-1，4糖苷键。α-淀粉酶水解直链淀粉的最终产物是麦芽糖和葡萄糖，而水解支链淀粉的最终产物是麦芽糖、葡萄糖、异麦芽糖和含有α-1，6糖苷键的极限糊精。

2.2 β-淀粉酶

β-淀粉酶，也称为外切淀粉酶，该酶从淀粉分子的非还原性末端开始，水解相间隔的α-1，4糖苷键，依次切下麦芽糖单元，同时发生瓦尔登转位反应（Walden inversion），使产物由α-型转变为β-型麦芽糖。β-淀粉酶只能水解α-1，4糖苷键，而不能水解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；而水解支链淀粉时，因支链淀粉分枝较多，非还原性末端较多，所以麦芽糖生成速度较快。但β-淀粉酶不能水解和跨越α-1，6糖苷键，所以只能水解分支点以外的部分，产生的麦芽糖相当于支链淀粉总量的50-60%，而不能水解分支点以内的部分，此剩余部分一般称为极限糊精（孟庆红，1997）。

2.3 糖化酶

糖化酶从淀粉分子的非还原性末端开始，逐次切下葡萄糖。糖化酶不仅能水解α-1，4糖苷键，而且能水解α-1，6糖苷键和α-1，3糖苷键，但水解后两者的速度要较前者慢很多。所以，糖化酶水解直链淀粉和支链淀粉时，能将它们全部水解为葡萄糖，只是时间和效率的问题。

2.4 脱支酶

脱支酶是一种能够高效、专一性地切开支链淀粉分支点α-1，6-糖苷键，从而剪下整个侧枝，形成直链淀粉的一种酶。由于淀粉中支链淀粉含量相对较高，但其他淀粉酶都不能水解支链淀粉中的α-1，6-糖苷键或者水解效率很低，所以淀粉中的α-1，6-糖苷键成为淀粉水解中的一个阻碍性因素。α-淀粉酶、β-淀粉酶以及二者共同作用均不能将淀粉彻底水解为小分子糖，而需要脱支酶的参与。所以，添加脱支酶，能有效提高淀粉的利用率。

根据底物特异性的差异，脱支酶分为几种（周瑞芳等，1993）：低聚葡萄糖苷酶（Oligo-1,6-glucosidase）、淀粉-1，6-葡萄糖苷酶（Amylo-1,6-glucosidase）、异淀粉酶（Isoamylase）、普鲁兰酶（Pullulanase）。脱支酶的应用主要以普鲁兰酶和异淀粉酶较多，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二时，普鲁兰酶就可切断α-1，6 - 糖苷键，其作用底物的最小单位为麦芽糖基麦芽糖。而异淀粉酶在分支点的葡萄糖残基少于三个时就不能发挥作用，其作用底物的最小单位为麦芽三糖基麦芽四糖（Marshall JJ，1974）。

2.4.1 低聚葡萄糖苷酶

该酶不能直接分解淀粉中的α-1，6-糖苷键，而只能分解经α-淀粉酶水解后的α—糊精中的α-1，6-糖苷键。

nth="12" year="1899">2.4.2淀粉-1，6-葡萄糖苷酶

该酶是一种典型的间接脱支酶，可作用于外露一个葡萄糖残基的α-1，6-糖苷键。

nth="12" year="1899">2.4.3异淀粉酶

这是切断支链淀粉及某些分支糊精中的α-1，6-糖苷键的酶，对普鲁兰糖则完全没有作用。

nth="12" year="1899">2.4.4普鲁兰酶

1961 年Bender H.等人在研究一株产气杆菌Aerobacter aerogenes ( 现名klebsiellapneumon iac)时，首次发现普鲁兰酶。该酶能专一性水解α-1，6-糖苷键，使支链淀粉型多糖的分支链脱离主链，主要作用的底物有：普鲁兰糖（Pullulan）、支链淀粉和β-极限糊精，最终产物是麦芽三糖。普鲁兰糖亦称茁霉多糖，其结构是葡萄糖按α-1，4-糖苷键结合成麦芽三糖，两端再以α-1，6-糖苷键同另外的麦芽三糖结合，并以这种连接方式形成的高分子多糖。普鲁兰酶在改善淀粉酶对淀粉的作用效果，提高淀粉利用率中有着重要作用，普鲁兰酶协同α-淀粉酶、糖化酶，能将淀粉彻底降解为葡萄糖。在脱支酶中，普鲁兰酶要求的底物分子结构最小，能将最小单位的支链分解，所以应用最为广泛。

3 畜禽对淀粉的消化利用

在畜禽机体中，主要的淀粉酶有唾液淀粉酶（Salivary amylase）和胰淀粉酶，均属于α-淀粉酶。食物在畜禽口腔停留的时间一般不长，所以唾液淀粉酶对淀粉的消化非常有限，淀粉在胃内的消化也是比较少。淀粉在畜禽消化道水解的主要部位是小肠，小肠中的α-淀粉酶把淀粉中的直链淀粉分解为麦芽糖和麦芽三糖，支链淀粉分解为麦芽糖、麦芽三糖和极限糊精。胰腺和肠粘膜产生的麦芽糖酶、蔗糖酶可以继续分解这些糖类。由于畜禽体内缺乏水解α-1，6糖苷键的酶，所以支链淀粉中的α-1，6糖苷键成为淀粉充分消化吸收的障碍，淀粉在畜禽机体消化并不完全。

4 脱支酶能有效提高淀粉利用率

目前在饲料酶中，应用较广的外源淀粉酶主要有α-淀粉酶和糖化酶，但对脱支酶的研究与应用报道较少。刘小英（2009）研究支链淀粉酶对生长蛋鸡生产性能的影响，发现在饲料中分别添加value="100" unitname="g">100 g/t、value="200" unitname="g">200g/t酶活为4000IU/g的支链淀粉酶，增重分别比对照组高9.4%（P＜0.01）和11.7%（P＜0.01）。

在淀粉糖工业生产上，利用脱支酶，配合α-淀粉酶和糖化酶的使用，能显著提高淀粉的水解率。由于畜禽机体内部缺乏水解支链淀粉α-1，6糖苷键的酶，而玉米、小麦、木薯等作为主要能量饲料，在畜禽日粮中比例较大、支链淀粉的含量相对较高，所以脱支酶的使用，必将大大提高淀粉的消化率。