植酸酶及其在畜禽饲料中的应用研究进展

宫 宇， 姚玲珑， 陈清华*， 陈凤鸣

（1.湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙 410128；2.湖南领道农业环保科技有限公司，湖南长沙 410128）

磷是畜禽机体内含量丰富、作用广泛的一种矿物质元素，主要参与畜禽骨骼以及肌肉的组成和生长（邱梅平等，2009），畜禽的生长发育、代谢繁殖都与磷息息相关。植物性饲料中磷主要是以植酸磷的形式存在（Susmira等，2005），自然界中虽广泛存在可水解植酸磷的植酸酶，但畜禽对植酸磷的利用率普遍偏低，主要是由于单胃动物只有消化道的上皮细胞以及后肠道中的微生物可产生少量的植酸酶。没有被利用的磷，通过动物排泄的形式进入水体，最终导致水体富营养化（王凯等，2015），解决这一问题的根本方法在于提高畜禽日粮中磷的利用率。在畜禽饲粮中添加植酸酶，可以降解饲料中的植酸磷，提高饲料中磷的释放量，进而可以降低磷酸氢钙在日粮中的添加量。研究表明，日粮中添加植酸酶可以提高畜禽的生产性能，同时可减少畜禽粪便中磷的排放（王方浩等，2006）。

1 植酸与植酸酶

植酸又称肌醇六磷酸（Munir等，1980），是多种植物组织中磷的主要储存形式，能够结合一些矿物质和蛋白质，同时形成的螯合物能够降低磷的吸收效果（Madrid等，2013）。在植物饲料中，植酸通常与磷结合，所以又被称作植酸磷，常用饲料原料中的植酸磷含量一般不同，数据见表1。植酸酶能够催化水解植物源饲料中的植酸磷，使其逐步分解成能被畜禽利用的无机磷和肌醇（Edward等，2000）。畜禽不能分解利用饲粮中的植酸磷，未被消化利用的植酸磷随排泄物排出进而污染环境，在动物饲养密度大的地区尤其严重。

表1 常用饲料原料的植酸磷含量%

近年来，畜禽饲料磷添加成本（资源有限）以及环境保护等问题越来越严峻，虽然对饲料植物种子进行发酵或发芽等处理能够降解一定的植酸（Raboy等，2000）然而常见的方法是直接在畜禽饲粮中添加植酸酶。

目前市场上报道较多的植酸酶有两大类，根据植酸酶水解作用最初位点的不同，分为3-植酸酶和6-植酸酶，前者最先水解的是肌醇3位号碳原子的磷酸根，而后者最先水解的是6号位碳原子上的磷酸根（Edward等，2000）。其中3-植酸酶由于性质更稳定，更耐酸和耐高温，在畜禽生产中被广泛使用。

根据植酸酶最适pH条件，可将其分为酸性植酸酶和碱性植酸酶。微生物来源的植酸酶最适pH大多为酸性区，最适pH 2.5～6.0，只有芽孢杆菌群来源的为碱性区（Oh等，2004）。因此，畜禽饲粮中植酸酶的添加，必须考虑不同来源的植酸酶在其特有的最适pH条件下所产生的生物效价。

2 植酸酶的作用原理

植酸酶将植酸分子上的磷酸基团逐个切除下来使植酸分解，完全分解1 g植酸产生28.61 mg的无机磷（张胜燕，2015）。不同来源的植酸酶切割植酸的起始位点不同，但最终产物都是肌醇和磷酸，而释放出磷离子被畜禽有效利用。

植酸酶作用原理可用流程表示为：

植酸→D-1，2，4，5，6（1，2，3，4，5）-五磷酸肌醇→1，2，5，6-四磷酸肌醇→1，2，5-三磷酸肌醇或 1，2，6-三磷酸肌醇→1，2-二磷酸肌醇→2-磷酸肌醇→肌醇。

3 影响植酸酶作用效果的因素

3.1 植酸酶的活力、剂型、剂量 目前，市场上的植酸酶活力单位定义为，在温度37℃、pH 5.5条件下，每分钟从浓度为5.0 mml/L植酸钠溶液中释放1μmol无机磷，即为一个植酸酶活性单位（以FTU表示），酶活单位越高，其作用效果也就越好。研究发现在猪、肉仔鸡饲粮中添加包被植酸酶对其生长性能、钙磷利用率的作用效果好于未包被的植酸酶（董其国等，2010；赵春等，2007）。因此分析，可能是植酸酶经过包被处理后，避免了畜禽胃液对植酸酶的降解而失活，而粉状植酸酶制作工艺比较简单，酶活稳定性差，在配合饲料加工过程中活性易损失。张峻豪等（2015）研究表明在断奶仔猪的饲粮中添加不同剂量的植酸酶，能够显著提高断奶仔猪的生长性能，以最大添加量1000 FTU/kg的作用效果最好。孟婕等（2007）采用四个植酸酶添加水平（400 、500 、600 、750 FTU/kg）饲喂艾维茵肉鸡得出，最适宜添加量为500FTU/kg。可见，植酸酶的添加量与添加效果并不是简单的线性关系，同时还受一些其他因素的影响。在一定的范围和条件下，随着植酸酶添加量的提高，畜禽的生产性能也随着提高。

3.2 饲粮中维生素D3、钙、磷水平以及钙磷比维生素D3是畜禽重要的必需元素之一，其能通过肠壁增加磷的吸收，并通过肾小管增加磷的再吸收，所以畜禽饲粮中添加维生素D3能提高植酸酶的效果。植酸酶与维生素D3还具有协同作用（程茂基等，2000），这种作用使畜禽能更有效地利用植酸磷，同时添加植酸酶与维生素D3比单一酶的添加效果理想（唐亚东等，2011）。同时，畜禽饲粮中的钙含量高，植酸酶的作用效果更好（Rutherfurd等，2014）。在低无机磷水平饲粮中添加植酸酶对断奶仔猪骨骼钙磷代谢的研究中发现，胫骨的钙磷和灰分含量与无机磷的添加量呈线性相关（王德海等，2016）。郭文文等（2015）研究发现妊娠母猪养分表观消化率与饲粮磷水平和钙磷比相关，饲粮的钙磷比为1.25∶1.00时，添加植酸酶可以替代1.27 g/kg饲粮中的磷。虽然畜禽饲粮中添加植酸酶可以减少无机磷酸盐的使用，但是饲粮中不加无机磷酸盐，全部用植酸酶代替无机磷，并不能达到畜禽常规的生产水平。

3.3 温度、pH 植酸酶的化学本质是蛋白质，温度和pH都能影响其水解植酸盐的效果（Edward等，2000）。畜禽的胃和肠道是植酸酶的作用场所，这就要求添加在畜禽饲粮中的植酸酶最适酶促反应温度在37℃左右，而饲料生产中的调质和制粒过程，要求其温度为75～80℃（Susmira等，2005），有时温度高达90～95℃。因此，植酸酶产品的热稳定性与植酸酶本身的热稳定性密切相关（Garrett等，2004）。但市场上热稳定性好的植酸酶的最适酶促反应温度偏高，具有最适酶促反应温度的植酸酶则热稳定性较差，所以目前的研究工作是寻找更耐高热且符合最适酶促反应温度要求的优质植酸酶。目前研究最多的微生物植酸酶，其性质因产酶菌种不同而存在差异，最适pH一般为2.5～6.0，有的菌株所产的酶具有两个最适pH峰值，比较适合单胃畜禽的胃肠道环境。 比如：无花果曲霉的植酸酶，其最适pH分别为2.5和 5.5（Barry 等，2006）；分离自百合的植酸酶，其最适pH分别为7.3和8.3，其是迄今发现的极少数的碱性植酸酶之一（Sonali等，2005）。因此，在加工畜禽饲料时需要对植酸酶进行预处理，以此来保障植酸酶的活性。

3.4 饲粮类型 植酸酶作为饲料添加剂已经广泛应用到畜禽饲料中，不同的畜禽饲粮由于原料组成的差异，其应用效果也有所不同（李伟伟等，2006）。植酸含量较高的饲粮中，植酸酶的添加量应酌情提高（Cowieson等，2017）。植酸酶的应用效果主要体现在其对植物性饲料原料的作用。孙育平等（2005）在植酸酶对不同饲料原料中钙和磷利用率的影响研究中发现，添加外源植酸酶对大麦和高粱中无机磷的释放没有明显影响，但豆粕、花生粕和菜籽粕中钙和磷的释放量得到了明显提高。随着非常规饲料原料（棉籽粕、花生粕、高粱等）日益普遍的使用，在进行畜禽的饲粮配方设计时，应注意畜禽饲粮配方的组成估算植酸的含量，确定植酸酶的添加量。

3.5 消化酶及有机酸 植酸酶通过降解植酸盐提高了畜禽饲粮氨基酸的消化率 （Cowieson等，2006），而木聚糖酶通过降解木聚糖减少内源氨基酸的损失，由此来提高氨基酸的表观消化率，从这方面讲二者具有互补效应；另一方面，植酸酶与木聚糖还存在互作效应，木聚糖酶可以促进植酸酶作用的发挥，提高植酸酶与其底物（植酸盐）的接触程度，有利于植酸酶对植酸盐的作用；同时木聚糖酶还可降低畜禽肠道消化物黏稠度，促进营养物和磷的吸收（Yánez等，2011）。研究表明大多数微生物植酸酶在pH为2.5和5.5时的活性最高，这种条件下畜禽饲粮中添加有机酸有利于植酸酶水解植酸。因此，饲粮中添加有机酸可以提高植酸酶的作用效果。Valencia等（2002）研究发现，植酸酶和醋酸对断奶仔猪矿物质的利用效率具有加性效应。陈冬梅 （2003）报道，柠檬酸能加强植酸酶的作用，二者混合使用存在协同作用。另外，柠檬酸会与钙螯合，使钙从植酸盐分子中释放出来，从而使其结构变得不稳定，更容易被植酸酶水解。因此，在畜禽饲粮中添加消化酶或有机酸时，必须考虑好消化酶与植酸酶相匹配的底物，有机酸的pH及螯合能力等，否则就起不到较好的添加作用。

4 植酸酶在畜禽日粮中应用研究的进展

4.1 植酸分解中间产物 近年来，植酸酶降解产物低磷酸肌醇和肌醇在畜禽体内的生理功能成为研究者关注的焦点，低磷酸肌醇在畜禽细胞中的跨膜信号传导作用及从胞内动员钙离子的过程中扮演重要角色（George等，2016）。研究表明，植酸的降解产物 1，2，3-三磷酸肌醇、1，2，6-三磷酸肌醇和1，3，4-三磷酸肌醇等几种异构体具有广泛的生理功能（Berridge，2016）。三磷酸肌醇螯合钙镁离子的能力比植酸弱很多，但螯合过渡金属离子的能力却较强，因此它不会造成畜禽体内钙的损失，却能消除动物体内过多的铝、镉等金属离子和自由基（Lawrence等，2014）；三磷酸肌醇还具有抗血小板凝聚和广泛的消炎作用，因而可应用于畜禽疾病的预防和治疗。人工合成这些磷酸肌醇是很困难的，因此利用植酸酶生产不同的磷酸肌醇，可以大大降低生产成本。除此以外，肌醇是合成很多生物分子的前体。肌醇是畜禽维持正常生理功能不可缺少的低分子有机物（Tang等，2010），参与畜禽体内的新陈代谢活动，能合成肌醇磷脂、膜磷脂等前体物质，为畜禽生长代谢所必需。

4.2 超量添加 随着对植酸酶研究的深入，发现畜禽饲粮植酸酶的添加量还远远达不到其应有的功效，超量添加植酸酶可以分解超过90%的植酸，当磷酸基团被完全释放后，剩下的肌醇，不仅没有抗营养作用，反而会促进畜禽能量代谢和机体细胞功能的完善（乔伟，2016）。 Zeller等（2015）研究报道显示，低磷日粮植酸酶添加量由500 IU/kg提高到12500 IU/kg时，21日龄肉鸡植酸磷降解由67%提高到92%，肠道磷吸收率由31%提高到52%，体增重、胫骨强度及其矿物质化均有提高。陈冠华等（2017）研究发现在含25-羟基维生素D3饲粮中添加10000 IU/kg的高剂量植酸酶与饲粮中添加1000 IU/kg植酸酶相比，肉鸡生产性能、钙磷沉积率等显著提高。超量添加植酸酶还可以解除饲料应用中植酸外源淀粉酶的抑制，在低磷水平的饲粮中超量添加植酸酶还会产生更优的效果，其原因可能是：植酸酶催化植酸降解为肌醇和磷酸是一个具有反馈抑制的可逆化学反应 （胡甜甜等，2017）。当动物日粮中其他原料所提供的磷元素过多时，会抑制植酸酶所催化的正反应进行，从而达不到植酸酶理想的降解效果。因此，畜禽饲粮中添加植酸酶还需考虑饲粮中磷的来源和含量，采取超量添加植酸酶，能否达到理想效果还有待进一步的探讨和研究。

4.3 转基因 随着科学技术的发展，植酸酶的研究也已进入分子水平，转基因动植物作为植酸酶的表达系统，有着非常广阔的应用前景（丁强等，2010）。孙悦等（2016）在获得唾液腺特异表达植酸酶转基因猪的研究中发现，原代植酸酶基因猪的粪磷排放量显著降低16%，可以有效减少粪磷排放对环境造成的污染。利用转基因技术使作物表达植酸酶基因，不仅可以直接表达足够的植酸酶来替代在畜禽饲料中添加额外的植酸酶，同时在作物根部表达的植酸酶还可以对土壤进行改良（赵康等，2014）；而且也可以作为生物反应器来生产商品植酸酶，能规模化廉价生产，具有商业化种植前景。有研究发现转植酸酶基因玉米在蛋鸡低磷日粮中的使用可显著改善蛋鸡的产蛋性能和蛋品质，并显著提高蛋鸡各肠段中的植酸酶活性和植酸磷的降解率，改善蛋鸡骨骼质量（王修启等，2014）。另一方面培育低植酸作物已成为当前的研究热点，当把低植酸作为育种目标时，作物种子植酸含量降低可能会给作物带来不利影响 （张倩雯等，2016），如何消除这些不利影响是未来亟需解决的问题。

5 小结

中国是农业大国，利用植酸酶降解米糠等农副产品中的植酸（朱春凤等，2010），生产肌醇磷酸盐或肌醇等产品，必然会大大降低生产成本；同时，植酸酶在用于改良土壤，开发植酸酶菌肥等方面均有较好效果。根据畜禽磷消化代谢特点及其影响磷利用的因素，开发和研制适合于不同畜禽的植酸酶产品以及加强植酸酶应用效果快速评估技术体系的研究等将是今后的研究发展方向。可以预见植酸酶必将有良好的发展和应用前景，而植酸酶在畜禽饲料中的应用也进入了新的发展时期。