植酸酶在饲料中的研究应用

宫 宇 姚玲珑 闫昭明 赵 蕾

（湖南农业大学动物科学技术学院，长沙 410128）

磷是动物生长发育必需的营养元素之一，对动物生长发育有重要的作用。植物种子中的磷主要以植酸形式贮存，玉米、豆粕、菜粕所含的磷约40%-70%主要以植酸磷形式存在。由于单胃动物消化道内缺乏能分解消化植酸磷的酶，所以饲料中绝大部分磷从动物粪便中排出，进入水体，造成水体富营养化。因植酸酶可以改善动物机体对日粮中磷和其他营养成分的利用率，成为了人们关注的焦点。然而，由于不同研究间在日粮结构、测定指标上存在差异，导致植酸酶的最佳添加量与所能替代的无机磷量不完全一致，因此植酸酶在实际应用过程中，首先需要确定日粮中植酸酶与所能替代无机磷之间的数量关系，即植酸酶的磷当量。

现在低蛋白日粮配制技术发展迅速，在合理添加氨基酸和酶制剂的前提下，配合饲料中粗蛋白和磷水平可以显著降低。为推动饲料行业科技进步，减少饲料原料消耗，降低养殖业对环境造成的污染，中国饲料工业协会对猪、禽饲料中的总磷设定了总体标准，即总磷在常规条件下只设定下限值的基础上增设了上限值。总而言之，为了满足动物在种种约束下对磷的需要，最好的方法是在动物日粮中添加植酸酶。

1 植酸与植酸酶

植酸又称六磷酸肌醇，能够结合矿物质（磷、镁、铁等）和蛋白质，同时形成的螯合物能够降低动物对磷的吸收效果。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。植酸酶可以催化植酸及其盐类，能够分解植酸分子中的磷，将植酸或其盐类降解为能被畜禽利用的肌醇和无机磷。国际上通常把植酸酶分为两类：3-植酸酶和6-植酸酶，它们分别能够水解植酸分子上第3位和第6位磷酸基团。其中3-植酸酶由于性质更稳定，可耐酸和耐高温，在动物饲料中被广泛使用。

2 植酸酶来源

植酸酶广泛分布于各种生命形式，最早由Suzuki等于1907年在米糠中发现，后来又相继在多种微生物和动物组织中检测到植酸酶的存在。植酸酶的来源不同，其在动物生产中的作用效果也不一样。由于微生物源植酸酶最适pH值的作用范围与动物消化道环境更匹配，其在动物饲料中的应用也最为广泛。高温制粒和高温消毒是现代饲料工业中常用的加工工艺，饲料用酶必须在常温下具有较高的酶活性，因为饲料用酶最终的作用场所在动物的肠道中，一般在37℃左右。因此，筛选具有热稳定性的植酸酶是目前的一个研究热点。

2.1 植物源植酸酶

植酸酶广泛存在于植物界中，已分离出具有植酸酶活性的植物有黑小麦、玉米、大麦、稻、小麦、绿豆、豌豆及麸皮等，同时在马铃薯、莴苣、菠菜以及百合花粉中检测到植酸酶活性。不同种类植物来源的植酸酶，其活性也有差异，其中以谷物活性最高，而燕麦、玉米、高梁等高蛋白饲料作物中的植酸酶活性几乎可以忽略。由于植物来源的植酸酶含量和活性都极低，而其最佳pH为4.0～6.0，最适温度为45～60℃，当其处在制粒高温或畜禽胃部的强酸环境时会完全失活。因此，植物来源的植酸酶不适合在动物饲料中使用。

2.2 动物源植酸酶

动物来源的植酸酶研究较少，主要存在于哺乳动物小肠及脊椎动物红细胞中，含量很少且活性很低。猪肠黏膜内源性植酸酶的活性极低，使得未经消化利用的磷随排泄物进入土壤，对环境造成污染。小肠黏膜水解酶的活性趋势大致为：随磷酸基的增多，肌醇-3磷酸和肌醇-6磷酸逐渐减少。因此，在小肠进一步水解过程中也将产生更少的肌醇磷酸盐。反刍动物瘤胃微生物可以产生植酸酶分解植酸，其他动物胃内则无植酸酶不能水解利用植酸。

2.3 微生物源植酸酶

植酸酶在微生物中分布广泛。细菌、酵母菌和霉菌都可产生植酸酶，特别是霉菌中的曲霉属是微生物植酸酶主要产生菌。其中最活跃的产酶菌株是黑曲霉，而无花果曲霉的产酶效率最高。另外，丝状真菌所产植酸酶是胞外酶，容易分高提纯。由于天然菌种的植酸酶产量较低，直接用其生产出的植酸酶成本较高，从而影响了植酸酶的推广应用。随着现代分子生物学的飞速发展，采用基因工程技术构建植酸酶基因工程菌，进行大规模的发酵生产。研究发现，大肠杆菌表达系统遗传背景清楚、繁殖快、成本低、表达量高、稳定性好、适用范围广，因此在分子生物学产业化发展中研究最早、发展最快、应用最广泛。Nickolay等从变形杆菌基因组中扩增出植酸酶phy4基因片段，在大肠杆菌中表达，纯化后的植酸酶活性为310FTU/mg，pH作用范围1.5-6.5，最适pH为4.9，最适反应温度为40～45℃。目前已基本实现利用工程菌发酵大规模生产廉价植酸酶，但是植酸酶热稳定性这一关键问题仍未解决。因此，当前微生物发酵生产植酸酶最需要解决的问题是寻找和开发既能在37℃环境发挥最大活性又能耐高温的植酸酶。

3 植酸酶的作用原理

植酸酶活力单位定义为，在温度37℃、pH5.5条件下，每分钟从浓度为5.0mml/L植酸钠溶液中释放1umol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。植酸酶将植酸分子上的磷酸基团逐个切割使植酸分解，形成中间产物五磷酸肌醇 （IP5）、四磷酸肌醇 （IP4）、三磷酸肌醇（IP3）、二磷酸肌醇 （IP2）、单磷酸肌醇 （IP）和磷酸 （P），最常见的降解产物是IP3或IP，完全分解1克植酸产生286.1毫克的无机磷。虽然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（如后图）。

植酸盐水解示意图

4 植酸酶在饲料中的应用研究

4.1 植酸酶在畜禽饲料中的应用研究

植酸酶作为饲料添加剂能够降低无机磷源添加量，在畜禽饲料中应用比较广泛。植酸酶主要作用于含磷的植酸盐，释放被螯合的蛋白质、淀粉、钙、磷及一些消化酶，进而提高养分的消化率和生物学效价。Madrid等研究发现添加植酸酶可提高育肥猪P、Ca、Mg、Cu消化率，使P、Cu在环境的排泄率分别降低39%和33%；植酸酶的添加还逆转了育肥猪平均饲料摄入量和总磷降低所导致的生长性能下降的现象，增加了P、Ca、Mg、Cu在畜禽机体的滞留量，促进了骨骼发育。Samson等研究发现低钙磷饲粮中添加植酸酶可以提高猪的生长性能，钙磷的表观总消化率显着增加。畜禽机体钙磷代谢通过骨钙、骨磷沉积与释放，其动态平衡通过肾和肠道的吸收与排泄等过程维持，究其原因可能是低钙磷饲粮引起血清钙磷含量显著降低，血清低钙磷引起甲状旁腺素分泌增加，刺激肾脏羟基化维生素D3，即1，25-(OH)2-D3。而具有生物活性的1，25-(OH)2-D3能促进动物肠壁、肾小管增加对钙磷的吸收，从而提高动物对钙磷的吸收率。

在肉鸡日粮钙、磷比例适宜的情况下，植酸酶将会发挥更好的作用。锌是禽类健康生长的重要微量矿物质元素，在禽类日粮中添加植酸酶可有效提高有机锌和无机锌的生物利用率，可补偿低营养饲料所造成的微量元素不足。郑惠文等研究表明低锌日粮添加植酸酶，可以改善家禽的生长性能、免疫性能，有效提高锌利用率，同时获得最佳平均日增重与料重比。另一方面，蛋鸡日粮中缺乏铁元素影响蛋重，植酸酶可以使铁从植酸中释放出来，从而提高蛋鸡骨髓、肝脏、脾脏、蛋黄、血清中的铁浓度，缓解因铁供给不足而造成的蛋品质下降。以上研究显示植酸酶能将植酸与带正电的矿物元素形成的复合物水解，满足畜禽对矿物元素的需要，进而提高了营养物质的消化吸收。

植酸酶作为常规饲料添加剂已经普遍应用于畜禽饲粮中，但是随着研究的深入，发现低添加量植酸酶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，还可以提高蛋白质、脂肪、淀粉及矿物质元素的利用率。陈冠华等通过试验发现，非植酸磷含量为0.15%时，植酸酶适宜添加量为10000 FTU/kg（超量添加），超量添加使肉鸡体增重、采食量、血浆无机磷浓度、股骨重量、钙磷沉积率显著提高。Zeng等研究发现在生长猪低磷 (总磷含量为0.38g/kg)饲粮中添加20000 FTU/kg的植酸酶，植酸的表观消化率从11.1%提高到90.5%。与常规添加量相比，20000 FTU/kg的添加量显著提高了畜禽机体钙、磷和植酸的表观消化率，使回肠中植酸含量也显著降低。由此可见超剂量添加植酸酶可以促进饲粮植酸磷充分水解，从而满足低磷饲粮条件下动物对磷的需求，同时由于植酸几乎被全部降解，产生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。在低磷饲粮中超量添加植酸酶会产生更优的效果，主要原因可能是植酸酶催化植酸降解为肌醇和磷酸具有反馈抑制的作用。

4.2 植酸酶在水产饲料中的应用研究

在水产养殖中，植物蛋白原料替代鱼粉的使用已成为不可逆转的趋势，为植酸酶在水产饲料中的应用提供了机会。迄今为止，许多研究表明补充植酸酶对水产饲料中磷和微量矿物质的利用以及消化酶活性具有积极的促进作用。华雪铭、姚瑞清等研究表明，在饲料中添加植酸酶能提高鱼的增重率、干物质、磷表观消化率以及肠道蛋白酶和淀粉酶活性。曹露等研究发现饲料中添加植酸酶对日本沼虾的增重率、特定增长率有显著影响，且其肝胰脏蛋白酶、脂肪酶活性显著提高。植酸酶通过降解植酸盐提高了饲粮氨基酸的消化率，而消化酶能减少内源氨基酸的损失，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，植酸酶与消化酶还存在互作效应，消化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，同时消化酶还可降低肠道消化物黏稠度，促进营养物和磷吸收。因此，在饲粮中添加消化酶时，必须考虑好消化酶与植酸酶相匹配的底物，否则就起不到较好的添加作用。

水产动物饲料中添加植酸酶最明显的优点是可以降低养殖水体的磷含量，从而缓解水体的富营养化，改善水质。由于水产的种类较多，水产动物之间的消化道结构差异较大，植酸酶在不同水产上的效果不尽相同，造成了植酸酶在水产料中规模化的应用相对滞后，具体问题有待于进一步研究。

5 小结

植酸酶可以提高动物对磷的吸收，优化饲料配方，降低成本，减少动物排泄物的磷污染，同时能够改善饲料中其他其微量元素的利用率。饲料中植酸酶的最适添加量随着动物种类不同、饲料配方不同等发生变化，需要更深入研究它们之间的关系。同时我们还需要根据动物磷消化代谢特点及其影响磷利用的因素，进一步确认植酸酶与其他外源性单酶间的相互作用的机理，从而优化复合酶配方，建立数据库，开发和研制适合于不同动物的具有热稳定性好、活性高的植酸酶产品。因此，植酸酶在饲料中的研究与应用必将迈入新的发展阶段。