超剂量植酸酶在猪生产中的应用研究进展

李元凤，何 健，敖 翔，白国勇

（1.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621000；2.四川铁骑力士集团冯光德实验室，四川绵阳 621000；3.四川省畜牧科学研究院，四川成都 610000）

当前我国因畜牧业生产造成的磷过量排放已导致土壤板结、水质恶化，严重威胁人类的生存环境[1]。当土壤中铜、锌含量分别达到 100～200 mg/kg 和200 mg/kg以上时，土壤就会被污染[2]。而且目前动物粪便直接还田作为肥料使用，粪便中存留过多的矿物元素可能通过食物链传播存留在动物或植物体内，最终对人类身体健康造成危害[2]。植酸酶在生产应用中表现出来的经济性和环保作用已得到广泛认同。研究表明，植酸酶是用于释放植酸中磷的高效水解酶，能提高猪的矿物质和氨基酸利用率，当饲粮中天然、耐热的新型大肠杆菌植酸酶添加剂量超过500 FTU/kg 时植酸会大量水解[3]。添加植酸酶可以大量减少无机磷使用量，降低饲料成本；还可以显著降低猪、禽粪磷的存留量，减少磷对环境的污染；钙、锌等矿物元素也可得到更好利用，蛋白质、氨基酸、淀粉和脂质等营养物质吸收率也更高[4]；动物每天采食量增多、体重增加，动物生产性能得到改善，因此植酸酶应用前景广阔[5]。当猪摄入植酸酶的剂量过高时，额外的酶不仅可以引发磷的释放，还可以促进生长[6]。在饲粮中超剂量添加植酸酶，植酸能被快速降解并破坏[7]，按照标准剂量的3～4 倍添加植酸酶还可以消除植酸盐的抗营养作用[8]。植酸酶的工业化生产中大量应用生物工程技术使其生产成本大大降低[1]，可在饲料工业中大量应用，不仅可以降低矿物元素的排放量，同时探索出矿物元素的理想模式[9]和最适添加剂量。本文就超剂量植酸酶在猪生产中的应用情况进行综述。

1 植酸和植酸酶

1.1 植酸及其抗营养作用 植酸（Phytic acid）别名肌醇六磷酸，具有抗营养特性[10]，作用机理主要是植酸能稳定地络合Ca2+、Mg2+、Fe2+、Zn2+等金属离子[11-12]，与蛋白质分子结合形成二元复合物[10]，与金属离子和蛋白质分子结合形成三元复合物[13]，从而降低动物对矿物质和蛋白质的利用。此外，植酸存在于动物体内会引起内源性黏蛋白的分泌量增加[3]、氨基酸消化率下降[3]、内源性酶活性受到抑制[3]，从而可能降低动物的生产性能和饲料利用率[14]。磷在植物性饲料中主要以植酸磷的形式存在[15]，但由于单胃动物消化液中植酸酶含量很少，植酸磷在消化道内不能水解成可以被动物利用的无机磷酸盐，因而单胃动物对植酸磷的利用率极低。

1.2 植酸酶分类 植酸酶按照不同来源分类主要有3 种：植物、动物和微生物。植物植酸酶的pH 范围较窄；动物植酸酶主要来源于动物肠道细胞，这种内源性植酸酶在消化道中的活性极其微弱，对植酸磷的利用率极低。微生物植酸酶是由细菌及部分真菌产生的一种胞外酶，容易分离和提纯，且活性高于植物中存在的酶，在畜禽饲料中微生物植酸酶应用范围广[1]。

1.3 植酸酶作用机理 植酸酶作为一种磷酸单脂水解酶，具有专一水解植酸中磷脂键的特性。在水解过程中，植酸酶依次按照顺序切下植酸分子上的磷酸基团，最终将植酸分解成肌醇和磷酸2 个终产物[1]。因植酸酶来源不同，其作用机理有差异。依据对植酸的作用方式，目前分离出的植酸酶主要有3-植酸酶和 6-植酸酶2 种[16]。3-植酸酶主要存在于动物和微生物中，植酸中无机磷被水解释放的顺序首先是第3 碳位点，其次是其他位点；而6-植酸酶主要存在于植物中，无机磷首先在植酸的水解顺序首先是第6 碳位点，然后是其他位点释放[17-18]。

2 植酸酶超剂量的意义

目前畜禽饲料中关于超剂量添加植酸酶的标准不统一[19]。范亮[19]首次对植酸酶的剂量范围进行了定义：常规剂量（500～1 000 FTU/kg），低剂量（＜ 500 FTU/kg），超剂量（超过1 000 FTU/kg）。人们使用植酸酶的策略也有了较大变化，以前更多关注营养物质的剂量，现在更倾向于饲粮成本的降低以及动物生产性能的优化[7]。常规剂量使用植酸酶时，植酸被降解的比例较少，但超剂量使用大肠杆菌植酸酶时几乎所有的植酸均被降解，植酸的抗营养效应相应减少[3]。超剂量使用植酸酶可能有另外2 个好处：一是平衡钙/磷比例。当使用较低剂量植酸酶时，钙比磷释放得更多[3]。而植酸酶超剂量使用时，植酸被全部降解，磷比钙释放得更多，且可消化的钙磷比值更平衡[3]。二是产生生长促进因子——肌醇。植酸降解时产生肌醇，肌醇在细胞内可能被重新磷酸化，可以作为一种重要的抗氧化剂[3]。

3 超剂量添加植酸酶对猪的作用

3.1 超剂量添加植酸酶对猪生长性能的影响 前人研究表明，低剂量添加植酸酶可以促进动物生长[20-21]。低磷饲粮（总磷0.35%）中补添250～500 FTU/kg 植酸酶可以显著提高生长猪的生长性能，改善因低磷引起的生产性能下降，磷恢复到正常水平[20]。对体重10 kg 左右的去势仔猪研究发现，与对照组相比，基础饲粮（玉米-大豆型）中植酸酶剂量为 200、400 FTU/kg 时，仔猪日增重（ADG）提高18%和28%，日平均采食量（ADFI）提高18%和24%[21]。这一研究结果与吴东等[22]在36 kg猪（有效磷0.18%，植酸酶750 FTU/kg）上研究的结果相似。王晶等[2]研究发现，在35～40 kg 生长猪饲粮（有效磷0.24%）中添加500、1 000 U/kg 新型耐高温植酸酶，生长猪ADG 显著提高10.34%和11.97%，饲料转化率显著改善3.51%和4.05%。但近年的研究发现，超剂量添加植酸酶因植酸酶来源、使用阶段、基础饲粮钙磷含量以及其他营养成分差异，其使用效果有更多变化（表1）。Bedford 等[7]对19 项超剂量试验的研究结果进行综述发现，在对照组饲粮中包含适量的钙、磷等营养成分条件下，试验猪只每天的体重增幅约为84%，饲料转化效率增加74%。因此，通过超剂量植酸酶添加技术可以提高生长性能，主要原因不仅仅是提高了磷的释放比例和利用率，而是消除了植酸的抗营养效应影响[3]。整体来讲，低磷饲粮中植酸酶添加量达超剂量时效果较为显著。

3.2 超剂量添加植酸酶对钙、磷及其他矿物质生物利用率的影响 研究发现，在不同阶段仔猪饲粮中添加超剂量植酸酶对钙、磷和铜表观消化率有不同程度的改善（表2）。钙、磷及铜的表观消化率不仅受植酸酶添加水平的影响，还受饲粮中钙、磷水平的影响。Meta 分析表明，植酸酶含量达500 FTU/kg，可以迅速增加可消化锌和铜的水平[37]。而植酸酶含量超过500 FTU/kg 时，可消化的锌和铜的增长速度则变慢[37]。但当生长猪饲粮为低磷低钙水平时，添加微生物植酸酶不会对镁、锰、锌和铁的表观消化率产生影响[38]。但也有研究表明，低磷饲粮中添加500～1 000 FTU/kg 植酸酶，铁、铜、锰和钴的表观消化率会显著提高[2]。因此，为节约使用成本，降低环境污染，首先考虑使用低磷饲粮，同时应考虑减少相关矿物元素的使用剂量[2]。

3.3 不同剂量植酸酶对猪骨骼特性的影响 植酸酶的添加剂量与猪骨骼生长发育直接相关。研究表明，低剂量添加植酸酶与对钙、磷沉积有一定的促进作用[39]。而另一些学者研究发现，超剂量添加植酸酶对猪骨骼发育有更好的促进作用[28,31]。此外，Laird 等[29]在28 日龄断奶仔猪（7.6 kg 左右）上研究发现，低铁饲粮（50 mg/kg）中补添2 500 FTU/kg 植酸酶，骨中钙和磷含量分别显著提高5.23%和6.78%。

3.4 超剂量添加植酸酶对猪饲料养分利用率的影响Jongbloed[41]分析发现，添加植酸酶可使蛋白质的消化率提高0.85%～1.70%。另有研究发现，断奶仔猪饲粮中添加植酸酶对干物质和粗蛋白质的消化率无显著影响[42]。Lee 等[24]研究表明，在21 日龄（6.7 kg）断奶仔猪基础饲粮中添加3 000 FTU/kg 植酸酶，干物质的利用率显著提高49.81%。Zeng 等[32]研究发现，在9.5 kg 断奶仔猪低磷饲粮（有效磷0.24%）中添加20 000 FTU/kg 布托菌属植酸酶后干物质和粗蛋白质的回肠表观消化率分别显著提高2.48% 和4.07%。饲粮氨基酸因来源和种类繁多，其与植酸形成络合物的程度也不相同[2]，因而氨基酸消化率变化较大。另外，植酸酶来源和酶活性高低也会影响试验结果[2]。饲粮中添加微生物植酸酶后，与植酸结合的蛋白被分解[43]，氨基酸利用率提高。Zeng等[31]研究发现，在9.5 kg 断奶仔猪低磷饲粮（有效磷0.24 %）中添加20 000 FTU/kg 大肠杆菌植酸酶后干物质和粗蛋白质的回肠表观消化率分别显著提高4.05%和5.54%，赖氨酸和缬氨酸的利用率分别显著提高5.29%和5.58%。但 Traylor 等[44]研究发现，豆粕型饲粮中添加1 500 FTU/kg 植酸酶对生长猪氨基酸表观消化率和回肠真消化率无提高作用。

表1 超剂量添加植酸酶对猪生长性能的影响

表2 超剂量添加植酸酶对钙、磷及铜表观消化率的影响

表3 植酸酶对猪骨骼特性的影响

表4 植酸酶对磷排放的影响

3.5 不同剂量植酸酶对环境污染的影响 因猪只生长阶段和饲粮中植酸酶添加剂量不同对环境污染影响存在较大差异。饲粮中添加植酸酶会导致粪磷降低，这也与植酸酶来源、添加剂量以及动物生长阶段等试验条件有关。植物饲料原料含有较高的自然植酸酶，可以提高饲粮中磷的利用率[45]，从而有效降低磷在环境中的存留，减少污染。

钙磷比例也会影响钙磷的排放。如果钙磷比超过骨组织合成所需要的量，磷利用率降低，钙经由尿液排出的量会增加[47]。低磷饲粮中降低钙磷比的同时添加植酸酶，可提高猪生产性能，增加磷利用率[48]。膳食中添加超过目前标准（500 FTU/kg）的植酸酶可进一步改善矿物质使用，从而减少对环境的矿物质输出。综上所述，低剂量植酸酶可以显著降低磷在粪中的留存量，对环境污染防控起到很好的作用，但有关超剂量植酸酶的研究相对较少，需进一步深入研究。

4 猪饲粮中植酸酶超剂量添加的影响因素

4.1 植酸酶添加剂量的影响因素 植酸酶取代磷酸盐的最佳剂量较难掌握，生化反应的启动、反应速度和程度因植酸酶的用量而异，太少不能启动，但过量生化反应速度也得不到提高，反而造成浪费[49]。目前研究表明，添加植酸酶后饲料中可以少添加0.10%～0.12%磷[45]。植酸酶活性易被高温破坏，胃液中蛋白质也容易被降解而失去活性，而耐高温的包被型植酸酶具有最好的热稳定性，因此猪饲粮中大量使用植酸酶可以使植酸盐被有效水解，同时营养物质也可以得到更有效利用[50]。饲粮中植酸酶添加量在0.20%左右时才有正效应，如果饲粮设计为低钙水平时植酸酶还能发挥更有效的作用[49]。小肠中钙吸收率可通过添加维生素D3得到提高，维生素D3也能提高植酸酶活性，从而使植酸酶的效用增加[5]。玉米-豆粕饲粮中如果缺磷，可以通过添加维生素D3提高磷存留量，而补充适量植酸酶则可进一步提高磷存留量。研究表明，钙磷比值在1.4～1.6 时，植酸酶和维生素D3能发挥最有效作用[49]。

4.2 植酸酶活性的影响因素 试验表明，pH 为4.5～6.0时植酸酶活性超过80%，而活性最高时pH 为5.5[49]。另外，矿物质随饲料或饮水进入肠道后会影响植酸酶的活性，存在于机体本身的各种离子也会一定程度地影响植酸酶活性[51]。植酸酶是一种外源性的酶制剂，活性可以被催化，内源蛋白酶（胃蛋白酶、胰蛋白酶）会影响进入消化道内的植酸酶的活性发挥[51]。饲粮加工方式和贮存也对植酸酶活性产生不同程度影响[4]。从目前已发布的研究结果来看，大部分仅以植酸酶的添加量来进行研究，而对植酸酶的实际存留问题关注较少，实际生产应用还缺乏更精准的指导。

5 小结与展望

综上所述，植酸酶超剂量添加技术能增加饲粮中微量元素、蛋白质等营养物质的吸收能力，且可降低磷、氮等元素在环境中的存留率，从而减少环境污染。但受饲粮无机磷含量、钙磷比、金属阳离子（如锌）等因素影响，植酸酶的超剂量添加技术应用于实际生产还有一定局限。植酸酶添加效果也因厂家产品的差异、植酸酶的来源、添加剂量及方式（是否考虑实际留存量）等而有所不同。因此，综合考虑以上影响因素才能更好地将植酸酶超剂量添加技术应用于猪生产中，为保护人类环境做出更大贡献。