植酸酶及其在畜禽飼料中的應(yīng)用研究進(jìn)展

宮 宇， 姚玲瓏， 陳清華*， 陳鳳鳴

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410128；2.湖南領(lǐng)道農(nóng)業(yè)環(huán)保科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410128）

磷是畜禽機(jī)體內(nèi)含量豐富、作用廣泛的一種礦物質(zhì)元素，主要參與畜禽骨骼以及肌肉的組成和生長(zhǎng)（邱梅平等，2009），畜禽的生長(zhǎng)發(fā)育、代謝繁殖都與磷息息相關(guān)。植物性飼料中磷主要是以植酸磷的形式存在（Susmira等，2005），自然界中雖廣泛存在可水解植酸磷的植酸酶，但畜禽對(duì)植酸磷的利用率普遍偏低，主要是由于單胃動(dòng)物只有消化道的上皮細(xì)胞以及后腸道中的微生物可產(chǎn)生少量的植酸酶。沒(méi)有被利用的磷，通過(guò)動(dòng)物排泄的形式進(jìn)入水體，最終導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化（王凱等，2015），解決這一問(wèn)題的根本方法在于提高畜禽日糧中磷的利用率。在畜禽飼糧中添加植酸酶，可以降解飼料中的植酸磷，提高飼料中磷的釋放量，進(jìn)而可以降低磷酸氫鈣在日糧中的添加量。研究表明，日糧中添加植酸酶可以提高畜禽的生產(chǎn)性能，同時(shí)可減少畜禽糞便中磷的排放（王方浩等，2006）。

1 植酸與植酸酶

植酸又稱肌醇六磷酸（Munir等，1980），是多種植物組織中磷的主要儲(chǔ)存形式，能夠結(jié)合一些礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)，同時(shí)形成的螯合物能夠降低磷的吸收效果（Madrid等，2013）。在植物飼料中，植酸通常與磷結(jié)合，所以又被稱作植酸磷，常用飼料原料中的植酸磷含量一般不同，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。植酸酶能夠催化水解植物源飼料中的植酸磷，使其逐步分解成能被畜禽利用的無(wú)機(jī)磷和肌醇（Edward等，2000）。畜禽不能分解利用飼糧中的植酸磷，未被消化利用的植酸磷隨排泄物排出進(jìn)而污染環(huán)境，在動(dòng)物飼養(yǎng)密度大的地區(qū)尤其嚴(yán)重。

表1 常用飼料原料的植酸磷含量%

近年來(lái)，畜禽飼料磷添加成本（資源有限）以及環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻，雖然對(duì)飼料植物種子進(jìn)行發(fā)酵或發(fā)芽等處理能夠降解一定的植酸（Raboy等，2000）然而常見(jiàn)的方法是直接在畜禽飼糧中添加植酸酶。

目前市場(chǎng)上報(bào)道較多的植酸酶有兩大類，根據(jù)植酸酶水解作用最初位點(diǎn)的不同，分為3-植酸酶和6-植酸酶，前者最先水解的是肌醇3位號(hào)碳原子的磷酸根，而后者最先水解的是6號(hào)位碳原子上的磷酸根（Edward等，2000）。其中3-植酸酶由于性質(zhì)更穩(wěn)定，更耐酸和耐高溫，在畜禽生產(chǎn)中被廣泛使用。

根據(jù)植酸酶最適pH條件，可將其分為酸性植酸酶和堿性植酸酶。微生物來(lái)源的植酸酶最適pH大多為酸性區(qū)，最適pH 2.5～6.0，只有芽孢桿菌群來(lái)源的為堿性區(qū)（Oh等，2004）。因此，畜禽飼糧中植酸酶的添加，必須考慮不同來(lái)源的植酸酶在其特有的最適pH條件下所產(chǎn)生的生物效價(jià)。

2 植酸酶的作用原理

植酸酶將植酸分子上的磷酸基團(tuán)逐個(gè)切除下來(lái)使植酸分解，完全分解1 g植酸產(chǎn)生28.61 mg的無(wú)機(jī)磷（張勝燕，2015）。不同來(lái)源的植酸酶切割植酸的起始位點(diǎn)不同，但最終產(chǎn)物都是肌醇和磷酸，而釋放出磷離子被畜禽有效利用。

植酸酶作用原理可用流程表示為：

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 影響植酸酶作用效果的因素

3.1 植酸酶的活力、劑型、劑量 目前，市場(chǎng)上的植酸酶活力單位定義為，在溫度37℃、pH 5.5條件下，每分鐘從濃度為5.0 mml/L植酸鈉溶液中釋放1μmol無(wú)機(jī)磷，即為一個(gè)植酸酶活性單位（以FTU表示），酶活單位越高，其作用效果也就越好。研究發(fā)現(xiàn)在豬、肉仔雞飼糧中添加包被植酸酶對(duì)其生長(zhǎng)性能、鈣磷利用率的作用效果好于未包被的植酸酶（董其國(guó)等，2010；趙春等，2007）。因此分析，可能是植酸酶經(jīng)過(guò)包被處理后，避免了畜禽胃液對(duì)植酸酶的降解而失活，而粉狀植酸酶制作工藝比較簡(jiǎn)單，酶活穩(wěn)定性差，在配合飼料加工過(guò)程中活性易損失。張峻豪等（2015）研究表明在斷奶仔豬的飼糧中添加不同劑量的植酸酶，能夠顯著提高斷奶仔豬的生長(zhǎng)性能，以最大添加量1000 FTU/kg的作用效果最好。孟婕等（2007）采用四個(gè)植酸酶添加水平（400 、500 、600 、750 FTU/kg）飼喂艾維茵肉雞得出，最適宜添加量為500FTU/kg?？梢?jiàn)，植酸酶的添加量與添加效果并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，同時(shí)還受一些其他因素的影響。在一定的范圍和條件下，隨著植酸酶添加量的提高，畜禽的生產(chǎn)性能也隨著提高。

3.2 飼糧中維生素D3、鈣、磷水平以及鈣磷比維生素D3是畜禽重要的必需元素之一，其能通過(guò)腸壁增加磷的吸收，并通過(guò)腎小管增加磷的再吸收，所以畜禽飼糧中添加維生素D3能提高植酸酶的效果。植酸酶與維生素D3還具有協(xié)同作用（程茂基等，2000），這種作用使畜禽能更有效地利用植酸磷，同時(shí)添加植酸酶與維生素D3比單一酶的添加效果理想（唐亞?wèn)|等，2011）。同時(shí)，畜禽飼糧中的鈣含量高，植酸酶的作用效果更好（Rutherfurd等，2014）。在低無(wú)機(jī)磷水平飼糧中添加植酸酶對(duì)斷奶仔豬骨骼鈣磷代謝的研究中發(fā)現(xiàn)，脛骨的鈣磷和灰分含量與無(wú)機(jī)磷的添加量呈線性相關(guān)（王德海等，2016）。郭文文等（2015）研究發(fā)現(xiàn)妊娠母豬養(yǎng)分表觀消化率與飼糧磷水平和鈣磷比相關(guān)，飼糧的鈣磷比為1.25∶1.00時(shí)，添加植酸酶可以替代1.27 g/kg飼糧中的磷。雖然畜禽飼糧中添加植酸酶可以減少無(wú)機(jī)磷酸鹽的使用，但是飼糧中不加無(wú)機(jī)磷酸鹽，全部用植酸酶代替無(wú)機(jī)磷，并不能達(dá)到畜禽常規(guī)的生產(chǎn)水平。

3.3 溫度、pH 植酸酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，溫度和pH都能影響其水解植酸鹽的效果（Edward等，2000）。畜禽的胃和腸道是植酸酶的作用場(chǎng)所，這就要求添加在畜禽飼糧中的植酸酶最適酶促反應(yīng)溫度在37℃左右，而飼料生產(chǎn)中的調(diào)質(zhì)和制粒過(guò)程，要求其溫度為75～80℃（Susmira等，2005），有時(shí)溫度高達(dá)90～95℃。因此，植酸酶產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性與植酸酶本身的熱穩(wěn)定性密切相關(guān)（Garrett等，2004）。但市場(chǎng)上熱穩(wěn)定性好的植酸酶的最適酶促反應(yīng)溫度偏高，具有最適酶促反應(yīng)溫度的植酸酶則熱穩(wěn)定性較差，所以目前的研究工作是尋找更耐高熱且符合最適酶促反應(yīng)溫度要求的優(yōu)質(zhì)植酸酶。目前研究最多的微生物植酸酶，其性質(zhì)因產(chǎn)酶菌種不同而存在差異，最適pH一般為2.5～6.0，有的菌株所產(chǎn)的酶具有兩個(gè)最適pH峰值，比較適合單胃畜禽的胃腸道環(huán)境。 比如：無(wú)花果曲霉的植酸酶，其最適pH分別為2.5和 5.5（Barry 等，2006）；分離自百合的植酸酶，其最適pH分別為7.3和8.3，其是迄今發(fā)現(xiàn)的極少數(shù)的堿性植酸酶之一（Sonali等，2005）。因此，在加工畜禽飼料時(shí)需要對(duì)植酸酶進(jìn)行預(yù)處理，以此來(lái)保障植酸酶的活性。

3.4 飼糧類型 植酸酶作為飼料添加劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用到畜禽飼料中，不同的畜禽飼糧由于原料組成的差異，其應(yīng)用效果也有所不同（李偉偉等，2006）。植酸含量較高的飼糧中，植酸酶的添加量應(yīng)酌情提高（Cowieson等，2017）。植酸酶的應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在其對(duì)植物性飼料原料的作用。孫育平等（2005）在植酸酶對(duì)不同飼料原料中鈣和磷利用率的影響研究中發(fā)現(xiàn)，添加外源植酸酶對(duì)大麥和高粱中無(wú)機(jī)磷的釋放沒(méi)有明顯影響，但豆粕、花生粕和菜籽粕中鈣和磷的釋放量得到了明顯提高。隨著非常規(guī)飼料原料（棉籽粕、花生粕、高粱等）日益普遍的使用，在進(jìn)行畜禽的飼糧配方設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意畜禽飼糧配方的組成估算植酸的含量，確定植酸酶的添加量。

3.5 消化酶及有機(jī)酸 植酸酶通過(guò)降解植酸鹽提高了畜禽飼糧氨基酸的消化率 （Cowieson等，2006），而木聚糖酶通過(guò)降解木聚糖減少內(nèi)源氨基酸的損失，由此來(lái)提高氨基酸的表觀消化率，從這方面講二者具有互補(bǔ)效應(yīng)；另一方面，植酸酶與木聚糖還存在互作效應(yīng)，木聚糖酶可以促進(jìn)植酸酶作用的發(fā)揮，提高植酸酶與其底物（植酸鹽）的接觸程度，有利于植酸酶對(duì)植酸鹽的作用；同時(shí)木聚糖酶還可降低畜禽腸道消化物黏稠度，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物和磷的吸收（Yánez等，2011）。研究表明大多數(shù)微生物植酸酶在pH為2.5和5.5時(shí)的活性最高，這種條件下畜禽飼糧中添加有機(jī)酸有利于植酸酶水解植酸。因此，飼糧中添加有機(jī)酸可以提高植酸酶的作用效果。Valencia等（2002）研究發(fā)現(xiàn)，植酸酶和醋酸對(duì)斷奶仔豬礦物質(zhì)的利用效率具有加性效應(yīng)。陳冬梅 （2003）報(bào)道，檸檬酸能加強(qiáng)植酸酶的作用，二者混合使用存在協(xié)同作用。另外，檸檬酸會(huì)與鈣螯合，使鈣從植酸鹽分子中釋放出來(lái)，從而使其結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，更容易被植酸酶水解。因此，在畜禽飼糧中添加消化酶或有機(jī)酸時(shí)，必須考慮好消化酶與植酸酶相匹配的底物，有機(jī)酸的pH及螯合能力等，否則就起不到較好的添加作用。

4 植酸酶在畜禽日糧中應(yīng)用研究的進(jìn)展

4.1 植酸分解中間產(chǎn)物 近年來(lái)，植酸酶降解產(chǎn)物低磷酸肌醇和肌醇在畜禽體內(nèi)的生理功能成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)，低磷酸肌醇在畜禽細(xì)胞中的跨膜信號(hào)傳導(dǎo)作用及從胞內(nèi)動(dòng)員鈣離子的過(guò)程中扮演重要角色（George等，2016）。研究表明，植酸的降解產(chǎn)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幾種異構(gòu)體具有廣泛的生理功能（Berridge，2016）。三磷酸肌醇螯合鈣鎂離子的能力比植酸弱很多，但螯合過(guò)渡金屬離子的能力卻較強(qiáng)，因此它不會(huì)造成畜禽體內(nèi)鈣的損失，卻能消除動(dòng)物體內(nèi)過(guò)多的鋁、鎘等金屬離子和自由基（Lawrence等，2014）；三磷酸肌醇還具有抗血小板凝聚和廣泛的消炎作用，因而可應(yīng)用于畜禽疾病的預(yù)防和治療。人工合成這些磷酸肌醇是很困難的，因此利用植酸酶生產(chǎn)不同的磷酸肌醇，可以大大降低生產(chǎn)成本。除此以外，肌醇是合成很多生物分子的前體。肌醇是畜禽維持正常生理功能不可缺少的低分子有機(jī)物（Tang等，2010），參與畜禽體內(nèi)的新陳代謝活動(dòng)，能合成肌醇磷脂、膜磷脂等前體物質(zhì)，為畜禽生長(zhǎng)代謝所必需。

4.2 超量添加 隨著對(duì)植酸酶研究的深入，發(fā)現(xiàn)畜禽飼糧植酸酶的添加量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其應(yīng)有的功效，超量添加植酸酶可以分解超過(guò)90%的植酸，當(dāng)磷酸基團(tuán)被完全釋放后，剩下的肌醇，不僅沒(méi)有抗?fàn)I養(yǎng)作用，反而會(huì)促進(jìn)畜禽能量代謝和機(jī)體細(xì)胞功能的完善（喬偉，2016）。 Zeller等（2015）研究報(bào)道顯示，低磷日糧植酸酶添加量由500 IU/kg提高到12500 IU/kg時(shí)，21日齡肉雞植酸磷降解由67%提高到92%，腸道磷吸收率由31%提高到52%，體增重、脛骨強(qiáng)度及其礦物質(zhì)化均有提高。陳冠華等（2017）研究發(fā)現(xiàn)在含25-羥基維生素D3飼糧中添加10000 IU/kg的高劑量植酸酶與飼糧中添加1000 IU/kg植酸酶相比，肉雞生產(chǎn)性能、鈣磷沉積率等顯著提高。超量添加植酸酶還可以解除飼料應(yīng)用中植酸外源淀粉酶的抑制，在低磷水平的飼糧中超量添加植酸酶還會(huì)產(chǎn)生更優(yōu)的效果，其原因可能是：植酸酶催化植酸降解為肌醇和磷酸是一個(gè)具有反饋抑制的可逆化學(xué)反應(yīng) （胡甜甜等，2017）。當(dāng)動(dòng)物日糧中其他原料所提供的磷元素過(guò)多時(shí)，會(huì)抑制植酸酶所催化的正反應(yīng)進(jìn)行，從而達(dá)不到植酸酶理想的降解效果。因此，畜禽飼糧中添加植酸酶還需考慮飼糧中磷的來(lái)源和含量，采取超量添加植酸酶，能否達(dá)到理想效果還有待進(jìn)一步的探討和研究。

4.3 轉(zhuǎn)基因 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，植酸酶的研究也已進(jìn)入分子水平，轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物作為植酸酶的表達(dá)系統(tǒng)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景（丁強(qiáng)等，2010）。孫悅等（2016）在獲得唾液腺特異表達(dá)植酸酶轉(zhuǎn)基因豬的研究中發(fā)現(xiàn)，原代植酸酶基因豬的糞磷排放量顯著降低16%，可以有效減少糞磷排放對(duì)環(huán)境造成的污染。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)使作物表達(dá)植酸酶基因，不僅可以直接表達(dá)足夠的植酸酶來(lái)替代在畜禽飼料中添加額外的植酸酶，同時(shí)在作物根部表達(dá)的植酸酶還可以對(duì)土壤進(jìn)行改良（趙康等，2014）；而且也可以作為生物反應(yīng)器來(lái)生產(chǎn)商品植酸酶，能規(guī)?；畠r(jià)生產(chǎn)，具有商業(yè)化種植前景。有研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米在蛋雞低磷日糧中的使用可顯著改善蛋雞的產(chǎn)蛋性能和蛋品質(zhì)，并顯著提高蛋雞各腸段中的植酸酶活性和植酸磷的降解率，改善蛋雞骨骼質(zhì)量（王修啟等，2014）。另一方面培育低植酸作物已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，當(dāng)把低植酸作為育種目標(biāo)時(shí)，作物種子植酸含量降低可能會(huì)給作物帶來(lái)不利影響 （張倩雯等，2016），如何消除這些不利影響是未來(lái)亟需解決的問(wèn)題。

5 小結(jié)

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，利用植酸酶降解米糠等農(nóng)副產(chǎn)品中的植酸（朱春鳳等，2010），生產(chǎn)肌醇磷酸鹽或肌醇等產(chǎn)品，必然會(huì)大大降低生產(chǎn)成本；同時(shí)，植酸酶在用于改良土壤，開發(fā)植酸酶菌肥等方面均有較好效果。根據(jù)畜禽磷消化代謝特點(diǎn)及其影響磷利用的因素，開發(fā)和研制適合于不同畜禽的植酸酶產(chǎn)品以及加強(qiáng)植酸酶應(yīng)用效果快速評(píng)估技術(shù)體系的研究等將是今后的研究發(fā)展方向。可以預(yù)見(jiàn)植酸酶必將有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景，而植酸酶在畜禽飼料中的應(yīng)用也進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。