超劑量植酸酶在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進展

李元鳳，何 健，敖 翔，白國勇

（1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽 621000；2.四川鐵騎力士集團馮光德實驗室，四川綿陽 621000；3.四川省畜牧科學(xué)研究院，四川成都 610000）

當(dāng)前我國因畜牧業(yè)生產(chǎn)造成的磷過量排放已導(dǎo)致土壤板結(jié)、水質(zhì)惡化，嚴重威脅人類的生存環(huán)境[1]。當(dāng)土壤中銅、鋅含量分別達到 100～200 mg/kg 和200 mg/kg以上時，土壤就會被污染[2]。而且目前動物糞便直接還田作為肥料使用，糞便中存留過多的礦物元素可能通過食物鏈傳播存留在動物或植物體內(nèi)，最終對人類身體健康造成危害[2]。植酸酶在生產(chǎn)應(yīng)用中表現(xiàn)出來的經(jīng)濟性和環(huán)保作用已得到廣泛認同。研究表明，植酸酶是用于釋放植酸中磷的高效水解酶，能提高豬的礦物質(zhì)和氨基酸利用率，當(dāng)飼糧中天然、耐熱的新型大腸桿菌植酸酶添加劑量超過500 FTU/kg 時植酸會大量水解[3]。添加植酸酶可以大量減少無機磷使用量，降低飼料成本；還可以顯著降低豬、禽糞磷的存留量，減少磷對環(huán)境的污染；鈣、鋅等礦物元素也可得到更好利用，蛋白質(zhì)、氨基酸、淀粉和脂質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)吸收率也更高[4]；動物每天采食量增多、體重增加，動物生產(chǎn)性能得到改善，因此植酸酶應(yīng)用前景廣闊[5]。當(dāng)豬攝入植酸酶的劑量過高時，額外的酶不僅可以引發(fā)磷的釋放，還可以促進生長[6]。在飼糧中超劑量添加植酸酶，植酸能被快速降解并破壞[7]，按照標準劑量的3～4 倍添加植酸酶還可以消除植酸鹽的抗營養(yǎng)作用[8]。植酸酶的工業(yè)化生產(chǎn)中大量應(yīng)用生物工程技術(shù)使其生產(chǎn)成本大大降低[1]，可在飼料工業(yè)中大量應(yīng)用，不僅可以降低礦物元素的排放量，同時探索出礦物元素的理想模式[9]和最適添加劑量。本文就超劑量植酸酶在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用情況進行綜述。

1 植酸和植酸酶

1.1 植酸及其抗營養(yǎng)作用 植酸（Phytic acid）別名肌醇六磷酸，具有抗營養(yǎng)特性[10]，作用機理主要是植酸能穩(wěn)定地絡(luò)合Ca2+、Mg2+、Fe2+、Zn2+等金屬離子[11-12]，與蛋白質(zhì)分子結(jié)合形成二元復(fù)合物[10]，與金屬離子和蛋白質(zhì)分子結(jié)合形成三元復(fù)合物[13]，從而降低動物對礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)的利用。此外，植酸存在于動物體內(nèi)會引起內(nèi)源性黏蛋白的分泌量增加[3]、氨基酸消化率下降[3]、內(nèi)源性酶活性受到抑制[3]，從而可能降低動物的生產(chǎn)性能和飼料利用率[14]。磷在植物性飼料中主要以植酸磷的形式存在[15]，但由于單胃動物消化液中植酸酶含量很少，植酸磷在消化道內(nèi)不能水解成可以被動物利用的無機磷酸鹽，因而單胃動物對植酸磷的利用率極低。

1.2 植酸酶分類 植酸酶按照不同來源分類主要有3 種：植物、動物和微生物。植物植酸酶的pH 范圍較窄；動物植酸酶主要來源于動物腸道細胞，這種內(nèi)源性植酸酶在消化道中的活性極其微弱，對植酸磷的利用率極低。微生物植酸酶是由細菌及部分真菌產(chǎn)生的一種胞外酶，容易分離和提純，且活性高于植物中存在的酶，在畜禽飼料中微生物植酸酶應(yīng)用范圍廣[1]。

1.3 植酸酶作用機理 植酸酶作為一種磷酸單脂水解酶，具有專一水解植酸中磷脂鍵的特性。在水解過程中，植酸酶依次按照順序切下植酸分子上的磷酸基團，最終將植酸分解成肌醇和磷酸2 個終產(chǎn)物[1]。因植酸酶來源不同，其作用機理有差異。依據(jù)對植酸的作用方式，目前分離出的植酸酶主要有3-植酸酶和 6-植酸酶2 種[16]。3-植酸酶主要存在于動物和微生物中，植酸中無機磷被水解釋放的順序首先是第3 碳位點，其次是其他位點；而6-植酸酶主要存在于植物中，無機磷首先在植酸的水解順序首先是第6 碳位點，然后是其他位點釋放[17-18]。

2 植酸酶超劑量的意義

目前畜禽飼料中關(guān)于超劑量添加植酸酶的標準不統(tǒng)一[19]。范亮[19]首次對植酸酶的劑量范圍進行了定義：常規(guī)劑量（500～1 000 FTU/kg），低劑量（＜ 500 FTU/kg），超劑量（超過1 000 FTU/kg）。人們使用植酸酶的策略也有了較大變化，以前更多關(guān)注營養(yǎng)物質(zhì)的劑量，現(xiàn)在更傾向于飼糧成本的降低以及動物生產(chǎn)性能的優(yōu)化[7]。常規(guī)劑量使用植酸酶時，植酸被降解的比例較少，但超劑量使用大腸桿菌植酸酶時幾乎所有的植酸均被降解，植酸的抗營養(yǎng)效應(yīng)相應(yīng)減少[3]。超劑量使用植酸酶可能有另外2 個好處：一是平衡鈣/磷比例。當(dāng)使用較低劑量植酸酶時，鈣比磷釋放得更多[3]。而植酸酶超劑量使用時，植酸被全部降解，磷比鈣釋放得更多，且可消化的鈣磷比值更平衡[3]。二是產(chǎn)生生長促進因子——肌醇。植酸降解時產(chǎn)生肌醇，肌醇在細胞內(nèi)可能被重新磷酸化，可以作為一種重要的抗氧化劑[3]。

3 超劑量添加植酸酶對豬的作用

3.1 超劑量添加植酸酶對豬生長性能的影響 前人研究表明，低劑量添加植酸酶可以促進動物生長[20-21]。低磷飼糧（總磷0.35%）中補添250～500 FTU/kg 植酸酶可以顯著提高生長豬的生長性能，改善因低磷引起的生產(chǎn)性能下降，磷恢復(fù)到正常水平[20]。對體重10 kg 左右的去勢仔豬研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，基礎(chǔ)飼糧（玉米-大豆型）中植酸酶劑量為 200、400 FTU/kg 時，仔豬日增重（ADG）提高18%和28%，日平均采食量（ADFI）提高18%和24%[21]。這一研究結(jié)果與吳東等[22]在36 kg豬（有效磷0.18%，植酸酶750 FTU/kg）上研究的結(jié)果相似。王晶等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在35～40 kg 生長豬飼糧（有效磷0.24%）中添加500、1 000 U/kg 新型耐高溫植酸酶，生長豬ADG 顯著提高10.34%和11.97%，飼料轉(zhuǎn)化率顯著改善3.51%和4.05%。但近年的研究發(fā)現(xiàn)，超劑量添加植酸酶因植酸酶來源、使用階段、基礎(chǔ)飼糧鈣磷含量以及其他營養(yǎng)成分差異，其使用效果有更多變化（表1）。Bedford 等[7]對19 項超劑量試驗的研究結(jié)果進行綜述發(fā)現(xiàn)，在對照組飼糧中包含適量的鈣、磷等營養(yǎng)成分條件下，試驗豬只每天的體重增幅約為84%，飼料轉(zhuǎn)化效率增加74%。因此，通過超劑量植酸酶添加技術(shù)可以提高生長性能，主要原因不僅僅是提高了磷的釋放比例和利用率，而是消除了植酸的抗營養(yǎng)效應(yīng)影響[3]。整體來講，低磷飼糧中植酸酶添加量達超劑量時效果較為顯著。

3.2 超劑量添加植酸酶對鈣、磷及其他礦物質(zhì)生物利用率的影響 研究發(fā)現(xiàn)，在不同階段仔豬飼糧中添加超劑量植酸酶對鈣、磷和銅表觀消化率有不同程度的改善（表2）。鈣、磷及銅的表觀消化率不僅受植酸酶添加水平的影響，還受飼糧中鈣、磷水平的影響。Meta 分析表明，植酸酶含量達500 FTU/kg，可以迅速增加可消化鋅和銅的水平[37]。而植酸酶含量超過500 FTU/kg 時，可消化的鋅和銅的增長速度則變慢[37]。但當(dāng)生長豬飼糧為低磷低鈣水平時，添加微生物植酸酶不會對鎂、錳、鋅和鐵的表觀消化率產(chǎn)生影響[38]。但也有研究表明，低磷飼糧中添加500～1 000 FTU/kg 植酸酶，鐵、銅、錳和鈷的表觀消化率會顯著提高[2]。因此，為節(jié)約使用成本，降低環(huán)境污染，首先考慮使用低磷飼糧，同時應(yīng)考慮減少相關(guān)礦物元素的使用劑量[2]。

3.3 不同劑量植酸酶對豬骨骼特性的影響 植酸酶的添加劑量與豬骨骼生長發(fā)育直接相關(guān)。研究表明，低劑量添加植酸酶與對鈣、磷沉積有一定的促進作用[39]。而另一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，超劑量添加植酸酶對豬骨骼發(fā)育有更好的促進作用[28,31]。此外，Laird 等[29]在28 日齡斷奶仔豬（7.6 kg 左右）上研究發(fā)現(xiàn)，低鐵飼糧（50 mg/kg）中補添2 500 FTU/kg 植酸酶，骨中鈣和磷含量分別顯著提高5.23%和6.78%。

3.4 超劑量添加植酸酶對豬飼料養(yǎng)分利用率的影響Jongbloed[41]分析發(fā)現(xiàn)，添加植酸酶可使蛋白質(zhì)的消化率提高0.85%～1.70%。另有研究發(fā)現(xiàn)，斷奶仔豬飼糧中添加植酸酶對干物質(zhì)和粗蛋白質(zhì)的消化率無顯著影響[42]。Lee 等[24]研究表明，在21 日齡（6.7 kg）斷奶仔豬基礎(chǔ)飼糧中添加3 000 FTU/kg 植酸酶，干物質(zhì)的利用率顯著提高49.81%。Zeng 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在9.5 kg 斷奶仔豬低磷飼糧（有效磷0.24%）中添加20 000 FTU/kg 布托菌屬植酸酶后干物質(zhì)和粗蛋白質(zhì)的回腸表觀消化率分別顯著提高2.48% 和4.07%。飼糧氨基酸因來源和種類繁多，其與植酸形成絡(luò)合物的程度也不相同[2]，因而氨基酸消化率變化較大。另外，植酸酶來源和酶活性高低也會影響試驗結(jié)果[2]。飼糧中添加微生物植酸酶后，與植酸結(jié)合的蛋白被分解[43]，氨基酸利用率提高。Zeng等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在9.5 kg 斷奶仔豬低磷飼糧（有效磷0.24 %）中添加20 000 FTU/kg 大腸桿菌植酸酶后干物質(zhì)和粗蛋白質(zhì)的回腸表觀消化率分別顯著提高4.05%和5.54%，賴氨酸和纈氨酸的利用率分別顯著提高5.29%和5.58%。但 Traylor 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，豆粕型飼糧中添加1 500 FTU/kg 植酸酶對生長豬氨基酸表觀消化率和回腸真消化率無提高作用。

表1 超劑量添加植酸酶對豬生長性能的影響

表2 超劑量添加植酸酶對鈣、磷及銅表觀消化率的影響

表3 植酸酶對豬骨骼特性的影響

表4 植酸酶對磷排放的影響

3.5 不同劑量植酸酶對環(huán)境污染的影響 因豬只生長階段和飼糧中植酸酶添加劑量不同對環(huán)境污染影響存在較大差異。飼糧中添加植酸酶會導(dǎo)致糞磷降低，這也與植酸酶來源、添加劑量以及動物生長階段等試驗條件有關(guān)。植物飼料原料含有較高的自然植酸酶，可以提高飼糧中磷的利用率[45]，從而有效降低磷在環(huán)境中的存留，減少污染。

鈣磷比例也會影響鈣磷的排放。如果鈣磷比超過骨組織合成所需要的量，磷利用率降低，鈣經(jīng)由尿液排出的量會增加[47]。低磷飼糧中降低鈣磷比的同時添加植酸酶，可提高豬生產(chǎn)性能，增加磷利用率[48]。膳食中添加超過目前標準（500 FTU/kg）的植酸酶可進一步改善礦物質(zhì)使用，從而減少對環(huán)境的礦物質(zhì)輸出。綜上所述，低劑量植酸酶可以顯著降低磷在糞中的留存量，對環(huán)境污染防控起到很好的作用，但有關(guān)超劑量植酸酶的研究相對較少，需進一步深入研究。

4 豬飼糧中植酸酶超劑量添加的影響因素

4.1 植酸酶添加劑量的影響因素 植酸酶取代磷酸鹽的最佳劑量較難掌握，生化反應(yīng)的啟動、反應(yīng)速度和程度因植酸酶的用量而異，太少不能啟動，但過量生化反應(yīng)速度也得不到提高，反而造成浪費[49]。目前研究表明，添加植酸酶后飼料中可以少添加0.10%～0.12%磷[45]。植酸酶活性易被高溫破壞，胃液中蛋白質(zhì)也容易被降解而失去活性，而耐高溫的包被型植酸酶具有最好的熱穩(wěn)定性，因此豬飼糧中大量使用植酸酶可以使植酸鹽被有效水解，同時營養(yǎng)物質(zhì)也可以得到更有效利用[50]。飼糧中植酸酶添加量在0.20%左右時才有正效應(yīng)，如果飼糧設(shè)計為低鈣水平時植酸酶還能發(fā)揮更有效的作用[49]。小腸中鈣吸收率可通過添加維生素D3得到提高，維生素D3也能提高植酸酶活性，從而使植酸酶的效用增加[5]。玉米-豆粕飼糧中如果缺磷，可以通過添加維生素D3提高磷存留量，而補充適量植酸酶則可進一步提高磷存留量。研究表明，鈣磷比值在1.4～1.6 時，植酸酶和維生素D3能發(fā)揮最有效作用[49]。

4.2 植酸酶活性的影響因素 試驗表明，pH 為4.5～6.0時植酸酶活性超過80%，而活性最高時pH 為5.5[49]。另外，礦物質(zhì)隨飼料或飲水進入腸道后會影響植酸酶的活性，存在于機體本身的各種離子也會一定程度地影響植酸酶活性[51]。植酸酶是一種外源性的酶制劑，活性可以被催化，內(nèi)源蛋白酶（胃蛋白酶、胰蛋白酶）會影響進入消化道內(nèi)的植酸酶的活性發(fā)揮[51]。飼糧加工方式和貯存也對植酸酶活性產(chǎn)生不同程度影響[4]。從目前已發(fā)布的研究結(jié)果來看，大部分僅以植酸酶的添加量來進行研究，而對植酸酶的實際存留問題關(guān)注較少，實際生產(chǎn)應(yīng)用還缺乏更精準的指導(dǎo)。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，植酸酶超劑量添加技術(shù)能增加飼糧中微量元素、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，且可降低磷、氮等元素在環(huán)境中的存留率，從而減少環(huán)境污染。但受飼糧無機磷含量、鈣磷比、金屬陽離子（如鋅）等因素影響，植酸酶的超劑量添加技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)還有一定局限。植酸酶添加效果也因廠家產(chǎn)品的差異、植酸酶的來源、添加劑量及方式（是否考慮實際留存量）等而有所不同。因此，綜合考慮以上影響因素才能更好地將植酸酶超劑量添加技術(shù)應(yīng)用于豬生產(chǎn)中，為保護人類環(huán)境做出更大貢獻。