植酸的抗营养作用及其应用.docVIP

植酸的抗营养作用及其应用摘要 本文综述了植酸的抗营养作用、植酸酶的种类和来源、植酸酶的活力影响因素、植酸酶在食品医药及畜禽和水产养殖中的应用、提高饲料营养价值的途径。关键词 植酸 抗营养作用 植酸酶 应用1 植酸1.1 植酸的结构组成 植酸（Phytic acid or inositol hexakis-phosphate） 即醇六磷酸酯，俗称菲丁。分子式为C6H18O2P6，通式为6OPO （OH） 26，分子量660.8，其化学结构是由6个碳原子构成的正六边形，每个碳原子上连有一个带负电的磷酸根，其具有很强的螯合能力，与EDTA接近，可与多种矿物质离子如镁、钾、钙、锰、铁、锌螯合，形成不溶性复合物。植酸 （盐） 广泛存在于植物果实及子粒中，植酸磷占植物总磷量的60%90%，菜籽饼粕及浓缩菜籽蛋白的植酸含量为3.0%9.9%，棉籽饼粉植酸含量在2.9%以上， 大豆去壳粉植酸含量1.4%1.6%，玉米、水稻、高粱、小麦、大麦植酸含量0.96%1.17%。1.2 植酸的抗营养作用植酸在pH值中性或碱性的状态下，可与二价阳离子络合成难溶性的盐 ，并影响这些元素在小肠内的吸收。 在酸性条件下，植酸与氨基酸 （如赖氨酸、 组氨酸和精氨酸） 络合，影响蛋白质的溶解性和胃蛋白酶的作用，在中性条件下，一些氨基酸通过二价或三价微量元素与植酸结合，生成的植酸-蛋白或植酸-微量元素蛋白络合物可限制蛋白质的利用。植酸还可以直接与消化酶络合，从而限制淀粉酶、 胰蛋白酶、酪氨酸酶、胃蛋白酶和脂肪酶的活性。由于植酸酶的这种抗营养作用，矿物质和各种营养元素得不到很好的利用。因此在含有植酸的谷物和豆类食品中加入植酸酶，能不同程度地提高各种营养元素的利用率。1.2.1 影响单胃动物的矿物质代谢 植酸分子中含有6 个磷酸基团,因此具有很强的络合能力。在微酸性至碱性的 pH 范围内，可与消化道中的多种金属阳离子:如钙、镁、锌、铁、锰、铜、铬等离子形成不溶性的复合盐，即植酸盐 。据报道 1 g 植酸可络合 500 mg 铁离子。植酸盐在单胃动物消化道中不能被消化利用，当给动物饲以含植酸盐含量较高的日粮时动物会出现钙、磷、镁、锌等的缺乏症。1.2.2 影响动物蛋白质的代谢及多种消化酶的活性 植酸在 pH 低于蛋白质的等电点时易与蛋白质形成植酸-蛋白质不溶性复合物 ，而在 pH 高于等电点时，又会通过金属离子的桥梁作用与蛋白质形成植酸-金属离子-蛋白质三元复合物，这些二元或三元复合物的形成会改变蛋白质的结构降低其溶解度,并进而影响其消化率和功能。1.2.3 降低磷的利用率且增加饲料成本 Bedford 和 Partridge 2004 报道： 家畜所采食的饲料大多为植物性饲料，这些植物性来源的饲料富含磷但其大多数以植酸盐的形式存在 60 % 80 % Bruce 和 Callow 1934 研究表明：谷物饲料及其加工产品中 40 %70 %的磷是植酸磷 ，由于单胃动物不能或很少分泌植酸酶， 所以饲料中植酸磷的利用率仅为 0 % 40 % 。1.2.4 污染水体且影响水产动物的生长 水产动物体内缺乏内源性植酸酶，对饲料中植酸磷的利用率较低。高水平的植酸会降低鱼类的生长速率、饲料利用率、成活率以及甲状腺功能，排出体外的磷进入土壤和水中，造成生物耗氧量 BOD 和化学溶氧量 COD 值升高。 导致水质恶化、鱼体生病或鱼肉带异味等。同时养殖水体中排放的饲料磷促使水体中浮游植物的大量繁殖,过剩的磷甚至可能诱发赤潮，给养殖业带来巨大的损失。2 植酸酶的种类及来源植酸酶即肌醇六磷酸水解酶 ，属于磷酸单脂水解酶 。能降解饲料中的植酸及其盐类 ，根据植酸酶的结构特点可将植酸酶分为 3-植酸酶 3-phytase E.C.3.1.3.8 和 6-植酸酶 6-phytase E.C3.1.3.26 两种 ，广义的植酸酶还包括非特异性磷酸单酯酶 E.C.3 1 3 2。植酸酶主要存在于植物籽实的胚中，在干燥后籽实冬眠时没有活性 ，只有在种籽萌发时被激活 ，并水解种子中的植酸 。在干燥、高温、pH值较低的情况下无活性，且易于因过多的植酸盐底物和产物而受到强烈的抑制 难以在动物胃内 pH 较低的情况下发挥作用 。Peers1953 3-植酸酶大多由霉菌、酵母和细菌产生目前研究较多的是无花果曲霉菌AF 和黑曲霉菌 AN 产生的植酸酶 ，它们分泌的植酸酶能催化植酸向正磷酸盐肌醇转化 。植酸酶由于性质稳定、耐酸、耐高温、广泛应用于饲料中。3 植酸酶的活力及影响因素3.1 植酸酶活力 Boever 1994 将 1 个植酸酶活性单位定义为在 37 pH 5.5 的条件下 1 min内从 0.0051 mol/L 的植酸钠溶液中释放 1 mol的无机磷所需的植酸酶量 。活性越高， 单位时间内水解植酸、 植酸盐的量就越多。目前国外多采用此法标定植酸酶活性。3.2 活力影响因素3.2.1 pH 值 植酸酶是一种酶蛋白， 只有在适宜的环境条件下才能表现出高活性。 植酸酶最适 pH值为 4.0 6.0 pH 值小于 3.5 和大于 7.5 就完全失去活性 。家禽采食的饲料在嗉囊中贮存 2 h 左右 嗉囊中 pH 值为 4.39 温度为体温 无消化酶的干扰， 植酸酶可稳定存在.3.2.2 温度 高温会破坏植酸酶，且其破坏程度与作用时间有关。 Peers1953 发现：当小麦经 80 以上的蒸汽加热 10min 其所含的植酸酶活性会大部分丧失 ，但低于80 几乎没有损失 Gibson 和 Ullah 1990 研究发现：大豆植酸酶适宜的温度50 在 60 时发生变性饲料中钙磷比值 ，过多的钙与植酸形成植酸钙 ，减少了植酸酶与植酸的接触机会 ，降低了其利用率 Qian 等在不同水平钙 磷比值条件下对火鸡饲用植酸酶的效果进行了研究 ，结果发现磷水平是影响植酸酶活性的关键 ,植酸酶在低磷饲料水平下效果更好，过多的无机磷会抑制植酸酶活性 。一般认为 ，日粮中钙磷比为 1.1 ：1.4时 植酸酶效果最佳。 随着钙磷比的增大，植酸酶的作用效果反而降低4 植酸酶的作用4.1 提高矿物质元素的生物利用率 植酸在化学结构上具有很强的络合能力，在pH3.310时能与钙、镁、锌、铜、铁、锰等金属离子形成稳定的络合物，从而降低人和动物对这些矿物元素的利用率。在pH 7.4的条件下，植酸与下列离子形成的络合物的数量依次减少： Cu2+、Zn2+、Co2+、Mn2+、Fe2+、Ca2+；植酸与下列离子形成络合物的稳定性依次减弱：Zn2+、Cu2+、 Ni2+、 Co2+、 Mn2+、 Ca2+。可见，植酸对矿质元素利用率影响最大的是锌。许多试验表明，日粮添加植酸酶可使Ca2+、Fe2+等阳离子利用率提高。报道，添加植酸酶可使猪对Mg2+、 Zn2+、Cu2+和Fe3+的表观吸收率分别增加了13%、 13%、 7%和9%。4.2 提高蛋白质、氨基酸的利用率植酸在消化道中可与蛋白质作用形成难溶性的复合物。植酸与蛋白质的这种相互作用与pH值关系非常密切。在低于蛋白质等电点的pH条件下， 植酸可与蛋白质分子上的碱性基团 （赖氨酸、 精氨酸、 和组氨酸残基）结合形成植酸-蛋白质的二元复合物。在高于蛋白质等电点的条件下，经钙、镁和锌等阳离子作为桥梁形成植酸-蛋白质的-金属离子的三元复合物，这种复合物是不可溶的，且受蛋白质水解酶作用的程度小于同种单独蛋白质，因此导致蛋白质的消化率降低。植酸酶的水解作用使植酸与蛋白质之间的化学键断裂， 释放出复合物中的蛋白质， 使其消化利用率得到提高。Officer和Batter-ham （1992） 对猪的试验表明，添加微生物植酸酶后猪回肠的蛋白质和必需氨基酸表观消化率提高了9%12%。 Mroz（1994） 研究表明，添加植酸酶后，不仅使蛋白质而且使赖氨酸、蛋氨酸、色氨酸、精氨酸、缬氨酸、 苯丙氨酸、组氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和苏氨酸的表观消化率均得到改善。另有资料报道，在低磷低蛋白质水平下添加植酸酶，使氨基酸的利用率显著提高， 而高磷高蛋白质日粮中添加植酸酶，对氨基酸的消化率和沉积率无影响。4.3 消除植酸的螯合作用，提高食物的营养价值人和动物所需的营养物质可分为有机和无机营养物质。后者量少， 仅占体重的4%5%， 但种类很多，功能各异，具有很重要的生理功能。 例如骨骼形成、体液维持、酶和辅酶活性等都离不开无机盐，如缺铁易患贫血症，缺钙易患骨质疏松症等。食物中富含植酸，其螯合效应将大大降低二价、三价阳离子及蛋白质的生物利用率。添加植酸酶后，可消除这种螯合作用，从而提高无机营养物质的生物利用率。植酸酶单独使用或与木聚糖酶 （ xy lanase）和葡聚糖酶 （glyeanase） 合用，可提高麦类的营养价值。用含植酸酶的饲料饲养牛，可降低乳牛胃内的氨基酸态氮，从而增加挥发性脂肪酸含量，提高牛奶的产量和质量。5植酸酶的应用5.1 植酸酶在食品中的应用Sandberg等研究了食物中的植酸酶在消化道内降解植酸盐的作用， 当在特定食谱中加入失去植酸酶活性的麦麸，平均有95%的植酸不能被降解， 而加入没有经过处理的麦麸时， 仅有40%的植酸不被降解。 由于食物本身含有的植酸酶的活性在食品的加工过程中基本被破坏了，而人体自身又不能合成植酸酶，所以近几年植酸酶引起了食品行业的广泛重视。到目前为止，国内没有专门应用于食品行业的食用级的植酸酶产品上市2-3，仅限于研究阶段，植酸酶的作用效果主要集中在增加矿物质的吸收和改善食品加工技术上。在添加有谷物和豆类的食品中，植酸阻碍了铁、锌的吸收，而导致发展中国家的婴儿、 孕妇和素食主义者普遍性的缺铁和缺锌。 Sandberg利用体外模仿条件研究了植酸酶对铁利用率的影响，证明植酸的降解可提高铁的利用率18， 在小麦中添加10mg的植酸，就能使铁的吸收率降低39%。Knorr还发现在面团中加入黑曲霉植酸酶，铁的吸收率从14.3%提高到26.1%18。IP5、 IP6也能直接阻碍铁、锌的吸收14， IP3、 IP4虽然不能直接降低铁的吸收， 但它们对植酸螯合铁离子有辅助作用。所以为了消除植酸的这种螯合铁离子和锌离子的作用，要把植酸降解成IP3。植酸对锌的利用率影响也很大， 锌在小肠前端与植酸形成不溶性螯合物， 降低了锌的利用率。食品级的纯化植酸酶可用于婴儿食品，特别是豆奶制品中，以解除抗营养因子；可以用于处理粮食， 以分解粮食中的植酸（盐），减小植酸对微量元素的螯合， 提高粮食的营养价值6-8；人的小肠内，植酸酶的活性极低，难以利用植酸盐， 在大豆加工中可对大豆蛋白进行酶催化改性，从而提高其营价值和商品价值。面包生产过程中添加植酸酶可以清除揉面中的植酸， 面包制作中用的植酸酶应该是安全无毒的、高活性，钙依赖型； Haros等研究了面包焙烤过程中植酸酶的应用效果，证实植酸酶是一种很好的面包改良剂，它在不改变面团pH值的条件下大大缩短了面包的醒发时间，而且改善了面包的质地；浸渍是玉米浆的生产程序之一，微生物植酸酶能加速这一过程，改良株胚的分离，获得高产量的淀粉和面筋， 并且能改善玉米浆的品质，在谷物淀粉加工中处理废弃物， 降低对环境的污染。植酸酶能有效地减少大米粉、小麦粉、玉米粉、燕麦粉、高梁粉中的植酸，植酸的降解情况可以用食品中铁的吸收率来评价， 麦片中植酸的含量为0.12%0.89%，经过植酸酶处理后，植酸的含量0.002%，铁的吸收率显著提高。在食品的加工过程中，如烹饪、发芽、热处理、发酵、浸泡等也能减少食品中的可溶性的植酸含量。5.2 植酸酶在医药方面的应用随着近年来植酸酶降解产物低磷酸肌醇在生物体内生理功能的发现， 低磷酸肌醇作为药物的开发和利用的研究工作也正在成为关注的焦点。研究表明植酸酶水解植酸产生的低磷酸肌醇和肌醇， 可以在动植物及微生物体内相互转化， 并具有非常重要的生理功能9-12。三磷酸肌醇是植酸盐降解过程中的最重要的一种中间产物。根据磷酸基团位置分布的不同，三磷酸肌醇有多种同分异构体11，比较常见的有：肌醇1，2，6-三磷酸、肌醇1，4，5-三磷酸、肌醇1，2，3-三磷酸、肌醇1，2 5-三磷酸、肌醇1，3，4-三磷酸等。分别简称为I （1，2，6）P3、I（1，4，5）P3、 I（1，2，3）P3、 I（1，2， 5）P3。三磷酸肌醇（简称为IP3 ）具有多种同分异构体， 不同结构的IP3具有不同的功能。有的异构体对多种疾病具有预防和减轻病症的疗效，有的能消除或减轻一些药物对人和动物产生的副作用，有的异构体对动植物细胞内的信息传递具有非常重要的作用等。Streb等首先发现1，4，5-IP3是生物体内的第二信使，为Ca2+运输、细胞信号传递所不可缺少。A.Claxson等的研究表明I（1，2, 6） P3在较高的浓度下也是无毒的，它对急性和慢性的炎症具有明显地抗消炎作用， 但是作用机制不太清楚。JeanC.Ruf等研究认为I （1，2，6） P3和Ve对链唑霉素诱导老鼠产生的糖尿病具有良好的疗效。A. L . C arrington等人同样证明I （1，2，6） P3对链唑霉素-糖尿病具有效果。 Siren Matti等人的研究表明， 以I （1，2，6） P3为主的IP3对糖尿病及其综合征具有良好的疗效。进一步研究表明，不同低磷酸肌醇异构体，例如1，2，6-IP3和1，2，3-IP3在治疗糖尿病、 高血压、抗血小板聚集、消除体内自由基以及抗炎症方面有非常好的作用， 是正在被开发的重要药物，其中1，2，6-IP3消除镉导致的血小板聚集的效果最好IP3、IP4等在生物体内的营养调节等方面有着特殊的作用和功能。江红等研究表明IP3具有抗油脂氧化的作用。 胡新荣等研究表明低转移性癌细胞比高转移性者的I （1，4，5） P3含量高， 对表皮生长因子的反应性更大， 表皮生长因子可影响肿瘤细胞的生长和侵袭行为。Siren Matti等的研究表明IP5、IP6可以作为止痛药。低磷酸肌醇在生物体内的重要生理作用的发现，给植酸酶在药物方而的应用带来了光明的前景。然而用化学合成法来生产低磷酸肌醇很难，最切实有效的方法是用酶法生产低磷酸肌醇。各部分的含量取决于所加植酸酶的量、反应时间和温度等因素。5.3 植酸酶在畜禽和水产养殖中的应用5.3.1 植酸酶在猪日粮中的应用效果5.3.1.1对猪的消化率的影响 在猪饲料中添加植酸酶可提高磷的利用率降低粪中磷含量改善蛋白质和氨基酸的消化率, 释放植酸盐中被络合的矿物质元素 Anonymous 2003 研究证明 在10 kg 的阉割猪玉米-大豆日粮中添加 200 FTU/kg 的植酸酶 磷和钙的利用率分别提高了 32 %和 35 % Krasucki 等 2004 在泌乳母猪饲料中添加植酸酶 其粗蛋白质 氨基酸和有机物的消化率分别提高了 2.5 %- 2 %和 7 %.5.3.3.2 对猪生产性能的影响 在仔猪和生长猪饲料中添加植酸酶 可显著提高日增重和饲料转化率 Anonymous 2003 在体重 10 kg 的阉割猪玉米-大豆日粮中添加 200 400 FTU/kg 的植酸酶 结果发现 其日增重较对照组提高 18 %-28 % 饲料转化率改善 18 %- 24 % 韩延明等1996 在 11.0 0.24 kg 断奶仔猪在断奶至育肥阶段日粮中添加 1000 1200 PU/g 的植酸酶 研究表明 添加微生物植酸酶使猪增重量和采食量接近添加无机磷组的水平 显著高于对照组.5.3.2 植酸酶在家禽日粮中的应用效果5.3.2.1 提高钙磷利用率 饲料中添加微生物植酸酶可使谷类和油饼类等植物饲料中植酸所含的大部分磷释放出来, 从而满足动物对磷的需要, 提高磷的利用率, 同时减少了磷的排泄量 Simons 等1990 在 4 6 周龄的玉米-豆粕型肉鸡日粮添加 750 2000 U/kg 的植酸酶 使肉鸡的磷排泄量减少 25 %左右 .Simons 和 Versteegh 1991 发现日粮中总磷水平保持在 0.4 % 而植酸酶添加率从 300 U/kg 提高到 1500 U/kg 时 胫骨断裂机率显著减少 ,且强度得到显著提高 Qian 等 1996研究了肉鸡日粮中不同钙磷比 1.1 1 1.4 1 1.7 1和 2.0 1 对植酸酶添加 0 300 600 900 U/kg 效果的影响 ,结果表明: 钙和磷的沉积量随植酸酶的增加而呈线性增加 ,但钙磷比大于 1.4 1 后线性值出现负效应.5.3.2.2提高家禽生产性能 在家禽饲料中添加植酸酶 可以提高其生产性能 Liebert 等 2005 在22 61 周龄的产蛋母鸡的玉米-大豆日粮中添加300 U/kg 的微生物植酸酶 ,能显著提高其饲料转化率 ,报道 在 26 周龄的绍兴麻鸭产蛋高峰期饲料中添加 400 FTU/kg 植酸酶 ,产蛋率明显提高 5.3 % 添加 500 FTU/kg 植酸酶时产蛋率提高 12.9 % 因而认为产蛋鸭高峰期日粮中植酸酶适宜添加量为 400- 500 FTU/kg , 用 400 g/t 和 700 g/t 的植酸酶以替代80 日龄中国白羽鹤鹑日粮中 40 %和 70 %的骨粉 产蛋率和饲料报酬分别提高 4.48 % 3.66 %和 19.10 % 23.40 % 0.05 经济效益分别提高 19.17 %和 23.60 %.5.3.3植酸酶在水产饲料中的应用 植酸酶能水解植物源饲料中的植酸磷 水解后的植酸磷能被鱼类有效利用 从而可以减少无机磷在配合饲料中的添加量 降低磷的排泄量 同时有效提高鱼类对钙等矿物元素的吸收利用 对脂肪 蛋白质的生物利用率均有所提高 改善饵料的营养品质Riche和 Brown 1996 在虹鳟饵料中添加 1000 U/k植酸酶 ,结果使豆粕中磷的利用率, 提高了128 % Storebakken 等 1998 在 0.1 kg 大西洋鳟豆粕-鱼粉为基础的饲料原料中添加植酸酶发现其可显著改善动物对蛋白质的表观消化率,先在体外将豆粕用 2500 U/g的植酸酶进行处理 ,再加入到饲料原料中 ,充分混合后饲喂 10.5 g 的异育银鲫, 发现添加植酸酶促进了异育银鲫对饲料中营养物质的吸收, 增重率提高 10 %以3 植酸酶应用前景在国外， 植酸酶已经开始试用在植物性食品的深加工领域， 通过在这些植物性食品中加入适量的植酸酶来达到分解植酸磷， 减少微量元素的螯和作用， 以平衡营养。 而我国食用型的植酸酶的研究和植酸酶产品的深度开发还是空白。目前植酸酶主要应用在饲料方面，人们对植酸酶在食品方面的应用还需要一个认识和接受的过程； 食用型植酸酶价格昂贵， 生产技术不够成熟， 需要进一步的研究。随着植酸酶生产技术的改进，人们生活水平的提高， 膳食结构的合理化，植酸酶作为一种新型的食品添加剂必将有很好的应用前景。参考文献 1朱海东，周晓云，植酸酶的研究进展J. 饲料研究，2004，9.2李 佳.植酸酶的研究进展及应用J .同济大学学报，2004，25 3 韩延明 杨凤 周安图 等.微生物植酸酶或麦麸对断奶到肥育阶段猪的生产性能和骨骼发育的影响J.畜牧兽医学报 1996 27 3 207 211.4 金英海 金文吉. 植酸酶在畜牧业上的应用 J. 延边大学农学学报 5 康伟 王智 冯雁 等.植酸酶最新研究进展J.生命的化学 2005 25 294 97.6 李路胜 冯定远.植酸的抗营养作用和植酸酶的应用J.中国禽业导刊2003 20 22 23. 18 轩诗海， 张志江， 等. 植酸酶在食品中的应用J. 食品研究与开发， 2003， 24 （6） .7 马玺.植酸酶研究进展及其在饲料工业中的应用J.粮食与饲料工业2001 4 27 30.8 祁艳霞 陈玉林.植酸酶的作用机理及影响植酸酶活性的因素J.饲料博览 2004 7 10 12.9 施安辉 袁王光 李桂杰 等.目前国内外植酸酶研究进展J.中国酿造2005 5 5 10. 10 吴作为 黄晓玮.植酸酶酶学特性研究进展J.西南农业学报 2004 17增刊 455 460.11 于洪恩 刘建平.植酸酶在饲料中的应用J.中国家禽 2005 14 17 18.12 余丰年 王道尊.植酸酶对异育银鲫生长及饲料中磷利用率的影响J.中国水产科学 2000 7 2 106 109.13 朱海东 周晓云.植酸酶的研究进展J.饲料研究 2005 1 13 15.14 Anonymous.Researchers study new phytase option J.National HogFarmer 2003 3 48 17. 15 Bruce H M Callow R K.Cereals and rickets The role of inositolhexaphosphoric acidJ.The Biochemical Journal 1934 28 2 517 528.16 Gibson D M Ullah A B J. Phytases and their actiongs on phytic acid.InInositol Metabolism in PlantsM.New York Wiley-Liss 1990.77 92.and amino acids of the sows diets supplemented with microbial phytase andcitric acidJ.Acta Scientiarum Polonorum.Zootechnica 2004 3 2 79 90.17 EVA-LOTTA B. KARIA A. ANN-SOFIE S. Optimal conditionfor paytate degradation. estimation of phytase activity. and lo-calization of phytate in Baley（CV， Blenbeim） J. Joumal A-gricultral Food Chemistry， 2000， 48 （10） ： 4647-4655.18 Liebert F Htoo J K S nder A.Performance and Nutrient Utilization ofLaying Hens Fed Low-Phosphorus Corn-Soybean and Wheat-Soybean DietsSupplemented with Microbial Phytase J.Poultry Science 2005 10 84 15761583.19 Nahashon S N.Phytase activity P Ca retent