x植酸酶的研究与应用.doc

植酸酶的应用进展王增锋（环境与生命科学系 生物技术052 510303231）摘要：植酸酶是可将植酸分解成无机磷和肌醇的一类酶,广泛用于饲料工业、食品工业和医药工业。植酸酶是一种新型饲料添加剂,能提高单胃动物对植酸磷的利用, 降低粪便中磷的排泄量,降低植酸磷对环境的污染, 保护生态环境。以植酸酶的应用有着非常重要的意义。本文对植酸酶的理化性质与植酸酶的种类、来源、生物学特性及其在畜禽生产中的最新应用及食品中相关应用作了简要介绍，以及应用植酸酶制剂对饲料营养价值与畜禽生产性能的影响，并对其应用进行了展望。关键词：植酸酶 来源 分类 应用 问题 前景展望植酸酶(Phytase) ,系统名称为肌醇六磷酸酶, 属于磷酸单脂水解酶, 是一类特殊的酸性磷酸酶，是催化植酸和植酸盐水解成肌醇和磷酸（或磷酸盐）的一类酶的总称，能水解植酸最终释放出无机磷。植酸酶是一种新型的微生物饲料添加剂,具有生物活性通过催化和水解将饲料中丰富的植酸及其络合物分解为能被畜禽利用的无机磷和肌醇,取代或减少在配合饲料中需要添加的无机磷。植物中的磷大部分(60%-70%)以植酸磷的形式存在，人和单胃动物消化道中无植酸酶，饲料中大量的植酸磷不能被利用而随粪便排入环境，既浪费了资源，又对环境造成了磷污染，而且，植酸还是一种广谱性的抗营养因子。近年来，植酸酶被广泛用于促进单胃动物的生长发育和提高饲料中磷的利用率，其研究对提高畜牧生产效益及降低环境污染有重要意义。因而也成为近来看好的一种饲料添加剂,受到人们的普遍关注。所有单胃动物生产都是以植物性日粮为基础,而植物性日粮中都含有大量的植酸将植酸酶添加到玉米、豆粕、谷物类食物中,可降低植酸、植酸盐的抗营养作用,又通过分解植酸,解除了对磷、钙、蛋白质、能量、微量元素、氨基酸和维生素等营养物质的络合作用,提高了饲料潜在的营养价值,相对降低了饲料成本, 减少单胃动物粪便中有机磷的排出量，减少对环境的污染。使植酸酶在畜禽生产中得到了广泛应用。而在食物中植酸酶的应用只限于很小的范围，由于其应用于人类食物中的安全性等因素有待研究外，其作用的效果，其是否产生副作用给人类带来危害也更待研究。1. 植酸酶的来源、种类及酶学性质1.1植酸酶的来源植酸酶广泛存在于动物、植物和微生物中。动物植酸酶主要存在于哺乳动物的小肠及脊椎动物的红血球和血浆中。同植物和微生物来源的植酸酶相比,人们对动物植酸酶的研究非常少。来源于微生物的植酸酶作用范围和稳定性较好，易规模化生产，近几年的研究大都集中来源于微生物的植酸酶。产植酸酶的微生物有丝状真菌、酵母和细菌等。在植物中广泛存在着植酸酶，在种子或花粉发芽时，植酸酶将植酸水解为肌醇和磷酸盐，为种子萌发和幼苗生长提供必要营养。目前，分离出具有植酸酶活性的有小麦、玉米、大麦、稻、番茄及麸皮等。1.2 植酸酶的种类植酸酶是一个概括性的术语,是指能从植酸中水解磷脂键,释放无机磷的一类酶的总称，属磷酸单酷水解酶，它实际上包括植酸酶和酸性磷酸酶两种酶。 1.2.1 根据作用的pH 差异,将这些酶大体分为酸性,中性和碱性植酸酶3类。最近大量研究表明,在单胃动物胃肠道中,能有效水解植酸的是酸性植酸酶。因此对于植酸酶而言,酸性植酸酶倍受关注,研究的也最多。1.2.2 根据其结构特征和催化方式的不同,该类植酸酶又被分为以下2 类：3-植酸酶(3-p hytases ,EC3. 1. 3. 8) ,肌醇六磷酸3-磷酸水解酶。3-植酸酶作用于植酸时,首先从第3 碳位点开始水解酯键而释放出无机磷,然后依次释放出其它碳位点的无机磷,最终酯解整个植酸分子。这种植酸酶存在于真菌、细菌和植物中,镁离子参与催化过程。6-植酸酶(6-p hytases , EC3. 1. 3. 26) ,肌醇六磷酸6-磷酸水解酶,它首先从植酸的6 碳位点催化水解而释放出无机磷。1.3 植酸酶的酶学性质植物植酸酶一般为6 - 植酸酶,最适pH 范围大多在5. 07. 5 ,大多属于酸性植酸酶,绿豆植酸酶最适pH 7. 5 ,但表现出酸性植酸酶的酶学特性,属于酸性植酸酶。但也有例外,源于百合花粉的植酸酶是5 - 植酸酶,最适pH 8 ,属于碱性植酸酶。来源于植物种子的植酸大部分属于非特异性的磷酸水解酶，最适合温度为4558 。真菌产生的酸性植酸酶，芽孢杆菌产植酸酶具有近乎中性的最适pH 值，酶活性高，热稳定性好，可广泛应用于鱼类饲料中。微生物来源的植酸酶是研究最多最详细的植酸酶。其最适温度在5370 内，个别可高达77 .最适pH值为2.07.0，适用于胃pH 值呈酸性的单胃动物。其中一些最适pH 范围较宽(如Aspergillus fumigatus 植酸酶pH 4. 07. 3) ,而有些很窄(如E. nidulans 植酸酶pH 6. 5)1.4 植酸酶的作用机理植酸酶能将肌醇六磷酸(植酸) 分解成为肌醇和磷酸。不同来源植酸酶作用机理有所不同。植酸的水解反应可在消化道内发生也可在饲料被采食前发生。在消化道作用的植酸酶有4 个可能来源: 小肠内分泌; 肠道微生物产生; 饲料中的内源性植酸酶; 外源微生物产生的植酸酶。外源植酸酶是植酸水解的主要的催化剂。植酸酶水解植酸是分步进行的,它将植酸分子上的磷酸基团逐个切下,分解产物有肌醇一磷酸脂、肌醇二磷酸脂、肌醇三磷酸脂、肌醇四磷酸脂、肌醇五磷酸脂,最终产物是分子量为351 的肌醇二磷酸脂与一些无机磷分子。这些磷酸基团还能与未水解的植酸以“-O-O-”或“-O-”键形成肌醇多磷酸脂这样更复杂的分子。2. 植酸酶的应用2.1 植酸酶在食品上的应用食品加工过程中的植酸脱磷用食品级的植酸酶处理粮食，以分解粮食中的植酸(盐)，减少植酸对微量元素的螯合，提高粮食的营养价值。脱植酸处理的大豆分离蛋白可以使进入到红细胞中铁的含量增加1倍,锰含量吸收增加2. 3 倍 ，而提高其营养和商品价值。大豆中含植酸1. 02. 3 g ,使用黑曲霉产生的处理植酸时,在温度37 ,处理1 h 可降解50 %,处理24 h 可降解85 %。面包生产过程中添加植酸酶可以清除揉面中的植酸，结果植酸几乎完全被降解,人的小肠中,植酸酶的活性极低,难以利用植酸盐,在面团中加入同位素铁,通过测定人血液红细胞中的铁含量来检测植酸酶对铁吸收的影响,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 %.面包制作中用的植酸酶应该是安全无毒，高活性，Ca2+依赖型的，最适pH应在4.55.0，并在30左右具有高反应速度。浸渍是玉米浆的生产程序之一，浸渍是为了软化玉米粒，破碎细胞壁，从而获得玉米浆。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，并能改善玉米浆的品质。在谷物(玉米、小麦等)淀粉加工中处理废弃物，降低对环境的污染。2.2 酸酶在饲料工业中的应用畜禽常规植物性饲料中约有60%80%的磷是以植酸磷的形式存在于稳定的植酸盐复合物中，这些磷只有在植酸分解酶的作用下才能被游离出来供畜禽吸收利用。非反刍动物如猪及家禽的消化道中缺乏植酸酶，因而植酸磷的利用率极低。许多研究证明，猪只能利用玉米中磷的10%20%，豆饼中磷的25%35%。家禽对植酸磷的利用率略低于猪，但成年家禽，由于肠道中植酸酶的活性较高，对植酸磷的利用率也可达到50%左右。为满足畜禽对磷的需要，必须在饲料中添加无机磷。但这一方面增加了成本，同时粪便中排出的大量有机磷又造成了对土壤和水源的严重污染。植酸酶的饲用研究主要集中在畜禽养殖,对植酸酶在养鸡和猪上的研究较多,大量的研究确定了对不同发育阶段鸡或猪所需添加的酶剂量。对添加植酸酶后动物对有机磷的利用效率、减少磷污染。增加了微量元素的生物利用率,其中对钙、锌、锰的作用最明显，改善动物生长性能，有的研究还显示植酸酶能促进动物对蛋白质、氨基酸及碳水化合物的消化吸收。2.2.1 能提高动物生产性能 大量试验结果表明,在畜禽日粮中添加植酸酶有明显的增重效果,改善饲料利用率,并降低肉料比。周岩明等17 ,姚茂忠等18均证明,在单胃动物和禽类日粮中添加植酸酶可明显提高动物生产性能。在试验生长猪对普通玉米、豆粕、麦麸中磷的表观消化率分别为20. 14 %、31. 42 %、49. 83 %;DDGS(玉米干酒糟及其可溶物) 、玉米胚芽粕、米糠中磷的表观消化率分别为54. 64 %、26. 75 %、10. 85 %;小麦、稻谷、高粱中磷的表观消化率分别为50. 00 %、32. 42 %、16. 51 %;在添加500 FTU/ kg微生物植酸酶的条件下,小麦、稻谷、高粱中磷的表观消化率分别为77. 64 %、74. 26 %、64. 38 %,表观消化率分别提高了27. 64 %、41. 84 %、47. 87 %。2.2.2 有效的提高植酸磷的利用率 在猪饲料中添加植酸酶,可使磷的利用率提高50 %70 %,粪磷含量降低30 %50 %;鸡饲料添加植酸酶可使磷的利用率提高20 %40 %。在豆饼型日粮中添加植酸酶,粪尿中排磷量减少17 %42 %;龚利敏等14 ,高峰等15都证实了在不同饲料中添加300550 U/ kg 水平的植酸酶可使植酸磷的利用率提高,生产性能显著优于对照组;与磷代谢有关的指标如血清中磷的含量、胫骨磷的含量、灰分中磷的含量均明显高于不加植酸酶的对照组,并且胫骨抗剪切力强度及应激能力有明显提高。2.2.3 提高钙、镁、锌、锰、铜和铁等微量元素的生物利用率 植酸在植物性饲料中往往与矿物质相结合,形成钙、镁、钾盐的复合物,称为菲丁,植酸酶可水解破坏这种结合作用,释放被络合的大量矿物质元素。其中对钙、锌、锰、铜特别明显,并且促进了动物矿物质营养的平衡,特别是钙、磷平衡和铜平衡,进而导致动物组织结构的改善。如:使肉仔鸡血清微量元素铁、铜和锌等的浓度提高;提高鸡的骨骼质量,其胫骨灰分含量、磷含量、胫骨折断力和骨密度有显著提高;鸡的掌骨末端肥大区减少,增生区增加,软骨组织增加,并可促进软骨和骨细胞有序化。2.2.4 有助于促进动物对蛋白质、氨基酸及碳水化合物的消化吸收 植酸的抗营养作用主要指其与蛋白质形成植酸-蛋白质络合物抑制蛋白质水解酶,从而降低动物对蛋白质的消化率。植酸与蛋白质的结合作用不但存在于饲料中,还可与动物体内的蛋白质如淀粉酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶和酸性磷酸酶等结合,从而降低了这些酶的活性。添加植酸酶后,能使多种氨基酸消化率显著提高,这说明植酸和蛋白质键被植酸酶打开,并降低了植酸的水平,从而减轻了植酸对胃蛋白酶和胰蛋白酶等消化酶的影响，从而促进氮的吸收。可见,植酸酶对蛋白质和氨基酸利用率的促进作用具有重大意义。2.2.5 减轻江河、水域等环境污染，有保护环境的作用 我国江河、水域污染极为严重,而造成污染的关键是水体中的氮和磷过量,每年从畜禽粪便中排出的磷就达250 万吨之多,是水体富营养化的罪魁祸首之一。大量试验研究表明,日粮添加植酸酶可使粪中磷的排出量减少50 %左右,而通过外源磷的添加或提高饲料转化率的方法只能降低10 %磷的排泄,吴东16等采用AA肉雏鸡分5 个处理进行试验证明,在总磷、有效磷水平一致的情况下,随着日粮中植酸磷水平的递增,磷的排泄量递减。如此,我国每年磷排放量可因此减少约180 万吨 , 将大大缓解水体的磷污染。3. 饲用植酸酶应用中有待进一步解决的问题植酸酶在减少畜禽排泄物中磷对环境的污染和促进畜牧业可持续发展中起重要作用,但植酸酶在应用领域尚存在一些问题。植酸酶具有酶和蛋白质双重特性,其活性与作用效果易受外界环境影响。研究具有适宜外界的植酸酶，从而解决其生产中的应用极其重要。研究和开发高抗逆性的植酸酶及其最适合作用条件是今后的主要研究方向。植酸酶在产蛋鸡日粮中的应用已趋成熟,并在一定程度上降低生产成本,但植酸酶在肉仔鸡和猪的应用还存在一定的局限性。提高植酸酶在肉仔鸡和猪日粮中替代磷酸氢钙的比例与作用效果,也是植酸酶解决粪磷对环境污染问题的关键。影响植酸酶作用效果的因素尚缺乏系统的研究,今后仍需加强植酸酶在实际生产中应用的研究。水产产业是我国的重大产业之一，开发能够在水产动物饲料中应用的植酸酶,不仅能提高水产的质量和效益，还能很好的解决水产产业对环境的污染，起到生态化养殖的作用。现在植酸酶的研究大多限制于单胃动物，根据反刍动物磷消化代谢特点及其影响磷利用的因素,开发和研制适合于反刍动物应用的植酸酶产品也是今后的发展方向。植酸酶在人的食品中的应用相对于动物方面的研究较少，报道也较少，要能更好的发挥植酸酶在人食品中的作用还要有更多的在人食品方面的研究。4. 饲用植酸酶应用的前景展望植酸酶现己广泛用于饲料工业、食品工业和医药工业，具有广泛的应用前景和潜在的商业价值。作为新型单胃动物饲料添加剂，它的应用价值己在猪、鸡、鸭等单胃动物中得到充分体现。它能够提高磷的利用率，有利于钙的吸收，解除植酸对锌的强烈鳌合，大幅度提高锌的利用率。植酸酶的添加可以使畜禽粪便中磷的排出量减少40%75 %，可以大大减轻养殖业造成的江、河水域等的环境污染，对发展养殖业和环境保护都有重要意义。随着植酸酶研究更深入地展开及人们环保意识的进一步加强,植酸酶产品在畜禽养殖中的应用将越来越广泛。当然植酸酶作为一种高效安全饲料添加剂产品,具有广阔的发展前景,在我国现代畜牧业的发展中将发挥重要作用。参考文献：1杜丽敏,段相林.植酸酶的来源与应用J.安徽农业科学,2007,35(16):4727-4728,4747.2张若寒,A t roescher ,石满仓,等. 植酸酶替代产蛋鸡饲料中磷酸氢钙的研究. 中国饲料,1996 (21) :1519.3张铁鹰,周良娟. 植酸酶在畜禽日粮中应用研究进展J . 中国饲料,2005 (4) :2528.4郝振荣,高俊杰. 植酸酶的应用效果研究进展J . 饲料研究,2006(12) :1215.5姚斌，范云六.植酸酶的分子生物学与基因工程J.生物工程学报，2000，16（1）：1-5.6许钦坤，赵翠燕.植酸酶及其应用研究J. 安徽农业科学,2007(2):366367.7王红宁,黄勇,陈惠,等. 饲用高效生物植酸酶的研究进展J