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植酸酶的研究與應(yīng)用
植酸酶的研究與應(yīng)用
植物性飼料中磷的含量相對(duì)較少，而其中約有60%～75%的磷以植酸的形式存在（Markus 等，1999；Pasamontes等，1997 ；Ostanin等，1968； Nelson等， 1968），飼料植酸中的磷必須在消化道內(nèi)水解成無(wú)機(jī)磷酸鹽才能被動(dòng)物利用。反芻動(dòng)物瘤胃微生物能產(chǎn)生植酸酶，可有效地分解植酸磷并利用釋放出的磷，利用率一般為60%，成年反芻動(dòng)物可高達(dá)90%；而單胃動(dòng)物缺乏能水解植酸的酶或其酶的活性極低(Pointillart等，1984；Markus等，1999)，因而單胃動(dòng)物對(duì)植物飼料中的磷利用率很低。研究表明，豬只能利用玉米中磷的10%～12%；利用豆粕中磷的25%～35%(Cromwell，1993)。典型豬日糧中磷的利用率只有15%，而85%的磷隨糞便排出。
植酸不僅難以被單胃動(dòng)物利用，它還影響動(dòng)物對(duì)礦物元素和蛋白質(zhì)的利用率。植酸與銅可形成穩(wěn)定絡(luò)合物而影響銅的生物學(xué)效價(jià)。在pH值為6時(shí)，植酸同時(shí)與多種離子結(jié)合，其中以Zn-Ca-Cu-植酸和Cu-Ca-植酸形式最多。在腸道pH值條件下，飼料中植酸含量高時(shí)可使單胃動(dòng)物對(duì)鈣的吸收率降低35%。在酸性或近中性環(huán)境中植酸可與蛋白質(zhì)分子發(fā)生很強(qiáng)的螯合作用，形成難溶物。當(dāng)pH值低于蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)中賴(lài)氨酸的α或ε氨基、精氨酸和組氨酸的胍基帶正電荷，由于強(qiáng)烈的靜電作用，它們易與帶負(fù)電的植酸形成不溶性植酸——蛋白二元復(fù)合物；當(dāng)pH值高于蛋白質(zhì)等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)的游離羧基和組氨酸上未質(zhì)子化的咪唑基帶上負(fù)電荷，此時(shí)蛋白質(zhì)就以多價(jià)陽(yáng)離子如Ca2+、Mg2+、Zn2+等為橋，與植酸形成三元復(fù)合物(Nyman等，1989)。植酸蛋白二元或三元復(fù)合物的形成使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，溶解度降低，導(dǎo)致其消化率降低。
植酸還能與動(dòng)物消化道中的胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等結(jié)合，使酶活性降低，它也能抑制α-淀粉酶和脂肪酶活性(Nyman，1989)，使飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化利用率降低。
Nelson（1968）首次提出的豬、雞日糧中添加微生物植酸酶，解決飼料中因植酸鹽的存在引起的一系列問(wèn)題。此后，由于提取植酸酶和大批量生產(chǎn)的技術(shù)尚不成熟，該建議暫未能在工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵤?。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，已經(jīng)研制成功了商品植酸酶，具有較高的酶活且價(jià)格適中，它們的出現(xiàn)，提供了生產(chǎn)中應(yīng)用植酸酶的可能。
1 植酸酶
1.1 植酸酶的來(lái)源和分類(lèi)
植酸酶最早是由Suzuki等（1907）在米糠中發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)又相繼在多種微生物（如枯草桿菌和假單孢球菌、酵母及曲霉）（Ravindran等，1995；Power，1994）以及植物（植物籽實(shí)）和動(dòng)物組織中檢測(cè)到了植酸酶的存在。自然界存在不同來(lái)源的植酸酶，根據(jù)它水解植酸第一個(gè)磷酸基團(tuán)的位置，可分為兩種類(lèi)型：3-植酸酶(E.C.3．1．3．8)和6-植酸酶(E.C.3.1.3.26)。3-植酸酶作用于植酸時(shí)，在Mg2+的參與下，先從肌醇的第三位碳原子催化植酸釋放無(wú)機(jī)磷，然后依次釋放其它碳上的無(wú)機(jī)磷；而6-植酸酶，其催化作用始于肌醇的第六位碳原子上的磷。
根據(jù)植酸酶基因及氨基酸序列的不同，可將植酸酶大致分為5類(lèi)：PhyA、PhyB霉菌及部分細(xì)菌來(lái)源，PhyC（Bacillus subtilis來(lái)源）、玉米植酸酶和其它類(lèi)植酸酶。
1.2 植酸酶的理化性質(zhì)
植酸酶和其它酶類(lèi)一樣具有酶的共同性質(zhì)，其活性受溫度、環(huán)境pH值、激活劑、抑制劑、底物及產(chǎn)物濃度等各種因素的影響。不同來(lái)源的植酸酶由于分子大小、氨基酸組成、空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，故最適pH值和最適溫度范圍各不相同?，F(xiàn)已研究的各種不同來(lái)源植酸酶的最適pH值和最適溫度見(jiàn)表1。
大部分微生物來(lái)源的植酸酶，特別是真菌植酸酶的最適pH值一般在4.5～7.0。無(wú)花果曲霉植酸酶在pH值為2.5和5.5時(shí)有兩個(gè)最適值，但pH值為2.5時(shí)的酶活只有pH值為5.5時(shí)的48%，因此，無(wú)花果曲霉植酸酶的最適pH值為5.5。植物種子中的植酸酶最適pH值在4.0～7.5,大部分在4.0～5.6。通常在動(dòng)物胃中低pH值環(huán)境下植酸酶活性可能很低，且它的活性可能因?yàn)榈孜镞^(guò)多和分解產(chǎn)物的存在而受到強(qiáng)烈抑制。
不同的植酸酶有不同的最適溫度，且其活性與存在的溫度有關(guān)，一般最適溫度在45～60℃。有研究發(fā)現(xiàn)，純化植酸酶在68℃條件下放置10min后，活性喪失60%。Simons等(1990)報(bào)道，制粒前后溫度分別為50℃和81℃時(shí)，無(wú)花果曲霉植酸酶活性損失不超過(guò)6%；當(dāng)制粒前、后溫度分別為60℃和87℃時(shí)，植酸酶活性的損失達(dá)54%。而芽孢桿菌DSll菌株植酸酶最適反應(yīng)溫度為70℃，比一般的植酸酶最適溫度高，具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，在CaCl2存在的條件下，70℃溫浴10min后仍具有100％的酶活性，而90℃溫浴10min后，酶活性仍有最初酶活力的5％；在沒(méi)有CaCl2存在的條件下，熱穩(wěn)定性在50℃時(shí)就急劇下降，這表明Ca離子對(duì)該植酸酶抵抗熱變性有著重要的作用。
1.3 影響植酸酶活性的因素
1.3.1 影響植酸酶作用的pH值范圍
植酸酶有多個(gè)最適pH值范圍，可能是與胃及腸中各段的pH值范圍相近，而酶活性最適pH范圍越寬，其在畜禽消化道內(nèi)的適應(yīng)性就越強(qiáng)。Simons等（1990）報(bào)道，粗制植酸酶的活性最高峰有兩個(gè)（見(jiàn)圖1），這兩個(gè)高峰出現(xiàn)在pH值為2.5～3.0和5.5～6.0范圍之內(nèi)，且前一個(gè)pH值范圍內(nèi)的峰高要大些。重組黑曲霉酸性植酸酶最適pH值高峰有3個(gè)，依次為2.8、4.5、6.5。
1.3.2 溫度對(duì)植酸酶活性的影響
Peers試驗(yàn)測(cè)定，當(dāng)小麥在80℃以上的蒸汽中加熱10min后，其中的植酸酶活性就會(huì)部分喪失，但在80℃以下，活性幾乎沒(méi)有損失；將小麥植酸酶在100℃下加熱1.5h，其酶活性損失了25%；加熱3h，酶活性則損失近90%。Jongbloed等也發(fā)現(xiàn),用高于80℃的蒸汽制粒,會(huì)引起小麥中植酸酶活性下降,而冷壓制粒卻不會(huì)引起酶活的變化。Gibson等（1990）研究了大豆植酸酶的性質(zhì),其適宜的溫度是50℃，在60℃時(shí)發(fā)生變性。韓延明（1995）研究了不同加熱溫度下麥麩中植酸酶活性的變化,在60℃或80℃下將麥麩加熱1h,其中的植酸酶活性?xún)H損失了7%，而在100℃時(shí)加熱1h,活性損失達(dá)到60%，這說(shuō)明，在60～80℃之間,植酸酶有很好的熱穩(wěn)定性。據(jù)Simons 等(1990)報(bào)道，制粒前每千克飼料加入250U植酸酶，制粒后顆粒飼料溫度分別為78、81、84、87℃時(shí)，植酸酶活性的存留率分別為96%、94%、83%、46%，可見(jiàn)87℃以上溫度制粒時(shí)，酶活喪失率為54%。高溫使酶活性下降，而熱處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)同樣影響酶的活力。因此，冷壓制粒、微囊包被、制粒后噴灑、拌入粉料直接飼喂是避免酶失活的4種有效措施（霍啟光，2002）。
1.3.3 飼料中鈣、磷及鈣磷比對(duì)植酸酶效果的影響
添加植酸酶能提高飼料中鈣、磷利用率,同時(shí)動(dòng)物飼料中鈣、磷水平對(duì)植酸酶的有效性也有較大影響。Irving和Cosgrove（1974）報(bào)道,無(wú)機(jī)正磷酸鹽可能是無(wú)花果曲霉植酸酶的抑制劑。Sebastian(1996）研究表明, 低磷飼料中添加植酸酶能促進(jìn)肉仔雞生長(zhǎng),增加礦物質(zhì)沉積,促進(jìn)骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育。Simons等（1990）也發(fā)現(xiàn),在豬、雞的低磷、高植酸飼料中補(bǔ)充植酸酶，提高了磷的吸收利用,并提出如果大量植酸磷能被利用,那么玉米-豆粕型日糧中所含有的磷足夠滿(mǎn)足豬、雞的營(yíng)養(yǎng)需要,不需要額外添加磷。Qian等（1996）在不同磷水平、鈣磷比值條件下對(duì)火雞應(yīng)用植酸酶的效果進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,磷水平是影響植酸酶活性的關(guān)鍵。飼料植酸酶在低磷水平下效果更好,多余的無(wú)機(jī)磷會(huì)抑制植酸酶活性，飼糧無(wú)機(jī)磷含量為0.27%和0.36%時(shí)使植酸酶活性分別降低7.5%和6.7%。鈣水平也影響植酸酶活性，其原因可能有兩種：①多余的鈣與植酸結(jié)合形成不溶性復(fù)合物，不利于植酸酶作用；②多余的鈣可能競(jìng)爭(zhēng)酶活性中心，而直接降低植酸酶活性。研究表明，當(dāng)鈣與總磷比值從1.4增加到2.0時(shí),植酸酶活性分別降低7.4%和14.9%，在鈣與磷比值為1：1～1.4：1時(shí)，植酸酶效率最高。
1.3.4 維生素D3對(duì)植酸酶有效性的影響
維生素D3能刺激植酸鹽的水解，有助于磷和鈣的吸收。Edwards（1993）報(bào)道，添加5μg/kg 1,25-(OH)2D3到缺磷的玉米-豆粕型飼糧中可使磷存留量從31%提高到68%,補(bǔ)充75 IU植酸酶可使磷存留量進(jìn)一步提高到79%。Mitchell(1996)研究表明，植酸酶和1,25-(OH)2D3在增加植酸磷的利用潛力上是相同的,同時(shí)也表明兩者可能存在協(xié)同作用。在肉仔雞上,植酸酶和1,25-(OH)2D3可綜合影響0～3周齡肉仔雞對(duì)磷的利用，對(duì)處于4～5周齡的雞也有影響作用。植酸酶和1,25-(OH)2D3存在相互作用，表明它們是以不同的方式促進(jìn)磷的利用:當(dāng)植酸酶將植酸磷水解后，1,25-(OH)2D3就增加游離磷的吸收；1,25-(OH)2D3提高鈣的利用,也可增加植酸酶活性。
另外，1,25-(OH)2D3可能刺激小腸植酸酶的產(chǎn)生。有研究表明，維生素D3增加了雛雞小腸植酸酶活性和堿性磷酸酶活性。飼料中添加維生素D3 5～10μg/kg可使植酸磷利用率由30%提高到80%(Edwards，1993)。Mitchell等(1996)在低磷、低維生素D3日糧中添加5μg/kg維生素D3和添加600U/kg植酸酶的效果一致，都可替代1g非植酸磷，維生素D3和植酸酶配合使用可替代2g的非植酸磷。
2 植酸酶的應(yīng)用
近年來(lái)，隨著發(fā)酵工程和生物技術(shù)的發(fā)展，人們使用DNA重組技術(shù)，將高活性植酸酶基因轉(zhuǎn)移到高產(chǎn)菌株的基因組，使微生物植酸酶的產(chǎn)量與活性大幅度提高。目前，植酸酶的生產(chǎn)成本大大降低，在畜牧業(yè)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
植酸酶能提高植酸磷的消化利用率，在單胃動(dòng)物低磷飼料中添加植酸酶可明顯提高其生產(chǎn)性能（Newton，1983；simons等，1990）。Nelson等(1971)在含總磷0.3%、植酸磷0.18%的雞全價(jià)料中添加無(wú)花果曲霉植酸酶，試驗(yàn)雞的脛骨灰分與添加0.16%磷酸二鈉組相似，證明試驗(yàn)雞確實(shí)既能利用無(wú)機(jī)磷，又能利用植酸磷。Shurson等（1984）在體重65～100kg的豬日糧中(含磷0.35%)添加酵母培養(yǎng)物，改進(jìn)了豬的生長(zhǎng)速度。
2.1 植酸酶在豬和雞上的應(yīng)用
Simons等(1990)報(bào)道，1 000U/kg植酸酶使生長(zhǎng)豬磷的表觀消化率提高24%，糞磷減少35%。Young等(1993)發(fā)現(xiàn)，仔豬日糧中添加500U/kg、1 000U/kg植酸酶，顯著提高磷吸收和骨生長(zhǎng)，豬的生長(zhǎng)速度、飼料效率、血清磷、跖骨灰分、跖骨磷含量提高，血清堿性磷酸酶活性下降。Mroz等(1994)研究發(fā)現(xiàn)，800U/kg黑曲霉植酸酶可使N、Ca、P沉積增加，每日糞排出分別減少5.5、2.2、1.9g；干物質(zhì)、有機(jī)物、粗蛋白、鈣、總磷以及除胱氨酸和脯氨酸外的所有氨基酸總消化率都有所提高；總磷、植酸磷、蛋氨酸、精氨酸的回腸表觀消化率提高。韓延明等(1995)研究表明，豬日糧中添加微生物植酸酶與天然植酸酶都能達(dá)到添加無(wú)機(jī)磷的效果，糞磷排出量比無(wú)機(jī)磷組低55%和32%。植酸酶的添加不僅能改善磷的利用，而且能提高氨基酸利用率，對(duì)于氨基酸缺乏的日糧，飼料效率提高6.8%。
植酸酶能夠提高肉仔雞對(duì)磷的利用率(Pemey，1990)及生長(zhǎng)速度，肉雞增重與植酸酶或無(wú)機(jī)磷酸鹽的添加水平呈線(xiàn)性關(guān)系(Simom等，1990)。Simom等(1990)報(bào)道，在含總磷為0.45%、無(wú)機(jī)磷含量為0.15%的肉雞飼料中添加250～1 500U/kg微生物植酸酶，可使肉雞植酸磷利用率提高到60%以上，糞中磷排出減少50%。 Broz等(1994)報(bào)道，在低磷肉雞日糧中添加50U/kg 粉狀或液態(tài)植酸酶，兩種形式的植酸酶分別使生長(zhǎng)速度提高6.50%和13.10%；采食量增加3.34%和9.21%；耗料增重比下降2.72%和3.26%；血磷提高6.37%和25.58%；血鈣和糞磷下降5.59%、4.62%和8.7%、10.11%；趾骨灰分顯著增加。Pemey等(1991)在含有效磷0.32%、0.38%、0.44%的肉雞日糧中添加0.5%、1.0%、1.5%的植酸酶，雞日增重提高18.5%～39.60%。Sebastian等(1996)在低磷肉雞日糧中添加60U/kg 微生物植酸酶， 21日齡公雞和母雞體重分別增加5.8%、 13.2%；血磷濃度都提高15.7%； P、Ca等沉積量分別增加12.50%、12.2%。Cantor(1995)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在含有0.27%有效磷的肉雞日糧中加入1 200U的植酸酶，雞體重、采食量分別增加5%、8.44%，血磷升高17.83%；脛骨灰分、強(qiáng)度分別增加20.37%、81.92%。
2.2 植酸酶在鴨上的應(yīng)用
飼糧中添加植酸酶后可使其中植酸鹽蛋白質(zhì)復(fù)合物分解，從而提高了蛋白質(zhì)的消化率；同時(shí)使一些酶恢復(fù)了原有的活力,進(jìn)而提高飼糧代謝能值。蔣守群在蛋鴨上的飼養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，飼料中添加500IU/kg植酸酶可使磷的存留率提高36.8%；氮的存留率提高19.3%；排泄物中氮和磷含量分別降低61.6%和42%；其鈣、磷的消化率分別提高10%。Farrell(1993)在基礎(chǔ)飼糧含磷量接近NRC、鈣在NRC正常水平時(shí),每千克日糧中添加850IU的植酸酶,發(fā)現(xiàn)添加組較不添加組磷的存留率提高30%～40%。賈振全等（2000）報(bào)道，在櫻桃谷鴨（3～7周）飼糧中添加植酸酶，試驗(yàn)組較對(duì)照組磷的存留率提高20%。植酸酶能提高鴨脛骨灰分和鈣、磷的沉積，提高鴨的日增重，對(duì)飼料報(bào)酬也有提高趨勢(shì)；植酸酶使飼料鈣、磷的利用率提高，而糞便中磷的排出量下降（席鋒等，2000）。對(duì)于蛋鴨，植酸酶能提高其增重，對(duì)蛋鴨的產(chǎn)蛋性能有顯著影響。
3 存在問(wèn)題
在實(shí)際生產(chǎn)中利用植酸酶,需解決以下幾方面的問(wèn)題：①全面測(cè)定飼料常用植酸酶的活性,從中選出最適宜畜禽消化道內(nèi)環(huán)境的、活性高的植物植酸酶。②酶的穩(wěn)定性,包括酸穩(wěn)定性、對(duì)高溫的穩(wěn)定性和對(duì)胃中強(qiáng)酸性環(huán)境的穩(wěn)定性。這是植物植酸酶能否在飼料中得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在飼糧中添加緩沖劑,使之達(dá)到植物植酸酶表現(xiàn)最佳活性所需的pH值，也許能更好地發(fā)揮植物植酸酶的作用。③植物植酸酶在畜禽飼糧中適宜的添加比例,應(yīng)依據(jù)其活性大小與作用特點(diǎn)而定,如完全比照微生物的植酸酶的添加量,可能不能取得最佳效益。④植酸酶的提純、包被工藝，如何提高酶的純度和穩(wěn)定性。⑤植酸酶在畜禽消化道發(fā)揮作用的具體情況，如植酸酶在消化道不同部位的活性、穩(wěn)定性，為植酸酶的應(yīng)用提供參考。
[作者：王翔 陳代文] |
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發(fā)表于 2007-12-24 15:08:45
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