孟艳莉 张军民 赵青余
磷是动物必需的一种常量矿物元素。动物体内的磷主要来源于日粮，如动物性饲料、植物性饲料和饲料中添加的无机磷，其中植物性饲料在动物日粮中占比重最大。而在植物性饲料中，植酸磷是磷的主要储存形式，非反刍动物对其利用率较低，摄入的磷大多随粪尿排出，使水体和土壤遭到严重污染。因此，为了满足动物需要，不得不向饲料中添加无机磷，同时也增加了饲料成本。植酸酶可以水解植酸，将其中的磷释放出来，提高磷的利用率，降低饲料中无机磷的添加量。植酸酶主要有两种利用方式：一种是在饲料中添加微生物来源的植酸酶；另外一种是利用饲料本身含有的植酸酶。与微生物植酸酶相比，植物植酸酶本身就是饲料中的一种成分，一般不需额外的生产加工，成本较低，因此受到重视和开发。本文综述了植物来源的植酸酶在饲料中的应用研究。
1 植物性饲料中磷的存在形式及利用率
植物性饲料中磷的利用率与饲料中植酸磷含量有关。植物性饲料中的磷包括有机磷和无机磷两种形式，其中大部分是有机磷。植酸是有机磷的主要部分，由一分子肌醇和六分子磷酸组成，约占总磷的50%～80%（Reddy等，1982）。不同品种植物性饲料中植酸磷的含量不同，谷物籽实含量较高，豆类籽实稍低，块根块茎类、油菜籽壳、大豆壳等含量最低。猪鸡体内缺乏分解植酸的酶，所以对植酸中磷的利用率很低。而无机磷能够被动物有效利用，是有效磷的主要部分。
饲料中有效磷含量=a（总磷-植酸磷）+b。
式中：a——无机磷的有效性，肉鸡建议值为0.75，生长猪为0.85；
b——植酸磷的水解百分比，建议值为50%～75%（贺建华，2006）。
猪、鸡常用饲料中总磷、植酸磷和有效磷含量见表1、表2。
植酸酶活性是影响植酸磷利用的一个主要因素，植酸酶活性越高，水解植酸磷越多，磷的利用率越高。许多谷物饲料中含有植酸酶，但它们的含量较少，而且酶活变异很大。Eeckhout等（1994）研究了51种植物性饲料中的植酸酶活性，仅有黑麦、小麦、大麦等籽实以及小麦麸等麦类副产品和米糠等13种饲料中所含的植酸酶活性高于100 U/kg，其它饲料如玉米、豆类籽实及其副产品的植酸酶活性很差。玉米和小麦的非植酸磷相对含量相差不大，但磷的表观消化率却比小麦低，主要是因为小麦中植酸酶活性远高于玉米。各种谷物饲料的植酸酶活性比较见表3。
此外，植酸磷的利用率也与动物种类有关。牛、羊等反刍动物的瘤胃微生物能产生分解植酸的酶，可有效地水解植酸，因此，反刍动物能够有效利用植酸磷。但是，单胃动物因其消化道内缺乏能分解植酸的酶而难以利用植酸态磷，使得植酸磷利用率仅在0～40%，导致磷资源浪费。因此，饲料中需另外添加大量的无机磷，以满足猪鸡对磷的需要，但同时也使得饲料成本升高。另外，因大部分植酸磷在动物胃肠道内不能被消化吸收，约75%的植酸磷会被动物直接排出体外，对水体和土壤造成严重污染。
2 植酸酶的种类及来源
植酸酶即肌醇六磷酸水解酶，是催化肌醇六磷酸水解释放磷酸基团的一类酶的总称。植酸酶从广义上讲，包括植酸酶和磷酸酶。狭义的植酸酶不包括磷酸酶。植酸酶现已知有3种类型，即肌醇六磷酸3-磷酸水解酶、肌醇六磷酸6-磷酸水解酶和非特异性的正磷酸单酯水解酶，它们分别从肌醇六磷酸的3位、6位和2位碳上开始水解释放磷酸基团。植酸酶只能将植酸分解为肌醇磷酸酯系列，不能彻底地将肌醇磷酸酯分解为肌醇和磷酸。只有在酸性磷酸酶的作用下，才能将单磷酸酯、二磷酸酯彻底分解成肌醇和磷酸。理论上每个植酸磷分子可水解释放6个磷酸根。因此，利用植酸酶可以很好的提高饲料中磷的利用率。
植酸酶主要有两种来源，一种来源于植物，特别是谷物、麦类作物种子中存在天然植酸酶，属于6-植酸酶。植物植酸酶最适pH值为4.0～6.0，在pH值3.0时活性显著下降甚至完全失活(Engelena等，1994)。因而这类酶在动物胃中的强酸性环境（pH值为2.5～3.0）下难以发挥作用，所以催化效率较低。对于植物植酸酶的热稳定性而言，80 ℃以下加热时植酸酶活性几乎没有损失(韩延明等,1995),马玺等(2002)认为60～80 ℃植物植酸酶活性稳定；另一种来源于微生物，主要存在于细菌、部分真菌如啤酒酵母、无花果曲霉、黑曲霉以及少数根霉中，属于3-植酸酶。另外，各种脊椎动物的红细胞和血浆、哺乳动物小肠中也存在植酸酶，但数量和活性有限，对其应用研究意义不大。
3 植物植酸酶在饲料中应用的研究进展
3.1 普通植物中植酸酶的应用研究
植物植酸酶可以降解内源性和外源性植酸磷。在日粮中添加植酸酶活性较高的植物性饲料，可提高猪和家禽对植酸磷的利用率，降低粪便中磷的排泄量，减少对环境的污染。韩延明等(1995、1996)通过对小麦麸和微生物植酸酶进行比较后发现，小麦麸中植酸酶效果虽不如微生物产品,但小麦麸添加组与无机磷添加组的效果相当。Nelson(1976)报道,采食玉米型日粮的4、9周龄肉鸡及产蛋鸡对日粮中植酸磷利用率分别为0、3％、8％,采食大麦－玉米型日粮时,试验鸡对植物性植酸磷利用率分别为8％、13％、13％,这主要是因为大麦中含有较高活性的植酸酶。Pointlillar等(1984)认为,植物性饲料中天然植酸酶在一定程度上可提高猪对植酸磷的利用率。韩延明等（1996）在断奶到肥育猪阶段日粮中添加一定比例的麦麸（前期10%、后期20%）发现，麦麸中的植物性植酸酶可以提高日粮中磷的消化率，显著改善动物生产性能，骨骼生长速率，其效果与添加微生物植酸酶（前期1 200 U/kg、后期1 000 U/kg）或无机磷（前期0.3%，后期0.2%）矿物盐相似，在配合饲料中添加17.6％麦麸时，日粮中植酸磷的体外消化率最高，此时从植酸盐中释放的无机磷可以满足生长肥育猪对有效磷的需要。
3.2 转基因饲料作物中植酸酶的应用研究
目前，采用微生物发酵方式生产植酸酶的能耗通常是其生产成本的20%左右,为了降低生产成本,许多学者尝试通过转基因途径生产植酸酶。Denbow等（1998）将Agracetus公司所研制的转基因大豆植酸酶添加到肉鸡日粮后发现，转基因植酸酶能够显著提高肉鸡生长性能。Hegeman等（2001）从正在萌发的大豆子叶中纯化了一种植酸酶，并根据多肽序列设计引物克隆了该基因，然后将该基因重新导入大豆细胞悬浮系组织，经潮霉素作为筛选，得到转化细胞中植酸酶的活性增强。Pedersen等（2000）分别构建了含有大麦淀粉酶信号肽序列和无信号肽序列的phy A的表达载体，在组成型启动子Ubi的控制下，将表达质粒转化小麦经过Bialaphos筛选,在当代转基因植株的叶片和种子中均检测到了植酸酶的活性(700～3 000 U/kg)。Ponstein等（2002）在phyA基因上游设置了一段十字花科植物信号肽序列，构建了油菜籽实特异性表达载体，以万古霉素作为筛选标记，进行农杆菌转化研究，结果获得95个转基因事件，其T1代转基因籽实中检测到植酸酶活性在0～600 U/g不等，其含单拷贝基因后代植株的植酸酶活力为103 U/g。通过对转基因植株3～4代的酶活性检测发现，植酸酶的表达量与phyA的剂量（拷贝数）密切相关。该酶能抵抗胃蛋白酶的降解，具有大规模生产潜力。Hong等（2004）分别在水稻种子中转入来源于大肠杆菌和瘤胃细菌的两个植酸酶基因，两个基因在萌发水稻种子中表达的植酸酶活性是非转基因水稻植酸酶活性的40～60倍，分别是6 000和2 500 U/kg。植株发育和种子形成未观察到不利影响；连续研究一株表达高植酸酶活性的转基因水稻的后四代，在这些后代中植酸酶表达水平稳定且植酸酶基因遗传稳定。以上研究在大豆、小麦、油菜、水稻等饲料作物中成功的表达了植酸酶，为以转基因植物作为生物反应器生产植酸酶打下了基础。但这些研究存还在以下问题：研究中所涉及的转基因作物仅大豆是在饲料中大宗使用的加工原料；多数转化使用的是农杆菌，去除细菌的骨架DNA不能实现，而且大多是用抗生素作为筛选标记，存在一定的安全性问题；目前这些研究中仅转基因的大豆和苜蓿生产的植酸酶进行了初步的小规模的家禽饲料研究，证明可以有效替代微生物生产的植酸酶，作物饲喂动物的有效性还需要进一步的深入研究。
范云六等在第一代植酸酶产品的基础上，从2000年开始研究，将植酸酶基因（ZL 97121731.9）置于种子特异性启动子控制下，并加上引导蛋白定位到液泡的信号肽，以Bar基因作为筛选标记，将生物技术和常规育种技术相结合，经过六代选育，培育成功了植酸酶含量高（酶活均在1 000 U/kg以上，最高的可达120 000 U/kg）并且能稳定遗传的转基因玉米，即第二代植酸酶产品。其中，已经有5个转植酸酶基因玉米纯合系进入转基因生物安全评价的最后一个阶段“生产性试验”。整合进入玉米基因组的植酸酶基因是一些线性DNA片段，没有质粒DNA上细菌复制子、抗生素选择标记等成分，确保了玉米的生物安全性。动物饲喂试验表明，转基因玉米中的植酸酶与发酵生产的植酸酶功能相当，能够显著降低动物排泄物中磷的含量。但转植酸酶基因玉米耐热稳定性，能否用于制粒和膨化饲料；在饲料中的添加量，可节约磷的用量等问题还有待于进一步研究。
4 结语
综上所述，植物植酸酶是一种经济、环保的植酸酶源。在目前世界能源日益紧张的情况下，应重视对其开发和利用，以创造更大的经济效益和环保效益。
参考文献
[1] 韩延明,杨凤,周安国,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):207-210.
[2] 韩延明,周安国,杨凤.常用植物性饲料中植酸酶活性及加热温度的影响[J].动物营养学报,1995,7(3):21-26.
[3] 韩延明,胡友军,熊世强,等.常用植物饲料中植酸酶酶活的测定[J].四川农业大学学报,1996，14（S1）:58-61.
[4] 贺建华.植酸磷和植酸酶的研究进展[J].动物营养学报，2005,17(1):1-6
[5] Engelena A J, Vander Heeft F C, Randsdorp P H G, et al. Simple and rapid determination of phytase activity[J]. Assoc Off Anal Chem, 1994, 77:760-764.
[6] Brinch-Pedersen H, Olesen A, Rasmussen S K, et al. Gneration of transgenic wheat (Triticum aestwum. L)for constiutive accumulation of an Aspergillus phytase[J]. Molecular Breeding, 2000,6:195-206.
[7] Denbow D M, Grabau E A. Soybeans transformed with a fungal phytase gene improve phosphorus availability for broilers[J]. Poult Sci, 1998,77(6):878-881.
[8] Eeckhout W, Paepe M. Total phosphorus,phytatephosphorus and phytase activity in plant feedstuffs[J]. Ania Feed Sci Tech,1994,47: 19-29.
[9] Hegeman C E, Grabau E A. A novel phytase with sequence similarity to purple acid phosphatases is expressed in cotyledons of germinating soybean seedings[J]. Plant Physiol, 2001, 126:1598-1608.
[10] Hong C Y, Cheng K J. Production of two hingly active bacterial phytases with broad pH optima in germinated transgenic rice seeds [J].Transgenic Res ,2004,13(1):29-39.
[11] Nelson T S. The hydrolysis of phytata phosphorus by chicks and laying hens[J]. Poultry Sci, 1976, 55:2262-2264.
[12] Pointillart A. Importance of phytase and cereal phytase in the feeding of pigs[A]. Wenk C,Boessinger M.Enzymes in Animal Nutrition[C]. Kartause Ittingen:Proceedings of the 1st Symposium on Enzyme in Animal Nutrition, 1993,192-198.
[13] Pointillart A, Fontaine N, Thomasset M. Phytate Phosphorus Utilization and Intestinal Phosphatases in Pigs Fed Low Phosphorus: Wheat or Corn Diets[J]. Nutr Rep Int, 1984,29:473-483.
[14] Ponstein A S, Bade J B, Theo C V, et al. Stable expression of Phytase(phyA)in canola(Brassica napus)seeds:towards a commercial product[J]. Molecular Breeding,2002,11:33-44.
[15] Reddy N R., Sathe S K. Phytates in legumes and cereals[J]. Adv Food Res,1982,28:1-92
[16] Van der Klis J D, Versteegh H A J. Phosphorus nutrition of poultry[A]. In: P.C. Garnsworthy, J. Wiseman, and W. Haresighn. Recent Advance in Animal Nutrition[C]. Nottingham: Nottingham Univ Press,1996,71-83.
[17] Weremko D, Fandrejewski H, Zebrowska T. Bioavailability of phosphorus in feeds of plant origin for pigs(review)[J]. Asian-A ustr J Anim Sci, 1997, 10(6):551-566.
（编辑：沈桂宇，）
孟艳莉，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，100193，北京市海淀区圆明园西路2号。
张军民、赵青余，单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期：2009-07-06 |
相关信息
