黄 可 杨雨虹
摘 要 文章从植酸酶的酶学性质、影响因素、对鱼类的营养及能量代谢等方面探讨其在水产饲料中的研究进展，并从国内外研究例证中初步分析了植酸酶提高饲料中磷利用率以及降低水体污染的作用，并为植酸酶制剂在渔用配合饲料中的应用提供参考。
关键词 植酸；植酸酶；磷
中图分类号 S816.3
磷是水产动物必需的矿物元素之一，饲粮磷缺乏或不足会显著影响水产动物体内的生理生化反应，进而阻碍水产动物的生长、骨骼发育和繁殖等活动。然而，在植物性饲料中，磷主要以植酸及其盐的形式存在，占植物总磷量的60%~80%，植酸具有极强的螯合能力，可以与钙、镁、钾、锌、铜、锰等物质形成不溶性的盐类。同时，植酸还可以络合蛋白质，抑制消化酶如胰蛋白酶、胃蛋白酶和α-淀粉酶的活性。单胃动物（如鱼类）缺乏分解植酸及其盐的植酸酶，植酸磷基本上不能被单胃动物所利用，因此水产动物饲料中需要添加无机磷酸盐来满足水产动物对磷的需要。但是，磷元素价格昂贵，添加无机磷无疑提高饲料成本，而未被消化利用的植酸磷排出，在一定程度上又造成了磷资源的浪费并且污染了水体养殖环境。解决饲料污染的有效途径之一是在饲料中添加植酸酶，分解植酸磷及其络合物，提高植物性饲料中磷的利用率，从而减少无机磷在配合饲料中的添加量。
1 植酸酶的理化特性
Suzuki等（1907）最早发现植酸酶，其通常是指催化植酸及植酸盐水解成肌醇与磷酸（盐）的一类酶的总称，按照国际生物化学和生物分子联合委员会的命名，植酸酶可以分为两种：一种是肌醇六磷酸－3－磷酸酯酶（EC3.1.3.8），另一种是肌醇六磷酸－6－磷酸酯酶（EC3.1.3.26）。
植酸酶是一种新型的饲料添加剂，研究表明，将植酸酶添加到植物性饲料中，释放植酸中的磷，不但能提高水产动物对磷的吸收利用率，而且可以降解植酸盐蛋白质络和物，减少植酸盐对微量元素的螯合，提高动物对植物蛋白的利用率以及植物饲料的营养价值，并减少其粪便中磷的含量。
2 植酸酶的作用机理
植酸酶可以将植酸分子上的磷酸基团逐个切下，形成中间产物IP5、IP4、IP3、IP2、IP，终产物为肌醇和磷酸。不同来源植酸酶作用机理有所不同。微生物产的3-植酸酶作用于植酸时，首先从植酸的第3碳位点开始水解酯键而释放出无机磷，然后再依次释放出其它碳位点的磷，最终酯解整个植酸分子，此酶需要2价镁离子(Mg2+)参与催化过程。来源于植物的6-植酸酶，它首先在植酸的第6碳位点开始催化而释放出无机磷。1 g植酸完全分解理论上可释放出无机磷281.6 mg。大多数微生物来源的植酸酶的作用机理如下（见图1）。
植酸酶在水解植酸时，可以将与其络合的大量镁、锌、锰等矿物元素因植酸分子的水解释放出来；同时，植酸酶水解植酸时，也可以断裂蛋白质与植酸之间的键，将蛋白质释放出来，从而提高了鱼体对矿物质的利用率和蛋白质的消化率。
3 植酸酶对鱼类的营养作用
3.1 植酸酶对饲料中磷利用率的影响
大量的研究证实，在鱼饲料中添加植酸酶可以有效地分解饲料中的植酸，释放出无机磷，提高植酸结合态磷的利用率。Vielma等（1998）报道，在含有植物蛋白的日粮中添加植酸酶可以增加虹鳟日增重，提高磷的生物利用率；Forster（1999）等对虹鳟的试验表明，在以菜籽饼为蛋白的浓缩料日粮中添加植酸酶可显著提高植酸磷的利用率；Schafer等（1995）以鲤为研究对象，以大豆粉和大麦为基础的饲料中，添加500和1 000 U/kg植酸酶，可分别提高鲤对植酸磷的利用率20%和40%；杨雨虹等(2006)的研究结果也表明,与对照组相比,饲料中添加3 000和1 500 U/kg植酸酶时,鲤鱼对饲料中磷的表观消化率分别提高65.63%和61.65%；余丰年等(2000)在异育银鲫饵料中分别添加500、1 000 U/kg的植酸酶,结果发现,添加500 U/kg的植酸酶可分解60%的植酸磷,添加1 000 U/kg的植酸酶可分解80%的植酸磷,表明植酸酶的添加显著降低了豆粕中的植酸磷含量,而且在异育银鲫的体外,植酸磷已在植酸酶的作用下发生了有效的降解。
在鱼饲料中添加植酸酶，将磷从植酸盐中释放出来的同时也可将其它矿物质元素释放出来，以提高其它矿物质元素的利用率。
3.2 植酸酶对鱼体生长的影响
研究表明，在鱼类饲料中添加一定量的植酸酶可以促进鱼体的生长。Cain等（1995）以虹鳟为试验对象,用经酶制剂处理过的大豆粉配制成的饵料进行试验,结果表明，经酶制剂处理组的鱼的生长率和饵料系数同商品饵料组相同或有显著改善。
杨雨虹等（2006）在植酸酶对鲤鱼生长及磷利用率的影响研究中报道，饲料中添加植酸酶可以显著提高鲤鱼的增重率和降低饲料系数,与基础饲料组比较,3 000和1 500 U/kg植酸酶组可将鲤鱼的增重率分别提高61.06%和52.81%,饲料系数分别下降17.74%和18.11%。Jackson等（1996）在以去壳大豆粉（55.6%）、熟玉米粉(18.1%)和小麦粉(22.0%)为主的基础饲料中,添加0、500、1 000、2 000和4 000 U/kg的黑曲酶（Aspergillus nigrt），饲养平均重量为5.0 g的斑点叉尾■（Ictalurus punctatus）10周。结果发现，摄食含植酸酶500 U/kg以上饲料的鱼，其摄食量、增重量、骨中灰分和磷含量分别比对照组鱼高（15.0%～18.1%、8.6%～11.3%、6.4%～13.1%和6.2%～12.4%），而饲料系数和粪便磷含量分别比对照组鱼低，表明植酸酶可以提高磷的利用率和蛋白质的生物价，降低磷污染。Schafer等（1995）用鲤鱼做试验，在以大豆粉、鱼粉和大麦为基础原料，向总磷含量为7.2 g/kg的饲料中添加500和1 000 U/kg的植酸酶，结果显示鱼体增重和鱼体灰分含量显著提高；同时,相比于不添加磷组和添加2 g/kg磷酸二氢钙来源的磷组，添加500和1 000 U/kg的植酸酶组,其磷的排泄量分别降低28%和25%。王爱民等(2007)在研究植酸酶对异育银鲫生长性能及鱼体成分的影响时认为,与对照组相比,添加1 000 U/kg植酸酶的试验组鱼增重率提高8.8%,饲料系数下降0.18。高春生等（2006）研究在日粮中添加植酸酶对草鱼生长的影响时认为,与对照组相比,添加植酸酶可以显著提高草鱼体重,其中添加1 000 U/kg植酸酶组的草鱼平均日增重和日采食量最大,分别为17.91%和7.62%,且饲料系数降低7.32%。
3.3 植酸酶对鱼体蛋白质、氨基酸利用率的影响
植酸酶水解植酸释放磷的同时，可以将与植酸络合的蛋白质释放出来，便于消化道分泌的各种蛋白酶作用，同时还可以释放与植酸结合的内源性蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等，从而提高饲料中蛋白质的利用率。研究表明，在以豆粕-明胶-糊精为基础的半纯合饲粮中添加500 U/kg日粮的植酸酶可以提高粗蛋白、异亮氨酸、丙氨酸、脯氨酸、丝氨酸和酪氨酸的表观消化率，但对精氨酸、组氨酸、亮氨酸、缬氨酸、天门冬氨酸、胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸的表观消化率没有影响。
3.4 植酸酶对鱼类总能利用率的影响
在水产饲料中添加植酸酶可以提高鱼类对总能的利用率。Cheng等(2003)报道，在含玉米烧酒糟残液干燥物的饲粮中添加0、750、l 500和2 250 U/kg 4种剂量的微生物植酸酶，以三氧化二铬(0.5%)作为内源指示剂，测得虹鳟对各养分的表观消化率，干物质含量从65.5%提高到76.9%;粗脂肪含量从83.8%提高到90.9%;总能含量从71.8%提高到78.9%。总能利用率的提高，因而增加了虹鳟的消化能，促进了虹鳟的生长。一般认为，总能的表观消化率增加，因而消化能增加，是由于添加植酸酶增加了粗蛋白和粗脂肪的表观消化率，添加植酸酶是否能增加碳水化合物的表观消化率还有待进一步研究。在以大豆产品为基础的虹鳟饲粮中添加微生物植酸酶，结果表明，微生物植酸酶可以显著提高钙、镁、总磷、植酸酶、锰和锌的表观消化率，在大麦、菜粕、小麦和次粉中添加微生物植酸酶也可以显著提高虹鳟对钙、镁、锰的利用率。
4 影响植酸酶在鱼类饲料中应用的因素
4.1 温度
植酸酶的活性大小受到温度及pH值的影响。Sugiura（1999）等报道，微生物植酸酶的最适温度为55 ℃，最适pH值5.3；在37 ℃时，酶的水解速度远大于15 ℃时的水解速度。这表明在未达到最适温度之前，植酸酶的活性随温度的升高而增加。
Rodehustscord等（1995）以虹鳟为对象，饲料以大豆为基础，在饲料中添加1 000 U/kg植酸酶。结果表明，磷的利用率从17%提高到49%，并且表现出水温越高饲料中磷利用率也越高的趋势。
4.2 pH值
在其它条件不变时，酶在最适pH值时活性最高。微生物植酸酶的最适pH值为5.3，因此日粮酸化处理可以增加微生物植酸酶的活性。Sugiura等（1999）报道，在含微生物植酸酶的日粮中添加柠檬酸可以进一步提高灰分的利用率，尤其是钙、总磷、锶、锌等元素的利用率显著提高。同时，不同来源的微生物植酸酶因菌株、生产工艺不同，活性存在差异，对鱼类的作用效果也有区别，需要进行饲养试验确定不同来源酶的最适添加剂量。
4.3 鱼的种类
不同种类鱼因其消化道环境存在差异，植酸酶的作用效果也不同。鱼分为有胃鱼和无胃鱼，其消化道内的酸碱度差别较大，它们对植酸的消化率也不同。吉红(1999)研究表明，无胃鱼消化道pH值为6.8～7.3，对植酸盐的利用率仅为8%;有胃鱼（如虹鳟）胃液中可分泌盐酸，pH值较低，适合于酸性植酸酶，对植酸盐的利用率则为19%。
4.4 植酸酶的添加方式
植酸酶的添加方式也影响着使用效果,目前采用的方法有直接添加到饲料中、制粒冷却后液态喷涂和对饲料预处理三种方式,但这三种方法均存在着弊端,第一种由于制粒温度过高,酶活力损失大;第二种容易造成植酸酶集中在粉化的小颗粒中,而这些小颗粒料通常被回收重新制粒,使喷涂的植酸酶破坏,并且在贮存过程中会发生饲料的粉化,从而使表面的植酸酶脱落损失;最后一种涉及到水解过程,在生产中难以推广应用。
5 小结
植酸酶作为一种新型绿色添加剂,在我国水产养殖中的应用研究、特别是在无胃鱼养殖中的研究尚处于起步阶段。随着我国对水环境保护的越来越重视以及为实现水产养殖业的可持续发展的目标,植酸酶尤其适用于我国四大家鱼；同时，由于鱼粉在渔用配合饲料中占据着重要的地位，但随着鱼粉资源的不断匮乏，其价格长期维持在高位，而且鱼粉中大量未被吸收的磷排放到水环境中，极易造成水质污染，引起水体富营养化，这已成为水产动物营养研究的热点。近年来，利用植物蛋白源替代鱼粉研制经济环保型的渔用配合饲料已成为国内外研究学者关注的焦点，但由于植酸的存在，导致鱼类对植物性蛋白源的利用率普遍较低，因此，从提高饲料利用率、降低饲料成本和保护养殖环境等方面来看，加强植酸酶在水产饲料中的应用研究具有广阔的前景。与此同时，在饲料中添加大量的植酸酶，也会提高水产动物的养殖成本，因此，如何降低植酸酶的价格，也是酶行业亟待解决的一个问题。
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（编辑：高 雁，）
黄可，东北农业大学动物科学技术学院，150030，哈尔滨市香坊区木材街59号。
杨雨虹（通讯作者），单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期：2009-09-21 |
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