王 翔 陈代文
植物性饲料中磷的含量相对较少，而其中约有60%～75%的磷以植酸的形式存在（Markus 等，1999；Pasamontes等，1997 ；Ostanin等，1968； Nelson等， 1968），饲料植酸中的磷必须在消化道内水解成无机磷酸盐才能被动物利用。反刍动物瘤胃微生物能产生植酸酶，可有效地分解植酸磷并利用释放出的磷，利用率一般为60%，成年反刍动物可高达90%；而单胃动物缺乏能水解植酸的酶或其酶的活性极低(Pointillart等，1984；Markus等，1999)，因而单胃动物对植物饲料中的磷利用率很低。研究表明，猪只能利用玉米中磷的10%～12%；利用豆粕中磷的25%～35%(Cromwell，1993)。典型猪日粮中磷的利用率只有15%，而85%的磷随粪便排出。
植酸不仅难以被单胃动物利用，它还影响动物对矿物元素和蛋白质的利用率。植酸与铜可形成稳定络合物而影响铜的生物学效价。在pH值为6时，植酸同时与多种离子结合，其中以Zn-Ca-Cu-植酸和Cu-Ca-植酸形式最多。在肠道pH值条件下，饲料中植酸含量高时可使单胃动物对钙的吸收率降低35%。在酸性或近中性环境中植酸可与蛋白质分子发生很强的螯合作用，形成难溶物。当pH值低于蛋白质的等电点时，蛋白质中赖氨酸的α或ε氨基、精氨酸和组氨酸的胍基带正电荷，由于强烈的静电作用，它们易与带负电的植酸形成不溶性植酸——蛋白二元复合物；当pH值高于蛋白质等电点时，蛋白质的游离羧基和组氨酸上未质子化的咪唑基带上负电荷，此时蛋白质就以多价阳离子如Ca2+、Mg2+、Zn2+等为桥，与植酸形成三元复合物(Nyman等，1989)。植酸蛋白二元或三元复合物的形成使蛋白质结构改变，溶解度降低，导致其消化率降低。
植酸还能与动物消化道中的胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等结合，使酶活性降低，它也能抑制α-淀粉酶和脂肪酶活性(Nyman，1989)，使饲料营养物质消化利用率降低。
Nelson（1968）首次提出的猪、鸡日粮中添加微生物植酸酶，解决饲料中因植酸盐的存在引起的一系列问题。此后，由于提取植酸酶和大批量生产的技术尚不成熟，该建议暂未能在工业领域实施。进入20世纪90年代，已经研制成功了商品植酸酶，具有较高的酶活且价格适中，它们的出现，提供了生产中应用植酸酶的可能。
1 植酸酶
1.1 植酸酶的来源和分类
植酸酶最早是由Suzuki等（1907）在米糠中发现的，后来又相继在多种微生物（如枯草杆菌和假单孢球菌、酵母及曲霉）（Ravindran等，1995；Power，1994）以及植物（植物籽实）和动物组织中检测到了植酸酶的存在。自然界存在不同来源的植酸酶，根据它水解植酸第一个磷酸基团的位置，可分为两种类型：3-植酸酶(E.C.3．1．3．8)和6-植酸酶(E.C.3.1.3.26)。3-植酸酶作用于植酸时，在Mg2+的参与下，先从肌醇的第三位碳原子催化植酸释放无机磷，然后依次释放其它碳上的无机磷；而6-植酸酶，其催化作用始于肌醇的第六位碳原子上的磷。
根据植酸酶基因及氨基酸序列的不同，可将植酸酶大致分为5类：PhyA、PhyB霉菌及部分细菌来源，PhyC（Bacillus subtilis来源）、玉米植酸酶和其它类植酸酶。
1.2 植酸酶的理化性质
植酸酶和其它酶类一样具有酶的共同性质，其活性受温度、环境pH值、激活剂、抑制剂、底物及产物浓度等各种因素的影响。不同来源的植酸酶由于分子大小、氨基酸组成、空间结构特点的不同，故最适pH值和最适温度范围各不相同。现已研究的各种不同来源植酸酶的最适pH值和最适温度见表1。
大部分微生物来源的植酸酶，特别是真菌植酸酶的最适pH值一般在4.5～7.0。无花果曲霉植酸酶在pH值为2.5和5.5时有两个最适值，但pH值为2.5时的酶活只有pH值为5.5时的48%，因此，无花果曲霉植酸酶的最适pH值为5.5。植物种子中的植酸酶最适pH值在4.0～7.5,大部分在4.0～5.6。通常在动物胃中低pH值环境下植酸酶活性可能很低，且它的活性可能因为底物过多和分解产物的存在而受到强烈抑制。
不同的植酸酶有不同的最适温度，且其活性与存在的温度有关，一般最适温度在45～60℃。有研究发现，纯化植酸酶在68℃条件下放置10min后，活性丧失60%。Simons等(1990)报道，制粒前后温度分别为50℃和81℃时，无花果曲霉植酸酶活性损失不超过6%；当制粒前、后温度分别为60℃和87℃时，植酸酶活性的损失达54%。而芽孢杆菌DSll菌株植酸酶最适反应温度为70℃，比一般的植酸酶最适温度高，具有很强的热稳定性，在CaCl2存在的条件下，70℃温浴10min后仍具有100％的酶活性，而90℃温浴10min后，酶活性仍有最初酶活力的5％；在没有CaCl2存在的条件下，热稳定性在50℃时就急剧下降，这表明Ca离子对该植酸酶抵抗热变性有着重要的作用。
1.3 影响植酸酶活性的因素
1.3.1 影响植酸酶作用的pH值范围
植酸酶有多个最适pH值范围，可能是与胃及肠中各段的pH值范围相近，而酶活性最适pH范围越宽，其在畜禽消化道内的适应性就越强。Simons等（1990）报道，粗制植酸酶的活性最高峰有两个（见图1），这两个高峰出现在pH值为2.5～3.0和5.5～6.0范围之内，且前一个pH值范围内的峰高要大些。重组黑曲霉酸性植酸酶最适pH值高峰有3个，依次为2.8、4.5、6.5。
1.3.2 温度对植酸酶活性的影响
Peers试验测定，当小麦在80℃以上的蒸汽中加热10min后，其中的植酸酶活性就会部分丧失，但在80℃以下，活性几乎没有损失；将小麦植酸酶在100℃下加热1.5h，其酶活性损失了25%；加热3h，酶活性则损失近90%。Jongbloed等也发现,用高于80℃的蒸汽制粒,会引起小麦中植酸酶活性下降,而冷压制粒却不会引起酶活的变化。Gibson等（1990）研究了大豆植酸酶的性质,其适宜的温度是50℃，在60℃时发生变性。韩延明（1995）研究了不同加热温度下麦麸中植酸酶活性的变化,在60℃或80℃下将麦麸加热1h,其中的植酸酶活性仅损失了7%，而在100℃时加热1h,活性损失达到60%，这说明，在60～80℃之间,植酸酶有很好的热稳定性。据Simons 等(1990)报道，制粒前每千克饲料加入250U植酸酶，制粒后颗粒饲料温度分别为78、81、84、87℃时，植酸酶活性的存留率分别为96%、94%、83%、46%，可见87℃以上温度制粒时，酶活丧失率为54%。高温使酶活性下降，而热处理时间过长同样影响酶的活力。因此，冷压制粒、微囊包被、制粒后喷洒、拌入粉料直接饲喂是避免酶失活的4种有效措施（霍启光，2002）。
1.3.3 饲料中钙、磷及钙磷比对植酸酶效果的影响
添加植酸酶能提高饲料中钙、磷利用率,同时动物饲料中钙、磷水平对植酸酶的有效性也有较大影响。Irving和Cosgrove（1974）报道,无机正磷酸盐可能是无花果曲霉植酸酶的抑制剂。Sebastian(1996）研究表明, 低磷饲料中添加植酸酶能促进肉仔鸡生长,增加矿物质沉积,促进骨骼的生长发育。Simons等（1990）也发现,在猪、鸡的低磷、高植酸饲料中补充植酸酶，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-豆粕型日粮中所含有的磷足够满足猪、鸡的营养需要,不需要额外添加磷。Qian等（1996）在不同磷水平、钙磷比值条件下对火鸡应用植酸酶的效果进行了研究,结果表明,磷水平是影响植酸酶活性的关键。饲料植酸酶在低磷水平下效果更好,多余的无机磷会抑制植酸酶活性，饲粮无机磷含量为0.27%和0.36%时使植酸酶活性分别降低7.5%和6.7%。钙水平也影响植酸酶活性，其原因可能有两种：①多余的钙与植酸结合形成不溶性复合物，不利于植酸酶作用；②多余的钙可能竞争酶活性中心，而直接降低植酸酶活性。研究表明，当钙与总磷比值从1.4增加到2.0时,植酸酶活性分别降低7.4%和14.9%，在钙与磷比值为1：1～1.4：1时，植酸酶效率最高。
1.3.4 维生素D3对植酸酶有效性的影响
维生素D3能刺激植酸盐的水解，有助于磷和钙的吸收。Edwards（1993）报道，添加5μg/kg 1,25-(OH)2D3到缺磷的玉米-豆粕型饲粮中可使磷存留量从31%提高到68%,补充75 IU植酸酶可使磷存留量进一步提高到79%。Mitchell(1996)研究表明，植酸酶和1,25-(OH)2D3在增加植酸磷的利用潜力上是相同的,同时也表明两者可能存在协同作用。在肉仔鸡上,植酸酶和1,25-(OH)2D3可综合影响0～3周龄肉仔鸡对磷的利用，对处于4～5周龄的鸡也有影响作用。植酸酶和1,25-(OH)2D3存在相互作用，表明它们是以不同的方式促进磷的利用:当植酸酶将植酸磷水解后，1,25-(OH)2D3就增加游离磷的吸收；1,25-(OH)2D3提高钙的利用,也可增加植酸酶活性。
另外，1,25-(OH)2D3可能刺激小肠植酸酶的产生。有研究表明，维生素D3增加了雏鸡小肠植酸酶活性和碱性磷酸酶活性。饲料中添加维生素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、低维生素D3日粮中添加5μg/kg维生素D3和添加600U/kg植酸酶的效果一致，都可替代1g非植酸磷，维生素D3和植酸酶配合使用可替代2g的非植酸磷。
2 植酸酶的应用
近年来，随着发酵工程和生物技术的发展，人们使用DNA重组技术，将高活性植酸酶基因转移到高产菌株的基因组，使微生物植酸酶的产量与活性大幅度提高。目前，植酸酶的生产成本大大降低，在畜牧业上的应用越来越广泛。
植酸酶能提高植酸磷的消化利用率，在单胃动物低磷饲料中添加植酸酶可明显提高其生产性能（Newton，1983；simons等，1990）。Nelson等(1971)在含总磷0.3%、植酸磷0.18%的鸡全价料中添加无花果曲霉植酸酶，试验鸡的胫骨灰分与添加0.16%磷酸二钠组相似，证明试验鸡确实既能利用无机磷，又能利用植酸磷。Shurson等（1984）在体重65～100kg的猪日粮中(含磷0.35%)添加酵母培养物，改进了猪的生长速度。
2.1 植酸酶在猪和鸡上的应用
Simons等(1990)报道，1 000U/kg植酸酶使生长猪磷的表观消化率提高24%，粪磷减少35%。Young等(1993)发现，仔猪日粮中添加500U/kg、1 000U/kg植酸酶，显著提高磷吸收和骨生长，猪的生长速度、饲料效率、血清磷、跖骨灰分、跖骨磷含量提高，血清碱性磷酸酶活性下降。Mroz等(1994)研究发现，800U/kg黑曲霉植酸酶可使N、Ca、P沉积增加，每日粪排出分别减少5.5、2.2、1.9g；干物质、有机物、粗蛋白、钙、总磷以及除胱氨酸和脯氨酸外的所有氨基酸总消化率都有所提高；总磷、植酸磷、蛋氨酸、精氨酸的回肠表观消化率提高。韩延明等(1995)研究表明，猪日粮中添加微生物植酸酶与天然植酸酶都能达到添加无机磷的效果，粪磷排出量比无机磷组低55%和32%。植酸酶的添加不仅能改善磷的利用，而且能提高氨基酸利用率，对于氨基酸缺乏的日粮，饲料效率提高6.8%。
植酸酶能够提高肉仔鸡对磷的利用率(Pemey，1990)及生长速度，肉鸡增重与植酸酶或无机磷酸盐的添加水平呈线性关系(Simom等，1990)。Simom等(1990)报道，在含总磷为0.45%、无机磷含量为0.15%的肉鸡饲料中添加250～1 500U/kg微生物植酸酶，可使肉鸡植酸磷利用率提高到60%以上，粪中磷排出减少50%。 Broz等(1994)报道，在低磷肉鸡日粮中添加50U/kg 粉状或液态植酸酶，两种形式的植酸酶分别使生长速度提高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%；血钙和粪磷下降5.59%、4.62%和8.7%、10.11%；趾骨灰分显著增加。Pemey等(1991)在含有效磷0.32%、0.38%、0.44%的肉鸡日粮中添加0.5%、1.0%、1.5%的植酸酶，鸡日增重提高18.5%～39.60%。Sebastian等(1996)在低磷肉鸡日粮中添加60U/kg 微生物植酸酶， 21日龄公鸡和母鸡体重分别增加5.8%、 13.2%；血磷浓度都提高15.7%； P、Ca等沉积量分别增加12.50%、12.2%。Cantor(1995)试验发现，在含有0.27%有效磷的肉鸡日粮中加入1 200U的植酸酶，鸡体重、采食量分别增加5%、8.44%，血磷升高17.83%；胫骨灰分、强度分别增加20.37%、81.92%。
2.2 植酸酶在鸭上的应用
饲粮中添加植酸酶后可使其中植酸盐蛋白质复合物分解，从而提高了蛋白质的消化率；同时使一些酶恢复了原有的活力,进而提高饲粮代谢能值。蒋守群在蛋鸭上的饲养试验结果表明，饲料中添加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别降低61.6%和42%；其钙、磷的消化率分别提高10%。Farrell(1993)在基础饲粮含磷量接近NRC、钙在NRC正常水平时,每千克日粮中添加850IU的植酸酶,发现添加组较不添加组磷的存留率提高30%～40%。贾振全等（2000）报道，在樱桃谷鸭（3～7周）饲粮中添加植酸酶，试验组较对照组磷的存留率提高20%。植酸酶能提高鸭胫骨灰分和钙、磷的沉积，提高鸭的日增重，对饲料报酬也有提高趋势；植酸酶使饲料钙、磷的利用率提高，而粪便中磷的排出量下降（席锋等，2000）。对于蛋鸭，植酸酶能提高其增重，对蛋鸭的产蛋性能有显著影响。
3 存在问题
在实际生产中利用植酸酶,需解决以下几方面的问题：①全面测定饲料常用植酸酶的活性,从中选出最适宜畜禽消化道内环境的、活性高的植物植酸酶。②酶的稳定性,包括酸稳定性、对高温的稳定性和对胃中强酸性环境的稳定性。这是植物植酸酶能否在饲料中得到广泛应用的关键问题之一。在饲粮中添加缓冲剂,使之达到植物植酸酶表现最佳活性所需的pH值，也许能更好地发挥植物植酸酶的作用。③植物植酸酶在畜禽饲粮中适宜的添加比例,应依据其活性大小与作用特点而定,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植酸酶的提纯、包被工艺，如何提高酶的纯度和稳定性。⑤植酸酶在畜禽消化道发挥作用的具体情况，如植酸酶在消化道不同部位的活性、稳定性，为植酸酶的应用提供参考。
（参考文献37篇，刊略，需者可函索）
（编辑：孙崎峰，）
王翔，四川农业大学动物营养研究所，在读硕士，625014，四川雅安。
陈代文，单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期：2006-06-02 |
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