宮 宇， 姚玲瓏， 陳清華*， 陳鳳鳴

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學動物科學技術(shù)學院，湖南長沙 410128；2.湖南領(lǐng)道農(nóng)業(yè)環(huán)?？萍加邢薰?，湖南長沙 410128）

磷是畜禽機體內(nèi)含量豐富、作用廣泛的一種礦物質(zhì)元素，主要參與畜禽骨骼以及肌肉的組成和生長（邱梅平等，2009），畜禽的生長發(fā)育、代謝繁殖都與磷息息相關(guān)。植物性飼料中磷主要是以植酸磷的形式存在（Susmira等，2005），自然界中雖廣泛存在可水解植酸磷的植酸酶，但畜禽對植酸磷的利用率普遍偏低，主要是由于單胃動物只有消化道的上皮細胞以及后腸道中的微生物可產(chǎn)生少量的植酸酶。沒有被利用的磷，通過動物排泄的形式進入水體，最終導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化（王凱等，2015），解決這一問題的根本方法在于提高畜禽日糧中磷的利用率。在畜禽飼糧中添加植酸酶，可以降解飼料中的植酸磷，提高飼料中磷的釋放量，進而可以降低磷酸氫鈣在日糧中的添加量。研究表明，日糧中添加植酸酶可以提高畜禽的生產(chǎn)性能，同時可減少畜禽糞便中磷的排放（王方浩等，2006）。

1 植酸與植酸酶

植酸又稱肌醇六磷酸（Munir等，1980），是多種植物組織中磷的主要儲存形式，能夠結(jié)合一些礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)，同時形成的螯合物能夠降低磷的吸收效果（Madrid等，2013）。在植物飼料中，植酸通常與磷結(jié)合，所以又被稱作植酸磷，常用飼料原料中的植酸磷含量一般不同，數(shù)據(jù)見表1。植酸酶能夠催化水解植物源飼料中的植酸磷，使其逐步分解成能被畜禽利用的無機磷和肌醇（Edward等，2000）。畜禽不能分解利用飼糧中的植酸磷，未被消化利用的植酸磷隨排泄物排出進而污染環(huán)境，在動物飼養(yǎng)密度大的地區(qū)尤其嚴重。

表1 常用飼料原料的植酸磷含量%

近年來，畜禽飼料磷添加成本（資源有限）以及環(huán)境保護等問題越來越嚴峻，雖然對飼料植物種子進行發(fā)酵或發(fā)芽等處理能夠降解一定的植酸（Raboy等，2000）然而常見的方法是直接在畜禽飼糧中添加植酸酶。

目前市場上報道較多的植酸酶有兩大類，根據(jù)植酸酶水解作用最初位點的不同，分為3-植酸酶和6-植酸酶，前者最先水解的是肌醇3位號碳原子的磷酸根，而后者最先水解的是6號位碳原子上的磷酸根（Edward等，2000）。其中3-植酸酶由于性質(zhì)更穩(wěn)定，更耐酸和耐高溫，在畜禽生產(chǎn)中被廣泛使用。

根據(jù)植酸酶最適pH條件，可將其分為酸性植酸酶和堿性植酸酶。微生物來源的植酸酶最適pH大多為酸性區(qū)，最適pH 2.5～6.0，只有芽孢桿菌群來源的為堿性區(qū)（Oh等，2004）。因此，畜禽飼糧中植酸酶的添加，必須考慮不同來源的植酸酶在其特有的最適pH條件下所產(chǎn)生的生物效價。

2 植酸酶的作用原理

植酸酶將植酸分子上的磷酸基團逐個切除下來使植酸分解，完全分解1 g植酸產(chǎn)生28.61 mg的無機磷（張勝燕，2015）。不同來源的植酸酶切割植酸的起始位點不同，但最終產(chǎn)物都是肌醇和磷酸，而釋放出磷離子被畜禽有效利用。

植酸酶作用原理可用流程表示為：

植酸→D-1，2，4，5，6（1，2，3，4，5）-五磷酸肌醇→1，2，5，6-四磷酸肌醇→1，2，5-三磷酸肌醇或 1，2，6-三磷酸肌醇→1，2-二磷酸肌醇→2-磷酸肌醇→肌醇。

3 影響植酸酶作用效果的因素

3.1 植酸酶的活力、劑型、劑量 目前，市場上的植酸酶活力單位定義為，在溫度37℃、pH 5.5條件下，每分鐘從濃度為5.0 mml/L植酸鈉溶液中釋放1μmol無機磷，即為一個植酸酶活性單位（以FTU表示），酶活單位越高，其作用效果也就越好。研究發(fā)現(xiàn)在豬、肉仔雞飼糧中添加包被植酸酶對其生長性能、鈣磷利用率的作用效果好于未包被的植酸酶（董其國等，2010；趙春等，2007）。因此分析，可能是植酸酶經(jīng)過包被處理后，避免了畜禽胃液對植酸酶的降解而失活，而粉狀植酸酶制作工藝比較簡單，酶活穩(wěn)定性差，在配合飼料加工過程中活性易損失。張峻豪等（2015）研究表明在斷奶仔豬的飼糧中添加不同劑量的植酸酶，能夠顯著提高斷奶仔豬的生長性能，以最大添加量1000 FTU/kg的作用效果最好。孟婕等（2007）采用四個植酸酶添加水平（400 、500 、600 、750 FTU/kg）飼喂艾維茵肉雞得出，最適宜添加量為500FTU/kg?？梢姡菜崦傅奶砑恿颗c添加效果并不是簡單的線性關(guān)系，同時還受一些其他因素的影響。在一定的范圍和條件下，隨著植酸酶添加量的提高，畜禽的生產(chǎn)性能也隨著提高。

3.2 飼糧中維生素D3、鈣、磷水平以及鈣磷比維生素D3是畜禽重要的必需元素之一，其能通過腸壁增加磷的吸收，并通過腎小管增加磷的再吸收，所以畜禽飼糧中添加維生素D3能提高植酸酶的效果。植酸酶與維生素D3還具有協(xié)同作用（程茂基等，2000），這種作用使畜禽能更有效地利用植酸磷，同時添加植酸酶與維生素D3比單一酶的添加效果理想（唐亞東等，2011）。同時，畜禽飼糧中的鈣含量高，植酸酶的作用效果更好（Rutherfurd等，2014）。在低無機磷水平飼糧中添加植酸酶對斷奶仔豬骨骼鈣磷代謝的研究中發(fā)現(xiàn)，脛骨的鈣磷和灰分含量與無機磷的添加量呈線性相關(guān)（王德海等，2016）。郭文文等（2015）研究發(fā)現(xiàn)妊娠母豬養(yǎng)分表觀消化率與飼糧磷水平和鈣磷比相關(guān)，飼糧的鈣磷比為1.25∶1.00時，添加植酸酶可以替代1.27 g/kg飼糧中的磷。雖然畜禽飼糧中添加植酸酶可以減少無機磷酸鹽的使用，但是飼糧中不加無機磷酸鹽，全部用植酸酶代替無機磷，并不能達到畜禽常規(guī)的生產(chǎn)水平。

3.3 溫度、pH 植酸酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，溫度和pH都能影響其水解植酸鹽的效果（Edward等，2000）。畜禽的胃和腸道是植酸酶的作用場所，這就要求添加在畜禽飼糧中的植酸酶最適酶促反應(yīng)溫度在37℃左右，而飼料生產(chǎn)中的調(diào)質(zhì)和制粒過程，要求其溫度為75～80℃（Susmira等，2005），有時溫度高達90～95℃。因此，植酸酶產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性與植酸酶本身的熱穩(wěn)定性密切相關(guān)（Garrett等，2004）。但市場上熱穩(wěn)定性好的植酸酶的最適酶促反應(yīng)溫度偏高，具有最適酶促反應(yīng)溫度的植酸酶則熱穩(wěn)定性較差，所以目前的研究工作是尋找更耐高熱且符合最適酶促反應(yīng)溫度要求的優(yōu)質(zhì)植酸酶。目前研究最多的微生物植酸酶，其性質(zhì)因產(chǎn)酶菌種不同而存在差異，最適pH一般為2.5～6.0，有的菌株所產(chǎn)的酶具有兩個最適pH峰值，比較適合單胃畜禽的胃腸道環(huán)境。 比如：無花果曲霉的植酸酶，其最適pH分別為2.5和 5.5（Barry 等，2006）；分離自百合的植酸酶，其最適pH分別為7.3和8.3，其是迄今發(fā)現(xiàn)的極少數(shù)的堿性植酸酶之一（Sonali等，2005）。因此，在加工畜禽飼料時需要對植酸酶進行預(yù)處理，以此來保障植酸酶的活性。

3.4 飼糧類型 植酸酶作為飼料添加劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用到畜禽飼料中，不同的畜禽飼糧由于原料組成的差異，其應(yīng)用效果也有所不同（李偉偉等，2006）。植酸含量較高的飼糧中，植酸酶的添加量應(yīng)酌情提高（Cowieson等，2017）。植酸酶的應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在其對植物性飼料原料的作用。孫育平等（2005）在植酸酶對不同飼料原料中鈣和磷利用率的影響研究中發(fā)現(xiàn)，添加外源植酸酶對大麥和高粱中無機磷的釋放沒有明顯影響，但豆粕、花生粕和菜籽粕中鈣和磷的釋放量得到了明顯提高。隨著非常規(guī)飼料原料（棉籽粕、花生粕、高粱等）日益普遍的使用，在進行畜禽的飼糧配方設(shè)計時，應(yīng)注意畜禽飼糧配方的組成估算植酸的含量，確定植酸酶的添加量。

3.5 消化酶及有機酸 植酸酶通過降解植酸鹽提高了畜禽飼糧氨基酸的消化率 （Cowieson等，2006），而木聚糖酶通過降解木聚糖減少內(nèi)源氨基酸的損失，由此來提高氨基酸的表觀消化率，從這方面講二者具有互補效應(yīng)；另一方面，植酸酶與木聚糖還存在互作效應(yīng)，木聚糖酶可以促進植酸酶作用的發(fā)揮，提高植酸酶與其底物（植酸鹽）的接觸程度，有利于植酸酶對植酸鹽的作用；同時木聚糖酶還可降低畜禽腸道消化物黏稠度，促進營養(yǎng)物和磷的吸收（Yánez等，2011）。研究表明大多數(shù)微生物植酸酶在pH為2.5和5.5時的活性最高，這種條件下畜禽飼糧中添加有機酸有利于植酸酶水解植酸。因此，飼糧中添加有機酸可以提高植酸酶的作用效果。Valencia等（2002）研究發(fā)現(xiàn)，植酸酶和醋酸對斷奶仔豬礦物質(zhì)的利用效率具有加性效應(yīng)。陳冬梅 （2003）報道，檸檬酸能加強植酸酶的作用，二者混合使用存在協(xié)同作用。另外，檸檬酸會與鈣螯合，使鈣從植酸鹽分子中釋放出來，從而使其結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，更容易被植酸酶水解。因此，在畜禽飼糧中添加消化酶或有機酸時，必須考慮好消化酶與植酸酶相匹配的底物，有機酸的pH及螯合能力等，否則就起不到較好的添加作用。

4 植酸酶在畜禽日糧中應(yīng)用研究的進展

4.1 植酸分解中間產(chǎn)物 近年來，植酸酶降解產(chǎn)物低磷酸肌醇和肌醇在畜禽體內(nèi)的生理功能成為研究者關(guān)注的焦點，低磷酸肌醇在畜禽細胞中的跨膜信號傳導(dǎo)作用及從胞內(nèi)動員鈣離子的過程中扮演重要角色（George等，2016）。研究表明，植酸的降解產(chǎn)物 1，2，3-三磷酸肌醇、1，2，6-三磷酸肌醇和1，3，4-三磷酸肌醇等幾種異構(gòu)體具有廣泛的生理功能（Berridge，2016）。三磷酸肌醇螯合鈣鎂離子的能力比植酸弱很多，但螯合過渡金屬離子的能力卻較強，因此它不會造成畜禽體內(nèi)鈣的損失，卻能消除動物體內(nèi)過多的鋁、鎘等金屬離子和自由基（Lawrence等，2014）；三磷酸肌醇還具有抗血小板凝聚和廣泛的消炎作用，因而可應(yīng)用于畜禽疾病的預(yù)防和治療。人工合成這些磷酸肌醇是很困難的，因此利用植酸酶生產(chǎn)不同的磷酸肌醇，可以大大降低生產(chǎn)成本。除此以外，肌醇是合成很多生物分子的前體。肌醇是畜禽維持正常生理功能不可缺少的低分子有機物（Tang等，2010），參與畜禽體內(nèi)的新陳代謝活動，能合成肌醇磷脂、膜磷脂等前體物質(zhì)，為畜禽生長代謝所必需。

4.2 超量添加 隨著對植酸酶研究的深入，發(fā)現(xiàn)畜禽飼糧植酸酶的添加量還遠遠達不到其應(yīng)有的功效，超量添加植酸酶可以分解超過90%的植酸，當磷酸基團被完全釋放后，剩下的肌醇，不僅沒有抗營養(yǎng)作用，反而會促進畜禽能量代謝和機體細胞功能的完善（喬偉，2016）。 Zeller等（2015）研究報道顯示，低磷日糧植酸酶添加量由500 IU/kg提高到12500 IU/kg時，21日齡肉雞植酸磷降解由67%提高到92%，腸道磷吸收率由31%提高到52%，體增重、脛骨強度及其礦物質(zhì)化均有提高。陳冠華等（2017）研究發(fā)現(xiàn)在含25-羥基維生素D3飼糧中添加10000 IU/kg的高劑量植酸酶與飼糧中添加1000 IU/kg植酸酶相比，肉雞生產(chǎn)性能、鈣磷沉積率等顯著提高。超量添加植酸酶還可以解除飼料應(yīng)用中植酸外源淀粉酶的抑制，在低磷水平的飼糧中超量添加植酸酶還會產(chǎn)生更優(yōu)的效果，其原因可能是：植酸酶催化植酸降解為肌醇和磷酸是一個具有反饋抑制的可逆化學反應(yīng) （胡甜甜等，2017）。當動物日糧中其他原料所提供的磷元素過多時，會抑制植酸酶所催化的正反應(yīng)進行，從而達不到植酸酶理想的降解效果。因此，畜禽飼糧中添加植酸酶還需考慮飼糧中磷的來源和含量，采取超量添加植酸酶，能否達到理想效果還有待進一步的探討和研究。

4.3 轉(zhuǎn)基因 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，植酸酶的研究也已進入分子水平，轉(zhuǎn)基因動植物作為植酸酶的表達系統(tǒng)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景（丁強等，2010）。孫悅等（2016）在獲得唾液腺特異表達植酸酶轉(zhuǎn)基因豬的研究中發(fā)現(xiàn)，原代植酸酶基因豬的糞磷排放量顯著降低16%，可以有效減少糞磷排放對環(huán)境造成的污染。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)使作物表達植酸酶基因，不僅可以直接表達足夠的植酸酶來替代在畜禽飼料中添加額外的植酸酶，同時在作物根部表達的植酸酶還可以對土壤進行改良（趙康等，2014）；而且也可以作為生物反應(yīng)器來生產(chǎn)商品植酸酶，能規(guī)模化廉價生產(chǎn)，具有商業(yè)化種植前景。有研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米在蛋雞低磷日糧中的使用可顯著改善蛋雞的產(chǎn)蛋性能和蛋品質(zhì)，并顯著提高蛋雞各腸段中的植酸酶活性和植酸磷的降解率，改善蛋雞骨骼質(zhì)量（王修啟等，2014）。另一方面培育低植酸作物已成為當前的研究熱點，當把低植酸作為育種目標時，作物種子植酸含量降低可能會給作物帶來不利影響 （張倩雯等，2016），如何消除這些不利影響是未來亟需解決的問題。

5 小結(jié)

中國是農(nóng)業(yè)大國，利用植酸酶降解米糠等農(nóng)副產(chǎn)品中的植酸（朱春鳳等，2010），生產(chǎn)肌醇磷酸鹽或肌醇等產(chǎn)品，必然會大大降低生產(chǎn)成本；同時，植酸酶在用于改良土壤，開發(fā)植酸酶菌肥等方面均有較好效果。根據(jù)畜禽磷消化代謝特點及其影響磷利用的因素，開發(fā)和研制適合于不同畜禽的植酸酶產(chǎn)品以及加強植酸酶應(yīng)用效果快速評估技術(shù)體系的研究等將是今后的研究發(fā)展方向?？梢灶A(yù)見植酸酶必將有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景，而植酸酶在畜禽飼料中的應(yīng)用也進入了新的發(fā)展時期。