植酸酶的来源与应用1

植酸酶的来源与应用

1 植酸酶的来源

1. 1 植物来源的植酸酶植酸酶最早是在植物中发现的,早期的研究都集中在植物和动物器官中。尽管植酸酶存在于多种植物的种子和花粉中,其活性却因植物的种类不同而有很大差别, 如在豆类、谷类和油料作物中,植酸酶的活力一般都较低。许多谷物饲料中含有一定数量的植酸酶,如小麦来源的植酸酶可以使含小麦日粮中的植酸磷降解,但它们的酶活性变异很大。在机械制粒过程中小麦的植酸酶活性并未被破坏。在含豆科籽实的日粮中,鸡可以产生利用植酸的适应性,肉鸡降解植酸磷的能力受日粮钙[3]和磷[4]水平的影响,但玉米、高粱和油籽饼中的植酸酶活性很低[5] 。Viveros 等[6] 测定了24 种饲料的植酸酶活性,发现黑麦籽实的酶活性在所有谷物籽实中最高,其活性超过5 000 U/ kg ,黑小麦2 030 U/ kg ,小麦1 500 U/ kg ,而玉米胚、燕麦和高粱籽实几乎无植酸酶活性(小于100 U/ kg) 。此外,来源于植物的植酸酶多属于62植酸酶, 最适pH 值在5. 0～7. 5 , 不适合在单胃动物的酸性胃中起作用, 而且植酸酶在植物中含量较低,因而从应用角度出发,自20 世纪60 年代末植酸酶的研究转向最适pH值为酸性、酶含量较高的微生物来源的植酸酶。

1. 2 动物来源的植酸酶动物植酸酶存在于哺乳动物的红血球和血浆原生质中。比起植物和微生物植酸酶, 动物植酸酶方面的研究非常少,Patwardhan[7]首先证实小白鼠有从植酸磷释放磷的能力,从此,大量研究证实不同动物的小肠黏

膜具有植酸酶活性[8] 。植酸酶活性存在于小肠黏膜的刷状缘,十二指肠的酶活性最高。尽管在小鼠、鸡和牛的肠粘膜上植酸酶降解植酸盐的活性已得到证实,已测定了人体部分组织中植酸酶的活性,但仍不了解植酸酶在人胃和小肠中降解植酸盐的活性如何。有学者认为哺乳动物小肠中的植酸酶与碱性磷酸酶相同,因为碱性磷酸酶确实有水解植酸磷的作用,而且两种酶有类似的亚细胞分布,它们对镁、锌的依赖性以及最适pH 值也类似,两种酶的活性都受日粮因素如维生素D 或低磷水平的修饰。但是其他的一些证据又支持两种酶是不同的酶,如酶的底物依赖性不同,被苯丙氨酸和氟化钠的抑制特性不同。还有一个值得探讨的问题就是动物来源的酶是否是动物体内的微生物产生的。动物来源的植酸酶活性受动物的遗传特性和日粮营养因素的影响,如小白鼠的酶活性比兔的高[9] 。小白鼠成年后的酶活性比幼鼠的低,相反,猪和鸡则随年龄的

增加,酶活性也增加[10] 。以前认为,单胃动物如猪和家禽体内产生的植酸酶很少,因此饲粮中大多数植酸磷不能被消化,最终随排泄物排出体外。但是,后来的研究发现,鸡采食不添加非植酸磷和动物性磷的低磷日粮时,肠道植酸酶活性比添加无机磷的对照组高3倍[11] ,故有人认为肠道酶活性的表达受调节机制控制,且对维持磷的营养状态十分重要[12] 。但一般而言, 动物植酸酶含量较少且活性低,多胃动物有瘤胃微生物的植酸酶,可利用植酸盐,单胃动物则难以利用植酸盐。

1. 3 微生物来源的植酸酶1968 年Shien 等从68 个土样中对2 000 个菌株进行考察发现,在所得到的22 株黑曲霉中有21 株能产生植酸酶,确定第1 个被分离纯化的植酸酶来源于土曲霉。从此以后,陆续从十几种微生物中分离得到植酸

酶,目前已知微生物植酸酶是32磷酸酶,属于组氨酸酸性磷酸酶,是一种糖基化蛋白,分子量约45～60 kD。20 世纪90年代以来,随着生物技术和发酵工程的发展,采用DNA 重组技术使植酸酶的活性得到了大幅度提高,为植酸酶的进一步应用提供了基础。微生物植酸酶活性最强的是真菌,特别是Aspergilli 属的真菌。A ficuum(也称为A niger) 生产一种高活性的32植酸酶,它水解植酸磷的最终产物是肌醇212磷酸,对这种酶的研究也最彻底,已经弄清楚了该酶的生理生化特性、氮末端序列[13]及其蛋白质一级结构和活性位点,目前生产的商用植酸酶大多数是由A ficuum 生产的。酵母也是一种可能生产植酸酶的菌种,从21 种酵母菌中筛选,发现部分具有植酸酶活性,即它们可以在植酸磷的钠盐作为唯一磷源的培养基中生长,其中Schuuznniomyces castellii 酶活性最高,由它产生的酶已被提纯并进行特性研究,这种酶具有较广泛的底物特异性,而植酸磷是它最偏爱的底物,而且它的适宜温度比其他微生物来源的植酸酶高。细菌来源的植酸酶研究相对较少,但如Bacillus ,Subtius ,Klebsiella 等细菌也具有植酸酶活性,12 种乳酸菌中有4 种具有水解植酸磷的能力。

2 植酸酶应用现状

2. 1 植酸酶在饲料中的应用

2. 1. 1 能使饲料中植物有机磷得到有效利用。在饲料中采用植酸酶替代无机磷的研究报道很多,龚利敏等[14] ,高峰等[15]都证实了在不同饲料中添加300～550 U/ kg 水平的植酸酶可使植酸磷的利用率提高,生产性能显著优于对照组;与磷代谢有关的指标如血清中磷的含量、胫骨磷的含量、灰分中磷的含量均明显高于不加植酸酶的对照组,并且胫骨抗剪切力强度及应激能力有明显提高。

2. 1. 2 减轻江河、水域等环境污染。我国江河、水域污染极为严重,而造成污染的关键是水体中的氮和磷过量,每年从畜禽粪便中排出的磷就达250 万t 之多,是水体富营养化的罪魁祸首之一。大量试验研究表明,日粮添加植酸酶可使粪中磷的排出量减少50 %左右,而通过外源磷的添加或提高饲料转化率的方法只能降低10 %磷的排泄,吴东[16]等采用AA肉雏鸡分5 个处理进行试验证明,在总磷、有效磷水平一致的情况下,随着日粮中植酸磷水平的递增,磷的排泄量递减。如此,我国每年磷排放量可因此减少约180 万t , 将大大缓解水体的磷污染。

2. 1. 3 能提高动物生产性能。周岩明等[17] ,姚茂忠等[18]均证明,在单胃动物和禽类日粮中添加植酸酶可明显提高动物生产性能。边连全试验生长猪对普通玉米、豆粕、麦麸中磷的表观消化率分别为20. 14 %、31. 42 %、49. 83 %;DDGS(玉米干酒糟及其可溶物) 、玉米胚芽粕、米糠中磷的表观消化率分别为54. 64 %、26. 75 %、10. 85 %;小麦、稻谷、高粱中磷的表观消化率分别为50. 00 %、32. 42 %、16. 51 %;在添加500 FTU/ kg微生物植酸酶的条件下,小麦、稻谷、高粱中磷的表观消化率分别为77. 64 %、74. 26 %、64. 38 %,表观消化率分别提高了27. 64 %、41. 84 %、47. 87 %。

2. 1. 4 能提高钙、镁、锌、锰、铜和铁的生物利用率。其中对钙、锌、锰、铜特别明显,并且促进了动物矿物质营养的平衡,特别是钙、磷平衡和铜平衡,进而导致动物组织结构的改善。如:使肉仔鸡血清微量元素铁、铜和锌等的浓度提高;提高鸡的骨骼质量,其胫骨灰分含量、磷含量、胫骨折断力和骨密度有显著提高;鸡的掌骨末端肥大区减少,增生区增加,软骨组织增加,并可促进软骨和骨细胞有序化。

2. 1. 5 促进动物对蛋白质、氨基酸及碳水化合物的消化吸收。有报道表明,添加植酸酶后,能使多种氨基酸消化率显著提高,这说明植酸和蛋白质键被植酸酶打开,并降低了植酸的水平,从而减轻了植酸对胃蛋白酶和胰蛋白酶等消化酶的影响。

2. 2 植酸酶在食品中的应用Sandberg[19]等研究食物中的植酸酶在消化道内降解植酸盐的作用,当在特定食谱中加入失去植酸酶活性的麦麸,平均有95 %的植酸不被降解,而加入没有经过处理的麦麸时,仅有40 %的植酸不被降解。各项消化生理参数如:pH 值、食物颗粒大小、胃肠液的分泌等与人体类似进行试验,在往菜籽粉中加入植酸酶,渗析液中游离磷的含量增加了37 %[20] 。Sandberg[21] 等模仿条件研究了植酸酶对铁利用率的影响,证明植酸酶的降解可提高铁的利用率。植酸对锌的利用率影响很大,锌在小肠前端与植酸形成不溶性鳌合物,降低了

锌的利用率。对人来说,脱植酸处理的大豆分离蛋白可以使进入到红细胞中铁的含量增加1倍,锰含量吸收增加2. 3 倍[22] 。由于豆类食品中的植酸和蛋白质相互作用,从而降低豆类食品中蛋白质的利用率。大豆中含植酸1. 0～2. 3 g ,使用黑曲霉产生的处理植酸时,在温度37℃,处理1 h 可降解50 %,处理24 h 可降解85 %。Know 等往面团中添加植酸酶,结果植酸几乎完全被降解,人的小肠中,植酸酶的活性极低,难以利用植酸盐,在面团中加入同位素铁,通过测定人血液红细胞中的铁含量来检测植酸酶对铁吸收的影响,发现在面团中加入黑曲霉植酸酶,铁的吸收率从14. 3 %提高到26. 1 %[23] 。植酸酶添加于食品和饲料中,可消除植酸所引起的抗营养作用,提高机体对蛋白质及多种微量元素的利用率,降低磷含量,从而减少环境中磷污染,有利于保护生态环境。植酸酶特异性水解植酸的作用,有着广泛的应用价值。植酸酶在猪、家禽和鱼饲料方面已有广泛地应用研究,相比之下,有关植酸酶在食品中的应用,只有为数不多的研究或报道。在国内,植酸酶主要用作饲料添加剂, 而国外己开始试用食品级植酸酶处理粮食,同时也开展了用植酸酶制备医药的研究。