植酸酶及其生产应用

植酸酶及其生产应用

植酸即肌醇六磷酸，作为磷酸的储存库，广泛存在于植物中。植物组织中的磷主要是以肌醇六磷酸钠的形式存在，难以被单胃动物吸收。而且，肌醇六磷酸分子可以螯合金属离子，其作用相当于抗营养因子，抑制了营养的吸收。没有被充分的利用磷，通过动物排泄进入水体最终导致水体富营养化。

植酸酶是水解植酸及其盐类生成肌醇和磷酸的一类酶的总称，破坏了植酸对矿物元素强烈的亲和力。因而，在动物饲料中添加微生物植酸酶正在逐渐被推广和应用，可以解决磷的利用问题。

一、植酸酶及其分类

植酸酶是对可水解植酸磷释放磷酸基团形成肌醇衍生物的一类酶的总称，属于磷酸单酯水解酶。

广义植酸酶包括三种类型：肌醇六磷酸-3-磷酸水解酶（3-植酸酶），肌醇六磷酸-6-磷酸水解酶（6-植酸酶）及非特异性的正磷酸酯磷酸水解酶（酸性磷酸酶），该类酶可将肌醇磷酸脂彻底分解成肌醇和磷酸。

根据植酸酶结构上的差异将植酸酶分为组氨酸酸性磷酸酶、β-螺旋植酸酶和紫色酸性磷酸酶。同时植酸酶还可根据酶的最适pH可分为酸性植酸酶、中性植酸酶、碱性植酸酶。

二、植酸酶来源

植酸酶是一种胞外酶，广泛存在于自然界中，在动物、植物、微生物中均有发现。在植物组织如谷物、豆类、蔬菜,特别是萌发的种子和花粉中都发现了植酸酶。此外，自然界中产植酸酶的微生物种类繁多,如细菌、霉菌、真菌等。

1．植物源植酸酶

1907年，Suzuki等在米糠内首次发现具有植酸酶活性的磷酸酶。到目前为止，已经从小麦、大豆、玉米、水稻分离纯化得到植酸酶。

研究表明，当温度在47~62℃时植物源植酸酶酶活较稳定，但当温度达到70℃以上，酶活几乎完全丧失。而在饲料的加工过程中制粒温度高（80~90℃），显然植物源植酸酶不适合应用到饲料添加剂中。

2．动物源植酸酶

动物源植酸酶主要存在于哺乳动物的小肠和脊椎动物的红细胞中，其活性一般较低。

研究表明，鼠、牛、鸡、人肠道黏膜中的植酸酶最适pH分别为7.0、8.2~8.4、7.5~7.8、7.4，且体内或体外条件对动物源植酸酶活性影响较大，可能和碱性磷酸酶是属于同种酶，但对该酶亚基结构了解甚少。

3．微生物源植酸酶

目前，陆续发现各种产植酸酶的微生物，如枯草芽胞杆菌、假单孢杆菌、大肠杆菌、乳酸杆菌、克雷伯氏菌、黑曲霉、米曲霉、根霉、酵母等。不同菌种产植酸酶能力不同，研究表明，在土样产植酸酶的菌株中，真菌代谢磷的能力比细菌更高效。由于来源于微生物的植酸酶作用范围广，且微生物源植酸酶较适用于胃pH呈酸性的单胃动物及一些鱼类等，稳定性好，易规模化生产，使其成为研究的集中点。以下主要讨论关于微生物源植酸酶的生产及分离纯化技术。

三、植酸酶的应用

植酸酶作为一种新型饲料添加剂，在动物营养及环境保护等领域具有很大的应用潜力。植酸酶最主要的应用是作为饲料添加剂提高磷的利用率，减少环境中磷的排放。当前，植酸酶正被大量运用到不同的生物技术领域。

中国植酸酶产业在饲料添加剂领域的发展日渐成熟，在科研、创新和应用等方面也形成了较完整的体系，已经发展成为最为完善的饲用酶制剂产业。

1．饲料工业中的应用

植酸酶一般只适于在单胃动物中使用。反刍动物由于瘤胃微生物能合成植酸酶，因此在饲料中一般不需要使用植酸酶。植酸酶作为饲料添加剂已经广泛应用到猪、家禽、鱼饲料中，多数研究中发现，植酸酶可以释放磷酸盐中的磷。同时因其可提高不同营养物质的利用度，不同来源的植酸酶常被单独或混合使用在饲料工业领域中。饲用植酸酶已经成为工业酶产业中增长势头最快的一类且正呈逐年上升之势。

Simons等的研究已经表明在玉米、豆粕日粮中添加植酸酶，可使磷的利用率提升60％，粪便中磷的排出量减少了50%。值得注意的是，2009年由中国农业科学院生物技术研究所培育的转植酸酶基因玉米获得生产应用的安全证书，是世界第一例获得生产应用许可的转植酸酶基因玉米。该转植酸酶基因玉米加工成饲料后仍然保留了大部分植酸酶活性，可分解饲料中的植酸，不但可释放出无机磷，还可减少饲料中磷酸氢钙的添加量，减少动物排泄物中磷的排放。

2．食品工业中的应用

在人类食品中添加植酸酶，市场上还没有相关的食品开发报道。谷物中存在的植酸可抑制很多矿物的吸收，在人的小肠里植酸酶活性非常低，难以利用食物中的植酸盐。此外，虽然人的小肠黏膜中具有植酸酶和碱性磷酸酶，但在植酸盐的降解中却不起作用，所以食物中的植酸酶在水解植酸盐过程中扮演重要角色。体外模仿生理条件的实验表明，植酸酶通过对植酸的水解可使铁的利用率提高67％~98％。此外，植酸对锌的利用率也有影响。在体内，锌离子和植酸形成螯合物，降低了其利用率。谷物食粮中植酸存在是造成人体缺锌的因素之一。因而在食品中添加植酸酶可有效增强它们的营养价值。

3．作为土壤改良剂

对农作物而言，磷是一种基本营养元素，土壤中30%~80%的磷是以有机磷的形式存在，有机磷中植酸磷占了约50%，能被植物利用的非常少。很多植物可以产胞外植酸酶，如烟草、番茄、苜蓿等，可降解周围土壤中的植酸盐以供生长所需。在植物生长环境中加入可产生植酸酶的菌种或者添加植酸酶可增强植物对植酸磷的利用。植酸酶菌株可高效水解土壤中的植酸磷，促进了土壤中的稳定有机磷向活性有机磷转化。候文通等研究了转植酸酶（phyA2）基因玉米根系分泌的植酸酶对土壤磷素的有效性和作物磷积累量的影响。实验表明，三种转基因玉米根系植酸酶活性远高于阴性对照，可显著提高根际土壤磷酸酶活性从而增加了植株对根际土壤有机磷的利用。

4．促进植物生长中的应用

研究表明，施加不同量的植酸酶后，其增加了黄瓜苗的株高、玉米苗的株高及茼蒿的叶绿素含量，三种植物幼苗的生长状况与植酸酶用量呈正相关。其中四株玉米苗处理组的株高比对照组分别增加22.50%、66.27%、27.15%、74.87%（P<0.05），处理组的黄瓜苗株高比对照组增加30.43%，6株茼蒿中的叶绿素含量比对照组分别增加17.43%、38.98%、46.26%、58.58%、78.35%、99.04%。

5．其他应用领域

低磷酸肌醇在植物和动物细胞的跨膜信号传导及从胞内动员钙离子的过程中扮演重要角色。与化学合成相比，植酸酶在合成磷酸肌醇方面非常高效，并且专一性高、成本低，因而可应用于磷酸肌醇的生物合成中。磷酸肌醇及其同分异构体在预防糖尿病的并发症、抗炎症方面展示了很好的药理特性，它还可通过控制高胆固醇和动脉粥样硬化改善心脏病的发病症状。

磷作为地球物质循环不可或缺的元素，如果不加以合理的利用和开发，势必对食品和水资源安全产生威胁。而随着磷酸盐全球需求的增长，植酸酶的应用将进一步扩大。植酸酶作为环境友好型的制剂在减少磷的使用量中具有重要意义。传统的植酸酶生产和纯化方法有很多缺点，因而需要谋求不同的策略来发展高效的植酸酶生产工艺。

例如，自动化图像分析技术对真菌形态学的研究将有助于提升植酸酶的产率、研发新的快速经济的酶分离纯化方法、提升现有工艺水平。固定化技术在植酸酶储存和使用的过程中保持酶活性仍然是很值得关注的问题。此外，应用基因工程和蛋白质工程的方法对植酸酶进行改造，也是植物酶研究中的重要方向。可以预见，随着科技的不断发展，植酸酶工业将展现突飞猛进的增长势头。

四、植酸酶分离纯化技术

1．预处理和浓缩

对于胞外酶，发酵液经离心过滤，上清液进行硫酸铵分级沉淀或超滤等法进行浓缩；胞内酶需要破碎细胞后分离，使用醇、丙酮沉淀，硫酸铵沉淀浓缩法。很多研究者通过硫酸铵沉淀法分离植酸酶，收率分别达到16.8%、50%、78%。盐析、有机溶剂沉淀、超滤等方法都已经成功用于植物、细菌和真菌植酸酶的前期分离纯化中。

2．层析纯化

层析技术具有分离步骤少、专一性强、活力损失小的优点，是植酸酶分离纯化的主要技术。研究表明，DEAE琼脂糖离子交换层析是植酸酶分离纯化中最重要的步骤，该步收率达70.5%，酶纯化1.9倍。而凝胶过滤层析作为纯化的最后一步，最终可使酶纯化4倍，收率为57.7%。

3．植酸酶的固定化

固定化植酸酶能够提高酶的稳定性和活性，解决饲料添加中酶活性降低和稳定性不足的问题。研究表明，植酸酶固定化最佳条件为戊二醛浓度4%、加酶量65U/g、交联时间5h，酶活力达到1 665U/ml。