植酸酶超量添加理論和應(yīng)用效果

■ 喬 偉

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，北京100081；2.北京盛拓達(dá)生物技術(shù)有限公司，北京100085）

植酸酶是飼料行業(yè)使用的第一個(gè)酶，也是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛最成功的酶，從20世紀(jì)90年代初至今，已經(jīng)在80%的飼料中，幾乎被當(dāng)作常規(guī)原料來(lái)添加。日糧中添加植酸酶，除了能節(jié)約鈣磷資源，降低磷排放對(duì)環(huán)境的污染，還能提高蛋白質(zhì)、氨基酸、能量、礦物質(zhì)的利用率。20多年前的添加方式是5 000單位植酸酶大約添加100 g/t，而現(xiàn)在這一方式仍被廣泛采用。但最近幾年來(lái)的研究和實(shí)際生產(chǎn)效果表明，超量添加（4倍甚至更多倍）植酸酶，具有額外的效應(yīng)。文章綜述了植酸酶的超量添加的理論和實(shí)際應(yīng)用效果。

1 植酸的抗?fàn)I養(yǎng)作用

植酸，肌醇六磷酸，在植物源性飼料中普遍存在，是種子的必要組成成分，種子在成熟期會(huì)迅速積累。植酸是種子休眠發(fā)芽重要的養(yǎng)分之一，為種子萌發(fā)提供磷源。植酸有六個(gè)磷酸基團(tuán)，其中的氧原子能提供大量空軌道，而鈣、鎂、鐵、鋅、銅、錳等礦物元素帶孤對(duì)電子，孤對(duì)電子能與空軌道緊密結(jié)合，因此植酸對(duì)礦物元素具有很強(qiáng)的螯合力（見圖1）。同時(shí)，植酸也對(duì)日糧中的蛋白質(zhì)、氨基酸、淀粉和脂肪的消化吸收有負(fù)面作用。在酸性條件下，植酸能夠抑制胃腸道內(nèi)的胃蛋白酶的活性，能夠與蛋白質(zhì)、氨基酸、淀粉結(jié)合，降低養(yǎng)分的吸收和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。植酸可以直接與淀粉結(jié)合成復(fù)合物，或者間接與蛋白質(zhì)和淀粉結(jié)合成植酸-蛋白質(zhì)-淀粉復(fù)合物（Rickard等，1997），從而通過抑制α-淀粉酶的活性，降低淀粉的利用率（Gracia等，2003）。此外，日糧中高水平鈣易與植酸結(jié)合成鈣-植酸鹽，進(jìn)而與脂肪形成難溶解的金屬皂，限制脂肪的利用，特別是對(duì)飽和脂肪酸的利用（Leeson，1993；Ravinran等，2000）。

圖1 植酸的抗?fàn)I養(yǎng)作用

在酸性條件下，尤其是在胃中pH值2.5左右時(shí)，植酸的抗?fàn)I養(yǎng)作用最強(qiáng)，能與鈣、鋅、銅、鈷、錳、鐵和鎂等金屬離子形成復(fù)合物；在小腸和中性pH值條件下，此類復(fù)合物以沉淀的形式存在，導(dǎo)致鈣和微量元素等難以被小腸吸收。礦物元素與植酸的螯合能力由強(qiáng)到弱的順序：Zn2+＞Co2+＞Mn2+＞Fe2+＞Ca2+，鋅是最容易與植酸結(jié)合的微量元素。

2 飼料原料中的植酸含量

常見飼料原料數(shù)據(jù)庫(kù)中只列出了總磷和植酸磷的含量，而沒有列出植酸的含量，更沒有列出原料中植酸的摩爾數(shù)量。植酸分子量660，含磷28.2%，因此可以從植酸磷的含量反推計(jì)算植酸的含量，100/28.2=3.55，即植酸含量為磷含量的3.55倍，每噸飼料中植酸摩爾數(shù)=植酸含量×10×1 000/660。通過計(jì)算，常見飼料原料中植酸含量和摩爾數(shù)見表1。植酸（肌醇六磷酸IP6）為6元環(huán)，每個(gè)環(huán)可以結(jié)合一個(gè)礦物元素，因此1摩爾植酸可以結(jié)合6摩爾礦物元素。常見玉米-豆粕型配方中植酸摩爾數(shù)為15 mol左右，因此可以大約結(jié)合90 mol的礦物元素。而通常添加的無(wú)機(jī)微量元素的量?jī)H1 mol左右（如鐵、錳、鋅，約100 mg/kg左右，常規(guī)銅的添加量更低，遠(yuǎn)不足1 mol），因礦物元素的吸收率很低，而添加有機(jī)形式的微量元素，可以在一定程度上減少植酸的螯合，提高吸收利用率。但這并沒有從根本上解決微量元素吸收率低的問題，糞便中排泄的微量元素量仍然高。

表1 常見飼料原料中磷和植酸含量及摩爾數(shù)

3 植酸酶超量添加的效應(yīng)

植酸酶5 000單位添加100 g，相當(dāng)于飼料中500 FTU/kg或500 U/kg的添加量，是20多年來(lái)一直使用的標(biāo)準(zhǔn)方法。隨著植酸酶菌種的改良，使用成本降低，不少研究和試驗(yàn)都嘗試加大植酸酶的使用量，并得到了良好的效果。Shirly等（2003）在1～16日齡肉雞玉米-豆粕日糧里(TP 0.46%、NPP 0.272%)添加高水平12 000 FTU/kg(24倍)植酸酶，結(jié)果表明：不僅增加了植酸磷降解率，而且磷的存留率、體增重、采食量、飼料轉(zhuǎn)化效率、氮的沉積、表觀代謝能、鈣的存留量都顯著增加，結(jié)論是高水平的植酸酶幾乎能降解日糧中所有的植酸磷。韓進(jìn)誠(chéng)等（2008）在1～21日齡肉雞日糧（TP 0.45%、NPP 0.21%）添加 8 000 FTU/kg(16倍)植酸酶時(shí)，肉雞生長(zhǎng)性能達(dá)到對(duì)照組（TP 0.69%、NPP 0.45%）水平；植酸磷釋放率達(dá)到94.84%；總磷的利用率達(dá)到85%。孫宏選（2011）研究表明，在肉雞日糧中添加8 000 FTU/kg植酸酶，可顯著提高AME和粗蛋白、氨基酸、鈣、磷的消化利用率，堿性磷酸酶的活性顯著降低，有利于脛骨發(fā)育和鈣磷代謝，對(duì)免疫器官指數(shù)有積極作用，生長(zhǎng)性能顯著增加，飼料轉(zhuǎn)化效率最高。Zeng等（2014、2015）在保育豬和生長(zhǎng)豬上的研究均表明，添加20 000單位/kg(40倍)的植酸酶，顯著提高養(yǎng)分消化利用率，平衡機(jī)體鈣磷和微量元素平衡，顯著提高組織和骨骼中鐵、銅、錳、鋅的沉積，顯著提高動(dòng)物生長(zhǎng)性能。也有研究表明，在肉雞飼料中4 000 U/kg（8倍）植酸酶，能顯著提高生產(chǎn)性能，添加效果顯著高于1 000 U/kg（2倍）水平（Taheri等，2015）。

4 植酸酶超量效應(yīng)的原理

植酸的抗?fàn)I養(yǎng)作用相當(dāng)明顯，其最強(qiáng)的抗?fàn)I養(yǎng)作用是在酸性條件下產(chǎn)生的，而植酸酶的添加，可以在一定程度降解植酸、釋放磷，植酸酶降解的植酸越多，其作用效果越明顯。植酸有6種形態(tài)，從肌醇六磷酸到肌醇一磷酸分別表示為IP6、IP5、IP4、IP3、IP2、IP1，其中包含6個(gè)磷酸基團(tuán)的IP6的抗?fàn)I養(yǎng)作用最強(qiáng)，可以結(jié)合6 mol礦物元素，對(duì)蛋白質(zhì)、氨基酸和淀粉的結(jié)合力也最大，隨著磷酸基團(tuán)的減少，其抗?fàn)I養(yǎng)作用減弱（見圖2）。而當(dāng)磷酸基團(tuán)被完全釋放后，剩下的肌醇，不僅沒有抗?fàn)I養(yǎng)作用，反而會(huì)促進(jìn)能量代謝和機(jī)體細(xì)胞功能的完善。

圖2 不同磷酸基團(tuán)植酸的抗?fàn)I養(yǎng)作用

Michael（2014）報(bào)道，肉雞日糧中單獨(dú)添加肌醇3 g/kg，可以達(dá)到提高生產(chǎn)性能，降低料肉比的作用，此作用與添加3倍植酸酶(1 500 U/kg)的效果相當(dāng)。Walk等（2015）研究表明，添加3倍植酸酶可以更多的釋放肌醇，提高肌胃中肌醇含量，增加脛骨灰分，提高生產(chǎn)性能。Stein(2015)報(bào)道，在斷奶仔豬日糧中添加1、2、4、6、8倍植酸酶，4倍以下時(shí)，效果隨添加量的增加而增加，4倍和6、8倍的效果相當(dāng)，因此建議日糧中添加4倍植酸酶。

通常添加的植酸酶500 U/kg，只是將IP6降解成IP5或IP4，釋放出了一定的磷，可以提高磷的利用率，減少飼料中磷的添加。但此時(shí)含磷酸基因少的植酸如IP4、IP3等對(duì)礦物元素和蛋白質(zhì)、淀粉等養(yǎng)分的抗?fàn)I養(yǎng)作用雖然減弱，但仍然存在，植酸的抗?fàn)I養(yǎng)作用沒有完全消除。超量植酸酶的添加，可以在最大程度上降解飼料原料中的植酸，并得到肌醇，消除植酸對(duì)微量元素、蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪等養(yǎng)分的抗?fàn)I養(yǎng)作用，促進(jìn)機(jī)體微量元素吸收和沉積，促進(jìn)體內(nèi)各種酶活性的發(fā)揮，提高養(yǎng)分消化利用，從而提高生產(chǎn)性能。

5 新型植酸酶的研發(fā)

植酸酶應(yīng)用于飼料工業(yè)，其抗逆性，尤其是耐熱性和活胃性相當(dāng)重要。植酸酶的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛證實(shí)，但目前市面上的植酸酶不同廠家差異巨大。梁作理等（2015）收集了國(guó)內(nèi)市面上11個(gè)廠家的植酸酶，并進(jìn)行了評(píng)估，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)pH值5.5、37℃測(cè)定酶活，不同廠家酶活相同。但在低pH值的情況下測(cè)定時(shí)，不同廠家差異巨大，僅有2個(gè)廠家酶活僅50%左右，多數(shù)廠家在pH值2.5處理2 h后幾乎沒有活力（見圖3）。而植酸最大的抗?fàn)I養(yǎng)作用是在胃酸性條件下產(chǎn)生。如果植酸酶在胃中沒有活力則不能將植酸在胃中降解，此種情況添加大量植酸酶也沒有明顯效果；胃中植酸酶的活力不足，不具備活胃性，則不能有效地降解植酸，需要加大植酸酶用量以保證對(duì)底物植酸的降解。

圖3 不同pH值處理對(duì)植酸酶活力的影響(梁作理等，2015)

酶是有活性的蛋白質(zhì)，受溫度影響較大，對(duì)溫度的耐受性有其限度。植酸酶添加于飼料生產(chǎn)，要考慮制粒高溫對(duì)酶活性的破壞。梁作理等（2015）研究表明，不同廠家植酸酶的溫度耐受力差異同樣巨大（見圖4）。在75℃時(shí)，多數(shù)廠家酶活大約在60%左右；但85℃處理時(shí)，所有廠家的酶活存留率都不到40%，多數(shù)廠家的酶活存留率僅10%左右，還有2個(gè)廠家酶活存留率幾乎為0。而飼料廠的制粒溫度，尤其是南方的夏季，溫度很容易達(dá)到甚至超過85℃，這樣會(huì)造成植酸酶失活，效果無(wú)法體現(xiàn)。

圖4 不同溫度處理對(duì)植酸酶活力的影響（梁作理等，2015）

因此，新型植酸酶的開發(fā)，要考慮植酸酶的抗逆性，尤其是耐熱性能和活胃性。北京盛拓達(dá)生物技術(shù)有限公司的菌種研發(fā)團(tuán)隊(duì)在飼料工業(yè)需要的基礎(chǔ)上篩選菌種，最新菌種經(jīng)深層液體發(fā)酵生產(chǎn)出的植酸酶（水煮酶TM）有很好的耐熱性和活胃性。其耐熱性試驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)室水浴法85℃、30 min后酶活存留率在90%以上，實(shí)際生產(chǎn)在85℃制粒后檢測(cè)的酶活存留率在95%以上。其活胃性試驗(yàn)：最適pH值為4.0，不同于普通植酸酶的最適pH值5.5，而且在胃中pH值2.5的酶活大于pH值5.5時(shí)的酶活，屬于可在胃中有很強(qiáng)活力的植酸酶，即活胃植酸酶。新型植酸酶的研發(fā)的應(yīng)用，能保證經(jīng)過制粒后有酶活，而且植酸酶在胃中時(shí)有很強(qiáng)活力并將植酸充分降解，減少植酸的對(duì)礦物元素、蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪等養(yǎng)分的抗?fàn)I養(yǎng)作用。

6 小結(jié)

植酸酶500 U/kg的添加方式已經(jīng)用了20多年，隨著生物技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步與菌種改良升級(jí)，及超量植酸酶添加效果的證實(shí)，超量添加（4倍甚至更多）植酸酶可以充分降解植酸、消除其抗?fàn)I養(yǎng)作用，獲得更好的生產(chǎn)性能，具體添加多大倍數(shù)植酸酶才能獲得最佳效果，與動(dòng)物種類和品種及飼料原料中植酸底物含量有關(guān)，同時(shí)受植酸酶抗逆性（主要是耐熱性和活胃性）影響。雖然按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)出來(lái)是酶活相同的植酸酶產(chǎn)品，但不同公司的抗逆性能差異巨大。盛拓達(dá)公司的水煮酶TM具有良好的耐熱性和活胃性。