植酸酶及其應(yīng)用前景(綜述)

張相鑫 譯自，Vol.54(2018)，№4：352～360唐彩琰 校

磷是一種在地球上分布廣泛的元素，存在于各種礦物質(zhì)中，其中以礦物質(zhì)磷灰石和磷鈣土中的含量最豐富。在所有活生物體中，磷以正磷酸鹽和焦磷酸鹽的形式存在于它們的細胞中，同時也是構(gòu)成磷蛋白、磷脂、核酸和磷酸己糖等物質(zhì)的組成成分。在脊椎動物上，磷和鈣主要存在于骨骼中；在植物中，細胞中的磷主要以有機形態(tài)肌醇六磷酸(也稱植酸)——肌醇的一種衍生物，即六個羥基全部磷酸化的環(huán)醇——的形式存在。

植酸的負電荷磷酸殘基可與鐵、鋅、鈣和鎂等陽離子結(jié)合形成鹽(植酸鹽)，它們也可以與蛋白質(zhì)、淀粉和脂質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成不溶性團塊狀聚合體。在植物中，含磷的組分多以難溶性植酸的形式存在，其中還含有Ca2+和Mg2+。谷物、向日葵、棉花、瓜類和豆類所含的磷60%以上存在于植酸中，是最豐富的植酸來源。植酸也存在于植物的塊莖和其他器官中。植酸和肌醇經(jīng)植酸酶分解形成磷酸鹽后，所含的磷才能被植物吸收利用。這些酶只有在種子萌發(fā)時才有很高的活性，在植物的其他發(fā)育階段活性并不明顯。植酸以難被植物消化吸收的聚合體形式積聚于土壤中。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤必須施予磷肥以最大限度地提高農(nóng)作物的生長速度。

動物可通過植物性飼料獲得機體所需的磷，這些磷主要存在于植物中難溶的植酸中。反芻動物瘤胃中的微生物群落能夠幫助機體用植酸酶分解植物性飼料，從而在很大程度上滿足動物對磷的需求。單胃動物可利用植物性植酸酶(通過飼料進入消化道)和作為植酸酶來源的腸道菌群水解植酸，釋放出磷酸基團。但是，多種原因會使單胃動物對植酸的吸收量不超過10%，例如飼喂時植酸酶活性較低，熱處理、儲存條件以及胃腸道pH與植酸酶最適pH之間的差異等造成的植酸酶活性下降。其余所需的磷應(yīng)該通過礦物質(zhì)添加劑來滿足。動物通過植物攝入的大部分植酸不能被動物消化吸收，而是被排放到環(huán)境中。由于植酸能夠結(jié)合金屬陽離子，日糧中高水平的植酸可能會導(dǎo)致動物缺乏多種礦物質(zhì)，如鈣、鐵和鋅等。近期的多項研究表明，許多物質(zhì)，如抗壞血酸、乙醇酸、蘋果酸、檸檬酸、酒石酸和乳酸等，可能會與植酸競爭多價金屬陽離子，并且促進它們被動物吸收。對于營養(yǎng)組成平衡的日糧，其所含的植酸確實會使動物出現(xiàn)鈣、鋅和鐵等礦物質(zhì)的缺乏。農(nóng)業(yè)上重要的動物所用的日糧基本上以谷類為主要成分，因此高水平的植酸可能會使動物放慢對鈣和其他金屬離子的吸收速度。

為最大限度地加快植物的生長和促進動物的發(fā)育使用礦物質(zhì)肥料，不僅會增加成品的生產(chǎn)成本，而且會提高土壤中可溶性磷酸鹽的含量，加重水的污染。天然水中礦物質(zhì)含量的提高會導(dǎo)致浮藻瘋狂生長，造成魚類滅絕和生態(tài)惡化。此外，磷灰石和磷鈣土礦不僅在全世界分布不均勻，而且正在逐漸枯竭。解決這一問題的主要方法是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中給土壤施肥時少用礦物質(zhì)肥料，同時利用植酸酶分解植酸，為動植物提供生長所需的磷。

1 植酸酶的分布

人類首次發(fā)現(xiàn)植酸酶是在100多年前，當(dāng)時從稻谷和真菌黑曲霉菌(Aspergillus niger)的菌絲中分離到了此酶；稍后，相關(guān)人員又從20種土壤真菌中分離到了植酸酶。1968年，研究發(fā)現(xiàn)黑曲霉菌NRRL 3135菌株產(chǎn)生的植酸酶是2 000種真菌植酸酶中活性最高的一種。研究表明，該菌株能夠產(chǎn)生兩種胞外植酸酶，即PhyA和PhyB，這兩種酶具有不同的最適pH。研究人員發(fā)現(xiàn)其他真菌，如嗜熱毀絲霉菌(Myceliopthora thermophila)、綿毛絲菌(Thermomyces lanuginosus)、少孢根霉菌(Rhizopusoligosporus)、側(cè)孢霉菌(Sporotrichum thermophile)及青霉菌(Penicilliumspp.)和毛霉菌(Mucor spp.)等，也能產(chǎn)生植酸酶。在以曲霉菌為代表的霉菌和側(cè)孢霉菌BJTLR50菌株中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種具有較高活性的植酸酶。對61種酵母菌的122個菌株篩選后發(fā)現(xiàn)，一些酵母菌能夠產(chǎn)生植酸酶。腺嘌呤阿氏酵母菌(Arxula adeninivorans)和畢赤酵母菌(Pichia anomala)能夠產(chǎn)生高活性的植酸酶，其中腺嘌呤阿氏酵母菌能分泌胞內(nèi)和胞外兩種活性植酸酶。培養(yǎng)基中的磷酸鹽能夠完全抑制胞外植酸酶的活性，也可抑制研究所用的所有酵母菌產(chǎn)生的胞內(nèi)植酸酶的活性。真菌植酸酶主要是胞外植酸酶。胞內(nèi)植酸酶分離自少孢根霉菌，東南亞地區(qū)利用這種真菌從大豆和釀酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)中獲得一種發(fā)酵產(chǎn)物。這些發(fā)酵產(chǎn)物很受非洲各國的歡迎。對酵母菌發(fā)酵過程的研究證明，所用的酵母菌能在以植酸作為唯一磷源的液態(tài)和固態(tài)培養(yǎng)基上生長。相關(guān)研究人員同樣也在庫氏畢赤酵母菌、釀酒酵母菌、克拉維孢霉菌(Clavispora lusitaniae)、馬克斯克魯維酵母菌(Kluyveromyces marxianus)、細 粉 菌(Millerozyma farinosa)、 粉狀假絲酵母菌(Candida glabrata)、異常威克漢姆酵母菌(Wickerhamomyces anomalus)、漢氏假單胞菌(Hanseniaspora guilliermondii)和古德酵母菌(Debaryomyces nepalensis)中分離到了植酸酶，其中庫氏畢赤酵母菌產(chǎn)生的植酸酶活性最高，當(dāng)采用含植酸的培養(yǎng)基時，胞外植酸酶的活性提高。

植酸酶也廣泛存在于細菌中，可以從假單胞桿菌屬(Pseudomonassp.)、芽孢桿菌屬(Bacillussp.)、勞氏菌屬(Raoultellasp.)、大腸桿菌(Escherichia coli.)、布拉特檸檬酸桿菌(Citrobacter braakii)和腸桿菌屬(Enterobactersp.)以及棲息在反芻動物瘤胃中的厭氧細菌[反芻月形單胞菌(Selenomonas ruminantium)、埃氏巨型球菌(Megasphaera elsdenii)、普雷沃氏菌屬(Prevotellasp.)、多酸光岡菌(Mitsuokella multiacidus)、賈氏光岡菌(Mitsuokella jalaludinii)、泛菌屬(Pantoeasp.)]中分離到。在乳酸桿菌屬的細菌中，不同菌株會產(chǎn)生不同活性水平的植酸酶，其中舊金山乳桿菌(Lactobacillus sanfranciscensis)產(chǎn)生的植酸酶活性最高。乳酸桿菌屬的細菌廣泛用于生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品，在面包發(fā)酵過程中，由于農(nóng)作物植酸鹽發(fā)生水解反應(yīng)，細菌植酸酶將會極大地影響磷酸鹽水平的提高。隨著營養(yǎng)性植酸含量的減少，Ca2+、M2+、Zn2+和 K+會被釋放出，蛋白質(zhì)的吸附風(fēng)險下降。

能分泌植酸酶的土壤細菌對難溶性植酸的釋放起著重要的作用。例如，從產(chǎn)堿桿菌屬(Advenellasp.)和纖維微菌屬(Cellulosimicrobiumsp.)的細菌中分離到的植酸酶能提高土壤中無機磷的含量，促進植物的生長。從根際土壤細菌如解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)和乳酸桿菌(Bacillus laevolacticus)中分離得到的胞外細菌植酸酶，也參與植物植酸的吸收。

一些細菌細胞能夠產(chǎn)生胞外植酸酶[如芽孢桿菌屬、腸桿菌屬和假單胞菌屬的細菌]、細胞膜相關(guān)植酸酶[如反芻月形單胞菌和多酸光岡菌]和胞質(zhì)植酸酶[如大腸桿菌和泛菌]等。

研究人員從生長在缺磷土壤中的各種植物的根部發(fā)現(xiàn)了少量植酸酶。在油梨果實、大蔥、豆類種子、農(nóng)作物和油料植物中也提取到了植酸酶?；钚宰罡叩闹菜崦竵碜孕←満退咀蚜?，分別為0.67 U/g和0.41 U/g。但是，高粱、小米和玉米中的植酸酶活性僅為前兩者的三分之一至二分之一。值得注意的是，大麥、水稻、小麥和玉米的種子含有植酸酶抑制劑，即天冬酰胺蛋白酶。試驗表明，植酸酶的活性在種子萌發(fā)的前5 d～7 d提高3～16倍，之后逐漸降低。在水稻種子萌發(fā)的第7天，其所含植酸酶的活性達到最高(6.9 U/g)。在發(fā)芽期間，谷物種子中的植酸酶活性提高，隨后總磷水平上升。地衣也能分泌植酸酶。

在人類腸道中，每克蛋白質(zhì)植酸酶的活性約為0.000 05 μmol Pi/min～0.000 1 μmol Pi/min，是大鼠腸道中植酸酶活性30倍。相關(guān)研究人員也從兔、中國倉鼠、牛犢和豬的腸道以及牛犢的肝臟和血液分離到了植酸酶。不過，由于哺乳動物體內(nèi)的植酸酶活性低，無法產(chǎn)生機體所需的磷。

(未完待續(xù))