促進(jìn)植酸酶應(yīng)用

張相鑫 譯自，Vol.28(2020)，№4：18～19

潘雪男 校 羅靜如 制圖

磷在動(dòng)物的新陳代謝和生理過(guò)程中起著重要的作用，如骨骼的發(fā)育和維持、能量利用、蛋白質(zhì)合成和飼料的高效利用。由于單胃動(dòng)物缺乏可以分解植酸鹽的酶——植酸酶，因此人們將這些酶加入動(dòng)物飼料中，以最大限度地提高飼料中可消化磷的供應(yīng)量。自1991年從真菌中提取的首個(gè)商用植酸酶推向市場(chǎng)以來(lái)，植酸酶已被廣泛用于動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)。隨后，細(xì)菌性植酸酶取代了真菌性植酸酶。這種新一代的植酸酶因其具有較高的活性、抗蛋白水解性和催化率而受到動(dòng)物飼料行業(yè)的青睞。

1 加速磷的動(dòng)態(tài)循環(huán)

在無(wú)植酸酶的單胃動(dòng)物胃腸道中植酸不能被水解，因此飼料所含的天然的可利用磷不能被動(dòng)物消化吸收。為了防止動(dòng)物缺乏磷，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)師需要在飼料中添加磷酸鹽。然而，這會(huì)增加動(dòng)物生產(chǎn)者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因?yàn)榧尤腼暳现械牧自赐ǔＪ橇姿徕}，其是一種昂貴的飼料營(yíng)養(yǎng)成分。此外，研究表明植酸鹽會(huì)降低動(dòng)物的生長(zhǎng)速度。植酸鹽的抗?fàn)I養(yǎng)作用與它結(jié)合蛋白質(zhì)或鈣的能力有關(guān)，其會(huì)抑制消化酶(如胃蛋白酶)的活性，增加酶的內(nèi)源性損失，使日糧中的能量不能充分用于動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育。

植酸鹽還會(huì)降低動(dòng)物小腸中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化率，并影響小腸對(duì)多種礦物質(zhì)(如鈣、鎂、鐵和鋅)的正常吸收。

植酸鹽引發(fā)的問(wèn)題最初是通過(guò)添加植酸酶來(lái)解決的。植酸酶可以分解飼料中可利用的植酸鹽，從而使動(dòng)物能夠利用原本不能利用的磷源，減少在飼料中添加磷酸鹽的需要。但是，在飼料中添加植酸酶的益處遠(yuǎn)不止釋放被植酸包被的磷，植酸酶在降低無(wú)機(jī)磷排放對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響方面也起著非常重要的作用。植酸鹽中過(guò)量的磷常隨動(dòng)物的糞便排出，排出的磷是一個(gè)環(huán)境污染源。最終，植酸酶會(huì)在與營(yíng)養(yǎng)性磷和環(huán)境性磷的相關(guān)問(wèn)題上創(chuàng)造一個(gè)雙贏的局面。這促使相關(guān)人員研制一系列不同的酶產(chǎn)品，以提高植物性飼料原料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

2 植酸酶的極限特性

理想的植酸酶應(yīng)該能在動(dòng)物胃腔中的較低pH環(huán)境中保持活性，并可以盡快開(kāi)始水解植酸鹽。同時(shí)，它應(yīng)在制粒過(guò)程中能承受住高溫的影響，在動(dòng)物的生理溫度下具有較高的比活性(specific activity)。目前，在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)中，市售的商品植酸酶表現(xiàn)出各不相同的特性，因此它們對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)性能的影響也各不相同。目前，在較低pH的環(huán)境中具有最高生物有效性和活性的植酸酶是一種來(lái)自丘氏菌屬(Buttiauxella)的植酸酶，反應(yīng)速度是其直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的兩倍。為確保大多數(shù)植酸鹽在消化的早期能被水解，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化主要發(fā)生在腸道的小腸部分，因?yàn)樵搮^(qū)段腸腔中的pH遠(yuǎn)低于腸道后段中的。因此，能在極寬pH范圍內(nèi)保持活性的植酸酶可以在動(dòng)物腸道上端盡快水解植酸鹽，從而有效降低植酸鹽的抗?fàn)I養(yǎng)作用。制粒是飼料生產(chǎn)中普遍使用的一種高溫高壓加工工藝，會(huì)破壞加入飼料中酶的穩(wěn)定性，是飼料生產(chǎn)者擔(dān)憂的主要問(wèn)題。因此，植酸酶生產(chǎn)商需要持續(xù)研制和測(cè)試新的植酸酶和配方，努力尋找新的、更合適的酶，以應(yīng)對(duì)飼料生產(chǎn)過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)，并為豬提供最佳營(yíng)養(yǎng)。

3 “更好”不一定是“好”的敵人

植酸酶生產(chǎn)商對(duì)前文所述的具有較高生物活性的植酸酶進(jìn)行了進(jìn)一步的改良，得到了新的具有高生物活性的植酸酶Axtra PHY GOLD。該植酸酶在體外試驗(yàn)和體內(nèi)試驗(yàn)中表現(xiàn)出的性能證明其在替代動(dòng)物飼料中的磷酸鹽添加劑上具有較佳的優(yōu)勢(shì)，例如，顯著提高豬的生長(zhǎng)速度和消化率。相關(guān)研究人員在體外試驗(yàn)中用5種不同的植酸酶水解植酸，根據(jù)在各種不同的pH和制粒條件下磷的釋放量來(lái)評(píng)估它們的性能。

拓寬植酸酶的有效pH范圍可以確保它們?cè)跇O強(qiáng)的酸性環(huán)境(如動(dòng)物消化道的上端)中有更好的性能，從而能夠更快地將植酸鹽中的磷釋放到消化系統(tǒng)中。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，最近研制出的植酸酶具有更寬的pH范圍(圖1)，并且在很高的制粒溫度下有很好的熱穩(wěn)定性，這對(duì)防止飼料配方中可利用酶的減少至關(guān)重要。與市場(chǎng)上現(xiàn)有的4種植酸酶相比，該植酸酶能夠更高效地釋放植酸鹽中的磷。體內(nèi)試驗(yàn)表明，與作為陽(yáng)性對(duì)照的傳統(tǒng)植酸酶相比，新型植酸酶可完全替代母豬和仔豬玉米型日糧中所添加的無(wú)機(jī)磷，同時(shí)能使豬具有較好的飼料轉(zhuǎn)化率和生長(zhǎng)速度。在日糧中添加新型酶后，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)仔豬的體重也得到了提高，這一結(jié)果驗(yàn)證了在試驗(yàn)中添加250 500 FTU/kg和1 000 FTU/kg植酸酶都是有效的這一結(jié)論(圖2)。磷的消化率是驗(yàn)證植酸酶成功為動(dòng)物提供磷的一個(gè)重要的指標(biāo)。在一項(xiàng)試驗(yàn)中，母豬日糧中的植酸酶添加量為500 FTU/kg，與丘氏菌屬(Buttiauxella)植酸酶相比，該新型植酸酶能使磷的全胃腸道磷消化率提高9.6%。因此，新研制的植酸酶具有較高的磷釋放率，使磷在消化過(guò)程中能夠被充分地吸收。

3 一種很有前景的新型植酸酶

該新型植酸酶具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性，能夠使動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)師在無(wú)需向用植物性原料配制的飼料中添加無(wú)機(jī)磷酸鹽時(shí)也能提高豬的生產(chǎn)性能，并且可以起到保護(hù)環(huán)境的作用。試驗(yàn)證明該植酸酶對(duì)無(wú)法控制終端用戶制粒條件的預(yù)混合劑非常有用。因此，即使是性能極佳的酶仍可以得到改良，對(duì)酶的性能進(jìn)行精心調(diào)整仍是一個(gè)值得繼續(xù)探索的領(lǐng)域。