非反芻動(dòng)物營養(yǎng)中的植酸酶：胃腸道植酸酶活性及其影響因素

孟 霞 摘譯自，2015，95(5)：878～896

唐彩琰 校 羅靜如 制圖表

1 植酸酶的作用方式

1.1 植酸鹽及其抗?fàn)I養(yǎng)作用

植酸是由肌醇經(jīng)過一系列磷酸化步驟合成的，因此它由1個(gè)包含6個(gè)磷酸酯鍵的肌醇環(huán)組成。植酸是植物種子中主要的磷酸鹽儲(chǔ)存化合物，通常占植物種子中總磷酸鹽的50%～80%。它有助于控制種子有效發(fā)芽，并在發(fā)芽時(shí)被植酸酶消化，促進(jìn)磷的釋放。植酸的鹽形式稱為植酸鹽，幾乎所有的植酸都以混合鹽(植酸鈣鎂)的形式存在。植酸磷對(duì)動(dòng)物的可利用性較差，由于其抗?fàn)I養(yǎng)作用，會(huì)降低動(dòng)物對(duì)其他營養(yǎng)物質(zhì)的消化率和動(dòng)物的生產(chǎn)性能。

植酸有12個(gè)可替換的反應(yīng)位點(diǎn)，在動(dòng)物消化道的pH范圍內(nèi)帶有強(qiáng)負(fù)電荷。植酸能夠結(jié)合二價(jià)和三價(jià)礦物質(zhì)并形成非常穩(wěn)定的復(fù)合物，降低它們的可用性以及動(dòng)物對(duì)植酸磷的可用性。植酸(和植酸鹽)在酸性pH環(huán)境(例如胃)中可解離并溶解，因此礦物質(zhì)和植酸復(fù)合物的形成主要發(fā)生在pH較高的小腸中。與其他陽離子礦物質(zhì)相比，動(dòng)物日糧含有大量鈣，因此植酸主要與小腸中的鈣形成復(fù)合物。此外，植酸會(huì)增加豬和家禽中鈉等礦物質(zhì)的內(nèi)源性損失。鈉缺乏會(huì)影響胃腸道中參與營養(yǎng)吸收的Na-KATP酶的活性。據(jù)報(bào)道，攝入植酸會(huì)降低肉雞和仔豬胃腸道中Na-K-ATP酶的活性。

植酸鹽非選擇性地與蛋白質(zhì)結(jié)合，并已證明可以抑制胰蛋白酶、α-淀粉酶等酶的活性，從而降低動(dòng)物對(duì)蛋白質(zhì)的消化率。植酸可以在很寬的pH范圍內(nèi)與蛋白質(zhì)結(jié)合。在酸性pH環(huán)境(例如在胃中)，植酸可與堿性氨基酸(如精氨酸、組氨酸和賴氨酸)結(jié)合，形成蛋白質(zhì)-植酸鹽復(fù)合物。在pH高于蛋白質(zhì)等電點(diǎn)的小腸中，植酸可以通過陽離子與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成蛋白質(zhì)-礦物質(zhì)-植酸鹽復(fù)合物。這些復(fù)合物是不溶性的并且對(duì)酶水解具有抗性，因此降低了蛋白質(zhì)的利用效率。植酸可以與內(nèi)源性酶相互作用，使植酸結(jié)合蛋白質(zhì)形成難以被胃蛋白酶消化的復(fù)合物，從而降低營養(yǎng)物質(zhì)消化率。此外，植酸可增加內(nèi)源性氨基酸的損失，這是由于小腸中的消化酶和黏蛋白分泌增加，分泌的內(nèi)源性氨基酸的重吸收減少。有人提出，植酸鈣可能會(huì)增加腸腔中金屬皂的形成，導(dǎo)致飽和脂肪消化減少。因此，植酸鹽的抗?fàn)I養(yǎng)作用將導(dǎo)致營養(yǎng)利用率降低、維持蛋白質(zhì)和能量的成本增加以及用于生產(chǎn)的可用能量降低。

1.2 植酸酶的作用方式

植酸酶(即肌醇六磷酸磷酸水解酶)能催化從植酸或其植酸鹽中逐步去除磷酸基團(tuán)。磷酸基團(tuán)的去除始于完全磷酸化的六磷酸肌醇(IP6)，然后依次是五磷酸肌醇(IP5)、四磷酸肌醇(IP4)、三磷酸肌醇(IP3)、二磷酸肌醇(IP2)和一磷酸肌醇(IP1)。這意味著植酸酶首先將所有可用的完全磷酸化的植酸水解為IP5，再將后者水解為IP4，依此類推。理想情況下，植酸完全水解將得到肌醇和磷酸鹽(以及與植酸相關(guān)的氨基酸、礦物質(zhì)和其他營養(yǎng)素)。然而，在動(dòng)物體內(nèi)，植酸不能完全水解，因此通常會(huì)產(chǎn)生肌醇-磷酸酯的混合物(例如IP5、IP4等)。

植酸鹽與Ca結(jié)合也與植酸酯的組成有關(guān)，植酸鹽結(jié)合Ca的能力不成比例降低，例如IP3對(duì)Ca的結(jié)合親和力約為IP6的11%。因此，快速去除胃中IP6和IP5將顯著降低小腸中與Ca的結(jié)合。

基于這些數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論，上消化道中植酸酶對(duì)植酸鹽的早期徹底水解對(duì)于改善磷、礦物質(zhì)(如Ca、Fe)和蛋白質(zhì)的消化至關(guān)重要。這些數(shù)據(jù)還暗示，為了消除植酸鹽的抗?fàn)I養(yǎng)作用，IP6需要在消化道上部被植酸酶盡可能完全水解。

2 影響植酸酶活性的因素

許多因素會(huì)影響植酸酶在動(dòng)物體內(nèi)的活性，包括植酸酶相關(guān)因素，如最佳pH范圍、植酸酶類型和蛋白酶抗性。動(dòng)物相關(guān)因素包括物種、動(dòng)物年齡和保留時(shí)間。日糧相關(guān)因素，如植酸含量、鈣含量和成分組成(如底物類型和固有植酸酶活性)也非常重要。

2.1 植酸酶相關(guān)因素

2.1.1 最佳pH范圍

植酸酶活性以1個(gè)植酸酶單位進(jìn)行測(cè)量。在官方標(biāo)準(zhǔn)化的植酸酶活性測(cè)量中，1個(gè)植酸酶單位是指在pH 5.5和37 ℃下每分鐘從0.005 1 mol/L植酸鈉中釋放1 mmol無機(jī)磷酸鹽所需的植酸酶量。植酸酶單位通?？s寫為FTU，有時(shí)也使用FYT、U和PU等縮寫。本文僅使用FTU的縮寫。

如上所述，降低植酸鹽抗?fàn)I養(yǎng)作用最有效的方法是在動(dòng)物消化道上端盡快將植酸鹽充分水解。然而，胃中的pH遠(yuǎn)低于5.5，即標(biāo)準(zhǔn)化植酸酶活性測(cè)量中使用的pH。由于不同商業(yè)植酸酶的最佳pH不同，其在體內(nèi)的“真實(shí)”活性差異很大。最佳pH范圍將指示植酸酶在胃和小腸上段的有效性。

已有相關(guān)論文發(fā)表了不同商業(yè)植酸酶的相對(duì)活性。圖1顯示了兩項(xiàng)研究中報(bào)告的不同植酸酶的pH曲線。

雖然這些研究中使用的不同方法可能對(duì)pH曲線有輕微影響，但仍可以從這些研究中得出結(jié)論，即不同商業(yè)植酸酶的效率在pH 2.5～4.5(體內(nèi)最相關(guān)的pH范圍)內(nèi)變化。圖1表明，在較低的pH范圍(如pH 2.5～4.5)下，大腸桿菌植酸酶比真菌植酸酶活性更強(qiáng)。此外，由于生產(chǎn)技術(shù)和細(xì)菌表達(dá)的不同，不同的大腸桿菌植酸酶在不同pH下的活性曲線也會(huì)有所不同。

2.1.2 植酸酶對(duì)內(nèi)源性蛋白酶的抗性

植酸酶是一種蛋白質(zhì)分子，可以被動(dòng)物消化道內(nèi)的內(nèi)源性蛋白酶水解。Kumar等評(píng)估了來自隔孢伏革菌、曲霉菌和大腸桿菌的植酸酶對(duì)內(nèi)源性蛋白酶的反應(yīng)。將這3種植酸酶在含有蛋白酶的緩沖液中孵育2 h，并在pH 5.0時(shí)檢測(cè)殘留的植酸酶活性。結(jié)果表明，大腸桿菌植酸酶的蛋白酶抗性比隔孢伏革菌植酸酶和曲霉菌植酸酶的高。作者認(rèn)為這可能部分解釋了商業(yè)植酸酶在單胃動(dòng)物中生物利用率的差異。

Morales等也觀察到大腸桿菌植酸酶對(duì)蛋白酶有較高抗性。他們將兩種商業(yè)植酸酶(來自大腸桿菌和隔孢伏革菌)與胃蛋白酶或虹鱒魚的胃粗提取物一起孵育。孵育1 h后，隔孢伏革菌植酸酶的活性迅速降低，而大腸桿菌植酸酶在孵育4 h后仍保持較高的活性(圖2)。胃蛋白酶和虹鱒魚胃粗提物的作用效果沒有差異。結(jié)果表明，不同商業(yè)植酸酶對(duì)胃中蛋白酶的抗性存在很大差異，這一點(diǎn)可以從試驗(yàn)中使用的虹鱒魚胃粗提物中得到驗(yàn)證。作者得出的結(jié)論是，在虹鱒魚等動(dòng)物胃部的酸性胃蛋白酶環(huán)境下，大腸桿菌植酸酶比隔孢伏革菌植酸酶更活躍、更穩(wěn)定。這些體外結(jié)果與體內(nèi)研究一致。在體內(nèi)研究中，大腸桿菌植酸酶在肉雞食糜中的活性高于隔孢伏革菌植酸酶的。此外，據(jù)報(bào)道，在家禽和豬中，大腸桿菌植酸酶的功效比隔孢伏革菌植酸酶的高。

2.1.3 植酸酶對(duì)目標(biāo)底物的相對(duì)活性

目標(biāo)底物也會(huì)影響植酸酶活性。Tran等在pH 3.0、37 ℃下進(jìn)行了一項(xiàng)測(cè)定，以確定與植酸鈉相比，4種商業(yè)植酸酶對(duì)來自IP6-大豆蛋白或IP6-溶菌酶復(fù)合物的IP6的相對(duì)活性。所有植酸酶均以相等的FTU添加(根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量)。如表1所示，在pH 3.0下，不同商業(yè)植酸酶間的相對(duì)活性顯著不同，并且與目標(biāo)底物有關(guān)。與用于植酸酶相對(duì)活性測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)底物IP6-Na相比，用大豆蛋白和IP6-溶菌酶作為目標(biāo)底物時(shí)，不同植酸酶來源之間的相對(duì)活性差異更大。大腸桿菌植酸酶對(duì)大豆蛋白和IP6-溶菌酶復(fù)合物的相對(duì)活性較對(duì)IP6-Na的高，而曲霉菌植酸酶對(duì)這些底物的相對(duì)活性較低。大腸桿菌植酸酶對(duì)IP6-大豆蛋白或IP6-溶菌酶復(fù)合物的相對(duì)活性高于對(duì)IP6-Na的。在pH 3.0時(shí)，大腸桿菌植酸酶水解IP6的速度比真菌植酸酶的快幾倍，并且功效因底物類型不同而異。由于細(xì)菌表達(dá)的不同，2種大腸桿菌植酸酶之間的相對(duì)活性也存在很大差異。因此，植酸酶對(duì)不同類型底物的親和力可能是影響植酸酶功效的因素之一。

2.2 動(dòng)物相關(guān)因素-消化道中的植酸酶活性

2.2.1 豬

文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明，如果豬飼料中未添加微生物植酸酶，能觀察到植酸酶活性的部位主要是結(jié)腸。補(bǔ)充微生物植酸酶后，其主要活性部位是胃和小腸前端。

Yi和Kornegay給仔豬飼喂添加曲霉菌植酸酶的日糧，以探討植酸酶在胃腸道中的活性部位，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植酸酶在胃食糜中的活性高于在小腸前端食糜中的。豬飼喂含有1 050 FTU/kg微生物植酸酶的日糧后，植酸酶在其胃、小腸前端和后端食糜中的活性分別為579 FTU/kg、348 FTU/kg和53 FTU/kg。飼喂基礎(chǔ)日糧的豬，其胃和小腸食糜中的植酸酶活性約為30 FTU/kg。這些數(shù)據(jù)表明，由于pH環(huán)境更有利，胃是外源性微生物植酸酶活性最高的部位。Kemme等、Lantzsch等和Mroz等也得出了類似的結(jié)論，即胃是豬體內(nèi)植酸酶作用的主要部位。Jongbloed等在回腸食糜中沒有發(fā)現(xiàn)外源性植酸酶活性。

Pagano等在飼喂添加大腸桿菌植酸酶的日糧的仔豬中觀察到，植酸酶在胃和空腸前端食糜中的活性最高，而在空腸后端或回腸食糜中未檢測(cè)到植酸酶活性。飼喂添加植酸酶日糧的豬在消化道上部顯示出劑量依賴性植酸酶活性，并且結(jié)腸食糜中的總磷和鈣濃度降低。然而，飼喂基礎(chǔ)日糧的豬胃和小腸食糜中基本未顯示植酸酶活性，結(jié)腸中的植酸酶活性和可溶性磷含量較高。這導(dǎo)致飼喂基礎(chǔ)日糧的豬的結(jié)腸含有較高濃度的可溶性磷和鈣。與對(duì)照組相比，添加500 FTU植酸酶顯著增加了血漿磷濃度(7.95 mg/dL對(duì)5.2 mg/dL)，表明結(jié)腸中內(nèi)源性植酸酶釋放的無機(jī)磷的吸收率較低。結(jié)腸內(nèi)較高的內(nèi)源性植酸酶活性可能不會(huì)提高磷的利用率，但可以增加可溶性磷的排泄。

這與Seynaeve等的觀察結(jié)果一致，該研究表明，大腸中的內(nèi)源性植酸酶并沒有提高磷的利用率，而是將糞便中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷。在沒有添加植酸酶的基礎(chǔ)日糧中，IP6在回腸末端的分解率僅為16.2%，而在飼喂添加500 FTU/kg植酸酶(曲霉菌植酸酶)的日糧的豬中，IP6的分解率提高了3倍。與未補(bǔ)充植酸酶的豬相比，補(bǔ)充植酸酶降低了豬回腸食糜的總磷(P＝0.09)和IP6-P(P＜0.05)的濃度。與對(duì)照組相比，植酸酶處理組回腸食糜中的植酸磷含量平均減少42%。然而，植酸酶處理組和對(duì)照組豬糞便中IP6-P的含量均較低，表明對(duì)照組豬大腸中的內(nèi)源性植酸酶活性較高，導(dǎo)致糞便中的IP濃度較高。植酸酶處理降低了豬糞便中總磷和IP(平均比對(duì)照組低36%)的含量。

對(duì)豬胃來說，相對(duì)空的時(shí)候pH一般在2.0～2.5，喂食后pH升高。剛斷奶的仔豬分泌鹽酸(HCl)的能力較弱，因此胃中的pH可能高于生長(zhǎng)豬的。在小腸的第一部分，pH范圍為3.5～5.5。Jongbloed等觀察到，豬十二指腸(幽門后約25 cm)食糜的pH在采食時(shí)約為6，采食后1 h降至5，采食后2 h～5 h保持在4左右。因此，具有高活性的微生物植酸酶在低pH下對(duì)豬更有效。

2.2.2 家禽

在家禽中，添加微生物植酸酶的主要活性部位是嗉囊和消化道前端，這與豬相似。

研究人員在不添加微生物植酸酶的條件下，以小麥、玉米和豆粕為基礎(chǔ)日糧，研究了蛋雞食糜中的植酸酶活性。飼料中植酸磷含量為2 g/kg，非植酸磷含量為4.37 g/kg。1 kg基礎(chǔ)日糧中的植酸酶每分鐘可將160.2 μmol植酸(植酸鈉)水解為磷酸、肌醇和低肌醇磷酸鹽。盲腸中植酸酶活性(每克食糜)最高。嗉囊、胃、小腸的內(nèi)容物或黏膜之間的植酸酶活性無顯著差異?？傮w而言，在不額外添加微生物植酸酶的情況下，植酸酶在盲腸中活性高，在小腸中端、嗉囊和胃中活性低。

本研究結(jié)果表明，在不額外添加微生物植酸酶的情況下，主要在雞的盲腸中觀察到植酸酶活性(類似于豬)。本研究測(cè)定了雞回腸和全腸道水平上的植酸消化率和磷保留率。結(jié)果表明，植酸在回腸中的消化率低于其在全腸道中的(蛋雞和肉雞分別為20%和18%對(duì)33%和35%)，這可能與盲腸中植酸酶活性的相對(duì)含量有關(guān)。磷的總腸道滯留量低于其在小腸中的滯留量(蛋雞和肉雞分別為22%和19%對(duì)52%和42%)，表明盲腸中植酸的降解對(duì)總磷滯留沒有貢獻(xiàn)。本研究表明，在日糧中添加微生物植酸酶對(duì)增加消化道前端植酸鹽的水解作用、減少植酸鹽對(duì)養(yǎng)分消化的負(fù)面影響、提高家禽對(duì)磷的利用至關(guān)重要。

嗉囊的pH范圍為5.2～5.8，腺胃的pH為2.8，因此預(yù)計(jì)這些部位是外源性植酸酶在家禽體內(nèi)的主要活性部位。外源性植酸酶活性(隔孢伏革菌)沿小腸逐漸下降，肉雞回腸中未檢測(cè)到活性。小腸末端植酸酶活性低可能是由于內(nèi)源性蛋白酶能夠分解外源性植酸酶。如上所述，不同植酸酶對(duì)內(nèi)源性蛋白酶的抗性不同。研究人員發(fā)現(xiàn)，在肉雞消化道所有部位，大腸桿菌植酸酶的活性明顯高于隔孢伏革菌植酸酶的(表2)。這項(xiàng)研究測(cè)定了添加或不添加微生物植酸酶對(duì)22日齡肉雞植酸酶活性的影響。肉雞在8～22日齡飼喂低磷的陰性對(duì)照日糧或添加了1 000 FTU/kg的大腸桿菌植酸酶(或隔孢伏革菌植酸酶)的對(duì)照日糧。結(jié)果顯示，在日糧中添加植酸酶時(shí)，外源性植酸酶的活性在嗉囊中時(shí)最高，其次是在腺胃和肌胃中時(shí)，在回腸中時(shí)非常低(表2)。飼喂基礎(chǔ)日糧而未添加植酸酶的肉雞整個(gè)消化道中的食糜植酸酶活性都非常低。補(bǔ)充大腸桿菌植酸酶顯著提高了嗉囊、腺胃和肌胃、空腸和在回腸中的植酸酶活性，而隔孢伏革菌植酸酶僅提高了嗉囊中的植酸酶活性。Liebert等測(cè)定了飼喂對(duì)照日糧和添加了500或1 000 FTU/kg植酸酶(曲霉菌)的日糧的雞(3～5周齡)消化道中的植酸酶活性。在喂食對(duì)照日糧的雞的飼料和腸道內(nèi)容物中沒有發(fā)現(xiàn)植酸酶活性(＜50 FTU/kg)。在添加植酸酶的日糧中，植酸酶活性主要在嗉囊(250 FTU/kg～575 FTU/kg凍干樣品)和胃(100 FTU/kg～225 FTU/kg凍干樣品)中發(fā)現(xiàn)。小腸中未檢測(cè)到植酸酶活性(＜50 FTU/kg)。這些數(shù)據(jù)表明，不同類型的植酸酶在消化道中的活性可能不同。

植酸鹽在胃中水解不完全可能會(huì)導(dǎo)致小腸中重新沉淀植酸鹽。Liebert等測(cè)量了雞消化道中的植酸磷濃度，并觀察到與對(duì)照日糧相比，在日糧中添加1 000 FTU/kg植酸酶可降低嗉囊、胃和小腸中的植酸磷含量。在小腸末端，植酸磷消失率高達(dá)65%，而在不添加植酸酶的日糧中只有15%～23%。植酸磷在其他消化部位的含量都低于在嗉囊和胃中的，但所有處理組的雞小腸植酸磷都有所增加，而植酸酶處理組的增加程度較小，表明隨著pH升高，小腸中的植酸鹽重新沉淀。Onyango等也報(bào)道了類似的結(jié)果。

(未完待續(xù))