水产饲料中植酸酶的应用研究

作者：黄云胡毅毛小伟郇志利 李金龙 来源：《湖南饲料》 2010年第5期

黄 云 胡 毅毛小伟 郇志利 李金龙

（湖南农业大学动物科学技术学院长沙410128）

摘要：植酸酶越来越多的应用于水产饲料中，拟提高植物性饲料中磷的利用率，减少鱼类粪便中磷的排放从而缓解对养殖水体中磷的污染。本文参考以往国内外植酸酶的研究，为植酸酶在水产饲料中的应用作一全面综述，以期为科研学者提供参考。

关键词：水产饲料；植酸酶；磷；应用

磷是鱼类必不可缺的矿物质元素之一。磷可同钙等元素参与骨骼、牙齿等结构物质的组成，还可作为高能磷酸键和磷酸肌酸的组成，参与机体的能量代谢等许多重要的生命过程(郑涛等，2006)。磷缺乏或不足，会引起水产动物生长缓慢或停滞，并诱发骨病等。鱼类主要通过摄取食物获取磷来保证机体的正常的生长代谢。在目前鱼类饲料中，植物性饲料蛋白如豆类和油料等作物籽实添加量达30%以上，而在这些植物性蛋白中，植酸是植酸性蛋白源中重要的抗营养因子，植酸又称6-磷酸肌醇，螯合能力强，能与锌、钙、铁、铜、镁、锰等二价或三价阳离子结合形成不被机体吸收利用的络合物，植物性蛋白中约2/3的磷以植酸及其盐的形式存在。由于鱼类体内缺乏分解植酸的酶，因此以植酸形式存在的磷难以被利用（林仕梅等，1999），未被利用的磷通过粪便排入水体，造成磷的浪费和养殖水体环境的污染（Lall，1991；曹玲等，2007）。植酸酶( phytase)属于磷酸单脂水解酶，植酸酶可以将植酸水解为正磷酸盐和肌醇或肌醇，日粮中添加植酸酶可以提高植物性饲料中磷的利用率并减少粪便中磷含量，可以提高动物的生产性能，降低植酸的抗营养作用( Rode-hutscord和Pfeffer，1995；王爱民，2002)，减少动物磷的排放，有效缓解磷对水体的污染。因此，本文综述了国内外植酸酶在水产饲料中的研究现状，并从其种类、作用机理、适宜添加量以及对生长和磷利用率等方面的影响作一综述，以期为植酸酶在水产饲料中的应用和研究提供参考。

1 饲用植酸酶的种类及作用机理

植酸酶是催化植酸（肌醇六磷酸）及植酸盐水解成肌醇（或磷酸盐）的一类酶的总称。现已知的植酸酶有三种类型：肌醇六磷酸3-磷酸水解酶、肌醇六磷酸6-磷酸水解酶和非特异的正磷酸盐单脂磷酸水解酶。根据其来源不同，可以分为动物性植酸酶、植物性植酸酶和微生物植酸酶。动物性植酸酶存在于脊椎动物的红血球和血浆原生质中，哺乳动物小肠中也存在，动物性植酸酶一般活性很弱，很少应用于饲料工业中；植物性植酸酶存在于大多数谷物、麦类作物种子中，不同植物部位其活性差异很大，属于6-植酸酶；微生物植酸酶主要是通过基因修饰的曲霉或曲霉培养物的提取物等，属于3-植酸酶。 植酸酶能将植酸分子上的磷酸基团逐个切下，形成中间产物肌醇五磷酸、肌醇四磷酸、肌醇三磷酸和肌醇二磷酸等，最终产物为肌醇和磷酸。不同种类的植酸酶作用机理有所不同，Barrientoa等在研究钙激活的来自百合花粉碱性植酸酶时，运用核磁共振技术证明该酶从第五位O-P键上开始水解植酸。Greiner( 2000)等阐明了以植酸酶降解植酸是一种具有立体专性、有序的过程，经过D-肌醇一1，2，3，4，5-五磷酸，一肌醇一1，2，3，4，5-四磷酸等依次降解成肌醇-2-磷酸。一般认为，微生物的3-植酸酶作用于植酸时，首先从植酸的第三碳位点开始水解，释放出无机磷，此酶需要Mg2+参与催化。植物中的6-植酸酶作用于植酸时，则首先从植酸的第六碳位点开始催化而释放无机磷。植酸酶一般不能彻底分解成肌醇和磷酸，要彻底分解肌醇和磷酸酯，需要酸性磷酸酶的作用。

2酶学性质

植酸酶的作用效果主要受温度和pH的影响，不同来源的植酸酶其最适pH和温度均不相同。植物性植酸酶最佳pH值在4～6，温度在45℃。60cC之间（Reddy等，1982），pH小于3.5和大于7.5时完全失活。微生物植酸酶主要来源于无花果曲霉菌（Aspegillus ficcum）、黑曲霉菌(Aspergillusniger)、土曲霉菌（Aspegillus terrus）和米曲霉菌(Aspergillus oraze)。其所产植酸酶均为胞外酶，最佳pH值在2.5—5.5，最适温度为55℃。微生物植酸酶比植物中存在的植酸酶活性高。据Eeckhout等( 1993)报道，微生物植酸酶活性比小麦等植物中植酸酶活性高74%。不同来源植酸酶的酶学性质见表l，2（金海英等，2003）。

3植酸酶对水生动物生长性能的影响

相关研究表明，水产饲料中添加一定量的植酸酶对鱼体的生长有促进作用。Frank (2005)指出，尼罗罗非鱼饲料中添加植酸酶能显著提高生长、饲料转化率、蛋白质效率。Jackon等(1996)在斑点叉尾鲴饲料中用喷涂法添加植酸酶，结果显示植酸酶能促进鱼体增重，并指出每千克饲料中添加500U的植酸酶制剂可获得较高的鱼体增重。高春生等(2006)研究在日粮中添加植酸酶对草鱼生长的影响时认为，与对照组相比，添加植酸酶可以显著提高草鱼体重，其中添加1 000 U／kg植酸酶组的草鱼平均日增重和日采食量最大。饲料中植物性蛋白含植酸限制了磷的吸收，导致养殖对象不能充分摄取供自身各种生理代谢的磷需求，从而使得生长、饲料利用效率降低。然而，部分研究指出，饲料中添加植酸酶对鱼类的生长并无影响。Jouni等(2000)以鱼粉和豆粕为蛋白源，添加植酸酶对虹鳟的生长和饲料效率无影响。Jo-hanne等(2009)添加磷或真菌植酸酶对虹鳟的生长和饲料转化率无显著影响。Yoo等(2005)研究指出，不管其豆粕水平或植酸酶的添加方法，植酸酶对许氏平纳的生长无影响。这可能是饲料中提供了充分的能被水生动物吸收利用磷时，添加植酸酶则不能提高水生动物生长性能，这样会导致大量磷排出体外而未被鱼体吸收利用( Johanne等，2009)。

4植酸酶对饲料中磷利用的影响

4.1植酸酶对饲料中植酸磷降解的影响

许多研究表明，添加植酸酶能降解饲料中植酸磷，提高鱼体对磷的利用率。Johanne等(2009)研究指出，虹鳟饲料中添加真菌植酸酶，磷的利用率显著增加，植酸磷的利用率从60/0提高到64%。而未添加植酸酶的虹鳟饲料组，鱼体粪便中的磷排泄显著高于瀑加植酸酶组。Yoo等(2005)指出，添加植酸酶能显著提高许氏平纳饲料中磷的表观消化率。在尼罗罗非鱼(Frank Liebert and Lean-dro Portz，2007)饲料中添加植酸酶显著提高粗蛋白、钙和磷的表观消化率，显著提高肝循环中植酸磷降解率，血清中无机磷浓度等说明了植物性蛋白中大量植酸磷被降解被鱼体利用。Cheng and Hardy( 2003)研究指出，添加植酸酶能显著提高挤压大豆蛋白中镁、总磷、植酸磷、锰和锌的表观消化率。与生大豆蛋白组相比，添加植酸酶能显著提高挤条大豆粗蛋白、硫、总磷和植酸磷的表观消化率。虹鳟饲料中植酸酶最适剂量大约为400FTU/kg，能有效提高挤压全脂大豆中磷和其他矿物质的释放。以上研究说明，添加植酸酶有助于饲料中植酸、植酸磷及其他矿物质元素的分解，提高植酸磷等的利用率。

4.2植酸酶对水生动物矿物质元素沉积率的影响

饲料中添加植酸酶对水生动物机体矿物质元素沉积率有显著的影响。Schafer( 1995)等以大豆、鱼粉和大麦为基础原料的鲤鱼饲料中添加500U/kg和lOOOUfkg的植酸酶，显著提高鱼体灰分含量。Jackon等(1996)在斑点叉尾鲴饲料中用啧涂法添加植酸酶，结果显示植酸酶能促进鱼体增重和骨骼中磷的沉积，同时使粪便中排出的磷下降了33%，并指出每千克饲料中添加500U的植酸酶制剂可获得较高的鱼体增重和骨骼磷沉积。王爱民等(2007)在异育银鲫的研究中指出，添加植酸酶能显著提高机体钙、磷、铁、铜、镍等含量。植酸酶水解植酸释放磷的同时，也离解了植酸与钙、铁、铜和镍等矿物质之间的络合，提高了异育银鲫对矿物质元素的利用率。然而，也有研究指出，饲料中添加植酸酶不影响矿物质元素的沉积，Jouni等(2000)在虹鳟的研究中指出，以豆粕为蛋白源的饲料中添加植酸酶不会影响大规格虹鳟骨灰含量，这与其他研究结果不一致。导致这种结果的原因可能是不同规格的研究对象矿物质元素需求量不同。

4.3植酸酶对水生动物氮磷排泄的影响

养殖鱼类的氮和磷排泄是养殖水体污染的主要因素，提高鱼类对饲料中蛋白质和磷的利用率成为降低养殖水体污染的关键环节。鱼类的氮和磷的排泄量主要受食物种类、食物中蛋白质及磷含量的影响(cho and Burean．1997;Talbot andHole，1994)。植物性蛋白中存在大量的植酸，植酸与磷等矿物质元素结合以植酸磷等形式存在，鱼类消化系统中缺乏内源性植酸酶，无法利用植酸磷（Ogino等，1979;Riche and Brown,1979;Wilson等，1982）。降低了饲料中氮磷的消化吸收率，增加了氮磷排放。而植酸酶能降解植酸，释放可利用磷等矿物质元素，降低了氮磷的排泄。张春晓等( 2008)研究指出，饥饿状态下，添加外源性植酸酶对大黄鱼和鲈鱼的内源性氮代谢物无影响，饱食状态下，植酸酶能提高大黄鱼和鲈的氨氮排泄率。内源性氮代谢表示鱼在不摄入外来氮源的情况下产生的最低氮的排泄水平( Jobling，1993)。一般认为，肉食性鱼类内源性氮排泄较草食性鱼类高，食性的不同可能影响鱼类的氮排泄水平。大黄鱼和鲈（张春晓等，2008）内源氮的排泄率3.38-4.43mg/kg.h、红大麻哈鱼(Fronme，

1963)3.4mgkg.h和牙鲆(Zhang et al，1997) 4.llmg/kg.h，而梭鱼(Xian and Zhu，2002)内源氮代谢率2.46mg/kg.h。

鱼类所排泄的磷绝大部分都呈P043-P形式，因此，对鱼类磷排泄的考察通常以P043-P形式作为衡量指标(Ruan et al，2005)。Jackson等( 1996)在斑点叉尾鲴饲料中用喷涂法添加植酸酶进行试验，表明添加植酸酶能促进鱼体增重和骨骼中磷的沉积，使得粪便中磷降低了33%。在饥饿状态下，大黄鱼和鲈的可溶性磷排泄不受植酸酶的影响，植酸酶不影响大黄鱼和鲈内原磷的代谢水平（张春晓等，2008）。Rodehutscord(2000)认为鱼类内源磷的损失是不可避免的，它是鱼体正常生理的必然结果。在饱食状态下，植酸酶能增加大黄鱼和鲈可溶性磷的排泄率。Rodehutscord (2000)研究证实，在磷的需求被满足的之前，鱼体吸收的所有磷都会在体内积累，

不会影响可溶性磷的排泄，然而，当鱼体吸收的磷达到其最适需求以后，随着外源磷的摄人，可溶性磷的排泄率将会增加。这说明饲料中添加植酸酶可以增加饲料中可利用磷含量，提高动物对饲料原料中磷的利用率。

5植酸酶应用存在的问题

pH、高温等因素对植酸酶的活性影响较大。然而在饲料加工过程中常常面临高温、高压的情况，并且因鱼类种类的差异消化道内pH值相差较大。了解植酸酶的温度适性、pH适性具有重要意义。同时，不同的研究对象等因素也会对植酸酶应用产生一定影响。

5.1饲料中钙磷比和维生素D3的含量

有研究指出，饲料中总钙磷水平和比例对植酸酶作用效果产生显著的影响（霍启光，2002），饲料中钙、磷水平和钙、磷比例决定植酸水解的重要因素。过多的钙可促使植酸在肠道中形成不溶性的植酸一钙复合物，降低植酸酶的作用，同时，高含量钙刺激肠道pH值升高，抑制植酸酶活性。一般认为，饲料中钙与总磷比在(1.1。1.4)：1时，植酸酶效率最高。

5.2研究对象因素

不同研究对象以及同一种对象不同年龄阶段，其消化生理均存在差异，而酶制剂作用效果与动物消化道pH值、长度、温度等一系列生理条件相关（Mitchell，2004；季文娟，2000）。鱼类是变温动物，生活水温一般在15—30℃之间，而在此温度范围内，植酸酶活性随温度的变化活性变化较大。一般认为，温度较高的水环境中植酸酶的效果相对较好。另外，不同来源的植酸酶的最适pH不同，一般认为，植物植酸酶最适pH为4.0-6.0，在pH值3.0时活性显著下降甚至完全失活(Engelena等，1994)。这类酶在动物胃中的强酸性环境下难以发挥作用，催化效率低。微生物植酸酶最适pH为2.5-7.0，而微生物植酸酶应用较多。在无胃的理科鱼类消化道中，由于没有胃酸的分泌，消化道中pH约呈中性，而在有胃鱼类中，由于具有胃酸的分泌，消化道中酸性较强，植酸酶在酸性条件下剩余酶活要高于中性条件。因此，在不同鱼类消化道pH值不同队植酸酶的应用效果有较大影响。

5.3饲料加工温度

植物植酸酶最适合温度约为40—60℃，其热稳定性较好，有研究指出，800C以下植酸酶活性不会损失（韩延明等，1995）。微生物植酸酶最适合的温度45—57℃。在饲料加工过程中，需经过短暂高温，一般达到75—93℃。Gibson等(1990)研究得出纯化的植酸酶在68℃处理lOmin仅剩余40%的酶活。也有研究指出，将植酸酶置于90℃条件下，处理30min，其活性损失不超过16qo。王枫等(2007)以德国巴斯夫植酸酶为对象，研究显示该植酸酶在pH在4.5—6的范围内均有80%以上的酶活性，最适pH为5.5，在温度30~50℃之间具有5000U/g以上的酶活性，最适温度为40℃，在80℃热处理20min可保持90%以上的酶活性，在90℃热处理20min仅剩51.04%活性。由此可知，不同植酸酶的耐热程度不同，须根据其加工程序选择植酸酶的种类。

6植酸酶的应用前景

对植酸酶的研究已深入分子方面，如DNA重组技术及单片克隆技术等，通过培育植酸酶含量高的大豆、玉米等植物性蛋白，从而促进植物性蛋白在饲料工业中的应用，但目前还未见成效。另外，作为外源添加植酸酶，经过一系列的饲料加工工艺，植酸酶有大量的损耗，对未来的研究需着手于植酸酶的添加方式，同时，通过基因工程选育出耐高温、适合动物肠道环境的植酸酶在今后的研究中待进一步开发。

参考文献（略）