转载植酸磷与植酸酶新进展

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植物性饲料中植酸磷和植酸酶的研究进展 　　　　发布时间：2002-11-11 磷（Phosphorus）是动植物体内的必需矿物元素，在动物体内磷不但是骨骼组织的必要成分，而且在其他代谢功能的正常发挥中起重要作用。由于植物性饲料中的磷大多以植酸磷的形式存在，而单胃动物体内缺乏植酸酶或酶的活性不高，长期以来人们往往是按照植物性饲料中磷的有效率为总磷的1／3的假设来进行饲料配方，有的甚至忽略不计，而用无机磷来满足动物对磷的需要量，这样势必造成磷源的浪费，导致磷的过量排泄。事实上，植物性饲料中的磷以植酸磷和非植酸磷两种形式存在，非植酸磷并非100％为动物所利用，植酸磷的含量也不是简单占总磷的2／3，植酸磷/总磷的比值变动范围在0～93 ％之间（Eeckhou等，1994苏淇等，1984；Viveros等，2000），不同植物性饲料其植酸磷的含量差异很大。本文拟就植物性饲料中磷、植酸磷以及植酸酶的研究进展作一综述，以期对建立我国植物性饲料中有效磷的系统数据库，充分、合理利用植物性饲料中的磷源提供参考。   1  植酸和植酸磷       植酸，即六磷酸酯环己六醇（肌醇六磷酸），是植物性饲料中存在的主要抗营养因子之一，植酸中所含的磷为植酸磷，是植物性饲料中磷的主要存在形式。植酸磷只有先分解为无机磷（Pi）后才能被动物吸收利用。植酸磷的降解需要有酶的参与，不同植酸降解产物（IP 3～IP 5）的形成取决于不同来源的植酸酶活力（Cosgrove，1970），植酸磷的有些异构体在人和动物体内发挥重要的生理作用。就其化学结构和特性来说，植酸具有对金属离子较强的络合性，能与钙、镁、铁、铜、锰、锌等金属离子生成稳定的络合物植酸盐，能直接影响动物对这些矿物质和微量元素的吸收和利用。l摩尔植酸平均可与l～6摩尔金属离子在肠道pH值条件下，形成不溶性的植酸盐。   2 植酸酶的种类和特性       植酸酶属于磷酸单酯水解酶，是磷酸酶的一种特殊类型。目前确认的植酸酶有两种类型。一种是存在于植物、酵母、霉菌和细菌中且需要Mg2+参与催化过程的3－磷酸水解酶（E．C．3．1．3．8），其系统名为肌醇六磷酸一3一磷酸水解酶。这种植酸酶作用于植酸盐时，首先从肌醇的3位上催化释放出无机磷酸盐，然后再依次释放其他部位的磷酸盐，最终酯解整个植酸。另一种植酸酶为6一磷酸水解酶，系统名为肌醇6一磷酸水解酶，只存在于植物籽实中。它首先催化无机磷酸盐从肌醇的6位脱落，然后再依次释放出其他的磷酸盐并最终酯解整个植酸。       植酸酶在动物消化道中催化释放无机磷的能力取决于植酸酶的特性。不同来源的植酸酶分子量不同。霉菌植酸酶分子量一般在60～100 kDa；曲霉植酸酶分子量较大，如土曲霉为214 kDa，无花果曲霉为85～100 kDa，黑曲霉为 200 kDa；细菌植酸酶分子量一般较小，如大肠杆菌为42 kDa，枯草杆菌为38kDa。不同植酸酶具有不同的最适pH范围和最适温度，霉菌植酸酶的最适pH范围为 4．2～5.5，最适温度为45～57℃； Newman等（1991）、Simell等（1989）发现黑曲霉植酸酶在pH值为5.0～6．5时活性最强，最适温度为53～55℃；谷物饲料植酸酶的最适pH为5．l，在pH为3时活性下降，pH值为2时即遭完全破坏。最新研制开发的细菌植酸酶的适宜pH和温度范围见表1。   植酸酶的作用除受pH和温度影响外，还可以被金属离子如 Cu、Zn、Fe和 Ca等抑制，也可被F抑制。Ca和Mg既有抑制作用，同时也是激活剂。某些植物中的植酸酶可被P抑制，有些也可被其中的植酸盐所抑制。维生素D具有提高某些动物肠内容物和粘膜中植酸梅活性的作用。       理想的植酸酶必须具备以下特点：在动物消化道能有效地释放出无机磷，对热稳定，价格便宜。由于植酸酶在动物体内作用的部位主要在胃内（Yi等，1996），因此，适宜的pH和高的抗胃蛋白酶能力有利于植酸酶作用的发挥。不同动物对植酸酶的要求不同，家禽要求中性偏酸的植酸酶，有利于其催化作用的发挥（Riley和Austic，1984），水产动物要求植酸酶最适温度较低（Ramsever等，1999）。同种动物的不同生长阶段消化道的pH值也不一样，如育肥阶段猪胃的pH值要比断奶阶段低（Radcliffe等，1998），要求植酸酶的pH也不一样。因此任何一种单一植酸酶都很难满足动物的需要。       目前商业植酸酶的主要来源有以下3种：一是天然植酸酶的提取，主要提取对象是植物、微生物和细菌，但天然植酸酶产量低，提纯困难，成本高；二是通过发酵工程和生物技术，采用DNA重组使微生物产生的植酸酶活性大幅度提高，从而大大降低了生产成本；三是通过基因克隆，将产生植酸酶的基因克隆到动物体内，使动物自身产生植酸酶，从而可以大量利用植物性饲料中的磷。Golovan等（2001）将PSP／APPA基因（来自E．coli植酸酶）转入仔猪的腮腺，结果发现转入 7～11d后，在猪的唾液中可以检测到 5～6000 U／mL的植酸酶。   3 植物性饲料中植酸磷和植酸酶的含量       植物性饲料中有效磷的含量取决于其植酸磷含量、非植酸磷含量和植酸酶活力三个因素。近20年来的研究发现，不同植物性饲料中磷的生物学效价（生物利用率）差异很大，因此系统了解植物性饲料中植酸磷及其植酸酶含量是充分利用植物性饲料中磷源，研究和开发新的植酸酶的前提和基础。       Eeckhout等（1994）对比利时引种饲料的285个样品，Viveros等（2000）对西班牙24种饲料的182个样品中总磷、植酸磷、植酸酶活、酸性磷酸酶活的含量进行了系统检测，苏演等（1984）、屠焰等（1997）和贾刚、王康宁（2000）对部分植物性饲料中的总磷、植酸磷和（或）植酸酶进行了测定和有效磷的评价。结果表明，禾谷类及其副产品植酸酶含量较高，其中黑麦、小麦、黑麦麸、小麦麸分别为5147、1637、7339和4624 U／kg；豆类籽实及其副产品植酸酶含量较低。从不同研究者所测结果看，同一品种的检测结果存在差异，特别是植酸酶酶活，木同研究者之间的检测结果差异较大。Maga（1982）指出植酸酶含量不仅受土壤、环境条件的影响，同时测定结果的差异也与测定的方法有关。在Eeckhout等（1994）研究的51种植物性饲料中，仅有黑麦、小麦、大麦等籽实以及小麦麸等麦类副产品和米糠等13种饲料中所含的植酸酶酶活高于100 U／kg，其他饲料中植酸酶酶活均较低（＜ 100 U／kg）。       加工调制过程对饲料内源植酸酶产生影响，制粒后的次粉植酸酶酶活仅为制粒前的56％（Eeckhout等，1994），水分含量高的玉米其植酸酶含量比风干玉米高，对玉米一豆粕一麦麸一米糠配合饲料用浸泡的方法可以提高其植酸磷的生物利用率（Liu等，1997）。       谷类籽实中的植酸磷含量约占总磷的59％～79％，小麦麸中占76％，而细米糠中可高达86％（苏琪，1984；贾刚等，2000）；豆类籽实的植酸磷／总磷比例稍低，油饼类达58 ％～70％；块根块茎类、油菜籽壳、大豆壳等植酸磷含量很低，甚至无法被测出。       Viveros等（2000）对植物性饲料中总磷、植酸磷、植酸酶、酸性磷酸酶之间的相互关系进行了研究。谷类副产品以及油籽中的植酸磷（y）含量与总磷（ x）含量呈线性相关（谷类：R2＝0．95，y＝0．8458 X－0．0367；油籽：R2＝0．95，y＝0．945  X－O．20）。在谷类及其副产品以及其他非谷类副产品中，植酸酶和酸性磷酸酶的含量与其植酸磷含量呈正相关，而在豆类籽实和油类籽实中则呈负相关（Viveros等，2000）。油籽中植酸酶酶活（y）与植酸磷（X1）或总磷（X2）存在显著的线性关系：y＝－565 xl＋497（R2＝0．89，P＜0．001）；y=一575 X2＋ 648（ R2＝0．98， P＜0．01）。但 Eeckhout等（1994）研究则认为，饲料中植酸酶活性与其植酸磷和总磷含量无关。   4 饲料中添加植酸酶的效果   4.1 植酸酶对植酸磷利用率和其他营养素利用的影响植酸酶有利于提高植酸磷的利用率，减少饲料中无机磷的供给，降低粪磷排泄。小麦、黑麦等禾本科籽实及其副产品中，由于其天然植酸酶活力高，相应的植酸磷利用率也高，小麦中总磷的表现消化率可达44％～47％（Masri，1995）。韩延明（1996）认为，在配合饲料中如麦麸达17．6％时，饲粮中植酸磷的体外消化率最高，此时从植酸盐中释放的无机磷可以满足生长肥育猪对有效磷的需要。Cromwell等（1993）在生长猪的豆粕和玉米－豆粕日粮中添加植酸酶进行试验表明，植酸酶水平为 1000U／kg时，豆粕日粮中磷的生物学效价从25％提高到57％，玉米一豆粕日粮中磷从15％提高到43％，这一水平的植酸酶大约可将1／3的不可利用的磷转变为可利用形式。Simons等（1990）通过肉鸡的试验证明，日粮中添加植酸酶可使磷的利用率显著提高，特别是低磷饲料能提高60％，磷排泄量减少40％。       由于植酸可以络和矿物元素形成不易被动物吸收的盐类，因此植酸酶的添加可以相应增加这些元素的利用率。Lynch（1996）报道，将植酸酶以300U/kg加入蛋鸡饲料，饲料中磷的添加水平可降低0．1％，相应的钙添加水平可降低0．3％～0．5％；添加植酸酶可以不同程度地改善锌的生物学效价（Yi，1996；Thiel等，1996；Lei等， 1993）；Sebastian（1996）研究结果表明，添加植酸酶使铜沉积率提高19．3个百分点； Sandberg（ 1991）体外试验结果发现，当小麦麸与黑麦麸中6一磷酸盐、5一磷酸盐被激活的内源植酸酶完全水解时，铁的溶解度可以从3％～5％上升到 21％～53％。       植酸还可形成一种复杂的蛋白质阻碍肠道多种酶（如α－淀粉酶，胰蛋白酶、胃蛋白酶等）的活性，从而影响蛋白质的消化（ Nair等，1991；Caldwell，1992）。张克英等（2001）研究了添加植酸酶对断奶仔猪蛋白质、氨基酸等消化率的影响，结果表明添加植酸酶可以提高蛋白质生物学效价（P＜0．25＝和Lys的回肠消化率（P＜0．25＝。   4．2 添加植酸酶对动物生产性能的影响  植酸酶通过使植酸降解，释放出无机矿物元素同时解除植酸对其他养分消化吸收的抑制作用，提高蛋白质的消化率和氨基酸的吸收，最终有利于提高动物的生产性能。这方面的报道很多，不再赘述。   5结论       充分利用植物性饲料中的磷，减少配合饲料中无机磷的添加，是降低畜禽磷污染的根本途径。植物性饲料中的磷主要由植酸磷组成，不同品种的植物性饲料其植酸磷和植酸酶的含量不同，谷类籽实中的植酸磷含量较高，豆类籽实稍低，块根块茎类、油菜籽壳、大豆壳等植酸磷含量最低。植物性饲料植酸磷含量与其总磷含量呈显著正相关，但植酸酶酶活与其植酸磷和（或）总磷含量之间的关系，不同的研究者所得结果存在较大差异，是否能用植酸磷和（或）总磷含量来预测植酸酶酶活有待进一步研究。外源植酸酶的添加可以显著提高植酸磷的生物利用率和动物的生产性能。由于人们对环保的日益关注，植酸酶产品的研究开发已成为动物营养和饲料工业的热点之一。

发布时间：2002-11-11

磷（Phosphorus）是动植物体内的必需矿物元素，在动物体内磷不但是骨骼组织的必要成分，而且在其他代谢功能的正常发挥中起重要作用。由于植物性饲料中的磷大多以植酸磷的形式存在，而单胃动物体内缺乏植酸酶或酶的活性不高，长期以来人们往往是按照植物性饲料中磷的有效率为总磷的1／3的假设来进行饲料配方，有的甚至忽略不计，而用无机磷来满足动物对磷的需要量，这样势必造成磷源的浪费，导致磷的过量排泄。事实上，植物性饲料中的磷以植酸磷和非植酸磷两种形式存在，非植酸磷并非100％为动物所利用，植酸磷的含量也不是简单占总磷的2／3，植酸磷/总磷的比值变动范围在0～93 ％之间（Eeckhou等，1994苏淇等，1984；Viveros等，2000），不同植物性饲料其植酸磷的含量差异很大。本文拟就植物性饲料中磷、植酸磷以及植酸酶的研究进展作一综述，以期对建立我国植物性饲料中有效磷的系统数据库，充分、合理利用植物性饲料中的磷源提供参考。   1  植酸和植酸磷       植酸，即六磷酸酯环己六醇（肌醇六磷酸），是植物性饲料中存在的主要抗营养因子之一，植酸中所含的磷为植酸磷，是植物性饲料中磷的主要存在形式。植酸磷只有先分解为无机磷（Pi）后才能被动物吸收利用。植酸磷的降解需要有酶的参与，不同植酸降解产物（IP 3～IP 5）的形成取决于不同来源的植酸酶活力（Cosgrove，1970），植酸磷的有些异构体在人和动物体内发挥重要的生理作用。就其化学结构和特性来说，植酸具有对金属离子较强的络合性，能与钙、镁、铁、铜、锰、锌等金属离子生成稳定的络合物植酸盐，能直接影响动物对这些矿物质和微量元素的吸收和利用。l摩尔植酸平均可与l～6摩尔金属离子在肠道pH值条件下，形成不溶性的植酸盐。   2 植酸酶的种类和特性       植酸酶属于磷酸单酯水解酶，是磷酸酶的一种特殊类型。目前确认的植酸酶有两种类型。一种是存在于植物、酵母、霉菌和细菌中且需要Mg2+参与催化过程的3－磷酸水解酶（E．C．3．1．3．8），其系统名为肌醇六磷酸一3一磷酸水解酶。这种植酸酶作用于植酸盐时，首先从肌醇的3位上催化释放出无机磷酸盐，然后再依次释放其他部位的磷酸盐，最终酯解整个植酸。另一种植酸酶为6一磷酸水解酶，系统名为肌醇6一磷酸水解酶，只存在于植物籽实中。它首先催化无机磷酸盐从肌醇的6位脱落，然后再依次释放出其他的磷酸盐并最终酯解整个植酸。       植酸酶在动物消化道中催化释放无机磷的能力取决于植酸酶的特性。不同来源的植酸酶分子量不同。霉菌植酸酶分子量一般在60～100 kDa；曲霉植酸酶分子量较大，如土曲霉为214 kDa，无花果曲霉为85～100 kDa，黑曲霉为 200 kDa；细菌植酸酶分子量一般较小，如大肠杆菌为42 kDa，枯草杆菌为38kDa。不同植酸酶具有不同的最适pH范围和最适温度，霉菌植酸酶的最适pH范围为 4．2～5.5，最适温度为45～57℃； Newman等（1991）、Simell等（1989）发现黑曲霉植酸酶在pH值为5.0～6．5时活性最强，最适温度为53～55℃；谷物饲料植酸酶的最适pH为5．l，在pH为3时活性下降，pH值为2时即遭完全破坏。最新研制开发的细菌植酸酶的适宜pH和温度范围见表1。   植酸酶的作用除受pH和温度影响外，还可以被金属离子如 Cu、Zn、Fe和 Ca等抑制，也可被F抑制。Ca和Mg既有抑制作用，同时也是激活剂。某些植物中的植酸酶可被P抑制，有些也可被其中的植酸盐所抑制。维生素D具有提高某些动物肠内容物和粘膜中植酸梅活性的作用。       理想的植酸酶必须具备以下特点：在动物消化道能有效地释放出无机磷，对热稳定，价格便宜。由于植酸酶在动物体内作用的部位主要在胃内（Yi等，1996），因此，适宜的pH和高的抗胃蛋白酶能力有利于植酸酶作用的发挥。不同动物对植酸酶的要求不同，家禽要求中性偏酸的植酸酶，有利于其催化作用的发挥（Riley和Austic，1984），水产动物要求植酸酶最适温度较低（Ramsever等，1999）。同种动物的不同生长阶段消化道的pH值也不一样，如育肥阶段猪胃的pH值要比断奶阶段低（Radcliffe等，1998），要求植酸酶的pH也不一样。因此任何一种单一植酸酶都很难满足动物的需要。       目前商业植酸酶的主要来源有以下3种：一是天然植酸酶的提取，主要提取对象是植物、微生物和细菌，但天然植酸酶产量低，提纯困难，成本高；二是通过发酵工程和生物技术，采用DNA重组使微生物产生的植酸酶活性大幅度提高，从而大大降低了生产成本；三是通过基因克隆，将产生植酸酶的基因克隆到动物体内，使动物自身产生植酸酶，从而可以大量利用植物性饲料中的磷。Golovan等（2001）将PSP／APPA基因（来自E．coli植酸酶）转入仔猪的腮腺，结果发现转入 7～11d后，在猪的唾液中可以检测到 5～6000 U／mL的植酸酶。   3 植物性饲料中植酸磷和植酸酶的含量       植物性饲料中有效磷的含量取决于其植酸磷含量、非植酸磷含量和植酸酶活力三个因素。近20年来的研究发现，不同植物性饲料中磷的生物学效价（生物利用率）差异很大，因此系统了解植物性饲料中植酸磷及其植酸酶含量是充分利用植物性饲料中磷源，研究和开发新的植酸酶的前提和基础。       Eeckhout等（1994）对比利时引种饲料的285个样品，Viveros等（2000）对西班牙24种饲料的182个样品中总磷、植酸磷、植酸酶活、酸性磷酸酶活的含量进行了系统检测，苏演等（1984）、屠焰等（1997）和贾刚、王康宁（2000）对部分植物性饲料中的总磷、植酸磷和（或）植酸酶进行了测定和有效磷的评价。结果表明，禾谷类及其副产品植酸酶含量较高，其中黑麦、小麦、黑麦麸、小麦麸分别为5147、1637、7339和4624 U／kg；豆类籽实及其副产品植酸酶含量较低。从不同研究者所测结果看，同一品种的检测结果存在差异，特别是植酸酶酶活，木同研究者之间的检测结果差异较大。Maga（1982）指出植酸酶含量不仅受土壤、环境条件的影响，同时测定结果的差异也与测定的方法有关。在Eeckhout等（1994）研究的51种植物性饲料中，仅有黑麦、小麦、大麦等籽实以及小麦麸等麦类副产品和米糠等13种饲料中所含的植酸酶酶活高于100 U／kg，其他饲料中植酸酶酶活均较低（＜ 100 U／kg）。       加工调制过程对饲料内源植酸酶产生影响，制粒后的次粉植酸酶酶活仅为制粒前的56％（Eeckhout等，1994），水分含量高的玉米其植酸酶含量比风干玉米高，对玉米一豆粕一麦麸一米糠配合饲料用浸泡的方法可以提高其植酸磷的生物利用率（Liu等，1997）。       谷类籽实中的植酸磷含量约占总磷的59％～79％，小麦麸中占76％，而细米糠中可高达86％（苏琪，1984；贾刚等，2000）；豆类籽实的植酸磷／总磷比例稍低，油饼类达58 ％～70％；块根块茎类、油菜籽壳、大豆壳等植酸磷含量很低，甚至无法被测出。       Viveros等（2000）对植物性饲料中总磷、植酸磷、植酸酶、酸性磷酸酶之间的相互关系进行了研究。谷类副产品以及油籽中的植酸磷（y）含量与总磷（ x）含量呈线性相关（谷类：R2＝0．95，y＝0．8458 X－0．0367；油籽：R2＝0．95，y＝0．945  X－O．20）。在谷类及其副产品以及其他非谷类副产品中，植酸酶和酸性磷酸酶的含量与其植酸磷含量呈正相关，而在豆类籽实和油类籽实中则呈负相关（Viveros等，2000）。油籽中植酸酶酶活（y）与植酸磷（X1）或总磷（X2）存在显著的线性关系：y＝－565 xl＋497（R2＝0．89，P＜0．001）；y=一575 X2＋ 648（ R2＝0．98， P＜0．01）。但 Eeckhout等（1994）研究则认为，饲料中植酸酶活性与其植酸磷和总磷含量无关。   4 饲料中添加植酸酶的效果   4.1 植酸酶对植酸磷利用率和其他营养素利用的影响植酸酶有利于提高植酸磷的利用率，减少饲料中无机磷的供给，降低粪磷排泄。小麦、黑麦等禾本科籽实及其副产品中，由于其天然植酸酶活力高，相应的植酸磷利用率也高，小麦中总磷的表现消化率可达44％～47％（Masri，1995）。韩延明（1996）认为，在配合饲料中如麦麸达17．6％时，饲粮中植酸磷的体外消化率最高，此时从植酸盐中释放的无机磷可以满足生长肥育猪对有效磷的需要。Cromwell等（1993）在生长猪的豆粕和玉米－豆粕日粮中添加植酸酶进行试验表明，植酸酶水平为 1000U／kg时，豆粕日粮中磷的生物学效价从25％提高到57％，玉米一豆粕日粮中磷从15％提高到43％，这一水平的植酸酶大约可将1／3的不可利用的磷转变为可利用形式。Simons等（1990）通过肉鸡的试验证明，日粮中添加植酸酶可使磷的利用率显著提高，特别是低磷饲料能提高60％，磷排泄量减少40％。       由于植酸可以络和矿物元素形成不易被动物吸收的盐类，因此植酸酶的添加可以相应增加这些元素的利用率。Lynch（1996）报道，将植酸酶以300U/kg加入蛋鸡饲料，饲料中磷的添加水平可降低0．1％，相应的钙添加水平可降低0．3％～0．5％；添加植酸酶可以不同程度地改善锌的生物学效价（Yi，1996；Thiel等，1996；Lei等， 1993）；Sebastian（1996）研究结果表明，添加植酸酶使铜沉积率提高19．3个百分点； Sandberg（ 1991）体外试验结果发现，当小麦麸与黑麦麸中6一磷酸盐、5一磷酸盐被激活的内源植酸酶完全水解时，铁的溶解度可以从3％～5％上升到 21％～53％。       植酸还可形成一种复杂的蛋白质阻碍肠道多种酶（如α－淀粉酶，胰蛋白酶、胃蛋白酶等）的活性，从而影响蛋白质的消化（ Nair等，1991；Caldwell，1992）。张克英等（2001）研究了添加植酸酶对断奶仔猪蛋白质、氨基酸等消化率的影响，结果表明添加植酸酶可以提高蛋白质生物学效价（P＜0．25＝和Lys的回肠消化率（P＜0．25＝。   4．2 添加植酸酶对动物生产性能的影响  植酸酶通过使植酸降解，释放出无机矿物元素同时解除植酸对其他养分消化吸收的抑制作用，提高蛋白质的消化率和氨基酸的吸收，最终有利于提高动物的生产性能。这方面的报道很多，不再赘述。   5结论       充分利用植物性饲料中的磷，减少配合饲料中无机磷的添加，是降低畜禽磷污染的根本途径。植物性饲料中的磷主要由植酸磷组成，不同品种的植物性饲料其植酸磷和植酸酶的含量不同，谷类籽实中的植酸磷含量较高，豆类籽实稍低，块根块茎类、油菜籽壳、大豆壳等植酸磷含量最低。植物性饲料植酸磷含量与其总磷含量呈显著正相关，但植酸酶酶活与其植酸磷和（或）总磷含量之间的关系，不同的研究者所得结果存在较大差异，是否能用植酸磷和（或）总磷含量来预测植酸酶酶活有待进一步研究。外源植酸酶的添加可以显著提高植酸磷的生物利用率和动物的生产性能。由于人们对环保的日益关注，植酸酶产品的研究开发已成为动物营养和饲料工业的热点之一。

vcanor

不错的帖子，收藏了。多谢楼主！