植酸酶在猪饲料中的应用

1植酸酶在猪饲料中的应用陈晓珍2009082507【摘要】植酸酶是一种新型的可作为动物饲料添加剂的重要酶制剂。对提高饲料中磷的利用率，提高动物的生产性能有重要的意义。它是一种水解酶，能降解饲料中的抗营养因子植酸并释放出无机磷及与植酸结合的蛋白质、微量元素等，特别是提高了饲料中植酸磷的利用率，减少磷的排放量，降低环境中磷的污染，并能消除植酸的抗营养作用，提高饲料各种营养组分的消化利用率。本文综述了植酸酶在猪饲料中的有关应用。【关键词】植酸酶猪饲料应用植酸是植物性饲料中普遍存在的一种抗营养因子，植酸磷大部分难以被猪和禽所利用而随粪便排出体外，污染环境。约10％左右的植酸磷可被猪利用。由于单胃动物的消化道内缺乏植酸酶，不能很好地利用植物中的植酸磷，只能以添加无机磷的形式来满足单胃动物的磷需要量。植酸酶可使植酸磷降解成肌醇和磷酸，从而减少饲料中磷酸氢钙等无机磷的添加量，另外，研究结果还发现了植酸酶的潜在营养价值：能够提高饲料中蛋白质和能量的消化率。植酸酶的应用在一定的程度上能缓解我国磷资源的匮乏、减少磷资源的浪费、降低磷排放所带来的污染。植酸酶是近年来出现的一种新型酶制剂，可水解植酸释放出可利用磷，从而减少单胃动物饲料中无机磷的使用量，以减少动物粪便中的磷对环境的污染。在饲料中添加一定量的植酸酶,能促进仔猪生长,提高日增重和饲料转化率,而且能显著提高饲料中粗蛋白、灰分、钙和磷的消化率。以植酸酶在猪饲料中的应用为例，本文就植酸酶的来源、抗营养特性以及各种在猪饲料中的作用做简要的介绍。1植酸酶的来源1.1植酸酶的分类自然界的植酸酶来源有3种：动物肠道细胞、植物的种子和组织、微生物，其中微生物是植酸酶的主要来源。目前分离出的植酸酶主要有两种：3一植酸酶和6一植酸酶前者最先水解的是肌3号碳原子位置的磷酸根。主要存在于动物和微生物中：后者最先水解的是6号碳原子的磷酸根。主要存在于植物组织。到目前为止，己经从动物、植物和微生物等中分离出多种植酸酶基因。来源于微生物的植酸酶作用范围和稳定性较好，易规模化生产，近几年的研究大都集中来源于微生物的植酸酶。产植酸酶的微生物有丝状真菌、酵母和细菌等。真菌产生的酸性植酸酶，其最适温度在53-70cC，最适pH值为2.0-6.0[1]，适用于胃pH值呈酸性的单胃动物。芽抱杆菌产植酸酶具有近乎中性的最适pH值，酶活性高，热稳定性好，可广泛应用于鱼类饲料中[2-3]。大肠杆菌植酸酶良好的热稳定性和蛋白酶抗性也深受人们关注。1.2植酸酶研究进程植酸酶(phytase)是一种专一性水解植酸成为肌醇与无机磷酸的单脂水解酶，主要存在于植物籽实中，最早由Suzuki于1907年在米糠中发现。1968年，植酸酶首次作为添加剂被应用于饲料中，在促进动物生长、提高机体对植酸磷的利用效率等方面都表现出良好效果，因而受到人们的普遍关注(Nelson，1968)。此后，研究者对植酸酶在改善饲料转化效率、降低粪磷排泄和促进机体对日粮养分如蛋白质的吸收利用，促进动物生长等方面进行了研究，均取得良好效果[4]。近年来，通过基因工程的方法获得耐酸、耐热的植酸酶工程菌是目前植酸酶的研究热点[5]。具体方法包括植酸酶新基因的克隆，植酸酶的分子改造，晶体分析和植酸酶的转基因研究等。2植酸的抗营养特性植酸(亦称六磷酸肌醇)或植酸盐广泛存在于植物体内，约占日粮的0.26%～1.37%，在植物性饲料2原料中有60％～80％的磷以植酸磷形式存在的，是饲料中主要的抗营养因子之一。中性pH条件下，植酸的磷酸基团上至少有一个或两个负氧离子，它可以通过阳离子将两个磷酸基团络合起来。图1是植酸和植酸盐的复合物的化学结构。从图1的结构可以看出，植酸还会影响多种营养物质的消化吸收，它常和二价或三价阳离子、蛋白质、胃蛋白酶、胰蛋白酶和α－淀粉酶等络合，形成不溶性的盐，降低它们的生物利用率，因此谷物中存在的植酸对动物而言是一种抗营养因子。3．植酸酶在猪饲料中的应用植酸酶在猪日粮中应用的优越性，已被国内外众多学者在试验和实践中证实。Campbell等研究报道，在有效磷含量分别为3．5和4.5gkg的断奶仔猪日粮中添加植酸酶500FTU·kg一，其增重率和饲料转换率分别提高了14.4％和9.2％[6]。Bruce等在以燕麦为基础日粮中添加植酸酶，发现猪回肠末端磷的消化率提高64％，总消化率提高了46％，磷的排泄量降低了38．7％，干物质、钙、镁及蛋白质的表观消化率分别提高了10．6％、32．8％、55．2％及3．8％[7]。Gebert等研究发现，在猪日粮中添加植酸酶能改善粗蛋白质、氨基酸、干物质、粗纤维、脂肪的利用率，从而提高了日粮能量的消化率[8]。但也有一些相反的研究结果，Fandrejewski等报道，在以小麦和大麦为基础的日粮中添加植酸酶1000丌U·kg一，对母猪的蛋白质沉积、生长性能、胴体重、脂肪厚度及脂肪沉积无影响[9]。试验结果的不一致可能是由不同基础日粮、不同底物浓度、不同动物群体以及环境因素引起的。3.1提高磷的利用率当用玉米来饲喂单胃动物时，通过合理搭配日粮可以使粪便中磷的排出量下降50％[10]。植酸酶的主要功能是将植酸结合的磷释放出来，使动物能利用。将经分子生物学改造的植酸酶添加到单胃动物的饲料中，目的是提高单胃动物对植物中植酸来源的磷的利用率。在猪饲料中添加微生物植酸酶，可使磷的利用率提高50％—70％，粪磷含量降低30％—50％[11]。在低植酸玉米日粮中添加植酸酶时，粪便中排出的磷会进一步减少，从Aspersillusficuum的培养物中提取的植酸酶添加到液体状豆粕日粮中，并将日粮在50℃下温育了2到24小时，日后粮中磷的消化率从42％上升到69％[12]。若在每千克日粮中添加1000U的微生物植酸酶，日粮中正磷酸盐的含量会明显增加。在饲料中添加活性为6500μg/g的植酸酶，能使植物性原料磷利用率提高至60％，排出量减少50％[13]。日粮中植酸磷含量是7.3g/kg时，如果这些植酸磷完全被水解可以形成664mmol/kg的游离正磷酸盐。把有植酸酶的日粮孵化8小时后，每千克日粮中可以增加66.8mmol的游离磷酸盐，并且磷酸盐结合的磷可以完全被释放。当温育到4h将有80％的磷酸盐中的磷被释放，结果可以使表观消化率提高24％，粪中磷含量下降35％[14]。利用高活性、稳定性强的植酸酶可以将家禽和猪的有机磷排泄量减少25-70％左右。大量研究表明,添加微生物源植酸酶能明显提高日粮植酸磷的利用率,这不仅可减少添加无机磷的3费用,而且降低粪尿中磷的水平,从而减少磷造成的环境污染。添加植酸酶还可进一步提高仔猪对磷的表观吸收,增加脚掌切力和骨灰分。可见，减少猪磷排泄的一个比较实用的方法就是用微生物植酸酶做饲料添加剂。植酸酶水解磷酸盐，在猪的各个生长阶段日粮中添加植酸酶可以完全替代添加磷[15]，然而植酸酶被用作添加剂要受价格、高温失活（颗粒饲料需要80℃以上的高温制粒）、在贮藏阶段活性下降等限制。3.2提高饲料中微量元素的利用率植酸上的磷酸基团呈负电性，具有很强的络合力，它与一些阳离子如Ca2+、Mg2+、zn2+、CC2+、Mn2+、Fe2+和K+等金属离子及蛋白质螯合成稳定的复合物，形成不溶性盐，从而降低这些营养成分的利用率。肠道中的pH值适于形成Zn-Ca-Cu-植酸盐螯合物。在小肠上段，由于形成Zn-Cu-植酸盐螯合物而使饲料中90％以上的Zn不可利用。可见植酸的存在不仅影响畜禽对磷的吸收和利用，对其他矿物元素也有影响。刘自逵等（2010）报道[16]，在生长育肥猪日粮中添加植酸酶替代部分磷酸氢钙。改善了生长育肥猪生长性能，其中添加大肠杆菌植酸酶显著改善生长育肥猪的生长性能；显著改善干物质、粗蛋白质、钙、磷、总能的表观消化率，并显著降低了粪中氮、磷的排泄；显著提高了血清中总蛋白、球蛋白、血清磷的浓度，而尿素氮、血清钙浓度最著降低。添加黑曲霉植酸酶后，血糖浓度下降，而碱性磷酸酶的活性无显著变化；添加大肠杆菌植酸酶后，碱性磷酸酶的活性显著降低，而血糖浓度无显著变化。董其国等（2010）报道[17]，添加500U∕kg植酸酶可以显著提高动物生产性能和养分消化率，而添加1000U∕kg对部分氨基酸消化率的改善效果最佳。董其国等（2010）研究表明[18]：包衣植酸酶对猪生产性能及饲料养分利用率的效果最好．其次是微丸植酸酶，粉状植酸酶的效果最差。3.3提高饲料中蛋白质和氨基酸的利用率植酸酶可将与植酸相结合的氨基酸和蛋白质（包括消化酶的饲料中的蛋白质）释放出来，增加消化酶量和底物蛋白质的浓度，从而提高蛋白质和氨基酸的利用率。在猪日粮中添加植酸酶，蛋白质和氨基酸的回肠消化率最多可提高7%~12（Officer和Batterham1992年）。植酸的抗营养作用主要指其与蛋白质形成植酸一蛋白质络合物抑制蛋白质水解酶的事实。植酸和蛋白质的相互作用开始于种子成熟期，随着种子的成熟，植酸逐渐在单子叶植物种子的糊粉层和双子叶种子的蛋白体部位累积。植酸酶能使日粮中的养分从与植酸的结合状态中释放出来在仔猪中添加植酸酶,明显提高了蛋白质和氨基酸在小肠的消化率[19]。陈文等报道,日粮中添加植酸酶可以改善蛋白质的生物学利用率[20]。Gebert等研究表明,植酸酶能解除植酸对蛋白质、淀粉、脂肪酸、胰脂肪酸酶、蛋白质分解酶的螯合,提高蛋白质、氨基酸、干物质、粗纤维、脂肪的利用率[21]。在本试验中,用植酸酶替代0.5%的磷酸氢钙后,显著提高了生长猪日粮中干物质、粗蛋白的消化率。添加植酸酶可以释放部分被植酸络合的蛋白质，从而提高蛋白质的利用率。在猪饲料中添加植酸酶，蛋白质和氨基酸的回肠消化率提高了7％～12％。可见，植酸酶对蛋白质和氨基酸利用率的促进作用具有重大意义。3.4提高日增重和饲料转化率在猪的日粮中添加植酸酶可明显改善生产性能。有实验报道，在畜禽日粮添加植酸酶，其日增重和日耗料均显著增加，其原因大多认为是植酸酶对植酸水解，使消化酶、维生素、矿物元素等的含量和活性增加，导致动物采食量增加、营养物质消化吸收增强的结果。许多研究资料表明,单胃动物饲料中添加植酸酶能显著提高动物生产性能,其主要原因是提高了植酸磷的生物学利用率[22]。该试验进一步验证了上述报道,表明在饲料中添加一定量的植酸酶能显著提高仔猪日增重,降低料肉比。且饲料添加600IU/kg植酸酶较为适宜,与添加1000IU/kg植酸酶相比,提高的生产性能差异不显著。添加植酸酶可提高仔猪生产性能的另一重要原因是降低了仔猪的腹泻率[23]。在仔猪日粮中添加适量的植酸酶可降低每克干粪中的大肠杆菌数,推断可能是因为植酸酶促进了仔猪营养物质的吸收,肠道可被大肠杆菌利用的营养物质及发酵物质减少,从而大肠杆菌生长速度减慢,使仔猪腹泻率下降。植酸4酶促进了植酸磷的水解,有利于植酸磷中磷的吸收,从而使粪中磷的含量减少,这可以减少磷对环境的污染,对环保具有非常重要的作用[24-25]4.展望植酸酶可以分解植酸，消除植酸的抗营养作用。提高磷的利用率，减少外源无机磷的添加；提高蛋白质、氨基酸的利用率，减少粪氮的排放；提高微量元素的利用率，减少矿物元素的排放；提高单位动物的生产性能，增加经济效益。植酸酶的这些作用不仅可以降低饲料成本，而且对环境保护有着重要的作用。目前植酸酶主要应用在饲料方面，它作为一种高效、无毒副作用和环保型的“绿色”饲料添加剂，已在饲料工业中得到广泛使用，它可以明显降低饲料生产成本，促进畜牧业的快速发展。参考文献：[1]PANDEYAA,SZAKACSG,CARLOSR,etal.Production,purificationandporpertiesofmicrobialphytas[J].BioresourceTechnology,2001(77):203-214.[2]IGBASANFA,MANNERK,MIKSCHG.Comparativestudiesontheinvitorpropertiesofphytasesfromvariousmicorbialorigins[J].ArchTieremahr