水产植酸酶的合理选择与科学使用

■吴建军

(武汉新华扬生物股份有限公司，湖北武汉 430074)

1 植酸酶及其特性

1.1 植酸酶

植酸酶即肌醇六磷酸水解酶，属于磷酸单脂水解酶，是一种具有催化植酸及植酸盐水解功能的生物催化剂，它催化植酸或植酸盐的水解产物是肌醇、无机磷及其它可能与植酸结合的物质，如钙、锌、镁、锰等微量元素以及蛋白质、淀粉等。

1.2 植酸酶的来源与酶学特性

植酸酶在自然界的分布相当广泛，在动物、植物和微生物中都存在，只是在酶的活性与特性方面上有所不同。由于动物和植物来源的植酸酶的活性和作用效率较低，所以没有进行商品开发，对其的研究也非常有限。目前饲料工业中应用的植酸酶主要来源于真菌中的曲霉和细菌中的芽孢杆菌。

1.2.1 真菌来源的植酸酶

真菌性植酸酶主要来自于一些曲霉，包括无花果曲霉、土曲霉、黑曲霉。迄今为止，研究最多的是黑曲霉变种（A.niger var.ficuum）所产生的植酸酶，该变种所产生的植酸酶有两种：首次得到的酶的最大活性时的pH值为5.0，pH值2.5时活性次之(Van Hartingsveldt等，1993)。随后又得到一个性质截然不同的酶,在pH值2.5时的活性最大,在pH值5.0时没有活性(Ullah等,1994)。其中，pH值5.0时活性最大的植酸酶称为植酸酶A，pH值2.5时活性最大的植酸酶称为植酸酶B（Eeckhout等，1996）。一般情况下，真菌所产生的均为酸性植酸酶，是目前在饲料工业中应用得最多的一类植酸酶，它们最适作用的pH值一般在7以下，适合在单胃动物和有胃鱼类中使用。这类植酸酶的分子量较大，如土曲霉产生的植酸酶分子量为214 kDa，无花果曲霉为85～100 kDa，黑曲霉为200 kDa。它们最佳酶活pH值在2.5～5.5，最适温度在45～57℃之间（冯定远，2005）。

1.2.2 细菌来源的植酸酶

芽孢杆菌、大肠杆菌等细菌也可以产生植酸酶，而且它们所产生的主要是中性植酸酶，适宜pH值范围为4.5～7.5。目前已分离出多种产植酸酶的芽孢杆菌，主要是枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、淀粉液化芽孢杆菌、芽孢乳杆菌、大肠杆菌等（冯定远，2005）。

各种芽孢杆菌所产植酸酶的酶学性质基本一致，具有相近的分子量(38～47 kDa)，其酶促反应的最适pH值在7.0左右；在热稳定性方面，也比来源于真菌和大肠杆菌的酸性植酸酶具有更好的热稳定性，有助于抵抗饲料制粒或者膨化过程中高温引起的酶活，作为动物饲料添加剂具有良好的应用前景(Igbasan等,2000)。Kerovuo等(1998)报道，B.subtilis植酸酶，分子量为43 kDa，最适pH值为7.0，最适温度为55℃，在5 mM Ca2+溶液中，60℃温育10 min，剩余酶活90%以上；100℃温育10 min，剩余酶活20%；若没有Ca2+的存在则无酶活，只有在Ca2+的存在下，植酸酶才有热稳定性，而且在热诱导的变性后，植酸酶才可部分复性。可见无Ca2+的植酸酶变性是一种不可逆的，Ca2+对植酸酶的三维结构具有稳定作用。

2 商品化的植酸酶

2.1 商品化植酸酶的种类

商品植酸酶根据其发挥作用的最佳pH值环境可以分为酸性植酸酶和中性植酸酶，酸性植酸酶是最早商品化的植酸酶，主要被应用到畜禽以及有胃鱼类的饲料中；而中性植酸酶则是随着水产饲料的广泛推广与应用而发展起来的，它主要被应用到以鲤科鱼类为代表无胃鱼类的饲料中，目前还处于起步阶段。

2.2 商品植酸酶的酶活定义

酶活是控制植酸酶质量的标准，同一种植酸酶，酶活的定义不同，所检测到的酶活也不一样。为了便于控制植酸酶的质量，国家已制定了统一的植酸酶的酶活定义和检测方法。其对植酸酶的酶活定义是：在37℃、pH值5.5的条件下，每分钟从浓度为5.0 mmol/l植酸钠溶液中释放1 μmol无机磷所需的酶量为1个酶活单位（U）。从上述植酸酶的酶活定义看，该定义主要是根据畜禽上使用的植酸酶的特性来定义的，对于水产动物用植酸酶的参考意义不大。因此，不少的水产植酸酶生产企业都针对性地提出了自己的水产专用植酸酶的酶活定义，如武汉新华扬生物股份有限公司对于水产植酸酶的定义为：在30℃、pH值6.0的条件下，每分钟从浓度为5.0 mmol/l植酸钠溶液中释放1 μmol无机磷所需的酶量为1个酶活单位(U)。这样的定义就可以很好地评价不同水产植酸酶的质量。

2.3 商品植酸酶的剂型

目前国内商品植酸酶的主要剂型包括：粉状、普通颗粒、微丸、包衣和液体等5种剂型，各种剂型均有优缺点。

2.3.1 粉状

粉状植酸酶是在酶液（发酵液或超滤后的酶液）中加入相应的载体，通过抽真空或喷雾等形式进行干燥处理，使酶蛋白附着于载体表面或孔隙中，从而提高酶分子的稳定性，干燥后的产品呈均匀分散的粉末状。其制造成本低，容易与饲料原料进行充分混合，适宜于生产对植酸酶酶活破坏性小的饲料产品，但稳定性差，在高温、高湿环境中易失活。由于各企业采用的吸附载体、分散载体、稳定材料等的不同，各企业制备出的粉剂产品在粒度大小、颜色、气味、稳定性及价格上均有不同程度的差异。

2.3.2 颗粒或微丸

颗粒或微丸植酸酶是通过物理的方法，将植酸酶制成颗粒，从而减少饲料生产过程中热对植酸酶的破坏，热稳定性较高，储存期长，在动物体内释放速度快，流动性好，但价格相对较高。

2.3.3 包衣

包衣植酸酶是将植酸酶制成颗粒后，再在其表面喷涂一层热稳定性包材，将植酸酶包裹在里面，其热稳定性得到进一步提高，但其释放速度也会因包材的不同而受到一定影响。

2.3.4 液体

一般通过液态发酵后经超滤而得。超滤后的酶液呈较澄清的浅褐色，为提高酶液的稳定性，生产企业需在酶液中加入稳定剂，加入稳定剂后的液剂产品颜色通常加深，黏度增加。在饲料中的添加量较小，对喷涂精度要求高。

3 水产植酸酶的适当选择

与其它一些添加剂不一样，植酸酶是一种生物活性物质，影响其作用发挥的因素较多，对于其质量的控制也没有统一的方法，因此，在选择植酸酶时也必须从稳定性、安全性以及产品质量等多方面进行考察，选择合适的、有效的植酸酶产品。

3.1 水产植酸酶的稳定性考察

植酸酶作为一种特殊的添加剂，在饲料中的使用，必须能够经受住饲料加工、贮存和使用过程中各种因素的干扰与破坏，所以，在实际生产中应选择耐热性好、最适pH值范围广、能较好耐受消化道消化酶作用的饲用植酸酶，同时还应注意矿物元素对其酶活的影响。

3.1.1 水产植酸酶的温度适应性

酶对温度的适应性是目前阻碍饲用植酸酶在水产饲料中推广应用的主要因素之一，因为在水产饲料加工过程中，饲料原料要经历一个高温调质或挤压膨化的过程，饲料调质温度一般高达85～90℃，挤压膨化温度则达120℃以上，而酶是具有一定结构的活性蛋白质，其活性中心易受到温度的影响而失活变性。

温度对植酸酶的影响主要表现在两个方面：一个是植酸酶应用于饲料中耐受的调质制粒温度；另一个是植酸酶本身的最适作用温度。对于植酸酶应用于饲料，能否耐受住饲料调质制粒温度的破坏，这一问题随着植酸酶后喷涂技术的发展，已经得到了较好的解决。至于植酸酶应用到水产动物后，能否在其最适作用温度下发挥作用，这一方面与酶本身的性质有关，另一方面与其发挥作用的环境条件有关，因此在使用过程中首先必须了解所选用的植酸酶的不同温度条件下的酶活情况，再结合环境的条件，根据具体的情况，通过调整植酸酶的用量来保证植酸酶的作用。如一种植酸酶在20℃时，其酶活只有30℃时的60%，而酶活定义的温度是30℃，那么在20℃时使用该酶就应该将其用量加大到30℃时的1.6～1.7倍，才能保证其在20℃时也能充分地发挥作用。

3.1.2 水产植酸酶的pH值适应性

饲用植酸酶主要是在动物的消化道中发挥作用的，在其发挥作用的过程中会受到机体消化道pH值环境的影响，在不同的pH值环境中所表现出来的活性也不同。如果一种植酸酶具有较宽的保持高活力的pH值范围，同时又适应动物体内消化道环境的pH值，那么这种酶就能较好地发挥作用。养殖鱼类根据胃的存在与否，可以分为有胃鱼和无胃鱼两类。在有胃鱼中，植酸酶主要在胃中发挥作用，需要选用酸性植酸酶；而在无胃鱼中，植酸酶则主要在肠道中发挥作用，需要选用中性植酸酶。

3.1.3 水产植酸酶的矿物元素耐受性

植酸酶添加到饲料中，进入动物消化道后，动物机体本身和饲料中的各种离子都将对其活性产生影响。矿物元素对外源植酸酶的影响较为复杂，不同的矿物元素对不同的植酸酶的影响存在很大的不同，矿物元素的不同添加形式对植酸酶活性的影响也不一样，因此在实际生产中，一方面应该选择受矿物元素影响小的植酸酶产品，并适当增加植酸酶的添加量；另一方面可以选择有机微量元素或其它对植酸酶活性影响较小的矿物元素的添加形式。

3.1.4 水产植酸酶的内源消化酶抗性

从本质上讲，植酸酶是一种具有催化活性的蛋白质，因此它在进入动物消化道后，势必会受到机体分泌的内源性蛋白酶的影响。外源添加的植酸酶能否在体内成功发挥作用就要看其是否能经受住动物机体内源蛋白酶的作用。

目前大多数商品植酸酶在开发过程中都进行了抗内源蛋白酶作用的试验，所以一般情况下都具有一定抗内源蛋白酶作用的能力，在这一点的考察上，我们一方面可以要求植酸酶供应商提供相应的植酸酶耐内源蛋白酶作用的试验报告；另一方面我们也可以先进行体外试验来检测所选植酸酶的内源蛋白酶抗性，确认具有蛋白酶抗性后再使用。

3.1.5 水产植酸酶后喷涂水中溶失性

与畜禽饲料不同，水产饲料一般是投放到水体中让养殖动物摄食的，因此对于植酸酶在水中的溶失性也是在采用后喷涂方式添加液体植酸酶时必须考虑的一个问题。为了提高后喷涂液体植酸酶在水体中的稳定，降低其溶失率，通常要在液体植酸酶中添加一些特殊表面活性剂和黏附剂，这些添加物质中含有羧基，可使液体离子化，形成负电荷的相互排斥的状态，从而使分子链弥散伸展，呈极大的膨胀状态并具“黏性”，可使酶在颗粒饲料表面附着性更强，不仅增加了酶液在饲料中分布的混匀性，避免饲料颗粒相互摩擦而导致酶的损失，同时也能有效降低植酸酶在水中的溶失率。但值得注意的是不同的商品植酸酶，所使用的表面活性剂和黏附剂的种类和剂量不一样，所以最后生产出来的产品的黏附性也会有强有弱，在选用前，我们还需要进行水中溶失性的检测，以确保选择溶失率低的产品。

3.2 水产植酸酶的安全性考察

3.2.1 植酸酶对养殖动物机体组成成分的影响

任何添加剂的使用必须保证对动物机体组成成分的改变不大或者是向有利于产品品质提高的方面改进，绝不能出现降低产品品质的情况发生。一般来讲，鱼肉水分含量高，则蛋白质、脂肪含量将会减少，鱼肉品质就差；反之，鱼肉水分含量低，则蛋白质、脂肪含量就高，鱼就肥嫩好吃，鱼肉品质就好。

关于植酸酶对养殖水产动物机体组成成分的影响，不少学者都进行过研究。如张瑞（2009）在植酸酶对建鲤鱼种生长发育的研究中发现，添加植酸酶能显著提高建鲤肌肉中的粗蛋白含量（P＜0.05）。其它的一些关于植酸酶对水产动物机体组成成分的影响的研究也得到了类似的结果。所以添加植酸酶不但不会对养殖动物的机体组成造成不良的影响，而且还可能提高养殖动物的品质。

3.2.2 植酸酶对内源酶分泌的影响

植酸酶对动物机体内源性消化酶的影响一直是学者们关注的焦点。研究结果表明，植酸酶在一定范围内能提高内源蛋白酶、淀粉酶的活性。白东清等(2003)的研究表明，在饲料中添加植酸酶饲养鲤鱼，各组鱼肝胰脏蛋白酶活力均明显高于对照组。牛纪峰(2008)的研究表明，添加500、1 000、1 500 U/kg植酸酶的试验组胃蛋白酶活性与对照组相比分别提高了12.27%、28.14%、20.09%，说明饲料中添加植酸酶能有效提高大口黑鲈胃蛋白酶的活性。齐子鑫等(2006)研究了植酸酶对黄河鲤鱼肠道消化酶活性的影响，结果显示，添加植酸酶能够提高其肝胰脏和肠道脂肪酶的活性，且以添加1 000 U/kg效果最好。吕林兰(2007)在异育银鲫的研究中也发现，1 000～1500 U/kg的植酸酶能提高肝胰脏和肠的脂肪酶活性。而关于植酸酶的添加对内源淀粉酶分泌的影响，不同研究者的研究结果不一致。如吕林兰（2007）研究表明，饲料中的植酸酶能够降低异育银鲫肠道和肝胰脏淀粉酶的活性。而王枫（2008）的研究则表明，金鳟肠道淀粉酶的活性随着植酸酶的添加量呈现向上的抛物线状变化趋势，2 500 U/kg组的肠淀粉酶活性最高。

3.3 水产植酸酶质量的控制

酶活是植酸酶的质量控制的指标，也是评价不同厂家植酸酶优劣的有效指标。目前对于饲用植酸酶酶活的评估主要集中在对其活性的测定方面，而对酶活测定困扰最大的是酶活的定义问题，主要体现在两个方面：①缺乏对水产饲用植酸酶的酶活定义，大部分饲用植酸酶的酶活定义都是根据畜禽的情况来定义，不适用于水产动物；②缺乏水产饲用植酸酶的检测标准，目前除了畜禽用植酸酶和饲用木聚糖酶的检测方法有统一的国标外，其它饲用酶制剂都还没有相应的国标。鉴于此，在选用水产植酸酶时，我们可以参考水产动物的消化道实际环境条件，按照统一的酶活定义和检测方法，对拟选用不同厂家的植酸酶进行评估，从而提高同种类型植酸酶的可比性。

4 水产植酸酶的高效使用

4.1 植酸酶在水产饲料中的使用方法

4.1.1 直接添加酶制剂

为了提高饲料中磷的利用率和饲料的品质，充分发挥饲料的效果，减少养殖过程中的氮磷排放，提高养殖动物的生产性能，可以直接在现有配方基础上添加植酸酶。

4.1.2 添加酶制剂后优化配方设计

植酸酶能有效降解水产饲料中的植酸磷为养殖水产动物所用，从而可以在一定程度上减少无机磷源的补充。正是根据植酸酶具有的这一特性，部分饲料企业正在采取添加植酸酶降低配方中无机磷的添加量，在基本保证养殖动物生产性能不变的前提下降低配方成本。

4.2 植酸酶在水产饲料中的科学应用

4.2.1 不同温度下植酸酶的应用

鱼类是生活在水体中的变温动物，其身体的温度是随着水温的变化而变化的，而植酸酶又是一种生物活性物质，其作用发挥的强弱也是受环境温度的影响而不同的。不同养殖季节的水温各不相同，鱼体的温度也不相同，因此同等量的植酸酶所产生的效果也不会是一样的，要达到同样理想的效果，就必须根据季节和水温的变化，对植酸酶的用量根据其酶学性质进行调整。

4.2.2 不同类型饲料中植酸酶的添加方式

对于不同类型的水产饲料，植酸酶的添加方式有所不同，一般来说，植酸酶在饲料中的添加方式有3种：①直接在饲料中添加耐高温的植酸酶；②在饲料制粒冷却后通过后喷涂的方式添加液体植酸酶：③在调质、制粒加工前，采用预处理的方式对各种饲料原料用植酸酶进行预处理后再添加植酸酶。从研究的结果来看，以第③种方式添加的效果最好，但由于生产操作难度大，目前水产饲料公司多是采用第①、②种方式进行植酸酶的添加。采用第①种方式添加时，必须将饲料的加工温度控制在所选用植酸酶产品能承受的范围内，否则将会对植酸酶的活性和效果造成较大的影响。

4.2.3 不同应用目的下植酸酶的使用方案

在水产饲料中使用植酸酶的目的有两个：一是通过添加植酸酶提高饲料的利用率和养殖动物的生长性能；另一个目的就是添加植酸酶和廉价的载体替换磷酸二氢钙或其它磷源，从而降低饲料成本。无论是为了达到哪个目的，植酸酶的添加应根据饲料中基础有效磷和植酸磷的水平进行确定，不同的是作为第一个添加目的，不用担心植酸酶添加的风险，而作为第二个目的，就要考虑在外源补充量不断减少的情况下，可能会导致饲料中有效磷的不足，从而引起磷缺乏的风险。

4.3 植酸酶的配伍使用

4.3.1 植酸酶与酸化剂的配合使用

在水产动物消化道中，植酸在微碱性或碱性条件下可与消化道中许多金属阳离子如Ca2+、Zn2+、Fe2+等结合形成不溶性复合物，也可与蛋白质和消化酶结合形成不溶性复合物酸化剂，在降低消化道内容物pH值的同时，可作为配位体与饲料中的金属阳离子发生螯合作用，使金属阳离子从植酸盐分子中释放出来或降低植酸对它们的结合力，使植酸盐的结构变得不稳定，更容易被植酸酶水解，因此酸化剂与植酸酶的联合使用可以提高植酸酶的使用效果。曹玲（2007）在用植酸酶对部分植物性原料进行预处理时，也证实了柠檬酸与植酸酶存在协同效果，有利于植酸酶酶活的进一步发挥。

4.3.2 植酸酶与其它酶制剂的配伍使用

刘永辉等（2011）研究了NSP酶对植酸酶降解植酸效率的影响，结果表明∶与不添加任何酶比较,添加植酸酶、植酸酶+纤维素酶、植酸酶+果胶酶、植酸酶+木聚糖酶、植酸酶+纤维素复合酶对豆粕中植酸磷的降解率分别提高了36.98%、37.06%、37.67%、38.20%和38.28%。与仅添加植酸酶比较,植酸酶+纤维素酶、植酸酶+果胶酶、植酸酶+木聚糖酶、植酸酶+纤维素复合酶对豆粕中植酸磷的降解率分别提高了0.10%、0.87%、1.55%、1.64%。此结果说明,NSP酶能够提高植酸酶降解植酸的效率。

4.4 水产植酸酶使用过程中应注意的事项

目前，市场上的饲用酶制剂产品的酶活均具有较高的稳定性，但环境因素，如温度、湿度、pH值和储存时间等都可能影响其活性，在保存和使用过程中应注意以下几点：①防潮。酶制剂一旦受潮，就会发生水解、霉变、活力下降或失活。②防止高温。烈日暴晒或高温烘烤等均可导致酶活性下降或失活。③避免接触强酸、强碱，以免因化学作用影响酶活。④尽量缩短储存期，使用有效期以内的产品。⑤避免饲料发霉，否则会影响到酶制剂的效果。⑥对于固体酶制剂，必须注意与其它饲料原料的混合均匀度。