植酸酶超量添加理论和应用效果

■ 乔 伟

（1.中国农业科学院饲料研究所，北京100081；2.北京盛拓达生物技术有限公司，北京100085）

植酸酶是饲料行业使用的第一个酶，也是当前应用最广泛最成功的酶，从20世纪90年代初至今，已经在80%的饲料中，几乎被当作常规原料来添加。日粮中添加植酸酶，除了能节约钙磷资源，降低磷排放对环境的污染，还能提高蛋白质、氨基酸、能量、矿物质的利用率。20多年前的添加方式是5 000单位植酸酶大约添加100 g/t，而现在这一方式仍被广泛采用。但最近几年来的研究和实际生产效果表明，超量添加（4倍甚至更多倍）植酸酶，具有额外的效应。文章综述了植酸酶的超量添加的理论和实际应用效果。

1 植酸的抗营养作用

植酸，肌醇六磷酸，在植物源性饲料中普遍存在，是种子的必要组成成分，种子在成熟期会迅速积累。植酸是种子休眠发芽重要的养分之一，为种子萌发提供磷源。植酸有六个磷酸基团，其中的氧原子能提供大量空轨道，而钙、镁、铁、锌、铜、锰等矿物元素带孤对电子，孤对电子能与空轨道紧密结合，因此植酸对矿物元素具有很强的螯合力（见图1）。同时，植酸也对日粮中的蛋白质、氨基酸、淀粉和脂肪的消化吸收有负面作用。在酸性条件下，植酸能够抑制胃肠道内的胃蛋白酶的活性，能够与蛋白质、氨基酸、淀粉结合，降低养分的吸收和营养价值。植酸可以直接与淀粉结合成复合物，或者间接与蛋白质和淀粉结合成植酸-蛋白质-淀粉复合物（Rickard等，1997），从而通过抑制α-淀粉酶的活性，降低淀粉的利用率（Gracia等，2003）。此外，日粮中高水平钙易与植酸结合成钙-植酸盐，进而与脂肪形成难溶解的金属皂，限制脂肪的利用，特别是对饱和脂肪酸的利用（Leeson，1993；Ravinran等，2000）。

图1 植酸的抗营养作用

在酸性条件下，尤其是在胃中pH值2.5左右时，植酸的抗营养作用最强，能与钙、锌、铜、钴、锰、铁和镁等金属离子形成复合物；在小肠和中性pH值条件下，此类复合物以沉淀的形式存在，导致钙和微量元素等难以被小肠吸收。矿物元素与植酸的螯合能力由强到弱的顺序：Zn2+＞Co2+＞Mn2+＞Fe2+＞Ca2+，锌是最容易与植酸结合的微量元素。

2 饲料原料中的植酸含量

常见饲料原料数据库中只列出了总磷和植酸磷的含量，而没有列出植酸的含量，更没有列出原料中植酸的摩尔数量。植酸分子量660，含磷28.2%，因此可以从植酸磷的含量反推计算植酸的含量，100/28.2=3.55，即植酸含量为磷含量的3.55倍，每吨饲料中植酸摩尔数=植酸含量×10×1 000/660。通过计算，常见饲料原料中植酸含量和摩尔数见表1。植酸（肌醇六磷酸IP6）为6元环，每个环可以结合一个矿物元素，因此1摩尔植酸可以结合6摩尔矿物元素。常见玉米-豆粕型配方中植酸摩尔数为15 mol左右，因此可以大约结合90 mol的矿物元素。而通常添加的无机微量元素的量仅1 mol左右（如铁、锰、锌，约100 mg/kg左右，常规铜的添加量更低，远不足1 mol），因矿物元素的吸收率很低，而添加有机形式的微量元素，可以在一定程度上减少植酸的螯合，提高吸收利用率。但这并没有从根本上解决微量元素吸收率低的问题，粪便中排泄的微量元素量仍然高。

表1 常见饲料原料中磷和植酸含量及摩尔数

3 植酸酶超量添加的效应

植酸酶5 000单位添加100 g，相当于饲料中500 FTU/kg或500 U/kg的添加量，是20多年来一直使用的标准方法。随着植酸酶菌种的改良，使用成本降低，不少研究和试验都尝试加大植酸酶的使用量，并得到了良好的效果。Shirly等（2003）在1～16日龄肉鸡玉米-豆粕日粮里(TP 0.46%、NPP 0.272%)添加高水平12 000 FTU/kg(24倍)植酸酶，结果表明：不仅增加了植酸磷降解率，而且磷的存留率、体增重、采食量、饲料转化效率、氮的沉积、表观代谢能、钙的存留量都显著增加，结论是高水平的植酸酶几乎能降解日粮中所有的植酸磷。韩进诚等（2008）在1～21日龄肉鸡日粮（TP 0.45%、NPP 0.21%）添加 8 000 FTU/kg(16倍)植酸酶时，肉鸡生长性能达到对照组（TP 0.69%、NPP 0.45%）水平；植酸磷释放率达到94.84%；总磷的利用率达到85%。孙宏选（2011）研究表明，在肉鸡日粮中添加8 000 FTU/kg植酸酶，可显著提高AME和粗蛋白、氨基酸、钙、磷的消化利用率，碱性磷酸酶的活性显著降低，有利于胫骨发育和钙磷代谢，对免疫器官指数有积极作用，生长性能显著增加，饲料转化效率最高。Zeng等（2014、2015）在保育猪和生长猪上的研究均表明，添加20 000单位/kg(40倍)的植酸酶，显著提高养分消化利用率，平衡机体钙磷和微量元素平衡，显著提高组织和骨骼中铁、铜、锰、锌的沉积，显著提高动物生长性能。也有研究表明，在肉鸡饲料中4 000 U/kg（8倍）植酸酶，能显著提高生产性能，添加效果显著高于1 000 U/kg（2倍）水平（Taheri等，2015）。

4 植酸酶超量效应的原理

植酸的抗营养作用相当明显，其最强的抗营养作用是在酸性条件下产生的，而植酸酶的添加，可以在一定程度降解植酸、释放磷，植酸酶降解的植酸越多，其作用效果越明显。植酸有6种形态，从肌醇六磷酸到肌醇一磷酸分别表示为IP6、IP5、IP4、IP3、IP2、IP1，其中包含6个磷酸基团的IP6的抗营养作用最强，可以结合6 mol矿物元素，对蛋白质、氨基酸和淀粉的结合力也最大，随着磷酸基团的减少，其抗营养作用减弱（见图2）。而当磷酸基团被完全释放后，剩下的肌醇，不仅没有抗营养作用，反而会促进能量代谢和机体细胞功能的完善。

图2 不同磷酸基团植酸的抗营养作用

Michael（2014）报道，肉鸡日粮中单独添加肌醇3 g/kg，可以达到提高生产性能，降低料肉比的作用，此作用与添加3倍植酸酶(1 500 U/kg)的效果相当。Walk等（2015）研究表明，添加3倍植酸酶可以更多的释放肌醇，提高肌胃中肌醇含量，增加胫骨灰分，提高生产性能。Stein(2015)报道，在断奶仔猪日粮中添加1、2、4、6、8倍植酸酶，4倍以下时，效果随添加量的增加而增加，4倍和6、8倍的效果相当，因此建议日粮中添加4倍植酸酶。

通常添加的植酸酶500 U/kg，只是将IP6降解成IP5或IP4，释放出了一定的磷，可以提高磷的利用率，减少饲料中磷的添加。但此时含磷酸基因少的植酸如IP4、IP3等对矿物元素和蛋白质、淀粉等养分的抗营养作用虽然减弱，但仍然存在，植酸的抗营养作用没有完全消除。超量植酸酶的添加，可以在最大程度上降解饲料原料中的植酸，并得到肌醇，消除植酸对微量元素、蛋白质、淀粉和脂肪等养分的抗营养作用，促进机体微量元素吸收和沉积，促进体内各种酶活性的发挥，提高养分消化利用，从而提高生产性能。

5 新型植酸酶的研发

植酸酶应用于饲料工业，其抗逆性，尤其是耐热性和活胃性相当重要。植酸酶的应用已经得到广泛证实，但目前市面上的植酸酶不同厂家差异巨大。梁作理等（2015）收集了国内市面上11个厂家的植酸酶，并进行了评估，按照国家标准pH值5.5、37℃测定酶活，不同厂家酶活相同。但在低pH值的情况下测定时，不同厂家差异巨大，仅有2个厂家酶活仅50%左右，多数厂家在pH值2.5处理2 h后几乎没有活力（见图3）。而植酸最大的抗营养作用是在胃酸性条件下产生。如果植酸酶在胃中没有活力则不能将植酸在胃中降解，此种情况添加大量植酸酶也没有明显效果；胃中植酸酶的活力不足，不具备活胃性，则不能有效地降解植酸，需要加大植酸酶用量以保证对底物植酸的降解。

图3 不同pH值处理对植酸酶活力的影响(梁作理等，2015)

酶是有活性的蛋白质，受温度影响较大，对温度的耐受性有其限度。植酸酶添加于饲料生产，要考虑制粒高温对酶活性的破坏。梁作理等（2015）研究表明，不同厂家植酸酶的温度耐受力差异同样巨大（见图4）。在75℃时，多数厂家酶活大约在60%左右；但85℃处理时，所有厂家的酶活存留率都不到40%，多数厂家的酶活存留率仅10%左右，还有2个厂家酶活存留率几乎为0。而饲料厂的制粒温度，尤其是南方的夏季，温度很容易达到甚至超过85℃，这样会造成植酸酶失活，效果无法体现。

图4 不同温度处理对植酸酶活力的影响（梁作理等，2015）

因此，新型植酸酶的开发，要考虑植酸酶的抗逆性，尤其是耐热性能和活胃性。北京盛拓达生物技术有限公司的菌种研发团队在饲料工业需要的基础上筛选菌种，最新菌种经深层液体发酵生产出的植酸酶（水煮酶TM）有很好的耐热性和活胃性。其耐热性试验：实验室水浴法85℃、30 min后酶活存留率在90%以上，实际生产在85℃制粒后检测的酶活存留率在95%以上。其活胃性试验：最适pH值为4.0，不同于普通植酸酶的最适pH值5.5，而且在胃中pH值2.5的酶活大于pH值5.5时的酶活，属于可在胃中有很强活力的植酸酶，即活胃植酸酶。新型植酸酶的研发的应用，能保证经过制粒后有酶活，而且植酸酶在胃中时有很强活力并将植酸充分降解，减少植酸的对矿物元素、蛋白质、淀粉和脂肪等养分的抗营养作用。

6 小结

植酸酶500 U/kg的添加方式已经用了20多年，随着生物技术的发展进步与菌种改良升级，及超量植酸酶添加效果的证实，超量添加（4倍甚至更多）植酸酶可以充分降解植酸、消除其抗营养作用，获得更好的生产性能，具体添加多大倍数植酸酶才能获得最佳效果，与动物种类和品种及饲料原料中植酸底物含量有关，同时受植酸酶抗逆性（主要是耐热性和活胃性）影响。虽然按国家标准检测出来是酶活相同的植酸酶产品，但不同公司的抗逆性能差异巨大。盛拓达公司的水煮酶TM具有良好的耐热性和活胃性。