植酸酶及其应用前景(综述)

张相鑫 译自，Vol.54(2018)，№4：352～360唐彩琰 校

磷是一种在地球上分布广泛的元素，存在于各种矿物质中，其中以矿物质磷灰石和磷钙土中的含量最丰富。在所有活生物体中，磷以正磷酸盐和焦磷酸盐的形式存在于它们的细胞中，同时也是构成磷蛋白、磷脂、核酸和磷酸己糖等物质的组成成分。在脊椎动物上，磷和钙主要存在于骨骼中；在植物中，细胞中的磷主要以有机形态肌醇六磷酸(也称植酸)——肌醇的一种衍生物，即六个羟基全部磷酸化的环醇——的形式存在。

植酸的负电荷磷酸残基可与铁、锌、钙和镁等阳离子结合形成盐(植酸盐)，它们也可以与蛋白质、淀粉和脂质发生反应，形成不溶性团块状聚合体。在植物中，含磷的组分多以难溶性植酸的形式存在，其中还含有Ca2+和Mg2+。谷物、向日葵、棉花、瓜类和豆类所含的磷60%以上存在于植酸中，是最丰富的植酸来源。植酸也存在于植物的块茎和其他器官中。植酸和肌醇经植酸酶分解形成磷酸盐后，所含的磷才能被植物吸收利用。这些酶只有在种子萌发时才有很高的活性，在植物的其他发育阶段活性并不明显。植酸以难被植物消化吸收的聚合体形式积聚于土壤中。因此，在农业生产中，土壤必须施予磷肥以最大限度地提高农作物的生长速度。

动物可通过植物性饲料获得机体所需的磷，这些磷主要存在于植物中难溶的植酸中。反刍动物瘤胃中的微生物群落能够帮助机体用植酸酶分解植物性饲料，从而在很大程度上满足动物对磷的需求。单胃动物可利用植物性植酸酶(通过饲料进入消化道)和作为植酸酶来源的肠道菌群水解植酸，释放出磷酸基团。但是，多种原因会使单胃动物对植酸的吸收量不超过10%，例如饲喂时植酸酶活性较低，热处理、储存条件以及胃肠道pH与植酸酶最适pH之间的差异等造成的植酸酶活性下降。其余所需的磷应该通过矿物质添加剂来满足。动物通过植物摄入的大部分植酸不能被动物消化吸收，而是被排放到环境中。由于植酸能够结合金属阳离子，日粮中高水平的植酸可能会导致动物缺乏多种矿物质，如钙、铁和锌等。近期的多项研究表明，许多物质，如抗坏血酸、乙醇酸、苹果酸、柠檬酸、酒石酸和乳酸等，可能会与植酸竞争多价金属阳离子，并且促进它们被动物吸收。对于营养组成平衡的日粮，其所含的植酸确实会使动物出现钙、锌和铁等矿物质的缺乏。农业上重要的动物所用的日粮基本上以谷类为主要成分，因此高水平的植酸可能会使动物放慢对钙和其他金属离子的吸收速度。

为最大限度地加快植物的生长和促进动物的发育使用矿物质肥料，不仅会增加成品的生产成本，而且会提高土壤中可溶性磷酸盐的含量，加重水的污染。天然水中矿物质含量的提高会导致浮藻疯狂生长，造成鱼类灭绝和生态恶化。此外，磷灰石和磷钙土矿不仅在全世界分布不均匀，而且正在逐渐枯竭。解决这一问题的主要方法是在农业生产中给土壤施肥时少用矿物质肥料，同时利用植酸酶分解植酸，为动植物提供生长所需的磷。

1 植酸酶的分布

人类首次发现植酸酶是在100多年前，当时从稻谷和真菌黑曲霉菌(Aspergillus niger)的菌丝中分离到了此酶；稍后，相关人员又从20种土壤真菌中分离到了植酸酶。1968年，研究发现黑曲霉菌NRRL 3135菌株产生的植酸酶是2 000种真菌植酸酶中活性最高的一种。研究表明，该菌株能够产生两种胞外植酸酶，即PhyA和PhyB，这两种酶具有不同的最适pH。研究人员发现其他真菌，如嗜热毁丝霉菌(Myceliopthora thermophila)、绵毛丝菌(Thermomyces lanuginosus)、少孢根霉菌(Rhizopusoligosporus)、侧孢霉菌(Sporotrichum thermophile)及青霉菌(Penicilliumspp.)和毛霉菌(Mucor spp.)等，也能产生植酸酶。在以曲霉菌为代表的霉菌和侧孢霉菌BJTLR50菌株中，研究人员发现了一种具有较高活性的植酸酶。对61种酵母菌的122个菌株筛选后发现，一些酵母菌能够产生植酸酶。腺嘌呤阿氏酵母菌(Arxula adeninivorans)和毕赤酵母菌(Pichia anomala)能够产生高活性的植酸酶，其中腺嘌呤阿氏酵母菌能分泌胞内和胞外两种活性植酸酶。培养基中的磷酸盐能够完全抑制胞外植酸酶的活性，也可抑制研究所用的所有酵母菌产生的胞内植酸酶的活性。真菌植酸酶主要是胞外植酸酶。胞内植酸酶分离自少孢根霉菌，东南亚地区利用这种真菌从大豆和酿酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)中获得一种发酵产物。这些发酵产物很受非洲各国的欢迎。对酵母菌发酵过程的研究证明，所用的酵母菌能在以植酸作为唯一磷源的液态和固态培养基上生长。相关研究人员同样也在库氏毕赤酵母菌、酿酒酵母菌、克拉维孢霉菌(Clavispora lusitaniae)、马克斯克鲁维酵母菌(Kluyveromyces marxianus)、细 粉 菌(Millerozyma farinosa)、 粉状假丝酵母菌(Candida glabrata)、异常威克汉姆酵母菌(Wickerhamomyces anomalus)、汉氏假单胞菌(Hanseniaspora guilliermondii)和古德酵母菌(Debaryomyces nepalensis)中分离到了植酸酶，其中库氏毕赤酵母菌产生的植酸酶活性最高，当采用含植酸的培养基时，胞外植酸酶的活性提高。

植酸酶也广泛存在于细菌中，可以从假单胞杆菌属(Pseudomonassp.)、芽孢杆菌属(Bacillussp.)、劳氏菌属(Raoultellasp.)、大肠杆菌(Escherichia coli.)、布拉特柠檬酸杆菌(Citrobacter braakii)和肠杆菌属(Enterobactersp.)以及栖息在反刍动物瘤胃中的厌氧细菌[反刍月形单胞菌(Selenomonas ruminantium)、埃氏巨型球菌(Megasphaera elsdenii)、普雷沃氏菌属(Prevotellasp.)、多酸光冈菌(Mitsuokella multiacidus)、贾氏光冈菌(Mitsuokella jalaludinii)、泛菌属(Pantoeasp.)]中分离到。在乳酸杆菌属的细菌中，不同菌株会产生不同活性水平的植酸酶，其中旧金山乳杆菌(Lactobacillus sanfranciscensis)产生的植酸酶活性最高。乳酸杆菌属的细菌广泛用于生产发酵产品，在面包发酵过程中，由于农作物植酸盐发生水解反应，细菌植酸酶将会极大地影响磷酸盐水平的提高。随着营养性植酸含量的减少，Ca2+、M2+、Zn2+和 K+会被释放出，蛋白质的吸附风险下降。

能分泌植酸酶的土壤细菌对难溶性植酸的释放起着重要的作用。例如，从产碱杆菌属(Advenellasp.)和纤维微菌属(Cellulosimicrobiumsp.)的细菌中分离到的植酸酶能提高土壤中无机磷的含量，促进植物的生长。从根际土壤细菌如解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)和乳酸杆菌(Bacillus laevolacticus)中分离得到的胞外细菌植酸酶，也参与植物植酸的吸收。

一些细菌细胞能够产生胞外植酸酶[如芽孢杆菌属、肠杆菌属和假单胞菌属的细菌]、细胞膜相关植酸酶[如反刍月形单胞菌和多酸光冈菌]和胞质植酸酶[如大肠杆菌和泛菌]等。

研究人员从生长在缺磷土壤中的各种植物的根部发现了少量植酸酶。在油梨果实、大葱、豆类种子、农作物和油料植物中也提取到了植酸酶。活性最高的植酸酶来自小麦和水稻籽粒，分别为0.67 U/g和0.41 U/g。但是，高粱、小米和玉米中的植酸酶活性仅为前两者的三分之一至二分之一。值得注意的是，大麦、水稻、小麦和玉米的种子含有植酸酶抑制剂，即天冬酰胺蛋白酶。试验表明，植酸酶的活性在种子萌发的前5 d～7 d提高3～16倍，之后逐渐降低。在水稻种子萌发的第7天，其所含植酸酶的活性达到最高(6.9 U/g)。在发芽期间，谷物种子中的植酸酶活性提高，随后总磷水平上升。地衣也能分泌植酸酶。

在人类肠道中，每克蛋白质植酸酶的活性约为0.000 05 μmol Pi/min～0.000 1 μmol Pi/min，是大鼠肠道中植酸酶活性30倍。相关研究人员也从兔、中国仓鼠、牛犊和猪的肠道以及牛犊的肝脏和血液分离到了植酸酶。不过，由于哺乳动物体内的植酸酶活性低，无法产生机体所需的磷。

(未完待续)