作者：杨禄良博士 摘自：中国农业科学院饲料研究所
1. 植酸与植酸盐
1.1 植酸盐的生物学意义 植酸是植物种子中磷的主要存在形式，化学名称是环己六醇-1,2,3,4,5,6-六磷酸二氢酯，对植物而言主要有两方面的意义：1）调节植物体内磷和其他矿物元素的浓度，在植物体内大部分铁是以植酸盐形式存在(Morris and Ellis, 1976)。2）使磷能够在种子中存留下来，对于种子发芽和生物进化具有重要意义。磷是植物的三大重要营养素之一，磷酸根易溶于水，雨水很容易把种子中的无机磷带走，因而植物发芽过程中对磷的需求就不易得到满足。植酸磷含量很低的玉米发芽率很低(Maugenest et al., 1999)。据报道，植酸可能是植物体内一种重要的抗氧化物质。
一般而言，动物不能分泌植酸酶来分解植酸或植酸盐，因而饲料中植酸或植酸盐中的磷不能被动物利用而从粪便中排泄。
1.2 植酸盐的抗营养特性 主要包括以下几方面：1）植物性饲料原料中约60-85％是以植酸(盐)的形式存在，基本上不能被单胃动物和水产动物利用(图1)。2）植酸与一些阳离子如Ca2+、Mg2+、Zn2+、Cu2+、Mn2+、Fe2+和K+等有很强的螯合能力，形成不溶性盐，使这些矿物元素不能被动物利用而直接排泄。3）植酸与蛋白质、淀粉等营养素结合，使其不易被消化(图2)。4）植酸与消化酶结合降低消化酶的活性，从而影响三大营养物质的消化率。
图1. 植酸及其降解(Lei et al, 2003)
图2. 植酸盐在植物组织中可能形成的复杂结构(Kies et al, 2001)
2. 植酸酶的特性
2.1植酸酶的分类 根据植酸酶分解植酸的进攻方式大体可以分为2类：1）3-植酸酶：酶学分类号是EC 3.1.3.8，全称是肌型肌醇-六磷酸盐-3磷酸水解酶(myo-inositol-hexakisphosphate 3-phosphohydrolase)，它进攻的第一个位点是C1，有时也可能是C3。2）6-植酸酶：酶学分类号是EC 3.1.3.26，全称是肌型肌醇-六磷酸盐-6磷酸水解酶(myo-inositol-hexakisphosphate 6-phosphohydrolase)，它进攻的第一个位点是C6。一般而言，真菌来源的植酸酶是3-植酸酶，植物来源的是6-植酸酶，现在市面上广泛应用的大肠杆菌来源植酸酶属于6-植酸酶。
植酸酶的分子量在40kDa到120kDa之间，决定分子量大小主要有两个方面：氨基酸残基的数量和糖基化的比例。氨基酸多寡是决定植酸酶分子量大小和三维空间构型的重要因素，也是采用定点突变等方法改良植酸酶发酵效率和稳定性的重要因素。糖基化是提高植酸酶稳定性的重要因素。
2.2植酸酶的作用机理 关于植酸酶的作用机理已经有零星报道，很多仍然处于推测阶段。图3是来源大肠杆菌基因表达的植酸酶结构示意图，上面部分主要是α螺旋，下面部分主要是β折叠。图4是植酸酶分解植酸(盐)的示意图。
图3. 大肠杆菌来源植酸酶结构示意图
图4. 植酸酶与植酸(盐)作用的示意图
3. 植酸酶的营养学意义
3.1 提高植物性饲料原料中磷的利用效率。这是饲料厂和养殖场使用植酸酶的的重要原因。通过十年左右的推广，植酸酶已经广泛地用于蛋鸡、肉鸡、猪和鸭饲料中，在水产上仍然处于试验阶段，在反刍动物上还是空白。一般而言，通过使用植酸酶可以降低饲料中有效磷0.1%，相当于磷酸氢钙6kg/吨配合饲料，按照国内年产饲料1亿吨、70%饲料使用植酸酶，意味全国每年可以节省磷酸氢钙42万吨，即磷酸氢钙的排放减少42万吨。
3.2 提高三大营养物质的利用效率。平均而言，使用植酸酶可以提高氨基酸消化率2%-4%(Rutherford, Chung et al. 2004)，能量利用率提高2%-5%。这可能与改善消化道酶的活性有关。
3.3 提高矿物元素的利用率。植酸是干扰二价矿物元素吸收的重要因素，特别是铁、锌、锰、铜和钙的利用。通过使用植酸酶可以使日粮的钙含量降低0.1%。在不添加微量元素的小猪、中猪、大猪日粮中，如果不添加植酸酶会出现严重的生长受阻和皮肤症状，生化指标显示严重的各种微量元素缺乏；如果补充植酸酶500 U/kg，生长得到比较好的改善，上述缺乏症得到明显改善(Shelton et al, 2005)
3.4 高剂量植酸酶的功效 在花生粕为主要蛋白的肉鸡日粮中添加高剂量的植酸酶24000u/kg饲料,花生粕的AMEn从3,209 kcal/kg 提高到3,559 kcal/kg,约提高9%(Driver, Atencio et al. 2006)。关于高剂量植酸酶应用这是唯一的报道。随着植酸酶生产效率的提高，植酸酶的价格仍然会逐步降低，相信在未来的2-3年内在实际生产中植酸酶可以用于提高类似花生粕的营养价值。
3.5 植酸酶与鸡球虫感染 Watson用肉公鸡进行的试验结果表明，植酸酶(600 u/kg)能够改善日粮的磷利用效率，球虫感染组添加植酸酶可以改善肉鸡的胫骨灰分含量，但是其作用效果没有未感染组明显。在改磷含量偏低的情况下，无论感染球虫与否，添加植酸酶都明显提高日增重(Watson, Matthews et al. 2005)
3.6 与其他饲用酶的联合使用 Cowieson等用肉鸡进行的试验结果表明，植酸酶和木聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶的复合物分别都能够提高饲料的能值和对蛋白质的利用效率，二者联合使用有加和作用(Cowieson and Adeola 2005)。
3.7 与柠檬酸的互作 Snow等用杂交肉鸡(New Hampshire * Columbian)进行的研究结果表明，单独使用植酸酶或者柠檬酸都能够改善肉小鸡的日增重和胫骨灰分，二者配合使用有协同作用(Snow, Baker et al. 2004)。
4. 植酸酶生产
通过在饲用作物中导入植酸酶基因并表达，可以是饲料中提供稳定来源的植酸酶，而不需要额外添加商业化的植酸酶。高植酸酶植物的现存在的主要问题是发芽率低，如果一旦得到全面解决，很快会得到大面积推广。在动物体内导入植酸酶比植酸中表达更前进了一步，是这种外源酶能够在动物体内分泌，成为一种内源酶，就像胰蛋白酶一样，这就省去了很多外源添加的工作。
4.1 转基因植物 Pen等(1993)首先在烟草种子中成功地表达了外源基因植酸酶，植酸酶的表达量达到种子中可溶蛋白的1%，该酶分子量约为67kDa，比天然黑曲霉植酸酶的分子量85kDa小，可能是由于糖基化的程度不同引起的。值得注意的是，叶片中植酸酶的最高水平达到叶片可溶性蛋白的14.4%，而烟草的形态、生长、以及种子的萌发并未表现异常。以后的研究工作，在转基因大豆、小麦、苜蓿和油菜中都获得了不同程度的成功。
4.2 转基因动物 Golovan等(2001)在小鼠体内成功地表达了大肠杆菌来源的PhyA基因，在唾液中检测到55 kDa的糖基化的植酸酶，转基因动物粪便中磷的排泄降低11%。转基因动物的植酸酶主要在腮腺中分泌，其他组织中含量比较低。随后Golovan等(2001)猪体内成功地表达了外源植酸酶，在腮腺分泌物中含量最高，颌下腺中也有大量的植酸酶，其他组织中有比较低的植酸酶表达。
4.3 工业化生产商用植酸酶 现在市面上的商业植酸酶主要是通过液体发酵得到的，少数企业仍在使用固体发酵方法生产植酸酶。发酵的菌株主要有曲霉和毕赤酵母两大类，他们在植酸酶的生产中只是一种表达系统而异，与产品特性并没有太多的关系。根据表达植酸酶的基因来源，又可以分为大肠杆菌和曲霉菌，这里指被改良基因的来源，其实在实验室已经被修改(例如定点突变)。固体发酵在5年之前还在中国有一定市场，现在已经很少。用家蚕生产植酸酶尽管有报道，但是在商业生产中很难见到。
