植酸酶的研究进展

现今养殖业所用的谷物性饲料所占比例很大，谷物中磷的存在形式主要为植酸和植酸盐，绝大多数单胃动物，如猪、鸡的消化道内缺乏分解植酸的酶，对谷物性饲料中植酸的利用率很低，且不能被动物吸收的磷排放到环境中会对环境造成污染。同时，植酸易与二价或三价阳离子结合，形成不溶性盐，阻碍动物小肠对矿物质元素的吸收，并且植酸会与蛋白质形成络合物，影响蛋白质的吸收。在禽畜的基础日粮中添加植酸酶，可以分解饲料中的植酸，提高动物对植酸的利用率，减少磷的排放，提高动物对矿物质元素和蛋白质的利用率。因此，对于植酸酶的研究具有重要的经济、生态和社会效益。

植酸酶的来源

植酸酶是1907年由Suzuki等在玉米糠中发现的一种单体蛋白质，之后相继在多种动物、植物及微生物中检测到植酸酶的存在。植物来源的植酸酶最适pH范围较窄，在单胃禽畜的胃肠环境中很难起作用，目前市场上所销售的植酸酶多数来源于微生物。微生物来源的植酸酶有产量高、活性高、成本低及适用于工厂化生产等优点，且植酸酶最适pH范围较宽，一般在2.5～6.0，一些微生物菌株所产的植酸酶具有两个最适pH峰值，Shiel 等筛选的无花果黑曲霉（Aspergillus ficcum）所生产的植酸酶phyA最适pH为2.5和5.5，适合单胃禽畜的胃肠道环境。微生物源植酸酶大部分最适温度为40～60℃，可以适应单胃动物胃肠环境，因此微生物产植酸酶成为各大实验室进行植酸酶研究的主要菌株。

植酸酶的作用机制

植酸酶可以催化植酸分解为磷酸和肌醇，现在已经发现的植酸酶有3种类型：特异性3-磷酸水解酶（phyA）、特异性6-磷酸水解酶（phyB）以及非特异性磷酸水解酶。

植酸酶可以将植酸分子中的磷酸基团分步水解，将植酸水解为肌醇五磷酸、肌醇四磷酸、肌醇三磷酸、肌醇二磷酸和肌醇一磷酸5种不同的中间产物，在产物生成过程中无机磷被不断释放出来。不同来源的植酸酶对植酸的作用机理有所不同。微生物产生的phyA作用于植酸时，首先水解植酸的第3个碳位点，释放无机磷，然后依次释放出其它碳位点上的无机磷，最终将整个植酸分子水解为磷酸和肌醇。而植物生产的phyB则先释放植酸第6个碳位点上的无机磷。1g植酸酶理论上可以释放出281.6mg无机磷，但植酸酶很难将植酸彻底分解为肌醇和磷酸，一般将植酸分解为肌醇磷酸酯，在酸性磷酸酶的作用下，可以将肌醇磷酸酯彻底水解为肌醇和磷酸。

植酸酶的应用

1  饲料添加剂

将植酸酶加入单胃动物的饲料中，可以释放植酸中的磷，使单胃动物可以对其进行吸收，不但提高了动物对饲料中磷的利用率，还可以减少植酸盐对饲料中蛋白的络合及植酸盐对矿物质元素的螯合，提高了动物对饲料中蛋白和矿物元素的吸收率，减少动物排泄物中磷的含量，减少对环境的污染。因此植酸酶作为饲料添加剂是植酸酶的主要应用方向。

研究表明，在猪、鸡和鱼的饲料中加入植酸酶效果明显。Simons用含有植酸酶的玉米‐高粱‐大豆‐葵花籽饲喂肉用仔鸡，结果表明，在日粮中添加植酸酶可以使磷利用率显著提高，最高可以提高60％左右，粪便中磷含量降低40％左右，同时提高了仔鸡的增重效率，促进仔鸡骨骼发育。

中国农业科学院成功研制出适用于鲤科鱼类饲喂的中性植酸酶，并经过多次试验验证了中性植酸酶的饲喂效果及其应用价值。孟祥科等研究表明，饲料中添加植酸酶可以促进红鳍东方鲀幼鱼生长、改善消化。华雪铭等研究表明，在全植物饲料中添加植酸酶能促进斑点叉尾鮰的生长和鱼体蛋白保留，并能预防斑点叉尾鮰的脊椎畸形和提高鱼体非特异性免疫相关酶活力。中性植酸酶的成功开发，不但丰富了可饲喂植酸酶种类，同时对水产养殖业也具有重大意义。

在饲料添加过程中，大部分植酸酶在动物胃部发生作用，小部分在动物小肠前段起作用，小肠后端及下部消化系统无植酸酶作用。在十二指肠之后，已经检测不到植酸酶蛋白的存在，在动物排泄物中也无活性植酸酶蛋白存在。因此在饲喂过程中，不会有植酸酶的排出。同时在动物的血液、肌肉、肝脏、肾脏等组织器官中也没有植酸酶的存在。因此，植酸酶作为饲料添加剂具有较好的生物安全性，不会对动物及周边环境造成污染。

2  生产肌醇或肌醇磷酸盐

肌醇磷酸化合物是一类应用十分广泛的有机磷酸化合物。目前市场上的肌醇磷酸化合物的商品价格昂贵，影响了肌醇磷酸化合物的应用，相关产业的成本较高。通过固定化植酸酶，控制反应条件，生成相应的肌醇磷酸化合物，可以有效降低生产成本，提高其市场应用率。

我国作为农业产出大国，每年伴随粮食作物产出大量的米糠等农副产品，利用植酸酶将农副产品中的植酸水解为肌醇磷酸化合物，不仅降低了肌醇化合物的生产成本，而且提升了米糠等农副产品的价值。

3  用于谷物淀粉加工的废物处理

在谷物的淀粉加工过程中会产生大量的废物，其植酸含量较高，直接排放到环境中会对环境造成磷污染，而利用植酸酶对其废物进行处理，对分解后的肌醇和磷酸进行回收，不仅降低废物处理成本，减少对环境的污染，还对废物进行有效的再生利用。提高了淀粉加工工艺中的产能比率，具有很好的应用前景。

植酸酶基因工程的研究进展

1  植酸酶基因的克隆

植酸酶基因主要分为动物、植物、微生物三种不同来源。迄今为止，已经被分离及克隆的植酸酶基因已经达到几十种。微生物植酸酶主要分为两种，分别为细菌植酸酶和真菌植酸酶。目前克隆到的微生物源植酸酶基因主要有：来源于真菌的phyA（B）基因、来源于芽孢杆菌的phyC（L）基因、来源于大肠杆菌的appA基因。

细菌来源的植酸酶具有较高的酶活性，但与真菌来源的植酸酶相比在高温和低pH条件下稳定性较差，不适合在单胃动物胃肠道的酸性环境下进行催化反应，因此在基因工程研究中主要针对真菌来源植酸酶基因。其中来源于A．niger等真菌的植酸酶phyA具有较好的耐热性（最适温度55℃左右）及较宽的适应pH（pH2.0～6.0），是目前最具应用前景的饲喂植酸酶之一。该植酸酶基因全长1506bp，编码467个氨基酸，有潜在的糖基化位点，N端的19个氨基酸为信号肽。phyA编码的氨基酸序列上存在着一段保守序列，为组氨酸酸性磷酸酶的活性位点，可以被分为组氨酸酸性磷酸酶家族。phyA基因序列中G+C含量高达68.3％，这是丝状真菌中编码蛋白的基因序列所具有的重要特征之一，无论是在核苷酸来源及所编码的氨基酸的序列，还是在基因产物的酶学特征上均具有较高的同源性。玉米的phyS11基因是植物中最早被分离出来的植酸酶基因，Maugenset等于1997年从发芽的玉米种子中分离得到phyS11基因，该基因全长1167bp，编码388个氨基酸，其所编码的氨基酸序列中，与丝状真菌只有33个氨基酸同源序列，其中包含了活性位点保守序列。

近年来，从细菌及真菌中克隆得到了多个新的植酸酶基因，其中高热稳定性、高耐酸性植酸酶基因是目前研究的重点。利用基因工程手段改变植酸酶基因使其定向进化，也是一种获得高稳定性植酸酶的方法，目前对影响植酸酶热稳定性、最适pH、活性的氨基酸残基进行了大量的研究，并通过基因工程改造获得了多个性质优良的植酸酶。