植酸酶在水產動物營養中的應用研究

植酸酶具有消除植酸的抗營養作用，提高動物對日糧中蛋白質、礦物質的利用率，減少動物糞便中磷對環境的污染等獨特的生理功能，越來越成為營養學領域的研究熱點。同時，作為一種外源飼料添加劑在動物營養中得到了廣泛應用。本文針對植酸酶的酶學性質、生物學功能以及在水產動物營養中的作用效果及機理進行了綜述，以期為植酸酶在水產動物營養中的進一步應用奠定理論基礎。

植酸又名肌醇六磷酸或環己六醇磷酸酯，廣泛存在于植物籽實中，是植物性飼料中磷元素的主要儲存形式，但植酸磷不能被動物直接吸收利用，必須在消化道內先水解為無機磷酸鹽。水產動物尤其是魚類消化系統中缺乏內源性植酸酶，無法利用飼料中的植酸磷，大部分隨糞便排出，造成嚴重的水環境污染，同時造成磷的浪費。而水產動物對飼料中磷的需要量又高于畜禽，特別是鯉科魚類屬無胃魚，沒有胃酸分泌，通常采用飼料中添加磷酸氫鈣或磷酸二氫鈣等方法來滿足水產動物機體對磷的營養需求。同時，植酸通常與一些二價或三價陽離子，如Ca 2+、Zn 2+、Fe2+等形成不溶性鹽類，阻礙腸道對礦物元素的吸收。在酸性或近中性環境中植酸還可以與蛋白質形成絡合物，影響蛋白質的吸收利用，與一些蛋白消化酶類等結合，降低了其活性。因此植酸也被認定為抗營養物質，它不僅造成飼料原料的浪費，無形中增加了養殖成本，還導致水產動物糞便中含有大量的氮磷和礦物質離子化合物，嚴重污染水環境。植酸酶廣泛存在于動物、植物和微生物中，是一類能將植酸及其鹽類催化水解成肌醇和磷酸的酶的總稱，屬磷酸單酯水解酶。植酸酶作為環保促生長型飼料添加劑，可提高水產動物飼料中磷的利用率，減少水產動物養殖中磷對水環境的污染和水產飼料中礦物質磷的添加量，同時能提高植物蛋白和植物飼料能量礦物質利用率，從而節約飼料資源，降低飼料成本，符合我國兩型社會建設要求，其在水產健康養殖中具有廣闊的應用前景。

1、植酸酶的酶學性質

和其他酶類一樣，植酸酶活力受溫度、環境pH、激活劑、抑制劑、作用時間、底物及產物濃度等多種因素的影響。根據最適pH值的不同，Oh等（2004）將植酸酶（磷酸酯酶）分為兩個亞類：酸性植酸酶和堿性植酸酶。飼料工業中常用的是酸性植酸酶（也稱作組氨酸酸性植酸酶)。這種植酸酶催化活性較強，有最適的酸性pH值（pH值在4.0～6.0），需要以游離酸形式存在的植酸作為反應底物。自然界中也存在大量的堿性植酸酶（Liu等,1998），但鮮為人知。這種植酸酶需要鈣離子（Ca2+），在堿性pH范圍內有活性，更喜歡以植酸鈣復合體為底物。一般而言，它們可以水解6個磷酸鹽基團中的3個或更多，除了和磷酸酯反應外，有非常強的底物特異性，雖然磷酸酯是酸性植酸酶的底物（Oh等，2004）。堿性植酸酶的熱穩定性更強，某些酶能耐受80℃~95℃的高溫。DSM研究發現源自煙曲霉菌的真菌植酸酶可耐受100℃的高溫持續20min（Pasamontes等，1997）。此外，和DSM 同序列的、來源于幾種真菌的植酸酶可耐受90℃的高溫持續10min（Lehman等,2000）。Vats和Banerjee （2004）發現在所有植酸酶中，細菌植酸酶的最適pH值在中性到堿性之間，而真菌植酸酶的最適pH值為酸性（pH在2.5~6.0）。這種特性更適用于天然或野生型植酸酶，因為經過基因工程改良的植酸酶突破了這樣的局限。另外，一些外部因素也可能改變植酸酶的最適pH，如適當濃度的CaCl2可以顯著提高植酸酶pH耐受范圍。不同來源的植酸酶由于氨基酸組成、分子大小、空間結構特點不同，其糖基化程度、Km值、等電點、底物專一性、熱穩定性等都有很大差異。植酸酶最適溫度為40℃~60℃，不同來源的植酸酶差別很大。 

2、植酸酶的生物學功能

2.1、促進植酸在機體內的分解，提高營養物質的利用率

植酸酶具有水解植酸的功能，在機體內首先通過把植酸分解成肌醇磷酸酯，然后經酸性磷酸酶再將肌醇磷酸酯徹底地分解成肌醇和磷酸。具體的作用過程為將植酸分子上的磷酸基團逐個切下，形成中間產物IP5、IP4、IP3、IP2、IP，最終產物為肌醇和磷酸。植酸酶在水解植酸或植酸鹽時，可以將與其絡合的大量鎂、銅、鋅、錳等礦物元素因植酸分子的分解而釋放出來；同時，也可以斷裂蛋白質與植酸之間的鍵，將蛋白質也釋放出來，以及消除植酸對動物胃腸道消化酶活性的影響，從而提高了水產動物對礦物元素的利用率和蛋白質的消化吸收率。王愛民等（2007）研究指出，在異育銀鯽日糧中分別添加500~1,500U/Kg的植酸酶，飼喂60d后，添加植酸酶各組異育銀鯽魚種的魚體成分中, 粗灰分、粗蛋白、鈣、磷及部分礦物質元素 (鐵、銅、鎳 )含量顯著提高, 表明植酸酶能釋放植酸的螯合物, 促進礦物質元素在動物體內的沉積。

2.2、提高動物飼糧中磷的吸收率，減少動物糞便中磷的含量

水產動物對植酸磷的利用率非常有限，即使像小麥和大麥這類含有內源性植酸酶的飼料，其植酸磷的利用率也很低，在飼料中添加植酸酶后，可在胃腸道中直接把植酸或植酸鹽水解，將磷和各種微量元素釋放出來，供水產動物吸收，可以提高植物性飼料磷的利用率，減少高價無機磷源的添加量，避免隨無機磷添加帶來的氟、汞、鎘、砷、鉛等有害元素進入飼料，這不僅可以預防由缺乏磷引起的各種疾病，更主要的是減少了糞便中磷的排放量，保護了自然環境，在降低飼料成本的同時增加了配方的調整空間以及提高了生態效益。

3、植酸酶在水產動物營養中的最新應用

3.1 植酸酶對水產動物生長性能的影響

植酸酶具有水解抗營養因子植酸的生理功能，從而能提高水產動物對營養物質的消化吸收率，進而促進水產動物的生長發育，提高其生產性能。陳京華等（2010）在每千克豆粕組牙鲆飼料中添加1,000IU植酸酶, 結果表明，牙鲆的特定生長率、飼料效率、蛋白質效率和氮貯積率與魚粉對照組相比較，沒有出現顯著差異（P＞0.05）；與不添加植酸酶的豆粕組相比較，在含豆粕飼料中添加1,000IU/kg飼料的植酸酶顯著提高牙鲆的特定生長率（P<0.01）、氮貯積率（P<0.05）和磷貯積率（P<0.01），但飼料效率和蛋白質效率沒有顯著變化（P＞0.05）。黃可等（2011）通過預處理方式分別在斑點叉尾鮰基礎飼料中添加300、500、1,000、1,500U/kg的植酸酶,制成試驗飼料進行飼喂,試驗持續90d。結果表明：植酸酶預處理飼料顯著增加魚體的增重率、特定生長率和蛋白質效率，降低飼料系數（P<0.05），且上述指標均以1,000U/kg組試驗魚表現最好。馬恒甲等（2011）在全植物蛋白草魚基礎飼料中,分別添加500~2,500 U/Kg的植酸酶，通過60d的飼喂試驗，結果表明，當植酸酶添加水平大于1,000U/kg時，草魚的飼料系數顯著降低，蛋白質效率得到顯著提高。李嬪等（2012）在異育銀鯽基礎日糧基礎上用1,000U/kg耐高溫植酸酶分別替代基礎日糧中0.3和0.6個百分點的磷酸二氫鈣，結果表明，與對照組比較，試驗1組魚增重率提高了3.28（P＞0.05），試驗2組異育銀鯽的肥滿度顯著提高（P<0.05）。孟祥科等（2013）在紅鰭東方鲀日糧中用豆粕替代30%魚粉蛋白基礎上設4個不同的植酸酶添加水平（500、1,000、1,500、2,000U/kg），研究結果表明，添加植酸酶后,試驗組幼魚的生長狀況得到一定程度的改善,添加植酸酶≥1,000U/kg時,幼魚的終末體質量、特定生長率較對照組明顯提高（P<0.05）,餌料系數較對照組顯著降低（P<0.05）。周理紅等（2013）在草魚飼料中以500 U/kg的中性植酸酶替代飼料中25%（P25組）、50%（P50組）和75%（P75組）的磷酸二氫鈣,飼養草魚9周后，與對照組相比,各替代組的增重率、特定生長率和飼料利用率除P75組外都無顯著差異,成活率也均無顯著差異。

3.2、植酸酶對水產動物飼料利用率的影響

黃可等（2011）研究結果報道，植酸酶預處理飼料還可以顯著提高飼料中磷的表觀消化率及魚體椎骨磷含量，飼料中磷的表觀消化率隨植酸酶添加濃度的增加而提高，且1,000U/kg和1,500U/kg組顯著高于其他試驗組（P<0.05），魚體椎骨磷含量以1,000U/kg組為最高，顯著高于300和500U/kg組(P<0.05)， 但與1,500U/kg組差異不顯著（P＞0.05）。劉行彪等（2012）在斑點叉尾鮰基礎飼料中以Ca（H2 PO4）2提供外源無機磷，同時添加不同濃度植酸酶（300~2,000 U/kg）進行養殖試驗，試驗結果顯示，添加1,000~2,000 U/kg植酸酶能有效改善斑點叉尾鲴生長性能，有利于營養物質在魚體中的沉積，促進骨骼礦化。以特定生長率為響應指標，植酸酶最佳添加量為1,435U/kg等效于添加了0.37％的有效磷；以椎骨磷為響應指標，植酸酶最佳添加量為1,226U/kg等效于添加了0.33％的有效磷。周金敏等（2012）研究表明，用植酸酶替代30%的磷酸二氫鈣或者用400 g/t的植酸酶替代45%的磷酸二氫鈣,可以顯著提高斑點叉尾鲴對飼料干物質的表觀消化率，且各組的總磷消化率相比對照組提高了7.95％~16.71％。付錦鋒（2012）研究表明，在尼羅羅非魚飼料中添加植酸酶對蛋白質和能量利用均有顯著提高，磷的利用率也顯著提高，但受添加水平和植酸酶源的影響不完全相同。另外，添加植酸酶組尼羅羅非魚鱗片和骨骼中礦物質的含量得到顯著升高。孟祥科等（2013）研究表明，植酸酶一定程度上能提高紅鰭東方鲀幼魚對干物質的消化率,但不明顯(P>0.05)，添加1000U/kg植酸酶時,幼魚的蛋白質表觀消化率達到最高，而添加1,000U/kg、1,500 U/kg植酸酶時,能顯著提高幼魚的脂肪消化率（P<0.05），同時添加植酸酶后,幼魚的磷消化率較對照組顯著升高（P<0.05）。周理紅等（2013）在草魚飼料中用植酸酶替代磷酸二氫鈣后，替代組的草魚堿性磷酸酶、谷丙轉氨酶和谷草轉氨酶活性顯著性升高，各替代組除P25（25%被替代）組外其余組草魚血鈣顯著性升高，血磷也有上升趨勢。

3.3、植酸酶對水產動物機體成分的影響

黃可等（2011）通過預處理方式在斑點叉尾鲴飼料中添加植酸酶，與對照組相比，各試驗組全魚粗蛋白質、粗灰分、鈣、磷含量顯著提高（P<0.05），粗脂肪含量顯著降低（P<0.05）。馬恒甲（2011）研究報道，在全植物蛋白草魚基礎飼料中，當植酸酶添加水平大于1000 U/Kg時魚體粗脂肪含量有所降低，而植酸酶添加水平為1,000U/kg時，其肌肉粗脂肪含量顯著提高，同時添加植酸酶后魚體、肌肉和脊椎骨中的磷含量有一定提高，且植酸酶添加水平為1,250U/Kg時，肌肉和脊椎骨中的磷含量顯著提高。付錦鋒（2012）研究表明，植酸酶的添加對尼羅羅非魚魚體組成均有顯著影響，尤其是與負對照組相比對鈣和磷的含量有影響。周理紅等（2013）研究還發現，各替代組與對照組相比，草魚全魚粗蛋白略上升，且P25（25%被替代）組粗脂肪顯著性降低。

3.4、植酸酶對水產動物氮、磷排泄的影響

植酸酶能提高水產動物對飼料中植酸磷的利用率，從而可降低其糞便中氮、磷的排泄量，減少水產養殖對水域環境的污染。陳京華等（2010）研究表明，在牙鲆飼料中添加植酸酶后，顯著降低了牙鲆氮排放率（P<0.05）和磷排放率（P<0.01）。黃可等（2011）研究還報道，植酸酶預處理飼料可降低斑點叉尾鮰單位增重磷排放量（P<0.05），且單位增重磷排放量與植酸酶添加濃度在一定范圍內呈顯著的負相關（P<0.05），但1,000和1,500U/kg組間差異不顯著（P＞0.05）。楊雨虹等（2011）在斑點叉尾鮰基礎飼料中添加300～2,000U/kg的植酸酶，進行90d的生長試驗，結果表明，隨著植酸酶添加量的增加，氨氮、總磷和單位增重糞磷排泄量均有下降趨勢，與對照組相比，添加1,500～2,000U/kg植酸酶的試驗組上述指標均顯著降低（P<0.05）。周金敏等（2012）研究表明，在斑點叉尾鲴飼料中用植酸酶替代部分磷酸二氫鈣后，魚體糞磷排出量有隨磷酸二氫鈣替代量增加而降低的趨勢，各替代組的糞磷排出量和水中總磷含量均顯著低于對照組（P<0.05）。

3.5、植酸酶對水產動物消化酶活性的影響

孟祥科等（2013）研究還報道，在紅鰭東方鲀日糧中添加植酸酶能提高其幼魚腸道蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的活力。華雪銘等（2013）在草魚和新吉富羅非魚全植物性飼料中添加植酸酶，結果表明，植酸酶對無胃魚草魚和有胃魚羅非魚淀粉酶及蛋白酶比活力都有顯著的促進作用。相比較而言,植酸酶對羅非魚的應用效果較明顯，低劑量就能顯著提高其淀粉酶及蛋白酶比活力（P<0.05）。當植酸酶添加量達到1,000U/kg時,草魚和羅非魚淀粉酶及蛋白酶比活力均達到峰值,此時,羅非魚淀粉酶和蛋白酶比活力與陽性對照組無顯著差異（P＞0.05）,而草魚肝胰臟蛋白酶比活力顯著高于陽性對照組（P<0.05）。植酸酶添加量為2,000U/kg實驗組，羅非魚淀粉酶和蛋白酶比活力與1,000U/kg植酸酶實驗組無顯著差異（P＞0.05）,但草魚肝胰臟蛋白酶比活力顯著低于1,000U/kg植酸酶實驗組（P<0.05）。

4、前景展望

植酸酶由于具有獨特而重要的生理功能，同時作為一種飼料添加劑在動物生產中具有廣泛的應用前景，也日益成為飼料界同行關注和研究的焦點。雖然植酸酶在動物生產中的應用有大量研究和報道，但不深入、全面，且在水產動物上應用的報道還較少，尚有許多問題沒有被認知。對其營養作用機理的研究也鮮見報道。今后應加大其在水產動物營養中的應用研究，并探索在不同水產動物日糧中的最適添加量。當前，國內外有關植酸酶在畜禽和水產動物上的研究報道多集中在其作用效果上，而其作用機理尚不清楚，今后尤其要深入到分子水平上研究日糧中添加不同水平的植酸酶對動物影響機理的研究，為進一步推廣應用提供理論基礎。