植酸酶的現狀及其研究進展

　植酸(肌醇六磷酸) 具有強大的絡合力,通常與
鈣、鎂、鋅、鉀等礦物質元素結合,形成不溶性鹽類。
植酸(鹽) 廣泛存在于農作物及農副產品中,很多谷
物、油料作物中的植酸含量高達 1 %～3 %,其中鈣、
鎂、鋅、鉀等元素以植酸鹽的形式存在。因此植酸是
一種抗營養因子,大大降低了微量礦物質的營養有效
性。植酸的這種性質會導致人和動物鈣、鎂、鋅、鉀等
元素的不平衡性。因此必須在動物的飼料中添加鈣
鉀等以補充礦物質,這大大提高了飼料成本。同時飼
料中天然磷的含量約為 40 %～70 %,且以植酸磷的形
式存在,而豬、禽的飼料中大量的植酸磷因不能被利
用而從糞便中排出,造成環境污染(磷富集化污染) 。
植酸酶是催化植酸及其鹽類水解為肌醇和磷酸
的一類酶的總稱。將植酸酶添加到動物性飼料中釋
放植酸中的磷分,不但能提高食物及飼料對磷的吸收
利用率,還可降解植酸蛋白質絡合物,減少植酸鹽對
微量元素的螯合,提高動物對植物蛋白的利用率及其
植物飼料的營養價值。同時也減少動物排泄物中有
機磷的含量,減少對大自然的污染。
1 　植酸酶的作用機理
植酸酶能將肌醇六磷酸(植酸)分解成為肌醇和
磷酸。植酸酶將植酸分子上的磷酸基團逐個切下,形
成中間產物 IP5 , IP4 , IP3 , IP ,終產物為肌醇和磷酸。
不同來源植酸酶作用機理有所不同。微生物產生的 3- 植酸酶作用于植酸時,首先從植酸的第 3 碳位點開
始水解酯鍵而釋放出無機磷,然后再依次釋放出其他
碳位點的磷,最終酯解整個植酸分子,此酶需要 2 價
鎂離子(Mg
2 +
)參與催化過程。來源于植物的 6 - 植
酸酶,它首先在植酸的第 6 碳位點開始催化而釋放出
無機磷。1g 植酸完全分解理論上可釋放出無機磷
281. 6mg。植酸酶只能將植酸分解為肌醇磷酸酯,不
能徹底分解成肌醇和磷酸,要徹底分解肌醇磷酸酯,
需酸性磷酸酶的幫助,酸性磷酸酶可以將單磷酸酯、
二磷酸酯徹底分解成肌醇和磷酸。大多數微生物來
源的植酸酶的作用機理如下。
植酸 → D - 1 ,2 ,4 ,5 ,6 - 五磷酸肌醇 + D - 1 ,2 ,3 ,
4 ,5 - 五磷酸肌醇 →1 , 2 , 5 , 6 - 四磷酸肌醇 →1 , 2 ,5 -
三磷酸肌醇或1 ,2 , 6 - 三磷酸肌醇 →1 , 2 - 二磷酸肌
醇 → 2 - 磷酸肌醇
2 　植酸酶的種類
植酸酶是一類水解植酸的磷酸酶類,可分為兩類
即3 - 植酸酶( EC3. 1. 3. 8) 和 6 - 植酸酶( EC3. 1. 3.
26) 。3 - 植酸酶從3 - 位開始將六磷酸肌醇依次降解
為五、四、三、二、一 - 磷酸肌醇及正磷酸, 6 - 植酸酶
是6 - 位開始將植酸降解,最終產物都是單磷酸肌醇
(2 - 磷酸肌醇)和正磷酸。植物和大腸桿菌植酸酶屬
于6 - 植酸酶,而真菌和大多數細菌植酸酶則屬于 3
- 植酸酶。對黑曲酶 NRRL3135 菌株的研究表明,該菌產生三種胞外酸性磷酸酶,分別是:6 - 植酸酶即內
消旋肌醇六磷酸磷酸酶( E. C. 3. 1. 3. 8. ) (phyA) ; 3 -
植酸酶即非特異磷酸單酯酶( E. C. 3. 1. 3. 26) (phyB) ;
非特異性磷酸單酯酶,能分解植酸磷的活性成分主要
是phyA。
3 　植酸酶的理化特征
3. 1 　分子量
植酸酶的分子量因來源不同而差異很大。植酸
酶分子量的差異主要是由于糖基化之故,真菌植酸酶
都是糖基化蛋白,隨糖基化程度不同,分子量差異很
大。Markus 等通過對 Aspergillus terreus , Aspergillus
fumigatus , Emericella nidulans , MyceliopHthora
thermopHhila , Talaromyces thermopHilus 及 E. coli (非糖
基化蛋白)等植酸酶進行了研究,發現真菌植酸酶糖
基化模式多種多樣,且各不相同,植酸酶基因在不同
的表達系統中,糖基化程度不一樣,即使在同一表達
載體時,糖基化程度也不一樣,主要是由于潛在的 N
端糖基化位點個數不一樣。但糖基化對于酶的專一
性酶活沒有多大的影響,而對于酶的分子量和熱穩定
性具有顯著的影響,對于酶的等電點也有影響。
3. 2 　最適pH值
植酸酶的最適 pH 值一般在 2～6 之間。植物來
源的植酸酶最適pH為4. 0～7. 5 ,大多數在5. 0～6. 0 ,
不適合在單胃畜禽酸性的胃中起作用,且在植物中含
量太低。細菌來源的植酸酶最適pH 一般為中性或偏
堿性。真 菌 植 酸 酶 為 2. 5 ～ 7. 0。黑 曲 霉 A.
nigerNRRL3135 產生兩種不同的植酸酶,一株最適 pH
值為 5. 5 和 2. 5 ( phyA ) , 另一株最適 pH 為 2. 0
(phyB) 。菌株發酵和生產的植酸酶,經體外試驗發
現,在 pH 值為 2. 5 和 5. 5 時活性最強 (Simons 等,
1990) ,pH為2. 5時,與胃中的酸堿度相接近;5. 5時在
小pH 值變化范圍內 (Moran1982) 。Newman 等人在
1991年發現由 Aspergillus nigerman 生產的植酸酶在
PH5. 0～6. 5時,具有最強活性。
3. 3 　最適溫度
植酸酶最適溫度在40～60 ℃范圍內,不同來源植
酸酶的最適溫度相差較大,由于飼料加工都要經過一
個短暫的制粒工藝,在制粒過程中有一個短暫的高溫
過程,一般在75～93 ℃。一般的植酸酶活性在此高溫
下不可避免的失活。從嗜溫微生物 MyceliopHthora
thermopHila、 Aspergillus terreus 等分離到的高溫植酸酶
最適溫度在 70～80 ℃,雖然有很好的耐溫性,但它在
37 ℃(酶作為飼料添加劑最終的作用溫度與體溫相同)時酶的活性極低,沒有使用價值,相反來源于 A.
niger 等在37 ℃時具有較好的酶活性,但它又不能經受
制粒時的高溫,所以如何使得酶能短暫的耐高溫且在
動物正常體溫下具有高酶活性是目前包括植酸酶在
內的飼用酶制劑急需解決的一個問題。一種有效的
方法是研究酶的包被技術,酶在包被衣免受高溫的破
壞,包衣在動物胃中可被消化而釋放出酶。歐洲的一
種常用方法是把液態植酸酶制劑灑在制成的顆粒料
上,或使用冷壓制粒。Simons 等研究了制粒時溫度對
植酸酶影響后發現,樣品在制粒前蒸汽加熱至 50 ℃,
制粒過程達到81 ℃,其酶活性下降 16 %;樣品如蒸氣
加熱至65 ℃,制粒達84 ℃或 87 ℃時,則酶活性分別降
至原來的83 %和46 %。Newman 用 A. niger 生產的植
酸酶作試驗表明,將其置于90 ℃環境30min ,其活性不
超過16 %。因此認為植酸酶在正常制粒條件下是較
穩定的,只要在生產中嚴格控制溫度、時間等條件變
化,完全可使酶免受破壞。
3. 4 　激活因子與抑制因子
多數二價陽離子( Ca
2 +
、 Fe
2 +
、 Zn2 +
、 Mg2 +
、 Cu2 +
等)因與底物(植酸)發生強烈的絡合作用而抑制酶的
活力,草酸、檸檬酸等化合物也因與酶活性中心關鍵
氨基酸的側鏈基因反應而降低酶活,常見的底物競爭
性抑制劑等的出現也會對酶的作用效果產生不利的
影響。對于有的植酸酶,則存在某種特定的金屬離子
可以作為電子轉移載體起到酶的激活劑的作用,如
Fe
2 +
激活釀酒酵母, Ca
2 +
激活枯草桿菌植酸酶等等。
對于A. niger NRRL3135 phyA , Ca
2 +
、 Fe
2 +
對酶活無影
響,Mn
2 +
、 Co
2 +
有激活作用,能使酶的活性分別提高
30 %和 13 %, Cu
2 +
、 Zn
2 +
、 Fe
3 +
對酶活性具有抑制作
用。另外對一些來源于動物、植物的酸性磷酸酶有抑
制作用的抑制劑如L ( + ) - 酒石酸、磷霉素對它卻沒
有抑制作用。
4 　植酸酶高產菌株的研究進展
天然產植酸酶菌株產酶水平一般較低,無商業開
發價值。目前都是以天然菌株進行改良獲得的改良
菌或通過基因工程技術獲得的基因工程菌。現在對
無花果曲霉 Asp . ficuum (NRRL31155) 研究的較為詳
細。Marisa K. Che - lius 等用紫外照射法對 NRRL3135
菌株進行改良,獲得的突變菌株其植酸酶產量為野生
型的3. 3 倍。山西大學生命科學系諸西寧等首次分
離到一種產植酸酶的青霉菌 ———變灰青霉(peicillum
Canescens) ,此菌產酶效果較好,植酸酶活性可達 3.
12U/ g (干曲) 。趙允磷等分離出一黑曲霉菌株(Asp .Niger 70) ,并與國際上公認的植酸酶優良產生菌:無
花果曲霉 NRRL3135 菌株的產酶特性進行了比較,發
現NRRL3135培養8～9d 才達到產酶高峰,而黑曲霉
(Asp . Niger 70)培養5～6d 便可達到產酶高峰;用固態
培養法生產植酸酶的產酶水平前者為 45U/ g (干基) ,
而后者僅為5. 2U/ g (干基) 。陳紅歌以黑曲霉 MAO21
(Asp . niger MAO 21)出發菌株,經紫外線、亞硝基胍單
獨處理和復合處理,獲得一株植酸酶高產菌株UN - l2
- 10 ,發酵108h ,其植酸酶活力達到 2950～3015U/ ml ,
是原始出發菌株的 3. 6 倍。劉德忠以無花果曲霉
2123 - 15 # 為出發菌株,用鈷60
照射誘變,獲得兩株產
植酸酶活力較高的菌株, G - 2123 - 15 - 7 # 和 C2123
- 15 - 64 # ,在最適液態培養條件下,兩株菌產酶活
力均在 11. 0U/ ml 以上,最高可達 11. 28U/ ml ,比出發
菌株提高了168. 57 %,發酵時間從9d 縮短到 5d ,縮短
了45 %左右。胥傳來等從黑曲霉(Asp· nigur )中篩選
出一株產植酸酶菌,在 30 ℃下恒溫培養 4d ,其最高酶
活可達 479. 7U/ ml ,酶的熱穩定性較好,溫度提高到
55 ℃,酶液仍保持93. 4 %的酶活,溫度升到 70 ℃,酶活
尚存87. 7 %。
5 　植酸酶活力的測定
植酸酶活性的測定方法較多,但至今尚沒有被世
界普遍公認的植酸酶的定量分析方法。
5. 1 　釩 - 鉬酸鉸法
該方法是利用植酸酶可以水解植酸磷釋放出無
機磷的原理。通過加入酸性鉬 - 釩試劑使水解反應
停止,同時與水解釋放出來的無機磷產生顏色反應,
形成黃色的釩鉬磷絡合物,在 415nm 波長下測定磷的
含量。以標準植酸酶為參照物,間接計算被測樣品中
植酸酶的含量。本法于1994年列入 AOAC ,我國也已
將此法的測定結果作為審批商品植酸酶注冊許可證
和驗收進口產品的法定商檢依據。
5. 2 　硫酸亞鐵 - 鉬藍法
該方法利用植酸酶可以水解植酸磷釋放無機磷
的原理,通過加入三鹽酸使水解反應停止,然后加入
鉬酸銨及 FeSO4· 7H20的混合液使溶液顯色,在 720nm
波長下測定其吸收值,以標準酶為參照物,間接計算
被測樣品中植酸酶的含量。
5. 3 　 Vc - 鉬藍法
該方法是利用植酸酶可以水解植酸磷釋放無機
磷的原理,通過加入三氯乙酸使反應停止,然后加入
鉬酸銨與Vc 的混合液,使溶液顯色,在 820nm 波長下
測定吸光度,再以標準磷溶液的吸光度及磷溶液濃度對應的酶活單位建立直線回歸方程,最后以待測樣品
吸光度代入方程,計算出酶活性。
5. 4 　丙酮 - 磷鉬酸鉸法
磷酸鹽與過量的鉬酸銨在酸性條件下混合后,可
慢慢生成黃色磷鉬酸銨,加入丙酮后將黃色物質提出
來,在355nm 波長處測吸光度,靈敏度增加10倍。
6 　植酸酶的應用
6. 1 　食品加工過程中的植酸脫磷
用食品級的植酸酶處理糧食,以分解糧食中的植
酸(鹽) ,減少植酸對微量元素的螯合,提高糧食的營
養價值。在大豆加工中可對大豆蛋白進行酶催化改
性,從而提高其營養和商品價值。面包生產過程中添
加植酸酶可以清除揉面中的植酸,面包制作中用的植
酸酶應該是安全無毒,高活性, Ca
2 +
依賴型的,最適
pH應在 4. 5～5. 0 ,并在 30 ℃左右具有高反應速度。
浸漬是玉米漿的生產程序之一,浸漬是為了軟化玉米
粒,破碎細胞壁,從而獲得玉米漿。微生物植酸酶能
加速這一過程,改良株胚的分離,獲得高產量的淀粉
和面筋,并能改善玉米漿的品質。在谷物(玉米、小麥
等)淀粉加工中處理廢棄物,降低對環境的污染。
6. 2 　飼料添加劑
將植酸酶添加到植物性飼料中,不但能提高植酸
磷的利用率,還可降解植酸蛋白質絡合物,減少植酸
鹽對微量元素的螯合,提高動物對植物蛋白的利用率
及其植物飼料的營養價值。同時也減少動物排泄物
中有機磷的含量,減少對大自然的污染。
6. 3 　生產肌醇磷酸鹽或肌醇
利用植酸酶降解米糠等農副產品中所含的植酸
(鹽) ,從而生產肌醇磷酸鹽或肌醇等產品。
6. 4還用于谷物沉淀加工廢棄物的處理。預防由磷缺
乏而引起的各種疾病,促進人畜鈣、鎂、鋅、鉀等營養
元素水平的提高。因此植酸酶廣泛應用在飼料和糧
食工業,用于降解飼料和食物中的植酸。
7 　商品植酸酶研制和商品化過程
早在經典的營養學就指出植酸的害處。自 80 年
代中期,歐洲就致力于尋找全面解決無機磷污染的方
案。而直接的動因是即將在原歐共體成員國實施的
環境保護議會指引(CouncilDirective91/ 676/ EEC) 。核
心內容之一就是限制養殖業的磷排泄量。而荷蘭首
當其沖。直到80年后期,荷蘭 Wagningen 大學克隆植
酸酶基因出現突破,才有了商業開發的可能。德國巴
斯夫極為重視飼料添加劑領域。30 年來,以優質的產品和對營養學深入的研究及認識處于世界領先的地
位。此時巴斯夫和荷蘭的 Gist - brocades (DSM 的前
身)都意識到了植酸酶的潛力,共同開始集中研究進
行商品化開發。率先利用基因轉移技術,于1990年首
次成功地用Aspergillusniger 工業化規模生產商品植酸
酶。同年獲得歐洲飼料添加劑管理機構的全面批準
認可, 陸續在荷蘭、德國等歐洲市場以酶他富
(NatupHos) 為商品名上市。1994 年起在世界各地市
場全面供應酶他富。從這時起,各國以大學、研究所
和各類商業研究機構為主投入了大量的人力物力資
源,開始了大量的研究。90 年代以前,我國在這方面
的研究基本上沒有開展。1990 年 6 月,在 Hohenheim
大學紀念門克教授退休暨任教 25 周年的歐洲動物營
養論壇會上,原化工部飼料添加劑開發中心的外派專
家同Dr . Lantzsch 交流植酸和植酸酶時,只談到了中國
生產大量的肌醇。目前國內至少有 3 - 5 家企業已經
開發出植酸酶產品。還有更多的企業和研究機構正
在從事有關的開發。
8 　植酸酶的市場狀況
目前我國植酸酶產品主要依賴進口,價格昂貴,
為20萬元/噸,從而限制了植酸酶在生產和工業上的
應用。
正因如此,國內各種科研單位都在加強對植酸酶
的開發和研究。國內現有一些科研單位已相繼完成
或正在進行這方面的研究。現在國內植酸酶的成本
為5000 元/噸,加上其它消耗在 700 元/噸,而市場上
國產的植酸酶的售價在 2 萬元/噸左右。因此每噸植
酸酶的可獲利 1. 3 萬元。因此植酸酶的利潤是可觀
的,是可完全替代進口的植酸酶。
1998年中國植酸酶的市場為 5 個億,2000 年中國
植酸酶市場達 10 個億。按中國飼料工業的發展規
劃,2010 年和 2020 年中國飼料的需求量分別為 1 億
噸和1. 7億噸,按千分之一的加酶量算,植酸酶的需
求量應為10萬噸和 17 萬噸,按 2 萬元/噸來計算,那
么其市場應分別為20億元和34億元。因此植酸酶具
有良好的市場前景。
9 　植酸酶的發展趨勢
隨著現代分子生物學的飛速發展,采用基因工程
技術手段構建植酸酶基因工程菌,提高酶產量,是植
酸酶研究的新熱點。當前國外使用的植酸酶基因工
程菌均是以 NRRL3135 菌株作為出發菌株,如丹麥
NOVO 公司生產的植酸酶就是用該生產菌的基因工
程菌生產的;1991 年荷蘭的麥斯特·布羅卜德有限公司在中國申請了專利;微生物植酸酶基因的克隆與表
達,也是以該NRRL3135菌株的基因克隆,并在黑曲霉
中表達的基因工程菌。到目前,共有 10 余個植酸酶
編碼基因得到了分離克隆。Van Gorcomd 等構建了 3
組重組 A. niger 菌株,植酸酶產量分別達到 1. 1xl05
U/
ml ,0. 5xl05
U/ ml , 2. 8xl05
U/ ml ,與天然植酸酶產生菌
株不到100U/ ml 相比有大幅度的提高。目前這一菌
株已用來工業化生產。我國姚斌等通過基因工程的
方法獲得了高效表達、生產植酸酶的基因工程酵母,
其植酸酶的表達量較天然的植酸酶產生菌黑曲霉高
3000倍以上,有望實現植酸酶的產業化生產。PenJ 等
將帶有黑曲霉植酸酶的基因轉入煙草種子中得到轉
基因種子,植酸酶占成熟種子可溶性蛋白的 1 %,可作
為一種新型飼料添加劑,用以喂仔雞,生長速度加快,
其效果和添加真菌植酸酶或無機磷相當。Verwoerd
等也做了類似的工作,在轉基因煙草中檢測到了植酸
酶,其中在葉子中表達量最高,達到可溶性蛋白的 14.
4 %。
10 　結束語
植酸酶不僅可以解除植酸的抗營養作用,提高食物和
飼料中多種礦物元素和蛋白質、氨基酸的可利用性,
而且能夠降低糞便排泄磷造成的環境污染,是一種新
型的綠色飼料添加劑。通過基因工程技術將高活性
植酸基因轉移到高產工業菌株的基因組中,構建高
產、高活性的超級產植酸酶菌株,降低植酸酶的生產
成本,植酸酶的應用必將越來越廣泛。
參 考 文 獻
1　 王尊生.青霉植酸酶的初步研究.微生物雜志,2001. 3. 59 -
61
2　 黃遵錫.植酸固體發酵條件的研究. 菌物系統, 2000. 1. 102
- 106
3 　黃遵錫. 植酸產生菌的菌篩選育與生育. 西南農業大學學
報,2001. 2. 18 - 22
4　陳歌紅. 植酸酶高產菌株的誘變選育. 微生物通報, 1997.
24. 272 - 274
5　 褚西寧.青霉產植酸酶理化性質的初步研究. 微生物雜志,
2000. 3. 5 - 7
6　 董杰生.產植酸酶菌株的篩選.大連輕工業學院學報,1999.
4. 283 - 287
7　 苗雪霞.根霉植酸酶的研究.菌物系統,2000. 4. 71 - 73
8　 趙允麟.無花果曲霉與黑曲霉植酸酶產酶條件的研究.食品
與發酵工業,1996. 3. 42 - 47
9　 張若寒.植酸酶活性的檢測方法.中國飼料,1997. 5. 30 - 32
10　 張樹政.酶制劑工業.科學出版社,1984年版
11　 沈同.生物化學.高教出版社,1990年版