現(xiàn)今養(yǎng)殖業(yè)所用的谷物性飼料所占比例很大，谷物中磷的存在形式主要為植酸和植酸鹽，絕大多數(shù)單胃動(dòng)物，如豬、雞的消化道內(nèi)缺乏分解植酸的酶，對(duì)谷物性飼料中植酸的利用率很低，且不能被動(dòng)物吸收的磷排放到環(huán)境中會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。同時(shí)，植酸易與二價(jià)或三價(jià)陽離子結(jié)合，形成不溶性鹽，阻礙動(dòng)物小腸對(duì)礦物質(zhì)元素的吸收，并且植酸會(huì)與蛋白質(zhì)形成絡(luò)合物，影響蛋白質(zhì)的吸收。在禽畜的基礎(chǔ)日糧中添加植酸酶，可以分解飼料中的植酸，提高動(dòng)物對(duì)植酸的利用率，減少磷的排放，提高動(dòng)物對(duì)礦物質(zhì)元素和蛋白質(zhì)的利用率。因此，對(duì)于植酸酶的研究具有重要的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。

植酸酶的來源

植酸酶是1907年由Suzuki等在玉米糠中發(fā)現(xiàn)的一種單體蛋白質(zhì)，之后相繼在多種動(dòng)物、植物及微生物中檢測(cè)到植酸酶的存在。植物來源的植酸酶最適pH范圍較窄，在單胃禽畜的胃腸環(huán)境中很難起作用，目前市場(chǎng)上所銷售的植酸酶多數(shù)來源于微生物。微生物來源的植酸酶有產(chǎn)量高、活性高、成本低及適用于工廠化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，且植酸酶最適pH范圍較寬，一般在2.5～6.0，一些微生物菌株所產(chǎn)的植酸酶具有兩個(gè)最適pH峰值，Shiel 等篩選的無花果黑曲霉（Aspergillus ficcum）所生產(chǎn)的植酸酶phyA最適pH為2.5和5.5，適合單胃禽畜的胃腸道環(huán)境。微生物源植酸酶大部分最適溫度為40～60℃，可以適應(yīng)單胃動(dòng)物胃腸環(huán)境，因此微生物產(chǎn)植酸酶成為各大實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行植酸酶研究的主要菌株。

植酸酶的作用機(jī)制

植酸酶可以催化植酸分解為磷酸和肌醇，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的植酸酶有3種類型：特異性3-磷酸水解酶（phyA）、特異性6-磷酸水解酶（phyB）以及非特異性磷酸水解酶。

植酸酶可以將植酸分子中的磷酸基團(tuán)分步水解，將植酸水解為肌醇五磷酸、肌醇四磷酸、肌醇三磷酸、肌醇二磷酸和肌醇一磷酸5種不同的中間產(chǎn)物，在產(chǎn)物生成過程中無機(jī)磷被不斷釋放出來。不同來源的植酸酶對(duì)植酸的作用機(jī)理有所不同。微生物產(chǎn)生的phyA作用于植酸時(shí)，首先水解植酸的第3個(gè)碳位點(diǎn)，釋放無機(jī)磷，然后依次釋放出其它碳位點(diǎn)上的無機(jī)磷，最終將整個(gè)植酸分子水解為磷酸和肌醇。而植物生產(chǎn)的phyB則先釋放植酸第6個(gè)碳位點(diǎn)上的無機(jī)磷。1g植酸酶理論上可以釋放出281.6mg無機(jī)磷，但植酸酶很難將植酸徹底分解為肌醇和磷酸，一般將植酸分解為肌醇磷酸酯，在酸性磷酸酶的作用下，可以將肌醇磷酸酯徹底水解為肌醇和磷酸。

植酸酶的應(yīng)用

1  飼料添加劑

將植酸酶加入單胃動(dòng)物的飼料中，可以釋放植酸中的磷，使單胃動(dòng)物可以對(duì)其進(jìn)行吸收，不但提高了動(dòng)物對(duì)飼料中磷的利用率，還可以減少植酸鹽對(duì)飼料中蛋白的絡(luò)合及植酸鹽對(duì)礦物質(zhì)元素的螯合，提高了動(dòng)物對(duì)飼料中蛋白和礦物元素的吸收率，減少動(dòng)物排泄物中磷的含量，減少對(duì)環(huán)境的污染。因此植酸酶作為飼料添加劑是植酸酶的主要應(yīng)用方向。

研究表明，在豬、雞和魚的飼料中加入植酸酶效果明顯。Simons用含有植酸酶的玉米‐高粱‐大豆‐葵花籽飼喂肉用仔雞，結(jié)果表明，在日糧中添加植酸酶可以使磷利用率顯著提高，最高可以提高60％左右，糞便中磷含量降低40％左右，同時(shí)提高了仔雞的增重效率，促進(jìn)仔雞骨骼發(fā)育。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院成功研制出適用于鯉科魚類飼喂的中性植酸酶，并經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證了中性植酸酶的飼喂效果及其應(yīng)用價(jià)值。孟祥科等研究表明，飼料中添加植酸酶可以促進(jìn)紅鰭東方鲀幼魚生長、改善消化。華雪銘等研究表明，在全植物飼料中添加植酸酶能促進(jìn)斑點(diǎn)叉尾鮰的生長和魚體蛋白保留，并能預(yù)防斑點(diǎn)叉尾鮰的脊椎畸形和提高魚體非特異性免疫相關(guān)酶活力。中性植酸酶的成功開發(fā)，不但豐富了可飼喂植酸酶種類，同時(shí)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也具有重大意義。

在飼料添加過程中，大部分植酸酶在動(dòng)物胃部發(fā)生作用，小部分在動(dòng)物小腸前段起作用，小腸后端及下部消化系統(tǒng)無植酸酶作用。在十二指腸之后，已經(jīng)檢測(cè)不到植酸酶蛋白的存在，在動(dòng)物排泄物中也無活性植酸酶蛋白存在。因此在飼喂過程中，不會(huì)有植酸酶的排出。同時(shí)在動(dòng)物的血液、肌肉、肝臟、腎臟等組織器官中也沒有植酸酶的存在。因此，植酸酶作為飼料添加劑具有較好的生物安全性，不會(huì)對(duì)動(dòng)物及周邊環(huán)境造成污染。

2  生產(chǎn)肌醇或肌醇磷酸鹽

肌醇磷酸化合物是一類應(yīng)用十分廣泛的有機(jī)磷酸化合物。目前市場(chǎng)上的肌醇磷酸化合物的商品價(jià)格昂貴，影響了肌醇磷酸化合物的應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的成本較高。通過固定化植酸酶，控制反應(yīng)條件，生成相應(yīng)的肌醇磷酸化合物，可以有效降低生產(chǎn)成本，提高其市場(chǎng)應(yīng)用率。

我國作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)出大國，每年伴隨糧食作物產(chǎn)出大量的米糠等農(nóng)副產(chǎn)品，利用植酸酶將農(nóng)副產(chǎn)品中的植酸水解為肌醇磷酸化合物，不僅降低了肌醇化合物的生產(chǎn)成本，而且提升了米糠等農(nóng)副產(chǎn)品的價(jià)值。

3  用于谷物淀粉加工的廢物處理

在谷物的淀粉加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢物，其植酸含量較高，直接排放到環(huán)境中會(huì)對(duì)環(huán)境造成磷污染，而利用植酸酶對(duì)其廢物進(jìn)行處理，對(duì)分解后的肌醇和磷酸進(jìn)行回收，不僅降低廢物處理成本，減少對(duì)環(huán)境的污染，還對(duì)廢物進(jìn)行有效的再生利用。提高了淀粉加工工藝中的產(chǎn)能比率，具有很好的應(yīng)用前景。

植酸酶基因工程的研究進(jìn)展

1  植酸酶基因的克隆

植酸酶基因主要分為動(dòng)物、植物、微生物三種不同來源。迄今為止，已經(jīng)被分離及克隆的植酸酶基因已經(jīng)達(dá)到幾十種。微生物植酸酶主要分為兩種，分別為細(xì)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：來源于真菌的phyA（B）基因、來源于芽孢桿菌的phyC（L）基因、來源于大腸桿菌的appA基因。

細(xì)菌來源的植酸酶具有較高的酶活性，但與真菌來源的植酸酶相比在高溫和低pH條件下穩(wěn)定性較差，不適合在單胃動(dòng)物胃腸道的酸性環(huán)境下進(jìn)行催化反應(yīng)，因此在基因工程研究中主要針對(duì)真菌來源植酸酶基因。其中來源于A．niger等真菌的植酸酶phyA具有較好的耐熱性（最適溫度55℃左右）及較寬的適應(yīng)pH（pH2.0～6.0），是目前最具應(yīng)用前景的飼喂植酸酶之一。該植酸酶基因全長1506bp，編碼467個(gè)氨基酸，有潛在的糖基化位點(diǎn)，N端的19個(gè)氨基酸為信號(hào)肽。phyA編碼的氨基酸序列上存在著一段保守序列，為組氨酸酸性磷酸酶的活性位點(diǎn)，可以被分為組氨酸酸性磷酸酶家族。phyA基因序列中G+C含量高達(dá)68.3％，這是絲狀真菌中編碼蛋白的基因序列所具有的重要特征之一，無論是在核苷酸來源及所編碼的氨基酸的序列，還是在基因產(chǎn)物的酶學(xué)特征上均具有較高的同源性。玉米的phyS11基因是植物中最早被分離出來的植酸酶基因，Maugenset等于1997年從發(fā)芽的玉米種子中分離得到phyS11基因，該基因全長1167bp，編碼388個(gè)氨基酸，其所編碼的氨基酸序列中，與絲狀真菌只有33個(gè)氨基酸同源序列，其中包含了活性位點(diǎn)保守序列。

近年來，從細(xì)菌及真菌中克隆得到了多個(gè)新的植酸酶基因，其中高熱穩(wěn)定性、高耐酸性植酸酶基因是目前研究的重點(diǎn)。利用基因工程手段改變植酸酶基因使其定向進(jìn)化，也是一種獲得高穩(wěn)定性植酸酶的方法，目前對(duì)影響植酸酶熱穩(wěn)定性、最適pH、活性的氨基酸殘基進(jìn)行了大量的研究，并通過基因工程改造獲得了多個(gè)性質(zhì)優(yōu)良的植酸酶。