生物技术生产饲料添加剂植酸酶

　　 一、植酸酶的来源

　　 自1907年Suxuki等首次发现具有植酸酶活性的磷酸酶以来，有关植酸酶的认识不断深入。植酸酶在自然界中是早已存在的，只是在近些年来由于科技的进步，使得植酸酶的生产成本降低，有望在生产实践中得到应用，才引起了人们的广泛关注。

　　 一般来讲，自然界的植酸酶来源有三种：植物的籽实、微生物和动物的胃肠道。动物胃肠道中的植酸酶来自于肠道做生物区系和肠粘膜分泌的内源性植酸酶，有研究表明，单胃动物肠道粘膜中的内源性植酸酶及肠道微生物产生的植酸酶活性很差，反刍动物瘤胃微生物产生的植酸酶能有效地水解植酸盐（Ravindran等，1995）；因此，反刍动物不用考虑植酸盐的利用问题。

　　 植物来源的植酸酶主要有两种：一种是来源于植物籽实中，为6一植酸酶；另一种来源于植物组织中，为3一植酸酶。这些酶的活性较高，但相互之间由于植物来源的不同其活性也有差异。国内外大量报道认为，小麦、大麦、黑麦及其加工副产品中具有较高酶活性的植酸酶，而玉米、大豆饼和油菜籽中的植酸酶活性很差（Eechhoul等，1994；Viveros等，2000；韩延明等，1996；贾刚等，2000）。许多研究表明，植物来源的植酸酶不适宜在动物饲料中应用，因为植物来源的植酸酶的最佳pH值为 5.5（范围是5．0～7.5），不适合单胃动物胃内的酸性环境（Shenermann等，1988）；另外这些酶不耐热，制粒时易失活qongbloed等，1990）。但也有研究认为，有些植物来源的植酸酶在动物生产中有较明显的作用，如对小麦麸和微生物植酸酶进行比较研究，结果表明小麦麸中植酸酶效果虽不如微生物产品，但小麦麸组效果与无机磷添加组相当（韩延明等，1995．1996）。

　　 微生物来源的植酸酶是目前植酸酶研究的重点，因为微生物植酸酶的pH值范围较大，有些具有两个最适pH值（2．5和5.5），比较接近单胃动物的胃肠生理条件（Troescher和Hopper，1996），而且有研究表明可以耐受80℃的制粒温度（Simons，1990）。目前用于工业生产植酸酶的微生物主要是曲霉，如无花果曲霉（A.ficuum）和黑曲霉（A.niger）无花果曲霉的植酸酶已经得到分离和纯化，黑曲霉的植酸酶基因已经克隆和高效表达。荷兰AIKO公司与美国PANLABS公司合作，成功地利用DNA重组技术已于1991年获得第一株生产植酸酶的工程菌最适pH为25的酸性植酸酶，为植酸酶开发提供了广泛的前景（骨传来，1999）。国内目前研究的重点是对高产菌株的筛选及改进其工艺来提高酶的活性。

　　 二、植酸酶高产微生物的菌株的选育

　　 由于微生物植酸酶具有产量高、在动物消化道中酶活性高等优点，现已成为研究热点及生产商品植酸酶的主要来源（Rlldy等1999；刘雨田等， 1999）。有关这方面的报道也有很多。 Nelson首次发现无花果曲霉能产生植酸酶，Shiel和Ware（1968）从200种微生物中筛选出30种能产生胞外植酸酶的微生物，均属于真菌。Nagini等（1984）入ambrechs等（1992）在酵母、食品发酵用霉菌中也发现有产植酸酶的菌种（王红宁等，1998）。目前用于工业生产植酸酶的微生物主要是曲霉，如米曲霉、土曲霉、黑曲霉和无花果曲霉等，它们能分泌具有高度活性的胞外植酸酶（冯胜等1996）。江均平（1996）从569份土样中筛选到50余株性能优异的产胞外、耐高酸性植酸酶菌株，均属曲霉。在已发现的几十种植酸酶的来源中， Shiel和Ware（1968）所筛选的无花果曲霉产生的胞外酶活性最高，含有两种植酸酶phyA和phyB，phyA的最适pH为 2。5和5．５phyB的最适pH为2．0，pH值为2．5和2.0与动物胃中pH值相适应，pH值为5．5与动物肠中pH值相适应。因此，该菌株成为各国实验室进行植酸酶研究的首选材料（朱靖环等，2002）。

　　 随着现代生物技术的发展，利用基因工程技术，对微生物进行改良和改造，培养高产量、高活性的植酸酶菌株，是植酸酶在实际生产当中得到广泛应用的关键。Marisa等（1994）用紫外线照射法对无花果曲霉NRRL3115菌株进行改良，获得的突变菌株植酸酶产量为野生型的3．3倍。陈红歌等（1997）以黑曲酶MAO21为出发菌株，经紫外线、亚硝基胍单独处理和复合处理，获得一株植酸酶高产菌株UN1210，在优化的培养条件下，其植酸酶活力是原始出发菌株的3.6倍。刘德忠（1998）和许尧兴等（2000）也以无花果曲霉为出发菌株，通过诱变处理，也得到了高产、高酶活性的植酸酶菌株。

　　 在基因工程方面，Van Gorcom等（1991）将带有淀粉葡萄糖苷酶的启动子和无花果曲霉phyA基因前导序列的phyA基因，克隆到黑曲霉CBS513．88中，在表达载体中产酶量提高1400倍（Rudy等，1999）。Ullah（1991）从无花果曲霉中提纯出植酸酶phyA和phyB测得phyA的一级结构，然后又测得phyB的一级结构，在此基础上利用基因工程技术在1991年和1993年，分别得到了PhyA和PhyB的第一株工程菌（冯胜等，1996）。Yanming ban等（1999）将黑曲霉phyA基因克隆，转导入啤酒酵母表达载体中可产生有活性的胞外植酸酶，由于酶的葡萄糖基化，耐热性比商品酶提高（Han等，1999）。姚斌等（1998）将筛选带的黑曲霉菌株，利用转基因技术，将改造后的基因转人毕赤酵母中，得到了高效表达，比原菌株的表达量高3000倍以上。

　　 三、微生物植酸酶的生产工艺

　　 植酸酶的生产根据来源不同可以分成两种：一种是直接从植物组织中提取；另一种是通过微生物的发酵进行生产。由于植物组织中含量太少，且所得植酸酶不适合单胃动物的消化道环境，故第一种方法没有什么商业意义。目前商品植酸酶制剂一般都是通过微生物发酵所制得的。其生产的基本工艺为：（图略）

　　 四、植酸酶的应用现状及前景展望

　　 磷是动物机体必须的矿物元素，虽然存在于动物性饲料中的磷大部分能被动物体吸收利用，但由于其价格昂贵，限制了在饲料中的使用，存在于植物性饲料中的磷大部分以植酸或植酸盐的形式存在，而单胃动物体内缺乏分解植酸的植酸酶，造成饲料中磷的利用率仅有l／3或更低。为了补充有效磷的不足，必须在饲料中添加无机磷酸盐，而大量的无机磷的使用造成了如下两方面的问题：一是为了满足饲料业和养殖业的需求，消耗了大量昂贵的磷矿资源，无机磷资源在全世界已处于匾乏状态，一克无机磷的价格远远超过了一克优质蛋白质的价格。二是日粮中的磷只有很小部分沉积到体内和畜产品中，因而对环境，特别是集约化饲养时，对地下水和土壤的污染十分严重。

　　 随着生物技术的发展，人们发现植酸酶成为解决饲料用磷问题最有吸引力的途径。单胃动物饲料中通过添加植酸酶，可以提高饲料中植酸磷的利用率，减少磷的排出对环境的污染。随着生物技术特别是采用DNA重组技术后，使植酸酶在生产中的大量应用成为可能。目前，作为动物饲料添加剂的微生物植酸酶已大量地商品化生产。植酸酶的研究在我国还处于初级阶段，今后在利用生物技术生产高效价低、高稳定性的植酸酶，在与其它酶制剂的互作以及综合经济效益分析等方面需作进一步的研究。相信随着生物技术的提高和研究的深入，用植酸酶部分或全部取代现在猪禽饲料添加的无机磷酸和骨粉，是今后发展的趋势之一。

　　 近年来，单胃动物日粮中添加植酸酶的推广应用受到重视有如下两方面的原因：首先是减少畜禽排泄物对土壤和水体的污染的日益迫切；其次是生物基因工程技术在产酸性植酸酶微生物上的进展使其能生产足够浓度的植酸酶，产品价格也趋于合理，另外，添加无机磷的高昂代价使植酸酶有更加广阔的前景。