李元鳳，何 健，敖 翔，白國勇

（1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽 621000；2.四川鐵騎力士集團(tuán)馮光德實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621000；3.四川省畜牧科學(xué)研究院，四川成都 610000）

當(dāng)前我國因畜牧業(yè)生產(chǎn)造成的磷過量排放已導(dǎo)致土壤板結(jié)、水質(zhì)惡化，嚴(yán)重威脅人類的生存環(huán)境[1]。當(dāng)土壤中銅、鋅含量分別達(dá)到 100～200 mg/kg 和200 mg/kg以上時(shí)，土壤就會(huì)被污染[2]。而且目前動(dòng)物糞便直接還田作為肥料使用，糞便中存留過多的礦物元素可能通過食物鏈傳播存留在動(dòng)物或植物體內(nèi)，最終對人類身體健康造成危害[2]。植酸酶在生產(chǎn)應(yīng)用中表現(xiàn)出來的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保作用已得到廣泛認(rèn)同。研究表明，植酸酶是用于釋放植酸中磷的高效水解酶，能提高豬的礦物質(zhì)和氨基酸利用率，當(dāng)飼糧中天然、耐熱的新型大腸桿菌植酸酶添加劑量超過500 FTU/kg 時(shí)植酸會(huì)大量水解[3]。添加植酸酶可以大量減少無機(jī)磷使用量，降低飼料成本；還可以顯著降低豬、禽糞磷的存留量，減少磷對環(huán)境的污染；鈣、鋅等礦物元素也可得到更好利用，蛋白質(zhì)、氨基酸、淀粉和脂質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)吸收率也更高[4]；動(dòng)物每天采食量增多、體重增加，動(dòng)物生產(chǎn)性能得到改善，因此植酸酶應(yīng)用前景廣闊[5]。當(dāng)豬攝入植酸酶的劑量過高時(shí)，額外的酶不僅可以引發(fā)磷的釋放，還可以促進(jìn)生長[6]。在飼糧中超劑量添加植酸酶，植酸能被快速降解并破壞[7]，按照標(biāo)準(zhǔn)劑量的3～4 倍添加植酸酶還可以消除植酸鹽的抗?fàn)I養(yǎng)作用[8]。植酸酶的工業(yè)化生產(chǎn)中大量應(yīng)用生物工程技術(shù)使其生產(chǎn)成本大大降低[1]，可在飼料工業(yè)中大量應(yīng)用，不僅可以降低礦物元素的排放量，同時(shí)探索出礦物元素的理想模式[9]和最適添加劑量。本文就超劑量植酸酶在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述。

1 植酸和植酸酶

1.1 植酸及其抗?fàn)I養(yǎng)作用 植酸（Phytic acid）別名肌醇六磷酸，具有抗?fàn)I養(yǎng)特性[10]，作用機(jī)理主要是植酸能穩(wěn)定地絡(luò)合Ca2+、Mg2+、Fe2+、Zn2+等金屬離子[11-12]，與蛋白質(zhì)分子結(jié)合形成二元復(fù)合物[10]，與金屬離子和蛋白質(zhì)分子結(jié)合形成三元復(fù)合物[13]，從而降低動(dòng)物對礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)的利用。此外，植酸存在于動(dòng)物體內(nèi)會(huì)引起內(nèi)源性黏蛋白的分泌量增加[3]、氨基酸消化率下降[3]、內(nèi)源性酶活性受到抑制[3]，從而可能降低動(dòng)物的生產(chǎn)性能和飼料利用率[14]。磷在植物性飼料中主要以植酸磷的形式存在[15]，但由于單胃動(dòng)物消化液中植酸酶含量很少，植酸磷在消化道內(nèi)不能水解成可以被動(dòng)物利用的無機(jī)磷酸鹽，因而單胃動(dòng)物對植酸磷的利用率極低。

1.2 植酸酶分類 植酸酶按照不同來源分類主要有3 種：植物、動(dòng)物和微生物。植物植酸酶的pH 范圍較窄；動(dòng)物植酸酶主要來源于動(dòng)物腸道細(xì)胞，這種內(nèi)源性植酸酶在消化道中的活性極其微弱，對植酸磷的利用率極低。微生物植酸酶是由細(xì)菌及部分真菌產(chǎn)生的一種胞外酶，容易分離和提純，且活性高于植物中存在的酶，在畜禽飼料中微生物植酸酶應(yīng)用范圍廣[1]。

1.3 植酸酶作用機(jī)理 植酸酶作為一種磷酸單脂水解酶，具有專一水解植酸中磷脂鍵的特性。在水解過程中，植酸酶依次按照順序切下植酸分子上的磷酸基團(tuán)，最終將植酸分解成肌醇和磷酸2 個(gè)終產(chǎn)物[1]。因植酸酶來源不同，其作用機(jī)理有差異。依據(jù)對植酸的作用方式，目前分離出的植酸酶主要有3-植酸酶和 6-植酸酶2 種[16]。3-植酸酶主要存在于動(dòng)物和微生物中，植酸中無機(jī)磷被水解釋放的順序首先是第3 碳位點(diǎn)，其次是其他位點(diǎn)；而6-植酸酶主要存在于植物中，無機(jī)磷首先在植酸的水解順序首先是第6 碳位點(diǎn)，然后是其他位點(diǎn)釋放[17-18]。

2 植酸酶超劑量的意義

目前畜禽飼料中關(guān)于超劑量添加植酸酶的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一[19]。范亮[19]首次對植酸酶的劑量范圍進(jìn)行了定義：常規(guī)劑量（500～1 000 FTU/kg），低劑量（＜ 500 FTU/kg），超劑量（超過1 000 FTU/kg）。人們使用植酸酶的策略也有了較大變化，以前更多關(guān)注營養(yǎng)物質(zhì)的劑量，現(xiàn)在更傾向于飼糧成本的降低以及動(dòng)物生產(chǎn)性能的優(yōu)化[7]。常規(guī)劑量使用植酸酶時(shí)，植酸被降解的比例較少，但超劑量使用大腸桿菌植酸酶時(shí)幾乎所有的植酸均被降解，植酸的抗?fàn)I養(yǎng)效應(yīng)相應(yīng)減少[3]。超劑量使用植酸酶可能有另外2 個(gè)好處：一是平衡鈣/磷比例。當(dāng)使用較低劑量植酸酶時(shí)，鈣比磷釋放得更多[3]。而植酸酶超劑量使用時(shí)，植酸被全部降解，磷比鈣釋放得更多，且可消化的鈣磷比值更平衡[3]。二是產(chǎn)生生長促進(jìn)因子——肌醇。植酸降解時(shí)產(chǎn)生肌醇，肌醇在細(xì)胞內(nèi)可能被重新磷酸化，可以作為一種重要的抗氧化劑[3]。

3 超劑量添加植酸酶對豬的作用

3.1 超劑量添加植酸酶對豬生長性能的影響 前人研究表明，低劑量添加植酸酶可以促進(jìn)動(dòng)物生長[20-21]。低磷飼糧（總磷0.35%）中補(bǔ)添250～500 FTU/kg 植酸酶可以顯著提高生長豬的生長性能，改善因低磷引起的生產(chǎn)性能下降，磷恢復(fù)到正常水平[20]。對體重10 kg 左右的去勢仔豬研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，基礎(chǔ)飼糧（玉米-大豆型）中植酸酶劑量為 200、400 FTU/kg 時(shí)，仔豬日增重（ADG）提高18%和28%，日平均采食量（ADFI）提高18%和24%[21]。這一研究結(jié)果與吳東等[22]在36 kg豬（有效磷0.18%，植酸酶750 FTU/kg）上研究的結(jié)果相似。王晶等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在35～40 kg 生長豬飼糧（有效磷0.24%）中添加500、1 000 U/kg 新型耐高溫植酸酶，生長豬ADG 顯著提高10.34%和11.97%，飼料轉(zhuǎn)化率顯著改善3.51%和4.05%。但近年的研究發(fā)現(xiàn)，超劑量添加植酸酶因植酸酶來源、使用階段、基礎(chǔ)飼糧鈣磷含量以及其他營養(yǎng)成分差異，其使用效果有更多變化（表1）。Bedford 等[7]對19 項(xiàng)超劑量試驗(yàn)的研究結(jié)果進(jìn)行綜述發(fā)現(xiàn)，在對照組飼糧中包含適量的鈣、磷等營養(yǎng)成分條件下，試驗(yàn)豬只每天的體重增幅約為84%，飼料轉(zhuǎn)化效率增加74%。因此，通過超劑量植酸酶添加技術(shù)可以提高生長性能，主要原因不僅僅是提高了磷的釋放比例和利用率，而是消除了植酸的抗?fàn)I養(yǎng)效應(yīng)影響[3]。整體來講，低磷飼糧中植酸酶添加量達(dá)超劑量時(shí)效果較為顯著。

3.2 超劑量添加植酸酶對鈣、磷及其他礦物質(zhì)生物利用率的影響 研究發(fā)現(xiàn)，在不同階段仔豬飼糧中添加超劑量植酸酶對鈣、磷和銅表觀消化率有不同程度的改善（表2）。鈣、磷及銅的表觀消化率不僅受植酸酶添加水平的影響，還受飼糧中鈣、磷水平的影響。Meta 分析表明，植酸酶含量達(dá)500 FTU/kg，可以迅速增加可消化鋅和銅的水平[37]。而植酸酶含量超過500 FTU/kg 時(shí)，可消化的鋅和銅的增長速度則變慢[37]。但當(dāng)生長豬飼糧為低磷低鈣水平時(shí)，添加微生物植酸酶不會(huì)對鎂、錳、鋅和鐵的表觀消化率產(chǎn)生影響[38]。但也有研究表明，低磷飼糧中添加500～1 000 FTU/kg 植酸酶，鐵、銅、錳和鈷的表觀消化率會(huì)顯著提高[2]。因此，為節(jié)約使用成本，降低環(huán)境污染，首先考慮使用低磷飼糧，同時(shí)應(yīng)考慮減少相關(guān)礦物元素的使用劑量[2]。

3.3 不同劑量植酸酶對豬骨骼特性的影響 植酸酶的添加劑量與豬骨骼生長發(fā)育直接相關(guān)。研究表明，低劑量添加植酸酶與對鈣、磷沉積有一定的促進(jìn)作用[39]。而另一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，超劑量添加植酸酶對豬骨骼發(fā)育有更好的促進(jìn)作用[28,31]。此外，Laird 等[29]在28 日齡斷奶仔豬（7.6 kg 左右）上研究發(fā)現(xiàn)，低鐵飼糧（50 mg/kg）中補(bǔ)添2 500 FTU/kg 植酸酶，骨中鈣和磷含量分別顯著提高5.23%和6.78%。

3.4 超劑量添加植酸酶對豬飼料養(yǎng)分利用率的影響Jongbloed[41]分析發(fā)現(xiàn)，添加植酸酶可使蛋白質(zhì)的消化率提高0.85%～1.70%。另有研究發(fā)現(xiàn)，斷奶仔豬飼糧中添加植酸酶對干物質(zhì)和粗蛋白質(zhì)的消化率無顯著影響[42]。Lee 等[24]研究表明，在21 日齡（6.7 kg）斷奶仔豬基礎(chǔ)飼糧中添加3 000 FTU/kg 植酸酶，干物質(zhì)的利用率顯著提高49.81%。Zeng 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在9.5 kg 斷奶仔豬低磷飼糧（有效磷0.24%）中添加20 000 FTU/kg 布托菌屬植酸酶后干物質(zhì)和粗蛋白質(zhì)的回腸表觀消化率分別顯著提高2.48% 和4.07%。飼糧氨基酸因來源和種類繁多，其與植酸形成絡(luò)合物的程度也不相同[2]，因而氨基酸消化率變化較大。另外，植酸酶來源和酶活性高低也會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果[2]。飼糧中添加微生物植酸酶后，與植酸結(jié)合的蛋白被分解[43]，氨基酸利用率提高。Zeng等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在9.5 kg 斷奶仔豬低磷飼糧（有效磷0.24 %）中添加20 000 FTU/kg 大腸桿菌植酸酶后干物質(zhì)和粗蛋白質(zhì)的回腸表觀消化率分別顯著提高4.05%和5.54%，賴氨酸和纈氨酸的利用率分別顯著提高5.29%和5.58%。但 Traylor 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，豆粕型飼糧中添加1 500 FTU/kg 植酸酶對生長豬氨基酸表觀消化率和回腸真消化率無提高作用。

表1 超劑量添加植酸酶對豬生長性能的影響

表2 超劑量添加植酸酶對鈣、磷及銅表觀消化率的影響

表3 植酸酶對豬骨骼特性的影響

表4 植酸酶對磷排放的影響

3.5 不同劑量植酸酶對環(huán)境污染的影響 因豬只生長階段和飼糧中植酸酶添加劑量不同對環(huán)境污染影響存在較大差異。飼糧中添加植酸酶會(huì)導(dǎo)致糞磷降低，這也與植酸酶來源、添加劑量以及動(dòng)物生長階段等試驗(yàn)條件有關(guān)。植物飼料原料含有較高的自然植酸酶，可以提高飼糧中磷的利用率[45]，從而有效降低磷在環(huán)境中的存留，減少污染。

鈣磷比例也會(huì)影響鈣磷的排放。如果鈣磷比超過骨組織合成所需要的量，磷利用率降低，鈣經(jīng)由尿液排出的量會(huì)增加[47]。低磷飼糧中降低鈣磷比的同時(shí)添加植酸酶，可提高豬生產(chǎn)性能，增加磷利用率[48]。膳食中添加超過目前標(biāo)準(zhǔn)（500 FTU/kg）的植酸酶可進(jìn)一步改善礦物質(zhì)使用，從而減少對環(huán)境的礦物質(zhì)輸出。綜上所述，低劑量植酸酶可以顯著降低磷在糞中的留存量，對環(huán)境污染防控起到很好的作用，但有關(guān)超劑量植酸酶的研究相對較少，需進(jìn)一步深入研究。

4 豬飼糧中植酸酶超劑量添加的影響因素

4.1 植酸酶添加劑量的影響因素 植酸酶取代磷酸鹽的最佳劑量較難掌握，生化反應(yīng)的啟動(dòng)、反應(yīng)速度和程度因植酸酶的用量而異，太少不能啟動(dòng)，但過量生化反應(yīng)速度也得不到提高，反而造成浪費(fèi)[49]。目前研究表明，添加植酸酶后飼料中可以少添加0.10%～0.12%磷[45]。植酸酶活性易被高溫破壞，胃液中蛋白質(zhì)也容易被降解而失去活性，而耐高溫的包被型植酸酶具有最好的熱穩(wěn)定性，因此豬飼糧中大量使用植酸酶可以使植酸鹽被有效水解，同時(shí)營養(yǎng)物質(zhì)也可以得到更有效利用[50]。飼糧中植酸酶添加量在0.20%左右時(shí)才有正效應(yīng)，如果飼糧設(shè)計(jì)為低鈣水平時(shí)植酸酶還能發(fā)揮更有效的作用[49]。小腸中鈣吸收率可通過添加維生素D3得到提高，維生素D3也能提高植酸酶活性，從而使植酸酶的效用增加[5]。玉米-豆粕飼糧中如果缺磷，可以通過添加維生素D3提高磷存留量，而補(bǔ)充適量植酸酶則可進(jìn)一步提高磷存留量。研究表明，鈣磷比值在1.4～1.6 時(shí)，植酸酶和維生素D3能發(fā)揮最有效作用[49]。

4.2 植酸酶活性的影響因素 試驗(yàn)表明，pH 為4.5～6.0時(shí)植酸酶活性超過80%，而活性最高時(shí)pH 為5.5[49]。另外，礦物質(zhì)隨飼料或飲水進(jìn)入腸道后會(huì)影響植酸酶的活性，存在于機(jī)體本身的各種離子也會(huì)一定程度地影響植酸酶活性[51]。植酸酶是一種外源性的酶制劑，活性可以被催化，內(nèi)源蛋白酶（胃蛋白酶、胰蛋白酶）會(huì)影響進(jìn)入消化道內(nèi)的植酸酶的活性發(fā)揮[51]。飼糧加工方式和貯存也對植酸酶活性產(chǎn)生不同程度影響[4]。從目前已發(fā)布的研究結(jié)果來看，大部分僅以植酸酶的添加量來進(jìn)行研究，而對植酸酶的實(shí)際存留問題關(guān)注較少，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用還缺乏更精準(zhǔn)的指導(dǎo)。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，植酸酶超劑量添加技術(shù)能增加飼糧中微量元素、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，且可降低磷、氮等元素在環(huán)境中的存留率，從而減少環(huán)境污染。但受飼糧無機(jī)磷含量、鈣磷比、金屬陽離子（如鋅）等因素影響，植酸酶的超劑量添加技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)還有一定局限。植酸酶添加效果也因廠家產(chǎn)品的差異、植酸酶的來源、添加劑量及方式（是否考慮實(shí)際留存量）等而有所不同。因此，綜合考慮以上影響因素才能更好地將植酸酶超劑量添加技術(shù)應(yīng)用于豬生產(chǎn)中，為保護(hù)人類環(huán)境做出更大貢獻(xiàn)。