植酸酶及其應(yīng)用前景(綜述)

張相鑫 唐彩琰

摘? 要：植物、細(xì)菌和酵母產(chǎn)生的植酸酶可水解難溶性植酸并釋放出磷酸鹽，從而使動(dòng)物更容易獲得磷酸鹽，因此在動(dòng)物飼料中添加植酸酶可提高食品生產(chǎn)動(dòng)物的生產(chǎn)性能，降低飼料成本，減少環(huán)境污染，土壤中的植酸酶可減少水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹了植酸酶的特點(diǎn)、生化特性及應(yīng)用領(lǐng)域和前景。

關(guān)鍵詞：植酸;植酸酶;肌醇磷酸鹽;植酸酶生產(chǎn)商;植酸酶的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S816 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1001-0769（2020）08-0073-03

磷是一種在地球上分布廣泛的元素，存在于各種礦物質(zhì)中，其中以礦物質(zhì)磷灰石和磷鈣土中的含量最豐富。在所有活生物體中，磷以正磷酸鹽和焦磷酸鹽的形式存在于它們的細(xì)胞中，同時(shí)也是構(gòu)成磷蛋白、磷脂、核酸和磷酸己糖等物質(zhì)的組成成分。在脊椎動(dòng)物上，磷和鈣主要存在于骨骼中;在植物中，細(xì)胞中的磷主要以有機(jī)形態(tài)肌醇六磷酸（也稱植酸）——肌醇的一種衍生物，即六個(gè)羥基全部磷酸化的環(huán)醇——的形式存在。

植酸的負(fù)電荷磷酸殘基可與鐵、鋅、鈣和鎂等陽離子結(jié)合形成鹽（植酸鹽），它們也可以與蛋白質(zhì)、淀粉和脂質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成不溶性團(tuán)塊狀聚合體。在植物中，含磷的組分多以難溶性植酸的形式存在，其中還含有Ca2+和Mg2+。谷物、向日葵、棉花、瓜類和豆類所含的磷60%以上存在于植酸中，是最豐富的植酸來源。植酸也存在于植物的塊莖和其他器官中。植酸和肌醇經(jīng)植酸酶分解形成磷酸鹽后，所含的磷才能被植物吸收利用。這些酶只有在種子萌發(fā)時(shí)才有很高的活性，在植物的其他發(fā)育階段活性并不明顯。植酸以難被植物消化吸收的聚合體形式積聚于土壤中。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤必須施予磷肥以最大限度地提高農(nóng)作物的生長速度。

動(dòng)物可通過植物性飼料獲得機(jī)體所需的磷，這些磷主要存在于植物中難溶的植酸中。反芻動(dòng)物瘤胃中的微生物群落能夠幫助機(jī)體用植酸酶分解植物性飼料，從而在很大程度上滿足動(dòng)物對(duì)磷的需求。單胃動(dòng)物可利用植物性植酸酶（通過飼料進(jìn)入消化道）和作為植酸酶來源的腸道菌群水解植酸，釋放出磷酸基團(tuán)。但是，多種原因會(huì)使單胃動(dòng)物對(duì)植酸的吸收量不超過10%，例如飼喂時(shí)植酸酶活性較低，熱處理、儲(chǔ)存條件以及胃腸道pH與植酸酶最適pH之間的差異等造成的植酸酶活性下降。其余所需的磷應(yīng)該通過礦物質(zhì)添加劑來滿足。動(dòng)物通過植物攝入的大部分植酸不能被動(dòng)物消化吸收，而是被排放到環(huán)境中。由于植酸能夠結(jié)合金屬陽離子，日糧中高水平的植酸可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物缺乏多種礦物質(zhì)，如鈣、鐵和鋅等。近期的多項(xiàng)研究表明，許多物質(zhì)，如抗壞血酸、乙醇酸、蘋果酸、檸檬酸、酒石酸和乳酸等，可能會(huì)與植酸競爭多價(jià)金屬陽離子，并且促進(jìn)它們被動(dòng)物吸收。對(duì)于營養(yǎng)組成平衡的日糧，其所含的植酸確實(shí)會(huì)使動(dòng)物出現(xiàn)鈣、鋅和鐵等礦物質(zhì)的缺乏。農(nóng)業(yè)上重要的動(dòng)物所用的日糧基本上以谷類為主要成分，因此高水平的植酸可能會(huì)使動(dòng)物放慢對(duì)鈣和其他金屬離子的吸收速度。

為最大限度地加快植物的生長和促進(jìn)動(dòng)物的發(fā)育使用礦物質(zhì)肥料，不僅會(huì)增加成品的生產(chǎn)成本，而且會(huì)提高土壤中可溶性磷酸鹽的含量，加重水的污染。天然水中礦物質(zhì)含量的提高會(huì)導(dǎo)致浮藻瘋狂生長，造成魚類滅絕和生態(tài)惡化。此外，磷灰石和磷鈣土礦不僅在全世界分布不均勻，而且正在逐漸枯竭。解決這一問題的主要方法是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中給土壤施肥時(shí)少用礦物質(zhì)肥料，同時(shí)利用植酸酶分解植酸，為動(dòng)植物提供生長所需的磷。

1? 植酸酶的分布

人類首次發(fā)現(xiàn)植酸酶是在100多年前，當(dāng)時(shí)從稻谷和真菌黑曲霉菌（Aspergillus niger）的菌絲中分離到了此酶;稍后，相關(guān)人員又從20種土壤真菌中分離到了植酸酶。1968年，研究發(fā)現(xiàn)黑曲霉菌NRRL 3135菌株產(chǎn)生的植酸酶是2 000種真菌植酸酶中活性最高的一種。研究表明，該菌株能夠產(chǎn)生兩種胞外植酸酶，即PhyA和PhyB，這兩種酶具有不同的最適pH。研究人員發(fā)現(xiàn)其他真菌，如嗜熱毀絲霉菌（Myceliopthora thermophila）、綿毛絲菌（Thermomyces lanuginosus）、少孢根霉菌（Rhizopus oligosporus）、側(cè)孢霉菌（Sporotrichum thermophile）及青霉菌（Penicillium spp.）和毛霉菌（Mucor spp.）等，也能產(chǎn)生植酸酶。在以曲霉菌為代表的霉菌和側(cè)孢霉菌BJTLR50菌株中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種具有較高活性的植酸酶。對(duì)61種酵母菌的122個(gè)菌株篩選后發(fā)現(xiàn)，一些酵母菌能夠產(chǎn)生植酸酶。腺嘌呤阿氏酵母菌（Arxula adeninivorans）和畢赤酵母菌（Pichia anomala）能夠產(chǎn)生高活性的植酸酶，其中腺嘌呤阿氏酵母菌能分泌胞內(nèi)和胞外兩種活性植酸酶。培養(yǎng)基中的磷酸鹽能夠完全抑制胞外植酸酶的活性，也可抑制研究所用的所有酵母菌產(chǎn)生的胞內(nèi)植酸酶的活性。真菌植酸酶主要是胞外植酸酶。胞內(nèi)植酸酶分離自少孢根霉菌，東南亞地區(qū)利用這種真菌從大豆和釀酒酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）中獲得一種發(fā)酵產(chǎn)物。這些發(fā)酵產(chǎn)物很受非洲各國的歡迎。對(duì)酵母菌發(fā)酵過程的研究證明，所用的酵母菌能在以植酸作為唯一磷源的液態(tài)和固態(tài)培養(yǎng)基上生長。相關(guān)研究人員同樣也在庫氏畢赤酵母菌、釀酒酵母菌、克拉維孢霉菌（Clavispora lusitaniae）、馬克斯克魯維酵母菌（Kluyveromyces marxianus）、細(xì)粉菌（Millerozyma farinosa）、粉狀假絲酵母菌（Candida glabrata）、異常威克漢姆酵母菌（Wickerhamomyces anomalus）、漢氏假單胞菌（Hanseniaspora guilliermondii）和古德酵母菌（Debaryomyces nepalensis）中分離到了植酸酶，其中庫氏畢赤酵母菌產(chǎn)生的植酸酶活性最高，當(dāng)采用含植酸的培養(yǎng)基時(shí)，胞外植酸酶的活性提高。

植酸酶也廣泛存在于細(xì)菌中，可以從假單胞桿菌屬（Pseudomonas sp.）、芽孢桿菌屬（Bacillus sp.）、勞氏菌屬（Raoultella sp.）、大腸桿菌（Escherichia coli.）、布拉特檸檬酸桿菌（Citrobacter braakii）和腸桿菌屬（Enterobacter sp.）以及棲息在反芻動(dòng)物瘤胃中的厭氧細(xì)菌[反芻月形單胞菌（Selenomonas ruminantium）、埃氏巨型球菌（Megasphaera elsdenii）、普雷沃氏菌屬（Prevotella sp.）、多酸光岡菌（Mitsuokella multiacidus）、賈氏光岡菌（Mitsuokella jalaludinii）、泛菌屬（Pantoea sp.）]中分離到。在乳酸桿菌屬的細(xì)菌中，不同菌株會(huì)產(chǎn)生不同活性水平的植酸酶，其中舊金山乳桿菌（Lactobacillus sanfranciscensis）產(chǎn)生的植酸酶活性最高。乳酸桿菌屬的細(xì)菌廣泛用于生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品，在面包發(fā)酵過程中，由于農(nóng)作物植酸鹽發(fā)生水解反應(yīng)，細(xì)菌植酸酶將會(huì)極大地影響磷酸鹽水平的提高。隨著營養(yǎng)性植酸含量的減少，Ca2+、M2+、Zn2+和K+會(huì)被釋放出，蛋白質(zhì)的吸附風(fēng)險(xiǎn)下降。

能分泌植酸酶的土壤細(xì)菌對(duì)難溶性植酸的釋放起著重要的作用。例如，從產(chǎn)堿桿菌屬（Advenella sp.）和纖維微菌屬（Cellulosimicrobium sp.）的細(xì)菌中分離到的植酸酶能提高土壤中無機(jī)磷的含量，促進(jìn)植物的生長。從根際土壤細(xì)菌如解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）和乳酸桿菌（Bacillus laevolacticus）中分離得到的胞外細(xì)菌植酸酶，也參與植物植酸的吸收。

一些細(xì)菌細(xì)胞能夠產(chǎn)生胞外植酸酶[如芽孢桿菌屬、腸桿菌屬和假單胞菌屬的細(xì)菌]、細(xì)胞膜相關(guān)植酸酶[如反芻月形單胞菌和多酸光岡菌]和胞質(zhì)植酸酶[如大腸桿菌和泛菌]等。

研究人員從生長在缺磷土壤中的各種植物的根部發(fā)現(xiàn)了少量植酸酶。在油梨果實(shí)、大蔥、豆類種子、農(nóng)作物和油料植物中也提取到了植酸酶?；钚宰罡叩闹菜崦竵碜孕←満退咀蚜?，分別為0.67 U/g和0.41 U/g。但是，高粱、小米和玉米中的植酸酶活性僅為前兩者的三分之一至二分之一。值得注意的是，大麥、水稻、小麥和玉米的種子含有植酸酶抑制劑，即天冬酰胺蛋白酶。試驗(yàn)表明，植酸酶的活性在種子萌發(fā)的前? ? 5 d～7 d提高3～16倍，之后逐漸降低。在水稻種子萌發(fā)的第7天，其所含植酸酶的活性達(dá)到最高（6.9 U/g）。在發(fā)芽期間，谷物種子中的植酸酶活性提高，隨后總磷水平上升。地衣也能分泌植酸酶。

在人類腸道中，每克蛋白質(zhì)植酸酶的活性約為0.000 05 μmol Pi/min～? ? ?0.000 1 μmol Pi/min，是大鼠腸道中植酸酶活性30倍。相關(guān)研究人員也從兔、中國倉鼠、牛犢和豬的腸道以及牛犢的肝臟和血液分離到了植酸酶。不過，由于哺乳動(dòng)物體內(nèi)的植酸酶活性低，無法產(chǎn)生機(jī)體所需的磷。

（未完待續(xù)）

原題名：Phytases and the prospects for their application （Review）（英文）

原作者：N. N. Gessler等（俄羅斯）