植酸酶及其應用前景(綜述)

張相鑫 唐彩琰

摘? 要：植物、細菌和酵母產生的植酸酶可水解難溶性植酸并釋放出磷酸鹽，從而使動物更容易獲得磷酸鹽，因此在動物飼料中添加植酸酶可提高食品生產動物的生產性能，降低飼料成本，減少環境污染，土壤中的植酸酶可減少水體富營養化風險。本文介紹了植酸酶的特點、生化特性及應用領域和前景。

關鍵詞：植酸;植酸酶;肌醇磷酸鹽;植酸酶生產商;植酸酶的應用

中圖分類號：S816 文獻標志碼：C 文章編號：1001-0769（2020）08-0073-03

磷是一種在地球上分布廣泛的元素，存在于各種礦物質中，其中以礦物質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胞中，同時也是構成磷蛋白、磷脂、核酸和磷酸己糖等物質的組成成分。在脊椎動物上，磷和鈣主要存在于骨骼中;在植物中，細胞中的磷主要以有機形態肌醇六磷酸（也稱植酸）——肌醇的一種衍生物，即六個羥基全部磷酸化的環醇——的形式存在。

植酸的負電荷磷酸殘基可與鐵、鋅、鈣和鎂等陽離子結合形成鹽（植酸鹽），它們也可以與蛋白質、淀粉和脂質發生反應，形成不溶性團塊狀聚合體。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時才有很高的活性，在植物的其他發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，在農業生產中，土壤必須施予磷肥以最大限度地提高農作物的生長速度。

動物可通過植物性飼料獲得機體所需的磷，這些磷主要存在于植物中難溶的植酸中。反芻動物瘤胃中的微生物群落能夠幫助機體用植酸酶分解植物性飼料，從而在很大程度上滿足動物對磷的需求。單胃動物可利用植物性植酸酶（通過飼料進入消化道）和作為植酸酶來源的腸道菌群水解植酸，釋放出磷酸基團。但是，多種原因會使單胃動物對植酸的吸收量不超過10%，例如飼喂時植酸酶活性較低，熱處理、儲存條件以及胃腸道pH與植酸酶最適pH之間的差異等造成的植酸酶活性下降。其余所需的磷應該通過礦物質添加劑來滿足。動物通過植物攝入的大部分植酸不能被動物消化吸收，而是被排放到環境中。由于植酸能夠結合金屬陽離子，日糧中高水平的植酸可能會導致動物缺乏多種礦物質，如鈣、鐵和鋅等。近期的多項研究表明，許多物質，如抗壞血酸、乙醇酸、蘋果酸、檸檬酸、酒石酸和乳酸等，可能會與植酸競爭多價金屬陽離子，并且促進它們被動物吸收。對于營養組成平衡的日糧，其所含的植酸確實會使動物出現鈣、鋅和鐵等礦物質的缺乏。農業上重要的動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使動物放慢對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動物的發育使用礦物質肥料，不僅會增加成品的生產成本，而且會提高土壤中可溶性磷酸鹽的含量，加重水的污染。天然水中礦物質含量的提高會導致浮藻瘋狂生長，造成魚類滅絕和生態惡化。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業生產中給土壤施肥時少用礦物質肥料，同時利用植酸酶分解植酸，為動植物提供生長所需的磷。

1? 植酸酶的分布

人類首次發現植酸酶是在100多年前，當時從稻谷和真菌黑曲霉菌（Aspergillus niger）的菌絲中分離到了此酶;稍后，相關人員又從20種土壤真菌中分離到了植酸酶。1968年，研究發現黑曲霉菌NRRL 3135菌株產生的植酸酶是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。研究人員發現其他真菌，如嗜熱毀絲霉菌（Myceliopthora thermophila）、綿毛絲菌（Thermomyces lanuginosus）、少孢根霉菌（Rhizopus oligosporus）、側孢霉菌（Sporotrichum thermophile）及青霉菌（Penicillium spp.）和毛霉菌（Mucor spp.）等，也能產生植酸酶。在以曲霉菌為代表的霉菌和側孢霉菌BJTLR50菌株中，研究人員發現了一種具有較高活性的植酸酶。對61種酵母菌的122個菌株篩選后發現，一些酵母菌能夠產生植酸酶。腺嘌呤阿氏酵母菌（Arxula adeninivorans）和畢赤酵母菌（Pichia anomala）能夠產生高活性的植酸酶，其中腺嘌呤阿氏酵母菌能分泌胞內和胞外兩種活性植酸酶。培養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生的胞內植酸酶的活性。真菌植酸酶主要是胞外植酸酶。胞內植酸酶分離自少孢根霉菌，東南亞地區利用這種真菌從大豆和釀酒酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）中獲得一種發酵產物。這些發酵產物很受非洲各國的歡迎。對酵母菌發酵過程的研究證明，所用的酵母菌能在以植酸作為唯一磷源的液態和固態培養基上生長。相關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生的植酸酶活性最高，當采用含植酸的培養基時，胞外植酸酶的活性提高。

植酸酶也廣泛存在于細菌中，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.）以及棲息在反芻動物瘤胃中的厭氧細菌[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。在乳酸桿菌屬的細菌中，不同菌株會產生不同活性水平的植酸酶，其中舊金山乳桿菌（Lactobacillus sanfranciscensis）產生的植酸酶活性最高。乳酸桿菌屬的細菌廣泛用于生產發酵產品，在面包發酵過程中，由于農作物植酸鹽發生水解反應，細菌植酸酶將會極大地影響磷酸鹽水平的提高。隨著營養性植酸含量的減少，Ca2+、M2+、Zn2+和K+會被釋放出，蛋白質的吸附風險下降。

能分泌植酸酶的土壤細菌對難溶性植酸的釋放起著重要的作用。例如，從產堿桿菌屬（Advenella sp.）和纖維微菌屬（Cellulosimicrobium sp.）的細菌中分離到的植酸酶能提高土壤中無機磷的含量，促進植物的生長。從根際土壤細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菌植酸酶，也參與植物植酸的吸收。

一些細菌細胞能夠產生胞外植酸酶[如芽孢桿菌屬、腸桿菌屬和假單胞菌屬的細菌]、細胞膜相關植酸酶[如反芻月形單胞菌和多酸光岡菌]和胞質植酸酶[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現了少量植酸酶。在油梨果實、大蔥、豆類種子、農作物和油料植物中也提取到了植酸酶。活性最高的植酸酶來自小麥和水稻籽粒，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。試驗表明，植酸酶的活性在種子萌發的前? ? 5 d～7 d提高3～16倍，之后逐漸降低。在水稻種子萌發的第7天，其所含植酸酶的活性達到最高（6.9 U/g）。在發芽期間，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，由于哺乳動物體內的植酸酶活性低，無法產生機體所需的磷。

（未完待續）

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

原作者：N. N. Gessler等（俄羅斯）