超劑量植酸酶在豬生產中的研究進展
當前我國因畜牧業生產造成的磷過量排放已導致土壤板結、水質惡化，嚴重威脅人類的生存環境。當土壤中銅、鋅含量分別達到 100~200 mg/kg 和 200 mg/kg 以上時，土壤就會被污染。而且目前動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物或植物體內，最終對人類身體健康造成危害。植酸酶在生產應用中表現出來的經濟性和環保作用已得到廣泛認同。研究表明，植酸酶是用于釋放植酸中磷的高效水解酶，能提高豬的礦物質和氨基酸利用率，當飼糧中天然、耐熱的新型大腸桿菌植酸酶添加劑量超過 500 FTU/kg 時植酸會大量水解。添加植酸酶可以大量減少無機磷使用量，降低飼料成本；還可以顯著降低豬、禽糞磷的存留量，減少磷對環境的污染；鈣、鋅等礦物元素也可得到更好利用，蛋白質、氨基酸、淀粉和脂質等營養物質吸收率也更高；動物每天采食量增多、體重增加，動物生產性能得到改善，因此植酸酶應用前景廣闊。當豬攝入植酸酶的劑量過高時，額外的酶不僅可以引發磷的釋放，還可以促進生長。在飼糧中超劑量添加植酸酶，植酸能被快速降解并破壞，按照標準劑量的 3~4 倍添加植酸酶還可以消除植酸鹽的抗營養作用。植酸酶的工業化生產中大量應用生物工程技術使其生產成本大大降低，可在飼料工業中大量應用，不僅可以降低礦物元素的排放量，同時探索出礦物元素的理想模式和最適添加劑量。本文就超劑量植酸酶在豬生產中的應用情況進行綜述。
植酸（Phytic acid）別名肌醇六磷酸，具有抗營養特性，作用機理主要是植酸能穩定地絡合 Ca2+、Mg2+、Fe2+、Zn2+等金屬離子，與蛋白質分子結合形成二元復合物，與金屬離子和蛋白質分子結合形成三元復合物，從而降低動物對礦物質和蛋白質的利用。此外，植酸存在于動物體內會引起內源性黏蛋白的分泌量增加、氨基酸消化率下降、內源性酶活性受到抑制，從而可能降低動物的生產性能和飼料利用率。磷在植物性飼料中主要以植酸磷的形式存在，但由于單胃動物消化液中植酸酶含量很少，植酸磷在消化道內不能水解成可以被動物利用的無機磷酸鹽，因而單胃動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、動物和微生物。植物植酸酶的 pH 范圍較窄；動物植酸酶主要來源于動物腸道細胞，這種內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菌及部分真菌產生的一種胞外酶，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用范圍廣。
1.3 植酸酶作用機理
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，最終將植酸分解成肌醇和磷酸 2 個終產物。因植酸酶來源不同，其作用機理有差異。依據對植酸的作用方式，目前分離出的植酸酶主要有 3-植酸酶和 6-植酸酶 2 種。3-植酸酶主要存在于動物和微生物中，植酸中無機磷被水解釋放的順序首先是第 3 碳位點，其次是其他位點；而 6-植酸酶主要存在于植物中，無機磷首先在植酸的水解順序首先是第 6 碳位點，然后是其他位點釋放。
2 植酸酶超劑量的意義
目前畜禽飼料中關于超劑量添加植酸酶的標準不統一，范亮首次對植酸酶的劑量范圍進行了定義：常規劑量（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，以前更多關注營養物質的劑量，現在更傾向于飼糧成本的降低以及動物生產性能的優化。常規劑量使用植酸酶時，植酸被降解的比例較少，但超劑量使用大腸桿菌植酸酶時幾乎所有的植酸均被降解，植酸的抗營養效應相應減少。超劑量使用植酸酶可能有另外 2 個好處：一是平衡鈣/磷比例。當使用較低劑量植酸酶時，鈣比磷釋放得更多。而植酸酶超劑量使用時，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。二是產生生長促進因子——肌醇。植酸降解時產生肌醇，肌醇在細胞內可能被重新磷酸化，可以作為一種重要的抗氧化劑。
前人研究表明，低劑量添加植酸酶可以促進動物生長。低磷飼糧（總磷 0.35%）中補添 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性能下降，磷恢復到正常水平。對體重 10 kg 左右的去勢仔豬研究發現，與對照組相比，基礎飼糧（玉米-大豆型）中植酸酶劑量為 200 和 400FTU/kg 時，仔豬日增重（ADG）提高 18%和 28%，日平均采食量（ADFI）提高 18%和 24%。這一研究結果與吳東等在 36 kg 豬（有效磷 0.18%，植酸酶 750 FTU/kg）上研究的結果相似。王晶等研究發現，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%，飼料轉化率顯著改善 3.51%和 4.05%。但近年的研究發現，超劑量添加植酸酶因植酸酶來源、使用階段、基礎飼糧鈣磷含量以及其他營養成分差異，其使用效果有更多變化（表 1）。Bedford 等對 19 項超劑量試驗的研究結果進行綜述發現，在對照組飼糧中包含適量的鈣、磷等營養成分條件下，試驗豬只每天的體重增幅約為 84%，飼料轉化效率增加 74%。因此，通過超劑量植酸酶添加技術可以提高生長性能，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營養效應影響。整體來講，低磷飼糧中植酸酶添加量達超劑量時效果較為顯著。
3.2 超劑量添加植酸酶對鈣、磷及其他礦物質生物利用率的影響
研究發現，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 500 FTU/kg，可以迅速增加可消化鋅和銅的水平。而植酸酶含量超過 500 FTU/kg 時，可消化的鋅和銅的增長速度則變慢。但當生長豬飼糧為低磷低鈣水平時，添加微生物植酸酶不會對鎂、錳、鋅和鐵的表觀消化率產生影響。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顯著提高。因此，為節約使用成本，降低環境污染，首先考慮使用低磷飼糧，同時應考慮減少相關礦物元素的使用劑量。
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育直接相關。研究表明，低劑量添加植酸酶與對鈣、磷沉積有一定的促進作用。而另一些學者研究發現，超劑量添加植酸酶對豬骨骼發育有更好的促進作用。此外，Laird 等在 28日齡斷奶仔豬（7.6 kg 左右）上研究發現，低鐵飼糧（50 mg/kg）中補添 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分利用率的影響
Jongbloed分析發現，添加植酸酶可使蛋白質的消化率提高 0.85%~1.70%。另有研究發現，斷奶仔豬飼糧中添加植酸酶對干物質和粗蛋白質的消化率無顯著影響。Lee 等研究表明，在 21 日齡（6.7 kg）斷奶仔豬基礎飼糧中添加 3 000 FTU/kg 植酸酶，干物質的利用率顯著提高 49.81%。Zeng 等研究發現，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和粗蛋白質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，其與植酸形成絡合物的程度也不相同，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影響試驗結果。飼糧中添加微生物植酸酶后，與植酸結合的蛋白被分解，氨基酸利用率提高。Zeng 等研究發現，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和粗蛋白質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 等研究發現，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。
3.5 不同劑量植酸酶對環境污染的影響
因豬只生長階段和飼糧中植酸酶添加劑量不同對環境污染影響存在較大差異。飼糧中添加植酸酶會導致糞磷降低，這也與植酸酶來源、添加劑量以及動物生長階段等試驗條件有關。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，從而有效降低磷在環境中的存留，減少污染。
鈣磷比例也會影響鈣磷的排放。如果鈣磷比超過骨組織合成所需要的量，磷利用率降低，鈣經由尿液排出的量會增加。低磷飼糧中降低鈣磷比的同時添加植酸酶，可提高豬生產性能，增加磷利用率。膳食中添加超過目前標準（500 FTU/kg）的植酸酶可進一步改善礦物質使用，從而減少對環境的礦物質輸出。綜上所述，低劑量植酸酶可以顯著降低磷在糞中的留存量，對環境污染防控起到很好的作用，但有關超劑量植酸酶的研究相對較少，需進一步深入研究。
植酸酶取代磷酸鹽的最佳劑量較難掌握，生化反應的啟動、反應速度和程度因植酸酶的用量而異，太少不能啟動，但過量生化反應速度也得不到提高，反而造成浪費。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。植酸酶活性易被高溫破壞，胃液中蛋白質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，同時營養物質也可以得到更有效利用。飼糧中植酸酶添加量在 0.20%左右時才有正效應，如果飼糧設計為低鈣水平時植酸酶還能發揮更有效的作用。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。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，而補充適量植酸酶則可進一步提高磷存留量。研究表明，鈣磷比值在 1.4~1.6 時，植酸酶和維生素 D3 能發揮最有效作用。
4.2 植酸酶活性的影響因素
試驗表明，pH 為 4.5~6.0 時植酸酶活性超過 80%，而活性最高時 pH 為 5.5 。另外，礦物質隨飼料或飲水進入腸道后會影響植酸酶的活性，存在于機體本身的各種離子也會一定程度地影響植酸酶活性。植酸酶是一種外源性的酶制劑，活性可以被催化，內源蛋白酶（胃蛋白酶、胰蛋白酶）會影響進入消化道內的植酸酶的活性發揮。飼糧加工方式和貯存也對植酸酶活性產生不同程度影響。從目前已發布的研究結果來看，大部分僅以植酸酶的添加量來進行研究，而對植酸酶的實際存留問題關注較少，實際生產應用還缺乏更精準的指導。
5 小結與展望
綜上所述，植酸酶超劑量添加技術能增加飼糧中微量元素、蛋白質等營養物質的吸收能力，且可降低磷、氮等元素在環境中的存留率，從而減少環境污染。但受飼糧無機磷含量、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應用于實際生產還有一定局限。植酸酶添加效果也因廠家產品的差異、植酸酶的來源、添加劑量及方式（是否考慮實際留存量）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應用于豬生產中，為保護人類環境做出更大貢獻。
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