摘要：植酸酶又稱(chēng)肌醇六磷酸酶，可以分解肌醇六磷酸，而后者是植物體內(nèi)主要的磷酸儲(chǔ)存形式。
在動(dòng)物的飼料中加入微生物植酸酶來(lái)取代無(wú)機(jī)磷酸鹽飼料，有助于減少單胃動(dòng)物磷的排泄。應(yīng)用植酸酶可以減少高達(dá) 50 %的磷的排泄，很明顯這對(duì)環(huán)境保護(hù)是非常有利的。植酸酶添加劑有助于提高礦物質(zhì)和微量元素的利用率，植酸酶不僅可用作動(dòng)物飼料添加劑，同樣可用于食品添加劑。目前在這一領(lǐng)域的研究主要集中在提高礦物質(zhì)吸收和改善食品加工技術(shù)上。幾乎所有的植酸酶產(chǎn)品都是通過(guò)微生物發(fā)酵獲得。近十年，研究人員發(fā)現(xiàn)了大量的植酸酶。利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)植酸酶的研究業(yè)已起步，關(guān)鍵是由發(fā)酵液中成功提取出所需產(chǎn)品。植酸酶產(chǎn)品在動(dòng)物和人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)方面有非常廣泛的應(yīng)用。1991 年第一個(gè)植酸酶產(chǎn)品上市，當(dāng)時(shí)市場(chǎng)的前景在 15 000 萬(wàn)歐元。
植酸酶可以分解植酸（即肌醇六磷酸），植酸是植物體內(nèi)磷酸鹽和肌醇的重要儲(chǔ)存形式。對(duì)于單胃動(dòng)物來(lái)說(shuō)植酸是抗?fàn)I養(yǎng)因子，可以顯著降低蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和能量等多種養(yǎng)分的可利用率。植酸是一種聚陽(yáng)離子螯合劑，可以和動(dòng)物體內(nèi)比較重要的二價(jià)陽(yáng)離子形成復(fù)合體，如 Ca2+、 Mg2+、Zn2+、Cu2+、Fe2+和 Mn2+。所形成復(fù)合體鹽的穩(wěn)定性主要決定于陽(yáng)離子的種類(lèi)、濃度及 pH 值，植酸也可以與蛋白質(zhì)或氨基酸在酸性或堿性環(huán)境下形成復(fù)合體。
植酸酶是一類(lèi)在體外能將肌醇六磷酸（植酸）分解成肌醇單磷酸至肌醇五磷酸的一種酶。國(guó)際純粹化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì) - 國(guó)際生物化學(xué)聯(lián)合會(huì)將植酸酶分為兩類(lèi)，即 3- 植酸酶（ EC3.1.3.8）和 6-植酸酶（ EC3.1.3 28）。3- 植酸酶從 3- 位開(kāi)始將六磷酸肌醇降解為磷酸肌醇及正磷酸；6- 植酸酶是從6- 位開(kāi)始將植酸降解，最終產(chǎn)物都是單磷酸肌醇（ 2- 磷酸肌醇）和正磷酸。
植酸酶廣泛存在于動(dòng)植物組織及一些真菌和細(xì)菌中。據(jù)報(bào)道動(dòng)物植酸酶存在于哺乳動(dòng)物的小腸及脊椎動(dòng)物的紅血球和血漿原生質(zhì)中，在鳥(niǎo)類(lèi)、爬行動(dòng)物及魚(yú)類(lèi)中也存在。在植物如小麥、大麥、淀粉中都含有豐富的植酸酶。與動(dòng)植物植酸酶相比，微生物植酸酶酶系比較復(fù)雜，因此許多科研工作都集中在微生物植酸酶方面，尤其是對(duì)來(lái)自纖維狀真菌如煙曲霉等植酸酶的研究。
近年來(lái)，由于植酸酶在天然材料中表達(dá)水平低，造成植酸酶難以大量生產(chǎn)及生產(chǎn)成本過(guò)高的問(wèn)題，利用 DNA 重組技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)酶基因工程菌，高效表達(dá)有活性的胞外植酸酶已成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

1 微生物植酸酶產(chǎn)品
第一個(gè)植酸酶產(chǎn)品商品名為 Natuphos，于 1991年進(jìn)入飼料市場(chǎng)，是由 Gist Brocades 公司(即現(xiàn)在的DSM公司)生產(chǎn)，由 BASF 公司銷(xiāo)售。Natuphos 有粉末、顆粒和液體三種形式。隨后，許多其他產(chǎn)品陸續(xù)上市。這些商品化的植酸酶有的是通過(guò)真菌誘變獲得，而大多數(shù)是通過(guò)重組基因工程技術(shù)得到。
Gist Brocades 的專(zhuān)利中利用了一種黑曲霉 A. fi-cuum 菌株，他可以過(guò)量表達(dá)植酸酶，與野生型菌株相比其植酸酶活性提高了 50 倍。目前，在歐洲被批準(zhǔn)作為食品添加劑的植酸酶產(chǎn)品都是由纖維狀真菌重組的菌株生產(chǎn)的。過(guò)去通常是在液體培養(yǎng)基中發(fā)酵生產(chǎn)植酸酶，但是現(xiàn)在越來(lái)越多的研究人員報(bào)道用固體培養(yǎng)基發(fā)酵生產(chǎn)植酸酶，尤其是使用纖維狀真菌發(fā)酵。

2 轉(zhuǎn)基因植物表達(dá)植酸酶
研究人員試圖利用轉(zhuǎn)基因植物為表達(dá)宿主生產(chǎn)植酸酶。轉(zhuǎn)基因植物含有較高的植酸酶活性，可以取代飼料和食品中添加的微生物植酸酶。因此轉(zhuǎn)基因植物可以看作是生產(chǎn)植酸酶的生物反應(yīng)器。
Verwoerd 等將黑曲霉 A.niger 的植酸酶 cDNA連同煙草 PR- S 蛋白的信號(hào)肽在 CaMV 的 35S 啟動(dòng)子控制下，轉(zhuǎn)移到煙草中，表達(dá)出一個(gè)分子質(zhì)量約為 70kD 的有生物學(xué)活性的蛋白質(zhì)。UlahA.H 等將來(lái)自 Aspergillusfumigatus 的植酸酶 phyA基因轉(zhuǎn)入苜蓿，在苜蓿葉子中表達(dá)了穩(wěn)定的植酸酶。此外黑曲霉 A. niger 植酸酶的基因 PhyA在大豆、小麥中也已成功表達(dá)。
Verwoerd 在轉(zhuǎn)基因煙草中檢測(cè)到了植酸酶，其中在葉子中表達(dá)量最高，達(dá)到可溶性蛋白質(zhì)量的14 %，在煙草的種子中也檢測(cè)到植酸酶活性，其表達(dá)量為種子可溶蛋白質(zhì)量的 1 %，且儲(chǔ)存在種子中的植酸酶具有很好的熱穩(wěn)定性，儲(chǔ)存一年也不會(huì)失活。此外，在轉(zhuǎn)基因大豆中表達(dá)的植酸酶與真菌植酸酶的性質(zhì)幾乎完全相同，只是糖基化程度略有不同，但是黑曲霉 A. niger 產(chǎn)生的植酸酶的熱穩(wěn)定性不如轉(zhuǎn)基因大豆的。
研究表明不僅真菌植酸酶可以在植物中產(chǎn)生，來(lái)自其他微生物的植酸酶基因同樣可以在植物中表達(dá)。Cosgrove 將大腸桿菌的植酸酶基因連同一段液泡定位表達(dá)信號(hào)肽序列在胚特異性啟動(dòng)子的控制下轉(zhuǎn)化擬南芥，在轉(zhuǎn)基因植株干種子中檢測(cè)到了植酸酶活性，且內(nèi)部植酸的水平有所降低，無(wú)機(jī)磷酸鹽的含量相對(duì)提高。
今后轉(zhuǎn)基因的植物不管是用于生產(chǎn)植酸酶產(chǎn)品，或是直接用于動(dòng)物飼料添加劑，都將取決于生產(chǎn)成本和公眾可以接受的無(wú)污染的生物工藝技術(shù)。

3 植酸酶的應(yīng)用
3.1 在動(dòng)物飼養(yǎng)中的應(yīng)用
由于在植物來(lái)源的動(dòng)物飼料中磷的利用度很低，通常在非反芻動(dòng)物的飼料中加入無(wú)機(jī)磷酸鹽。食物中過(guò)多的磷被動(dòng)物排泄出來(lái)，磷是水生植物生長(zhǎng)最主要的限制性營(yíng)養(yǎng)因子，大量磷進(jìn)入流水中，刺激藻類(lèi)及其他地面水生植物生長(zhǎng)，其后大量水生植物腐敗，導(dǎo)致淡水水質(zhì)惡化，水中缺氧，危及魚(yú)蝦及其他野生生物的生存。這將給環(huán)境和生態(tài)造成污染。
在家禽、豬、魚(yú)的飼料中加入植酸酶，可以提高動(dòng)物對(duì)磷、礦物質(zhì)、氨基酸及能量的利用率。多年前上市的第一個(gè)植酸酶產(chǎn)品，用微生物植酸酶代替單胃動(dòng)物飼料中的無(wú)機(jī)磷酸鹽，可以明顯減少磷的排泄。在植物來(lái)源的飼料中植酸磷占磷總質(zhì)量的60 % ~ 80 %。單胃動(dòng)物對(duì)植酸鹽中磷的利用很小甚至無(wú)法利用，因?yàn)樗鼈兊南到y(tǒng)缺乏能夠水解這種底物的植酸酶。植酸酶的活性因植物的種類(lèi)不同而有很大差異，黑麥、小麥、大麥、小麥麩中的植酸酶活性很高，而玉米、燕麥、大豆餅中的植酸酶活性很低，有的甚至沒(méi)有活性。通常，植物植酸酶在飼料中是有活性的，但是在動(dòng)物的飼料中添加植物植酸酶其活性是有限的，因?yàn)榧词乖谕环N飼料中添加植酸酶，植酸酶的含量也是變化的，而且在飼料加工中，在高于 70°C 下對(duì)植酸酶進(jìn)行�；�，會(huì)使部分植酸酶失活。
微生物植酸酶在消化道中可以有效的分解植酸，就像反芻動(dòng)物一樣幾乎可以完全吸收植物中的磷。多胃動(dòng)物有瘤胃微生物的植酸酶，可降解利用植酸鹽，但是，在單胃動(dòng)物中微生物的生態(tài)系統(tǒng)主要集中在大腸，所以可以認(rèn)為由植酸釋放出的磷幾乎沒(méi)有被吸收，而是在微生物釋放后被排泄掉。在非反芻動(dòng)物的飼料中加入微生物植酸酶也可以提高動(dòng)物對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)成分的利用。在許多試驗(yàn)中都表明植酸酶可以提高 Ca 的利用度，同時(shí)也表明可以提高 Mg及一些微量元素如 Zn、Cu、Fe 和 Mn 的利用率。此外，植酸可以抑制蛋白水解酶的活性，也可以與淀粉結(jié)合，抑制淀粉酶作用，由于植酸酶的存在，促進(jìn)蛋白質(zhì)和淀粉的消化和吸收，也可以認(rèn)為在單胃動(dòng)物體內(nèi)，植酸酶的活性提高了動(dòng)物對(duì)能量的利用。
3.2 在食品工業(yè)中的應(yīng)用
植酸酶是一種新型的食品添加劑，能夠降低食物中的植酸而提高磷、鋅、鈣、鐵等的吸收率。在這一領(lǐng)域的研究主要集中在改善人體對(duì)礦物質(zhì)的吸收和提高食品加工技術(shù)。
在谷類(lèi)和豆制品中，植酸能抑制鐵的吸收，在Sandberg 等的研究中指出：六磷酸肌醇和五磷酸肌醇都可以抑制鐵的吸收。三磷酸肌醇和四磷酸肌醇單獨(dú)存在時(shí)沒(méi)有顯示這種副作用，但是當(dāng)他們與六磷酸肌醇和五磷酸肌醇共存時(shí)將會(huì)加強(qiáng)對(duì)鐵的抑制。這與人體缺鐵有很大的相關(guān)性，如發(fā)展中國(guó)家嬰兒普遍缺鐵，在孕育期的婦女和素食者中缺鐵現(xiàn)象更為嚴(yán)重。所以為了提高谷物和豆制品中鐵的吸收，較好是將肌醇磷酸鹽降解為比三磷酸肌醇低的肌醇磷酸鹽的形式。
有些食品加工方法如烹飪、熱水煮、發(fā)酵、浸泡等可以減少或除去豆制品中相當(dāng)多的植酸。研究表明使用植酸酶減少食物中植酸的含量可能會(huì)更有效。小麥本身含有植酸酶，可以降解部分植酸酶，但降解量有限。Hurrell 等研究發(fā)現(xiàn)，在面粉中加入植酸酶，植酸幾乎可以被完全降解，可以大大提高植酸的降解率。人的小腸中，植酸酶的活性極低，難以利用植酸鹽，在面團(tuán)中加入同位素鐵，通過(guò)測(cè)定人血液紅細(xì)胞中的鐵含量來(lái)檢測(cè)植酸酶對(duì)鐵吸收的影響，發(fā)現(xiàn)在面團(tuán)中加入黑曲霉植酸酶，鐵的吸收率從 14.3 %提高到 26.1 %，提高了 98 %。以上試驗(yàn)表明：在面團(tuán)中添加植酸酶可大大提高植酸酶的降解率。

4 制劑
生產(chǎn)出植酸酶以后，進(jìn)一步的處理加工是十分必要的�？紤]到植酸酶主要用作飼料添加劑，所以制劑需在儲(chǔ)存或使用時(shí)保持穩(wěn)定性和較高的生物利用度。
植酸酶制劑應(yīng)用上的另一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，即酶的熱穩(wěn)定性始終沒(méi)有得到很好解決。飼料加工需經(jīng)過(guò)一個(gè)制粒工藝，在制粒過(guò)程中有一個(gè)短暫的高溫過(guò)程，溫度一般在 75 ℃ ~ 93 ℃，一般的植酸酶活性在此高溫下大幅度地不可逆喪失。所以能在飼料中真正得到推廣利用的植酸酶必須具有良好的熱穩(wěn)定性。但另一方面，飼料用酶又必須在常溫下具有較高的酶活性，因?yàn)槠渥罱K的作用場(chǎng)所是在動(dòng)物正常體溫（ 37 ℃左右）的胃腸道中，這與工業(yè)上所用的一些高溫酶不同。
研究人員在酶的耐熱性方面已經(jīng)進(jìn)行了許多富有成效的研究，一種較簡(jiǎn)單有效的方法就是對(duì)酶進(jìn)行后加工處理，即研究酶的包被技術(shù)，使酶包裹在包衣中而免受制粒高溫的破壞，包衣在動(dòng)物胃中可被消化而釋放出酶，目前一些商品化的植酸酶就是采用這種技術(shù)，但他的加工成本較高。歐洲的一種常用方法是把液態(tài)植酸酶制劑灑在制成的顆粒料上，或使用冷壓制粒。如果能通過(guò)基因工程、蛋白質(zhì)技術(shù)等使植酸酶本身就具有良好的熱穩(wěn)定性無(wú)疑是有巨大意義的。

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植酸酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用