唐彩琰 校 孟霞 摘译

摘  要：植酸是植物中磷酸盐的主要储存形式，对动物的可利用性较差，具有抗营养作用。植酸酶（即肌醇六磷酸磷酸水解酶）可催化从植酸或其植酸盐中逐步去除磷酸基团，从而获得可利用的磷。许多因素会对体内植酸酶的活性产生影响，本文主要阐述植酸酶相关因素（如最佳pH范围、植酸酶类型和蛋白酶抗性）和动物相关因素（如物种、动物年龄和保留时间）对植酸酶活性的作用。

关键词：植酸;植酸酶;胃肠道;猪;禽

中图分类号：S816 文献标志码：C 文章编号：1001-0769（2021）04-0124-06

1  植酸酶的作用方式

1.1 植酸盐及其抗营养作用

植酸是由肌醇经过一系列磷酸化步骤合成的，因此它由1个包含6个磷酸酯键的肌醇环组成。植酸是植物种子中主要的磷酸盐储存化合物，通常占植物种子中总磷酸盐的50%～80%。它有助于控制种子有效发芽，并在发芽时被植酸酶消化，促进磷的释放。植酸的盐形式称为植酸盐，几乎所有的植酸都以混合盐（植酸钙镁）的形式存在。植酸磷对动物的可利用性较差，由于其抗营养作用，会降低动物对其他营养物质的消化率和动物的生产性能。

植酸有12个可替换的反应位点，在动物消化道的pH范围内带有强负电荷。植酸能够结合二价和三价矿物质并形成非常稳定的复合物，降低它们的可用性以及动物对植酸磷的可用性。植酸（和植酸盐）在酸性pH环境（例如胃）中可解离并溶解，因此矿物质和植酸复合物的形成主要发生在pH较高的小肠中。与其他阳离子矿物质相比，动物日粮含有大量钙，因此植酸主要与小肠中的钙形成复合物。此外，植酸会增加豬和家禽中钠等矿物质的内源性损失。钠缺乏会影响胃肠道中参与营养吸收的Na-K-ATP酶的活性。据报道，摄入植酸会降低肉鸡和仔猪胃肠道中Na-K-ATP酶的活性。

植酸盐非选择性地与蛋白质结合，并已证明可以抑制胰蛋白酶、α-淀粉酶等酶的活性，从而降低动物对蛋白质的消化率。植酸可以在很宽的pH范围内与蛋白质结合。在酸性pH环境（例如在胃中），植酸可与碱性氨基酸（如精氨酸、组氨酸和赖氨酸）结合，形成蛋白质-植酸盐复合物。在pH高于蛋白质等电点的小肠中，植酸可以通过阳离子与蛋白质结合，形成蛋白质-矿物质-植酸盐复合物。这些复合物是不溶性的并且对酶水解具有抗性，因此降低了蛋白质的利用效率。植酸可以与内源性酶相互作用，使植酸结合蛋白质形成难以被胃蛋白酶消化的复合物，从而降低营养物质消化率。此外，植酸可增加内源性氨基酸的损失，这是由于小肠中的消化酶和黏蛋白分泌增加，分泌的内源性氨基酸的重吸收减少。有人提出，植酸钙可能会增加肠腔中金属皂的形成，导致饱和脂肪消化减少。因此，植酸盐的抗营养作用将导致营养利用率降低、维持蛋白质和能量的成本增加以及用于生产的可用能量降低。

1.2 植酸酶的作用方式

植酸酶（即肌醇六磷酸磷酸水解酶）能催化从植酸或其植酸盐中逐步去除磷酸基团。磷酸基团的去除始于完全磷酸化的六磷酸肌醇（IP6），然后依次是五磷酸肌醇（IP5）、四磷酸肌醇（IP4）、三磷酸肌醇（IP3）、二磷酸肌醇（IP2）和一磷酸肌醇（IP1）。这意味着植酸酶首先将所有可用的完全磷酸化的植酸水解为IP5，再将后者水解为IP4，依此类推。理想情况下，植酸完全水解将得到肌醇和磷酸盐（以及与植酸相关的氨基酸、矿物质和其他营养素）。然而，在动物体内，植酸不能完全水解，因此通常会产生肌醇-磷酸酯的混合物（例如 IP5、IP4 等）。

植酸盐与Ca结合也与植酸酯的组成有关，植酸盐结合Ca的能力不成比例降低，例如IP3对Ca的结合亲和力约为IP6的11%。因此，快速去除胃中IP6和IP5将显著降低小肠中与Ca的结合。

基于这些数据，可以得出结论，上消化道中植酸酶对植酸盐的早期彻底水解对于改善磷、矿物质（如Ca、Fe）和蛋白质的消化至关重要。这些数据还暗示，为了消除植酸盐的抗营养作用，IP6需要在消化道上部被植酸酶尽可能完全水解。

2  影响植酸酶活性的因素

许多因素会影响植酸酶在动物体内的活性，包括植酸酶相关因素，如最佳pH范围、植酸酶类型和蛋白酶抗性。动物相关因素包括物种、动物年龄和保留时间。日粮相关因素，如植酸含量、钙含量和成分组成（如底物类型和固有植酸酶活性）也非常重要。

2.1 植酸酶相关因素

2.1.1 最佳pH范围

植酸酶活性以1个植酸酶单位进行测量。在官方标准化的植酸酶活性测量中，1个植酸酶单位是指在pH 5.5和37 ℃下每分钟从0.005 1 mol/L植酸钠中释放1 mmol无机磷酸盐所需的植酸酶量。植酸酶单位通常缩写为FTU，有时也使用FYT、U和PU等缩写。本文仅使用FTU的缩写。

如上所述，降低植酸盐抗营养作用最有效的方法是在动物消化道上端尽快将植酸盐充分水解。然而，胃中的pH远低于5.5，即标准化植酸酶活性测量中使用的pH。由于不同商业植酸酶的最佳pH不同，其在体内的“真实”活性差异很大。最佳pH范围将指示植酸酶在胃和小肠上段的有效性。

已有相关论文发表了不同商业植酸酶的相对活性。图1显示了两项研究中报告的不同植酸酶的pH曲线。

虽然这些研究中使用的不同方法可能对pH曲线有轻微影响，但仍可以从这些研究中得出结论，即不同商业植酸酶的效率在pH 2.5～4.5（体内最相关的pH范围）内变化。图1表明，在较低的pH范围（如pH 2.5～4.5）下，大肠杆菌植酸酶比真菌植酸酶活性更强。此外，由于生产技术和细菌表达的不同，不同的大肠杆菌植酸酶在不同pH下的活性曲线也会有所不同。

2.1.2 植酸酶对内源性蛋白酶的抗性

植酸酶是一种蛋白质分子，可以被动物消化道内的内源性蛋白酶水解。Kumar等评估了来自隔孢伏革菌、曲霉菌和大肠杆菌的植酸酶对内源性蛋白酶的反应。将这3种植酸酶在含有蛋白酶的缓冲液中孵育2 h，并在pH 5.0时检测残留的植酸酶活性。结果表明，大肠杆菌植酸酶的蛋白酶抗性比隔孢伏革菌植酸酶和曲霉菌植酸酶的高。作者认为这可能部分解释了商业植酸酶在单胃动物中生物利用率的差异。

Morales等也观察到大肠杆菌植酸酶对蛋白酶有较高抗性。他们将两种商业植酸酶（来自大肠杆菌和隔孢伏革菌）与胃蛋白酶或虹鳟鱼的胃粗提取物一起孵育。孵育1 h后，隔孢伏革菌植酸酶的活性迅速降低，而大肠杆菌植酸酶在孵育4 h后仍保持较高的活性（图2）。胃蛋白酶和虹鳟鱼胃粗提物的作用效果没有差异。结果表明，不同商业植酸酶对胃中蛋白酶的抗性存在很大差异，这一点可以从试验中使用的虹鳟鱼胃粗提物中得到验证。作者得出的结论是，在虹鳟鱼等动物胃部的酸性胃蛋白酶环境下，大肠杆菌植酸酶比隔孢伏革菌植酸酶更活跃、更稳定。这些体外结果与体内研究一致。在体内研究中，大肠杆菌植酸酶在肉鸡食糜中的活性高于隔孢伏革菌植酸酶的。此外，据报道，在家禽和猪中，大肠杆菌植酸酶的功效比隔孢伏革菌植酸酶的高。

2.1.3 植酸酶对目标底物的相对活性

目标底物也会影响植酸酶活性。Tran等在pH 3.0、37 ℃下进行了一项测定，以确定与植酸钠相比，4种商业植酸酶对来自IP6-大豆蛋白或IP6-溶菌酶复合物的IP6的相对活性。所有植酸酶均以相等的FTU添加（根据标准测量）。如表1所示，在pH 3.0下，不同商业植酸酶间的相对活性显著不同，并且与目标底物有关。与用于植酸酶相对活性测量的标准底物IP6-Na相比，用大豆蛋白和IP6-溶菌酶作为目标底物时，不同植酸酶来源之间的相对活性差异更大。大肠杆菌植酸酶对大豆蛋白和IP6-溶菌酶复合物的相对活性较对IP6-Na的高，而曲霉菌植酸酶对这些底物的相对活性较低。大肠杆菌植酸酶对IP6-大豆蛋白或IP6-溶菌酶复合物的相对活性高于对IP6-Na的。在pH 3.0时，大肠杆菌植酸酶水解IP6的速度比真菌植酸酶的快几倍，并且功效因底物类型不同而异。由于细菌表达的不同，2种大肠杆菌植酸酶之间的相对活性也存在很大差异。因此，植酸酶对不同类型底物的亲和力可能是影响植酸酶功效的因素之一。

2.2 动物相关因素-消化道中的植酸酶活性

2.2.1 猪

文献数据表明，如果猪饲料中未添加微生物植酸酶，能观察到植酸酶活性的部位主要是结肠。补充微生物植酸酶后，其主要活性部位是胃和小肠前端。

Yi和Kornegay给仔猪饲喂添加曲霉菌植酸酶的日粮，以探讨植酸酶在胃肠道中的活性部位，结果发现植酸酶在胃食糜中的活性高于在小肠前端食糜中的。猪饲喂含有1 050 FTU/kg微生物植酸酶的日粮后，植酸酶在其胃、小肠前端和后端食糜中的活性分别为579 FTU/kg、348 FTU/kg和53 FTU/kg。饲喂基础日粮的猪，其胃和小肠食糜中的植酸酶活性约为30 FTU/kg。                                          这些数据表明，由于pH环境更有利，胃是外源性微生物植酸酶活性最高的部位。       Kemme等、Lantzsch等和Mroz等也得出了类似的结论，即胃是猪体内植酸酶作用的主要部位。Jongbloed等在回肠食糜中没有发现外源性植酸酶活性。

Pagano等在饲喂添加大肠杆菌植酸酶的日粮的仔猪中观察到，植酸酶在胃和空肠前端食糜中的活性最高，而在空肠后端或回肠食糜中未检测到植酸酶活性。饲喂添加植酸酶日粮的猪在消化道上部显示出剂量依赖性植酸酶活性，并且结肠食糜中的总磷和钙浓度降低。然而，饲喂基础日粮的猪胃和小肠食糜中基本未显示植酸酶活性，结肠中的植酸酶活性和可溶性磷含量较高。这导致饲喂基础日粮的猪的结肠含有较高浓度的可溶性磷和钙。与对照组相比，添加500 FTU植酸酶显著增加了血浆磷浓度（7.95 mg/dL对5.2 mg/dL），表明结肠中内源性植酸酶释放的无机磷的吸收率较低。结肠内较高的内源性植酸酶活性可能不会提高磷的利用率，但可以增加可溶性磷的排泄。

这与Seynaeve等的观察结果一致，该研究表明，大肠中的内源性植酸酶并没有提高磷的利用率，而是将粪便中的有机磷转化为无机磷。在没有添加植酸酶的基础日粮中，IP6在回肠末端的分解率仅为16.2%，而在飼喂添加500 FTU/kg植酸酶（曲霉菌植酸酶）的日粮的猪中，IP6的分解率提高了3倍。与未补充植酸酶的猪相比，补充植酸酶降低了猪回肠食糜的总磷（P=0.09）和IP6-P（P<0.05）的浓度。与对照组相比，植酸酶处理组回肠食糜中的植酸磷含量平均减少42%。然而，植酸酶处理组和对照组猪粪便中IP6-P的含量均较低，表明对照组猪大肠中的内源性植酸酶活性较高，导致粪便中的IP浓度较高。植酸酶处理降低了猪粪便中总磷和IP（平均比对照组低36%）的含量。

对猪胃来说，相对空的时候pH一般在2.0～2.5，喂食后pH升高。刚断奶的仔猪分泌盐酸（HCl）的能力较弱，因此胃中的pH可能高于生长猪的。在小肠的第一部分，pH范围为3.5～5.5。Jongbloed等观察到，猪十二指肠（幽门后约25 cm）食糜的pH在采食时约为6，采食后1 h降至5，采食后2 h～5 h保持在4左右。因此，具有高活性的微生物植酸酶在低pH下对猪更有效。

2.2.2 家禽

在家禽中，添加微生物植酸酶的主要活性部位是嗉囊和消化道前端，这与猪相似。

研究人员在不添加微生物植酸酶的条件下，以小麦、玉米和豆粕为基础日粮，研究了蛋鸡食糜中的植酸酶活性。饲料中植酸磷含量为2 g/kg，非植酸磷含量为4.37 g/kg。1 kg基础日粮中的植酸酶每分钟可将160.2 μmol植酸（植酸钠）水解为磷酸、肌醇和低肌醇磷酸盐。盲肠中植酸酶活性（每克食糜）最高。嗉囊、胃、小肠的内容物或黏膜之间的植酸酶活性无显著差异。总体而言，在不额外添加微生物植酸酶的情况下，植酸酶在盲肠中活性高，在小肠中端、嗉囊和胃中活性低。

本研究结果表明，在不额外添加微生物植酸酶的情况下，主要在鸡的盲肠中观察到植酸酶活性（类似于猪）。本研究测定了鸡回肠和全肠道水平上的植酸消化率和磷保留率。结果表明，植酸在回肠中的消化率低于其在全肠道中的（蛋鸡和肉鸡分别为20%和18%对33%和35%），这可能与盲肠中植酸酶活性的相对含量有关。磷的总肠道滞留量低于其在小肠中的滞留量（蛋鸡和肉鸡分别为22%和19%对52%和42%），表明盲肠中植酸的降解对总磷滞留没有贡献。本研究表明，在日粮中添加微生物植酸酶对增加消化道前端植酸盐的水解作用、减少植酸盐对养分消化的负面影响、提高家禽对磷的利用至关重要。

嗉囊的pH范围为5.2～5.8，腺胃的pH为2.8，因此预计这些部位是外源性植酸酶在家禽体内的主要活性部位。外源性植酸酶活性（隔孢伏革菌）沿小肠逐渐下降，肉鸡回肠中未检测到活性。小肠末端植酸酶活性低可能是由于内源性蛋白酶能够分解外源性植酸酶。如上所述，不同植酸酶对内源性蛋白酶的抗性不同。研究人员发现，在肉鸡消化道所有部位，大肠杆菌植酸酶的活性明显高于隔孢伏革菌植酸酶的（表2）。这项研究测定了添加或不添加微生物植酸酶对22日龄肉鸡植酸酶活性的影响。肉鸡在8～22日龄饲喂低磷的阴性对照日粮或添加了1 000 FTU/kg的大肠杆菌植酸酶（或隔孢伏革菌植酸酶）的对照日粮。结果显示，在日粮中添加植酸酶时，外源性植酸酶的活性在嗉囊中时最高，其次是在腺胃和肌胃中时，在回肠中时非常低（表2）。饲喂基础日粮而未添加植酸酶的肉鸡整个消化道中的食糜植酸酶活性都非常低。补充大肠杆菌植酸酶显著提高了嗉囊、腺胃和肌胃、空肠和在回肠中的植酸酶活性，而隔孢伏革菌植酸酶仅提高了嗉囊中的植酸酶活性。Liebert等测定了饲喂对照日粮和添加了500或1 000 FTU/kg植酸酶（曲霉菌）的日糧的鸡（3～5周龄）消化道中的植酸酶活性。在喂食对照日粮的鸡的饲料和肠道内容物中没有发现植酸酶活性（<50 FTU/kg）。在添加植酸酶的日粮中，植酸酶活性主要在嗉囊（250 FTU/kg～575 FTU/kg冻干样品）和胃（100 FTU/kg～225 FTU/kg 冻干样品）中发现。小肠中未检测到植酸酶活性（<50 FTU/kg）。这些数据表明，不同类型的植酸酶在消化道中的活性可能不同。

植酸盐在胃中水解不完全可能会导致小肠中重新沉淀植酸盐。Liebert等测量了鸡消化道中的植酸磷浓度，并观察到与对照日粮相比，在日粮中添加1 000 FTU/kg植酸酶可降低嗉囊、胃和小肠中的植酸磷含量。在小肠末端，植酸磷消失率高达65%，而在不添加植酸酶的日粮中只有15%～23%。植酸磷在其他消化部位的含量都低于在嗉囊和胃中的，但所有处理组的鸡小肠植酸磷都有所增加，而植酸酶处理组的增加程度较小，表明随着pH升高，小肠中的植酸盐重新沉淀。Onyango等也报道了类似的结果。

（未完待续）

原题名：Phytase in non-ruminant animal nutrition： a critical review on phytase activities in the gastro-intestinal tract and influencing factors（英文）

原作者：Yuming Dersjant-Li等（丹尼斯克动物营养）