植酸酶在食品工业中的应用

摘要：植酸酶又称肌醇六磷酸酶，可以分解肌醇六磷酸，而后者是植物体内主要的磷酸储存形式。
在动物的饲料中加入微生物植酸酶来取代无机磷酸盐饲料，有助于减少单胃动物磷的排泄。应用植酸酶可以减少高达 50 %的磷的排泄，很明显这对环境保护是非常有利的。植酸酶添加剂有助于提高矿物质和微量元素的利用率，植酸酶不仅可用作动物饲料添加剂，同样可用于食品添加剂。目前在这一领域的研究主要集中在提高矿物质吸收和改善食品加工技术上。几乎所有的植酸酶产品都是通过微生物发酵获得。近十年，研究人员发现了大量的植酸酶。利用转基因植物生产植酸酶的研究业已起步，关键是由发酵液中成功提取出所需产品。植酸酶产品在动物和人类营养方面有非常广泛的应用。1991 年第一个植酸酶产品上市，当时市场的前景在 15 000 万欧元。
植酸酶可以分解植酸（即肌醇六磷酸），植酸是植物体内磷酸盐和肌醇的重要储存形式。对于单胃动物来说植酸是抗营养因子，可以显著降低蛋白质、矿物质和能量等多种养分的可利用率。植酸是一种聚阳离子螯合剂，可以和动物体内比较重要的二价阳离子形成复合体，如 Ca2+、 Mg2+、Zn2+、Cu2+、Fe2+和 Mn2+。所形成复合体盐的稳定性主要决定于阳离子的种类、浓度及 pH 值，植酸也可以与蛋白质或氨基酸在酸性或碱性环境下形成复合体。
植酸酶是一类在体外能将肌醇六磷酸（植酸）分解成肌醇单磷酸至肌醇五磷酸的一种酶。国际纯粹化学和应用化学联合会 - 国际生物化学联合会将植酸酶分为两类，即 3- 植酸酶（ EC3.1.3.8）和 6-植酸酶（ EC3.1.3 28）。3- 植酸酶从 3- 位开始将六磷酸肌醇降解为磷酸肌醇及正磷酸；6- 植酸酶是从6- 位开始将植酸降解，最终产物都是单磷酸肌醇（ 2- 磷酸肌醇）和正磷酸。
植酸酶广泛存在于动植物组织及一些真菌和细菌中。据报道动物植酸酶存在于哺乳动物的小肠及脊椎动物的红血球和血浆原生质中，在鸟类、爬行动物及鱼类中也存在。在植物如小麦、大麦、淀粉中都含有丰富的植酸酶。与动植物植酸酶相比，微生物植酸酶酶系比较复杂，因此许多科研工作都集中在微生物植酸酶方面，尤其是对来自纤维状真菌如烟曲霉等植酸酶的研究。
近年来，由于植酸酶在天然材料中表达水平低，造成植酸酶难以大量生产及生产成本过高的问题，利用 DNA 重组技术构建产酶基因工程菌，高效表达有活性的胞外植酸酶已成为世界范围内的研究热点。

1 微生物植酸酶产品
第一个植酸酶产品商品名为 Natuphos，于 1991年进入饲料市场，是由 Gist Brocades 公司(即现在的DSM公司)生产，由 BASF 公司销售。Natuphos 有粉末、颗粒和液体三种形式。随后，许多其他产品陆续上市。这些商品化的植酸酶有的是通过真菌诱变获得，而大多数是通过重组基因工程技术得到。
Gist Brocades 的专利中利用了一种黑曲霉 A. fi-cuum 菌株，他可以过量表达植酸酶，与野生型菌株相比其植酸酶活性提高了 50 倍。目前，在欧洲被批准作为食品添加剂的植酸酶产品都是由纤维状真菌重组的菌株生产的。过去通常是在液体培养基中发酵生产植酸酶，但是现在越来越多的研究人员报道用固体培养基发酵生产植酸酶，尤其是使用纤维状真菌发酵。

2 转基因植物表达植酸酶
研究人员试图利用转基因植物为表达宿主生产植酸酶。转基因植物含有较高的植酸酶活性，可以取代饲料和食品中添加的微生物植酸酶。因此转基因植物可以看作是生产植酸酶的生物反应器。
Verwoerd 等将黑曲霉 A.niger 的植酸酶 cDNA连同烟草 PR- S 蛋白的信号肽在 CaMV 的 35S 启动子控制下，转移到烟草中，表达出一个分子质量约为 70kD 的有生物学活性的蛋白质。UlahA.H 等将来自 Aspergillusfumigatus 的植酸酶 phyA基因转入苜蓿，在苜蓿叶子中表达了稳定的植酸酶。此外黑曲霉 A. niger 植酸酶的基因 PhyA在大豆、小麦中也已成功表达。
Verwoerd 在转基因烟草中检测到了植酸酶，其中在叶子中表达量最高，达到可溶性蛋白质量的14 %，在烟草的种子中也检测到植酸酶活性，其表达量为种子可溶蛋白质量的 1 %，且储存在种子中的植酸酶具有很好的热稳定性，储存一年也不会失活。此外，在转基因大豆中表达的植酸酶与真菌植酸酶的性质几乎完全相同，只是糖基化程度略有不同，但是黑曲霉 A. niger 产生的植酸酶的热稳定性不如转基因大豆的。
研究表明不仅真菌植酸酶可以在植物中产生，来自其他微生物的植酸酶基因同样可以在植物中表达。Cosgrove 将大肠杆菌的植酸酶基因连同一段液泡定位表达信号肽序列在胚特异性启动子的控制下转化拟南芥，在转基因植株干种子中检测到了植酸酶活性，且内部植酸的水平有所降低，无机磷酸盐的含量相对提高。
今后转基因的植物不管是用于生产植酸酶产品，或是直接用于动物饲料添加剂，都将取决于生产成本和公众可以接受的无污染的生物工艺技术。

3 植酸酶的应用
3.1 在动物饲养中的应用
由于在植物来源的动物饲料中磷的利用度很低，通常在非反刍动物的饲料中加入无机磷酸盐。食物中过多的磷被动物排泄出来，磷是水生植物生长最主要的限制性营养因子，大量磷进入流水中，刺激藻类及其他地面水生植物生长，其后大量水生植物腐败，导致淡水水质恶化，水中缺氧，危及鱼虾及其他野生生物的生存。这将给环境和生态造成污染。
在家禽、猪、鱼的饲料中加入植酸酶，可以提高动物对磷、矿物质、氨基酸及能量的利用率。多年前上市的第一个植酸酶产品，用微生物植酸酶代替单胃动物饲料中的无机磷酸盐，可以明显减少磷的排泄。在植物来源的饲料中植酸磷占磷总质量的60 % ~ 80 %。单胃动物对植酸盐中磷的利用很小甚至无法利用，因为它们的消化系统缺乏能够水解这种底物的植酸酶。植酸酶的活性因植物的种类不同而有很大差异，黑麦、小麦、大麦、小麦麸中的植酸酶活性很高，而玉米、燕麦、大豆饼中的植酸酶活性很低，有的甚至没有活性。通常，植物植酸酶在饲料中是有活性的，但是在动物的饲料中添加植物植酸酶其活性是有限的，因为即使在同一种饲料中添加植酸酶，植酸酶的含量也是变化的，而且在饲料加工中，在高于 70°C 下对植酸酶进行粒化，会使部分植酸酶失活。
微生物植酸酶在消化道中可以有效的分解植酸，就像反刍动物一样几乎可以完全吸收植物中的磷。多胃动物有瘤胃微生物的植酸酶，可降解利用植酸盐，但是，在单胃动物中微生物的生态系统主要集中在大肠，所以可以认为由植酸释放出的磷几乎没有被吸收，而是在微生物释放后被排泄掉。在非反刍动物的饲料中加入微生物植酸酶也可以提高动物对其他营养成分的利用。在许多试验中都表明植酸酶可以提高 Ca 的利用度，同时也表明可以提高 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，也可以与淀粉结合，抑制淀粉酶作用，由于植酸酶的存在，促进蛋白质和淀粉的消化和吸收，也可以认为在单胃动物体内，植酸酶的活性提高了动物对能量的利用。
3.2 在食品工业中的应用
植酸酶是一种新型的食品添加剂，能够降低食物中的植酸而提高磷、锌、钙、铁等的吸收率。在这一领域的研究主要集中在改善人体对矿物质的吸收和提高食品加工技术。
在谷类和豆制品中，植酸能抑制铁的吸收，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铁的吸收。三磷酸肌醇和四磷酸肌醇单独存在时没有显示这种副作用，但是当他们与六磷酸肌醇和五磷酸肌醇共存时将会加强对铁的抑制。这与人体缺铁有很大的相关性，如发展中国家婴儿普遍缺铁，在孕育期的妇女和素食者中缺铁现象更为严重。所以为了提高谷物和豆制品中铁的吸收，较好是将肌醇磷酸盐降解为比三磷酸肌醇低的肌醇磷酸盐的形式。
有些食品加工方法如烹饪、热水煮、发酵、浸泡等可以减少或除去豆制品中相当多的植酸。研究表明使用植酸酶减少食物中植酸的含量可能会更有效。小麦本身含有植酸酶，可以降解部分植酸酶，但降解量有限。Hurrell 等研究发现，在面粉中加入植酸酶，植酸几乎可以被完全降解，可以大大提高植酸的降解率。人的小肠中，植酸酶的活性极低，难以利用植酸盐，在面团中加入同位素铁，通过测定人血液红细胞中的铁含量来检测植酸酶对铁吸收的影响，发现在面团中加入黑曲霉植酸酶，铁的吸收率从 14.3 %提高到 26.1 %，提高了 98 %。以上试验表明：在面团中添加植酸酶可大大提高植酸酶的降解率。

4 制剂
生产出植酸酶以后，进一步的处理加工是十分必要的。考虑到植酸酶主要用作饲料添加剂，所以制剂需在储存或使用时保持稳定性和较高的生物利用度。
植酸酶制剂应用上的另一个关键性问题，即酶的热稳定性始终没有得到很好解决。饲料加工需经过一个制粒工艺，在制粒过程中有一个短暂的高温过程，温度一般在 75 ℃ ~ 93 ℃，一般的植酸酶活性在此高温下大幅度地不可逆丧失。所以能在饲料中真正得到推广利用的植酸酶必须具有良好的热稳定性。但另一方面，饲料用酶又必须在常温下具有较高的酶活性，因为其最终的作用场所是在动物正常体温（ 37 ℃左右）的胃肠道中，这与工业上所用的一些高温酶不同。
研究人员在酶的耐热性方面已经进行了许多富有成效的研究，一种较简单有效的方法就是对酶进行后加工处理，即研究酶的包被技术，使酶包裹在包衣中而免受制粒高温的破坏，包衣在动物胃中可被消化而释放出酶，目前一些商品化的植酸酶就是采用这种技术，但他的加工成本较高。欧洲的一种常用方法是把液态植酸酶制剂洒在制成的颗粒料上，或使用冷压制粒。如果能通过基因工程、蛋白质技术等使植酸酶本身就具有良好的热稳定性无疑是有巨大意义的。

来源：惠合胶体磨研磨设备厂

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