磷是动物必需的常量矿物质元素之一,参与动物机体遗传物质DNA和RNA的结构成分,并且通过磷脂形成细胞膜,广泛参与机体的物质代谢,在能量、氨基酸和脂肪代谢等方面发挥着至关重要的作用[1]。钙和磷是动物骨骼和肌肉发育所必需的矿物质元素,早期由于新生仔畜骨骼发育迅速,缺乏钙、磷等矿物质元素可能会降低仔畜骨密度和强度,并影响其生长发育和饲料转化率[2]。在常见的几种磷源中,无机源磷的溶解度高于动物磷源和植物磷源,可溶性越高的磷源,磷的消化率越高[3]。畜禽生产中常用的磷源主要是无机磷,据统计,2019年我国磷矿资源总量为259.1亿t,截止到2023年我国磷矿矿石储量仅为34.4亿t,磷酸盐属于不可再生资源,因此探索植物来源磷,尤其是植酸磷的高效利用技术至关重要[4]。
植酸磷主要存在于谷物、谷物副产品和豆科种子中,占总磷的60%~90%,是植物种子中磷存在的主要形式[5]。在植物性饲料中,尤其是在谷实副产品和油籽类中,如麦麸、米糠的植酸磷含量显著高于谷实类;且总磷与植酸磷的含量呈显著正相关,植物总磷含量越高,植酸磷含量也会越高[6]。单胃动物(如猪和家禽)自身肠道分泌的植酸酶较少且活性较低,饲粮中的植酸(PA)会导致禽类出现唾液酸、氨基酸和矿物质的内源性损失增加[7];PA还可以通过降低仔猪回肠钠离子(Na+)的吸收转运能力,从而降低其生长性能[8]。反刍动物由于瘤胃微生物的植酸酶活性高,能有效水解饲料中的植酸磷,但是当饲粮中包含大豆粕(RSM)或油菜籽粕(SBM)时,植酸磷的有效降解性呈现显著下降,这表明反刍动物瘤胃中的活性植酸酶可能受到饲粮组成的差异影响[9-10]。
1 植酸磷的抗营养机制
1.1 PA与矿物质的螯合作用
PA(图1)作为金属阳离子的强螯合剂,通过形成生物可利用性较低、稳定的PA-矿物质复合物影响动物对矿物质吸收[18]。PA-矿物质复合物的形成过程取决于pH、PA与矿物质的摩尔比和不同矿物质之间的互作[19]。PA与不同的矿物质形成复合物,其强度按降序排列,即中性pH时,锌离子(Zn2+)>亚铁离子(Fe2+)>锰离子(Mn2+)>铁离子(Fe3+)>钙离子(Ca2+)>镁离子(Mg2+)[20]。Nolan等[21]提出了PA与二价阳离子结合的几种可能机制,即:1)单个磷酸基团释放出2个氢离子与单个二价阳离子的2个正电荷结合;2)单个二价阳离子与2个不同的带负电荷的磷酸基团的结合;3)2种不同PA分子的2个磷酸基团也可以与2个带正电荷的金属阳离子结合;4)单个磷酸基团可以与2个不同的二价阳离子结合;5)如果多个磷酸基团与金属阳离子结合,还可以形成聚合物结构。
1.2 PA与蛋白质的结合效应
在10 mmol/L乙酸铵缓冲液(pH 4.0)条件下,加入PA到溶菌酶溶液中,先出现放热结合,随后在更高比例下发生吸热交联,这说明PA能够通过静电作用与蛋白质进行结合[32]。Nolan等[21]揭示了PA与蛋白质结合的2种机制:1)单个磷酸基团与蛋白质的带电基团相互作用,并随着pH的降低,结合能力增加;2)磷酸基团还可以通过金属离子介导与蛋白质结合,形成PA-蛋白质-金属络合物。在不添加植酸酶的情况下,肉鸡随着饲粮中PA含量从0.24%增加到0.34%和0.45%,半胱氨酸、丝氨酸和蛋氨酸+半胱氨酸的表观消化率以非线性方式分别降低了9.5%~14.1%、5.3%~5.9%和6.6%~8.7%,精氨酸和甘氨酸表观消化率仅降低了3.5%~4.0%和7.2%~8.5%,反应幅度因氨基酸而异[33]。综上所述,PA与蛋白质的结合效力随pH降低而增强,并通过持续的静电反应生成难溶性的PA-蛋白质复合物,从而影响动物肠道正常消化功能。
2 提高植酸磷利用率的主要途径
2.1 植物育种与动物基因改良
LPA作物的开发可以加强农业生产中磷的管理,以及矿物质的可持续利用,LPA的多效性归因于肌醇代谢产物作为信号分子在关键细胞通路中的作用,如细胞感知、信号传导、基因调控与磷储存等[34-35]。基因编辑技术已广泛用于植物育种,通过对PA合成关键基因进行定向突变或敲除,可使植株及种子中的PA含量显著降低,且未对植株的生长发育进程产生显著不良影响[36-37],具体见表1。但基因编辑带来的副作用也不可忽视,如幼苗出苗率低、整体作物产量降低[38]、植株高度和发芽率降低[39]等。尽管LPA品种可以有效降低植株中的PA含量,但由于缺乏种质资源,开发高产LPA品种仍然具有挑战性,未来使用如碱基编辑等精确编辑工具,可以更准确地调整作物PA相关基因,改善作物的农艺价值[40]。
表1 植物育种与动物基因改良处理效果Table 1 Plant breeding and animal genetic improvement effects |
| 种类 Species | 关键技术 Key technology | 处理效果 Processing effects | 参考文献 References |
|---|---|---|---|
| 大豆Soybean | GMIPK1基因定向突变 | PA含量降低约25% | [36] |
| 油菜Rapeseed | BnITPK基因敲除 | PA含量降低约35%,游离磷含量增加 | [37] |
| 仔猪Piglets | 植酸酶抗裂解转基因 | 磷消化率可达59.2%,粪磷排放降低25.4% | [43] |
| 生长育肥猪 Growing fattening pigs | β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶和 植酸酶相关基因表达 | 粪便氮和磷排放量分别降低了 24.9%和45.8%,粪便和尿液中的钙和 磷含量也显著降低 | [44] |
| 仔猪 Piglets | β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶和植酸酶 相关基因表达 | 粪磷排出量约降低50%,磷、钙和 氮的保留率显著提高 | [45] |
GmIPK1:大豆肌醇六磷酸2-激酶 glycine max inositol 1,3,4,5,6-pentakisphosphate 2-kinase 1;BnITPK:油菜肌醇三磷酸激酶 brassica napus inositol trisphosphate kinase;PA:植酸 phytic acid。 |
2.2 物理和化学处理
表2 不同加工方式对饲粮中植酸的降解效果Table 2 Effects of different processing methods on phytate degradation in diets |
| 处理方式 Processing methods | 原料 Materials | 处理条件 Processing conditions | 处理效果 Processing effects | 参考文献 References |
|---|---|---|---|---|
| 高温挤压 High temperature extrusion | 蚕豆 | 110~115 ℃ | 胰蛋白酶抑制剂和PA含量分别 降低25%和8%,IPS含量增加 | [48] |
| 高温高压灭菌 High-temperature-pressure sterilization | 燕麦麸 | 121 ℃,pH 4.0, 灭菌1.5 h | PA含量降低95.2%,TP和AA 含量分别提高了39%和15% | [50] |
| 酸热处理 Acid heat treatment | 小麦 | 45~60 ℃,pH 4.0~6.0,8~24 h | PA含量降低1.4~2.8倍,铁和锌的 利用度分别提高6和8倍 | [51] |
| 蒸汽爆破 Steam explosion | 大豆粕 | 0.7 MPa,8 min | PA含量降低12.95%~24.69%, WSA含量可达17.59 mg/100 g | [49] |
| 浸泡-挤压-发芽 Soak-squeeze- germinating | 大米 | 45 ℃浸泡24 h, 160~190 ℃挤压 | PA含量降低77%,蛋白质 消化率降低7.3% | [52-53] |
| 浸泡-发芽 Soak-germinating | 大米 | 50 ℃浸泡36 h | PA含量降低70.3%, PHY活性显著提高 | [57] |
| 浸泡-发芽 Soak-germinating | 大米 | 20~24 ℃, 萌发4~5 d | PA含量降低50%~80%,并且矿物质和 蛋白质的消化率可提高200% | [58] |
| 脱脂-浸泡-发芽 Degreasing-soaking- germinating | 藜麦 | 室温浸泡6 h, 20 ℃、 湿度100%, 发芽4~7 d | 经过处理后,WQ、BQ和RQ 3种藜麦的 PA含量分别降低了32.7%、73.7%和67.9%, WQ和BQ的蛋白质含量分别增加了1.29和 1.23倍;钙含量在3个品种的增幅在25%~ 27%;在发芽7 d后,WQ、BQ和RQ的锌浓度 分别比原料提高15%、13%和43% | [59] |
PA:植酸 phytic acid;IPS:肌醇多磷酸 inositol polyphosphates;PHY:植酸酶 phytase;ACPH:酸性磷酸酶 acid phosphatase;TP:总酚 total phenols ;AA:氨基酸amino acids;WSA:水溶性阿拉伯木聚糖 water-soluble arabinoxylan;WQ:白色藜麦 white quinoa;BQ:黑色藜麦black quinoa;RQ:红色藜麦 red quinoa。 |
3 外源酶制剂的应用
3.1 植酸酶的来源与分类
植酸酶降解PA或植酸盐是逐步进行的,从完全磷酸化的肌醇六磷酸(IP6)开始,其次是肌醇五磷酸(IP5)、肌醇四磷酸(IP4)、肌醇三磷酸(IP3)、肌醇二磷酸(IP2)和肌醇单磷酸(IP1)[60]。在动物饲料中添加外源性酶制剂,如碳水化合物酶、淀粉酶和植酸酶,能够有效降低饲料中的抗营养因子,并提高动物的生长性能[61]。自然界中存在的植酸酶的来源主要分为3种:1)植物性植酸酶,广泛存在于各种植物性饲料原料中,并且根据不同植物、不同部位和不同时期,植酸酶活性有显著差异[62];2)动物性植酸酶,主要分布于单胃动物的肠道黏膜中,由于植酸酶活性低和工业化程度低等问题研究较少[63];3)微生物性植酸酶,因其来源广泛、酶活性高、易于工业化生产等特点,成为研究和应用的重点[64]。植酸酶不仅在动物饲料工业中作为一种商业酶发挥重要作用,其在生物燃料工业中的应用亦显示出巨大的潜力,相较于其他传统的酶促方法,植酸酶能够显著提升淀粉及木质纤维素转化为生物乙醇的产量[65]。
3.2 植物性植酸酶
3.3 微生物性植酸酶
真菌被认为是单聚蛋白,在食品生产和饲料行业中因其能提高营养价值和减少磷污染水平而受到越来越多的关注[76]。黑曲霉相较于其他霉类有一定优势,如成本低、易于培养和工业化程度高的特性,是植酸酶生产中常用的一类真菌[77]。通过合理设计和定点突变,黑曲霉植酸酶A的活性和热稳定性显著提高,酶活性在pH 2.5和5.5时分别提高了1.6和1.7倍,酶的热稳定性在90 ℃时提高了1.4倍[78]。温度是影响米曲霉生长和活性的最重要环境因素,直接影响底物消化酶的活性,从而控制化合物产量和发酵速率[79]。采用硫酸铵级联沉淀法和阴离子交换色谱法可以有效地纯化植酸酶,使米曲酶在30 ℃和pH 5.5条件下的最大稳定性为6 h,且酶活性在60 ℃下保持稳定[80]。
3.4 其他酶制剂
表3 不同酶制剂在畜禽生产中应用效果Table 3 Application effects of different enzyme preparations in livestock and poultry production |
| 种类 Species | 组合 Combination | 效果 Effects | 参考文献 References |
|---|---|---|---|
| 育肥猪 Fattening pigs | 植酸酶 | 添加1 000 U/kg包衣植酸酶、粉状植酸酶、 微颗粒植酸酶,钙、磷的消化率分别提高 2.07%、1.03%、3.31%和0.50%、0.33%、2.68% 在植酸酶添加剂量为0~6 000 FTU/kg的各组中, 随着植酸酶添加水平的提高,磷、干物质、 总能及粗脂肪表观回肠消化率均呈线性 上升趋势,具体范围分别为78.1%~86.1%、 53.0%~79.4%、50.3%~78.6%和59.8%~79.5% | [87-88] |
| 黄羽肉鸡 Yellow feathered broilers | 枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、 产朊假丝酵母菌、木聚糖酶、 纤维素酶和蛋白酶 | 在1~50 d,200和300 mg/kg添加组 肉鸡血清中GlOB含量、ALP活性、 T-AOC显著升高 | [92] |
| 肉羊 Meat sheep | 木聚糖酶、植酸酶、 纤维素酶、淀粉酶和 脂肪酶 | 0.6和1.2 g/kg添加组肉羊血清 GLU、TP、ALB含量及瘤胃微生物 蛋白、乙酸和丁酸含量均有显著提高 | [93] |
| 断奶仔猪 Weaned piglets | 木聚糖酶、甘露聚糖酶、 纤维素酶、蛋白酶、 淀粉酶和脂肪酶 | 2%的复合酶制剂添加组仔猪 生长性能和养分消化率提高,3%复合酶 制剂添加组血清IgG、TNF-α和IL-2 含量显著提高 | [94] |
| 泌乳母牛 Lactating cows | 纤维素酶、淀粉酶 | 复合酶添加量为70 g/d,泌乳母牛瘤 胃中α-淀粉酶和木聚糖酶活性以及 氨氮浓度增加,牛奶产量、3.5%脂肪校 正乳和能量校正乳的产量均分别显著 提高了2.76、3.10和4.60 kg/d | [95] |
GLOB:球蛋白 globulins ;ALP:碱性磷酸酶 alkaline phosphatase ;T-AOC:总抗氧化能力 total antioxidant capacity;IgG:免疫球蛋白G immuneglobulin G;TNF-α:肿瘤坏死因子-α tumor necrosis factor-α;IL-2:白细胞介素-2 interleukin-2;GLU:葡萄糖 glucose ;TP:总蛋白 total protein;ALB:白蛋白 albumin。 |
4 小结
近年来,随着畜牧业快速发展,饲料资源的需求持续攀升,养殖源污染的形势日益严峻,促使饲粮配方技术向节粮、绿色、高效方向发展。植酸磷是植物性饲料中磷的主要存在形式,但其在单胃动物胃肠道难以被有效消化,且会与矿物质和蛋白质结合,降低营养物质的生物利用度。本文综述了PA与矿物质和蛋白质的螯合机制以及从不同方面提高植酸磷利用率的方法,主要包括LPA作物育种与改良,β-葡聚糖酶、木聚糖酶和植酸酶转基因猪培育,蒸煮、高温高压和浸泡发芽等物理、化学方式对原料预处理,饲料外源添加酶制剂等方式。目前,LPA作物和转基因动物品种尚未广泛推广,蒸煮、高温高压和浸泡发芽等方式受传统的加工设备限制尚未产业化应用,主要依赖于植酸酶等酶制剂和多种复合酶制剂组合使用提升动物生产性能。尽管以植酸酶为代表的酶制剂研发与应用已有大量报道,但现有技术对PA的降解效率仍有待进一步提高。如何结合原料的预处理工艺、菌酶协同发酵、饲用复合酶制剂添加等方式,最大限度提高饲料中植物来源磷的利用效率,这对养殖源磷污染排放控制十分重要。