植酸酶在甲壳动物饲料中的应用

    高滨　赵聚萍　戚传利　王福强

    

    摘 要：从生长、营养物质消化率、酶活性等方面阐述了植酸酶应用于水产饲料中对甲壳类动物的影响，为饲料行业植酸酶制剂的添加提供参考。

    关键词：植酸酶；甲壳动物；饲料应用

    目前水产养殖业和饲料工业普遍面临饲料安全问题、环境污染问题和饲料成本上涨问题，近年，用豆粕等植物蛋白替代饲料中动物蛋白的研究报道较为广泛。相对而言，植酸及其盐类复合物在植物原料中存在较多，这势必影响水产动物对营养物质的消化利用。在水产饲料中添加外源酶制剂促进动物生长、减少污染物排放已经是很普遍的作法。饲料酶制剂是唯一能在不同程度同时影响水产养殖和饲料工业可持续发展的饲料添加剂。

    植酸（即肌醇六磷酸）因为带有极强的阴离子电荷[1]，所以具有强大的络合阳离子的能力，它不但可以与植物中钙、镁、锌、钾等矿物质元素结合，形成不溶性盐类；还可以络合蛋白质，抑制消化酶，如胃蛋白酶、α-淀粉酶和胰蛋白酶的活性。植酸酶是催化植酸及其盐类水解为肌醇和磷酸的一类酶的总称，它能将植酸分子上的磷酸基团逐个切下，形成终产物——肌醇和磷酸[2]。为人熟知的催化植酸降解的酶主要有两类：3-肌醇六磷酸酶和6-肌醇六磷酸酶。前者是从微生物中获得的，后者主要存在于小麦等谷物中。

    植酸酶越来越广泛地应用于水产中。资料研究证明植酸酶可分解植酸，释放饲料中的磷、钙、镁等元素[3]，使磷和其他营养物质得以有效利用。其在鱼类中的应用已有广泛的研究，本文参考国内外学者研究，力图为植酸酶应用于水产甲壳动物饲料中对动物营养消化的影响作比较系统的综述。

    1 植酸酶在甲壳动物中的作用机理

    植酸酶属于磷酸单脂水解酶，可以依次切断磷酯键[1]，分解植物的细胞壁或者果实种子中的植酸，使不能被利用的磷变为可利用的磷。植酸酶同时也可以断裂蛋白质与植酸之间的化学键，释放蛋白质，提高蛋白质的利用率。植酸酶可以降解植酸盐，释放被植酸络合的金属阳离子，如Zn2+、Cu2+、Fe2+等，提高动物对某些微量元素的利用。

    2 植酸酶在甲壳动物中的应用效果

    2.1 对磷的利用率的影响

    磷参与能量转换，是机体骨骼的重要组成部分，钙磷摄入量不足会引起骨骼松软等病症。然而水中磷含量极低，水产动物须从饵料中摄入磷来维持新陈代谢，满足机体生长需要[4]。然而饲料中过量的或者难被动物利用的植酸磷的存在会造成排泄物中磷含量的过高，造成水体污染。植酸酶在水产饲料中的最重要应用之一就是分解饲料中的植酸磷，降低饲料中磷含量，为动物的正常生长提供可利用的磷，降低粪便中磷的排泄。

    水生动物对无机态磷的消化率与其溶解度有关，即溶解度越高，消化率越高；而对植物性饲料中以植酸磷形式存在的磷，利用率一般不超过30%。在配合饲料中添加适宜的植酸酶能促进甲壳动物的生长，提高植酸磷的利用。周萌等[5]在南美白对虾半精制饲料中添加植酸酶，添加1 000 FTU/kg和2 000 FTU/kg植酸酶组的总磷消化率分别为54.69%和54.89%，比对照组相对提高了5.3%和5.7%；同时，添加2 000 FTU/kg组的粪便磷含量最低，磷排泄降低了7.84%，说明添加植酸酶能降低水体中磷的含量，减轻水体污染。添加一定量的植酸酶，虽然没有显著改善斑节对虾的氮排泄但是对磷的排泄却有显著作用，水中磷含量相比对照组减少了约17%[6]。磷的表观消化率、粪便中磷含量以及水体中磷含量是评估饲料磷利用率的最重要的指标。实验研究说明植酸酶的添加会降低动物磷的排泄，提高其利用率，利于水体的维持。Frank Liebert等对尼罗罗非鱼进行了实验，结果发现日粮添加植酸酶B或者A组的尼罗罗非鱼粪便中植酸磷的排泄量均显著减少，添加植酸酶A组的鱼肝脏食糜中植酸磷浓度降低[7]。另外，添加植酸酶组饲料中磷的消化率都有极显著的提高（P<0.01）。这是由于植酸酶分解植酸，使植酸磷变成甲壳动物可利用的磷，提高了饲料中磷的利用率，减少了粪便中磷的含量。有实验报道，饲料中添加1 000 FTU/kg的植酸酶与添加0.85%～1.28%的磷酸二氢钙的效果相当[8]。

    2.2 对生长的影响

    植酸酶的添加对甲壳类动物增重、特定生长率及存活率没有显著正面效果。Pradyut Biswas研究发现饲料中添加植酸酶组的斑节对虾与未添加组相的体增重、饲料系数和饲料效率没有显著差异[6]。陈新宇等研究证明饲料中添加500～2 000 FTU/kg植酸酶对凡纳滨对虾增重率、存活率和饲料利用无显著影响[9]。曹露等研究发现添加植酸酶对日本沼虾成活率没有显著影响，但是添加500 FTU/kg植酸酶组沼虾的增重率与特定生长率显著高于正对照组[10]。

    2.3 对蛋白质利用率的影响

    从理论上讲，植酸酶水解植酸释放出磷的同时，可将与植酸络合的蛋白质释放出来，便于消化道分泌的各种蛋白酶作用，同时植酸酶的添加可以解除植酸与内源性蛋白酶结合提高蛋白酶活性，提高蛋白质利用率（宋金彩等）[11]。Jongbloed（1998）的试验表明在蛋白质与植酸沉淀形成后，加入胃蛋白酶和植酸酶，沉淀消失速度比单独加入胃蛋白酶快得多[12]。外源酶制剂对甲壳动物生长性能及内源酶活性的影响早已经有所报道。目前国内外对植酸酶制剂在甲壳动物饲料中的添加应用较少。周萌等人在南美白对虾实验中发现添加1 000～3 000 FTU/kg植酸酶蛋白质消化率均比对照组高[5]。

    2.4 对其他营养物质利用的影响

    植酸螯合阳离子，降低营养元素的消化率。植酸酶可以切断植酸与矿物离子间的化学键，释放出矿物元素，如铁，镁，钙，锌等，使这些营养元素的利用率提高。这一理论在鱼类实验中得到普遍印证。白东清等对添加植酸酶的饲料进行不同温度处理，研究其对鲤钙磷营养物质利用率的影响，发现：与对照组相比添加植酸酶可以使钙的利用率提高132%以上[13]。向虹鳟饲料中添加植酸酶能提高矿物质的表观消化率[14]。饲料中添加植酸酶可以使斑节对虾肌肉中甘油三酯含量显著降低。

    对凡滨对虾[9]和日本沼虾[10]研究发现：植酸酶对虾体成分的水分、粗蛋白、脂肪、灰分、总钙和总磷含量都没有显著影响。在斑节对虾实验[6]中也发现相同结论：虽然添加1 500 U/kg植酸酶组的虾壳灰分含量高于对照组，但是整体而言植酸酶对青虾虾肉灰分与虾壳灰分没有显著影响。彭刚等发现植酸酶向饲料中的添加不能影响青虾虾肉及虾壳粗灰分的含量[15]。这可能是因为虾类的消化系统比较简单，食物在体内存留时间太短，以至于营养物质难以充分吸收；或者植酸对虾类的生长没有什么有害的影响，所以添加或者不添加植酸酶虾类都同样生长。斑节对虾[6]各实验组间肌肉中脂肪酸组成差异很大，但是植酸酶的添加并未对饱和脂肪酸或者单不饱和脂肪酸造成显著的影响。

    2.5 对酶活性的影响

    植酸可以与带碱性基团的蛋白质络合，抑制消化酶活性，如胃蛋白酶、淀粉酶和胰蛋白酶的活性；而添加植酸酶后可释放与其结合的消化酶，从而提高消化酶的活性。曹露研究发现与不添加植酸酶和磷酸二氢钙的试验组相比，饲料中添加1 000、1 500 FTU/kg植酸酶试验组显著高了日本沼虾肝胰脏蛋白酶活性10.47%和11.3%；与添加了磷酸二氢钙的试验组相比，添加l 000、1 500 U/kg植酸酶试验组肝胰脏蛋白酶活性分别提高了4.82%和5.61%（P<0.05）[10]。可以看出，添加植酸酶可以使日本沼虾肝胰脏蛋白酶活性呈上升趋势。对鱼类的研究也有类似的结论，马恒甲研究结果显示当植酸酶添加水平大于1 000 U/kg时，草鱼肝胰脏和肠道中蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶活性都明显增强[16]。姚瑞清等发现添加1 000 U/kg植酸酶显著提高了奥尼罗非鱼肠道蛋白酶与淀粉酶活性[17]。

    3 植酸酶在水产甲壳动物中应用的注意事项

    3.1 植酸酶活性受作用环境影响

    特定的酶对pH、温度等作用条件有特定的要求，而且带正电荷的金属离子或络合物等也会影响酶活性。Mikio SHIMZU[18]研究报道从Bacillus subtilis（natto）提取的植酸酶在pH为6～6.5，60 ℃条件下酶活性最高，而且EDTA、Zn2+、Cd2+、Ba2+、Cu2+、Fe2+、Al3+等化学试剂或特定金属阳离子离子会极大地抑制其活性。

    为确保植酸酶的活性，可以采用对酶包膜的方法抑制植酸酶在海水中的溶失及与阳离子的直接接触。同时，饲料的制粒过程一定要确保低温，防止酶不可逆性失活。再次，要根据动物消化道内酸碱度选择合适种类植酸酶，以期达到最大的效益。

    3.2 最适添加量

    在水产甲壳动物植酸酶添加效果的研究中，最适添加剂量大约是500～1 000 FTU/kg。水温18～28 ℃，饲料中添加1 000 IU/kg植酸酶即能有效改善南美白对虾的生长和磷利用率，降低磷排泄[5]。在水温（27±2.0） ℃的条件下，WGR和SGR以添加500 FTU/kg植酸酶的试验组显著高于正对照组。添加植酸酶500 FTU/kg于饲料中可以显著降低磷排泄，提高磷的利用率[6]。在35 ℃以内植酸酶的活性一般是随温度的上升而上升的，所以养殖环境温度的差异会导致植酸酶的最适添加量不同。不同种类的水产动物对营养物质有不同需求量，同种动物处于的生长时期不同对营养的需求也是有差异的，饲料组成的差异也是影响植酸酶添加效果的重要因素，所以实验研究得出的最适添加量难免不一致。在鱼类的研究中也是得出如此结论。但饲料中豆粕等植物蛋白原的添加量增加势必会要求植酸酶的添加量上升。在鱼类饲料中添加豆粕的研究表明，植酸酶添加量大约在250～1500 FTU/kg[12]。

    4 植酸酶在水产甲壳动物中的应用展望

    植酸酶替代无机磷在水产饲料中的应用已经有广泛而比较统一的研究结论，但是它降解抗营养因子植酸后有效提高蛋白质、氨基酸和能量利用率的作用目前还尚未有统一结论。有在对虾类的研究中发现钙磷的吸收是相互影响的，但是此方面的研究尚少。甲壳类对配方中蛋白质和氨基酸的需求比能量的需求更重要，应该加强植酸酶对蛋白质和氨基酸的潜在营养价值方面的研究，为植酸酶在甲壳类饲料中的进一步应用提供理论依据。近年，随着生活水平的提高，人们对于食物的口感及营养价值要求更高，植酸磷的添加是否会对甲壳动物肉体的氨基酸比例及含量有很大的影响，是否影响脂肪的含量等关乎口感及营养价值方面还有待加强。

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    （收稿日期：2015-02-02）