植酸酶

X X 大学题目：植酸酶姓名 XX 学号XXXXXXXXX学院生命科学学院年级专业 2012级微生物课程名称发酵工程调控任课教师 XX植酸酶生命科学学院20XX级研究生摘要：文章介绍了植酸酶分类和来源，以及现阶段植酸酶在饲料、食品、酒精、环境保护方面的应用，其中在饲料中的广泛应用给植酸酶的发展带来了良好的前景。

植酸酶的生产主要有两种方法：固体发酵和液体发酵，虽然固体培养设备比较简单、成本低、对环境危害小、易于推广，但放大比较困难、培养参数控制较复杂、容易污染杂菌，而且生产的植酸酶分离纯化较难因此目前工业生产主要用液体发酵的方法进行生产。

关键词:植酸酶固体发酵液体发酵培养参数1前言1.1植酸酶的简介植酸的化学名称是肌醇六磷酸酯，是肌醇和磷酸根结合而成的化合物，其化学结构是由六个碳原子构成的正六边形，每个碳原子上连有一个带负电的磷酸根，具很强的螯合能力，与EDTA接近。

植酸的分子式为C6H18O24P6，含磷量为281.6mg/g。

其结构见下图：植酸酶( phytase)属于磷酸水解酶，是催化植酸和植酸盐水解成肌醇和磷酸( 或盐) 的一类酶的总称, 系统名称为肌醇六磷酸酶, 属于磷酸单脂水解酶, 是一类特殊的酸性磷酸酶,水解产物是肌醇、无机磷及其他可能与植酸结合的物质，如钙、锌、镁、锰等微量元素以及蛋白质、淀粉。

1.2植酸酶的分类植酸酶的分类及来源植酸酶主要指 6-植酸酶和 3-植酸酶。

6-植酸酶( EC 3. 1. 3. 26) 首先催化磷酸从肌醇的第六位碳脱落, 3-植酸酶( EC 3. 1. 3. 8) 首先使肌醇第三位碳的磷酸解离, 最终产物都是单磷酸肌醇和正磷酸。

植酸酶有三种来源:动物、植物和微生物, 因来源不同而具有显著不同的分子特征和催化特性。

a 在动物消化道内作用的植酸酶可能来源于：a 小肠内分泌；b 肠道微生物产生；c 饲料中的内源性植酸酶；d 外源微生物产生的植酸酶等。

其中，外源植酸酶在植酸水解过程中起主要作用。

在自然界中，植酸酶广泛存在于动植物组织和微生物中。

b植物植酸酶均属于肌醇六磷酸-6-磷酸酶，存在于大多数禾谷物中，其活性有很大的差异。

而小麦、大麦和经处理的玉米蒸馏物的活性很高。

谷物植酸酶在干燥状态下没有活性，在消化道被激活后才有活性。

C 微生物植酸酶属于肌醇六磷酸-3-磷酸水解酶，自然界中许多微生物都产植酸酶，目前认为产量最高的是真菌，其主要来源于曲霉菌和黑曲霉菌。

1.3 植酸酶的理化性质植酸酶是一种单体蛋白, 其分子量因来源不同差异很大, 一般在 35-700 kD 之间, 包括一个大分子和一个小肽片断。

研究发现无花果曲霉植酸酶有594 个氨基酸残基, 其中包括 37% 的非极性氨基酸、42% 的极性中性氨基酸、11. 5% 的酸性氨基酸和9. 5% 的碱性氨基酸, 其二级结构由 17. 3% 的 A螺旋、29%B折叠、32.6% 的转角和 24. 7% 的无规卷曲所形成。

植酸酶除含有蛋白质外, 还含有约 27. 3%的寡糖, 是一种糖蛋白。

纯化的酶晶体结构包含434 个氨基酸, 115 个水分子和一个硫化物结合位点的二价硫离子。

1.4 植酸酶的市场前景植酸酶的研究从 20世纪 60年代就已开始,但由于对其认识不足, 相对于其他工业用酶发展缓慢, 到 80年代时, 饲料中还几乎不添加任何植酸酶。

随着人们对动物营养学、饲料学研究的深入和集约化养殖的形成, 植酸酶的良好前景得以体现, 同时分子生物学和基因工程技术的发展, 使植酸酶的规模化廉价生产成为可能, 因此在饲料中应用植酸酶发展极为迅速。

大量研究表明, 在猪、禽日粮中添加植酸酶, 每头猪可增加经济效益40~ 50元, 并可使饲料中磷的利用率提高 40% ~60% , 粪便中磷的排出量减少 30% ~ 50% 。

因此在饲料中添加植酸酶对提高畜禽业生产效益及降低植酸磷对环境的污染有重要意义。

目前饲料用酶已成为世界工业酶产业中增长速度最快、势头最强劲的一部分, 2006年中国酶制剂产值达 4. 64亿元, 其中植酸酶占 1. 43亿元。

2007年国内植酸酶销售 12 000 t, 销售额达 1. 44亿元 (单位价格降低, 为 12元 /kg), 用于配合饲料 9 300多万t。

到 2010年, 饲料用酶的市场值将达到 10亿美元。

饲料用酶市场迅速扩大的趋势和广阔前景, 吸引了许多研究机构和公司涉足其研究。

目前, 饲用植酸酶等酶制剂在饲料中得到广泛的推广和应用, 其效果已在全世界范围内得到确证。

2 植酸酶的应用2.1在饲料工业中的应用磷是动物体内必需的一种矿物营养元素，在动物生命活动过程中起着重要作用。

然而获取磷的唯一来源是靠饲料，而植物性饲料中的磷绝大部分(60%-70%)以植酸磷形式存在，因单胃动物体内缺乏水解植酸及其盐的植酸酶而难以吸收。

植酸酶将植酸分子上的磷酸基团逐个切下，最终的产物为肌醇和磷酸，因而易于被动物体吸收。

在饲料工业中的应用通过降解植酸盐, 提高饲料中磷利用率, 无机磷的用量可以大幅度降低, 甚至可以完全被替代; 植酸酶有促生长作用2.2在食品工业中的应用人的小肠中, 植酸酶活性极低, 难以利用植酸盐。

用食品级的植酸酶处理粮食, 可以减少植酸对微量元素如铁、锌的螯合, 提高粮食的营养价值。

利用植酸酶作为面包改良剂的研究表明, 在面包发酵期添加植酸酶可以显著改善面包的品质, 并且缩短发酵时间。

植酸酶降解植酸提高了面包的营养, 同时植酸酶的添加使内源性A- 淀粉酶活性增高, 可以替代A- 淀粉酶的添加。

2.3在环境保护中的应用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, 刺激藻类及其它地面水生植物生长, 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。

在食品和饲料中添加植酸酶, 可减少粪便排泄物中磷含量, 从而减少环境高磷所造成的污染, 尤其是在水体中的含量, 有利于保护生态环境。

2.4在酒精工业中的应用植酸酶可促进发酵、提高酒精产量、减少杂质生成，并能显著降低蒸馏清液和酒糟中的植酸含量。

2.5 其他方面应用利用植酸酶降解米糠等农副产品中的植酸( 盐) , 可以生产肌醇或肌醇磷酸盐等产品。

这一应用正成为新的研究热点, 我国已有学者对此进行了初步的研究。

3 植酸酶的生产及工艺调控3.1 植酸酶的生产菌种植酸酶广泛存在于自然界中，在植物、微生物中均有发现。

早在1907 年Suzuki等就在谷糠中发现了具有植酸酶活性的磷酸酶，据报道，小麦、水稻、豆类、玉米及大麦等多种植物都能产生植酸酶，但植物中植酸酶含量极低。

为提高植酸酶的应用价值，人们将研究重点转向了酶含量较高的微生物来源的植酸酶。

自然界中产植酸酶的微生物种类繁多，细菌、酵母、霉菌都分泌一定量的植酸酶，其中对黑曲霉（As－pergullus niger）的研究报道较多。

张卫兵等从100 多个样品中，分离、筛选出一株高产植酸酶的黑曲霉菌株，在30 ℃摇瓶发酵 4 d 时酶活达到6105.5 U/ml，所获酶的最适温度为45 ℃、最适pH 值为5。

杨燕凌筛选出产植酸酶的黑曲霉菌株 A. niger FZ41，液体发酵最高酶活可达219 U/ml。

为开发水产养殖用植酸酶，李朝霞等开展了中性植酸酶高产菌株的筛选及产酶条件研究，以地衣芽孢杆菌为原始出发菌株，用紫外线反复诱变，最终获得一株中性植酸酶高产菌株Bacillus licheniformis LL8，在55 ℃、pH 值为7.5 条件下培养30 h 后，中性植酸酶活力最高达到2268.4 U/ml。

植酸酶在天然材料中含量较低，生产成本高。

虽然Ware 和Shiech 在1967 年已提出在单胃动物的饲料中添加植酸酶，但在相当长的时间内并没有得到广泛的推广应用。

基因工程技术的发展，为解决这一问题提供了有效途径。

1990 年德国BASF 公司率先利用基因工程技术构建植酸酶基因工程菌，与天然植酸酶产生菌株相比，大幅度提高了酶的表达量，大大降低了植酸酶的生产成本。

目前工业化生产所用的菌株都以植酸酶基因工程菌为主。

3.2 植酸酶的固态发酵生产固体发酵法是以麸皮、玉米淀粉、黄豆饼粉等农副产品或加工废弃物为主要原料,拌入种曲后，装入盘或帘子上，摊成薄层(厚约 1 cm)，在一定温度和湿度下进行发酵。

其主要特点是发酵体系没有游离水存在，微生物是在有足够湿度的固态底物上进行反应，发酵环境接近于自然状态下的微生物生长习性，产生的酶系更全，投资低、能耗低、操作简易、回收率高、产生的环境污染少，尤其适于饲料用植酸酶的生产。

褚西宁等从发霉植酸钠溶液中分离到一株产植酸酶的变灰青霉（penicillium canescens）P4，在以添加 4%(NH4)SO4、1%葡萄糖、1.52倍水的麸皮、玉米面、黄豆饼粉（7： 2： l）培养基中，28 ℃恒温培养 6 d 后，植酸酶活性可达 3.12 U/g 干曲。

陈红歌等以麸皮作为主要培养料，添加 NHCl4（1.15%）和蛋白胨（3%），加水比例为 1： 1，28 ℃培养 84 h，根霉 R01 固态发酵生产植酸酶，酶活达到 7852 nmol（/min·g）干曲。

韩建春等以黑曲霉AS3.4309 为出发菌株，采用紫外线和EB 的复合诱变获得植酸酶高产菌AS3.4309-12，并确定了最佳固态发酵条件：发酵温度 30 ℃，玉米面和麸皮比例4： 6，起始 pH 值 5，培养基水分 51.3%，液体种子接种量 5%，发酵时间 108 h，发酵酶活可达 280 U/g 湿基。

刘玲玲等以纳豆芽孢杆菌 JSU-2 为试验菌株，运用响应面法对其产植酸酶的条件进行优化，确定最佳产酶发酵条件为：麸皮粒径 3 mm、麸皮与水的比例为 1：9.6、接种量为 31 ml 和培养时间为 25 h，酶活达 595U/g 麦麸。

稻草、米糠、榨油后的油饼（如椰子油饼、芝麻油饼、棕榈油饼、花生油饼）等也是微生物固态发酵生产植酸酶的良好基质。

汪世华等以稻草和米糠为主要基质，确定了绿色木霉 LH374 固态发酵的最佳条件为：稻草和米糠的比例为 8： 2，起始 pH 值为 6.5，培养温度为 30 ℃，培养时间为 96 h，含水量为 60%，硫酸铵的添加量为 2%，在最适条件下生产植酸酶平均可达1580 U/g。

Ramachandran 等以 Rhizopus oligosporus为试验菌株，利用榨油后的油饼（如椰子油饼、芝麻油饼、棕榈油饼、花生油饼）为基质固态发酵生产植酸酶。

确定最适基质为椰子油饼，酶活达 30.1U/gds，其次是芝麻油饼，酶活为 28.9 U/gds。

在椰子油饼和芝麻油饼以1： 1的比例混合的基质中，酶活可达 35 U/gds。