菜籽粕植酸生物降解和脱毒的研究进展

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  [摘要] 利用微生物发酵饲用菜籽粕脱除抗营养因子成为开发蛋白饲料资源热点,该文对生物降解菜籽粕植酸机理及近年国内外生物脱毒研究进行综述。
  [关键词] 菜籽粕植酸生物脱毒
  [Abstract] Removing of antinutritional factors by microbial fermentation becomes hot spot of exploiting resources of protein feed.This paper provides an overview of bio—degradation mechanism of Phytic acid and research progress on biology detoxication from home and abroad.
  [Key word] rapeseed mealPhytic acidbiology detoxication
  
  
  我国是油菜籽生产第一大国,每年产菜籽粕700万吨[1],但由于含有硫甙、植酸、单宁等抗营养物质限制了其在饲料中的添加量。目前,人们对菜籽粕脱毒的研究多集中在对硫甙的降解,而忽略了植酸的抗营养作用,本文系统阐述去除菜籽粕中植酸的方法,为更合理加工菜籽粕提供参考。
  植酸(Phytic acid)学名环已六醇磷酸酯(肌醇六磷酸)。普遍存在于植物性饲料尤其是油料饼粕中,且各种油粕中,菜籽粕中植酸含量最高,为3%~6%,是其重要的一种抗营养因子。植酸及其植酸盐是磷在植物籽实中存在的主要形式,植酸磷因其带有负电荷,具有很强的螯合能力,能与许多阳离子,Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+、Mn2+等形成不溶性復合物,从而影响上述金属离子的消化吸收和利用。
  1.植酸结构
  国外从19世纪60年代就开始认识该物质,但直至进入20世纪后才对它的研究有了一些新的进展。Posternak(1900—1905)首先从谷物种子中提取并纯化了植酸,并对其物理、化学特性进行了研究。Anderson在1912年提出了它的分子结构,植酸分子式C6H18O24P6(见图1),分子量660,分子由一个肌醇分子结合了六个磷酸基团组成,简称IP6。1914年Posternak和Henhner建立了分析植酸的铁沉淀法;1919年Posternak已能在实验室内成功地合成植酸;1921年与1925年Mellanby首次报道了植酸对动物营养的影响,此后植酸的抗营养效应逐渐引起了人们的关注与重视。
  
  图1 植酸的结构式
  2.菜籽粕中植酸的抗营养机制
  大量研究表明,植酸本身毒性很小,但在饲料被畜禽采食后,能影响畜禽特别是猪鸡等对矿物质元素和蛋白质的吸收。抗营养机制如下:
  2.1降低饲料中矿物质元素的溶解度
  植酸在很宽的pH范围内均带负电荷,是一种很强的螯合剂,一方面它本身贮存的矿物质元素磷,虽然可以高达自然状态该饲料中总磷量的60%以上,但这些植酸磷却极难被非反刍动物所消化吸收。大量研究表明:在各类油料饼粕中大约有60—70%的磷由于结合在植酸中,难以被畜禽所利用,而在谷物饲料中则有90%的磷也因上述原因而不能被利用。根据1984年美国NRC资料,几种常用饲料原料中磷的利用率列于表1中:
  表1几种常用饲料原料中磷的利用率%
  原料 总磷 植酸态磷 磷的利用率%
  玉米
  大豆粕
  小麦
  菜籽粕 0.28
  0.62
  0.37
  1.02 0.18
  0.38
  0.26
  0.81 36
  39
  30
  26
  
  通常可以笼统地说,家禽只能利用菜籽粕中三分之一的磷。
  另一方面,由于植酸的强螯合作用,它能牢固地螯合带正电荷的锌、钙、铜、镁、锰、锗、铁等二价或多价金属离子,形成难溶性植酸盐螯合物,该类型螯合物必须在消化道内经植酸酶水解成无机盐形式才能被利用,非反刍动物尤其是单胃动物消化道内缺乏植酸酶,因而植酸降低了这些矿物质元素的利用率,从而明显降低了他们的生物效能。实验证明,在pH3-4时,植酸锌、植酸钙等植酸盐络合物的溶解度极差,几乎不能被畜禽所吸收。
  2.2降低饲料蛋白消化利用率
  植酸也能有效地螯合蛋白质分子,在低于蛋白质等电点的pH介质条件下,生成植酸—蛋白质二元复合物,而在高于蛋白质等电点的介质下,则以上述金属阳离子为桥生成植酸-金属阳离子-蛋白质的三元复合物,这些复合物的形成,不仅使蛋白质的可溶性明显下降,大大降低蛋白质的生物学效价和消化率,而且还影响蛋白质的一些功能特性,除此之外,植酸及其不完全水解产物还能抑制蛋白质水解酶、淀粉酶和、脂酶等一系列水解产物消化酶的活性,严重影响畜体的正常代谢与生殖能力。因此动物食用高植酸含量的饲料后,常常表现出厌食、消瘦,生长繁殖机能衰退,以及蛋白质吸收消化能力降低等同时表现出一些矿物质元素的缺乏症[2-3]。。
  此外,未被动物体利用的大量植酸磷排出体外,造成磷的浪费,排出体外的磷进入土壤和水中,造成环境污染。因此菜籽粕中存在的植酸对动物而言是一种抗营养因子。
  3.植酸生物降解机制
  植酸由一个肌醇分子结合了六个磷酸基团组成,简称IP6。但所结合的六个磷酸基团并不十分稳定,在一定的条件下可以逐步发生水解而失去。如IP6失去一个磷酸基团就成为IP5(肌醇五磷酸酯),失去两个磷酸基团就成为IP4,继续下去就是IP3、IP2、IP1,直至六个磷酸基团全部失去就成为肌醇。IP6对金属阳离子的螯合能力最强,IP6一旦发生降解,其对金属阳离子的螯合能力就会随降解程度逐步减弱直至消失。
  3.1 植酸降解途径
  植酸的降解主要取决于植酸酶,它将植酸降解成肌醇和无机磷,这种反应可在消化道内发生也可在饲料被采食前发生。在猪和禽的消化道中可能有4种水解植酸盐的植酸酶来源,分别为:(ⅰ)消化道分泌的小肠植酸酶;(ⅱ)存在于一些饲料原料中的内源性植酸酶;(ⅲ)定居于宿主肠道的细菌产生的植酸酶;(ⅳ)外源性微生物产生的植酸酶。不同来源植酸酶作用机理有所不同[4]。微生物来源的植酸酶(3-磷酸酶,EC3.1.3.8)首先在C3位点水解植酸,3-植酸酶的作用机理:植酸→D-1,2,4,5,6-五磷酸肌醇→1,2,5,6-四磷酸肌醇→1,2,6-三磷酸肌醇→1,2-二磷酸肌醇→2-磷酸肌醇。而植物来源的植酸酶(6-磷酸酶,EC3.1.3.26)首先在C6位点水解植酸,6-植酸酶的作用机理:植酸→D-1,2,3,4,5-五磷酸肌醇→1,2,3,5-四磷酸肌醇→1,2,5-三磷酸肌醇→1,2-二磷酸肌醇→2-磷酸肌醇。
  3.2 影响植酸酶促降解反应的影响因素
  影响植酸酶促降解反应的影响因素很多,如日粮中Ca和有效P的水平、日粮维生素D3水平、有机酸、外源植酸酶的添加量、温度、pH值等等。研究表明曲霉(Aspergillus)来源的植酸酶,比小麦来源的植酸酶的每单位活性更有效,可能是因为其最佳pH值不同而致。Maenz(1995)试验表明鸡小肠膜有植酸酶活性,而且这与异性磷酸酶无关,同时报导在最佳pH,至少2种不同的酶与小肠植酸酶活动有关。刘军(2009)菜籽粕中直接添加植酸酶,研究得出植酸酶酶解的优化条件为温度45℃、pH值4.7、反应时间90min[5]。
  4.菜籽粕中植酸的生物脱毒
  国外对菜籽粕中植酸的去除多采用化学试剂浸泡去除[6-8]和超滤滤除[9],近年来人们开始采用添加植酸酶的方法[10-11]和微生物发酵脱毒去除植酸。
  4.1 添加外源性植酸酶法
  目前将外源性植酸酶添加到动物日粮,从动物消化道去除菜籽粕中的植酸,效果较好,成为较为有效的途径。植酸酶是一种新型饲料添加剂,它能降解饲料中的抗营养因子植酸,并释放出无机磷及与植酸结合的蛋白质、微量元素等,减少磷资源的浪费,提高饲料的营养价值,从而显著降低饲料生产成本并有效避免了一系列的环境及资源问题。国内外的许多研究已证实,在猪、肉种鸡、产蛋鸡日粮中添加植酸酶可以改善含有高水平植酸态磷的植物性饲料原料中磷的利用率。Nelson以含有曲霉(Aspergillus)的制剂添加到玉米菜粕型基础日粮中,发现改善了鸡对磷的利用率,这可能是首次用外源性微生物植酸酶来水解日粮植酸盐。美国学者研究表明,在双低菜籽粕日粮中添加10OOIU植酸酶,可使生长猪的磷真消化率大幅提高,由34%增加到78%。蔡景义(2009)研究表明当植酸酶添加量为945u/kg时,菜籽粕中植酸磷消化率达到最优;菜籽粕总磷消化率随植酸酶添加量的增加而增加[12]。刘军(2009)在菜籽粕中直接添加外源酶制剂植酸酶,能够有效地降低菜籽粕中植酸的含量,从而证明用酶制剂直接处理菜籽粕,去除其中的抗营养因子—植酸是可行的[5]。
  4.2 微生物发酵脱毒法
  微生物发酵法去除菜籽粕中抗营养因子植酸已经成为目前的研究热点。在很多细菌、酵母和真菌中均发现微生物植酸酶,但是在子囊菌类、真菌的曲霉(Aspergillus)的培养基中检出频率最高。Lopes(1983)发现16种乳酸发酵物中含有产植酸酶的菌种,说明乳酸菌具有降解菜籽粕中植酸的能力。孫林(2008)以普通菜籽粕为原料,选用枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、植物乳酸菌及酪酸梭状芽孢杆菌多个菌种,通过单菌与混菌发酵,研究发酵对菜籽粕中植酸含量的影响,结果表明,单菌发酵中枯草芽孢杆菌对植酸降解效果优于其他菌种,其降解率可达62.4%;混菌发酵效果优于单菌发酵,当混菌接种量分别为枯草芽孢杆菌6%,蜡样芽孢杆菌4%,植物乳酸菌6%,水料比为1.3:1,pH 6.9,30℃发酵48h时,菜籽粕植酸含量从2.26%降至0.221%,降解率达90.15%,粗蛋白含量提高5.19%[13]。陈娟(2010)为降低菜籽粕中的植酸,改善菜籽粕的品质,探讨了微生物对菜籽粕中抗营养因子的降解作用,结果表明:白地霉、产朊假丝酵母、黑曲霉和热带假丝酵母四菌种组合发酵能较好地提高菜籽粕作为饲料蛋白的品质,且植酸降解率达43.9%[14]。
  微生物脱毒法特点是条件温和、干物质损失小、植酸降解彻底、脱毒效果好,且能提高菜籽粕中蛋白含量和质量,可同时对多种抗营养因子进行脱除,从而改善菜籽粕饲料效价,不失为当前降低菜籽粕毒性最有效方法。
  5.展望
  今后菜籽粕脱毒技术发展趋势将会如下:(1)生物脱毒将与物理化学法脱毒联合使用。 (2)遗传学方法用于菜籽粕脱毒。培育出“双低”菜籽粕,从根本上解决油菜籽抗营养因子。 (3)菜籽粕生物脱毒对多种抗营养因子进行联合脱毒,筛选出复配菌种除了对植酸有降解作用,还要对硫甙、芥子碱、单宁和粗纤维有一定降解作用,同时还要对蛋白含量提高有一定效果,这对脱毒复配菌种提出更高要求,目前这类研究相对较少
  参考文献:
  [1]李云峰. 近年来我国蛋白粕的供需情况及2008年前景展望[J].农业展望,2008,4(2):18-21.
  [2]Liener, I.E. Implication of antinutritional components in soybean foods. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, Boca Raton, 1994. 34(1):31-67.
  [3] Guggenbuhl P, Nunes C S. Effect of two phytases on the ileal apparent digestibility of minerals and amino acids in ileorectal anastomosed pigs fed on a maize-rapeseed meal diet[J]. Liverstock Science, 2007,109:261-263.
  [4]魏宗友,徐柏林等.植酸酶在动物生产中最新研究进展[J]. 广东饲料, 2010, 5: 21-24.
  [5]刘军 冯志平 王娟娟 菜籽粕中抗营养因子植酸酶解条件的研究[J].粮食与饲料工业,2009,1,31-32.
  [6]严奉伟,吴谋成等.菜籽粕综合提取工艺研究[J].农业工程学报,2004,20(2):209-212.
  [7] PARK W W,MATSUI T.Formaldehyde treatment suppresses ruminal degradation of phytate in soyabean meal and rapeseed meal[J].The British Journal of Nutrition,1999,81(6):467—471.
  [8]WU Moucheng,LI Xiaoding.Study on removal of glucosinolates,tannis and phytates from rapeseed meal[J].Intemational Symposium on Rape seed Science,2001,10:292-298.
  [9] SlY R D.Preparation of low-phytate rapeseed protein by ultratiltration the aqueous extraction of 0hytate from de-oiled rapeseed meals[J].J Am Oil Chem Soc,1982,59 ,191-194.
  [10]张妮娅,齐德生.添加酶制剂改善“双低”菜籽粕营养物质及能量代谢的研究[J].中国粮油学报,2004,19(5):69-74.
  [11] SHIM Y H,CHAE B J.Effects of phytase and carbohydrases supplementation to diet with a partial replacement of soybean meal with rapeseed meal and cotwn seed meal on growth performance and nutrient digestibility of growing pigs[J].Asian -Australasian Journal of Animal Sciences,2003,16(9):1339-134.
  [12]蔡景义,生长猪添加植酸酶对植物性蛋白饲料磷消化率的影响研究[J], 中国饲料, 2009, 6:27-29.
  [13]孙林,李吕木等. 多菌种固态发酵去除菜籽粕中的植酸[J]. 中国油脂,2008,33(8),60-63.
  [14]陈娟,刘军,等. 微生物降解菜籽粕中抗营养因子的研究[J].粮食与饲料工业,2010,7,40-42.
  作者简介:
  刁欢(1982- ),女,硕士研究生,研究方向:蛋白质饲料。
  项目来源:
  安徽新华学院校级科研课题,项目编号2009zr008
  
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