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植酸酶在食品工業(yè)中的應用

文章來(lái)源:惠合膠體磨研磨設備廠(chǎng) 發(fā)布日期:2015-10-20 09:10:54作者:admin 點(diǎn)擊次數: 次
摘要：植酸酶又稱(chēng)肌醇六磷酸酶，可以分解肌醇六磷酸，而后者是植物體內主要的磷酸儲存形式。
在動(dòng)物的飼料中加入微生物植酸酶來(lái)取代無(wú)機磷酸鹽飼料，有助于減少單胃動(dòng)物磷的排泄。應用植酸酶可以減少高達 50 %的磷的排泄，很明顯這對環(huán)境保護是非常有利的。植酸酶添加劑有助于提高礦物質(zhì)和微量元素的利用率，植酸酶不僅可用作動(dòng)物飼料添加劑，同樣可用于食品添加劑。目前在這一領(lǐng)域的研究主要集中在提高礦物質(zhì)吸收和改善食品加工技術(shù)上。幾乎所有的植酸酶產(chǎn)品都是通過(guò)微生物發(fā)酵獲得。近十年，研究人員發(fā)現了大量的植酸酶。利用轉基因植物生產(chǎn)植酸酶的研究業(yè)已起步，關(guān)鍵是由發(fā)酵液中成功提取出所需產(chǎn)品。植酸酶產(chǎn)品在動(dòng)物和人類(lèi)營(yíng)養方面有非常廣泛的應用。1991 年第一個(gè)植酸酶產(chǎn)品上市，當時(shí)市場(chǎng)的前景在 15 000 萬(wàn)歐元。
植酸酶可以分解植酸（ 即肌醇六磷酸），植酸是植物體內磷酸鹽和肌醇的重要儲存形式。對于單胃動(dòng)物來(lái)說(shuō)植酸是抗營(yíng)養因子，可以顯著(zhù)降低蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和能量等多種養分的可利用率。植酸是一種聚陽(yáng)離子螯合劑，可以和動(dòng)物體內比較重要的二價(jià)陽(yáng)離子形成復合體，如 Ca2+、 Mg2+、Zn2+、Cu2+、Fe2+和 Mn2+。所形成復合體鹽的穩定性主要決定于陽(yáng)離子的種類(lèi)、濃度及 pH 值，植酸也可以與蛋白質(zhì)或氨基酸在酸性或堿性環(huán)境下形成復合體。
植酸酶是一類(lèi)在體外能將肌醇六磷酸（ 植酸）分解成肌醇單磷酸至肌醇五磷酸的一種酶。國際純粹化學(xué)和應用化學(xué)聯(lián)合會(huì ) - 國際生物化學(xué)聯(lián)合會(huì )將植酸酶分為兩類(lèi)，即 3- 植酸酶（ EC3.1.3.8）和 6-植酸酶（ EC3.1.3 28）。3- 植酸酶從 3- 位開(kāi)始將六磷酸肌醇降解為磷酸肌醇及正磷酸；6- 植酸酶是從6- 位開(kāi)始將植酸降解，最終產(chǎn)物都是單磷酸肌醇（ 2- 磷酸肌醇）和正磷酸。
植酸酶廣泛存在于動(dòng)植物組織及一些真菌和細菌中。據報道動(dòng)物植酸酶存在于哺乳動(dòng)物的小腸及脊椎動(dòng)物的紅血球和血漿原生質(zhì)中，在鳥(niǎo)類(lèi)、爬行動(dòng)物及魚(yú)類(lèi)中也存在。在植物如小麥、大麥、淀粉中都含有豐富的植酸酶。與動(dòng)植物植酸酶相比，微生物植酸酶酶系比較復雜，因此許多科研工作都集中在微生物植酸酶方面，尤其是對來(lái)自纖維狀真菌如煙曲霉等植酸酶的研究。
近年來(lái)，由于植酸酶在天然材料中表達水平低，造成植酸酶難以大量生產(chǎn)及生產(chǎn)成本過(guò)高的問(wèn)題，利用 DNA 重組技術(shù)構建產(chǎn)酶基因工程菌，高效表達有活性的胞外植酸酶已成為世界范圍內的研究熱點(diǎn)。

1 微生物植酸酶產(chǎn)品
第一個(gè)植酸酶產(chǎn)品商品名為 Natuphos，于 1991年進(jìn)入飼料市場(chǎng)，是由 Gist Brocades 公司(即現在的DSM公司)生產(chǎn)，由 BASF 公司銷(xiāo)售。Natuphos 有粉末、顆粒和液體三種形式。隨后，許多其他產(chǎn)品陸續上市。這些商品化的植酸酶有的是通過(guò)真菌誘變獲得，而大多數是通過(guò)重組基因工程技術(shù)得到。
Gist Brocades 的專(zhuān)利中利用了一種黑曲霉 A. fi-cuum 菌株，他可以過(guò)量表達植酸酶，與野生型菌株相比其植酸酶活性提高了 50 倍。目前，在歐洲被批準作為食品添加劑的植酸酶產(chǎn)品都是由纖維狀真菌重組的菌株生產(chǎn)的。過(guò)去通常是在液體培養基中發(fā)酵生產(chǎn)植酸酶，但是現在越來(lái)越多的研究人員報道用固體培養基發(fā)酵生產(chǎn)植酸酶，尤其是使用纖維狀真菌發(fā)酵。

2 轉基因植物表達植酸酶
研究人員試圖利用轉基因植物為表達宿主生產(chǎn)植酸酶。轉基因植物含有較高的植酸酶活性，可以取代飼料和食品中添加的微生物植酸酶。因此轉基因植物可以看作是生產(chǎn)植酸酶的生物反應器。
Verwoerd 等將黑曲霉 A.niger 的植酸酶 cDNA連同煙草 PR- S 蛋白的信號肽在 CaMV 的 35S 啟動(dòng)子控制下，轉移到煙草中，表達出一個(gè)分子質(zhì)量約為 70kD 的有生物學(xué)活性的蛋白質(zhì)。UlahA.H 等將來(lái)自 Aspergillusfumigatus 的植酸酶 phyA基因轉入苜蓿，在苜蓿葉子中表達了穩定的植酸酶。此外黑曲霉 A. niger 植酸酶的基因 PhyA在大豆、小麥中也已成功表達。
Verwoerd 在轉基因煙草中檢測到了植酸酶， 其中在葉子中表達量最高， 達到可溶性蛋白質(zhì)量的14 %，在煙草的種子中也檢測到植酸酶活性，其表達量為種子可溶蛋白質(zhì)量的 1 %，且儲存在種子中的植酸酶具有很好的熱穩定性，儲存一年也不會(huì )失活。此外，在轉基因大豆中表達的植酸酶與真菌植酸酶的性質(zhì)幾乎完全相同，只是糖基化程度略有不同，但是黑曲霉 A. niger 產(chǎn)生的植酸酶的熱穩定性不如轉基因大豆的。
研究表明不僅真菌植酸酶可以在植物中產(chǎn)生，來(lái)自其他微生物的植酸酶基因同樣可以在植物中表達。Cosgrove 將大腸桿菌的植酸酶基因連同一段液泡定位表達信號肽序列在胚特異性啟動(dòng)子的控制下轉化擬南芥，在轉基因植株干種子中檢測到了植酸酶活性，且內部植酸的水平有所降低，無(wú)機磷酸鹽的含量相對提高。
今后轉基因的植物不管是用于生產(chǎn)植酸酶產(chǎn)品，或是直接用于動(dòng)物飼料添加劑，都將取決于生產(chǎn)成本和公眾可以接受的無(wú)污染的生物工藝技術(shù)。

3 植酸酶的應用
3.1 在動(dòng)物飼養中的應用
由于在植物來(lái)源的動(dòng)物飼料中磷的利用度很低，通常在非反芻動(dòng)物的飼料中加入無(wú)機磷酸鹽。食物中過(guò)多的磷被動(dòng)物排泄出來(lái)，磷是水生植物生長(cháng)最主要的限制性營(yíng)養因子，大量磷進(jìn)入流水中，刺激藻類(lèi)及其他地面水生植物生長(cháng)，其后大量水生植物腐敗，導致淡水水質(zhì)惡化，水中缺氧，危及魚(yú)蝦及其他野生生物的生存。這將給環(huán)境和生態(tài)造成污染。
在家禽、豬、魚(yú)的飼料中加入植酸酶，可以提高動(dòng)物對磷、礦物質(zhì)、氨基酸及能量的利用率。多年前上市的第一個(gè)植酸酶產(chǎn)品，用微生物植酸酶代替單胃動(dòng)物飼料中的無(wú)機磷酸鹽，可以明顯減少磷的排泄。在植物來(lái)源的飼料中植酸磷占磷總質(zhì)量的60 % ~ 80 %。單胃動(dòng)物對植酸鹽中磷的利用很小甚至無(wú)法利用，因為它們的消化系統缺乏能夠水解這種底物的植酸酶。植酸酶的活性因植物的種類(lèi)不同而有很大差異，黑麥、小麥、大麥、小麥麩中的植酸酶活性很高，而玉米、燕麥、大豆餅中的植酸酶活性很低，有的甚至沒(méi)有活性。通常，植物植酸酶在飼料中是有活性的，但是在動(dòng)物的飼料中添加植物植酸酶其活性是有限的，因為即使在同一種飼料中添加植酸酶，植酸酶的含量也是變化的，而且在飼料加工中，在高于 70°C 下對植酸酶進(jìn)行�；�，會(huì )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，就像反芻動(dòng)物一樣幾乎可以完全吸收植物中的磷。多胃動(dòng)物有瘤胃微生物的植酸酶，可降解利用植酸鹽，但是，在單胃動(dòng)物中微生物的生態(tài)系統主要集中在大腸，所以可以認為由植酸釋放出的磷幾乎沒(méi)有被吸收，而是在微生物釋放后被排泄掉。在非反芻動(dòng)物的飼料中加入微生物植酸酶也可以提高動(dòng)物對其他營(yíng)養成分的利用。在許多試驗中都表明植酸酶可以提高 Ca 的利用度，同時(shí)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，也可以與淀粉結合，抑制淀粉酶作用，由于植酸酶的存在，促進(jìn)蛋白質(zhì)和淀粉的消化和吸收，也可以認為在單胃動(dòng)物體內，植酸酶的活性提高了動(dòng)物對能量的利用。
3.2 在食品工業(yè)中的應用
植酸酶是一種新型的食品添加劑，能夠降低食物中的植酸而提高磷、鋅、鈣、鐵等的吸收率。在這一領(lǐng)域的研究主要集中在改善人體對礦物質(zhì)的吸收和提高食品加工技術(shù)。
在谷類(lèi)和豆制品中，植酸能抑制鐵的吸收，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鐵的吸收。三磷酸肌醇和四磷酸肌醇單獨存在時(shí)沒(méi)有顯示這種副作用，但是當他們與六磷酸肌醇和五磷酸肌醇共存時(shí)將會(huì )加強對鐵的抑制。這與人體缺鐵有很大的相關(guān)性，如發(fā)展中國家嬰兒普遍缺鐵，在孕育期的婦女和素食者中缺鐵現象更為嚴重。所以為了提高谷物和豆制品中鐵的吸收，較好是將肌醇磷酸鹽降解為比三磷酸肌醇低的肌醇磷酸鹽的形式。
有些食品加工方法如烹飪、熱水煮、發(fā)酵、浸泡等可以減少或除去豆制品中相當多的植酸。研究表明使用植酸酶減少食物中植酸的含量可能會(huì )更有效。小麥本身含有植酸酶，可以降解部分植酸酶，但降解量有限。Hurrell 等研究發(fā)現，在面粉中加入植酸酶，植酸幾乎可以被完全降解，可以大大提高植酸的降解率。人的小腸中，植酸酶的活性極低，難以利用植酸鹽，在面團中加入同位素鐵，通過(guò)測定人血液紅細胞中的鐵含量來(lái)檢測植酸酶對鐵吸收的影響，發(fā)現在面團中加入黑曲霉植酸酶，鐵的吸收率從 14.3 %提高到 26.1 %，提高了 98 %。以上試驗表明：在面團中添加植酸酶可大大提高植酸酶的降解率。

4 制劑
生產(chǎn)出植酸酶以后，進(jìn)一步的處理加工是十分必要的�？紤]到植酸酶主要用作飼料添加劑，所以制劑需在儲存或使用時(shí)保持穩定性和較高的生物利用度。
植酸酶制劑應用上的另一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，即酶的熱穩定性始終沒(méi)有得到很好解決。飼料加工需經(jīng)過(guò)一個(gè)制粒工藝，在制粒過(guò)程中有一個(gè)短暫的高溫過(guò)程，溫度一般在 75 ℃ ~ 93 ℃，一般的植酸酶活性在此高溫下大幅度地不可逆喪失。所以能在飼料中真正得到推廣利用的植酸酶必須具有良好的熱穩定性。但另一方面，飼料用酶又必須在常溫下具有較高的酶活性，因為其最終的作用場(chǎng)所是在動(dòng)物正常體溫（ 37 ℃左右）的胃腸道中，這與工業(yè)上所用的一些高溫酶不同。
研究人員在酶的耐熱性方面已經(jīng)進(jìn)行了許多富有成效的研究，一種較簡(jiǎn)單有效的方法就是對酶進(jìn)行后加工處理，即研究酶的包被技術(shù)，使酶包裹在包衣中而免受制粒高溫的破壞，包衣在動(dòng)物胃中可被消化而釋放出酶，目前一些商品化的植酸酶就是采用這種技術(shù)，但他的加工成本較高。歐洲的一種常用方法是把液態(tài)植酸酶制劑灑在制成的顆粒料上，或使用冷壓制粒。如果能通過(guò)基因工程、蛋白質(zhì)技術(shù)等使植酸酶本身就具有良好的熱穩定性無(wú)疑是有巨大意義的。

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