植酸酶在饲料工业中的应用杨禄良中国农科院饲料研究所北京挑战饲料科技集团
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植酸酶在饲料工业中的应用
研究简史
饲料中的植酸
酶活性的测定
特节磷植酸酶的研制
挑战植酸酶产品特征
稳定性
潜在营养价值
植酸酶与环境保护
应用举例
植酸酶与无机磷
植酸酶的未来研究
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植酸酶简介
1907年 Suzuki等人在米糠中首先发现植酸酶
1911年 Phimmer在小鼠体内证明了植酸经酶分解后生成肌醇和磷并且可以进入血液循环
在 70年代初期,人们开始在单胃动物饲料中添加植酸酶
生物技术的发展使得大规模商业化生产植酸酶成为可能,在 90年代,植酸酶在猪和家禽饲料中的应用得到迅速发展。
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植酸酶的分类
EC 3.1.3.8(myo-inositol-hexakisphosphate
3-phosphohydrolase),C1/C3 (真菌 )
EC 3.1.3.26(myo-inositol-hexakisphosphate
6-phosphohydrolase),C6 (植物 )
编码基因 (PhyA),1.4 kb,MW,80kDa
MW:bacteria-40-55 kDa;fungus-80-120 kDa
植物来源植酸酶,对植酸亲和力低。
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植酸
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植酸盐
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植酸盐 --与蛋白质结合
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某些饲料原料中磷的含量及利用率 (NRC,1994)
饲料原料 总磷 ( % ) 植酸磷比例 ( % ) 总磷利用率 ( % )
玉米 0,2 8 7 1,4 28
小麦 0,3 7 6 4,9 35
米糠 1,5 8 5,3 15
麦麸 1,1 5 8 2,6 17
棉籽粕菜籽粕
0,9 7
1,1 7
7 7,3
7 4,4
23
21
大豆粕 0,6 2 6 4,5 35
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某些原料中磷的含量及利用率
0
20
40
60
80
100
1?é Dó ó× 2é?T?é?ó×?·
2?á á×o? á? ( % ) ×ü á×à? óê ( % )
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植酸盐的抗营养特性
饲料中磷 60%----85%以植酸磷形式存在,
利用率比较低。
它与一些阳离子如 Ca2+,Mg2+,Zn2+,Cu2+、
Mn2+,Fe2+和 K+等有很强的螯合能力,形成不溶性盐。
与饲料中的蛋白质、氨基酸、淀粉和脂质结合。
与淀粉酶,胃蛋白酶,胰蛋白酶和酸性磷酸酶等结合
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植酸和植酸酶的生物学意义
种子萌发释放磷
植酸酶活性与发芽率
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国内外研究进展
植酸酶的研究主要集中在两个方面。
1)植酸酶的生产研究。主要采用转基因的方法,近 10年取的了很大的进展。
2)植酸酶的应用研究。主要包括猪鸡等单胃动物和鱼类。
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鸡对磷的利用率
Diet P digestibility SE
Low P 53.14b 0.43
Low P + 500 U/kg 63.04a 0.49
Low P + 750 U/kg 64.89a 0.31
POULTRY SCIENCE 83 (1),61-68 JAN 2004 Rutherfurd SM et al
male broiler chickens (Ross),21 day-old,AP=0.34,DCP=0.8
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AA Low P Low P+ 500 Low P+ 750 SE P<
Aspartic-acid 79.9a 84.3b 83.3b 0.46 0.01
Threonine 72.9a 78.1b 77.0b 0.58 0.01
Serine 78.2a 82.2b 81.5b 0.47 0.01
Glutamic-acid 86.4a 89.0b 88.5b 0.33 0.05
Proline 80.0a 83.8b 84.4b 0.48 0.01
Glycine 76.8a 80.8b 79.6b 0.39 0.001
Alanine 80.0a 84.6b 85.4b 0.63 0.01
Valine 78.5a 83.2b 83.2b 0.63 0.05
Cysteine 70.6a 78.0b 75.2b 0.71 0.001
Methionine 89.5a 91.6b 90.2ab 0.30 0.05
Isoleucine 81.2a 85.5b 85.0b 0.55 0.05
Leucine 82.6a 85.9b 86.6b 0.42 0.01
Tyrosine 83.9a 84.2a 84.4a 0.27 NS
Phenylalanine 84.3a 86.6b 86.4b 0.29 0.01
Histidine 77.8a 83.5a 83.4a 1.03 NS
Tryptophan 82.3a 84.4a 83.8a 0.46 NS
Lysine 84.5a 87.7b 86.5b 0.36 0.01
Arginine 87.0a 89.0b 88.0b 0.25 0.05
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国内外研究进展
国外生产植酸酶的主要厂家有:
BASF-- Natuphos
Novo Nordisk --Bio-Feed Phytase
Alko Co,(Finland) --Finase
Altech --Allzyme phytase
国内:云南、吉林
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植酸酶的活性定义
GB/T 18634-2002国家标准中的定义
样品在植酸钠浓度为 5.0mmol/L、温度
37℃,pH值 5.50的条件下,每分种从植酸钠中释放 1umol无机磷,即为一个植酸酶活性单位,以 U标示。
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植酸酶与温度
最适温度,45-60℃
耐高温植酸酶:温度耐受力强,刚性强,
活性低
包被:能够提高对热的抵抗力;不能充分发挥酶的活性 (释放受限制 )
制粒后喷涂:加工成本提高;液体植酸酶保存时活性损失严重。
生物方法:提高糖基化率
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植酸酶与 pH值
常规液体发酵产品 (市售 ),4.5-6
芽孢杆菌 (Bacillus):中性,偏碱性
曲霉 (A,niger),2.5,5.5 (国标测定 )
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特节磷植酸酶
国家 863计划的科研成果
通过基因工程方法,将筛选得到的适合于在饲料中使用的植酸酶天然菌株中植酸酶编码基因进行克隆和改造,然后利用生物反应器 —— 毕赤酵母高效表达而生产的酶制剂。
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植酸酶的生产
真菌 (Aspergillus niger/oryzae)
细菌
酵母
植物中提取?
家蚕
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植酸酶生产 -细菌
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植酸酶生产 -真菌
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植酸酶生产 -真菌
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植酸酶生产 -酵母
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工艺特点植酸酶的生产可分为 3个工序发酵工序 提取工序 干燥工序
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发酵工序摇瓶培养 一级种子罐菌种 二级种子罐发酵培养
30T补料培养诱导产酶培养出料
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提炼工序和干燥工序料液 沉降分离 清液 浓缩 载体调配沉降物洗涤分离沉降物干燥单细胞蛋白包被真空干燥调制检测植酸酶产品
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生产工艺
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生产设备及能力
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发酵车间 (30吨罐共 9个)
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特节磷植酸酶
比翅酵母(安全认证)
液体发酵
剂型
500 1000 2500 5000 20000
吸附、粒化、包被
杂蛋白含量
酶活的 pH变化
颗粒大小
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项目通过了基因工程安全评价
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饲料所,挑战,植酸酶
2500 5000 U/g的粒化植酸酶
酶活含量
颜色
颗粒大小与均一性
500 1000 U/g产品的稳定性
二次检验
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与其它厂家产品的比较
与国外公司的比较
包被
粒化
颗粒大小比较
国内固体发酵产品
活性
稳定性
均一性
污染
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稳定性 (一 )
种 类 常 温 70°C/湿度 90% 80°C/湿度 90%
1分钟 3分钟 5分钟 3分钟 5分钟 10分钟特节磷 500 500 470 455 432 421.6 415.5 383.2
特节磷 2500 2600 2575 2476 2301.6 2453 2354.5 2265
500酶活保存率 % 97.91 94.79 90.00 87.88 86.56 79.83
2500酶活保存率 % 99.03 95.23 91.52 94.34 90.55 87.11
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稳定性 (二 )
常温保存的稳定性
月损失 <2%
饲料中的稳定性,水分,温度,微量元素
制粒情况下的稳定性
制粒温度、调质时间
包被
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植酸酶潜在营养价值 (500型 )
蛋鸡 肉鸡 猪添加量 (%) 0.06 0.1 0.1
总磷 (%) 233 115 120
有效磷 (%) 196 100 100
钙 (%) 167 100 115
粗蛋白 (%) 225 225 200
赖氨酸 (%) 12 12 8
蛋氨酸 (%) 1 1 2.5
胱氨酸 (%) 3 3 3
ME(Mcal/kg) 53 53 95
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植酸酶潜在营养价值 (2500型 )
蛋鸡 肉鸡 猪添加量 (%) 0.3 0.5 0.5
总磷 (%) 1165 575 600
有效磷 (%) 980 500 500
钙 (%) 835 500 575
粗蛋白 (%) 1125 1125 1000
赖氨酸 (%) 60 60 40
蛋氨酸 (%) 5 5 12.5
胱氨酸 (%) 15 15 15
ME(Mcal/kg) 265 265 475
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畜禽养殖业污染物排放标准
中华人民共和国国家标准 GB18596----
2001
畜禽养殖业污染物排放标准
Discharge standard of pollutants for
livestock and poultry breeding
由国家环境保护总局于 2001年 11月 26日批准
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植酸酶与环保
降低排泄物中磷含量 20%~ 50%
蛋白质和氨基酸的消化率提高 2%-5%,排泄量减少 5%-10%
平均而言,P排泄减少 30%,N排泄减少
10%
释放植酸盐中被螯合的 Ca,Zn,Cu,Fe
等矿物元素,利用率提高 9%~ 13%
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植酸酶的经济价值
蛋鸡

肉鸡
水产
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猪用植酸酶
基本依据
消化道 pH值差异
基因定点突变
与酸化剂的联合使用
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0
20
40
60
80
100
120
2 3 4 4.5 5 5.5 6 7
猪用植酸酶折线图 2
折线图 3
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猪饲料中添加植酸酶提高磷利用率原料 磷消化率 (%)
对照组 +植酸酶 (500 u/kg)
小麦 50.00± 6.09 77.64± 2.30
高粱 16.51± 2.38 64.38± 3.81
稻谷 32.42± 2.59 74.26± 2.09
资料来源:边连全等,,辽宁畜牧兽医,2004(1):1-4
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产蛋鸡应用举例植酸酶 (--) 植酸酶 (+)
植酸酶 (500 U/g) 0 0.06%
磷酸氢钙 1.5% 0.5%
石粉 8.5% 9.0%
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植酸酶在猪浓缩料中的应用
-植酸酶 +植酸酶磷酸氢钙 5% 2%
石粉 5% 6%
植酸酶 - 0.4%(500U)
节约空间 2%
2%空间的成本计算:
以 2%豆粕为例可提高蛋白含量 0.8%。
如果通过用鱼粉代替豆粕来提高蛋白质 0.8%,需要鱼粉用量增加 4%,
成本增加,40X(6-3)=120元 /T
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植酸酶在预混料中的应用
必要性
3%预混料的空间问题
预混料的粉尘问题
注意事项
水分,微量元素,载体
吸潮,胆碱,赖氨酸
范围,禽 /猪
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猪和肉鸡
提供 0.1%的 AP或 TP
=0.6%的 CaHPO4
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磷酸氢钙的简易换算
骨粉 1,13%P,20%Ca
1kg 骨粉 =0.8kg氢钙
骨粉 2,8%P,15%Ca
1kg 骨粉 =0.5kg氢钙
鱼粉,3%P,6%Ca
1kg 鱼粉 =0.18kg氢钙
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其他动物的应用

直接成本 /潜在营养
酸化剂联合使用
肉鸡
额外添加的效果
水产
国外的应用情况
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植酸酶与无机磷
饲料配方空间
无机磷的可能缺陷
氟和重金属
粉尘
骨粉的可能危害
微生物污染
掺假
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植酸酶与其它饲料添加剂
高钙,高磷,高 Ca:P
抑制
羟基化胆钙化醇,1,25-(OH)2-VD3
改善
有机酸,柠檬酸,乳酸
改善
不同厂家植酸酶混合使用
没有改进
其它酶制剂
协同 (Zyla et al,1995)
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植酸酶的未来研究
提高耐热性
糖基化
体外化学修饰
特殊处理 (包被 )
特种动物
水产
植物高效表达 phytase-转基因植物
动物唾液中分泌 phytase-转基因动物
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使用植酸酶注意事项
饲料水分含量
季节温度变化
夏季适当提高磷的用量
磷的抗热应激作用
预混料中的应用
高微量元素、胆碱
公司的产品
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小节
替代磷酸氢钙,节约饲料成本
提高钙锌铜镁等矿物元素的利用率。
增加饲料中蛋白质、氨基酸、淀粉和脂质的利用率。
植酸酶降解植酸生成肌醇。
减少粪便排泄物中磷含量 30 ~ 50%
节省饲料配方空间