中国饲料植酸酶创新发展历程——植酸酶走过饲料工业十年
中国饲料工业起步于20世纪70年代中后期，历经改革开放30年发展，中国饲料工业变化翻天覆地。30年的发展，我国饲料工业向世人展示出巨大的潜力，并已经成为国民经济中举足轻重的地位和不可替代的基础产业，成为我国走新型工业化道路的重方面军。
伴随饲料业辉煌成就，饲料添加剂的生产技术与生产方式发生了根本变化，发展经历了从手工作坊到现代化工业的根本转变，饲料酶制剂也逐渐形成了以工业为主导的产业，进入了历史上前所未有的发展时期。中国植酸酶起步于20世纪90年代，作为饲料添加剂中发展最快、最成熟的酶制剂，在饲料添加剂发展历程中走过了辉煌的十年。
一、植酸酶产业发展的强大推动力
自上个世纪九十年代，植酸酶从小工厂逐步发展，实现了工业化生产，随着生物技术的飞速发展和饲料工业对植酸酶需求的不断增长，饲用植酸酶的产业化应用得到快速的发展。植酸酶产业的迅速发展受到了诸如国家政策、行业发展、市场调节等多方面的巨大推动。
1、国家政策导向及饲料行业发展的推动
政策导向在植酸酶产业发展过程中具有十分重要的作用。国家对磷排放均有明文规定，相应的法规有《畜禽养殖污染防治管理办法》、《畜禽养殖业污染物排放标准》和《畜禽养殖业环境管理技术规范》。环保对养殖行业的要求也大大促进了植酸酶的饲料中推广和使用。目前，在欧美发达国家很早就使用酶制剂，我国从九十年代，也相继在饲料工业中使用。全球对环保的重视、食品安全的要求、动物福利等各方面均不同程度地促进了饲用酶制剂的使用及产业化发展。植酸酶在过去的20多年来一直用于动物营养。而现在，由于磷货源减少，植酸酶显得更为重要。通过技术实验，现在欧洲相关法律已经授权可以在动物饲料中添加更高剂量的植酸酶，这样可以替代更多的无机磷。2008年2月，欧洲动物添加剂和预混料协会（EU Feed Additive and Premixture Association）发布消息称磷源缺乏需要更多的植酸酶。增加植酸酶的使用，可以减少无机磷的使用，也可以更好的缓解动物粪便造成的环境污染问题。全球植酸酶产业化的迅速发展也推动了此产品的推广和使用。随着全球饲料工业的发展，对植酸酶的需求量增加，同时，随着行业结构调整和规范，也使植酸酶的使用越来越普及。当然，在使用过程中，国内外学者及欧洲BASF公司等对植酸酶理论基础的研究是与植酸酶应用技术的成熟是分不开的。
2、不可再生磷资源的短缺
磷资源短缺及磷污染已对我国饲料及养殖业的健康、安全、持续地发展造成了严重威胁。目前世界磷矿石总储量约500亿吨，但只有为数不多的国家拥有经济意义较大的磷矿资源。而我国真正可用的磷矿资源并不很丰富。2005年我国实际磷矿资源消耗量达到1.14亿吨，其中浪费的资源达到5994万吨，超过了当年的消费量5402万吨，资源浪费严重。按照目前每年一亿吨以上的磷矿消耗量，有限的磷源保障可见一斑。同时，从世界磷矿的消费构成来看，磷肥行业消费了磷矿石的绝大部分产量。目前，美国的磷矿石90%用于磷肥的消耗，中国有78%的磷矿用于磷肥生产并保持高速增长，其它用于黄磷和饲料磷酸氢钙的生产。磷矿资源具有不可替代性和不可再生性，磷矿资源关系到世界粮食安全和人类的生存和发展。因此，无论在我国还是世界范围内，磷矿资源的紧张状况已成定局，供应趋紧、价格上涨的趋势已不可扭转，依赖于磷矿资源的磷酸氢钙的生产也势必面临同样的现实，磷资源的重新配置和调整已是大势所趋。我国国土资源部已将其列入2010年后不能满足国民经济发展需求的重要矿种之一。
3、环保的呼唤
磷对于动物生长、骨骼矿化、免疫、繁殖等均是至关重要的营养元素之一。在以植物性原料为主的饲料中，2/3的磷以植酸磷的形式存在，而单胃动物由于体内无相应的分解酶很难利用，饲料中的磷大部分通过粪便排出，对土壤及江河湖泊造成严重污染。自上个世纪八十年代，荷兰、德国等欧洲国家就着手对植酸酶进行研究和开发，更多地考虑到保护磷资源，充分挖掘现有饲料原料的磷利用率及减少磷对环境的污染等。直到20世纪90年代初商品植酸酶的出现，才为饲料行业、养殖行业解除植酸的危害和环境污染等提供了有效的解决方法。随着全球经济一体化，全球环保的呼声越来越高，解决饲料资源短缺，关注饲料及食品安全成为关注的焦点。以万头猪场为例，年输入磷总量27-44吨（平均约40吨），排出磷总量20-33吨（平均约31吨），排出量占输入量的77.5%，排出的磷相当于118吨磷酸氢钙。而我国是饲料生产大国，养殖总量居世界第一，每年由饲料向环境排出的磷可见一斑。可见，通过饲料磷的排放对环境造成的污染是不容忽视的。而植酸酶出现提供了解决磷对环境的污染的有效办法。研究表明，添加植酸酶后使猪禽饲料中植酸磷利用率提高30%-60%，降低磷的排泄量达40%-60%。植酸酶的使用不仅具有显著的经济效益，而且具有巨大的生态效益，其在饲料工业中的推广势在必行。植酸酶的出现为人们开阔新视野，重新思考和评价养殖环保及饲料安全的可持续发展提供了思路。
4、饲料资源的深入开发和利用提供动物所必需的磷营养时，一方面通过磷酸氢钙等磷源来提供，另一方面设法提高饲料本身的磷利用率，从而减少外源磷源的添加使用。根据动物饲料的特点，通过提高饲料本身的营养物质利用率和营养价值，必将是挖掘动物饲料的营养价值的重要途径和手段。多年来，国内外学者和专家们均做了大量的工作。而植酸酶正是营养学发展的结晶产物，植酸酶通过很少的添加量起到营养性添加剂的作用，对提高饲料磷等营养物质利用率，降低磷对环境的污染，节约饲料成本等方面均起到了十分重要的作用。这已得到全球同行们所公认。因此，从这个角度来说，植酸酶对促进动物营养学及饲料行业的发展起到了不容忽视的作用。近几年，磷酸氢钙等资源性饲料原料和豆粕等饲料原料价格纷纷上涨，使酶制剂的使用备受关注，而植酸酶逐步成为一种常规的最普及的饲料添加剂。随着饲料行业竞争加剧，利润率进一步降低。整个饲料产业发生阶段性结构调整的局面，一方面原料价格上涨，寻找可替代产品及切实可利有效的方法也是大势所趋。饲料用磷酸氢钙价位持高不下，也推动了植酸酶产品的规范使用。目前，植酸酶的发展正值关键时期，植酸酶的大量推广使用也是饲料工业发展的必然结果。
5、植酸酶的优势
植酸酶尽管是众多饲料添加剂的一种，充分体现了小产品大作用的价值。从宏观的角度来讲，植酸酶是酶制剂中对解决环境污染贡献率最大的饲料添加剂--即环保效应。同时，对解决不可再生磷资源短缺和保护国家磷矿的角度来说，节约了饲料磷酸氢钙的使用，植酸酶也充分证明了它的价值—即资源效应。从营养学的角度来说，植酸酶在降低植酸的抗营养作用，提高磷利用率的同时，能够释放与植酸结合的蛋白质、氨基酸、淀粉，钙等营养物质，从而提高了蛋白质，氨基酸，钙等营养物质的利用率，即植酸酶的潜在营养价值（Matrix Value）。同时，通过植酸酶等酶制剂的使用，能够在一定程度上提高动物的抗应激能力和生产性能--营养效应。同时，植酸酶本身是一种蛋白质，是绿色、环保、安全的添加剂。另外，由于磷酸氢钙的适口性差，粉尘影响及高氟含量也是影响其使用的客观因素，而植酸酶的使用，恰恰可以减少此不足给饲料安全及动物的负面影响—安全效应。植酸酶节约磷资源的同时，降低了外源磷的添加使用，对饲料生产企业和养殖户来说，大大降低了饲料成本—即经济效应。同时，小剂量植酸酶的使用能够替代一定比例的外源磷源，增加一定的配方空间，扩大了配方原料的选择性，为优化配方，提高饲料整体品质具有重要意义—即空间效应。
二、植酸酶产业发展的历程
从二十世纪九十年代争论是否发展植酸酶产业到如今的植酸酶产业风起云涌，从当年真菌发酵生产植酸酶到现在具有高抗逆性的多种菌种，从当年设备简陋固体发酵作坊到如今工业化液体发酵体系，从当年单一的加工工艺到今天的多种品种，从当年的照搬式的应用到今天科学专业的应用技术，中国植酸酶产业尽力了翻天覆地的变化。北京昕大洋科技发展有限公司是中国第一个拥有植酸酶生产许可证和产品批号的企业，国内唯一的强化植酸酶生产厂家，最早推出猪专用植酸酶，国内首家推出包衣微丸植酸酶的植酸酶生产企业，作为专业化的植酸酶企业，与中国植酸酶产业共同走到今天，见证了中国植酸酶产业的辉煌历程。
1、九十年代植酸酶产业的起程
上个世纪九十年代国外酶制剂产业迅速发展壮大，90年代中期西方发达国家的饲料95%以上都是用了酶制剂产品。国内在获得植酸酶国外应用信息之后，部分专家、学者便开始对中国饲料植酸酶开发、生产、应用的可行性进行探讨和实验研究。此时，北京昕大洋科技发展有限公司会同中国农业科学院专家已经着手植酸酶的工业化生产的研究，经过不懈努力，建立了植酸酶工业化生产的基地，开创了植酸酶中国国内企业生产的先河，还为植酸酶产业在中国的繁荣奠定了坚实的道路，具有划时代的意义。
2、发酵技术的发展
目前，在饲料中添加的酶制剂，都是由微生物生产的。动植物总也存在各种酶，但从中提取成本高，且生产受季节限制。而用微生物来生产酶制剂，其产量高，生产成本低，不受季节限制。在我国植酸酶的生产技术一直保持快速发展，从固体发酵到液体深层发酵，发酵酶活越来越高，产品稳定性和耐温性越来越好，产品剂型也越来越丰富齐全。固体发酵法的的生产方法也叫表层发酵法。其生产投资小，技术要求低、原料比较粗放，生产成本低、环境污染小。液体发酵融合了生物、化工、机械和电子等诸多行业的研究成果，机械化程度高、生产强度大，酶系纯等优点。随着植酸酶的广泛推广，世界范围内，对植酸酶产品的质量评价指标已相对统一，使用方法也相对一致，植酸酶已经成为全球发展最快的单一饲料酶制剂之一。在国内，植酸酶产品分别经历了上世纪九十年代的导入期，到前一两年的高速成长期发展到目前的成熟期，市场由原来的“诸侯混战”到目前的几大品牌鼎立，已逐步走向行业整合阶段，已从原来的高利润产业向规模化效益转变。基于发酵技术的进步商品规格也出现了多样化，分为通用规格（5000U/g、2500U/g和1000U/g）和高浓缩规格（1万～4万U/g）。目前，国内植酸酶的发展势头强劲，技术进步很快，发酵优势明显，世界巨头纷纷转向中国。植酸酶发酵水平及生产工艺参数优化，植酸酶稳定性技术仍然是植酸酶产业发展的核心重要内容。随着植酸酶生产技术的创新和发展，使植酸酶终产品具有良好的品质稳定性，从而降低了人们使用植酸酶的风险。
3、菌种技术的进步
菌种是植酸酶产业发展的技术关键。所有植酸酶产品的生产、加工、应用等多方面技术的延伸都起始于菌种，所以菌种植酸酶产业的发展至关重要。经过10多年的发展，我国发酵产植酸酶的菌种已经由真菌发展到细菌，由国外进口菌种到国内自行培养菌种，由分离纯化的菌种发展到基因工程菌。产植酸酶菌的历程也就是植酸酶产业化发展的历程。天然植物来源植酸酶在体内的水解能力差，活性PH值范围窄，生产成本高，产量低，稳定性差。天然微生物来源植酸酶在体内的水解能力好，活性PH值范围宽，生产成本高，但是产量低。所以出现了现在基因工程菌。 19世纪早期，荷兰将来源于无花果曲霉的 PhyA 基 因克隆后，转入黑曲霉中，诞生了世界上第一个植酸酶基因工程菌；后来丹麦将来源于隔孢伏霉菌的PhyA 基因克隆后，转入米曲霉中；而中国将来源于黑曲霉的PhyA基因克隆后，转入毕赤酵母中；目前，将来源于大肠杆菌植酸酶基因AppB克隆，导入到毕赤酵母中，1998年，中国农科院生物所和饲料所在863项目的支持下，申请了第一个植酸酶的专利，将黑曲霉的PhyA基因转入毕赤酵母中。昕大洋科技发展有限公司联合有关生物技术专家将来源于大肠杆菌的植酸酶基因PhyQ克隆，体外重组加工后，导入到毕赤酵母染色体中，得到优良菌种，发酵产生的酶活性高、抗逆性强，在动物体内的生物学效率高。
4、后加工技术的创新和发展
菌种在发酵罐中进行液体发酵，生产出的液体中含有植酸酶，但是这种发酵之后的植酸酶还不能直接添加于饲料中，必须经过一定的处理技术，将植酸酶制作成为易于运输、易于添加的成品。将生产出的液体植酸酶进一步加工成为在饲料中直接使用的产品的技术为后加工技术。后加工技术决定了植酸酶产品的剂型，也就决定了产品的特点及优势。随着后加工技术的进步和发展，植酸酶的剂型也逐渐多样化，产品性能也得到逐步提高。
根据出现的顺序，后处理技术出现的顺序为吸附技术、普通制粒技术、制丸技术、包衣技术、液体纯化技术。吸附是出现最早的加工技术，此技术生产出粉状产品。其主要内容为将液体植酸酶简单喷涂于载体的表面，经过干燥而获得产品的一项技术，其简单的加工技术决定了此后加工技术的优势和缺点，优点是粒径较小，有利于微量成分在饲料中的均匀混合，生产工艺简单，成本低廉。缺点是有效成分因裸露不能得到有效保护，产品贮存稳定性差, 有效期短；活性成分抗逆性差；粉尘损失大，不利于生产人员身体健康，且污染环境；静电效应大，易造成静电损失和在饲料中混合不均匀等现象。
由于粉剂存在诸多缺点，尤其是酶裸露、粉尘、静电、等方面的巨大缺点，造成粉状植酸酶在应用中经常出现问题，并且阻碍了植酸酶的应用。部分企业将植酸酶与适当载体混合，然后进行喷雾干燥而获得颗粒状的植酸酶，这就是我们所谓的简单制粒技术。这种离心喷雾干燥技术生产出的普通颗粒状植酸酶部分决绝了粉状植酸酶的缺点，但并没有根本改变粉状植酸酶的主要缺点。粉状植酸酶与简单制粒的植酸酶仅外观和静电作用力有所变化，其他性能譬如酶裸露、摩擦造成酶损失等等诸多缺点仍然存在，尽管产品外观呈现颗粒状，但是经过显微镜观察，颗粒为疏松多孔，酶没有得到保护，仍然暴露在外面；疏松的颗粒经不住运输、搬运等摩擦就变成粉末，颗粒相差较大，效果与普通粉状植酸酶不存在明显差异，在添加到饲料中也很难保证混合的均匀性，也就是说普通颗粒并没有在根本上解决酶的性能，抗逆性和贮存稳定性仍然很差。但是这种改变的策略却为植酸酶新剂型的产品奠定了一定基础，在植酸酶后加工工艺及剂型的历程中留下了光辉的一页。
粉状植酸酶存在很多缺点，而普通颗粒植酸酶并没有从根本上解决此问题，但是却给后续的研发提供了值得借鉴的材料。北京昕大洋科技发展有限公司正是注意到前面后加工技术的缺点及亟待解决的问题入手，运用现代生物技术与化工技术，生产出了完全克服历史上后加工工艺的缺点，开发出了新的植酸酶剂型，这就是运用独特微丸技术生产的微丸植酸酶产品。微丸植酸酶产品是运用先进的成丸技术，保证了生产出的植酸酶丸圆整、致密，克服了普通颗粒疏松多孔的缺点，将大部分酶分子包裹于丸内部，避免与外界不良环境接触，避免摩擦。微丸产品致密，在正常搬运和运输不会对丸又任何影响，保证植酸酶的储存、运输、应用制粒等方面对外界不良环境的抵抗作用。不得不说这是植酸酶后加工工艺具有里程碑意义，对植酸酶的后加工技术、植酸酶产品剂型及植酸酶的应用具有重要意义。
随着饲料工业的发展，对饲料原料储存和饲料生产中饲料原料的稳定提出了更高要求。如何保证植酸酶酶活储存存留率和制粒加工后更高的酶活存留率成为又一个难题。包衣化制剂几乎集中了粉剂、颗粒剂和微丸剂的所有优点, 缺点是工艺复杂, 生产成本高。
5、应用技术研究与进步
随着植酸酶的研究及应用不断成熟，对其推广普及速度将进一步加快。同时，从当前饲料行业发展的趋势来看，各饲料企业竞争加剧，利润空间越来越小，从而使寻求植酸酶这类真正能起到降低饲料成本的功能性添加剂更为迫切。北京昕大洋科技发展有限公司与多家科研单位、大型饲料企业以及养殖企业合作，经过多年试验，进一步精确确定植酸酶在不同种类动物、不同生长阶段、不同环境条件、不同生理状态下在动物饲料中的添加剂量，取代无机磷、可利用磷的量，为植酸酶在饲料中的应用提供精确、可信的数据。植酸酶在动物饲料中的应用技术取得了巨大进步，并趋于完善，是国内酶制剂应用技术相对发展较快的领域，为其他酶制剂应用起到了带领作用，
水产动物具有与家禽、家畜动物所不同的生存环境和生理特点，植酸酶在水产饲料中的应用也一直困扰植酸酶生产厂家及水产饲料生产企业。如何解决植酸酶在水产饲料领域应用问题再一次提到植酸酶生产企业的日程中来。国内一些生产厂家对此棘手的问题束手无策，或者仅在概念上推出解决方案，但是是否真正保证植酸酶在水产饲料中的应用效果一直是一个疑问。植酸酶在水产饲料中应用的问题，也是推动植酸酶应用发展的强大动力，北京昕大洋科技发展有限公司作为植酸酶产品的领军企业不得不承担其这份责任，在本公司诸多技术人员、科研院所专家以及国外技术人员的共同研究下，根据水产动物饲料以及生理特点，设计和发明了水产动物专用植酸酶，为植酸酶在水产领域的应用开辟了先河，在昕大洋的带领下，水产专用植酸酶的生产和应用在大江南北迅速发展，在植酸酶应用领域大规模扩大了市场。
对于植酸酶这种蛋白质，盐离子对蛋白质疏水残基的盐析作用，增加蛋白质周围的水簇，能够使蛋白更稳定，甘油、糖和聚乙二醇是多羟基化合物，通过氢键形成溶剂层，使蛋白质有效脱水，降低蛋白水解，还原剂可防止必需功能基团的氧化。植酸酶的保护技术就是在植酸酶中加入特定含量的保护剂，使植酸酶的酶蛋白与消化酶结合受到抑制，活性中心关键氨基酸残基的侧链基团受到保护，避免植酸酶在消化道中遭到损失，从而能够最大剂量的发挥作用。
酶在发挥作用过程中需要多种辅酶和辅基作用，以提高其作用效率。动物体内的酶均匀存在大量辅酶、辅基以及大量酶激活成分，保证了动物自身分泌酶作用效率和效果。但是外源酶在体内几乎不存在对其有针对性的辅助因子，这就是说不能最大能力的发挥外源植酸酶的作用。正是基于这一定考虑，北京昕大洋科技发展有限公司根据植酸酶的作用特点、辅酶辅基来源等，设计开发出高效的强化植酸酶产品，这种产品尽管酶活略低于同类单纯植酸酶的酶活，但是由于其添加了辅酶、辅基以及酶动力增强因子等有效成分，极大地提高了植酸酶在动物体内的效用，使得在饲料中添加的强化植酸酶酶活量低，使用效果却能打到理想水平。针对植酸酶在体内环境发挥作用所进行的一系列的反应，选用特定的激活剂，采用特定的结合方式与植酸酶结合在一起，生产出强化植酸酶产品，使酶在体内环境中酶促反应效率提高，酶活增加。每单位的强化植酸酶在体内的生物效率高于普通植酸酶。在设计和开发此产品的过程中充分体现了北京昕大洋科技发展有限公司对植酸酶研究的深入、专业，并为植酸酶的研究、开发和应用一直努力奋斗。
三、植酸酶产业面临的挑战及未来展望
植酸酶作为一种高科技环保产品，植酸酶的产业化生产在促进饲料工业发展的过程中起到不容忽视的作用。当前，饲料原料的全面爆涨，给饲料企业带来了极大的压力，怎样合理采购和使用原料、降低成本是饲料企业关注的主要问题，植酸酶以及相关酶制剂的广泛应用给饲料企业降低成本提供了一个非常好的渠道。随着中国饲料科技的全面进步，植酸酶产品科技的飞速发展，使国内植酸酶技术水平在短短几年内赶上和超过世界先进水平，中国植酸酶的进步给国内以及饲料业提供了极大的经济效益，同时也创造了极大的社会效益。随着全球对环保问题的日趋关注和环保意识的增强，绿色无污染、无残留、无违规排放等成为发展的趋势和主流，所以，植酸酶将是继维生素、氨基酸、微量元素等饲料必需添加剂之后的又一个必需添加剂。同时我们也发现，尽管植酸酶的生产和应用技术都取得了长足进步，仍有很多方面需要进一步研究和完善。①稳定化技术。植酸酶是一种生物活性的饲料添加剂，易受到环境中各种因素的影响。而以耐高温性能，温度极限性能最为突出，已成为人们关注的焦点问题。②水产用植酸酶的攻关。开发真正可以适用于水产动物饲料的加工特点和动物本身的消化道环境的植酸酶将是未来的重要课题。③植酸酶的潜在营养价值。在国内大量的基础应用数据的仍需进一步研究和完善，研究预测不同来源的底物浓度的最经济有效的植酸酶用量及磷替代量的动态关系至关重要。④统一的质量标准。针对植酸酶产品本身来讲，目前有相对统一的检测标准和检测底物。但国家当前检测标准需要进一步修订完善，而植酸酶底物Sigma P-3168，Sigma P-8810及Sigma P-1109三种之间的检测差异性目前还没有定论，随着检测底物和检测标准的确定，将更有利于植酸酶的推广使用。而在饲料中植酸酶的活性检测也是难点之一。同时，对产品本身的其它质量指标及卫生指标要求与国际标准的一致性和规范性还有待进一步研究。⑤液体植酸酶的应用及与后喷设备配套应用技术。液体植酸酶是解决耐高温对植酸酶酶活影响的有效途径之一，但由于在使用推广过程中，存在一定的局限性，使得对液体酶的稳定性等其它技术参数和后喷设备的要求越来越高。随着植酸酶的产业化应用的成熟，这必将是未来的发展方向。
中国植酸酶产业在饲料添加剂领域已经发展成熟，在科学研究、技术创新、应用技术等方面形成了比较完整的体系，已经发展成为发展最为完善成熟的饲料酶制剂。但未来很远，道路很长，植酸酶在政策的指引、科研的推动必将更加完善，成为饲料工业中不可或缺的中坚力量。（www.cnenzyme.com ）
——中国酶制剂网