APPLICATION OF PHYTASE AND RELATED ISSUES

Phytase, a New Life for an Old Enzyme

 

 

APPLICATION OF PHYTASE AND RELATED ISSUES

 

 

Nutritional Values of Phytase in Animal Feeds

 

동물 사료에서 가장 널리 사용되는 phytases는 HAP입니다.

식이성 phytases는 주로 사료 피테이트-인phytate-phosphorus을 방출하기 위해 첨가되므로 대상 동물의 인 요구 사항을 충족하기 위해 무기 인 보충이 불필요합니다.

따라서 다양한 종에 대한 다양한 식이에서의 phytases 의 무기 인 당량과 그 결정인자가 집중적으로 연구되고 검토되었습니다(8-10, 15-17, 19).

간단히 말하면, 사료 kg당 약 300~600 피타제 활성 단위는 약 0.8g의 소화 가능한 인을 방출하고 인산이칼슘과 인산이칼슘에서 각각 1.0 또는 1.3g/kg의 인을 대체할 수 있습니다(60-62).

한편, 보충 phytases는 동물의 칼슘, 아연, 철분 활용을 향상시킵니다(63-66).

보다 구체적으로 phytases 보충은 대조 식단의 60~70%에서 실험 식단의 70~80%까지 지속적으로 칼슘 소화율을 향상시킵니다.

그러나 구리나 망간의 소화율 반응은 덜 일관적이며 아미노산 가용성을 향상시키는 phytases 의 능력에 대해서는 논란이 있어 왔습니다(16).

일부 연구에서는 반응(67)을 보고하는 반면, 다른 연구에서는 변화를 확인하지 못합니다(68).

돼지의 아미노산 가용성에 대한 phytases의 이점은 존재하더라도 여전히 작습니다(68).

Selle & Ravindran(17)은 돼지의 겉보기 회장 소화율이 평균 1~2% 개선되었다고 보고했습니다.

가금류에서는 아미노산 반응도 일관되지 않았으며 에너지 반응은 100kcal/kg(0.36MJ/kg) 미만이었습니다.

이는 평균 phytases 포함률이 662 units/kg사료 (range 400 to 1200 units)인 17개 연구의 평균이었습니다.

식단의 대부분은 밀/수수 혼합이었고 일부 옥수수/대두 식단도 있었습니다.

 

 

 

Environmental Benefit and Economic Consideration of Feed Phytase

 

Phytase 시장은 현재 전체 사료-효소 시장의 60% 이상을 차지하지만(15), 2007~2008년까지 천천히 발전했습니다.

도입 후 첫 15년 동안 피타제 사용은 무기 인 사용에 따른 비용상의 이점을 제공하지 않았습니다.

네덜란드와 미국의 델마바(Delmarva)만이 동물 배설물의 인 오염을 줄이기 위한 수단으로 Phytase 보충을 의무화했습니다.

법적 집행 없이 Phytase의 적응은 무기 인의 시장 가격에 따라 결정되었습니다.

2007년 이전에는, 인산이칼슘과 같은 무기 인 공급원의 가격이 톤당 $200~$250인 경우, 이를 Phytase 로 대체해도 순 절감 효과가 발생하지 않았습니다.

그러나 현재 인산이칼슘 가격은 에너지 비용 상승과 인비료 사용으로 인해 톤당 1,200달러에 달하고 있다.

이러한 증가는 1% 인산이칼슘으로 식단을 보충하는 비용이 톤당 2달러에서 12달러로 변경된다는 의미입니다.

분명히 무기 인 비용의 6배 증가 가능성은 Phytase 를 훨씬 더 비용 효율적으로 만들었습니다.

실제로, 사료에 500~1,000 units/kg의 일반적인 식이 피타아제 보충은 사실상 1% 인산이칼슘 또는 0.18% 인을 식단에 첨가하는 일상적인 첨가를 대체합니다.

사료 1,000단위/kg의 Phytase보충 평균 비용은 사료 1톤당 약 $0.5~$2입니다.

확실히, 서로 다른 제품 간의 Phytase활성 단위를 비교할 때는 주의가 필요합니다(72). 또한 높은 수준(> 2,500 units/kg)에서도 반응이 관찰될 수 있습니다(74).

돼지는 소변을 통해 매우 적은 양의 인(일반적으로 100mg/일)을 배설하므로(75), 대변 손실은 사료에서 이 필수 영양소의 주요 활용 비효율성을 나타냅니다.

총인 함량이 0.6%인 일반적인 옥수수-대두박 기반 사료를 먹인 어린 돼지(체중 10~50kg)의 경우 분변 인은 건물 함량의 약 2%입니다.

보충 Phytase 는 대변의 인을 1% 미만으로 감소시킬 수 있습니다(76, 77).

사료 인의 소화율은 일반적으로 40~50% 범위이며, Phytase의 투여량에 따라 60~80%까지 향상될 수 있습니다.

사료의 인 소화율이 50% 증가하는 동시에 분변의 인 농도가 50% 감소합니다.

미국에서는 연간 6천만 마리의 돼지가 생산되고, 각 돼지는 전 생애주기 동안 1.23kg의 인을 배설하므로, 식이성 Phytase  보충은 환경적으로 엄청난 중요성을 가질 수 있습니다.

가금류 및 어류 사료에 Phytase 를 적용하면 유사한 이점을 기대할 수 있습니다.

 

 

 

Issues Related to Feed Application of Phytase

 

Phytase 는 주로 동물 사료 첨가제로 판매되었기 때문에 인간이 직접 소비하는 유전자 변형 작물이나 동물의 안전성에 대한 많은 우려는 처음에는 발생하지 않았습니다.

Phytase-transgenic Enviropig® (76) and phytase-transgenic rice (78)출현으로 어느 정도 대중의 우려가 커졌습니다.

대중의 태도를 분석하면 이러한 유전자 변형 유기체의 식품 가치에 대한 상충되는 견해가 드러납니다.

업계는 이러한 혁신으로 인한 경제적 이익에 초점을 맞춘 반면, 소비자는 겉으로 보이는 위험에 비해 약간의 이익을 봅니다(79).

이는 아마도 개인의 이익 증가, 의사와의 개인적인 상호 작용, 가능한 부작용에 대한 안전 공지로 인해 대중이 의료 용도로 유전자 변형 유기체를 더 많이 수용하는 것과 대조적입니다(80).

또한 유전자 변형 농산물을 소비하는 데 대한 명백한 선택의 부재(적절한 라벨링 부족)와 비교하여 의료 응용을 위해 유전자 변형 유기체를 사용하도록 선택하는 소비자의 능력도 기여할 가능성이 높습니다.

 

분뇨 인 배설을 줄이기 위해 Phytase를 사용하는 것과 관련된 한 가지 환경적 우려는 유리 또는 용해성 인의 증가에 수반될 수 있다는 것입니다(81).

식이 Phytase 보충으로 인해 총 인 배설이 크게 감소하지만 배설물 내 수용성 인이 약간 증가할 수 있습니다.

이러한 부작용을 피하거나 최소화하기 위해 동물이 실제로 필요한 인을 방출하려면 사료에 적절한 phytases를 포함시키는 정확한 처방이 필요합니다(9).

근로자의 분말 Phytase 노출에 대한 알레르기 반응은 오랫동안 알려져 왔으며(5) 특정 면역글로불린 E 면역 반응과 연관되어 있습니다.

최근에는 직업성 천식(82)과 과민성 폐렴(83)도 동물 사료 산업에서 Phytase 노출과 관련이 있는 것으로 나타났습니다.

분말 Phytase가 이러한 유해한 영향을 미칠 수 있으므로 적절한 건강 및 안전 조치를 취해야 합니다.

Phytase 기술이 식물과 동물로 확장됨에 따라 이러한 건강 문제는 동물 사료 산업을 넘어 확장될 수 있습니다.

실제로 Phytase 형질전환 쌀에서 알레르기성 단백질이 증가했는지 확인하기 위한 연구가 수행되었습니다(84).

또 다른 실험에서는 Enviropig®의 돼지고기에 대한 알레르기성을 판단할 필요성이 언급되었습니다(85).

 

 

 

Phytase-Transgenic Plants as an Alternative Technology

 

 

작물 기주 배열에서 HAPhy(87) 및 BPPhy(88) 유전자를 과발현하여 여러 피타제 형질전환 식물phytase-transgenic plants(86)이 만들어졌습니다.

이 연구는 주로 세 가지 주요 목표 중 하나에 중점을 두었습니다.

첫 번째 주요 목표는 phytase를 상업적으로 생산하는 대체 수단을 고안하는 것이었습니다.

이에 대한 두 가지 예는 피타제 형질전환 담배phytase-transgenic tobacco(89)와 알팔파alfalfa(87)에 대한 연구입니다.

후자의 연구에서 A. niger HAPhy는 알팔파alfalfa의 아포플라스트에 국소화되도록 설계되었습니다.

따라서 재조합 phytase의 대부분은 허브를 가공할 때 부산물인 추출된 주스에 들어 있습니다.

사료 적용을 위한 phytase를 생산하기 위해 형질전환 식물을 사용할 때 우려되는 점은 펠릿화 중 phytase의 열 불활성화입니다.

두 번째 주요 목적은 식물에서 형질전환 phytase를 발현하여 동물과 인간이 소비하는 종자와 곡물의 피트산phytic acid을 줄이는 것이었습니다.

인간의 경우, 이러한 접근법은 주요 식품의 phytate에 의한 미량 원소의 킬레이트화로 인한 전반적인 철 및 아연 결핍을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다(78).

목표는 피트산 수준이 낮은 품종을 생산하기 위한 육종 프로그램과 유사하며, 형질전환 벼 연구(78)는 인간에 대한 철분의 생체 이용률을 향상시키기 위해 다른 가공 단백질 또는 강화제를 추가로 통합했습니다.

여기에는 쌀 배유의 철분 함량을 증가시키는 피토페리틴과 장내 철분 흡수를 개선하는 시스테인이 풍부한 펩타이드가 포함되어 있습니다.

그러나 이전에 보고된 내열성 Aspergillus fumigatus phytase(90)는 요리 후에도 활성을 유지하지 않았습니다(20).

실제로, 천연 및 재조합 A. fumigatus phytase의 열안정성에 차이가 있는 것으로 나타났습니다(86).

세 번째 주요 목적은 식물이 토양에서 피트산염의 활용을 향상시키는 것이었습니다.

많은 토양 유형에 풍부한 피트산염이 있음에도 불구하고 뿌리 삼출물에는 phytase 활성이 거의 포함되어 있지 않기 때문에 식물에서는 인 공급원으로 효과적으로 활용되지 않습니다.

식물 뿌리에서 phytase의 과발현이 개발되어 이 토양 피테이트phytate를 인의 공급원으로 활용할 수 있다면 농업에서 인 비료에 대한 지속적인 필요성이 완화될 것입니다.

Richardsonet al. (91)은 A. niger NRRL 3135 phyA 유전자를 발현하도록 Arabidopsis를 조작하여 식물 뿌리가 형질전환 phytase를 근권으로 분비할 수 있도록 했습니다.

이들의 연구는 피트산염이 유일한 인 공급원일 때 대조군과 비교하여 향상된 인 영양과 성장을 보이는 형질전환 계통을 탄생시켰습니다.

 

식물 뿌리 주변의 근권에서 phytate를 최적으로 가수분해하기 위해 phytase를 적응시키는 데에는 몇 가지 요인을 고려해야 합니다.

phytase 의 등전점isoelectric point(pI)은 이러한 가수분해에 중요한 요소인 것 같습니다(92).

Peniophora lycii phytase 낮은 pI(3.6)는 토양 환경에 더 잘 용해되도록 허용하여 pI가 5.0인 A. niger phytase보다 phytate 가수분해에 더 효과적입니다.

E. coli AppA의 결정 구조와 비교하여 Klebsiella sp. ASR1 PhyK는 활성 부위 주위에 더 견고한 구조를 표시하여 더 넓은 기질 스펙트럼을 생성하고 식물 근권 효소의 요구 사항을 충족하는 데 더 적합합니다(93).

이 식물 관련 Klebsiella PhyK는 자연적으로 phytate 에서 인을 제거하는 세포외 HAPhy입니다.

단단한 촉매 주머니로 인해 피트산염 결합에 항상 적합한 형태가 됩니다.

이 특징은 다양한 기질을 수용하고 일정한 속도로 인산염을 유리시키는 효소를 선호하는 진화적 선택에서 유래할 수 있습니다.

Tanget al. (94)은 침전된 phytate를 동화시키기 위해 뿌리/근권 환경에서 세 가지 클래스의 피타제(HAPhy, BPPhy 및 PAPhy)의 성능을 비교했으며, 유기산에 대한 이들 효소의 내성이 결정 요인이라고 제안했습니다.

인 스트레스 하에서 식물 뿌리는 인 획득을 촉진하기 위해 구연산염과 말산염을 분비합니다.

따라서 토양 phytate로부터 더 많은 인을 얻기 위한 식물의 유전공학은 phytase 분비와 유기산 배설을 모두 향상시킴으로써 달성될 수 있습니다.

 

• Thermostability: resistance of a protein to heat denaturation; attributed to high melting temperature or protein refolding after cooling

 

 

 

Phytase-Transgenic Animals as an Alternative Technology

 

가장 잘 알려진 피타제 형질전환 동물은 Enviropig이다(76).

이들 돼지는 타액선에서 E. coli appA 유전자 산물을 과발현하도록 형질전환되었습니다.

이 새로운 기술의 성공은 이들 동물의 대변 인 배설이 75% 감소함으로써 확인되었습니다.

다른 보고된 phytase  형질전환 동물로는 송사리(Oryzias latipes)(95)와 같은 어류와 생쥐(96)가 있습니다.

변형된 조류 다중 이노시톨 폴리포스페이트 포스파타제 피테이트 분해 효소가 닭 세포주에서 과다생산되었습니다(38).

이 연구는 형질전환에 대한 대중의 수용이 있음에도 불구하고 피테이트 소화가 개선된 가금류 품종의 개발 가능성을 제시했습니다.

식용 동물은 여전히 ​​낮습니다.

 

 

 

Low-Phytate Crops as an Alternative Technology

 

저 피트산 돌연변이체를 사용하여 옥수수, 보리, 쌀, 밀과 같은 저 피트산 대두 및 곡물을 개발하는 데 상당한 성공을 거두었습니다(97).

인과 기타 원소의 동물과 인간의 영양을 개선하는 데 있어 이러한 저피트산 작물의 효과는 잘 문서화되어 있습니다(98-103).

따라서 이러한 낮은 피트산 수준의 품종을 널리 채택하면 과도한 종자 피트산으로 인해 발생하는 식이 및 환경 문제를 완화하기 위한 추가 수단을 제공할 수 있습니다.

그러나 피테이트는 식물의 대사 및 생리학 조절에 관여합니다(104).

이는 피테이트가 정상적인 종자 발아, 식물 성장 및 질병 저항에 필수적인 것처럼 보이게 만드는 것 같습니다.

식물에서 상당한 양의 피테이트를 제거할 때 발생할 수 있는 잠재적인 부작용은 완화될 수 있지만 완전히 피할 수는 없습니다(104).

예를 들어, 피트산 함량이 낮은 작물은 자생 야생종에 비해 수확량이 낮고 스트레스 민감성이 더 높습니다(105).