■馬 杰 唐小懿 陳清華* 劉明峰
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410128;2.山東隆科特酶制劑有限公司,山東臨沂276400)
乳糖僅在哺乳動(dòng)物的奶中發(fā)現(xiàn),是早期用于生長(zhǎng)和發(fā)育的重要能量來(lái)源,但是在成年期沒(méi)有獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,乳糖只有被乳糖酶水解后才能被機(jī)體吸收。乳糖酶化學(xué)名稱為β-D-半乳糖苷水解酶,又名β-半乳糖苷酶。乳糖酶廣泛分布于哺乳動(dòng)物小腸微絨毛膜表面,它能水解乳糖分子中的半乳糖苷鍵,產(chǎn)物是半乳糖和葡萄糖兩種單糖,也具有半乳糖苷轉(zhuǎn)移作用。由于許多幼齡動(dòng)物小腸黏膜上缺乏乳糖酶,導(dǎo)致母乳中的乳糖無(wú)法在小腸被消化吸收,當(dāng)未消化的乳糖進(jìn)入結(jié)腸后被細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生乳酸、其他有機(jī)酸等短鏈脂肪酸、二氧化碳和氫氣,導(dǎo)致常見(jiàn)的乳糖不耐癥的癥狀:腸胃脹氣,腹痛,甚至腹瀉等癥狀。乳糖酶缺乏是乳糖不耐癥與乳糖吸收不良的總稱,它不僅對(duì)人類造成危害,而且對(duì)動(dòng)物也有很大的影響,阻礙著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[1-4]。現(xiàn)對(duì)乳糖酶的來(lái)源、酶學(xué)特性、作用機(jī)理、動(dòng)物體內(nèi)乳糖酶活性變化及其影響因素等進(jìn)行綜述。
自然條件下,幼齡哺乳動(dòng)物只能從母乳中攝取乳糖,再經(jīng)乳糖酶分解后被機(jī)體吸收,斷奶以后基本不會(huì)再自然地?cái)z入大量乳糖。大多數(shù)哺乳動(dòng)物在斷奶前后乳糖酶活性不斷降低,直至完全消失。所以在自然條件下,乳糖酶在機(jī)體從出生到斷奶期間起重要作用。大多數(shù)哺乳動(dòng)物腸道內(nèi),乳糖酶活性大都隨著年齡的增長(zhǎng)而不斷降低[5],直至一個(gè)較低的水平。天然來(lái)源的乳糖酶主要存在于幼齡哺乳動(dòng)物腸道黏膜和植物的花粉、果實(shí)中,腸道中的乳糖酶是由乳糖酶基因編碼翻譯而成的,再通過(guò)羧基端的氨基酸序列鏈接到小腸微絨毛膜表面。細(xì)菌、霉菌、酵母以及放線菌等微生物通過(guò)發(fā)酵也可產(chǎn)生乳糖酶,其中產(chǎn)乳糖酶的細(xì)菌主要有大腸桿菌、乳酸菌、環(huán)狀芽孢桿菌、雙歧桿菌、保加利亞德氏乳桿菌等;霉菌中主要是黑曲霉、米曲霉、疏曲霉等;酵母中主要是克魯維酵母、熱帶假絲酵母等;放線菌有天藍(lán)色鏈霉菌等[6-8],這些來(lái)源不同的乳糖酶,其酶學(xué)性質(zhì)也不同[9]。目前,國(guó)際市場(chǎng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的乳糖酶主要來(lái)源于克魯維酵母和米曲霉[10]。
不同來(lái)源的乳糖酶可以分為胞內(nèi)酶和胞外酶。胞內(nèi)酶包括脆壁克魯維酵母和大多數(shù)細(xì)菌產(chǎn)的酶;胞外酶包括黑曲霉、米曲霉、酵母、米根霉等產(chǎn)的酶。這些不同來(lái)源的酶的性質(zhì)有很大的不同,它們的最適pH值在4.0~7.5范圍之內(nèi),不同的最適pH值決定了各自的作用環(huán)境和用途[11-12]。霉菌產(chǎn)的乳糖酶最適pH值在2.5~5.0之間,最適溫度在50~60℃之間,該酶適用于干酪和酸性乳清的水解;細(xì)菌產(chǎn)的乳糖酶最適pH值在6.5~7.5之間,最適溫度則有不同,但大都在65~80℃之間;酵母產(chǎn)的乳糖酶最適pH值在6~7之間,最適溫度在35℃左右,它和細(xì)菌產(chǎn)的乳糖酶都適合于加工牛乳和甜乳清[13-16]。
乳糖不能被機(jī)體直接消化吸收,而是要通過(guò)乳糖酶水解,將乳糖水解為易被機(jī)體吸收的半乳糖和葡萄糖。有研究表明,酶的催化方式主要受酶受體種類的影響,當(dāng)酶受體是水時(shí),就發(fā)生水解反應(yīng),產(chǎn)物是葡萄糖和半乳糖兩種單糖;當(dāng)酶的受體是乳糖時(shí)會(huì)生成一個(gè)三糖即低聚半乳糖;當(dāng)酶的受體是其他的糖類或者醇類時(shí),則發(fā)生轉(zhuǎn)糖基反應(yīng),且該反應(yīng)受pH值、溫度和反應(yīng)時(shí)間的影響。乳糖酶上Cys的巰基和His的咪唑基兩個(gè)重要功能基團(tuán)可影響乳糖的水解,巰基使半乳糖苷鍵的氧原子質(zhì)子化,而咪唑基則進(jìn)攻半乳糖分子的第一位碳原子,形成一個(gè)含碳?xì)滏I的中間物,可進(jìn)一步水解乳糖。在這些反應(yīng)過(guò)程中,水解產(chǎn)物的構(gòu)型并沒(méi)有發(fā)生變化,依舊是β-構(gòu)型。通常情況下,機(jī)體內(nèi)由于水的濃度相對(duì)較高,則主要水作為酶的受體,發(fā)生水解反應(yīng),生成單糖以供機(jī)體吸收,很少生成低聚半乳糖[17-21]。
在自然條件下,乳糖是大多數(shù)幼齡動(dòng)物的能量來(lái)源,斷奶以后,基本不會(huì)再攝取乳糖。但乳糖卻難以被動(dòng)物消化吸收,這嚴(yán)重影響幼齡動(dòng)物的生長(zhǎng)和發(fā)育,乳糖酶可以把乳糖分解為葡萄糖和半乳糖兩種單糖供機(jī)體吸收。因此,探究動(dòng)物體內(nèi)乳糖酶的活性也極為重要。
劉文宗等[22]給斷奶仔豬分別飼喂不含乳糖的玉米-豆粕型飼料和高乳糖含量的乳清粉日糧,發(fā)現(xiàn)乳糖酶主要分布于十二指腸段、空腸前段和空腸后段,且乳糖酶屬于誘導(dǎo)酶即乳糖能誘導(dǎo)斷奶仔豬小腸產(chǎn)生乳糖酶。Pieper R等[23]給新生仔豬(每組n=8)喂養(yǎng)基于牛奶的配方(FO)或允許其哺乳[母乳(SM)]2周,隨后通過(guò)定量實(shí)時(shí)PCR分析細(xì)菌群的酶活性,細(xì)菌代謝物和16S rRNA轉(zhuǎn)錄物。與SM組相比,F(xiàn)O組的空腸和結(jié)腸中空腸乳糖酶活性較低,乳糖濃度較高(P<0.05);除了乳糖,礦物質(zhì)濃度也可以改善FO飼養(yǎng)的仔豬的胃腸道中的微生物群落。牛越峰等[24]用兩種不同代乳料(牛奶粉代乳和魚粉代乳)飼喂羔羊,結(jié)果表明,在14日齡前,飼喂牛奶粉代乳羔羊的十二指腸乳糖酶活性和mRNA表達(dá)量顯著高于飼喂魚粉代乳的羔羊,但之后乳糖酶活性變化基本相同且趨于穩(wěn)定,mRNA表達(dá)量增加。李鳳鳴等[25]研究發(fā)現(xiàn)飼喂牛奶粉代乳料羔羊的乳糖酶活性最高在空腸前段,其余依次是空腸中段、十二指腸、空腸后段,最低則在回腸;飼喂魚粉代乳料時(shí)羔羊小腸乳糖酶活性規(guī)律與飼喂牛奶粉代乳料相似,但活性顯著降低,平均是飼喂牛奶粉代乳料的46.0%。劉飛飛等[26]研究發(fā)現(xiàn)斷奶仔豬小腸黏膜二糖酶活性及其基因表達(dá)量受不同能源結(jié)構(gòu)的影響,且小腸黏膜蔗糖酶/異麥芽糖復(fù)合物(SI)mRNA表達(dá)隨著碳水化合物與植物油脂能值比(CEV/FEV)的降低而顯著降低;小腸黏膜中乳糖酶活性隨著CEV/FEV的降低呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
高振華等[27]對(duì)不同日齡,不同腸段的獺兔消化酶活性進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明,乳糖酶活性隨著日齡的增大逐漸降低,相同日齡比較時(shí)發(fā)現(xiàn)空腸乳糖酶活性最高,其次是十二指腸和回腸,盲腸最低。張英杰等[28]測(cè)定了小尾寒羊羔羊小腸pH值及主要消化酶的活性,結(jié)果表明羔羊十二指腸和回腸乳糖酶活性顯著低于空腸,且乳糖酶活性隨著羔羊日齡的增長(zhǎng)逐漸降低。蘭云賢等[29]測(cè)定了不同日齡榮昌乳仔豬小腸二糖酶的活性,發(fā)現(xiàn)十二指腸在15日齡,空腸前段和中段分別在15日齡和11日齡時(shí),乳糖酶活性顯著高于其余日齡。大多數(shù)哺乳動(dòng)物乳糖酶活性從出生到斷奶前后持續(xù)降低,之后一直穩(wěn)定地保持一個(gè)較低的水平。
乳糖酶活性在動(dòng)物體內(nèi)不斷變化,其他因素也會(huì)影響乳糖酶活性。馮俊等[30]分別在斷奶仔豬基礎(chǔ)日糧中添加谷氨酰胺、殼聚糖及其二者復(fù)合物,研究結(jié)果表明復(fù)合組(1.00%谷氨酰胺+0.04%殼聚糖)斷奶仔豬小腸乳糖酶活性得到顯著提高。張曉利等[31]建立小鼠腹瀉模型,探究四君子湯對(duì)腹瀉小鼠腸道黏膜乳糖酶活性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)小腸前段乳糖酶活性最高,小鼠腹瀉時(shí)小腸各段乳糖酶活性降低;給小鼠灌胃1 ml/d的四君子湯在3 d后可顯著提高小腸各段乳糖酶的活性。孫哲等[32]通過(guò)體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)證明,小麥可溶性非淀粉多糖(SNSP)可顯著抑制肉仔雞小腸黏膜乳糖酶的活性。
隨著對(duì)乳糖酶不斷深入的研究,乳糖酶也逐漸步入人們的視野中,乳糖酶不僅在食品、乳制品工業(yè)得到廣泛應(yīng)用,而且在治療人類乳糖不耐癥上也有突出表現(xiàn)。但是乳糖酶作為飼用酶制劑添加劑在動(dòng)物生產(chǎn)上的應(yīng)用與研究卻很少。乳糖是幼齡哺乳動(dòng)物主要的能量來(lái)源,如果動(dòng)物體內(nèi)乳糖酶缺乏,乳糖消化吸收會(huì)發(fā)生障礙,將會(huì)導(dǎo)致幼齡哺乳動(dòng)物腹瀉,胃腸道功能紊亂等,甚至導(dǎo)致動(dòng)物死亡,這會(huì)直接影響經(jīng)濟(jì)效益。乳糖酶作為一種新型飼用酶制劑添加劑可改善這一現(xiàn)狀,提高生產(chǎn)效益。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,乳糖酶將會(huì)在動(dòng)物生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。