乳糖酶及其在動物體內(nèi)活性變化的影響因素研究進(jìn)展

■馬 杰 唐小懿 陳清華* 劉明峰

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410128；2.山東隆科特酶制劑有限公司，山東臨沂276400）

乳糖僅在哺乳動物的奶中發(fā)現(xiàn)，是早期用于生長和發(fā)育的重要能量來源，但是在成年期沒有獨(dú)特的營養(yǎng)價值，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。由于許多幼齡動物小腸黏膜上缺乏乳糖酶，導(dǎo)致母乳中的乳糖無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，它不僅對人類造成危害，而且對動物也有很大的影響，阻礙著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[1-4]?，F(xiàn)對乳糖酶的來源、酶學(xué)特性、作用機(jī)理、動物體內(nèi)乳糖酶活性變化及其影響因素等進(jìn)行綜述。

1 乳糖酶的來源

自然條件下，幼齡哺乳動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，斷奶以后基本不會再自然地攝入大量乳糖。大多數(shù)哺乳動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)哺乳動物腸道內(nèi)，乳糖酶活性大都隨著年齡的增長而不斷降低[5]，直至一個較低的水平。天然來源的乳糖酶主要存在于幼齡哺乳動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]，這些來源不同的乳糖酶，其酶學(xué)性質(zhì)也不同[9]。目前，國際市場用于工業(yè)化生產(chǎn)的乳糖酶主要來源于克魯維酵母和米曲霉[10]。

2 乳糖酶的酶學(xué)特性

不同來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]。

3 乳糖酶的作用原理

乳糖不能被機(jī)體直接消化吸收，而是要通過乳糖酶水解，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，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)酶的受體是乳糖時會生成一個三糖即低聚半乳糖；當(dāng)酶的受體是其他的糖類或者醇類時，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)時間的影響。乳糖酶上Cys的巰基和His的咪唑基兩個重要功能基團(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)過程中，水解產(chǎn)物的構(gòu)型并沒有發(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]。

4 動物體內(nèi)乳糖酶活性變化及其影響因素

在自然條件下，乳糖是大多數(shù)幼齡動物的能量來源，斷奶以后，基本不會再攝取乳糖。但乳糖卻難以被動物消化吸收，這嚴(yán)重影響幼齡動物的生長和發(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，探究動物體內(nèi)乳糖酶的活性也極為重要。

4.1 日糧對乳糖酶活性的影響

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，隨后通過定量實(shí)時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。

4.2 日齡對乳糖酶活性的影響

高振華等[27]對不同日齡，不同腸段的獺兔消化酶活性進(jìn)行測定。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逐漸降低。蘭云賢等[29]測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，乳糖酶活性顯著高于其余日齡。大多數(shù)哺乳動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)定地保持一個較低的水平。

4.3 其他因素對乳糖酶活性的影響

乳糖酶活性在動物體內(nèi)不斷變化，其他因素也會影響乳糖酶活性。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。

5 小結(jié)

隨著對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物生產(chǎn)上的應(yīng)用與研究卻很少。乳糖是幼齡哺乳動物主要的能量來源，如果動物體內(nèi)乳糖酶缺乏，乳糖消化吸收會發(fā)生障礙，將會導(dǎo)致幼齡哺乳動物腹瀉，胃腸道功能紊亂等，甚至導(dǎo)致動物死亡，這會直接影響經(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，乳糖酶將會在動物生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。