過氧化氫酶作為新型抗氧化劑的應(yīng)用及研究進(jìn)展

畢司英，齊 濤，顧甜甜，董建寶*

（1.山東畜牧獸醫(yī)職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261061；2.山東英才學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104）

在畜牧業(yè)生產(chǎn)過程中，外源性因素及內(nèi)源性因素都可引起動(dòng)物發(fā)生應(yīng)激，適當(dāng)?shù)膽?yīng)激對動(dòng)物機(jī)體有一定的保護(hù)作用，可以提高抵抗力、飼料轉(zhuǎn)化率以及生產(chǎn)力[1]。但是當(dāng)這種應(yīng)激超出了動(dòng)物機(jī)體的承受能力，就會打亂其生理平衡造成損傷。例如熱應(yīng)激會破壞肉雞的腸道功能，影響肉雞的生長性能[2]。又例如母畜在妊娠和哺乳階段，由于生理狀態(tài)發(fā)生較大變化，時(shí)常會發(fā)生一些應(yīng)激性疾病，主要表現(xiàn)為對母畜的繁殖性能、泌乳能力、以及幼仔生長性能等方面的影響[3-4]，以上這些情況的出現(xiàn)都會制約畜牧業(yè)的發(fā)展。隨著我國現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展以及人們對動(dòng)物福利意識的增強(qiáng)，動(dòng)物氧化應(yīng)激已經(jīng)逐漸成為行業(yè)研究的重要方向。

1 CAT 與氧化應(yīng)激

1.1 自由基與氧化

自由基在化學(xué)上也稱為“游離基”，是指包含一個(gè)或多個(gè)未成對電子并能獨(dú)立存在的原子或基團(tuán)。生物體內(nèi)常見的自由基有活性氧自由基ROS和活性氮自由基（RNS）。自由基可謂是無處不在，只要有新陳代謝的地方就有自由基的存在，正常情況下，機(jī)體的抗氧化系統(tǒng)會持續(xù)清除多余的自由基，從而使自由基的含量處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。當(dāng)這種平衡被打破時(shí)會怎樣呢？就會因?yàn)樽杂苫隗w內(nèi)的累積而引起氧化損傷，也就是我們平時(shí)所說的氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激這個(gè)概念最早是由美國的RS.Sohal 教授提出來的[5]，他經(jīng)過一系列的研究發(fā)現(xiàn)，自由基的失衡與氧化損傷、機(jī)體衰老甚至腫瘤的發(fā)生都有密切關(guān)聯(lián)。

1.2 CAT 與自由基

自從人們發(fā)現(xiàn)自由基的過量產(chǎn)生是導(dǎo)致動(dòng)物機(jī)體氧化損傷的主要原因之后，各種抗氧化劑的研究以及應(yīng)用就成為了一個(gè)熱點(diǎn)。當(dāng)今飼料行業(yè)常用的抗氧化劑主要有維生素類（VC、VE、β-胡蘿卜素），微量元素類（硒、銅、鋅、錳），人工合成類（乙氧喹、二丁基羥甲苯等）[6]。與這些傳統(tǒng)的抗氧化劑相比，CAT 作為新型的生物源性抗氧化劑，具有高效、安全、副作用小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。

CAT 又稱觸酶，1811 年被泰納爾（Louis Jacques Thénard）首次發(fā)現(xiàn)。1900 年，Oscar Loew 將這種能夠降解過氧化氫的酶命名為“catalase”，即CAT。CAT 可以促使過氧化氫分解為無毒的分子氧和水，從而保護(hù)細(xì)胞免于過氧化氫的毒害，是生物防御體系的關(guān)鍵酶之一。CAT存在于幾乎所有已知?jiǎng)游锏慕M織中，特別是在肝臟中濃度較高。肝臟是最大的解毒器官，這也就提示CAT 可能與機(jī)體解毒功能有關(guān)。正常情況下，動(dòng)物依靠體內(nèi)的 CAT、超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase SOD）、過氧化物酶（Peroxidase POD）組成的活性氧防御系統(tǒng)，共同協(xié)作清除多余的自由基，維持機(jī)體的穩(wěn)定。但是在某些特殊情況下，例如當(dāng)動(dòng)物遭受外界環(huán)境刺激或者是患病時(shí)，體內(nèi)會迅速產(chǎn)生大量的自由基，過量的自由基將會超過抗氧化體系的還原能力，導(dǎo)致機(jī)體氧化損傷[5]。

2 CAT 的生物學(xué)功能及其應(yīng)用

2.1 CAT 抑制炎癥反應(yīng)，保護(hù)腸道細(xì)胞

腸道是動(dòng)物最大的消化器官，是消化食物及選擇性吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要場所，其中起關(guān)鍵作用的結(jié)構(gòu)就是腸黏膜。腸黏膜除了吸收功能之外，還具有屏障功能，這種屏障功能主要表現(xiàn)在機(jī)械屏障、化學(xué)屏障、生物屏障及免疫屏障四個(gè)方面。通過屏障作用，腸道可以阻止病原微生物、炎癥相關(guān)物質(zhì)等的侵入，保護(hù)動(dòng)物機(jī)體的健康[7]。

腸上皮細(xì)胞是腸黏膜的基礎(chǔ)組成單位和功能單位，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)動(dòng)物的腸道功能遭到破壞時(shí)，尤其是腸黏膜受到損傷時(shí)，往往伴隨著ROS 的升高，CAT 因其能分解過氧化氫（ROS 的重要一類）為無害的氧分子和水，所以可以有效降低ROS 的含量，減少氧化損傷。研究發(fā)現(xiàn)ROS 是可以充當(dāng)細(xì)胞表達(dá)第二信使的，它可以激活多種轉(zhuǎn)錄因子，促進(jìn)免疫相關(guān)炎癥因子的表達(dá)，炎癥因子的大量產(chǎn)生必然會加重腸道的損傷及破壞。而CAT 可以有效抑制炎性因子的表達(dá)[8]，提高動(dòng)物機(jī)體抗炎癥能力，改善機(jī)體健康狀況[9-10]。

有些研究者已經(jīng)在這方面做了相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并取得了一定進(jìn)展。例如施志慧等[11]研究發(fā)現(xiàn)，CAT 可以減弱NF-κB 的活化程度，使與免疫相關(guān)的細(xì)胞因子的表達(dá)下調(diào)，進(jìn)而減少炎性細(xì)胞因子的表達(dá)，達(dá)到減輕炎癥反應(yīng)的目的。王群英等[12]通過研究CAT 對大鼠組織學(xué)的影響發(fā)現(xiàn)：CAT 可以有效保護(hù)大鼠腸黏膜，防止炎性細(xì)胞浸潤，減輕炎癥反應(yīng)，緩解大鼠潰瘍性結(jié)腸炎的癥狀，同時(shí)證明對大鼠潰瘍性結(jié)腸炎有明顯的預(yù)防作用。唐明紅等[13]在飼糧中添加CAT 可以提高黃羽肉雞空腸和回腸的絨毛高度，降低隱窩深度，對肉雞肝臟和血清的抗氧化能力也有所提升，并且通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)飼糧中CAT 添加量為200 U/kg 時(shí)效果最佳。又如陳嘉銘[3]等在母豬飼糧中添加CAT 不僅可以提高母豬粗脂肪和粗蛋白質(zhì)的消化率，而且可以顯著降低仔豬的腹瀉率力，同時(shí)推薦了 CAT 的最佳添加量為100 U/kg。這些結(jié)果都說明CAT 對動(dòng)物腸道可以起到很好的保護(hù)作用，并促進(jìn)腸道吸收，維持腸道健康。

2.2 CAT 提高動(dòng)物機(jī)體免疫力

免疫系統(tǒng)是動(dòng)物抵御外界病原微生物對抗疾病的主要武器，因此免疫狀態(tài)的好壞直接影響動(dòng)物的健康狀況。CAT 能夠激活免疫途徑，誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答[14]，增強(qiáng)機(jī)體免疫力。吳金原等[15]研究發(fā)現(xiàn)，CAT 能夠顯著提高動(dòng)物機(jī)體免疫球蛋白的含量，而免疫球蛋白是體液免疫的主要功能成分，免疫球蛋白的升高必然會大大提升動(dòng)物的抗病能力。在家禽研究方面，王洪軍等[16]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CAT 不僅能夠顯著提高肉雞的脾臟指數(shù)和法氏囊指數(shù)，而且可以提高血清中IgM、IgG的含量。由此可見，CAT 對動(dòng)物機(jī)體免疫力的提高有著至關(guān)重要的作用。

2.3 CAT 可以幫助動(dòng)物解毒并有助于動(dòng)物病恢復(fù)

水生生物體內(nèi)CAT 的含量及活性可以反映環(huán)境污染物對其毒害程度[17]，例如研究者在魚的生長環(huán)境中添加不用濃度的水體污染物，作用一段時(shí)間之后檢測魚體的肌肉、肝臟、腎臟中的CAT活性，根據(jù)各個(gè)組織器官中CAT 活性的不同間接反應(yīng)污染物對魚體的毒性損傷程度。在畜禽養(yǎng)殖方面，玉米、豆粕等是重要的飼料原料，但是在加工和儲存過程中又不可避免的會產(chǎn)生霉菌毒素，動(dòng)物攝取了這些飼料以后，毒素就會在體內(nèi)蓄積，久而久之就會中毒。CAT 可以作為飼料添加劑預(yù)防霉菌毒素對畜禽的毒害，對已經(jīng)攝取霉菌毒素的畜禽，CAT 可以幫助其清除毒素，保護(hù)肝腎，減輕毒素的危害[18]。

動(dòng)物在急性病發(fā)作初期，大量自由基過量過快產(chǎn)生，將很快超過身體的負(fù)荷能力，引起氧化應(yīng)激。為了抵抗疾病，機(jī)體會出現(xiàn)CAT 暫時(shí)升高的現(xiàn)象，以清除體內(nèi)產(chǎn)生的過量自由基。病后恢復(fù)期雖然大部分病原被清除了，但機(jī)體內(nèi)分解產(chǎn)生的毒素沒有被及時(shí)清除，這時(shí)候適當(dāng)補(bǔ)充CAT有助于毒素的清除及動(dòng)物的病后恢復(fù)。

3 CAT 在畜牧業(yè)中的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，市面上已經(jīng)有了一些CAT 商品酶，一般作為添加劑使用。CAT 商品酶的來源主要有兩個(gè)方面，一是從動(dòng)物組織中提取，二是微生物發(fā)酵得到。1937 年Sumner 等人得到牛肝CAT 的結(jié)晶，自此人們開始利用不同的方法從各種動(dòng)物組織中提純CAT[19]。例如CAT 在哺乳動(dòng)物的肝臟與紅細(xì)胞中含量較高，相關(guān)研究者就多從動(dòng)物肝臟及血液中提取該酶[20]。隨著微生物技術(shù)的迅速發(fā)展，利用發(fā)酵法提取CAT 逐漸取代了傳統(tǒng)的提取方法，并且已經(jīng)開始工業(yè)化生產(chǎn)[21]，并將成為主流。CAT 還被廣泛應(yīng)用在畜產(chǎn)品消毒及保存方面，例如可利用其去除蛋、奶在紫外線照射過程中所產(chǎn)生的過氧化氫異味；也可以利用其去除牛奶保存或奶酪制造過程中殘余的過氧化氫，由于這一反應(yīng)可以在低溫下進(jìn)行，所以就避免了因高溫造成的蛋白質(zhì)變性和營養(yǎng)物質(zhì)的破壞。

4 小結(jié)

CAT 具有抗氧化應(yīng)激、保護(hù)腸道健康、抑制炎癥反應(yīng)、增強(qiáng)動(dòng)物機(jī)體免疫力、解毒等多種生理功能。目前CAT 已經(jīng)逐漸在畜牧行業(yè)中開始應(yīng)用，例如飼料中添加一定劑量的CAT 可代替氧化鋅的使用。此外很多研究表明CAT 還具有延緩細(xì)胞衰老、預(yù)防腫瘤發(fā)生等重要功能，可以有效地保護(hù)動(dòng)物健康，優(yōu)化畜產(chǎn)品的質(zhì)量，在畜牧行業(yè)中有著巨大的應(yīng)用潛力。