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乳糖酶与乳糖特性及其在动物机体中的代谢与应用进展

时间:2011-07-22 12:53:57  来源:  作者:朱曲波
朱曲波[2]张勤[1]刘文宗[2]陈永惠[3]刘琪[3]袁峰[2]
[1]中国农业大学动物科技学院   北京 100085
[2]西南大学动物科技学院       重庆荣昌 402460
[3]重庆畜牧科学研究院         重庆荣昌 402460
摘 要 乳糖作为哺乳动物重要的能量来源,对幼畜的生长、发育起到了重要的作用。但随着幼畜年龄的增长,特别是断奶以后,哺乳幼畜肠道内缺乏乳糖酶的分解,容易引起 “乳糖不适症”,导致幼畜消化障碍、腹泻、生长不良等病症,从而也受到了国内外专家学者的高度重视。本文就乳糖及乳糖酶的理化特性、生理功能、应用研究进展与乳糖不耐症、乳糖酶固定化研究以及乳糖在小肠、血液中的代谢情况作出了较为详尽的阐述。
关键词  乳糖 乳糖酶 综述
乳糖(lactose)在1619年被意大利科学家法勃里契首次发现,1694年泰司其对其命名, 人类因乳糖代谢障碍引起的疾病,到1963年才首次正式报告。据报道,我国87%的儿童和90%以上的成人体内因缺乏能够分解乳糖的乳糖酶,饮用牛奶后会引起“乳糖不适症”,大大降低了乳及乳制品的消费[1],也极大地影响了我国乳业发展。在自然界,乳糖几乎只存在于哺乳动物的乳汁中,其中牛乳浓度占4.5~5.0%,人乳浓度占6~8%。乳糖是哺乳幼畜重要的能量来源,也是乳婴母乳食物中主要的糖源[2,3],其甜度相当于蔗糖的1/6[4]
1 乳糖的理化特性
乳糖(lactose),其分子式C12H22O11.H2O,系统命名为4-β-D-半乳糖苷-1-β-D-葡萄糖,是由一分子D-半乳糖以β-1,4糖苷键结合而成的还原性双糖。其结构式为:

乳糖在乳中全部呈溶解状态,是牛乳成分中浓度最稳定的一部分。乳糖在乳中有三种状态:α—乳糖、β-半乳糖和少量的醛型乳糖,其旋光度、溶解度、甜度均不相同。乳糖分子结构中的葡萄糖部分有α型和β-型,半乳糖部分都是β-型。乳糖在乳中晶粒为10~20nm[5]
α乳糖和β-半乳糖属于同分异构体,在乳液中可相互转变,并时常处于动态平衡状态。当温度在20℃时,溶液达到平衡:此时α乳糖占37.75%,β-半乳糖占62.25%,平衡常数为1.65[6]
乳糖的溶解度受旋光性影响较大,15℃α乳糖的溶解度为7.1g/100ml, β-半乳糖的溶解度为50.0g/100ml,乳糖水溶液在93.5℃以下结晶,析出的晶体为一水合α乳糖C12H22O11.H2O;在93.5℃以上结晶,析出的晶体为β-半乳糖[6]
高温、无机酸(H2SO4、HCL)的浓溶液可使乳糖水解成一分子葡萄糖和一分子半乳糖。乳糖很容易被氧化,在弱氧化剂的作用下形成乳糖酸,后者转变成为内酯。该反应在实际中常常用于乳与乳制品中乳糖浓度的鉴定。
2 乳糖的生理功能
2.1 乳糖的代谢
乳糖分子中的半乳糖和葡萄糖都是来自于血液葡萄糖。由葡萄糖生成乳糖的反应如下:

 

从乳和乳腺细胞质均浆中分理出来的乳糖合成酶。此酶含有高分子的催化亚基和修饰亚基。经证实:修饰亚基本身没有酶的活力,只有催化亚基和修饰亚基结合才具有乳糖合成酶的活力,生成的复合体叫做“乳糖合成酶”。它的催化专一性就是把UDP-半乳糖的半乳糖基转移给葡萄糖生成乳糖[7]
乳糖不能在胃内消化分解,主要由在肠道内绒毛的顶部成熟上皮细胞和隐窝部分泌的乳糖酶水解。乳糖水解反应发生在葡萄糖和半乳糖之间的氧桥上,其水解产物是一分子葡萄糖和一分子半乳糖。
2.2 乳糖参与的生理活动过程
乳糖在消化道内经乳糖酶作用水解后才能被吸收,如果直接注射于血管或皮下时,则完全从尿中排出。作为幼龄动物的重要能量来源,乳糖有极其广泛的生理作用。
2.2.1 促进钙的吸收 
肠道区域微生物代谢使乳糖产生乳酸,pH降低,从而提高了钙盐的溶解性,乳和钙可形成复合钙提高了钙的溶解性,乳糖及其代谢产生酸可促进胃肠蠕动,促进钙的运输。大大提高了小肠对钙、铁、锌等矿物质的吸收利用。   
2.2.2 调节肠道菌群 
乳糖不能在胃内消化,只能在小肠内受到水解,并在大肠内微生物的作用下产生乳酸,形成大肠肠道酸性环境,抑制大肠肠道嗜碱性微生物的生长(主要是蛋白分解微生物和腐败菌的生长),从而对嗜酸性微生物生长有利。在乳猪试验中,饲喂乳糖10-12d后,好氧菌普遍降低,而对厌氧菌丛却有利,拟杆菌属数量降低。同时乳糖形成的酸性环境抑制了嗜碱性腐败菌和酸过敏菌的生长,有利于促进嗜酸性有益菌(probiotics)生存。也会促进某些有毒矿物质如90Sr等的排泄。用含乳糖、葡萄糖和半乳糖的饲料分别饲养断奶仔猪,结果表明粪便的pH值降低不同[9]
2.2.3 参与细胞组成和细胞活动 
乳糖是糖蛋白和糖脂的组成成分,参与细胞的多种功能,乳中的寡糖有抗感染作用,如流感病毒A和B能分别识别神经氨酸乙酰乳糖(α2-6)胺[NeuNAC(α2-6)lac]、神经氨酸乙酰乳糖(α2-3)胺[NeuNAC(α2-3)lac]和神经氨酸乙酰胺(α2-3R)[NeuNAC(a2-3R)]的9-O-乙酰型,大肠杆菌(S-fimbrine)能识别NeuNAC(α2-3)lac和糖蛋白[9]。在炎症产生时,乳中的寡糖可作为细胞吸附分子的配体参与炎症过程,对防止血管损伤有一定的意义。
2.2.4 提供机体能量 
乳糖的水解产物——葡萄糖和半乳糖,肠道吸收的葡萄糖是猪体内糖的主要来源。葡萄糖和半乳糖通过扩散作用进入血液,由于乳糖比蔗糖的吸收速率慢,因此,它可以长时间地为机体提供能量。经测定1g乳糖产能约16.75KJ,牛奶中热能的25%来自乳糖,乳糖在肠粘膜中被乳糖酶分解为半乳糖和葡萄糖,进入血液,经糖代谢产生ATP,提供机体所需能量[10]
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