什么动物能消化牛奶?

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在人类的进化历程中,能够利用乳糖的能力似乎也同时发生了变化。当人类进入农耕时代,一些人开始将喝牛奶或吃奶制品当成日常生活的一部分。与此同时,他们的肠道中开始出现大量的乳糖酶,这些乳糖酶能分解乳汁中的乳糖。最终,这些人的基因组中就会拥有一个常绿水样素基因,从而能让他们终其一生都享用乳汁。大约在7500年前,波罗的海地区的人们就获得了这种能力;5000年前,中东地区也出现了第一批能终其一生享用乳汁的人;约1000年前,中国北部的一些人也开始拥有消化乳汁的能力。从进化的角度来说,这些变化堪称“一眨眼”的功夫。人类学家认为,能享用乳汁的好处是相当显而易见的:与羊、牛打交道要比狩猎、觅食更为轻松,因此能拥有更可靠的食物来源。

尽管人类能消化乳糖是一种值得注意的进化变化,但事实证明,我们并不是地球上唯一拥有这一能力的生物。一些细菌也能消化乳糖,而且速度要比人类快得多。我们能感受到细菌消化乳糖的证据之一就是酸奶。

牛奶在温暖潮湿的环境中会变质,乳糖与牛奶中其他成分结合,形成一种带有酸味和臭味的新物质。这种变化是由于环境中微生物的活动所致。这些微生物代谢牛奶中的乳糖,产生乳酸和其他副产品(如味道和香气各不相同的短链醇)。这些副产品既能让微生物抑制竞争者和病原体的生长,又能保留牛奶的营养特性,同时改善其味道,酸奶就是这样诞生的。

与人类一样,细菌代谢乳糖也需要酶(乳糖酶)的作用。20世纪初期,在瑞典和丹麦的牛奶储存桶和牛奶管道结垢中发现的一种微生物能产生大量的乳糖酶。人们将这种微生物命名为产乳糖片球菌(lac-ticaseibacilluscasei),它能分解牛奶中的乳糖。分解产物中有一种成分名为丙二醇,丙二醇能与变质过程中产生的挥发性脂肪酸结合,形成香味成分。而这一过程产生的其他挥发性成分也是丹麦蓝奶酪那令人愉悦的气味的来源。除了能生产美味的乳品外,产乳糖片球菌的乳糖酶还被用作工业酶,专门用来催化乳糖水解。

如今,从分子水平来看,产乳糖片球菌的乳糖酶的工作原理已经可以得到详细的解释。产乳糖片球菌的乳糖酶由两条相同的多肽链组成。每条多肽链都可识别乳糖分子的半乳糖部分,同时将β-1,4-糖苷键定向水解。也就是说,β-1,4-糖苷键中的糖苷键在有水参与的情况下会破裂,形成由葡萄糖和半乳糖组成的产物。在反应过程中,半乳糖部分结合在多肽链的活性基里面,而葡萄糖部分则暴露在酶的外面,这样水更容易与葡萄糖部分接触,葡萄糖和半乳糖之间的糖苷键也更容易发生水解反应,导致葡萄糖与半乳糖脱离。葡萄糖和半乳糖脱离后,葡萄糖被释放,半乳糖带着酶的一个亚基移动到另一个作用基中,并在此与水反应进行水解,形成另一个葡萄糖分子。最后,两个葡萄糖和一个半乳糖分子脱离作用基,酶分子恢复最初的状态,进入下一个循环。

产乳糖片球菌乳糖酶高效的水解反应速度使其在工业生产中得到了广泛的应用。例如,为了生产低乳糖奶或无乳糖奶,人们将产乳糖片球菌乳糖酶与牛奶一起孵育一段时间后,再对酶进行灭活,并对牛奶进行巴氏杀菌处理和包装。在一些国家,该乳糖酶也被用作治疗乳糖不耐受的人群。但是,一些研究发现,该乳糖酶的用量要达到非常高的浓度才能起到作用,因此,该乳糖酶在临床治疗中的应用价值尚不清楚。

然而,人类的乳糖酶跟产乳糖片球菌的乳糖酶很不一样,人类的乳糖酶属于完全不同的酶家族,且只能在碱性pH值环境下起作用。人类的乳糖酶也不能降解乳糖生成葡萄糖,它只能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。这是由于人类肠道的正常环境不适合酸性乳糖酶发挥作用。

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