β-半乳糖苷酶在低聚半乳糖生产中的应用

β-半乳糖苷酶在低聚半乳糖生产中的应用

摘要：β-半乳糖苷酶是一种可以把乳糖水解成半乳糖和葡萄糖的酶。低聚半乳糖是一种具有天然属性的功能性低聚糖，在食品及保健品中应用广泛。因此，研究β-半乳糖苷酶在低聚半乳糖生产中的应用具有极强的现实意义。

关键词：β-半乳糖苷酶；低聚乳糖；生产方法；工艺过程控制；固定化反应器；酶分离提取方法

Abstract：β- galactose glucoside enzyme is a kind of enzyme that can put the lactose hydrolysis into galactose and glucose. Low poly galactose is a natural functional oligosaccharide which has been widely applied in food and health products. Hence, doing Research of β-galactose glucoside enzyme’ application in the low poly galactose production has strong practical significance.

Key words：β- galactosidase； galacto-Oligosaccharides；method of production; process control; immobilized enzyme reactor; methods of Extraction and Isolation

β-半乳糖苷酶,简称乳糖酶，广泛存在于各种动物、植物及微生物中。β-半乳糖苷酶的最初应用也是利用其水解乳糖的性质来降低乳制品中的乳糖含量。利用各种技术手段研究β-半乳糖苷酶在低聚半乳糖生产中的应用具有一定现实意义[1]。

1.菌株选育

1.1低聚半乳糖生产法

低聚半乳糖(GOS)是一种具有天然属性的功能性低聚糖，其分子结构一般是在半乳糖或葡萄糖分子上连接1-7 个半乳糖基，即Gal-(Gal)n-Glc/Gal(n 为0-6)。在自然界中，动物的乳汁中存在微量的GOS，而人母乳中含量较多，婴儿体内的双歧杆菌菌群的建立很大程度上依赖母乳中的GOS 成分。

1.2发酵法中发酵工艺过程控制

培养基是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的、按一定比例配制的多种营养物质的混合物。

培养基的选择：

（1）根据微生物的特点选择培养基

（2）根据发酵方式选择培养基

发酵工业中大多采用液体培养基培养种子和进行发酵，并根据微生物对氧的需求，分别作静止或通风培养。而固体培养基则常用于微生物菌种的保藏、分离、菌落特征鉴定、活细胞数测定等方面。

1.3从生产实践和科学试验的不同要求选择

种子培养基要求营养丰富、完全，氮源、维生素的比例应较高，所用原料也应是易于被微生物菌体吸收利用。常用葡萄糖、硫酸铵、尿素、玉米浆、酵母膏、麦芽汁、米曲汁等作为原料配制培养基。

发酵培养基除需要维持微生物菌体的正常生长外，主要是要求合成预定的发酵产物，所以，发酵培养基碳源物质的含量往往要高于种子培养基。当然，如果产物是含氮物质，应相应的增加氮源的供应量。

1.4从经济效益方面考虑选择生产原料

以价廉、来源丰富、运输方便、就地取材以及没有毒性等为原则选择原料。

培养基的配制原则：

（1）根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基

（2）营养成分的恰当配比C/N

培养基的组分 (包括这些组分的来源和加人方法)、配比、缓冲能力、黏度、消毒是否彻底、消毒后营养破坏的程度及原料中杂质的含量都对菌体生长和产物形成有影响。可考虑用“正交试验设计”等数学方法来确定培养基组分和浓度。同时还要注意生理酸、碱性盐和pH缓冲剂的加入和搭配[2]。

一般发酵工业中碳氮比约为100: (0.2-2.0)，但在氨基酸发酵中，因为产物中含有氮，所以碳氮比就相对高一些。注意快速利用的碳 (氮)源和慢速利用的碳 (氮源)的相互配合，选用适当的碳氮比。一般发酵工业中碳氮比约为100:(0·2-2·0)，但在氨基酸发酵中，因为产物中含有氮，所以碳氮比就相对高一些。如谷氨酸发酵的C:N=100:(15-21)。

（3）渗透压

在发酵生产过程中，通常趋向在较高浓度下进行发酵，以提高产物产量，并尽可能选择高渗透压的生产菌株。

(4) 物理、化学条件适宜

各种微生物均有其生长繁殖的最适pH，细菌为7.0～8.0，放线菌为7.5～8.5，酵母为3.8～6.0，霉菌为4.0～5.8。对于具体的微生物菌种，都有各自的特定的最适pH范围，有时会大大突破上述界限。在微生物生长繁殖过程中，会产生能够引起培养基的pH改变的代谢产物，尤其是不少微生物有很强的产酸能力，如不适当地加以调节，就会抑制甚至于杀死其自身。在设计培养基时，要考虑培养基的pH调节能力。一般应加入缓冲液或CaCO3，使培养基的pH稳定。

2.固定化酶的应用

酶是高效、专一性强的生物催化剂。生物体内的各种化学反应都是在酶催化下进行的，但是自由酶在水溶液中很不稳定，可溶性酶一般只能一次性地起催化作用，同时，酶是蛋白质对热、高离子浓度、强酸、强碱及部分有机溶剂等均不够稳定，容易失活而降低其催化能力，这些不足大大限制了酶促反应的广泛应用。固定化酶技术克服了自由酶的上述不足，并且酶可以回收及重复使用，从而成为生物技术中最为活跃的研究领域之一。

酶的固定化方法可大致分为吸附法、共价偶联法、交联法和包埋法等4 种[3]。

2.1吸附法

吸附法是指通过载体表面和酶表面间的次级键相互作用而达到酶固定化的方法，根据吸附剂的特点又可分为物理吸附和离子交换吸附。该法具有操作简便、条件温和及吸附剂可反复

使用等优点，但也存在吸附力弱，易在不适pH、高盐浓度、高底物浓度及高温条件下解吸脱落的缺点。

2.2共价偶联法

共价偶联法是将酶的活性非必须侧链基团与载体的功能基通过共价键结合，故表现出良好的稳定性，有利于酶的连续使用，是目前应用和研究最为活跃的一类酶固定化方法，但共价偶联反应容易使酶变性而失活。

2.3交联法

交联法是利用双功能或多功能基团试剂在酶分子之间交联架桥固定化酶的方法，其更易使酶失活。

2.4包埋法

包埋法包括网格包埋、微囊型包埋和脂质体包埋等，包埋法中因酶本身不参与化学结合反应，故可获得较高的酶活力回收，其缺点是不适用于高分子量底物的传质和用于柱反应系统，且常有扩散限制等问题。