乳糖酶的生产技术及其在食品工业应用研究进展

乳糖酶的生产技术及其在食品工业应用研究进展

摘要：乳糖酶亦称β-半乳糖苷酶，在工业生产中有广泛的应用，本文通过来源及其性质、基础研究与应用等方面对乳糖酶进行综述。

关键词：乳糖酶；固定化；应用

乳是各种哺乳动物哺育其幼仔最理想的天然食物。它富含优质蛋白质、乳脂、乳糖等营养成分和钙、磷、钾等矿物质以及多种维生素，还含有多种免疫物质、酶、激素等具有生理活性调节功能的生物活性物质。

乳糖是哺乳动物乳汁中特有的糖类，它是由一分子葡萄糖和一分子半乳糖组成的双糖，其合成步骤为：以葡萄糖为前体物质，一部分葡萄糖先转化为半乳糖，然后经乳糖合成酶催化。半乳糖与葡萄糖结合，形成乳糖。人体摄入乳糖后，在消化过程中，经乳糖酶催化，分解为葡萄糖和半乳糖。乳糖是矿物质的载体，能促进钙、磷吸收及整理肠道，其分解产物半乳糖是婴儿脑发育的必需物质，参与脑组织及其神经系统的构成。但是，机体却不能直接利用乳糖，乳糖必须经乳糖酶分解为单糖后才能被吸收和利用（杨卉新等，2014）。

若乳糖酶缺乏者一次摄入较多乳糖，乳糖未能及时被消化吸收，进入结肠后被肠道细菌分解，产生大量乳酸、甲酸等短链脂肪酸和氢气，造成渗透压升高，使肠腔中的水分增多，引起腹涨、肠鸣、肠绞痛直至发生水泻等症状，总称为乳糖不耐受症。乳糖不耐受症状，在中国人群中发生率很高，因此限制了很大一部分国人对牛奶的摄入，而牛奶又是人类良好的优质蛋白、矿物质及维生素的天然来源，故乳糖酶缺乏问题显得尤为突出（张玉英，2014）。

1889年荷兰生物学家，Beijerineek 首次报道了乳糖酶可水解乳糖以来，人们对于乳糖酶的研究日趋完整（蒋世琼，2000）。目前，解决乳糖不耐受的最佳方法是用乳糖酶水解乳糖来生产低乳糖或无乳糖乳制品。而现在商业乳糖酶中乳糖酶的最适温度在37℃左右或者更高（P Nicholas，2002）。国外学者经多年研究，已成功地找到产乳糖酶的微生物，并研制了一系列乳糖酶商品，现已投入市场。有学者研究发现环氧活化水凝胶固定化酶可以更好的解决乳糖不耐症问题（Elnashar et al., 2014）。本文就乳糖酶的生产方式及其在食品加工业生产中应用的研究进展作简要论述。

1.乳糖酶的来源及特性

1.1乳糖酶

乳糖酶，又称β-半乳糖苷酶，或β-D-半乳糖苷半乳糖水解酶，它的作用就是在特定的条件下水解β-D-半乳糖苷键，将乳糖水解成α-D-葡萄糖和β-D-半乳糖，乳糖酶同时也具有半乳糖苷的转移作用，能把半乳糖连接到乳糖上，生成低聚半乳糖，作为一种益菌作用因子而用于功能性食品的开发（张红艳等，2004）。乳糖酶是一种白色粉末，无嗅，无味，溶解后是一种浅棕色的液体，是一种无毒副作用的生物酶制剂，已由FDA、FCC、WHO/FAO和JACFA等权威机构评审确定为安全物质，我国卫生部已于1998年10月同意将其列入食品添加剂卫生使用标准GB2760之中，允许在食品工业生产中使用。

1.2 乳糖酶的来源

天然来源的乳糖酶：乳糖酶(β-半乳糖苷水解酶；E C3.2 1. 23)即乳糖水解酶，主要存在于年幼动物肠道、植物、真菌、酵母和细菌中。许多微生物能产生乳糖酶，细菌中有乳酸菌、芽抱杆菌、大肠杆菌、嗜淀粉乳杆菌等（Mahalakshmi et al., 2013）；霉菌有米曲霉、黑曲霉、疏球曲霉；酵母菌有脆壁克鲁维酵母、乳酸克鲁维酵母、乳酸酵母等；放线菌有天蓝色链球菌等。国内外学者经过多年的研究已成功研制出了一系列商品乳糖酶，标志着乳糖吸收不良研究史上的一次飞跃。商品来源的乳糖酶:酵母菌和霉菌。目前，国际市场的乳糖酶产品，一种是克鲁维酵母制备的乳糖酶。另一种是米曲霉制备的真菌乳糖酶。克鲁维乳酸酵母发酵的乳糖酶.这种乳酸母杆菌最先是山伯约尼克1889年发现的。随着1950年发现了乳糖不耐症的病因，1960年研制出乳糖酶，才得以应用（H.Chick et al., 2001）。

1.3 乳糖酶的酶学特性

很多微生物都能生产乳糖覆盖，例如乳酸酵母、黑曲霉、米曲霉、米根霉所产的胞外乳糖酶和脆壁克鲁维酵母和大部分细菌产的胞内乳糖酶。乳糖酶性质随来源不同而异，不同的性质又决定了不同乳糖酶的特殊用途（张敏文等，2011）。

表1 不同来源的乳糖酶的性质

来源最适pH 最适温度分子量活化金属离子湿热乳酸菌 6.2-7.5 55-57 530 -

保加利亚乳杆菌7.0 42-45 *-

大肠埃希菌7.2 40 540 Na+、K+

脆壁酵母 6.6 37 201 Mn+、K+

乳酸酵母 6.9-7.3 35 135 Na+、Mn+

黑曲霉 3.0-4.0 55-60 124 *

米曲霉 5.0 50-55 90 *注: *表示尚不清楚，- 表示没有

2.乳糖酶的生产技术

2.1基因工程技术在乳糖酶生产中的应用

基因工程技术，对于乳糖酶的生产可以将活性高的乳糖酶基因导入易于培养、生长繁殖迅速的微生物体内，从而大大降低成本。如Domingues等利用絮状酿酒酵母和黑曲霉中含有编码分泌胞外乳糖酶的lacA基因构建重组菌株，使重组酿酒酵母菌株能够分泌乳糖酶，且该乳糖酶可以高效利用乳糖。为提高酶的产量和质量，常采用定点诱变，原生质体融合和DNA重组技术（Domingues L et al., 2000）。Ibrahim 等使用化学诱变剂对2株双歧杆菌、乳酸杆菌和嗜热链球菌进行诱变，然后筛选高产菌株。通过与其各自野生型菌株相比，诱变后菌株产酶量明显增加，长双歧的诱变菌株产酶量比野生型增加2倍多（Ibrahim S A et al., 2000）。为了进一步获得高产菌株，新的基因工程菌不断出现。生产酶的工程菌以大肠杆菌、酵母菌为主，此外还有嗜热链球菌、乳杆菌等。

通过PCR扩增从乳酸克鲁维酵母基因组获得乳糖酶基因lac4，将其克隆至大肠杆菌表达载体pET-28a(+)，并在大肠杆菌BL21中获得表达，酶活性达44.78U／mL(徐顺清等，2010)。此外，还有研究者探究了突变基因对于乳糖酶生产的影响。此前的研究已经发现，硫化叶菌的突变体F441YE产生β-半乳糖苷酶能增强低聚半乳糖的产率，但由于大肠杆菌的表达系统的一些特性，如形成包涵体和复杂的过程控制技术，故Xiaojun Sun等用PCR扩增此突变基因并在毕赤酵母表达，优化了其生产低聚半乳糖的工艺条件（Xiaojun Sun et al., 2014）