乳糖酸的研究进展

白会钗，缪 铭，江 波，沐万孟，张 涛

(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122)

乳糖酸的研究进展

白会钗，缪 铭，江 波*，沐万孟，张 涛

(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122)

乳糖酸是一种具有多种生物学功能的先进果酸。综述了乳糖酸在食品、医药、美容等行业的应用，简要介绍了乳糖酸的理化性质，制备方法，并对其前景进行了展望。

乳糖酸，理化性质，应用，制备，功能食品

乳糖酸(4－O－β－galactopyranosyl－D－gluconic acid)是第三代果酸，集修护、抗老、保湿、抗氧化，促进机体更新等多种功效于一身的最先进的果酸。目前乳糖酸及其乳糖酸盐是高价位的特殊产品，经安全性实验验证，乳糖酸安全、无毒。美国食品药品管理局已批准乳糖氧化得到的乳糖酸钙盐可以安全的应用于食品中，乳糖酸的一种盐形式已经被批准用作干布丁混合物中的固化剂。乳糖酸可作为抗生素载体［1］，器官移植防腐剂［2］，矿物质补充剂［3］，它的钾盐形式可作为洗涤剂中的辅剂［4］。随着乳糖酸的功能越来越被人们认识，其生产方法也日益受到重视。化学转化法，酶法，生物制备法，电化学法都曾用于乳糖酸转化研究。本文将对乳糖酸的理化性质、功能应用和生产方法进行综述。

1 乳糖酸的理化性质

乳糖酸通过将乳糖葡萄糖基上C1氧化后得到(图1)，乳糖酸为白色晶体，熔点113～118℃，比旋光度22.8°(C=10，H2O)，易溶于水，溶解度为10g/100mL，折射率26°(C=8.8，H2O);乳糖酸的结构中有八组氢氧水基，可抓住大量水分子，每单位的乳糖酸可吸收约 70g的水分，保水度则可达到55g［5］。

乳糖酸安全无刺激，在一项连续使用14d的刺激性实验中，乳糖酸加葡萄糖酸实验组对皮肤几乎没有造成任何刺激，含4%乳糖酸8%内酯型葡萄糖酸的化妆品对皮肤的刺激度与生理食盐水相当，是非常温和、安全的成分［6］。

图1 乳糖制备乳糖酸的形成原理Fig.1 the oxidation process of lactose to LA

2 乳糖酸的功能性应用

2.1 乳糖酸在食品中的应用

在乳制品工业中，乳糖酸是食品中的一种组分，也是一种功能性食品。根据FDA的规定，乳糖酸钙可以用作安全的食品添加剂。在奶酪和酸奶的生产中，乳糖酸改进胶体的结构，减少酸味，减少成熟时间，促进风味，降低苦味。作为一种保护性组分，乳糖酸能保持奶制品气味清新，保护部分氢化植物油不被氧化［7］。在肉中加入乳糖酸，冷冻后可以减少水分损失。

乳糖酸可用做食品添加剂，选择性的促进肠道中益生菌的生长，在功能性食品中可作为潜在的益生元。乳糖酸具有很强的香味，比乳糖具有更温和更甜的风味，可以作为酸化剂。

乳糖酸形成矿物质盐的复合物，溶解性好，在功能性食品中增添矿物质元素，促进肠道对矿物质的吸收［3］。乳糖酸可以和多种矿物质形成乳糖酸矿物质复合物，包括乳糖酸钙复合物、乳糖酸铜复合物、乳糖酸铬复合物、乳糖酸硒复合物、乳糖酸锰复合物，能强化食品和饮料产品中矿物质含量。这些矿物质复合物在水中具有高溶解性，使得矿物质强化的食品和饮料尝起来很纯净没有沙砾般的感觉。矿物质强化食品和饮料中可含有0.2%～20%的乳糖酸钙复合物，含有足够的以乳糖酸矿物质复合物形式给出的矿物质，能提供约5%～200%的美国推荐的每日饮食所需的钙值，经过进一步优选，能达到约10%～35%的美国推荐的每日饮品所需的矿物质值。

2.2 其他领域的应用

2.2.1 乳糖酸在医学上的应用 乳糖酸具有较强的抗氧化能力，是器官移植前保护性缓冲液的重要组分［2］，可螯合Fe3+，降低由于离子催化产生的氢氧自由基对组织的损伤，增加了器官的保存性，使得器官在体外保存长达2d［8］。

乳糖酸促进大环内酯类抗生素的溶解性，促进其在静脉中转运，红霉素的乳糖酸盐类的溶解度高于红霉素50～100倍［1］，乳糖酸能和Mn2+，Cu+，Fe3+和Ca2+，螯合形成复合体，糖醛酸钙在人和动物的药品中可增加葡萄糖酸钙过饱和溶液的稳定性［9］。

2.2.2 乳糖酸在美容行业中的应用 乳糖酸具有抗氧化性和高保湿性，在美容行业有很大应用前景［6］。

乳糖酸是一种吸湿性的组分，能够保存水分。抓水的范围可自皮肤胶状基质到室温中汽化的水分子，并可长时间保持紧密联结状态。

乳糖酸可避免细胞膜受到氧化破坏，用于抗老化保养上，效果与左旋维生素C和葡萄糖酸相同。乳糖酸具有促进机体新陈代谢、加速皮肤更新的功效，促进真皮层基质与胶原蛋白生成，使皮肤变得年轻光润。

2.2.3 乳糖酸还可作为洗涤剂 乳糖酸和乳糖酸盐还可以用来降解生物性物质，作为清洁洗涤剂［10］。

3 乳糖酸的制备

氧化乳糖生产乳糖酸是非常引人关注的。用来制备乳糖酸的方法有生物制备法、化学氧化法、电化学法和催化氧化法等多种方法。

3.1 酶转化生产乳糖酸

酶转化法是一条重要的合成乳糖酸的途径。用于生产乳糖酸的酶是包括脱氢酶、葡萄糖果糖氧化酶和一种碳水化合物氧化酶类。已经发现多种微生物可以转化乳糖产乳糖酸。

Pseudomonas sp.、Bacterium pyocyaneum、Bacterium fluorescenns［4］、产的乳糖脱氢酶，可直接作用于乳糖生成乳糖酸。2001年，日本从乳清中分离出一株假单胞菌 Pseudomonas sp.，以乳清为底物，连续发酵155h，乳糖的转化率可达到90%以上［11］。但乳糖脱氢酶是一种膜蛋白，分离纯化过程复杂，且酶极易失活。2001年，从Sclerotium rolfsi［12］分离纯化出的纤维二糖脱氢酶和从Trametes pubescens MB 89分离纯化出的漆酶在含有乳糖、单糖和半乳寡聚糖的培养基上，乳糖的转化率在3h内能达到95%。Satory等［13］从Zymomonas mobilis分离纯化出葡萄糖－果糖氧化还原酶，可将乳糖和果糖转化为山梨醇和乳糖酸。利用葡萄糖－果糖氧化还原酶氧化乳糖产生两种产物，生成的山梨醇和乳糖酸混在一起，给产物的纯化工作带来很大的困扰;此外，酶对乳糖的动力学常数Km较大，是用葡萄糖做底物的Km的80倍。相较而言，使用氧化酶生产乳糖酸比用脱氢酶和葡萄糖果糖氧化酶更利于下游的分离纯化工作。Xu等［14］从Microdochium nivale分离纯化出的一种碳水化合物氧化酶，并将此酶的基因在Fusarium venenatum中表达。这种酶的分子量大约为55ku，可以氧化单糖、二糖、多糖，将电子直接传递给氧气，生成过氧化氢，再通过催化反应，将过氧化氢还原为水，在食品中是安全的。这种酶含有FAD和已经报道的葡萄糖氧化酶、己糖氧化酶或吡喃糖氧化酶不同，对寡聚糖和长碳链的聚合糖类有很高的活性，酶对乳糖也有很高的亲和性。Lin等［15］从Acremonium strictum T1分离纯化出含有FAD的碳水化合物氧化酶，命名为葡萄糖寡聚糖氧化酶。这种酶氧化葡萄糖作为还原末端的寡聚糖。此外，Hiromi Murakami等［16］从土壤中筛选出的Burkholderia Cepacia［17］筛选的Paraconithyrium sp.都可以发酵乳糖生产乳糖酸。

一种高亲和性的，高度专一的反应，在一定的氧浓度范围内，具有好的调控稳定性的氧化酶应用于酶反应体系，才能使得乳糖酸的价格具有竞争性。目前，大多数的酶转化法都很耗时，且酶和化学试剂的价格比较昂贵，废水对环境的影响也很大，不能很好地用于大规模的工业生产，因此用酶法生产乳糖酸还需要很多努力，去缩短转化时间，提高转化效率。

3.2 电化学氧化乳糖生产乳糖酸

已经报道了多种用电化学方法氧化乳糖产乳糖酸。Dutta等［18］用溴水氧化乳糖，加入CaCO3，生成的内酯水解为乳糖酸。乳糖在酸性条件下容易水解，在碱性环境中不稳定，因此早期的工作都是在pH7～10的条件下进行的［19］。

电化学的方法转化乳糖为乳糖酸，用锂修饰金属电极时，Na2CO3和 NaHCO3作为缓冲液［20］，反应4h后，95%的乳糖被转化;用Pb－Pt做电极时，76%的乳糖选择性的转化为乳糖酸。但是由于CO和电极对产物的不可逆吸收，容易导致电极的污染。用Au做电极材料时，乳糖选择性的氧化使乳糖酸的转化率能达到接近100%。后来发现在铋为氧化单电子层的多结构的白金和金电极上，生成乳糖酸的同时，也生成了D－葡萄糖酸，D－葡萄糖醛酸和D－半乳糖醛酸［21］。最近，用金胶体嵌入碳中形成新的纳米电极，乳糖酸的转化率能达到91%。

虽然电化学氧化乳糖能获得高转化率的乳糖酸，但电化学法仅仅停留在实验室规模，因为这种方法比较昂贵，检测方法比较繁琐。

3.3 化学法氧化乳糖生产乳糖酸

化学法生产乳糖酸是用卤素在酸性和碱性的条件下氧化乳糖得到的［22］，也可以在碱性环境中由铁氰化物氧化得到［23］。在pH=9.2时，β－D形式的乳糖氧化速率是α－D形式的28倍。但氧化过程很难终止，乳糖被氧化为酮糖。

乳糖氧化过程中有很多中间产物，包括粘液酸、酒石酸、草酸、葡萄糖酸和半乳糖酸。化学法的弊端是化学试剂价格昂贵，并且会有多种副产物。

3.4 催化合成法

醛糖的催化氧化需用金属离子做催化剂:O2，H2O2，卤素或者HNO3作为氧化剂。Hendriks等［24］研究了用氧气氧化乳糖，研究表明促进剂能抑制催化剂的毒性，1h内乳糖酸钠的转化率达到95%。在pH为7～10范围内，选择性转化为乳糖酸钠的转化率能达到100%，pH＞10时，乳糖会发生降解。氧化乳糖用的是单金属催化，铋:铂电极的最适比例为0.50～0.67。为防止过度氧化造成的催化剂失效，在反应过程中，溶氧需低于1%。

金属的钝化是催化氧化乳糖时的一个限制性因素。Abbadi等［25］在研究了催化乳糖生成乳糖酸钠时，为防止金属的钝化，将铋和铂组合为铂－金和铂－铅的二金属复合体，碳作为媒介，乳糖在2h之内完全氧化为乳糖酸。Karski等［26］用复合金属Pd－Bi/ Si02氧化乳糖时，加入少量的铋，使得乳糖的转化率大大提升。

4 展望

乳糖酸是一种有高附加值的有机酸，随着其功能陆续地被发现，使其在食品，医药，美容和清洁行业都有广阔的应用前景。目前欧美多用化学合成法合成乳糖酸，该方法成本高，且常伴有副产物的生成，生产工艺比较复杂。电化学转化法已经有了一定的研究基础，但目前这些方法仅仅停留在实验室阶段，不能应用于大规模的生产。微生物转化生产乳糖酸具有很大的生产优势，已经报道的Pseudomonas sp.［5］和Burkholderia cepacia.［18］具有较高的转化率，但这两种菌都不是安全菌株，不能用于食品行业的生产。因此寻找具有高效转化乳糖酸的安全菌株，具有很大的市场前景。

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Review on research progress of lactobionic acid

BAI Hui－chai，MIAO Ming，JIANG Bo*，MU Wan－meng，ZHANG Tao
(State Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

Lactobionic acid is one kind of important organic acid，which has many biological function and can be used in food，medicine and hairdressing industry.The latest research progress of lactobionic acid，including its physicochemical properties，applicationsand preparation，aswellasitsprospectofdevelopmentwas summarized.

lactobionic acid;physicochemical properties;application;preparation;functional food

TS201.2

A

1002－0306(2012)02－0430－04

2011－01－26 *通讯联系人

白会钗(1982－)，女，在读博士，研究方向:食品生物技术。