乳糖酶的性质及其在低乳糖乳制品中的应用

侯 瑾，杨 凯，薛 冰，张大虎，陆世海*

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院） 山东省科学院菏泽分院 山东省生物工程技术创新中心，山东菏泽 274000；2.聊城市检验检测中心，山东聊城 252000；3.山东大树达孚特膳食品有限公司，山东菏泽 274000）

新鲜牛奶中的营养物质极其丰富，总乳固体平均质量分数为13.0%，有全价食品之誉[1]。乳汁中的碳水化合物主要是乳糖，占总碳水化合物的99.8%以上[2-3]。乳糖酶，又叫β-半乳糖苷酶，催化乳糖中的糖苷键，产生单体糖d-葡萄糖和d-半乳糖，还可转移半乳糖苷生成功能性低聚半乳糖[4]。乳糖在肠道中需要通过乳糖酶水解成单糖，才能被人体吸收[5]。对多数人来说，从母乳断奶期开始，乳糖酶的活性表达下降到无法检测到的水平[6]。缺少乳糖分解酶的人群在摄入乳糖后，未被消化的乳糖直接进入大肠，在细菌的作用下，乳糖被酵解生成短链脂肪酸、二氧化碳、氢气和甲烷，引发腹胀、腹痛、水样酸性腹泻等胃肠症状，减少肠道对无机盐和蛋白质的营养吸收，这就是乳糖不耐症现象[7-8]。乳糖不耐症人群的骨骼比正常人群差，影响对营养物质的吸收，继而导致贫血、骨质疏松等疾病的发生[9-10]。同时，乳糖不耐症较大程度地限制了我国乳品业的发展。食用低乳糖乳制品是解决乳糖不耐症人群的主要方法。而低乳糖乳制品加工生产中加入外源性乳糖酶将乳糖水解成易被人体吸收的单糖，是目前使用较好的方法，此法水解条件温和、口感好，不会破坏乳品中的多种营养成分，并能增加奶的香味、甜度、改善口感，提高对矿物元素的吸收利用[11]。开发高效高产优质乳糖酶产品和改良优化乳糖酶水解工艺，对开拓低乳糖乳品市场，推动我国乳品工业的发展具有重大意义。

1 乳糖酶的来源

乳糖酶是一种无毒副作用的生物酶制剂，种类较多，来源十分丰富，包括多种植物、动物（哺乳动物）和微生物。杏、李、桃和咖啡豆等是植物中乳糖酶的主要来源，脑器官、肠和皮肤组织是动物中乳糖酶的主要来源。乳糖酶的微生物来源包括细菌、霉菌、酵母菌、真菌和放线菌，其中细菌主要包括乳酸菌、大肠杆菌、嗜热链球菌、产气肠细菌和环状芽孢杆菌等，霉菌主要包括米曲霉、黄青霉、黑曲霉、炭色曲霉和硫球曲霉等，酵母有脆壁克鲁维酵母、乳酸克鲁维酵母和热带假丝酵母等，放线菌包括天蓝色链菌霉。

2 乳糖酶的特性

由于微生物生长速度快，代谢效率高，用微生物制备出的乳糖酶在工业上有很高的应用价值。利用微生物制备乳糖酶现已是工业化酶制剂的主要来源[12]。此方法具有产量高、周期短、酶源丰富和生产成本低，且季节、地理位置等因素对其生长无影响等优点。微生物的种类不同，制备出的乳糖酶性质也存在较大的差别，详见表1。

表1 不同来源的乳糖酶特性

2.1 克鲁维酵母菌制备的乳糖酶

此酶的分子量是201 000，最适温度为40～45 ℃，最适pH值为6.0～7.0，在高于55 ℃下基本失活。天然新鲜牛乳中含有较多的脆壁克鲁维酵母菌，由其制备出的乳糖酶活性很高，最适pH值为6.6～6.8，接近于天然牛乳，是中性乳糖酶，主要适用于工业化加工处理牛乳和甜乳清，且该乳糖酶在4 ℃时仍具备一定活力[13]。在低温条件下，腐败菌的生长基本上停止，但是牛乳和乳清可在4～5 ℃低温条件下过夜加工且无腐败现象发生，因此对于牛奶和乳清中的乳糖，可用制备出的乳糖酶在低温下进行分解，此法在乳品加工中可有效避免杂菌污染，在工业应用上十分重要。脆壁克鲁维酵母产出的乳糖酶量较多，且被认为是安全菌株，因此这种菌株在工业上被广泛应用于乳糖酶的生产。

2.2 黑曲酶制备的乳糖酶

由黑曲霉制备出的乳糖酶分子量相对较小，为100 000～130 000，温度最适为60～65 ℃，最适pH值为3.5～4.0，在此条件下大部分常见的腐败细菌生长都能被抑制。黑曲酶制备的乳糖酶主要用于加工酸乳、酸性乳清和干酪，因酶分子量小，无需相关金属离子稳定与激活的参与，因此在食品加工中使用较方便。

2.3 米曲霉制备的乳糖酶

由米曲霉制备出的乳糖酶的最适pH值为4.0～5.0，最适温度为50～55 ℃。乳糖酶在70 ℃下持续加热2 h后活性几乎完全丧失。由米曲霉制备出的乳糖酶主要用于牛乳或酸乳的加工应用。因此，在具体的牛乳工业生产中，不同的酶对应不同的最适温度，各有各的优点，要根据需求进行选择。孙国庆等[14]研究了来源于米曲酶、黑曲酶和酵母菌制备的乳糖酶的水解效果，发现由酵母菌制备出的乳糖酶水解率最高，因此酵母菌乳糖酶最适合低乳糖牛乳的生产。

3 乳糖酶在低乳糖乳制品中的生产工艺

经过多年的发展，低乳糖牛奶的生产技术不断提升，最简单方便的工业化生产技术是使用乳糖酶水解技术，且此项技术广泛应用于全球范围内。工业化生产低乳糖牛奶大多使用游离乳糖酶，较少使用固定化乳糖酶[15]。乳糖酶水解技术根据添加方式的差异，分为分批次水解技术和包装内无菌添加技术[16]。目前，乳糖酶产品随着低乳糖乳制品产业的发展日益提升，质量和纯度也越来越高。但商业化乳糖酶制剂有蛋白水解酶活性，牛奶里的蛋白质可以在其作用下被水解成肽和游离氨基酸等小分子，导致非酶褐变和异味，对低乳糖乳制品在保藏期内的品质产生一定影响。

3.1 分批次水解技术

牛奶经过巴氏杀菌，冷却到合适的温度，然后直接加中性乳糖酶后充分混合，在4～8 ℃的低温条件下进行水解，直到达到所需的乳糖水解度后，进行灭酶和超高温瞬时灭菌或巴氏杀菌处理，冷却后灌装。此技术的优点是不需要添加专门的设备。

3.2 包装内无菌添加技术

牛奶经过超高温瞬时灭菌处理后，使用专门的无菌添加设备向其添加无菌乳糖酶进行水解，然后进行灌装。乳糖酶在牛奶贮存的过程中可最大程度地水解乳糖。此法有酶使用量少，水解时间充足且水解率高，产品的褐变低等优点。目前市场上的“新养道”和“营养舒化奶”都使用了此项技术。

TROISE等[17]采用两种技术对意大利市场的6种低乳糖牛奶的质量进行研究，条件是在室温（22±3）℃下储存180 d，结果显示分批次添加乳糖酶对货架期内的牛奶品质不会产生影响，而对无菌添加技术而言，商业乳糖酶制剂内的蛋白水解酶活性会影响在货架期内低乳糖牛奶的感官特性和营养价值。TOSSAVAINEN等[18]采用包装内无菌添加技术和分批次添加技术这2种工艺（10 ℃水解20 h）生产出超高温瞬时灭菌牛乳，同时，生产出未经乳糖水解的超高温瞬时灭菌牛乳，并对这些牛乳在贮存过程中蛋白质的水解情况进行对比，结果表明使用2种乳糖酶水解技术生产出的牛乳在储存过程中，蛋白质的水解程度均较大，但无显著差异。然而将其放置在5 ℃下贮存时，牛乳中的蛋白质几乎不水解。

4 乳糖酶在低乳糖乳制品中的应用

在乳制品的加工生产中，利用乳糖酶生产低乳糖制品或口服乳糖酶制剂，可使“乳糖不耐症”问题得到有效解决。同时，通过乳糖酶的催化转移作用，可以生产乳清糖浆和功能性低聚半乳糖。利用乳糖酶生产的许多乳产品在国外已经上市，如低乳糖奶、奶酪冰淇淋、乳糖水解奶等，包括生产干酪和奶粉，牛奶经过乳糖酶水解以后有很多优点，滋味和奶香味增加，口感得到改善等。本文从以下5个方面详细介绍其在低乳糖乳制品中的应用。

4.1 解决乳糖不耐症问题

工业上一般用乳糖酶对牛奶或其他乳制品中的乳糖进行预处理来生产低乳糖食品。牛奶中的乳糖水解率达到70%，就能避免乳糖不耐症的发生[19]。牛奶或其他乳制品中的乳糖甜度很低，只有蔗糖的20%，而乳糖被乳糖酶分解得到的葡萄糖和半乳糖，其甜度与蔗糖相当，这两种单糖被肠道吸收进入血液，使乳制品的甜度明显增强而不增加热量。由此可见，饮用低乳糖乳制品不仅能有效解决乳糖不耐症患者的难题，还能作为一种低热量的健康食品，满足孕妇、手术后病人、中老年人和减肥人群的需要。INGE等[20]研究了人饮用低乳糖脱脂奶对血浆胰岛素和血糖的影响，结果显示，低乳糖脱脂奶对糖尿病人也非常适合。

乳糖酶水解后得到的低乳糖奶，可采用喷雾干燥技术得到低乳糖奶粉，有较多优点，如风味浓郁、口感和冲调性较好、用途多以及人群适用广等[21]。缺点是这种低乳糖奶粉吸湿性更强，存在干粉粘附塔壁的问题，引起焦粉或者塔落。此外，经乳糖酶水解后单糖还原性增加，奶粉在高温加工过程中更容易出现美拉德反应，产生异味。因此，应在低温下收集低乳糖奶粉，但低温又会影响杀菌问题，这些问题还需要进一步研究。

FERREIRA等[22]用5种不同的乳糖水解率研究对奶粉的影响，结果显示奶粉与设备的黏附力随着乳糖水解率的增加而增大。同时，褐变程度也变大，颗粒团聚程度变高，但复水能力有所降低。SHRESTHA等[23]将经乳糖酶水解后的脱脂奶进行喷雾干燥制备成脱脂奶粉，在设备干燥器内壁上粘附了大量乳粉，旋风分离器中仅得到25%的回收率。

4.2 解决结晶问题

乳糖的溶解度很低，与蔗糖相比，只有其1/10。把乳制品进行冷冻浓缩可以有效保存牛奶的风味和品质。牛奶在浓缩和冷冻的过程中，冷冻乳中一部分钙盐与呈溶解状态的乳糖发生结合，当乳糖结晶时，钙盐作用于乳蛋白质，蛋白质有沉淀现象发生。原因是乳糖水合物的生成会导致蛋白质发生脱水作用，其胶粒的稳定性遭到破坏，且乳糖极易析出晶体。冷冻乳糖结晶现象在乳制品或冷冻制品中会使产品出现砂状组织的现象，在食用这些产品时口中有沙样感，直接对产品质量产生不利影响。在冰淇淋或其他乳制品的加工过程中，添加20%～30%乳糖酶，乳糖经乳糖酶水解后，不仅可以避免沙状口感的产生及蛋白质的聚集，还会增加甜度和奶香味，减少蔗糖的用量，使冰淇淋的冰点降低。在低温条件下，冰淇淋的抗融化性提升，蛋白的稳定性增加[24]。因此，利用乳糖水解牛奶生产出的冰激凌冰点更低、无砂质、质地更软。

ABBASI等[25]使用不同乳糖水解率的巴氏杀菌低乳糖奶生产冰激凌，结果显示，冰激凌的甜度、表观黏度及融化率随着乳糖水解率的增加而提高。而沙度、冰点、硬度呈下降趋势。SUEBSIRI等[26]研究结果表明，无乳糖冰激凌融化速率比普通冰激凌快，而硬度却明显降低。王贵芳[27]研究得出在冰淇淋的制作过程中，部分或全部的牛乳固形物可以使用水解后的脱盐乳清粉代替，不仅能使返沙现象减少，还能降低成本，并且不影响产品的融化性、膨胀率和风味，使冰淇淋的硬度大大降低。

4.3 在乳清糖浆中的应用

在乳清中，超过99.8%的碳水化合物是乳糖。乳清主要在食品生产中应用，例如制备各种各样的糖果和点心等，不足之处是利用率还达不到50%，剩余的乳清里生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）高达4 500 g/L，一般是制备成附加值不高的产品或被当成污染物来处理[28]。若用乳糖酶水解乳清中的乳糖来生产葡萄糖和半乳糖，甜度大幅度提升，可达到蔗糖甜度的65%～80%，溶解度更是增大了3～4倍，这种状态下乳清变成乳清糖浆。乳糖在蛋糕、面包、月饼的加工中可替代蔗糖和卵蛋白，在生产牛乳软糖中还可代替加糖浓缩牛乳，不会有沙包、纹理、焦糖和乳糖结晶现象的发生，极大地改善了产品的外观质量和风味。乳清糖浆还能够生产乳清饮料和乳清酒等。在葡萄糖异构酶的作用下，乳清糖浆可以将葡萄糖异构为果糖，甜度相当于同等浓度的蔗糖，可以作为各种点心、饮料、罐头食品的甜味剂取代蔗糖，起到很好的效果[29]。

4.4 在低聚糖中的应用

乳糖酶能够催化乳糖中的半乳糖苷键水解，除生成单糖外，还有半乳糖苷，其在半乳糖苷的作用下会转移至乳糖分子中生成低聚糖（GOS），包括异乳糖、低聚半乳糖等。低聚糖分子量小，不黏稠，不能被小肠消化吸收，属于一种水溶性膳食纤维，有防腹泻、润肠通便等功效，由于甜度和热量很低，口腔酶液不能将其分解，也不能被链球菌利用，所以食用后基本上不会使血糖血脂升高，也不会引起龋齿。低聚糖比一般的膳食纤维多出很多优点，如较强的耐酸性、耐热性，良好的保湿性，口感清爽，金属离子不被束缚等，常被添加到加工温度较高的产品如焙烤食品、酸性食品和饮料中，还能和其他酶一起使用，实现对干酪、冰淇淋等制品中乳糖含量的快速检测[30]。随着人们对健康的重视，低聚半乳糖生产和应用也越来越广泛，低聚半乳糖在未来市场上将会有很大的发展前景。

近几年，越来越多的学者开始研究乳糖酶制备低聚半乳糖，如HSU等[31]在温度为45 ℃、pH值为6.8的反应条件下，采用40%的乳糖为底物，在双歧杆菌乳糖酶的作用下，生产低聚半乳糖，高达32.5%的产率。PARK等[32]对高温乳糖酶进行了研究发现，在温度为80 ℃、pH值为6.0，反应时间是56 h的条件下，来自硫化叶菌的耐高温乳糖酶以乳糖为底物，制备的低聚半乳糖产率高达52.2%。许牡丹等[33]在pH值为6.0、反应温度55 ℃的条件下，研究了用米曲霉乳糖酶以40%乳糖为底物，并反应32 h后，得到的低聚半乳糖的产率为32.4%。

4.5 在发酵乳制品中的应用

生产发酵乳的过程中，牛乳中的乳糖在乳酸菌的作用下降解生成乳酸。普通乳酸中含有的乳糖为2%～4%，不能满足对于乳糖不耐症严重患者的需求[34]。在发酵前或发酵中可以加入乳糖酶来生产无乳糖酸乳，能使反应速率加快，水解生成的单糖发酵潜力比乳糖大，能够加快产酸速度。乳酸菌的菌数增多，可延长乳制品的货架期，有较大的黏度。在褐色发酵乳制品的生产中，褐变处理后、发酵前添加乳糖酶，能缩短发酵时间，形成特有的乳香风味[35]。同时，用乳糖酶水解牛乳生产酸乳、速冻酸奶酪这种含有活的乳酸菌时，能缩短15%～20%牛乳凝固时间。乳糖酶分解乳糖后增加了酸乳的甜度，可节省蔗糖的用量，对酸乳的口感和风味起到改善作用，用乳糖酶制备水果酸乳时，会增强水果的风味。在奶酪生产中，采用水解程度为50%的乳糖酶乳制备干酪时，可缩短凝乳时间，且脱水收缩较好，凝块坚实，减少排除乳清时造成的损失，凝乳破碎或细屑较少，干酪形成快且能增加10%的产量，提高了干酪回收率[36]。

NAGARAJ等[37]以牛乳为原料，分别用50%和70%的乳糖水解率生产酸乳，风味和口感相比普通酸乳更优，但是采用90%的乳糖水解率生产出的低乳糖酸乳，甜度很高而黏度降低。SCHMIDT等[38]研究表明使用水解牛乳制备低乳糖酸奶，会提高胞外多糖合成量，使产品的口感和风味得到改善。徐爱才等[39]在70%乳糖水解率的牛乳中接入发酵剂，来制作低乳糖酸奶，与普通酸奶相比，乳酸菌发酵速度更快，在贮藏的过程中，后酸化的速度较慢，产品黏度增加，活菌数增多，风味物质的含量增多，品质提升。

5 结语

我国的乳品行业目前正处于蓬勃发展的时期，随着人们对乳制品营养作用认识的提高，乳糖酶在乳制品领域的应用会逐步地被深入研究，使乳糖不耐症难题在根本上得到改善。在低乳糖乳制品生产中使用乳糖酶水解技术有较多的优势，同时也存在一些不足[40]。目前国内外大型低乳糖乳制品加工生产中使用的乳糖酶全部依赖进口，价格昂贵，乳糖酶不能回收和重复利用，生产成本较高，技术难度大，导致我国低乳糖奶的生产规模都比较小且分散，阻碍了低乳糖奶的推广[41]。因此，在未来，应不断创新研发工艺和提高生产技术，以研制低价、高纯度、高质量的乳糖酶为重心，以国内大规模工业化生产乳糖酶为目的，实现乳糖酶生产低成本。乳糖酶的循环利用可以通过对其固定化来实现，然而，此法在低乳糖乳制品工业生产上极易引起微生物污染，因此现阶段还在对该方法进行不断的试验与研究。在未来，乳糖酶的固定化在一定范围内将部分代替游离酶法[42]。

由于乳糖水解为单糖，其甜度会增加3～4倍，使人不喜。单糖增加还会在热处理及储存过程中更易发生美拉德反应，导致乳制品褐变，从而影响产品的感官质量。因此，降低产品的甜度也是低乳糖奶今后研究的一个重要内容。在低乳糖乳制品生产中，减缓美拉德褐变可在水解后控制杀菌的温度和时间，在包装中充入氮气等方法。未来还需持续加大研发投入，突破各环节技术难题，对低乳糖乳制品的生产成本和控制褐变方面需不断研究合适有效的方法，使低乳糖乳制品价格和风味能够迎合更多的消费者。

低乳糖乳制品在国内的品种类型不够丰富，较单一，主要是超高温瞬时灭菌牛乳占大部分，乳品企业应不断提高生产工艺，利用乳糖酶水解技术向甜牛乳、花色乳、巴氏杀菌牛乳等众多领域开拓创新，不断研究出对于我国消费者而言较适合的低乳糖乳制品种类，使低乳糖乳制品因其优质品质和良好口感能被更多的消费者所认可，扩大我国低乳糖乳制品的市场占有率。随着牛乳工业中乳糖酶的进一步研究，已不仅仅是局限在解决乳糖不耐症问题，如开发功能性乳制品等。而随着乳糖酶的应用越来越广泛，乳糖酶还会在医药、环保、基因治疗等多个领域起到重要作用，具有广阔的市场前景。