乳糖酶的性質及其在低乳糖乳制品中的應用

侯 瑾，楊 凱，薛 冰，張大虎，陸世海*

（1.齊魯工業大學（山東省科學院） 山東省科學院菏澤分院 山東省生物工程技術創新中心，山東菏澤 274000；2.聊城市檢驗檢測中心，山東聊城 252000；3.山東大樹達孚特膳食品有限公司，山東菏澤 274000）

新鮮牛奶中的營養物質極其豐富，總乳固體平均質量分數為13.0%，有全價食品之譽[1]。乳汁中的碳水化合物主要是乳糖，占總碳水化合物的99.8%以上[2-3]。乳糖酶，又叫β-半乳糖苷酶，催化乳糖中的糖苷鍵，產生單體糖d-葡萄糖和d-半乳糖，還可轉移半乳糖苷生成功能性低聚半乳糖[4]。乳糖在腸道中需要通過乳糖酶水解成單糖，才能被人體吸收[5]。對多數人來說，從母乳斷奶期開始，乳糖酶的活性表達下降到無法檢測到的水平[6]。缺少乳糖分解酶的人群在攝入乳糖后，未被消化的乳糖直接進入大腸，在細菌的作用下，乳糖被酵解生成短鏈脂肪酸、二氧化碳、氫氣和甲烷，引發腹脹、腹痛、水樣酸性腹瀉等胃腸癥狀，減少腸道對無機鹽和蛋白質的營養吸收，這就是乳糖不耐癥現象[7-8]。乳糖不耐癥人群的骨骼比正常人群差，影響對營養物質的吸收，繼而導致貧血、骨質疏松等疾病的發生[9-10]。同時，乳糖不耐癥較大程度地限制了我國乳品業的發展。食用低乳糖乳制品是解決乳糖不耐癥人群的主要方法。而低乳糖乳制品加工生產中加入外源性乳糖酶將乳糖水解成易被人體吸收的單糖，是目前使用較好的方法，此法水解條件溫和、口感好，不會破壞乳品中的多種營養成分，并能增加奶的香味、甜度、改善口感，提高對礦物元素的吸收利用[11]。開發高效高產優質乳糖酶產品和改良優化乳糖酶水解工藝，對開拓低乳糖乳品市場，推動我國乳品工業的發展具有重大意義。

1 乳糖酶的來源

乳糖酶是一種無毒副作用的生物酶制劑，種類較多，來源十分豐富，包括多種植物、動物（哺乳動物）和微生物。杏、李、桃和咖啡豆等是植物中乳糖酶的主要來源，腦器官、腸和皮膚組織是動物中乳糖酶的主要來源。乳糖酶的微生物來源包括細菌、霉菌、酵母菌、真菌和放線菌，其中細菌主要包括乳酸菌、大腸桿菌、嗜熱鏈球菌、產氣腸細菌和環狀芽孢桿菌等，霉菌主要包括米曲霉、黃青霉、黑曲霉、炭色曲霉和硫球曲霉等，酵母有脆壁克魯維酵母、乳酸克魯維酵母和熱帶假絲酵母等，放線菌包括天藍色鏈菌霉。

2 乳糖酶的特性

由于微生物生長速度快，代謝效率高，用微生物制備出的乳糖酶在工業上有很高的應用價值。利用微生物制備乳糖酶現已是工業化酶制劑的主要來源[12]。此方法具有產量高、周期短、酶源豐富和生產成本低，且季節、地理位置等因素對其生長無影響等優點。微生物的種類不同，制備出的乳糖酶性質也存在較大的差別，詳見表1。

表1 不同來源的乳糖酶特性

2.1 克魯維酵母菌制備的乳糖酶

此酶的分子量是201 000，最適溫度為40～45 ℃，最適pH值為6.0～7.0，在高于55 ℃下基本失活。天然新鮮牛乳中含有較多的脆壁克魯維酵母菌，由其制備出的乳糖酶活性很高，最適pH值為6.6～6.8，接近于天然牛乳，是中性乳糖酶，主要適用于工業化加工處理牛乳和甜乳清，且該乳糖酶在4 ℃時仍具備一定活力[13]。在低溫條件下，腐敗菌的生長基本上停止，但是牛乳和乳清可在4～5 ℃低溫條件下過夜加工且無腐敗現象發生，因此對于牛奶和乳清中的乳糖，可用制備出的乳糖酶在低溫下進行分解，此法在乳品加工中可有效避免雜菌污染，在工業應用上十分重要。脆壁克魯維酵母產出的乳糖酶量較多，且被認為是安全菌株，因此這種菌株在工業上被廣泛應用于乳糖酶的生產。

2.2 黑曲酶制備的乳糖酶

由黑曲霉制備出的乳糖酶分子量相對較小，為100 000～130 000，溫度最適為60～65 ℃，最適pH值為3.5～4.0，在此條件下大部分常見的腐敗細菌生長都能被抑制。黑曲酶制備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，無需相關金屬離子穩定與激活的參與，因此在食品加工中使用較方便。

2.3 米曲霉制備的乳糖酶

由米曲霉制備出的乳糖酶的最適pH值為4.0～5.0，最適溫度為50～55 ℃。乳糖酶在70 ℃下持續加熱2 h后活性幾乎完全喪失。由米曲霉制備出的乳糖酶主要用于牛乳或酸乳的加工應用。因此，在具體的牛乳工業生產中，不同的酶對應不同的最適溫度，各有各的優點，要根據需求進行選擇。孫國慶等[14]研究了來源于米曲酶、黑曲酶和酵母菌制備的乳糖酶的水解效果，發現由酵母菌制備出的乳糖酶水解率最高，因此酵母菌乳糖酶最適合低乳糖牛乳的生產。

3 乳糖酶在低乳糖乳制品中的生產工藝

經過多年的發展，低乳糖牛奶的生產技術不斷提升，最簡單方便的工業化生產技術是使用乳糖酶水解技術，且此項技術廣泛應用于全球范圍內。工業化生產低乳糖牛奶大多使用游離乳糖酶，較少使用固定化乳糖酶[15]。乳糖酶水解技術根據添加方式的差異，分為分批次水解技術和包裝內無菌添加技術[16]。目前，乳糖酶產品隨著低乳糖乳制品產業的發展日益提升，質量和純度也越來越高。但商業化乳糖酶制劑有蛋白水解酶活性，牛奶里的蛋白質可以在其作用下被水解成肽和游離氨基酸等小分子，導致非酶褐變和異味，對低乳糖乳制品在保藏期內的品質產生一定影響。

3.1 分批次水解技術

牛奶經過巴氏殺菌，冷卻到合適的溫度，然后直接加中性乳糖酶后充分混合，在4～8 ℃的低溫條件下進行水解，直到達到所需的乳糖水解度后，進行滅酶和超高溫瞬時滅菌或巴氏殺菌處理，冷卻后灌裝。此技術的優點是不需要添加專門的設備。

3.2 包裝內無菌添加技術

牛奶經過超高溫瞬時滅菌處理后，使用專門的無菌添加設備向其添加無菌乳糖酶進行水解，然后進行灌裝。乳糖酶在牛奶貯存的過程中可最大程度地水解乳糖。此法有酶使用量少，水解時間充足且水解率高，產品的褐變低等優點。目前市場上的“新養道”和“營養舒化奶”都使用了此項技術。

TROISE等[17]采用兩種技術對意大利市場的6種低乳糖牛奶的質量進行研究，條件是在室溫（22±3）℃下儲存180 d，結果顯示分批次添加乳糖酶對貨架期內的牛奶品質不會產生影響，而對無菌添加技術而言，商業乳糖酶制劑內的蛋白水解酶活性會影響在貨架期內低乳糖牛奶的感官特性和營養價值。TOSSAVAINEN等[18]采用包裝內無菌添加技術和分批次添加技術這2種工藝（10 ℃水解20 h）生產出超高溫瞬時滅菌牛乳，同時，生產出未經乳糖水解的超高溫瞬時滅菌牛乳，并對這些牛乳在貯存過程中蛋白質的水解情況進行對比，結果表明使用2種乳糖酶水解技術生產出的牛乳在儲存過程中，蛋白質的水解程度均較大，但無顯著差異。然而將其放置在5 ℃下貯存時，牛乳中的蛋白質幾乎不水解。

4 乳糖酶在低乳糖乳制品中的應用

在乳制品的加工生產中，利用乳糖酶生產低乳糖制品或口服乳糖酶制劑，可使“乳糖不耐癥”問題得到有效解決。同時，通過乳糖酶的催化轉移作用，可以生產乳清糖漿和功能性低聚半乳糖。利用乳糖酶生產的許多乳產品在國外已經上市，如低乳糖奶、奶酪冰淇淋、乳糖水解奶等，包括生產干酪和奶粉，牛奶經過乳糖酶水解以后有很多優點，滋味和奶香味增加，口感得到改善等。本文從以下5個方面詳細介紹其在低乳糖乳制品中的應用。

4.1 解決乳糖不耐癥問題

工業上一般用乳糖酶對牛奶或其他乳制品中的乳糖進行預處理來生產低乳糖食品。牛奶中的乳糖水解率達到70%，就能避免乳糖不耐癥的發生[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，其甜度與蔗糖相當，這兩種單糖被腸道吸收進入血液，使乳制品的甜度明顯增強而不增加熱量。由此可見，飲用低乳糖乳制品不僅能有效解決乳糖不耐癥患者的難題，還能作為一種低熱量的健康食品，滿足孕婦、手術后病人、中老年人和減肥人群的需要。INGE等[20]研究了人飲用低乳糖脫脂奶對血漿胰島素和血糖的影響，結果顯示，低乳糖脫脂奶對糖尿病人也非常適合。

乳糖酶水解后得到的低乳糖奶，可采用噴霧干燥技術得到低乳糖奶粉，有較多優點，如風味濃郁、口感和沖調性較好、用途多以及人群適用廣等[21]。缺點是這種低乳糖奶粉吸濕性更強，存在干粉粘附塔壁的問題，引起焦粉或者塔落。此外，經乳糖酶水解后單糖還原性增加，奶粉在高溫加工過程中更容易出現美拉德反應，產生異味。因此，應在低溫下收集低乳糖奶粉，但低溫又會影響殺菌問題，這些問題還需要進一步研究。

FERREIRA等[22]用5種不同的乳糖水解率研究對奶粉的影響，結果顯示奶粉與設備的黏附力隨著乳糖水解率的增加而增大。同時，褐變程度也變大，顆粒團聚程度變高，但復水能力有所降低。SHRESTHA等[23]將經乳糖酶水解后的脫脂奶進行噴霧干燥制備成脫脂奶粉，在設備干燥器內壁上粘附了大量乳粉，旋風分離器中僅得到25%的回收率。

4.2 解決結晶問題

乳糖的溶解度很低，與蔗糖相比，只有其1/10。把乳制品進行冷凍濃縮可以有效保存牛奶的風味和品質。牛奶在濃縮和冷凍的過程中，冷凍乳中一部分鈣鹽與呈溶解狀態的乳糖發生結合，當乳糖結晶時，鈣鹽作用于乳蛋白質，蛋白質有沉淀現象發生。原因是乳糖水合物的生成會導致蛋白質發生脫水作用，其膠粒的穩定性遭到破壞，且乳糖極易析出晶體。冷凍乳糖結晶現象在乳制品或冷凍制品中會使產品出現砂狀組織的現象，在食用這些產品時口中有沙樣感，直接對產品質量產生不利影響。在冰淇淋或其他乳制品的加工過程中，添加20%～30%乳糖酶，乳糖經乳糖酶水解后，不僅可以避免沙狀口感的產生及蛋白質的聚集，還會增加甜度和奶香味，減少蔗糖的用量，使冰淇淋的冰點降低。在低溫條件下，冰淇淋的抗融化性提升，蛋白的穩定性增加[24]。因此，利用乳糖水解牛奶生產出的冰激凌冰點更低、無砂質、質地更軟。

ABBASI等[25]使用不同乳糖水解率的巴氏殺菌低乳糖奶生產冰激凌，結果顯示，冰激凌的甜度、表觀黏度及融化率隨著乳糖水解率的增加而提高。而沙度、冰點、硬度呈下降趨勢。SUEBSIRI等[26]研究結果表明，無乳糖冰激凌融化速率比普通冰激凌快，而硬度卻明顯降低。王貴芳[27]研究得出在冰淇淋的制作過程中，部分或全部的牛乳固形物可以使用水解后的脫鹽乳清粉代替，不僅能使返沙現象減少，還能降低成本，并且不影響產品的融化性、膨脹率和風味，使冰淇淋的硬度大大降低。

4.3 在乳清糖漿中的應用

在乳清中，超過99.8%的碳水化合物是乳糖。乳清主要在食品生產中應用，例如制備各種各樣的糖果和點心等，不足之處是利用率還達不到50%，剩余的乳清里生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）高達4 500 g/L，一般是制備成附加值不高的產品或被當成污染物來處理[28]。若用乳糖酶水解乳清中的乳糖來生產葡萄糖和半乳糖，甜度大幅度提升，可達到蔗糖甜度的65%～80%，溶解度更是增大了3～4倍，這種狀態下乳清變成乳清糖漿。乳糖在蛋糕、面包、月餅的加工中可替代蔗糖和卵蛋白，在生產牛乳軟糖中還可代替加糖濃縮牛乳，不會有沙包、紋理、焦糖和乳糖結晶現象的發生，極大地改善了產品的外觀質量和風味。乳清糖漿還能夠生產乳清飲料和乳清酒等。在葡萄糖異構酶的作用下，乳清糖漿可以將葡萄糖異構為果糖，甜度相當于同等濃度的蔗糖，可以作為各種點心、飲料、罐頭食品的甜味劑取代蔗糖，起到很好的效果[29]。

4.4 在低聚糖中的應用

乳糖酶能夠催化乳糖中的半乳糖苷鍵水解，除生成單糖外，還有半乳糖苷，其在半乳糖苷的作用下會轉移至乳糖分子中生成低聚糖（GOS），包括異乳糖、低聚半乳糖等。低聚糖分子量小，不黏稠，不能被小腸消化吸收，屬于一種水溶性膳食纖維，有防腹瀉、潤腸通便等功效，由于甜度和熱量很低，口腔酶液不能將其分解，也不能被鏈球菌利用，所以食用后基本上不會使血糖血脂升高，也不會引起齲齒。低聚糖比一般的膳食纖維多出很多優點，如較強的耐酸性、耐熱性，良好的保濕性，口感清爽，金屬離子不被束縛等，常被添加到加工溫度較高的產品如焙烤食品、酸性食品和飲料中，還能和其他酶一起使用，實現對干酪、冰淇淋等制品中乳糖含量的快速檢測[30]。隨著人們對健康的重視，低聚半乳糖生產和應用也越來越廣泛，低聚半乳糖在未來市場上將會有很大的發展前景。

近幾年，越來越多的學者開始研究乳糖酶制備低聚半乳糖，如HSU等[31]在溫度為45 ℃、pH值為6.8的反應條件下，采用40%的乳糖為底物，在雙歧桿菌乳糖酶的作用下，生產低聚半乳糖，高達32.5%的產率。PARK等[32]對高溫乳糖酶進行了研究發現，在溫度為80 ℃、pH值為6.0，反應時間是56 h的條件下，來自硫化葉菌的耐高溫乳糖酶以乳糖為底物，制備的低聚半乳糖產率高達52.2%。許牡丹等[33]在pH值為6.0、反應溫度55 ℃的條件下，研究了用米曲霉乳糖酶以40%乳糖為底物，并反應32 h后，得到的低聚半乳糖的產率為32.4%。

4.5 在發酵乳制品中的應用

生產發酵乳的過程中，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為2%～4%，不能滿足對于乳糖不耐癥嚴重患者的需求[34]。在發酵前或發酵中可以加入乳糖酶來生產無乳糖酸乳，能使反應速率加快，水解生成的單糖發酵潛力比乳糖大，能夠加快產酸速度。乳酸菌的菌數增多，可延長乳制品的貨架期，有較大的黏度。在褐色發酵乳制品的生產中，褐變處理后、發酵前添加乳糖酶，能縮短發酵時間，形成特有的乳香風味[35]。同時，用乳糖酶水解牛乳生產酸乳、速凍酸奶酪這種含有活的乳酸菌時，能縮短15%～20%牛乳凝固時間。乳糖酶分解乳糖后增加了酸乳的甜度，可節省蔗糖的用量，對酸乳的口感和風味起到改善作用，用乳糖酶制備水果酸乳時，會增強水果的風味。在奶酪生產中，采用水解程度為50%的乳糖酶乳制備干酪時，可縮短凝乳時間，且脫水收縮較好，凝塊堅實，減少排除乳清時造成的損失，凝乳破碎或細屑較少，干酪形成快且能增加10%的產量，提高了干酪回收率[36]。

NAGARAJ等[37]以牛乳為原料，分別用50%和70%的乳糖水解率生產酸乳，風味和口感相比普通酸乳更優，但是采用90%的乳糖水解率生產出的低乳糖酸乳，甜度很高而黏度降低。SCHMIDT等[38]研究表明使用水解牛乳制備低乳糖酸奶，會提高胞外多糖合成量，使產品的口感和風味得到改善。徐愛才等[39]在70%乳糖水解率的牛乳中接入發酵劑，來制作低乳糖酸奶，與普通酸奶相比，乳酸菌發酵速度更快，在貯藏的過程中，后酸化的速度較慢，產品黏度增加，活菌數增多，風味物質的含量增多，品質提升。

5 結語

我國的乳品行業目前正處于蓬勃發展的時期，隨著人們對乳制品營養作用認識的提高，乳糖酶在乳制品領域的應用會逐步地被深入研究，使乳糖不耐癥難題在根本上得到改善。在低乳糖乳制品生產中使用乳糖酶水解技術有較多的優勢，同時也存在一些不足[40]。目前國內外大型低乳糖乳制品加工生產中使用的乳糖酶全部依賴進口，價格昂貴，乳糖酶不能回收和重復利用，生產成本較高，技術難度大，導致我國低乳糖奶的生產規模都比較小且分散，阻礙了低乳糖奶的推廣[41]。因此，在未來，應不斷創新研發工藝和提高生產技術，以研制低價、高純度、高質量的乳糖酶為重心，以國內大規模工業化生產乳糖酶為目的，實現乳糖酶生產低成本。乳糖酶的循環利用可以通過對其固定化來實現，然而，此法在低乳糖乳制品工業生產上極易引起微生物污染，因此現階段還在對該方法進行不斷的試驗與研究。在未來，乳糖酶的固定化在一定范圍內將部分代替游離酶法[42]。

由于乳糖水解為單糖，其甜度會增加3～4倍，使人不喜。單糖增加還會在熱處理及儲存過程中更易發生美拉德反應，導致乳制品褐變，從而影響產品的感官質量。因此，降低產品的甜度也是低乳糖奶今后研究的一個重要內容。在低乳糖乳制品生產中，減緩美拉德褐變可在水解后控制殺菌的溫度和時間，在包裝中充入氮氣等方法。未來還需持續加大研發投入，突破各環節技術難題，對低乳糖乳制品的生產成本和控制褐變方面需不斷研究合適有效的方法，使低乳糖乳制品價格和風味能夠迎合更多的消費者。

低乳糖乳制品在國內的品種類型不夠豐富，較單一，主要是超高溫瞬時滅菌牛乳占大部分，乳品企業應不斷提高生產工藝，利用乳糖酶水解技術向甜牛乳、花色乳、巴氏殺菌牛乳等眾多領域開拓創新，不斷研究出對于我國消費者而言較適合的低乳糖乳制品種類，使低乳糖乳制品因其優質品質和良好口感能被更多的消費者所認可，擴大我國低乳糖乳制品的市場占有率。隨著牛乳工業中乳糖酶的進一步研究，已不僅僅是局限在解決乳糖不耐癥問題，如開發功能性乳制品等。而隨著乳糖酶的應用越來越廣泛，乳糖酶還會在醫藥、環保、基因治療等多個領域起到重要作用，具有廣闊的市場前景。