乳糖酶的性质及其在低乳糖乳制品中的应用
作者: 侯瑾 杨凯 薛冰 张大虎 陆世海
摘 要:乳糖酶的应用范围十分广泛,在乳制品生产、果蔬的成熟与软化、医药领域和保护环境等方面有较大的应用价值,尤其是在乳制品行业,可有效缓解“乳糖不耐症”。本文主要从乳糖酶的来源、微生物乳糖酶的特点、乳糖酶的生产现状以及乳糖酶在低乳糖乳制品中的生产工艺和应用等方面对乳糖酶进行综述,并对国内低乳糖乳制品市场前景进行了展望,旨在为研究开发生产新型乳糖酶和低乳糖乳制品提供理论参考。
关键词:乳糖酶;乳糖不耐症;性质;低乳糖乳制品
Properties of Lactase and Its Application in Low Lactose Dairy Products
HOU Jin1, YANG Kai2, XUE Bing3, ZHANG Dahu3, LU Shihai3*
(1.Heze Branch, Qilu University of Technology(Shandong Academy of Sciences), Biological Engineering Technology Innovation Center of Shandong Province, Heze 274000, China; 2.Liaocheng Testing and Inspection Center, Liaocheng 252000, China; 3.Shandong Bigtree Dreyfus Special Meals Food Co., Ltd., Heze 274000, China)
Abstract: Lactase is widely used in dairy production, fruit and vegetable ripening and softening, medicine, environmental protection and other aspects, especially in the dairy industry, can effectively alleviate “lactose intolerance”. This paper mainly summarizes the source of lactase, the characteristics of microbial lactase, the production status of lactase, the production technology and application of lactase in low lactose dairy products, and prospects the market prospect of domestic low lactose dairy products, in order to provide theoretical reference for the research, development and production of new lactase and low lactose dairy products.
Keywords: lactose; lactose intolerance; properties; low lactose dairy products
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。
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。