乳糖酸的研究進(jìn)展

白會(huì)釵，繆 銘，江 波，沐萬(wàn)孟，張 濤

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214122)

乳糖酸的研究進(jìn)展

白會(huì)釵，繆 銘，江 波*，沐萬(wàn)孟，張 濤

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214122)

乳糖酸是一種具有多種生物學(xué)功能的先進(jìn)果酸。綜述了乳糖酸在食品、醫(yī)藥、美容等行業(yè)的應(yīng)用，簡(jiǎn)要介紹了乳糖酸的理化性質(zhì)，制備方法，并對(duì)其前景進(jìn)行了展望。

乳糖酸，理化性質(zhì)，應(yīng)用，制備，功能食品

乳糖酸(4－O－β－galactopyranosyl－D－gluconic acid)是第三代果酸，集修護(hù)、抗老、保濕、抗氧化，促進(jìn)機(jī)體更新等多種功效于一身的最先進(jìn)的果酸。目前乳糖酸及其乳糖酸鹽是高價(jià)位的特殊產(chǎn)品，經(jīng)安全性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，乳糖酸安全、無(wú)毒。美國(guó)食品藥品管理局已批準(zhǔn)乳糖氧化得到的乳糖酸鈣鹽可以安全的應(yīng)用于食品中，乳糖酸的一種鹽形式已經(jīng)被批準(zhǔn)用作干布丁混合物中的固化劑。乳糖酸可作為抗生素載體［1］，器官移植防腐劑［2］，礦物質(zhì)補(bǔ)充劑［3］，它的鉀鹽形式可作為洗滌劑中的輔劑［4］。隨著乳糖酸的功能越來(lái)越被人們認(rèn)識(shí)，其生產(chǎn)方法也日益受到重視?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化法，酶法，生物制備法，電化學(xué)法都曾用于乳糖酸轉(zhuǎn)化研究。本文將對(duì)乳糖酸的理化性質(zhì)、功能應(yīng)用和生產(chǎn)方法進(jìn)行綜述。

1 乳糖酸的理化性質(zhì)

乳糖酸通過(guò)將乳糖葡萄糖基上C1氧化后得到(圖1)，乳糖酸為白色晶體，熔點(diǎn)113～118℃，比旋光度22.8°(C=10，H2O)，易溶于水，溶解度為10g/100mL，折射率26°(C=8.8，H2O);乳糖酸的結(jié)構(gòu)中有八組氫氧水基，可抓住大量水分子，每單位的乳糖酸可吸收約 70g的水分，保水度則可達(dá)到55g［5］。

乳糖酸安全無(wú)刺激，在一項(xiàng)連續(xù)使用14d的刺激性實(shí)驗(yàn)中，乳糖酸加葡萄糖酸實(shí)驗(yàn)組對(duì)皮膚幾乎沒(méi)有造成任何刺激，含4%乳糖酸8%內(nèi)酯型葡萄糖酸的化妝品對(duì)皮膚的刺激度與生理食鹽水相當(dāng)，是非常溫和、安全的成分［6］。

圖1 乳糖制備乳糖酸的形成原理Fig.1 the oxidation process of lactose to LA

2 乳糖酸的功能性應(yīng)用

2.1 乳糖酸在食品中的應(yīng)用

在乳制品工業(yè)中，乳糖酸是食品中的一種組分，也是一種功能性食品。根據(jù)FDA的規(guī)定，乳糖酸鈣可以用作安全的食品添加劑。在奶酪和酸奶的生產(chǎn)中，乳糖酸改進(jìn)膠體的結(jié)構(gòu)，減少酸味，減少成熟時(shí)間，促進(jìn)風(fēng)味，降低苦味。作為一種保護(hù)性組分，乳糖酸能保持奶制品氣味清新，保護(hù)部分氫化植物油不被氧化［7］。在肉中加入乳糖酸，冷凍后可以減少水分損失。

乳糖酸可用做食品添加劑，選擇性的促進(jìn)腸道中益生菌的生長(zhǎng)，在功能性食品中可作為潛在的益生元。乳糖酸具有很強(qiáng)的香味，比乳糖具有更溫和更甜的風(fēng)味，可以作為酸化劑。

乳糖酸形成礦物質(zhì)鹽的復(fù)合物，溶解性好，在功能性食品中增添礦物質(zhì)元素，促進(jìn)腸道對(duì)礦物質(zhì)的吸收［3］。乳糖酸可以和多種礦物質(zhì)形成乳糖酸礦物質(zhì)復(fù)合物，包括乳糖酸鈣復(fù)合物、乳糖酸銅復(fù)合物、乳糖酸鉻復(fù)合物、乳糖酸硒復(fù)合物、乳糖酸錳復(fù)合物，能強(qiáng)化食品和飲料產(chǎn)品中礦物質(zhì)含量。這些礦物質(zhì)復(fù)合物在水中具有高溶解性，使得礦物質(zhì)強(qiáng)化的食品和飲料嘗起來(lái)很純凈沒(méi)有沙礫般的感覺(jué)。礦物質(zhì)強(qiáng)化食品和飲料中可含有0.2%～20%的乳糖酸鈣復(fù)合物，含有足夠的以乳糖酸礦物質(zhì)復(fù)合物形式給出的礦物質(zhì)，能提供約5%～200%的美國(guó)推薦的每日飲食所需的鈣值，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)選，能達(dá)到約10%～35%的美國(guó)推薦的每日飲品所需的礦物質(zhì)值。

2.2 其他領(lǐng)域的應(yīng)用

2.2.1 乳糖酸在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 乳糖酸具有較強(qiáng)的抗氧化能力，是器官移植前保護(hù)性緩沖液的重要組分［2］，可螯合Fe3+，降低由于離子催化產(chǎn)生的氫氧自由基對(duì)組織的損傷，增加了器官的保存性，使得器官在體外保存長(zhǎng)達(dá)2d［8］。

乳糖酸促進(jìn)大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的溶解性，促進(jìn)其在靜脈中轉(zhuǎn)運(yùn)，紅霉素的乳糖酸鹽類的溶解度高于紅霉素50～100倍［1］，乳糖酸能和Mn2+，Cu+，F(xiàn)e3+和Ca2+，螯合形成復(fù)合體，糖醛酸鈣在人和動(dòng)物的藥品中可增加葡萄糖酸鈣過(guò)飽和溶液的穩(wěn)定性［9］。

2.2.2 乳糖酸在美容行業(yè)中的應(yīng)用 乳糖酸具有抗氧化性和高保濕性，在美容行業(yè)有很大應(yīng)用前景［6］。

乳糖酸是一種吸濕性的組分，能夠保存水分。抓水的范圍可自皮膚膠狀基質(zhì)到室溫中汽化的水分子，并可長(zhǎng)時(shí)間保持緊密聯(lián)結(jié)狀態(tài)。

乳糖酸可避免細(xì)胞膜受到氧化破壞，用于抗老化保養(yǎng)上，效果與左旋維生素C和葡萄糖酸相同。乳糖酸具有促進(jìn)機(jī)體新陳代謝、加速皮膚更新的功效，促進(jìn)真皮層基質(zhì)與膠原蛋白生成，使皮膚變得年輕光潤(rùn)。

2.2.3 乳糖酸還可作為洗滌劑 乳糖酸和乳糖酸鹽還可以用來(lái)降解生物性物質(zhì)，作為清潔洗滌劑［10］。

3 乳糖酸的制備

氧化乳糖生產(chǎn)乳糖酸是非常引人關(guān)注的。用來(lái)制備乳糖酸的方法有生物制備法、化學(xué)氧化法、電化學(xué)法和催化氧化法等多種方法。

3.1 酶轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乳糖酸

酶轉(zhuǎn)化法是一條重要的合成乳糖酸的途徑。用于生產(chǎn)乳糖酸的酶是包括脫氫酶、葡萄糖果糖氧化酶和一種碳水化合物氧化酶類。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種微生物可以轉(zhuǎn)化乳糖產(chǎn)乳糖酸。

Pseudomonas sp.、Bacterium pyocyaneum、Bacterium fluorescenns［4］、產(chǎn)的乳糖脫氫酶，可直接作用于乳糖生成乳糖酸。2001年，日本從乳清中分離出一株假單胞菌 Pseudomonas sp.，以乳清為底物，連續(xù)發(fā)酵155h，乳糖的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到90%以上［11］。但乳糖脫氫酶是一種膜蛋白，分離純化過(guò)程復(fù)雜，且酶極易失活。2001年，從Sclerotium rolfsi［12］分離純化出的纖維二糖脫氫酶和從Trametes pubescens MB 89分離純化出的漆酶在含有乳糖、單糖和半乳寡聚糖的培養(yǎng)基上，乳糖的轉(zhuǎn)化率在3h內(nèi)能達(dá)到95%。Satory等［13］從Zymomonas mobilis分離純化出葡萄糖－果糖氧化還原酶，可將乳糖和果糖轉(zhuǎn)化為山梨醇和乳糖酸。利用葡萄糖－果糖氧化還原酶氧化乳糖產(chǎn)生兩種產(chǎn)物，生成的山梨醇和乳糖酸混在一起，給產(chǎn)物的純化工作帶來(lái)很大的困擾;此外，酶對(duì)乳糖的動(dòng)力學(xué)常數(shù)Km較大，是用葡萄糖做底物的Km的80倍。相較而言，使用氧化酶生產(chǎn)乳糖酸比用脫氫酶和葡萄糖果糖氧化酶更利于下游的分離純化工作。Xu等［14］從Microdochium nivale分離純化出的一種碳水化合物氧化酶，并將此酶的基因在Fusarium venenatum中表達(dá)。這種酶的分子量大約為55ku，可以氧化單糖、二糖、多糖，將電子直接傳遞給氧氣，生成過(guò)氧化氫，再通過(guò)催化反應(yīng)，將過(guò)氧化氫還原為水，在食品中是安全的。這種酶含有FAD和已經(jīng)報(bào)道的葡萄糖氧化酶、己糖氧化酶或吡喃糖氧化酶不同，對(duì)寡聚糖和長(zhǎng)碳鏈的聚合糖類有很高的活性，酶對(duì)乳糖也有很高的親和性。Lin等［15］從Acremonium strictum T1分離純化出含有FAD的碳水化合物氧化酶，命名為葡萄糖寡聚糖氧化酶。這種酶氧化葡萄糖作為還原末端的寡聚糖。此外，Hiromi Murakami等［16］從土壤中篩選出的Burkholderia Cepacia［17］篩選的Paraconithyrium sp.都可以發(fā)酵乳糖生產(chǎn)乳糖酸。

一種高親和性的，高度專一的反應(yīng)，在一定的氧濃度范圍內(nèi)，具有好的調(diào)控穩(wěn)定性的氧化酶應(yīng)用于酶反應(yīng)體系，才能使得乳糖酸的價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)性。目前，大多數(shù)的酶轉(zhuǎn)化法都很耗時(shí)，且酶和化學(xué)試劑的價(jià)格比較昂貴，廢水對(duì)環(huán)境的影響也很大，不能很好地用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，因此用酶法生產(chǎn)乳糖酸還需要很多努力，去縮短轉(zhuǎn)化時(shí)間，提高轉(zhuǎn)化效率。

3.2 電化學(xué)氧化乳糖生產(chǎn)乳糖酸

已經(jīng)報(bào)道了多種用電化學(xué)方法氧化乳糖產(chǎn)乳糖酸。Dutta等［18］用溴水氧化乳糖，加入CaCO3，生成的內(nèi)酯水解為乳糖酸。乳糖在酸性條件下容易水解，在堿性環(huán)境中不穩(wěn)定，因此早期的工作都是在pH7～10的條件下進(jìn)行的［19］。

電化學(xué)的方法轉(zhuǎn)化乳糖為乳糖酸，用鋰修飾金屬電極時(shí)，Na2CO3和 NaHCO3作為緩沖液［20］，反應(yīng)4h后，95%的乳糖被轉(zhuǎn)化;用Pb－Pt做電極時(shí)，76%的乳糖選擇性的轉(zhuǎn)化為乳糖酸。但是由于CO和電極對(duì)產(chǎn)物的不可逆吸收，容易導(dǎo)致電極的污染。用Au做電極材料時(shí)，乳糖選擇性的氧化使乳糖酸的轉(zhuǎn)化率能達(dá)到接近100%。后來(lái)發(fā)現(xiàn)在鉍為氧化單電子層的多結(jié)構(gòu)的白金和金電極上，生成乳糖酸的同時(shí)，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，用金膠體嵌入碳中形成新的納米電極，乳糖酸的轉(zhuǎn)化率能達(dá)到91%。

雖然電化學(xué)氧化乳糖能獲得高轉(zhuǎn)化率的乳糖酸，但電化學(xué)法僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，因?yàn)檫@種方法比較昂貴，檢測(cè)方法比較繁瑣。

3.3 化學(xué)法氧化乳糖生產(chǎn)乳糖酸

化學(xué)法生產(chǎn)乳糖酸是用鹵素在酸性和堿性的條件下氧化乳糖得到的［22］，也可以在堿性環(huán)境中由鐵氰化物氧化得到［23］。在pH=9.2時(shí)，β－D形式的乳糖氧化速率是α－D形式的28倍。但氧化過(guò)程很難終止，乳糖被氧化為酮糖。

乳糖氧化過(guò)程中有很多中間產(chǎn)物，包括粘液酸、酒石酸、草酸、葡萄糖酸和半乳糖酸?；瘜W(xué)法的弊端是化學(xué)試劑價(jià)格昂貴，并且會(huì)有多種副產(chǎn)物。

3.4 催化合成法

醛糖的催化氧化需用金屬離子做催化劑:O2，H2O2，鹵素或者HNO3作為氧化劑。Hendriks等［24］研究了用氧氣氧化乳糖，研究表明促進(jìn)劑能抑制催化劑的毒性，1h內(nèi)乳糖酸鈉的轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。在pH為7～10范圍內(nèi)，選擇性轉(zhuǎn)化為乳糖酸鈉的轉(zhuǎn)化率能達(dá)到100%，pH＞10時(shí)，乳糖會(huì)發(fā)生降解。氧化乳糖用的是單金屬催化，鉍:鉑電極的最適比例為0.50～0.67。為防止過(guò)度氧化造成的催化劑失效，在反應(yīng)過(guò)程中，溶氧需低于1%。

金屬的鈍化是催化氧化乳糖時(shí)的一個(gè)限制性因素。Abbadi等［25］在研究了催化乳糖生成乳糖酸鈉時(shí)，為防止金屬的鈍化，將鉍和鉑組合為鉑－金和鉑－鉛的二金屬?gòu)?fù)合體，碳作為媒介，乳糖在2h之內(nèi)完全氧化為乳糖酸。Karski等［26］用復(fù)合金屬Pd－Bi/ Si02氧化乳糖時(shí)，加入少量的鉍，使得乳糖的轉(zhuǎn)化率大大提升。

4 展望

乳糖酸是一種有高附加值的有機(jī)酸，隨著其功能陸續(xù)地被發(fā)現(xiàn)，使其在食品，醫(yī)藥，美容和清潔行業(yè)都有廣闊的應(yīng)用前景。目前歐美多用化學(xué)合成法合成乳糖酸，該方法成本高，且常伴有副產(chǎn)物的生成，生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜。電化學(xué)轉(zhuǎn)化法已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，但目前這些方法僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，不能應(yīng)用于大規(guī)模的生產(chǎn)。微生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乳糖酸具有很大的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)報(bào)道的Pseudomonas sp.［5］和Burkholderia cepacia.［18］具有較高的轉(zhuǎn)化率，但這兩種菌都不是安全菌株，不能用于食品行業(yè)的生產(chǎn)。因此尋找具有高效轉(zhuǎn)化乳糖酸的安全菌株，具有很大的市場(chǎng)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 *通訊聯(lián)系人

白會(huì)釵(1982－)，女，在讀博士，研究方向:食品生物技術(shù)。