酸性乳糖酶對奶粉中乳糖水解工藝的研究

周德宇

摘 要：用乳糖的水解率作為參照標準，借此來研究酸性乳糖酶對奶粉中乳糖水解工藝的催化作用，主要是研究了乳糖水解效率隨時間、溫度、酸堿度以及酸性乳糖酶的添加量等因素的變化情況。

關鍵詞：催化效率;水解;酸性乳糖酶

前言：

生命活動所需的能量有很大一部分需要從乳糖中獲取，尤其是對于嬰幼兒來說，日常攝入適量的乳糖，不僅有利于身體健康發(fā)展，還有利于智力的開發(fā)。雖然乳糖具有很多益處，但是對于患有乳糖不耐受癥的群體來說，攝入乳糖會使他們產生腹瀉等不良反應，因此，我們有必要研究乳糖的水解工藝，改善乳糖不耐受的問題。

一、材料和方法

（一）樣本介紹

本次試驗選用的酸性乳糖酶的活性達到了100000ALU/g，選用的奶粉為代膳全脂奶粉。

（二）試驗的設備和儀器

精密PH計，分辨率可達到0.01pH，測量范圍為0-14.00pH;電子天平，主要用于定量分析，稱量時可以精準到0.1mg;葡萄糖檢測試劑盒，主要用來檢測試驗樣本中的葡萄糖含量;臥式振蕩培養(yǎng)箱;電熱恒溫水槽DK8AX。

（三）操作步驟與試驗要求

試驗的操作步驟是首先往代膳全脂奶粉中加入適量的清水進行沖兌，沖兌完成后調節(jié)奶粉的酸堿度并進行消毒滅菌處理，處理后需要將奶粉靜置一段時間等待其溫度下降到常溫狀態(tài)，然后往奶粉樣本中加入一定量的活性為100000ALU/g的酸性乳糖酶，然后再把奶粉樣本放到臥式振蕩培養(yǎng)箱內進行恒溫培養(yǎng)，使樣本內的乳糖發(fā)生水解，水解后再次把樣本加熱，加熱溫度至少達到100℃，加熱時間至少要達到5min，此加熱過程可以使酶失去活性，為滅酶過程，接下來同樣需要將奶粉靜置一段時間使其冷卻下來，等到溫度降低到正常狀態(tài)既可以測定樣本內乳糖的水解率。

試驗前需測定代膳全脂奶粉樣本中的乳糖含量，選擇的檢測方法為直接滴定法，利用葡萄糖檢測試劑盒直接滴定待測樣本，以樣本溶液的體積消耗量為依據(jù)計算出葡萄糖的含量，此測定方法易于操作且能夠快速得出結果;試驗后還需要測定乳糖的水解率，乳糖水解率的測算公式為：

試驗的操作過程中需要注意以下幾點要求：

首先是沖兌奶粉時要嚴格按照產品說明書上的要求準確調配水和奶粉的比例，此試驗中加入的奶粉和水的比例為1：30（32g的奶粉配以240ml的清水），且加入的水的溫度大約在30℃–40℃范圍內;其次是要保障從加入酸性乳糖酶到使奶粉樣本中的乳糖水解的整個過程是在無菌的情況下進行的;另外在調解樣本的酸堿度時需要使用濃度為1moL/L的鹽酸溶液進行調節(jié);最后需注意滅菌后的奶粉與水的混合液的溫度需要下降到30℃左右后才能開始下一步的操作。

二、結果及分析

（一）研究不同條件下乳糖水解率的變化情況

影響乳糖水解的因素有很多，本文主要介紹了時間、溫度、酶的投入量以及酸堿度四個因素對于酸性乳糖酶催化下乳糖水解工藝的影響情況，除此之外酶的類別、反應底物的性質等因素也會影響乳糖的水解率。

首先是研究時間因素對于酸性乳糖酶催化下乳糖水解工藝的影響。設置一個檢測乳糖水解率（%）隨時間（h）變化情況的實驗，其他條件均保持不變，測量不同時刻的乳糖水解率的大小，分析實驗結果可知當時間在3h內時，隨著時間的增長，乳糖水解率有比較明顯的提升，之后，乳糖水解率的增長幅度較小甚至接近于零，在乳糖水解的過程中，最大的水解率超過了70%。

其次是研究溫度對于酸性乳糖酶催化下乳糖水解工藝的影響。設置一個檢測乳糖水解率（%）隨溫度（℃）變化情況的實驗，其他條件均保持不變，測量不同溫度下乳糖水解率的大小，從實驗結果中，我們可以了解到隨著溫度的升高，乳糖水解率先增加后減少，這說明酸性乳糖酶的催化效率也是先增加后減小的，并且我們還可以看出當溫度達到45℃時，乳糖水解率最高，酸性乳糖酶的催化效果最好。

其次是分析酸性乳糖酶的加入比例對于乳糖水解工藝的影響。設置一個檢測乳糖水解率（%）隨酸性乳糖酶的投入比例（%）變化情況的實驗，其他條件均保持不變，測量當投入了不同比例的酸性乳糖酶時，乳糖水解率的大小，實驗結果表明乳糖的水解率可以隨著酸性乳糖酶投入量的加大而增高，其中在酸性乳糖酶的投入比例大于0.05%且小于0.15%的情況下，乳糖水解率的增長幅度較大，而當酸性乳糖酶的占比超過0.15%時，乳糖水解率的增長幅度會逐漸減緩。因此，在考慮到經(jīng)濟利益的情況下，為了加快乳糖的水解我們一般不會使用過量的酸性乳糖酶，而是以0.15%的投入比例為最佳。

最后是探究酸堿度對于酸性乳糖酶催化下乳糖水解工藝的影響，同樣可以設置一個實驗，只改變奶水混合液的酸堿度數(shù)值，其他條件保持不變，觀察在不同的酸堿度環(huán)境下，乳糖水解率（%）的變化情況。從實驗結果中能夠了解到，隨著酸堿度的增加，乳糖水解率呈現(xiàn)出了先增長后下降的變化趨勢，并且是當酸堿度為3-5時，乳糖水解率隨酸堿度提高而提高;當酸堿度超出5時，乳糖水解率隨酸堿度提高而降低，由此可知，酸堿度為5時，乳糖的水解率最高，同時酸性乳糖酶的作用效果最好，據(jù)此我們需要把乳糖水解的酸堿度環(huán)境設定成pH=5。

（二）使用響應面分析方法改進乳糖發(fā)生水解的條件參數(shù)

借助響應面分析方法，完善由不同條件下的試驗得出的各種因素對于乳糖水解的影響參數(shù)，使其變得更加科學和直觀，由上文可知溫度、酶的用量以及酸堿度是影響乳糖水解率的三個主要因素，因此我們以這三個因素為變量并把乳糖水解的時間控制成3h，重新設計出一項新的三因素三水平的試驗方案，其中三因素即溫度、酸性乳糖酶的添加量、酸堿度三個因素，三水平為-1、0、1。

之后再根據(jù)試驗得出的數(shù)據(jù)并利用Design Expert軟件建立回歸方程，進行數(shù)據(jù)的回歸分析。借助軟件的智能分析，我們可以了解到在溫度、酶的用量以及酸堿度三種影響因素中，酶的用量對于酸性乳糖酶催化下乳糖水解工藝的影響最大，溫度次之，而酸堿度對于乳糖水解率的影響在三者之中最小。另外我們還可以得知溫度、酶的用量以及酸堿度三種因素對于酸性乳糖酶催化下的乳糖水解工藝的交叉影響作用不強，即三種影響因素具有比較高的獨立性。通過數(shù)據(jù)的記錄和處理并借助軟件對數(shù)據(jù)進行詳細地分析，我們可以得出基本結論，即當溫度達到45.33℃，酸堿度為4.93并且酸性乳糖酶的加入量達到0.17%時，乳糖的水解狀態(tài)最好，水解率為77.01%。

此外，為了增強結論的準確性、客觀性，我們還需要至少在重復進行兩次試驗，試驗過程與第一次試驗相同，當三次試驗得出的結論相同或者出現(xiàn)的偏差在試驗允許的范圍內時，我們才可以得出真實可靠的結論。

三、結論

通過試驗我們能夠得知利用響應面分析法能夠優(yōu)化由不同條件下的試驗得出的各種因素對于乳糖水解的影響結果，并且酸性乳糖酶對于乳糖水解的催化效果在時間為3h、酶含量為0.17%、酸堿度為4.93、溫度達到45.33℃時最佳，此時奶粉中乳糖的水解率達到了77.01%，并且三次試驗所得的結果在誤差允許的范圍內保持相同，因此本試驗結果具有可信性。

患有乳糖不耐受癥的人群食用了含有乳糖的奶粉后，會產生腹瀉、腹痛等不良反應，而本文的驗證試驗證明了在達到了一定的條件后，往沖調后的奶粉中加入酸性乳糖酶可以加速乳糖的水解，有效地改善乳糖不耐受癥患者們的困苦，并且有助于他們更好地吸收奶粉中的其它營養(yǎng)組分。

參考文獻：

[1]景文娟，劉曉蘭.固定化乳糖酶在低乳糖乳制品中的應用[J].中國乳業(yè)，2020（05）：73-80.

[2]黃夢瑤，范小雪，王存芳.酶在乳制品生產中的作用機理及應用研究進展[J].乳業(yè)科學與技術，2020，43（02）：44-48.