β-gal

Lactase, auch bekannt als β-Galactosidase (EC 3.2.1.23), hat die Hauptfunktion, Laktose in Glukose und Galaktose zu hydrolysieren. Lactase ist eine ungiftige biologische Enzymzubereitung, die von der FDA und anderen Regulierungsbehörden als sichere Substanz identifiziert wurde, was die Verwendung in der industriellen Lebensmittelproduktion ermöglicht.

Quellen

Native Laktasen kommen hauptsächlich in Hefe, Bakterien, Pflanzen und dem Darm junger Tiere vor. Viele Mikroorganismen können Laktasen produzieren, darunter Bakterien (Lactobacillus, Bacillus coli, Lactobacillus und amyloliquefaciens), Schimmel (Aspergillus oryzae, Aspergillus niger und Aspergillus globosum), Hefe (Kluyveromyces und Kluyveromyces lactis), Actinomyces (azure Streptococcus) und so weiter.

Eigenschaften

Lactase ist ein weißes, geruchloses Pulver. Nach dem Lösen kann Lactase eine hellbraune Flüssigkeit werden. Laktose hat eine geringe Löslichkeit, die in kalten tierischen Produkten leicht ausfällt, was die Produkte mit einer granularen Struktur versehen kann. Der optimale pH-Bereich von Laktase liegt bei 7,0 bis 7,5 aus E. coli, 6,0 bis 7,0 aus Hefe, etwa 5,0 aus Schimmel. Der optimale Temperaturbereich liegt bei 37 bis 50 °C. Bei normalen Verwendungskonzentrationen kann Lactase 74 % der Laktose in 72 Stunden hydrolysieren.

Katalytischer Mechanismus

Im Stoffwechsel wird die β-glycosidische Bindung von D-Laktose durch Lactase hydrolysiert, um D-Galaktose und D-Glukose zu bilden, die durch die Darmwände in den Blutkreislauf aufgenommen werden können. Der katalytische Mechanismus der Hydrolyse von D-Laktose behält die anomere Konfiguration des Substrats in den Produkten bei. Obwohl die Einzelheiten des Mechanismus ungewiss sind, wird die stereochemische Beibehaltung durch eine doppelte Displacementsreaktion erreicht. Studien zu Lactase haben vorgeschlagen, dass die Hydrolyse eingeleitet wird, wenn ein Glutamat-Nukleophil auf dem Enzym von der axialen Seite des Galaktosylkohlenstoffs in der β-glycosidischen Bindung angreift. Mg-abhängige Säurekatalyse kann die Entfernung der D-Glukose-Abgangsgruppe erleichtern. Das Enzym wird von der α-Galaktosyl-Gruppe befreit, wenn Wasser einen äquatorialen nukleophilen Angriff ausführt, was D-Galaktose produziert.

Studien zur Substratmodifikation haben gezeigt, dass die 3’-OH- und 2’-OH-Gruppen am Galaktopyranose-Ring für die enzymatische Erkennung und Hydrolyse unerlässlich sind. Die 3’-Hydroxygruppe ist an der anfänglichen Bindung an das Substrat beteiligt, während die 2’-Gruppe nicht für die Erkennung notwendig ist, aber in den nachfolgenden Schritten benötigt wird. Dies wird durch die Tatsache demonstriert, dass ein 2-Deoxy-Analog ein effektiver kompetitiver Inhibitor ist. Die Eliminierung spezifischer Hydroxylgruppen an der Glukopyranose-Gruppe beseitigt nicht vollständig die Katalyse.

Biologische Funktionen

Lactase kann die übermäßige Laktose in Glukose und Galaktose im Menschen abbauen. Glukose ist die Energiequelle des Stoffwechsels. Galaktose ist ein essentielles strukturelles Saccharid für den Stoffwechsel des menschlichen Gehirns und des Schleimhautgewebes. Darüber hinaus kann Lactase auch Oligosaccharide im Körper durch Transglycosylierung produzieren. Oligosaccharid ist ein Ballaststoff mit niedrigem Molekulargewicht, nicht klebrig und wasserlöslich, der nur von Bifidobacterien als Wachstumsfaktor im Darm verwendet wird, während er von schädlichen Bakterien nicht genutzt wird. Es kann die Produktion schädlicher Toxine im Darm erheblich reduzieren, um Verstopfung und Durchfall zu verhindern.

Produktion

Für die Produktion von Lactase kann die Gentechnik hochaktive Laktasegene in Mikroorganismen übertragen, die leicht zu kultivieren sind und sich schnell vermehren, um die Kosten erheblich zu senken. Um die Menge und Qualität der Enzymproduktion zu verbessern, werden häufig gezielte Mutagenese, Protoplastfusion und DNA-Rekombinationstechnologie eingesetzt. Zum Beispiel wird die Mutagenese von Bifidobacterium, Lactobacillus und Streptococcus thermophilus unter Verwendung chemischer Mutagene durchgeführt, um ertragreiche Stämme zu selektieren. Im Vergleich zu ihren Wildtyp-Stämmen hat die mutagenisierte Stammmenge an produzierter Lactase signifikant zugenommen. Um weiterhin ertragreiche Stämme zu erhalten, entstehen ständig neue gentechnisch veränderte Bakterien. Zu den Hauptgentechnik-Mikroorganismen gehören Escherichia coli, Hefe, Streptococcus thermophiles und Lactobacillus.

Immobilisierte Enzyme werden ebenfalls häufig zur Produktion von Lactase verwendet. Im Vergleich zu freien Enzymen haben immobilisierte Enzyme viele Vorteile. Zum Beispiel ist es sehr einfach, immobilisierte Enzyme von Substraten und Produkten zu trennen; sie können über einen langen Zeitraum wiederholt zur Katalyse von Reaktionen verwendet werden; sie haben eine gewisse mechanische Festigkeit, die eine kontinuierliche Verwendung im Säulenreaktor ermöglicht; sie sind für die großtechnische industrielle Produktion geeignet; sie reduzieren nicht nur die katalytischen Kosten, sondern können auch die Abfallemissionen und die betriebliche Verschmutzung bei der Herstellung von Biokatalysatoren erheblich reduzieren. Methoden zur Enzymimmobilisierung umfassen Einbettungsmethode, Adsorptionsmethode, kovalente Bindungsmethode, usw.

Anwendungen

Lactase wird hauptsächlich in der Milchindustrie verwendet, um die leicht süße und schwer lösliche Laktose in süßere und besser lösliche Monosaccharide (Glukose und Galaktose) umzuwandeln. Lactase kann auch die Möglichkeit der Kristallisation von Laktose in Eiscreme, konzentrierter Milch und leichter Kondensmilch reduzieren, während die Süße erhöht wird. In der Fermentations- und Bäckereiindustrie kann Lactase von Hefe verwendet werden, um Laktose in Glukose zu hydrolysieren. Es gibt eine Reihe von Babys, die aufgrund des Mangels an normaler Lactase im Darm nach der Milchfütterung Durchfall bekommen, weshalb viele Länder in Europa häufig Lactase und Lysozym zur Milch für Säuglinge hinzufügen.