乳糖酶的固定化及其生产低乳糖羊奶的实验研究

论文摘要

本项研究的主要目的在于利用β-半乳糖苷酶水解羊奶中的乳糖来解决一直困扰乳制品消费和生产的乳糖不耐症。固定化酶是20世纪60年代开始发展起来的一项新技术，是指经物理或化学方法处理，使酶变成不易随水流失即运动受到限制，而又能发挥催化作用的酶制剂。目前已建立的固定化方法分为载体结合法、包埋法及交联法三类。它比游离酶具有多方面的技术优点，正在被人们所接受，并逐步应用于我国的国民经济建设中。固定化酶与游离酶相比，具有下列优点：①极易将固定化酶与底物、产物分开：②可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应；③在大多数情况下，能够提高酶的稳定性；④酶反应过程能够加以严格控制；⑤产物溶液中没有酶的残留，简化了提纯工艺；⑥较游离酶更适合于多酶反应；⑦可以增加产物的收率，提高产物的质量；⑧酶的使用效率提高，成本降低。在我国有许多人无法消化和吸收乳糖，主要是因为其肠内乳糖酶的活性随着年龄的增长日益降低的结果。为了扩大乳制品的生产和消费，生产一种为广大群众都可接受的新型乳品饮料是非常必要的。低乳糖乳品饮料不仅较普通羊奶更有营养，而且还能够解决乳糖不耐症，同时羊奶经乳糖酶水解后，增加了羊奶的滋味，明显提高了羊奶的香味，同时强化了多种微量元素和生长因子，大大满足了患有轻重程度不同的乳糖不耐症人群对羊奶的需求。低乳糖营养乳与普通的羊奶相比营养更全面，所以也适合各种人群，特别是儿童和老人饮用。因此，水解羊奶中的乳糖有非常重要的意义，低乳糖羊奶有更加广泛的市场前景。乳糖酶广泛存在于各种动植物以及微生物中，包括β-半乳糖苷酶（EC3．2．1．23），酸性β-半乳糖苷酶和异β-半乳糖苷酶，而后2种酶很少对乳糖起作用。一般说来，用于生产低乳糖奶的乳糖酶即是β-半乳糖苷酶，它能将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖。在众多来源的β-半乳糖苷酶中，特别要说明的是E．coli产生的β-半乳糖苷酶，由于其亚基结构、一级结构及空间结构已经被确定，因此对β-半乳糖苷酶酶解机理的研究主要基于此酶。β-半乳糖苷酶的相对分子质量为460kD，具有四聚体结构，由4个相对分子质量各为116kD的多肽链组成。本实验用海藻酸钙（海藻酸钠2％，CACl22％）为载体，包埋法制备颗粒状的固定化β-半乳糖苷酶，然后，用水溶性壳聚糖（1％）处理固定化β-半乳糖苷酶颗粒以更好地防止酶的泄漏，同时，壳聚糖也可以作为一种吸附剂强化对酶的固定化作用。本文主要研究了游离β-半乳糖苷酶与固定化β-半乳糖苷酶对原料奶中乳糖的水解率，并对用游离β-半乳糖苷酶与固定化β-半乳糖苷生产低乳糖羊奶的相关技术进行了实验室规模的研究。结果表明：游离酶的最适温为39℃，最适pH值为6.8，加酶量0.2g，水解1.5h，乳糖水解率达到了74.5％：固定化酶的最适温度为45℃，最适pH值为6.8，与游离酶相比较，热稳定性及pH稳定性都有了明显的提高，45℃下，加酶量2g，水解3.0h，乳糖水解率达到了71.5％，经初步重复使用20次，酶活力为起始活力的80％。并且将水解后的低乳糖羊奶在70℃，80℃，90℃，100℃下保温30min后，羊奶的性状保持完好，这为工业化生产低乳糖羊奶提供了较好的实验依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一部分 文献综述
• 1.研究目的和意义
• 2.乳糖不耐症及解决措施
• 2.1 什么是乳糖不耐症?
• 2.2 乳糖不耐症的解决措施
• 3.固定化酶的研究进展
• 3.1 固定化酶的研究意义
• 3.2 酶的固定化技术
• 3.2.1 固定化酶的制备原则
• 3.2.2 酶的固定方法
• 3.2.3 各种固定化酶方法的比较
• 3.3 固定化酶的性质研究
• 3.3.1 固定化的影响
• 3.3.2 固定化酶性质的变化
• 3.4 固定化酶的应用及发展趋势
• 3.4.1 固定化酶在环境工程中的应用
• 3.4.2 固定化酶在化学分析中的应用
• 3.4.3 固定化酶在临床医疗中的应用
• 3.4.4 固定化酶在工业中的应用
• 3.4.5 固定化酶在基础理论研究方面的应用
• 4.海藻酸钠的结构与理化性质
• 4.1 海藻酸钠的结构与性质
• 4.2 海藻酸钠的溶解性质
• 4.3 海藻酸钠与金属离子的作用
• 4.4 海藻酸钠的研究与应用
• 5.壳聚糖概述
• 5.1 壳聚糖的结构与性质
• 5.2 壳聚糖在各方面的应用
• 5.2.1 在医药和保健食品中的应用
• 5.2.2 在食品工业中的应用
• 5.2.3 在固定化酶中的应用
• 5.2.4 在其他领域中的应用
• 6.本课题的研究内容
• 第二部分:实验研究
• 1.材料和设备
• 1.1 主要材料
• 1.2 主要设备
• 2.方法
• 2.1 乳糖含量的测定
• 2.2 乳糖酶活力的测定
• 2.3 乳糖酶的固定化
• 2.4 游离和固定化β-半乳糖苷酶的性质研究
• 2.4.1 最佳反应温度
• 2.4.2 热稳定性
• 2.4.3 最佳反应pH值
• 2.4.4 pH稳定性
• 2.5 固定化酶的可重复利用性
• 3.结果与讨论
• 3.1 游离β-半乳糖苷酶的特性研究
• 3.1.1 羊奶中乳糖的含量
• 3.1.2 最适温度
• 3.1.3 热稳定性
• 3.1.4 最适pH值
• 3.1.5 pH稳定性
• 3.2 固定化β-半乳糖苷酶的特性研究
• 3.2.1 固定化β-半乳糖苷酶的物理性状及活力回收率
• 3.2.2 温度对固定化酶活性的影响
• 3.2.3 固定化酶的热稳定性
• 3.2.4 pH对固定化酶活性的影响
• 3.2.5 固定化酶pH稳定性
• 3.2.6 操作稳定性
• 3.3 固定化酶的催化反应机理探讨
• 3.3.1 固定化酶对反应体系的影响
• 3.3.2 影响固定化酶的动力学因素
• 3.4 用游离酶和固定化酶生产低乳糖羊奶的工艺条件
• 3.4.1 游离酶生产低乳糖羊奶的研究
• 3.4.2 固定化乳糖酶生产低乳糖羊奶的研究
• 3.4.3 低乳糖羊奶的热稳定性研究
• 4.结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果