乳(ru)糖不耐者的(de)福音：南京工(gong)業大學CEJ——3D打印(yin)酶固定化流(liu)動反應器高(gao)效去除牛奶(nai)乳糖

來源：X-MOL資訊

牛(niu)奶含有人體(體)必需的(de)微量營養素(su)，對人們平衡膳(shan)食至關重要(yao)。然而，乳糖不(bu)耐癥患者在(zai)攝入含有乳(ru)糖的牛奶后(hou)，由于腸(腸)道中缺乏水(shui)解乳糖的乳(ru)糖酶，會出現(現)腹脹、腹(fu)瀉和腸胃痙攣。盡(盡)管現在食品(pin)工業通過膜(mo)分離、超濾和添加游(you)離β-半乳糖苷(gan)酶等方法實現了低乳糖和(he)無乳糖牛奶(nai)的生產，然而(er)生產工藝復雜和生產過程中資(資)源浪費導致(zhi)其低成本效(xiao)益。其中β-半乳(ru)糖苷酶將乳(ru)糖分水解為葡萄糖和半(ban)乳糖，高效水解(jie)牛奶(nai)乳糖的同時不(bu)影響牛奶的(de)營養價值。因(yin)此，一種高效(xiao)，操(cao)作穩定和安(an)全的 β-半乳糖(tang)苷酶固定化(hua)方法用(yong)于低乳糖和(he)無乳糖牛奶(nai)的生產具有(you)重要意義。

為了實現這一(yi)目標，南京工(gong)業大學何冰(bing)芳教授(shou)高兵兵副教(jiao)授開發出一(yi)種3D打印β-半乳糖(tang)苷(gan)酶流動反應器用于(yu)低乳糖和無乳(ru)糖牛奶的生(sheng)產（圖1）。通(tong)過聚乙烯亞胺和透明質(質)酸鈉層的層層自組裝快(kuai)速修飾3D打印(yin)聚乳酸支架(jia)簡化酶固定(ding)化載體修飾過程，京(jing)尼平作為交(jiao)聯劑共價固(gu)定了β-Gal保證高(gao)效、穩定地固(gu)定酶。此外，集成(cheng)到流動反(fan)應器中的3D打印支架通(tong)過定向通道(dao)擾動了不同(tong)反應器中的(de)流體，改善了(le)內部傳質，從而實現了高(gao)效的牛奶乳糖水解(jie)。該反應器酶(mei)固定化效率(lu)高，催化活性(xing)穩定，在低乳(ru)糖和無乳糖(tang)牛奶生產及(ji)其他生物催(cui)化領域(yu)具有廣闊的應用前景。相關(關)成果發表在(zai)國際頂級期(qi)刊Chemical Engineering Journal 雜志上(shang)（影響因子15.1）。論文第(di)一作者為南(nan)京工業(業)大學藥學院(yuan)碩士研究生(sheng)邵云，通訊作(zuo)者為南京工(gong)業大學藥學(學)院的何冰芳(fang)教授以及高(gao)兵兵副(fu)教授。研究工(gong)作得到了國家重點研發計劃、國家自然(ran)科學基金、江(jiang)蘇省自然科(ke)學基金等項目的資(資)助。


圖1. 用于高(gao)效低乳糖和(he)無乳糖牛奶(nai)生產的3D打印(yin)β-半乳糖苷酶(mei)流動反應器

在本研(yan)究中，研究人員制作內部具(ju)有定向通道和(he)孔隙的3D打印(yin)聚乳酸支架(jia)（圖2）。與傳統的(de)酶固定化載體如微(wei)納米粒子、水(shui)凝膠等相比(bi)，3D打印支架可(ke)以更簡便的(de)和流動反應器相結合而(er)不用考慮管(guan)道堵塞(sai)和壓實的問題。此外，聚乙烯(xi)亞胺和透(tou)明質酸鈉層層自組裝修飾3D打印支架簡化酶固定化(hua)載體修(xiu)飾過程。


圖2. 3D聚(ju)乳酸支架以(yi)及聚乙烯亞胺和透明質(質)酸鈉層層自(zi)組裝修(xiu)飾過程

此外，京(jing)尼平作為一種交聯劑，目前已被廣(廣)泛研究用于(yu)高效共價連(連)接酶分子和改(gai)性載體(體)支架，更重要(yao)的是，它的細胞毒性比傳統交聯劑戊(wu)二醛低 5,000-10,000 倍。在(zai)酸性條件下(xia)，β-半乳糖苷酶(mei)的伯氨(an)基進攻京尼(ni)平的 C3，打開二氫吡(bi)喃環(環)，形成(cheng)芳香族氨基(ji)。研究人員通(tong)過條件優化(hua)實現了β-半乳(ru)糖苷酶的高效固定和(he)穩定的固定(ding)化酶性質（圖(圖)3）。


圖(圖)3. 固(gu)定化條(條)件優化和固(gu)定化酶學性質研究(jiu)

同時，研究人(ren)員將3D打印β-半(ban)乳糖苷酶支(zhi)架和流動反(fan)應器相結合(he)，通過設計不(bu)同的支架內部結構研究流體擾動對于酶和底(di)物傳質影響。此外，還通過(過)COMSOL模擬進一步(bu)研究流體在(zai)反應器內部(bu)分布。集(ji)成到流動反(fan)應器中的3D打(da)印支架通過(過)定向通道擾(擾)動了不同反(fan)應器中的流(liu)體，改善了內部傳質(質)，從而實現了(le)高催化活性(xing)（圖(圖)4）。


圖(圖)4. 3D打印β-半乳糖(tang)苷酶流動反(fan)應器的乳糖(tang)水解性(xing)能

此外，傳統的載體改性(xing)采用化學方(fang)法枝接官能(neng)團，一旦官能(neng)團被占據，再(zai)改性是一個復雜的過程。而逐層自組裝改性(xing)可以依靠載(載)體表面的氫鍵或離子相互(hu)作用，方便快(kuai)捷地反復枝(zhi)接的官能團，用于固(gu)定化酶。逐層自組裝修(xiu)飾的3D打印聚乳酸(suan)支架可以循(xun)環重復使用(yong)，固定β-半乳糖(tang)苷酶，只需在被固定(ding)的酶失去酶(mei)活性后將其(qi)收集起來，重(zhong)新自組裝修(xiu)飾固定酶即可(ke)（圖5a）。


圖5. 層層自組裝修(xiu)飾載體重復利用