β-gal

ラクターゼ（β-ガラクトシダーゼ（EC 3.2.1.23）とも呼ばれる）の主な機能は、乳糖をグルコースとガラクトースに加水分解することです。ラクターゼは、FDAやその他の規制当局によって安全な物質として認識されている非毒性の生物酵素製剤であり、食品産業の生産に使用することができます。

供給源

天然のラクターゼは主に酵母、細菌、植物、若い動物の腸内に存在します。多くの微生物がラクターゼを生成することができ、細菌（ラクトバチルス、バシラス・コリ、ラクトバチルス、アミロリケファシエンス）、カビ（アスペルギルス・オリゼ、アスペルギルス・ニゲル、アスペルギルス・グロボサム）、酵母（クルイバロミセスおよびクルイバロミセス・ラクリス）、放線菌（アズール・ストレプトコッカス）などが含まれます。

特性

ラクターゼは無臭の白い粉末です。溶解後、ラクターゼは淡褐色の液体になります。乳糖は低い溶解度を持ち、冷たい動物製品で簡単に沈殿するため、粒状構造の製品を作ります。ラクターゼの最適pH範囲は、E. coliからは7.0から7.5、酵母からは6.0から7.0、カビからは約5.0です。最適温度範囲は37から50°Cです。通常の使用濃度では、ラクターゼは72時間で乳糖の74%を加水分解することができます。

触媒メカニズム

代謝において、D-乳糖のβ-グリコシド結合はラクターゼによって加水分解され、D-ガラクトースとD-グルコースが生成され、腸壁を通じて血流に吸収されます。D-乳糖の加水分解の触媒メカニズムは、生成物において基質のアノメリック構成を保持します。メカニズムの詳細は不明ですが、立体化学的保持は二重置換反応によって達成されます。ラクターゼの研究では、加水分解は酵素上のグルタミン酸ヌクレオフィルがβ-グリコシド結合のガラクトシル炭素の軸方向から攻撃することで開始されると提案されています。Mg依存性酸触媒はD-グルコースの離脱基の除去を促進することができます。酵素は、水による赤道的ヌクレオフィリック攻撃によってα-ガラクトシル部分から解放され、D-ガラクトースが生成されます。

基質修飾研究は、ガラクトピラノース環上の3’-OHおよび2’-OH部分が酵素認識と加水分解に不可欠であることを示しています。3’-ヒドロキシ基は基質への初期結合に関与し、2’-基は認識には必要ありませんが、その後のステップには必要です。これは、2-デオキシアナログが効果的な競争的阻害剤であるという事実によって示されています。グルコピラノース部分の特定のヒドロキシル基を除去しても、触媒作用は完全には消失しません。

生物学的機能

ラクターゼは、人間の過剰な乳糖をグルコースとガラクトースに分解することができます。グルコースは代謝のエネルギー源です。ガラクトースは人間の脳と粘膜組織の代謝に必要な構造的糖です。さらに、ラクターゼはトランスグリコシル化によって体内でオリゴ糖を生成することもできます。オリゴ糖は低分子量の食物繊維であり、非粘着性および水溶性の特性を持ち、腸内でビフィズス菌のみが成長因子として使用し、腐敗菌には使用されません。腸内の有害な毒素の生成を大幅に減少させ、便秘や下痢を防ぐことができます。

生産

ラクターゼの生産には、遺伝子工学を用いて、高活性のラクターゼ遺伝子を迅速に成長し繁殖する微生物に導入し、コストを大幅に削減することができます。酵素の生産量と品質を向上させるために、部位特異的変異導入、プロトプラスト融合、DNA再組換え技術がよく使用されます。例えば、化学変異原を使用してビフィズス菌、ラクトバチルス、ストレプトコッカス・サーモフィルスの変異誘発を行い、高収量株をスクリーニングします。野生型株と比較して、変異誘発株が生成するラクターゼの量は大幅に増加しました。さらに高収量株を得るために、新しい遺伝子工学細菌が次々と登場しています。主な遺伝子工学微生物には、大腸菌、酵母、ストレプトコッカス・サーモフィルス、ラクトバチルスが含まれます。

固定化酵素もラクターゼの生産に一般的に使用されます。自由酵素と比較して、固定化酵素には多くの利点があります。例えば、固定化酵素は基質や生成物から非常に簡単に分離でき、長期間にわたって反応を繰り返し触媒することができ、一定の機械的強度を持ち、カラム反応器で連続的に使用でき、大規模な工業生産に適しており、触媒コストを削減するだけでなく、バイオ触媒の製造廃棄物の排出や運用汚染を大幅に減少させることができます。酵素固定化方法には、埋め込み法、吸着法、共有結合法などがあります。

応用

ラクターゼは主に乳製品業界で、低溶解度の乳糖をより甘く、より溶解性の高い単糖（グルコースとガラクトース）に変換するために使用されます。ラクターゼは、アイスクリーム、濃縮乳、軽い練乳における乳糖の結晶化の可能性を減少させ、甘さを増加させることもできます。発酵およびベーカリー業界では、ラクターゼは酵母によって乳糖をグルコースに加水分解するために使用されます。多くの赤ちゃんは腸内に正常なラクターゼが不足しているため、ミルクを与えた後に下痢を引き起こすことがあるため、ヨーロッパの多くの国では、乳児用のミルクにラクターゼとリゾチームを添加することがよくあります。