淺論乳糖功能研發(fā)應(yīng)用

文/張麗娜 周 鵬

（江南大學(xué)食品學(xué)院）

乳糖是乳制品中重要的碳水化合物，也是奶粉中最重要的能量來源之一。但是由于遺傳的原因，許多人對乳糖的消化能力不足，產(chǎn)生了乳糖不耐等癥狀。因此，充分了解乳糖的性質(zhì)和人類對乳糖的消化吸收機(jī)理，對乳制品開發(fā)、乳糖功效的發(fā)揮以及乳糖副作用的避免至關(guān)重要。

乳糖是一種結(jié)構(gòu)明確的化合物，其甜度約為白砂糖的20．0%，由一分子葡萄糖和一分子半乳糖通過β-1，4位形成糖苷鍵組成的雙分子糖。它存在于所有已知的哺乳動物乳汁中，是乳汁中最主要、含量最高的碳水化合物。在母乳中，乳糖的濃度約為70 g/L，約占乳汁提供能量的40．0%[1]。

世界衛(wèi)生組織推薦使用全母乳喂養(yǎng)嬰兒直到6 月齡，并建議持續(xù)喂養(yǎng)母乳到24 月齡。由于乳糖具有重要的生理功能，被廣泛用作食品醫(yī)藥原料[2]。目前商用乳糖主要是通過結(jié)晶，從生產(chǎn)芝士和酪蛋白的副產(chǎn)物乳清蛋白中提取，具有價格便宜，性質(zhì)穩(wěn)定，安全性高以及低吸濕性等特點(diǎn)。全球每年乳糖產(chǎn)量達(dá)600 萬噸[3]。

1 乳糖的性質(zhì)

由于乳糖是由β-D-半乳糖和α/β-D-葡萄糖結(jié)合形成的雙糖，因此，根據(jù)葡萄糖分子C1位H原子和OH基團(tuán)的位置不同，乳糖具有α-乳糖和β-乳糖兩種構(gòu)型[4]。

α-乳糖易于結(jié)合一分子結(jié)晶水，形成一水α-乳糖（α-lactose monohydrate），β-乳糖則為無水乳糖（Anhydrous β-lactose）。當(dāng)結(jié)晶工藝溫度在高溫下進(jìn)行時（＞93．5 ℃），β-乳糖含量較高，當(dāng)結(jié)晶過程在接近室溫的條件下進(jìn)行時，α-乳糖占據(jù)主要部分[5]，兩者的物理與化學(xué)性質(zhì)差異見表1。

兩種構(gòu)型的乳糖在溶于水后會發(fā)生轉(zhuǎn)換（圖1），最終達(dá)到動態(tài)平衡。水溶液中，α-乳糖與β-乳糖的比例受到溫度、濃度、pH值和其他物質(zhì)的影響[6]，在20．0 ℃時，乳糖溶液中α-乳糖含量為37．3%，β-乳糖的含量為62．7%，溶液平衡后的旋光角度為+55．3°。在實際操作中，可以通過添加鹽、蔗糖等物質(zhì)影響溶液中乳糖的旋光角度以及溶解度。

表1 兩種構(gòu)型乳糖物理與化學(xué)性質(zhì)比較

圖1 α-乳糖與β-乳糖的轉(zhuǎn)化

在醫(yī)藥產(chǎn)品的應(yīng)用中，美國、歐洲和日本的藥典均沒有對乳糖異構(gòu)性進(jìn)行要求[6，7]，但美國和日本要求標(biāo)識無水乳糖的異構(gòu)純度。目前并無研究表明乳糖的兩種不同構(gòu)型會影響其功能與作用。

在我國，依據(jù)《GB 25595—2010 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 乳糖》規(guī)定，嬰幼兒配方奶粉中的乳糖須為乳清中提取的碳水化合物，以無水或一分子結(jié)晶水的形式存在，或混合存在。

目前工業(yè)上應(yīng)用的乳糖主要來源于牛乳清，隨著山羊乳產(chǎn)業(yè)近幾年不斷發(fā)展，來源于山羊乳清的乳糖也逐漸問世。同時也出現(xiàn)了關(guān)于牛、羊乳糖差異性的爭議，但是通過高效液相色譜和紅外光譜方法檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，牛乳糖與山羊乳糖的液相保留時間和紅外光譜圖均呈現(xiàn)出一致性（表2、圖2），表明牛乳糖與山羊乳糖具有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)及組成，且兩者的性質(zhì)無差異。

2 乳糖的制備

在奶酪的生產(chǎn)過程中，經(jīng)凝乳酶沉淀除去酪蛋白后會得到大量的副產(chǎn)物——乳清溶液，而乳糖則從乳清中提取而來，通常其生產(chǎn)提取過程見圖3。

乳糖生產(chǎn)過程包括結(jié)核、晶體生長和結(jié)晶3 個步驟。

2．1 結(jié)核

此步驟是結(jié)晶過程的起始，乳糖分子首先形成一個聚集核，在實際生產(chǎn)過程中，該聚集核可以是額外添加的乳糖結(jié)晶。

表2 牛乳糖與羊乳糖的高效液相保留時間

圖2 牛乳糖（左）與山羊乳糖（右）紅外光譜圖

圖3 乳糖的制備工藝過程

2．2 晶體生長

乳糖分子在飽和壓力的驅(qū)動下圍繞聚集核聚集增大。

2．3 結(jié)晶

結(jié)晶是許多小的結(jié)晶融合形成大的晶體的過程。結(jié)晶過程的快慢主要由結(jié)晶劑、結(jié)晶工藝、雜質(zhì)等因素影響[6]。例如當(dāng)乳清分離蛋白（WPI）與乳糖混合后，可以降低乳糖的結(jié)晶程度。

3 乳糖的應(yīng)用

除了作為奶粉的重要能量來源外，在酸奶生產(chǎn)中，乳糖也作為發(fā)酵底物，被乳酸菌利用后，產(chǎn)生乳酸。研究發(fā)現(xiàn)，乳糖的濃度對發(fā)酵酸奶的性質(zhì)有重要影響，蛋白質(zhì)發(fā)酵后其持水力隨著乳糖濃度的升高而升高，而膠著性和彈性則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢[8]。對比無乳糖酸奶與普通發(fā)酵酸奶，無乳糖發(fā)酵酸奶酸度增加速率快，黏度增加幅度大，活菌數(shù)高；在貯藏過程中，無乳糖酸奶中活菌數(shù)的下降速率略快于普通酸奶，體現(xiàn)了乳糖對穩(wěn)定酸奶性質(zhì)的重要作用[9]。

乳糖作為一種還原性糖，在奶粉的生產(chǎn)加工過程中可以和蛋白質(zhì)、肽段或氨基酸等氨基化合物在加熱條件下發(fā)生美拉德反應(yīng)，從而賦予食品焦糖色或褐色以及獨(dú)特香氣，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于威化餅、烘焙食品、調(diào)味料產(chǎn)品的生產(chǎn)[10]。但是，美拉德反應(yīng)也會改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)，影響其消化性[11]，美拉德反應(yīng)的有害產(chǎn)物主要受pH值、溫度和反應(yīng)程度的影響[12]，因此，在食品生產(chǎn)中，工藝控制起著重要作用。

乳糖也是一種常見的制藥輔料，可用于固體藥劑中，常作為填充劑和黏合劑，不僅可以使藥劑更易流動，而且能夠在生產(chǎn)片劑時起到黏合的作用[13]。

此外，乳糖還可作為原料，經(jīng)修飾后轉(zhuǎn)化為乳糖醇（4-β-D吡喃半乳糖-D-山梨醇）、乳糖酸、乳果糖、乳糖蔗糖和低聚半乳糖[14]等食品配料。其中，乳糖醇是一種改性食品添加劑，由乳糖催化，加壓、加氫后過濾，經(jīng)脫色、離子交換、濃縮、結(jié)晶制得，被廣泛地應(yīng)用在無糖食品中，適用于糖尿病人[15]。

4 乳糖的生理功能

乳糖是維持嬰幼兒生長的重要能量物質(zhì)，按照《GB 10765—2010食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 嬰兒配方食品》要求，嬰兒配方奶粉中乳糖應(yīng)占總碳水化合物的90．0%以上。這是由于乳糖對嬰幼兒生長發(fā)育有著重要作用。對斷奶期豬幼崽研究發(fā)現(xiàn)，增加飲食中乳糖含量可以促進(jìn)其飲食量和體重增長，另外乳糖還可能有助于提高食物到體重的轉(zhuǎn)化率[16，17]。乳糖進(jìn)入人體后主要在小腸中被乳糖酶分解為葡萄糖和半乳糖，從而被小腸吸收。乳糖不僅為人體提供能量，還能與礦物質(zhì)一起維持乳汁中的滲透壓[18]，母乳中的滲透壓約為286 mOsm/kg[19]，研究發(fā)現(xiàn)，嬰幼兒配方奶粉的滲透壓隨著乳糖濃度增加而升高，且呈線性相關(guān)[20]。目前對于嬰幼兒配方奶粉的滲透壓沒有強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)英國嬰兒飲食協(xié)會推薦，嬰幼兒配方奶粉滲透壓應(yīng)小于400 mOsm/kg[21]。

乳糖的升血糖指數(shù)（Glycemic Index，GI）為46，小于55，屬于低GI食物，可以用于血糖敏感人群；乳糖的致齲齒性也低于蔗糖，這可能是由于口腔中的變形鏈球菌利用乳糖產(chǎn)酸的速度比較慢[22]；乳糖還具有類似膳食纖維的作用，發(fā)揮益生元的功效，即當(dāng)乳糖在人體小腸中不能被充分消化時，剩余的乳糖會進(jìn)入結(jié)腸，充當(dāng)腸道菌群的底物，有利于雙歧桿菌和乳桿菌的生長[23]，同時產(chǎn)生短鏈脂肪酸。乳糖在被分解為半乳糖后，是低聚糖的重要組成成分，并可以通過半乳糖基化成為糖蛋白和糖脂，在人體發(fā)育過程中發(fā)揮重要功能[24]。

乳糖還具有免疫功能，Andreas Cederlund等[25]發(fā)現(xiàn)，人類母乳可以誘導(dǎo)上皮細(xì)胞和單核細(xì)胞中抗菌肽（CAMP）的表達(dá)，從而增強(qiáng)嬰兒的免疫力，這主要是在有絲分裂原活化蛋白激酶p38與N末端激酶JNK介導(dǎo)下，乳糖與丁酸酯或苯基丁酸酯協(xié)同增強(qiáng)了CAMP的基因表達(dá)。

另外，乳糖還可以促進(jìn)嬰兒對礦物質(zhì)（鈣、鎂等）的吸收[26]，其機(jī)制可能在于乳糖分解后引起pH值降低，從而增加了鈣和其他礦物質(zhì)的溶解性。在一項足月嬰兒喂養(yǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，喝含乳糖的嬰幼兒配方奶粉的嬰兒，其鈣、鎂、錳吸收率都顯著地高于喝不含乳糖的嬰幼兒配方奶粉的嬰兒，但鋅的吸收率不受乳糖的影響[27]。

5 乳糖不耐癥

雖然乳糖對人體有重要的營養(yǎng)作用，但是其必須在小腸內(nèi)被消化吸收。由于部分人無法消化乳糖，乳糖進(jìn)入到大腸后，會引起乳糖不耐癥。乳糖不耐癥通常是由于部分人體消化系統(tǒng)中缺少一種可以將乳糖分解為半乳糖和葡萄糖的酶——乳糖酶。嬰幼兒通常能夠分泌這種酶，但是斷奶后，這種酶在人體內(nèi)的分泌逐漸減少，從而引起成人乳糖不耐癥。有趣的是，在部分成人體內(nèi)，還可以檢測到乳糖酶的存在，這種保存的機(jī)制主要產(chǎn)生于乳糖酶LCT基因的多態(tài)性，在LCT基因上游13，910堿基處，存在LCT-13910 C/T（rs4988235），T等位基因是能使乳糖酶持久表達(dá)的等位基因，而C等位基因是乳糖酶非持久性表達(dá)的等位基因，當(dāng)個體是CC純合子時無法消化乳糖，而TC或TT的個體能夠消化乳糖[28]。由于部分人體小腸缺乏足夠的乳糖酶，乳糖進(jìn)入到大腸后，被大腸內(nèi)的腸道菌群發(fā)酵代謝為葡萄糖和半乳糖，這些糖進(jìn)而被發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸（如乙酸）、氫氣和二氧化碳等，這些氣體可引起打嗝，而短鏈脂肪酸則迅速升高腸道滲透壓，引起腹瀉、腹痛等癥狀[29]。乳糖不耐癥是碳水化合物消化吸收中最常見的問題，據(jù)報道，在亞洲有70．0%以上的人群受到乳糖不耐癥的困擾[30]，而在丹麥這一比例僅為6．1%[28]。

6 小結(jié)

乳糖主要由乳清蛋白分離而來，由于生產(chǎn)工藝的差異，乳糖的結(jié)構(gòu)有α-乳糖和β-乳糖的兩種構(gòu)型。這兩種構(gòu)型與乳糖的來源無關(guān)，且不會對乳糖的功能產(chǎn)生影響。作為一種重要的能量來源，尤其是對于以母乳為唯一營養(yǎng)來源的嬰幼兒，乳糖對于其生長發(fā)育起著正常作用，同時，乳糖也有助于礦物質(zhì)的吸收，促進(jìn)腸道中有益菌群的增殖。對于亞洲人，由于大部分人都存在乳糖不耐的癥狀，乳糖的攝入會減少，這可能會引起鈣吸收不足，骨質(zhì)疏松等癥狀，因此，需要通過不同的飲食策略緩解乳糖不耐癥。