無乳糖乳制品研究進展

張麗靜，袁瑋藝，雷文平，2，段天芳，劉成國，2，周 輝，2，羅 潔，2

（1.湖南農業大學 食品科技學院，湖南 長沙410125；2.湖南農業大學食品科學與生物技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410125）

乳糖不耐癥是引起胃腸道癥狀的常見原因之一，其成因是人體內缺乏乳糖酶，無法消化降解乳糖，使得乳糖在腸道中滯留，導致滲透壓失衡而積水，乳糖又經細菌分解發酵產氣產酸，造成腸道微生態環境紊亂。患者易出現反胃、腹瀉、腹痛等一系列癥狀，無法進食牛乳及其他眾多乳制品，嚴重程度可能因人而異。據Storhaug C L等人[1]研究統計，世界上約有2/3的人群患有乳糖不耐癥，而中國乳糖不耐癥人口約有85%。目前針對乳糖不耐癥人群的解決方法主要是食用低乳糖或無乳糖乳制品，或者攝入乳制品時服用外源乳糖酶或益生菌。降低乳制品中乳糖含量的方式有膜過濾等物理方法和乳糖酶水解等化學方法。采用乳糖酶水解技術生產無乳糖牛乳會使得產品甜度增加，風味改變。部分廠家如Valio公司采用膜過濾預先除去部分乳糖，再結合乳糖酶水解剩余的乳糖，該方式既將乳糖降低至0.01%以下，又保留了牛乳的正常風味和口感[2]。隨著牛乳中乳糖降低技術的不斷發展，目前生產商面臨的挑戰主要是生產出與傳統牛乳口感和風味一致的高品質無乳糖牛乳，因此需要不斷提升乳糖酶的品質和改良優化乳糖酶水解工藝。通過查閱國內外相關文獻，對乳糖不耐癥及其解決方法和無乳糖乳制品現狀及其加工技術進行綜述。

1 乳糖不耐癥概述

1.1 乳糖不耐癥的類型

乳糖不耐癥是由于人體腸道缺乏乳糖酶導致食用乳制品時出現腹瀉、腹痛等現象。根據乳糖不耐癥的成因，可將其分為3種類型：先天性乳糖酶缺乏、繼發性乳糖酶缺乏、原發性乳糖酶缺乏。

先天性乳糖酶缺乏癥是一種嚴重且罕見的常染色體隱性遺傳病，患有該病的新生兒癥狀難以辨別和判斷，僅在接受母乳喂養后出現水樣腹瀉，無嘔吐等明顯反應，且不拒絕進食。因而在母乳攝入量充足的情況下，若診斷不及時，脫水和代謝性酸中毒有可能危及嬰兒生命[3]。因此，早期的癥狀識別至關重要。

繼發性乳糖酶缺乏是因環境因素造成小腸上皮細胞破損而產生的暫時性乳糖酶活性低下，多發于克羅恩病、潰瘍性結腸炎等胃腸道疾病或腸道手術后[4]。營養嚴重不良的嬰幼兒可能患小腸萎縮，繼而導致繼發性乳糖酶缺乏[5]。

原發性乳糖酶缺乏又稱成人型乳糖酶缺乏，是最常見的乳糖酶缺乏類型，全球流行率約為68%[1]。其形成一般被認為主要與飲食習慣及遺傳因素有關，由常染色體隱性單基因控制。

1.2 國內外乳糖不耐癥現狀分析

世界乳糖不耐癥患病率見表1[1]。

表1 世界乳糖不耐癥患病率/%

由表1可知，亞洲的中國、韓國、日本、印度等乳糖不耐癥患病率較高，其中韓國乳糖不耐癥患病率為100%，中國、日本乳糖不耐癥患病率最高達86%；而歐美地區乳糖不耐癥患病率較低，其中愛爾蘭、北歐、德國等地區乳糖不耐癥患病率為20%以下。乳糖不耐癥是廣泛存在的世界性問題，世界各地區乳糖不耐癥患病率存在顯著差異，亞洲、中東和北非地區乳糖不耐癥患病率普遍上高于歐洲和北美[1]。

獲得性原發性乳糖酶缺乏癥患病率見表2[5]。

由表2可知，有60%~100%的近東和地中海阿拉伯人、亞洲泰國人、非洲尼日利亞南方人、北美和南美非裔美國人等患有乳糖酶缺乏，而北歐白人、非洲希馬人等，以及印度新德里和旁遮普人僅有2%~30%出現乳糖酶缺乏情況。由此可知，原發性乳糖酶缺乏在世界大部分地區較為普遍，北歐人和非洲、印度部分人口體內乳糖酶活能夠在長時間內保持穩定，原發性乳糖酶缺乏癥患病率在地域和種族上存在顯著差異[5]。大多數乳糖不耐癥人群，剛出生后體內乳糖酶活性最高，之后隨著年齡增長而逐漸下降或消失，但乳糖酶的最終損失水平和損失時間隨種族的不同而存在很大的差異。停止母乳喂養后，6%~8%的中國人和日本人乳糖酶在3~4年內平均損失80%~90%，而猶太人和其他亞洲人的乳糖酶則可以較長時間維持在20%~30%，有10%的北歐白人的乳糖酶可能需要18~20年才會達到最低點[6]。此外，一些哺乳期和斷乳后經常食用牛奶的兒童也被發現患有乳糖酶缺乏[7]。由此可見，乳糖酶缺乏發生于各類人群。但在乳糖酶缺乏人群中，平均只有約20%的人表現出乳糖不耐癥的癥狀[8]，這是因為乳糖不耐癥的癥狀是否表現是由乳糖攝入劑量和方式、乳糖酶缺乏程度、腸道轉運、結腸菌群和對發酵產物的敏感性等多種因素而決定的[9]。

表2 獲得性原發性乳糖酶缺乏癥患病率

亞非等國家和地區的乳糖不耐癥情況較為嚴重，影響了該部分人群正常食用乳制品獲取營養。因此，有必要除去乳制品中的乳糖或者攝入外源乳糖酶等，以此防止出現乳糖不耐癥現象。

2 乳糖不耐癥的預防與控制

對于乳糖不耐癥，從根本上規避的方法無疑是減少乃至避免乳制品的食用。然而，由于乳制品是鈣、磷、鐵、維B2和維D等基本營養成分的高質量來源，攝取不足可能導致嬰幼兒腦發育遲緩、貧血、佝僂病，以及包括成年人骨質疏松和營養缺乏在內的多種健康問題[10-12]。因此，針對乳糖不耐癥，通常從食用低乳糖或無乳糖乳制品及補充外源乳糖酶或益生菌等2個方面著手。

目前，降低牛乳中的乳糖可應用膜分離等物理方法。Zhang H等人[13]使用超濾、電滲析、納濾3種膜技術制作低乳糖奶粉，利用超濾保留蛋白質、脂肪等大分子物質，通過電滲析濃縮回收礦物質鹽，再利用納濾脫除乳糖，最后經過噴霧干燥可制成乳糖含量<2%的低乳糖奶粉和純度為95.7%乳糖粉。Choi S H等人[14]先向牛乳中添加β-半乳糖苷酶，水解后的乳糖含量為0.43%，再經過納濾制成乳糖含量為0.06%的低乳糖牛乳，且其甜度與普通牛乳類似。

利用乳糖酶水解牛乳中的乳糖是生產低乳糖或無乳糖乳制品更普遍的工藝技術。王輝[15]研制無乳糖低脂高蛋白牛奶時，利用0.08% Maxilact LGI 5000乳糖酶，在40℃下水解90 min達到95%以上的水解率。李冠龍等人[16]利用海藻酸鈉和殼聚糖對米曲霉乳糖酶、Maxilact乳糖酶和諾維信Lactozym乳糖酶進行固定化，結果表明用殼聚糖作為Maxilact酶的固定化載體的效果最好，向20mL牛奶中加入20 U固定化酶，在溫度60℃，pH值7.0條件下水解2 h可達到99.93%的乳糖水解率。

應用乳酸菌等益生菌處理加工牛乳也能降低牛乳中乳糖含量。Moynihan A C等人[17]利用超濾調整成高、中、低乳糖/酪蛋白比率的牛奶，經過一系列奶酪加工工藝，加入含有嗜熱鏈球菌和瑞士乳桿菌的發酵劑和凝乳酶。結果表明，到熟化的第42天，3種奶酪的乳糖含量分別為0.03%，0.01%，0。徐雅琴[18]向巴氏殺菌奶中接種包含德氏乳桿菌保加利亞亞種和嗜熱鏈球菌的發酵劑制作酸奶。結果表明，有24.1%的乳糖被消耗降解，酸奶中還存在約76%的乳糖。GarcíC等人[19]利用腐臭假單胞菌（Pseudomonas taetrolens）和干酪乳桿菌開發一種富含益生元乳糖酸的功能性發酵乳制品，結果表明發酵過程中乳糖含量逐漸降低，并且在最佳工藝條件下可生產出乳糖含量<1%的發酵乳。

除了食用低乳糖或無乳糖乳制品外，還可以通過服用乳糖酶制劑、補充益生元或益生菌提高乳糖消化能力。Vitellio P等人[20]對23名堅持至少6個月無乳糖飲食但仍存在乳糖不耐癥現象的患者測試長雙歧桿菌BB536、鼠李糖乳桿菌HN001和維B6的功效，研究表明30 d攝入以上益生菌和維B6能夠改善腹脹和便秘，緩解乳糖不耐癥癥狀。Ro?kar I等人[21]研究含有動物IM386和植物乳桿菌MP2026的益生菌產品緩解乳糖不耐癥癥狀的效果，對44名患者進行6周益生菌治療期試驗，結果表明補充益生菌產品會改善腹瀉和腸胃脹氣等乳糖不耐癥的癥狀。

膜分離和乳糖酶水解技術均能降低牛乳中的乳糖，前者成本較高且降低牛乳甜度，后者導致牛乳甜度升高。因此，通常可以結合2種方式生產同傳統牛乳風味一致的無乳糖牛乳。攝入乳糖酶或者益生菌均能改善乳糖消化，但是關于攝取益生菌對乳糖不耐癥癥狀的影響的試驗研究受試者人數較少，有局限性，并且其改善效果沒有直接攝入乳糖酶好。

3 無乳糖乳制品生產技術研究進展

食用無乳糖乳制品是解決乳糖不耐癥的方法之一。無乳糖乳制品能夠為乳糖不耐癥人群提供其無法從常規乳制品中攝取的鈣等必需營養成分，故存在具有針對性的健康吸引力。近年來，隨著人們對健康飲食要求的逐步提升，無乳糖乳制品的產品創新和質量因而也顯著提升，其市場也成為乳制品行業增長最快的領域。

3.1 無乳糖乳制品市場現狀

Dekker P等人[22]基于Euromonitor分析數據的調研顯示，2017—2022年間部分無乳糖乳制品市場份額逐年增加，復合年均增長率（CAGR）預估高達7.3%，其中無乳糖牛奶的市場份額一直遠超其他乳制品，約占據市場份額的2/3，其次是無乳糖酸奶、無乳糖奶酪和其他無乳糖乳制品，而無乳糖奶酪CAGR最高，其他無乳糖乳制品的CAGR最低。

2017—2022年間部分無乳糖乳制品市場復合年均增長率（CAGR）[22]見表3。

表3 2017—2022年間部分無乳糖乳制品市場復合年均增長率（CAGR）

3.2 無乳糖乳制品及加工技術

3.2.1 無乳糖牛乳制品及加工技術

工業上生產無乳糖牛奶主要采用乳糖酶水解技術，基本上使用游離乳糖酶，固定化乳糖酶很少應用在工業生產無乳糖牛奶中[23]。食品級乳糖酶中，來源于酵母菌的乳糖酶最適pH值與牛乳相近，最適用于水解牛奶和乳清中的乳糖[24]。根據乳糖酶添加方式的不同，乳糖酶水解技術又分為批量添加和包裝內無菌添加[25]。批量添加即向牛乳或經過巴氏殺菌冷卻后的牛乳中直接添加中性乳糖酶，充分攪拌混合，在4~8℃的低溫冷藏條件下水解至所需要的乳糖含量，再進行巴氏殺菌或UHT滅菌和滅酶，冷卻后灌裝。而包裝內無菌添加是采用無菌設備向UHT牛乳中添加無菌乳糖酶同時進行灌裝。

商業乳糖酶制劑含有蛋白水解酶活性，可將牛乳中的蛋白質水解為肽和游離氨基酸，導致非酶褐變和異味，從而影響無乳糖乳制品在貯藏期內的品質。Tossavainen O等人[25]比較批量添加（10℃水解20 h）和包裝內無菌添加2種工藝生產的UHT牛乳與未經乳糖水解的UHT牛乳在貯藏過程中蛋白質水解變化，結果表明2種乳糖酶水解技術均導致蛋白質水解增加并且水解程度沒有顯著差異，但儲存溫度為5℃時，牛乳幾乎不存在蛋白質水解。而Troise A D等人[26]研究意大利市場中6種低乳糖牛奶室溫（22±3℃）儲存180 d的產品質量，結果表明采用無菌后添加技術時，貨架期內商業乳糖酶制劑中蛋白水解酶活性會影響低乳糖牛奶的感官特性和營養價值，而采用批量添加乳糖酶的方式不會影響貨架期內的牛奶品質。

上述研究表明，當采用批量添加乳糖酶方式生產無乳糖牛乳時，乳糖酶及其蛋白水解酶活在熱處理后消失。采用包裝內無菌添加工藝生產無乳糖牛乳時，乳糖酶及蛋白水解酶在整個貨架期間仍保留活性。在室溫下儲存時，乳糖水解和蛋白質水解反應同時進行；在5℃下儲存時，蛋白水解酶活性得到抑制，避免無乳糖牛乳中蛋白質水解反應。此外，無乳糖牛乳在低溫下貯存時，能有效抑制美拉德反應，防止產品褐變。因此，使用高純度且無蛋白水解酶活的商業乳糖酶制劑或者嚴格控制好儲存溫度能夠保證貨架期內無乳糖牛乳的產品質量。

3.2.2 無乳糖發酵乳制品及加工技術

牛乳在乳酸菌的作用下，可將乳糖降解為乳酸。普通酸乳中含有2%~4%的乳糖[27-28]，不能滿足嚴重的乳糖不耐癥人群的需求。生產無乳糖酸乳可在發酵前或發酵過程中添加乳糖酶水解乳糖。無乳糖發酵乳制品的生產方式有2種，一是先用乳糖酶降低牛乳中的乳糖，然后再接種發酵劑發酵；另一種方式是乳糖酶和乳酸菌同時加入，乳糖降解和發酵同時進行。

武波波等人[28]先添加乳糖酶水解2 h，再接入發酵劑生產低乳糖酸奶并與普通酸奶進行比較，結果表明低乳糖酸奶的奶香味、甜度、黏度均有所增加，風味、口感和質地優于普通酸奶。徐愛才等人[29]對比低乳糖酸奶和普通酸奶，向乳糖水解率為70%的牛乳接入發酵劑，在42℃下發酵10 h，結果表明低乳糖酸奶的乳酸菌發酵速度更快，貯藏過程中后酸化速度更慢，產品黏度更大，活菌數更多，風味物質2,3-丁二酮含量更高，品質更好。Nagaraj M等人[30]用50%和70%乳糖水解的牛乳制作出的酸乳比普通酸乳的口感、風味更好，而90%乳糖水解后再發酵，得到的無乳糖酸乳太甜及黏度較低。Schmidt C等人[31]研究發現使用水解牛乳制作酸奶時，其胞外多糖合成量有增加的趨勢。

牛乳中同時添加乳糖酶與發酵劑進行酶解和發酵生產無乳糖酸奶的方式稱共水解。徐雅琴[18]同時加入發酵劑CY340和乳糖酶Maxilact LG2000在43℃下發酵，其乳糖水解率達到94.9%，乳糖含量低于0.3%且共水解方式基本不影響酸奶發酵過程且感官上的風味變化不大。Wolf I V等人[32]在探究利用β-半乳糖苷酶降低酸奶中乳糖含量對其揮發性成分及質量指標的影響的試驗中，向牛乳中接入發酵劑和乳酸克魯維酵母乳糖酶，于42℃下同時進行發酵和乳糖水解過程，發酵結束后在5℃下儲存21 d，結果表明乳糖水解酸奶的乳糖水解率為75%~78%，而普通酸奶水解率為10%~13%，且在貯藏期間，乳糖水解酸奶的二酮（如2,3-丁二酮、2,3-戊二酮和乙醛）含量比普通酸奶更高。馮永強等人[33]同時添加諾維信乳糖酶Pure 6500 L和乳酸菌制備無乳糖酸乳并對發酵條件進行優化，試驗表明，與普通酸乳相比，無乳糖酸乳的酸度、黏度、色澤和風味沒有顯著變化，但乳酸菌數量增加了0.5倍。而賈凌云等人[34]研究表明，無乳糖酸奶發酵期間的酸度增速更快，黏度更高，發酵結束后的乳酸菌數量顯著增加，并且在貯藏期間，37℃下發酵的無乳糖酸乳的2,3-丁二酮和3-羥基-2-丁酮含量顯著升高。

上述研究表明，低乳糖酸奶的質地和感官特性均優于普通酸奶。乳糖在乳糖酶的作用下水解為葡萄糖和半乳糖，乳酸菌可直接發酵葡萄糖生成乳酸，從而加快了乳酸菌的發酵速度，酸度升高得更快；在貯藏期間，低乳糖酸奶中的乙醛、2,3-丁二酮等風味物質大量合成，其含量明顯比普通酸奶高。酸乳黏度除了與乳酸菌生成乳酸使蛋白質變性沉淀形成凝乳有關外，還和乳酸菌生成的胞外多糖有關[35]，因此可能是由于乳酸菌直接利用葡萄糖生成更多的胞外多糖，導致低乳糖酸乳的黏度升高。采用共水解方式生產低乳糖酸乳時，乳糖水解和酸奶發酵同時進行，無需增加乳糖水解反應罐，乳糖水解時間更長，酸乳中乳糖含量更低，并且乳酸菌數量顯著增加。

3.2.3 其他無乳糖乳制品及加工技術

利用乳糖水解牛乳可生產無乳糖奶粉。由于乳糖水解為葡萄糖和半乳糖，無乳糖乳粉的吸濕性更強，容易吸潮結塊和粘壁。另外，由于單糖還原性增加，極易在高溫加工過程中導致奶粉發生非酶褐變，產生異味。Ferreira Torres J K等人[36]研究5種不同的乳糖水解率對奶粉的影響，結果表明乳糖水解率越高，導致奶粉與設備的黏附力越大，顆粒團聚程度更高，褐變程度越大，同時其復水能力降低。Shrestha A K等人[37]用乳糖水解的脫脂奶粉進行噴霧干燥，大量乳粉粘附在設備干燥器內壁上，旋風分離器回收率僅為25%。呂培蕾[38]通過結合膜過濾和酶解法生產無乳糖牛奶，以此減輕產品褐變并保持乳粉正常的甜度和風味，再采用微膠囊包埋法進行噴霧干燥，以減少粘壁現象。黃惠芙等人[39]試驗確定研制低乳糖奶粉最佳的乳糖水解條件為溫度10℃，pH值6.6~6.8下，添加Maxilact L G 2000乳糖酶0.8 g/L，水解8 h得到乳糖水解率大于60%以上的乳糖水解牛乳制作的低乳糖奶粉最好。

在冰激凌的生產過程中，若乳糖含量過高時，在冷凍過程中會形成晶體，導致出現“砂礫”結構[40]。乳糖水解使得單糖含量增加，導致冰激凌冰點降低，使冰激凌質地更軟。因此，利用乳糖水解牛乳可生產出質地更軟、冰點更低、無砂質的冰激凌。Abbasi S等人[41]用不同乳糖水解率的巴氏殺菌奶制作冰激凌，結果表明乳糖水解率的增加提高了冰激凌的表觀黏度、甜度和融化率，此外還降低了硬度、冰點及沙度。Suebsiri N等人[42]研究表明，與普通冰激凌相比，無乳糖冰激凌融化速率加快，而硬度明顯降低。

目前，乳糖水解應用在奶粉、冰激凌等其他乳制品的試驗研究較少。現有的試驗表明，乳糖水解牛乳生產無乳糖奶粉還存在諸多問題，如粘壁、結塊、褐變等不良現象；乳糖水解工藝應用在冰激凌上，其優點較為突出，顯著降低冰點、硬度及減少砂質等。除此以外，乳糖水解最明顯的是可以增加乳制品甜度，從而后續生產中可以減少乳制品中甜味劑的添加量，降低產品的熱量。因此，無乳糖乳制品不僅可以滿足乳糖不耐癥人群的需要還可以作為一種低熱量的健康食品。

4 結語

乳制品加工中通常使用乳糖酶生產無乳糖乳制品，而高純度的商業乳糖酶制劑的價格通常較高；將乳糖酶固定化可以實現乳糖酶循環利用，但是在工業上使用固定化乳糖酶生產無乳糖乳制品時容易造成微生物的污染，目前還處于試驗研究階段；采用乳糖酶水解技術會增加牛乳的甜度，因此可結合膜過濾生產出與傳統牛乳風味一致的產品，但該種方式增加了生產成本；乳制品中葡萄糖和半乳糖的含量升高，在熱處理及儲存過程中更容易發生美拉德反應，導致乳制品褐變。

不同的無乳糖乳制品生產技術都有其優勢和不足，在不影響乳制品的質量和滿足消費者需求的情況下，開發經濟實用的乳糖降解技術是十分必要的。未來無乳糖乳制品的研發重心仍應該集中在低價、高純度乳糖酶的研制及無乳糖乳制品的開發和工藝的改進。乳品企業通過創新工藝和技術，降低生產成本，使無乳糖乳制品價格能夠被更多消費者所接受。目前，國內無乳糖乳制品類型較單一，基本集中在UHT牛乳，乳品企業應多借鑒國外無乳糖乳制品生產工藝，向巴氏殺菌牛乳、甜牛乳、花色乳、乳粉、冰激凌等領域拓展，開發更多適合我國消費者無乳糖乳制品種類，擴大無乳糖乳制品的市場占有率。