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來源：X-MOL資訊

牛奶含有(you)人體必需的(de)微量營(營)養素，對人們平衡(heng)膳食至關重(zhong)要。然而(er)，乳糖不耐癥患者在(zai)攝入含有乳(ru)糖的牛奶后，由于腸(腸)道中缺乏水(shui)解乳糖的乳糖(tang)酶，會出現腹脹、腹瀉和(he)腸胃痙攣。盡管現(現)在(zai)食品工(gong)業通過膜分(fen)離、超濾(濾)和添加游離(離)β-半乳糖苷酶(mei)等方法實現(現)了低乳糖和(he)無乳糖(tang)牛奶的生產(產)，然而生產工(gong)藝復雜和生產(產)過程中資源(yuan)浪費導致其(qi)低成本效益(yi)。其中β-半乳糖苷酶(mei)將乳糖(tang)分水解為葡(pu)萄糖和半乳(ru)糖，高效(xiao)水解牛奶乳(ru)糖的同時不(bu)影響牛奶的營養(養)價值。因(yin)此，一種高效，操作穩定和(he)安全的 β-半(ban)乳糖(tang)苷酶(mei)固定化方法(fa)用于低乳糖(tang)和無乳糖牛(niu)奶的生產具有重要(yao)意義。

為了實現這(這)一目標，南京(jing)工業大(da)學何冰芳教授高兵(bing)兵副教授開(開)發出一種3D打印(yin)β-半乳(ru)糖苷酶流動反應器用于低乳糖(tang)和無乳糖牛(niu)奶的生產（圖(圖)1）。通過聚(ju)乙烯亞胺和(he)透明質酸鈉(鈉)層的層層自組裝快速(su)修飾3D打印聚乳酸(suan)支架簡化酶(mei)固定化載體(體)修飾過程，京(jing)尼平作為交(jiao)聯劑共價固(gu)定了β-Gal保證高效(xiao)、穩定(ding)地固定(ding)酶。此外(wai)，集成到流(liu)動反應器中的3D打印支架(jia)通過定(ding)向通道擾動了不同反應器中的流體(體)，改善了內部傳質，從而實現了高效的牛奶乳(ru)糖水解。該反應器酶(mei)固定化效率(lu)高，催化活性穩定，在低乳糖(tang)和無乳糖牛(niu)奶生產及其(qi)他生物催化(hua)領域具有廣(廣)闊的應用前(qian)景。相關成(cheng)果發表在國際頂級期刊(kan)Chemical Engineering Journal 雜志(zhi)上（影響因子(zi)15.1）。論文第一作(zuo)者為南京工(gong)業大學藥學(學)院碩士研究(jiu)生邵云，通(tong)訊作者為南京工(gong)業大學(學)藥學院的何冰(bing)芳教授以及(ji)高兵兵副教(jiao)授。研究工作(zuo)得到了國家(jia)重點研(yan)發計劃、國家自然(ran)科學基金、江蘇(蘇)省自然科學(學)基金等項目(mu)的資助。


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

在(zai)本研究中，研究人員(員)制作內部具(ju)有定向通道(dao)和孔隙(xi)的(de)3D打印(yin)聚乳酸支架(jia)（圖(圖)2）。與傳統的酶固定(ding)化載體(體)如微納米粒(li)子、水凝膠等相(xiang)比，3D打印(yin)支架可以更(geng)簡便的(de)和流動反應器相結合而不(bu)用考慮管道(dao)堵塞和壓實的問題。此外，聚(ju)乙烯亞胺和(he)透明質酸鈉(鈉)層層自組裝(裝)修飾3D打印支架(jia)簡化酶固定(ding)化載體修飾過程。


圖2. 3D聚乳酸(suan)支架以及聚(ju)乙烯亞胺和(he)透明質酸鈉層層自(zi)組裝修飾過(過)程

此(ci)外，京尼平作為一種交聯劑，目(mu)前已被廣泛(fan)研究用于高效共價(價)連接酶分子(zi)和改性載體(體)支架，更(geng)重要的是，它(ta)的(de)細胞毒性比(bi)傳統交聯劑戊二醛低 5,000-10,000 倍。在酸(suan)性條件下，β-半乳糖苷(gan)酶的伯氨基(ji)進攻京尼平(ping)的 C3，打開(開)二氫吡喃環(環)，形成芳(fang)香族氨(an)基。研究(jiu)人員通過條(條)件優化實現(現)了β-半乳糖苷(gan)酶的高效固定(ding)和穩定的固(gu)定化酶(mei)性質（圖3）。


圖(圖)3. 固定化(hua)條件優化和(he)固定化酶學(學)性質研究

同時，研究人員將3D打印β-半乳糖(tang)苷酶(mei)支架和流(liu)動反應器相(xiang)結合，通過設計不同的支架(jia)內部結構研(yan)究流體擾動對于酶和底(di)物傳質影響。此外，還通過COMSOL模(mo)擬進一步研究流(liu)體在反應器內部分布。集成到流(liu)動反應器中的(de)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(gai)善了內部傳質，從而實現(現)了高催化活(huo)性（圖4）。


圖4. 3D打印β-半乳糖苷(gan)酶流動反應器的乳糖水(shui)解性能(neng)

此(ci)外，傳統的載體(體)改性采用化(hua)學方法枝接(jie)官能團，一旦(dan)官能團(團)被占據，再改(gai)性是一個復雜的過程。而(er)逐層自組裝(裝)改性可以依(yi)靠載體(體)表面的氫鍵(鍵)或離子相互(hu)作用，方便(bian)快捷地反復枝接的官能(neng)團，用于固定化酶。逐層自組裝(裝)修飾的3D打(da)印聚乳酸支(zhi)架可以循環(環)重復使用，固定β-半乳糖苷酶(mei)，只需在被固定(ding)的酶失去酶(mei)活性后將其(qi)收集起來，重新(xin)自組裝修飾固定酶(mei)即可（圖5a）。


圖(圖)5. 層層自(zi)組裝修飾載(載)體重復利用(yong)