乳糖酶能將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖，用于處理加工牛乳、乳清等生產(chǎn)低乳糖牛奶和低乳糖乳制品。用來治療乳糖不耐受癥。乳糖是牛乳中主要的糖成分，其含量約為5%左右。許多成人(因人種而異，亞洲、非洲占的比例較大)體內(nèi)缺乏乳糖酶，因此他們很難消化牛奶，飲用牛奶后，乳糖到了腸道里，被腸道細(xì)菌分解發(fā)酵，產(chǎn)生大量二氧化碳?xì)怏w，使腸道膨脹，收縮加強(qiáng)，造成腸鳴、腹脹、腹瀉等，這種疾病稱作乳糖不耐受癥。由于乳糖不耐受癥的普遍存在，使相當(dāng)一部分人無法充分消化吸收牛乳這一天然、具有良好平衡型的食品中的營養(yǎng)成份，成為阻礙我國乳品工業(yè)發(fā)展的主要占障礙之一。低乳糖牛奶和低乳糖乳制品是解決這一  問題的最有效的方法,而生產(chǎn)低乳糖牛奶和低乳糖乳制品必需依賴一種高效的生物催化劑—乳糖酶。

    全球?qū)τ谌樘敲腹I(yè)化生產(chǎn)的研究業(yè)已開展幾十年，我國的研究歷史也較長，但目前乳糖酶并未在食品工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，主要原因是：(1)乳糖酶的單位產(chǎn)量較低；(2)市場上銷售的乳糖酶多為胞內(nèi)酶，酶的耐熱性差、適用范圍窄；且這種酵母來源的胞內(nèi)酶，需破碎細(xì)胞才能得到，提取、純化工藝繁雜。由于上述原因致使乳糖酶銷售價(jià)格過高、應(yīng)用成本昂貴、適用范圍窄,不能滿足食品和乳制品工業(yè)多方面的需要。

    由中國工程院范云六院士指導(dǎo)的研究小組, 利用現(xiàn)代分子生物學(xué)和基因工程技術(shù), 通過3年的攻關(guān), 開發(fā)了一種新型高效的乳糖酶及其廉價(jià)生產(chǎn)技術(shù)。研究小組篩選到一種新型乳糖酶, 它在實(shí)際應(yīng)用中的有效性、熱穩(wěn)定性、抗逆性和廣譜性方面均優(yōu)于國外目前商品化生產(chǎn)的乳糖酶, 進(jìn)一步克隆到了此酶的新基因, 首次成功地構(gòu)建了高效表達(dá)乳糖酶的重組生物反應(yīng)器, 乳糖酶的單位表達(dá)量近6g/L，是目前國外商品化生產(chǎn)的基因工程曲霉的6倍； 同時(shí), 表達(dá)的乳糖酶還可自行分泌到細(xì)胞外, 一舉解決了目前乳糖酶生產(chǎn)過程中的單位產(chǎn)量低、酶后加工困難的問題, 使乳糖酶的工業(yè)化廉價(jià)生產(chǎn)成為可能。

    2002年8月21日 該項(xiàng)受到國家食物與營養(yǎng)咨詢委員會主任盧良恕院士等多位專家高度評價(jià)的高新技術(shù)成 果—“利用生物技術(shù)開發(fā)一種新型乳糖酶及其高效生產(chǎn)途徑”通過農(nóng)業(yè)部的科學(xué)技術(shù)成果鑒定, 由中國科學(xué)院田波院士為主任和我國一流的分子生物學(xué)、微生物學(xué)、食品工業(yè)等領(lǐng)域的專家組成的鑒定委員會一致認(rèn)為, 該項(xiàng)目為解決乳糖不耐受癥提供了有效途徑，可促進(jìn)乳品消費(fèi)量，對乳業(yè)發(fā)展以及推動(dòng)“奶業(yè)振興計(jì)劃”、“學(xué)生奶計(jì)劃”、“學(xué)生長高工程”的實(shí)施具有重要意義, 其技術(shù)水平達(dá)到國際領(lǐng)先水平, 具有我國獨(dú)立自主的知識產(chǎn)權(quán)。

    另外，利用該技術(shù)生產(chǎn)乳糖酶還具有發(fā)酵方法簡便易操作、發(fā)酵原料便宜易得、對設(shè)備要求低、發(fā)酵時(shí)間相對較短、乳糖酶產(chǎn)量大且穩(wěn)定等特點(diǎn), 國內(nèi)發(fā)酵廠家中目前現(xiàn)有的設(shè)備即可滿足乳糖酶低成本生產(chǎn)的需要, 大、中、小發(fā)酵企業(yè)均可生產(chǎn)。乳糖酶的生產(chǎn)也不產(chǎn)生任何有毒有害的污染物, 不會造成環(huán)境污染, 為環(huán)保型技術(shù), 有很好的技術(shù)推廣前景。

    該成果是我國在食品工業(yè)中應(yīng)用基因工程等高新技術(shù)并取得重大突破的高科技含量的、有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景的高科技成果,其科學(xué)技術(shù)水平處于國際領(lǐng)先地位, 并具有獨(dú)立自主的知識產(chǎn)權(quán)。它的產(chǎn)業(yè)化一方面能創(chuàng)造巨大的社會、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益, 對改善人民的生活水平、提高人民的生活質(zhì)量有重要意義, 另一方面, 它還將在推動(dòng)基因工程等高新技術(shù)向傳統(tǒng)食品工業(yè)滲入、開辟食品工業(yè)新領(lǐng)域等方面起示范作用。

新型乳糖酶的技術(shù)特性：

    1. 克隆并獲得乳糖酶新基因，此基因在GenbanK中登錄，登錄號為：EMBL ACCESSION No. AJ431643。此新型乳糖酶在酶學(xué)性質(zhì)上與一些商業(yè)化的乳糖酶相比具一定優(yōu)越性。與商業(yè)化米曲霉乳糖酶相比，在熱穩(wěn)定性、金屬離子穩(wěn)定性、比活、Km值、pH范圍等方面均有優(yōu)越性；與商業(yè)化酵母乳糖酶相比，具pH適應(yīng)范圍寬、熱穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該乳糖酶具有更優(yōu)越的酶學(xué)性質(zhì)，能適用于不同的乳制品，生產(chǎn)不同類型的產(chǎn)品。

    2. 乳糖酶基因通過畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)獲得高效生產(chǎn)，分泌表達(dá)量近6g/L，酶活為3600U/mL，是目前報(bào)道的工程米曲霉最高表達(dá)量的6倍，且發(fā)酵液中雜蛋白含量很少，乳糖酶占發(fā)酵液中總分泌蛋白的90%以上。由此解決了乳糖酶生產(chǎn)中單位產(chǎn)量低、胞內(nèi)酶提取困難的問題。此新乳糖酶基因與發(fā)酵生產(chǎn)工藝已申請中國發(fā)明專利，申請?zhí)枮椋?210811.74。

    3. 在水解牛奶的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，新型乳糖酶在不同溫度下(6℃、12℃、37℃、50℃、60℃)、不同時(shí)間內(nèi)均有較好的乳糖水解效果，乳糖水解率可達(dá)80%~92%。

技術(shù)優(yōu)勢與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)：

    范云六院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組長期從事分子生物學(xué)及高新生物技術(shù)的研究工作。特別在利用畢赤酵母作為生物反應(yīng)器高效生產(chǎn)有實(shí)用價(jià)值的酶制劑方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。早在1993年范院士就開始與其學(xué)生合作進(jìn)行了大量的有關(guān)畢赤酵母重組生物反應(yīng)器的分子生物學(xué)及應(yīng)用研究，并取得較大突破。先后承擔(dān)了“九五”期間有關(guān)利用畢赤酵母高效表達(dá)、生產(chǎn)飼料用酶的兩項(xiàng)“863”研究項(xiàng)目及“863”中試開發(fā)項(xiàng)目，均取得了重大突破，通過了國家科學(xué)技術(shù)成果鑒定，其技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。獲得中國發(fā)明專利， 具有獨(dú)立自主的知識產(chǎn)權(quán)。在不到4年的時(shí)間中，完成了從實(shí)驗(yàn)室研究到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的全過程， 獲得國家計(jì)委重大產(chǎn)業(yè)化示范工程項(xiàng)目的資助(總投資額1億元)并被列為“863”農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域五項(xiàng)重大產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目之一， 2000年初實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)， 取得了較大的直接經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境、生態(tài)效益。

    通過以上這些工作，我們無論在畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)的分子生物學(xué)研究、外源基因的改造，還是在重組畢赤酵母高效表達(dá)生物反應(yīng)器的構(gòu)建、利用重組酵母大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)目的產(chǎn)物的生產(chǎn)工藝上都建立了有效的方法體系，積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，這為本項(xiàng)目的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

    (1)通過分子元件的優(yōu)化和改造、受體菌的突變和篩選，構(gòu)建了我們特有的穩(wěn)定、高效表達(dá)外源基因的畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于：1) 單位表達(dá)量更高，尤其對以往在原始畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)中表達(dá)量較低的外源基因可大副度提高其表達(dá)量。我們已在此系統(tǒng)中表達(dá)了近十個(gè)外源基因， 其表達(dá)量均在2mg/mL以上， 主持的“863”項(xiàng)目中的多種植酸酶基因達(dá)到了8～12mg/mL；2) 構(gòu)建的重組酵母其表達(dá)的穩(wěn)定性更好。如構(gòu)建的高效表達(dá)酸性植酸酶的重組畢赤酵母，在5L發(fā)酵罐中連續(xù)發(fā)酵50批次、30噸和60噸發(fā)酵罐中積累生產(chǎn)了100余批次，其植酸酶表達(dá)積累曲線和表達(dá)量均無變化。

    (2)建立了對外源基因評估、改造的方法體系。如我們在畢赤酵母中已表達(dá)的酸性植酸酶基因和中性植酸酶基因，改造后的基因比未改造的在酵母中表達(dá)量分別提高37倍和30倍。創(chuàng)立了在生產(chǎn)水平上利用基因工程畢赤酵母生產(chǎn)目的蛋白的高細(xì)胞密度發(fā)酵新工藝，國外到目前為止還未有在生產(chǎn)水平上的重組畢赤酵母高細(xì)胞密度發(fā)酵工藝。

     因此，我們在乳糖酶的高效生產(chǎn)方面有較豐富的經(jīng)驗(yàn)，不但在實(shí)驗(yàn)室水平的有成熟經(jīng)驗(yàn)在30噸、60噸罐大規(guī)模生產(chǎn)中也積累了較成熟的經(jīng)驗(yàn)。