南京工業(yè)大學CEJ——3D打印酶固定化流動反應器高效去除牛奶乳糖

來源：材料人

牛奶含有人體必需的微量營養(yǎng)素，對人們平衡膳食至關重要。然而，乳糖不耐癥患者在攝入含有乳糖的牛奶后，由于腸道中缺乏水解乳糖的乳糖酶，會出現(xiàn)腹脹、腹瀉和腸胃痙攣。盡管現(xiàn)在食品工業(yè)通過膜分離、超濾和添加游離β-半乳糖苷酶等方法實現(xiàn)了低乳糖和無乳糖牛奶的生產(chǎn)，然而生產(chǎn)工藝復雜和生產(chǎn)過程中資源浪費導致其低成本效益。其中β-半乳糖苷酶將乳糖分水解為葡萄糖和半乳糖，高效水解牛奶乳糖的同時不影響牛奶的營養(yǎng)價值。因此，一種高效，操作穩(wěn)定和安全的 β-半乳糖苷酶固定化方法用于低乳糖和無乳糖牛奶的生產(chǎn)具有重要意義。

為了實現(xiàn)這一目標，南京工業(yè)大學何冰芳教授高兵兵副教授開發(fā)出一種3D打印β-半乳糖苷酶流動反應器用于低乳糖和無乳糖牛奶的生產(chǎn)（圖1）。通過聚乙烯亞胺和透明質(zhì)酸鈉層的層層自組裝快速修飾3D打印聚乳酸支架簡化酶固定化載體修飾過程，京尼平作為交聯(lián)劑共價固定了β-Gal保證高效、穩(wěn)定地固定酶。此外，集成到流動反應器中的3D打印支架通過定向通道擾動了不同反應器中的流體，改善了內(nèi)部傳質(zhì)，從而實現(xiàn)了高效的牛奶乳糖水解。該反應器酶固定化效率高，催化活性穩(wěn)定，在低乳糖和無乳糖牛奶生產(chǎn)及其他生物催化領域具有廣闊的應用前景。相關成果發(fā)表在國際頂級期刊Chemical Engineering Journal 雜志上（影響因子15.1）。論文第一作者為南京工業(yè)大學藥學院碩士研究生邵云，通訊作者為南京工業(yè)大學藥學院的何冰芳教授以及高兵兵副教授。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等項目的資助。

圖1. 用于高效低乳糖和無乳糖牛奶生產(chǎn)的3D打印β-半乳糖苷酶流動反應器

在本研究中，研究人員制作內(nèi)部具有定向通道和孔隙的3D打印聚乳酸支架（圖2）。與傳統(tǒng)的酶固定化載體如微納米粒子、水凝膠等相比，3D打印支架可以更簡便的和流動反應器相結合而不用考慮管道堵塞和壓實的問題。此外，聚乙烯亞胺和透明質(zhì)酸鈉層層自組裝修飾3D打印支架簡化酶固定化載體修飾過程。

圖2. 3D聚乳酸支架以及聚乙烯亞胺和透明質(zhì)酸鈉層層自組裝修飾過程

此外，京尼平作為一種交聯(lián)劑，目前已被廣泛研究用于高效共價連接酶分子和改性載體支架，更重要的是，它的細胞毒性比傳統(tǒng)交聯(lián)劑戊二醛低 5,000-10,000 倍。在酸性條件下，β-半乳糖苷酶的伯氨基進攻京尼平的 C3，打開二氫吡喃環(huán)，形成芳香族氨基。研究人員通過條件優(yōu)化實現(xiàn)了β-半乳糖苷酶的高效固定和穩(wěn)定的固定化酶性質(zhì)（圖3）。

圖3. 固定化條件優(yōu)化和固定化酶學性質(zhì)研究

同時，研究人員將3D打印β-半乳糖苷酶支架和流動反應器相結合，通過設計不同的支架內(nèi)部結構研究流體擾動對于酶和底物傳質(zhì)影響。此外，還通過COMSOL模擬進一步研究流體在反應器內(nèi)部分布。集成到流動反應器中的3D打印支架通過定向通道擾動了不同反應器中的流體，改善了內(nèi)部傳質(zhì)，從而實現(xiàn)了高催化活性（圖4）。

圖4. 3D打印β-半乳糖苷酶流動反應器的乳糖水解性能

此外，傳統(tǒng)的載體改性采用化學方法枝接官能團，一旦官能團被占據(jù)，再改性是一個復雜的過程。而逐層自組裝改性可以依靠載體表面的氫鍵或離子相互作用，方便快捷地反復枝接的官能團，用于固定化酶。逐層自組裝修飾的3D打印聚乳酸支架可以循環(huán)重復使用，固定β-半乳糖苷酶，只需在被固定的酶失去酶活性后將其收集起來，重新自組裝修飾固定酶即可（圖5a）。

圖5. 層層自組裝修飾載體重復利用