乳果糖研究进展综述：从合成到应用

《Food Chemistry》：A review on recent advancement in lactulose: From synthesis to application

　　

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  综述乳果糖的生产技术，并比较化学路线与酶法路线之间的关键差异。
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  评估酶固定化与酶工程改造如何提升乳果糖合成效率。
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  概述未来的策略以突破当前乳果糖生产工艺中的瓶颈。
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  比较乳果糖纯化方法，以指导下游工艺的创新。
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  总结乳果糖在制药与食品领域的应用，强调其作为益生元碳水化合物的价值。

引言

乳果糖是一种难以消化的二糖，由半乳糖与果糖通过β-(1→4)糖苷键相连。其结构名称为4-O-β-D-吡喃半乳糖基-d-果糖（Montgomery & Hudson, 1930）。其高水溶性、相对较低的甜度以及对小肠消化的耐受性，使乳果糖能够到达结肠并被肠道微生物发酵（Nooshkam et al., 2018）。这些特性使其适合作为食品产品中的功能性碳水化合物以及药品制剂中的活性成分。

乳果糖在制药领域的应用已得到充分确立。它被广泛用作渗透性泻药，并用于肝性脑病的管理。前者的作用主要与结肠中渗透性持水增强和细菌发酵有关，而后者则与结肠内容物的酸化以及肠道对氨吸收的减少相关（Sharma et al., 2009; Vilstrup et al., 2014）。乳果糖也被用于功能性食品和营养产品，特别是乳制品、发酵食品、饮料以及特种配方产品。在这些应用中，其表现不仅取决于溶解性和发酵性，还取决于其还原特性。在含蛋白质体系的加热过程中，乳果糖可能参与美拉德反应，从而影响颜色、风味和蛋白质品质（Claeys et al., 2001; Nooshkam & Madadlou, 2016b）。

乳果糖主要通过乳糖的化学异构化和酶促转化生产。化学异构化仍是最为成熟的路线，因为它与现有设备兼容，且已经在连续工艺和集成工艺中得到研究。碱性条件和热处理可生成表乳果糖、单糖和有色化合物，而催化剂的添加及后续中和会向反应液中引入无机成分。这些副产物增加了脱色、脱盐、浓缩和最终纯化的需求（Aider & Halleux, 2007; Zokaee et al., 2002）。酶法路线在更温和的反应条件下提供了一种替代方案。保留型糖苷水解酶，特别是β-半乳糖苷酶，可通过乳糖向果糖的转糖苷反应产生乳果糖。然而，水解反应会与转糖苷反应竞争，且反应可能产生半乳糖、葡萄糖、半乳寡糖以及其他糖类（Hua et al., 2013; Song, Lee, et al., 2013）。二糖2-差向异构酶（CE）通过在不额外添加果糖受体的情况下直接异构化乳糖，提供了不同的反应途径。热稳定的CE已被用于以乳糖为唯一底物生产乳果糖，并研究了硼酸盐络合作用以通过改变表观反应平衡来提高乳果糖的形成（Kim et al., 2013; Kim & Oh, 2012）。这些研究展示了CE的潜力，但其工业性能仍需要来自长期运行、催化剂重复使用、连续反应器和工艺水平经济评估的证据支持。

既往文献已经对乳果糖的性质、生物学功能、合成方法和纯化技术进行了综述（Aider & Halleux, 2007; Nooshkam et al., 2018; Wang, Wang, et al., 2022）。然而，现有文献仍然分散于各个独立的反应体系、酶制剂和分离操作中。因此，难以判断反应性能如何影响乳果糖的回收、产品纯度、纯化成本以及其在食品或药物中的适用性。由于底物装载量、反应条件、分析方法和计算基准方面的差异，比较变得更加复杂。因此，对于乳糖转化率、乳果糖产率、选择性、浓度和生产力的报告值，不应在忽略其获得实验背景的情况下进行排序。

酶法路线的工艺成熟度也未被一致区分。β-半乳糖苷酶目前拥有更为成熟的实际应用基础，而CE可能具有更大的长期潜力，因为它直接使用乳糖作为反应底物。在两个体系中，仅凭催化活性为工艺选择提供依据是不完整的。酶的使用寿命、固定化性能、催化剂回收、产物分布、下游纯化、食品安全和生产成本也必须纳入考量。这些问题限制了孤立的活性或转化数据在选择生产路线时的实用性。

因此，本综述从合成、纯化到应用，将乳果糖生产作为一个集成的工艺过程加以考察。化学异构化、β-半乳糖苷酶介导的转糖苷化以及CE介导的异构化在反应特性、产物分布、催化剂稳定性和下游需求方面进行了比较。本综述还讨论了酶工程、固定化、催化剂回收、纯化、产品质量以及食品适用性。讨论并不单纯依据最高报告的转化率或产率对各研究进行排序，而是将每项结果与其反应条件、计算基准、产品回收和预期应用相关联。这一框架用于阐明各生产路线当前的工艺成熟度，以及继续限制实际应用的技术障碍。

章节片段

乳果糖的化学合成

化学异构化仍然是乳果糖生产最为成熟的路线，也是评估酶法工艺的重要基准（Aider & Halleux, 2007; Hajek et al., 2013）。大多数现有化学方法在碱性体系中进行（表1）（Seo et al., 2016; Wang et al., 2017）。研究人员还探索了使用络合剂和电化学操作来调控反应环境并促进乳果糖形成的可能性（Aissa & A?der, 2014; Nagasawa,

乳果糖的酶法合成

乳果糖的酶法合成通过转糖苷反应或直接的乳糖异构化实现。第一种路线使用具有转糖苷活性的保留型糖苷水解酶，包括某些β-葡萄糖苷酶和β-半乳糖苷酶（Liao et al., 2016; Mayer et al., 2004; Mayer et al., 2010）。具有异构化活性的CE酶通过第二种路线将乳糖的还原性葡萄糖单元转化为果糖（Kim & Oh, 2012; Kuschel et al., 2016）。两种机制

用于乳果糖生产的酶固定化

酶固定化可实现催化剂的回收、重复使用和乳果糖的连续生产。然而，固定化虽然可提高稳定性，但可能引入扩散阻力并降低表观活性。因此，其性能应与传质和运行稳定性共同评估（Liese & Hilterhaus, 2013）。

固定化率、相对活性和残余活性描述的是不同属性，因此其报告的百分比不应等同看待。

用于乳果糖生产的酶改造

酶工程通过前沿技术将天然存在的催化剂改造以适应生产所需的条件。野生型酶可能在预期底物浓度和温度下缺乏足够的活性、稳定性或选择性（Mayer et al., 2010; Ten Kate et al., 2024）。酶工程的核心目标是通过定向进化、定点突变等前沿技术（表S1）来调控天然酶的分子结构和功能。

乳果糖的分离与纯化

乳果糖反应液的纯化通常需要根据多种分离操作进行组合。这些反应液的组成随生产路线而不同。乳清加工涉及蛋白质、矿物质和有色化合物的去除，而化学合成还需要去除催化剂残留、无机盐和糖副产物（表5；表S2）。因此，纯化顺序应反映原料组成和反应特性（Tsaturyan

乳果糖在食品与制药工业中的应用

乳果糖主要应用于制药和食品领域，尽管这两个领域对产品组成、纯度和质量稳定性的要求有所不同。作为一种在小肠中难以消化吸收的二糖，乳果糖到达结肠后被肠道微生物所利用。其渗透和发酵特性构成了其在便秘和肝性脑病中应用的生理基础（图S1）（Kasugai et al., 2019;

结论与未来展望

化学异构化仍然是乳果糖生产最为成熟的路线。在酶法路线中，β-半乳糖苷酶拥有较为完善的工艺研究基础，包括固定化和连续反应系统，但对果糖的需求、竞争性水解以及复杂的糖混合物仍是重要的限制因素。CE通过直接乳糖异构化，无需添加果糖受体，具有长期潜力，而其工艺性能取决于酶的稳定性，

CRediT作者贡献声明

孙胜杰：初稿撰写，可视化，数据整理。刘佳明：可视化，调查研究，数据整理。曹远：数据整理。熊鹏：审阅与编辑。刘修涛：审阅与编辑，可视化，监督，资金获取，概念构思。

资金来源

本研究获得了国家自然科学基金（22508230）和山东省自然科学基金（ZR2021QB176）的经费支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们同样感谢WeMol和Figdraw平台提供的可视化支持。

孙胜杰|刘佳明|曹远|熊鹏|刘修涛