Аннотация

Лактулоза относится к хорошо изученным пребиотикам и давно используется в медицине и пищевой промышленности. Альтернативой традиционным химическим способам является получение лактулозы с применением бета-галактозидаз.Целью работы было исследование процессов биосинтеза лактулозы с использованием неочищенных ферментных препаратов β-галактозидаз, полученных при раздельном и совместном культивировании лактозосбраживающих дрожжей и молочнокислых бактерий в пермеате молочной сыворотки. В качестве продуцентов бета-галактозидаз использовали штаммы лактозосбраживающих дрожжей Kluyveromyces lactis ВКМ Y-1333 и Y-1339, Kluyveromyces marxianus ВКМ Y-459 и Y-1338, а также вязкие расы молочнокислых бактерий Lactobacillus acidophilus БК-Углич-АВ и Streptococcus thermophilиs БК-Углич-ТВ. Определение активности β-галактозидазы было основано на гидролизе о-нитрофенил-β-D-галактопиранозида. Определение углеводного состава проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографией на хроматографе SHIMADZU LC-20 Prominence. К общим закономерностям образования лактулозы при использовании ферментов исследованных дрожжей можно отнести быстрый рост ее концентрации в течение первых 30 мин реакции с последующим снижением или стабилизацией. Активность некоторых комбинированных неочищенных ферментных препаратов дрожжей и молочнокислых микроорганизмов существенно превышает активность бета-галактозидаз продуцентов после их раздельного культивирования. Закономерности образования лактулозы зависят как от штамма дрожжей, так и от вида молочнокислых бактерий. Самые высокие выходы лактулозы были получены при использовании комбинированных β-галактозидаз всех исследованных штаммов дрожжей с вязкими расами S. thermophilus. Совместное культивирование дрожжей и молочнокислых бактерий в некоторых сочетаниях позволило получить комбинированные неочищенные ферментные препараты с более высокой активностью и более высокие выходы лактулозы, чем отдельное культивирование дрожжей. Данные результаты могут быть использованы для получения очищенных ферментных препаратов β-галактозидаз и лактулозосодержащих продуктов из вторичного мол очного сырья.

Ключевые слова

Лактулоза, лактоза, трансгликозилирование, β-галактозидазы, Kluyveromyces marxianus, Kluyveromyces lactis, Lactobacillus acidophilus, Streptococcus thermophilus

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Vera C, Guerrero C, Illanes A. Trends in lactose-derived bioactives: synthesis and purification. Systems Microbiology and Biomanufacturing. 2022;2:393–412. http://doi.org/10.1007/s43393-021-00068-2
2. Nooshkam M, Babazadeh A, Jooyandeh H. Lactulose: Properties, technofunctional food applications, and food grade delivery system. Trends in Food Science and Technology. 2018;80:23–34. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2018.07.028
3. Ryabtseva SA, Khramtsov AG, Budkevich RO, Anisimov GS, Chuklo AO, Shpak MA. Physiological effects, mechanisms of action and application of lactulose. Problems of Nutrition. 2020;89(2):5–20. (In Russ.). https://doi.org/10.24411/0042-8833-2020-10012; https://www.elibrary.ru/TNXHMW
4. Рябцева С. А. Технология лактулозы. М.: ДеЛи принт, 2003. 232 с.
5. Sitanggang AB, Drews A, Kraume M. Recent advances on prebiotic lactulose production. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2016;32(9):154. https://doi.org/10.1007/s11274-016-2103-7
6. Silvério SC, de Macedo EA, Teixeira JA, Rodrigues LR. Biocatalytic approaches using lactulose: end product compared with substrate. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2016;15(5):878–896. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12215
7. Vera C, Illanes A. Lactose-derived nondigestible oligosaccharides and other high added-value products. In: Illanes A, Guerrero C, Vera C, Wilson L, Conejeros R, Scott F, editors. Lactose-derived prebiotics. A process perspective. Academic Press; 2016. pp. 87–110. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802724-0.00003-2
8. Wang M, Wang L, Lyu X, Hua X, Goddard JM, Yang R. Lactulose production from lactose isomerization by chemo-catalysts and enzymes: Current status and future perspectives. Biotechnology Advances. 2022;60:108021. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2022.108021
9. Ryabtseva SA, Khramtsov AG, Shpak MA, Lodygin AD, Anisimov GS, Sazanova SN, et al. Biotechnology of Lactulose Production: Progress, Challenges, and Prospects. Food Processing: Techniques and Technology. 2023;53(1):97–122c. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2023-1-2419; https://www.elibrary.ru/DVBEZS
10. de Albuquerque TL, de Sousa M, Gomes e Silva NC, Girão Neto CAC, Gonçalves LRB, Fernandez-Lafuente R, et.al. β-Galactosidase from Kluyveromyces lactis: Characterization, production, immobilization and applications - A review. International Journal of Biological Macromolecules. 2021;191:881–898. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.09.133
11. Lyutova LV, Naumov GI, Shnyreva AV, Naumova ES. Molecular polymorphism of β-galactosidase LAC4 genes in dairy and natural strains of Kluyveromyces yeasts. Molecular Biology. 2021;55(1):75–85. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/ S0026898421010109; https://www.elibrary.ru/DXUCCI
12. Lyutova LV, Naumova ES. Inter-strain hybridization of Kluyveromyces lactis for creating efficient lactose-fermenting yeast. Biotekhnologiya. 2021;37(4):43–50. (In Russ.). https://doi.org/10.21519/0234-2758-2021-37-4-43-50; https://www.elibrary.ru/XZBKCB
13. Lyutova LV, Naumova ES. Comparative analysis of fermentation of lactose and its components, glucose and galactose, by interstrain hybrids of dairy yeast Kluyveromyces lactis. Biotechnology. 2023;39(1):3–11. (In Russ.). https://doi.org/10.56304/S0234275823010064; https://www.elibrary.ru/BMMPOR
14. Ruiz-Ramírez S, Jiménez-Flores R. Properties of β-Galactosidases derived from Lactobacillaceae species and its capacity for galacto-oligosaccharides production. Journal of Dairy Science. 2023;106(12):8193–8206. https://doi.org/10.3168/jds.2023-23392
15. Dorau R, Jensen PR, Solem C. Purified lactases versus whole-cell lactases-the winner takes it all. Applied Microbiology and Biotechnology. 2021;105:4943–4955. https://link.springer.com/article/10.1007/s00253-021-11388-7
16. Wang Q, Lillevang SK, Rydtoft SM, Xiao H, Fan M-T, Solem C, et.al. No more cleaning up - Efficient lactic acid bacteria cell catalysts as a cost-efficient alternative to purified lactase enzymes. Applied Microbiology and Biotechnology. 2020;104:6315–6323. https://link.springer.com/article/10.1007/s00253-020-10655-3
17. Hashem AM, El-Azeem Ismail SA, Helmy WA, El-Mohamady Y, Abou-Romia R. Factors affecting the production of lactulose by Lactobacillus acidophilus NRRL 4495 b-galactosidase and its biological activity. Malaysian Journal of Microbiology. 2013;9():1–6. http://doi.org/10.21161/mjm.43612
18. Рябцева С. А., Котова А. А., Скрипнюк А. А. Дрожжи в переработке молочного сырья: монография. СПб: Лань, 2019. 120 с.
19. Botvynko A, Bednářová A, Henke S, Shakhno N, Čurda L. Production of galactooligosaccharides using various combinations of the commercial β-galactosidases. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2019;517(4):762–766. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2019.08.001
20. Inchaurrondo VA, Yantorno OM, Voget CE. Yeast growth and beta-galactosidase production during aerobic batch cultures in lactose-limited synthetic medium. Process biochemistry. 1994;29(1):47–54. https://doi.org/10.1016/0032-9592(94)80058-8
21. Guerrero C, Vera C, Plou F, Illanes A. Influence of reaction conditions on the selectivity of the synthesis of lactulose with microbial b-galactosidases. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic. 2011;72(3–4):206–212. https://doi.org/10.1016/j.molcatb.2011.06.007
22. Hua X, Yang R, Shen Q, Ye F, Zhang W, Zhao W. Production of 1-lactulose and lactulose using commercial b-galactosidase from Kluyveromyces lactis in the presence of fructose. Food Chemistry. 2013;137(1–4):1–7. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2012.10.003
23. Sitanggang AB, Drews A, Kraume M. Influences of operating conditions on continuous lactulose synthesis in an enzymatic membrane reactor system: A basis prior to long-term operation. Journal of Biotechnology. 2015;203:89–96. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2015.03.016
24. De Albuquerque TL, Gomes SDL, D’Almeida AP, Fernandez-Lafuente R, Gonçalves LRB, Rocha MVP. Immobilization of β-galactosidase in glutaraldehyde-chitosan and its application to the synthesis of lactulose using cheese whey as feedstock. Process Biochemistry. 2018;73:65–73. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2018.08.010
25. Neto CACG, Silva NCGE, de Oliveira Costa T, de Albuquerque TL, Gonçalves LRB, Fernandez-Lafuente R, et.al. The beta-galactosidase immobilization protocol determines its performance as catalysts in the kinetically controlled synthesis of lactulose. International Journal of Biological Macromolecules. 2021;176:468–478. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.02.078
26. Lee Y-J, Kim CS, Oh D-K. Lactulose production by beta-galactosidase in permeabilized cells of Kluyveromyces lactis. Applied Microbiology and Biotechnology. 2004;64:787–793. http://doi.org/10.1007/s00253-003-1506-1
27. Guerrero C, Vera C, Conejeros R, Illanes A. Transgalactosylation and hydrolytic activities of commercial preparations of β-galactosidase for the synthesis of prebiotic carbohydrates. Enzyme and Microbial Technology. 2015;70:9–17. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2014.12.006
28. Способ получения комбинированного ферментного препарата бета-галактозидаз: пат. 2622078 Рос.Федерация. № 2016100779 / Рябцева С. А. [и др.]; заявл. 21.01.2016; опубл. 09.06.2017. Бюл. № 16.].
29. Zhao R, Chen Z, Liang J, Dou J, Guo F, Xu Z, et.al. Advances in Genetic Tools and Their Application in Streptococcus thermophilus. Foods. 2023;12(16):3119. https://doi.org/10.3390/foods12163119