CC BY
22ИСТОЧНИКИ Р-ГАЛАКТОЗИДАЗ И ПЕРСПЕКТИВА ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Хазраткулова М. И.1, Каражанова Т.Дж.2
1Институт микробиологии Академии Наук Республики Узбекистан 2Каракалпакский медицинский институт https://doi.org/10.5281/zenodo. 8372545
Аннотация. в-галактозидаза, широко известная, как лактаза, представляет собой фермент, ответственный за гидролиз лактозы. Этот фермент имеет широкое применение в пищевой промышленности. Фермент в-галактозидазы был выделен из различных источников, таких как бактерии, грибы, дрожжи, овощи и рекомбинантные источники. Этот фермент имеет важное значение из-за его широкого применения в пищевой промышленности для производства продуктов с гидролизованной лактозой для людей с непереносимостью лактозы и образования гликозилированных продуктов. Дефицит этого фермента приводит к непереносимости к лактозе. Непереносимость лактозы затрагивает около 70% взрослого населения мира. в -галактозидазы не только используются для производства безлактозных продуктов, но также используются для обработки сыворотки и при получении пребиотиков. В этом обзоре основное внимание уделяется различным источникам в-галактозидазы и подчеркивается важность в-галактозидазы в пищевой промышленности.
Ключевые слова: в-галактозидаза, продукты гидролиза лактозы, непереносимость лактозы, углеводный обмен.
Abstract. fi-Galactosidase, commonly known as lactase, is an enzyme responsible to hydrolyze lactose. This enzyme has wide applications in food-processing industries. The enzyme $-galactosidases have been isolated from various sources such as bacteria, fungi, yeast, vegetables, and recombinant sources. This enzyme holds importance due to its wide applications in food industries to manufacture lactose-hydrolyzed products for lactose-intolerant people and the formation of glycosylated products. Hence, the deficiency of this enzyme leads to lactose intolerance. Lactose intolerance affects around 70% of world's adult population, P-Galactosidases are not only used to manufacture lactose-free products but also employed to treat whey, and used in prebiotics. This review focuses on various sources of fi-galactosidase and highlights the importance of в-galactosidases in food industries.
Keywords: $-galactosidase, lactose-hydrolyzed products, lactose intolerance, сarbohydrate metabolism.
Annotatsiya. Odatda laktaza sifatida tanilgan P -galaktosidaza laktoza gidrolizlanishi uchun mas'ul bo'lgan fermentdir. Ushbu ferment oziq-ovqat sanoatida keng qo'llaniladi. P -galaktosidaza fermenti bakteriyalar, zamburug'lar, achitqilar, sabzavotlar va rekombinant manbalar kabi turli manbalardan ajratilgan. Ushbu ferment oziq-ovqat sanoatida laktozani hazm qila olmaydigan odamlar uchun gidrolizlangan laktozali va glikozillangan mahsulotlar ishlab chiqarish uchun kengqo'llanilishi tufaylimuhim ahamiyatga ega. Shu sababli, ushbu fermentning yetishmasligi laktozani hazm qila olmaslikka olib keladi. Laktozani hazm qila olmaslik dunyoning katta yoshli aholisining taxminan 70% da uchraydi. $-galaktosidazalar nafaqat laktozasiz mahsulotlarni ishlab chiqarishda, balki zardobni qayta ishlashda va prebiotiklar olishda qo'llaniladi. Ushbu sharh beta-galaktosidazaning turli manbalariga qaratilgan va oziq-ovqat sanoatida P -galaktosidazalarning ahamiyatini ta'kidlaydi.
КаШ so^zlar: в-Galactosidaza, gidrolizlangan laktozali mahsulotlar, laktozani hazm qila olmaslik, uglevod almashinuvi.
Препараты Р-галактозидазы прежде всего находят широкое применение в молочной промышленности и в тех отраслях, где возможно использование отходов молокоперерабатывающей промышленности, содержащих дисахарид лактозу. Лактоза является очень ценным углеводом, но сахар этот плохо растворим, несладкий, не усваивается часто животными организмами, не сбраживается дрожжами. Если с помощью Р-галактозидазы осуществить его расщепление до галактозы и глюкозы, то эта смесь уже имеет сладкий вкус, хорошо растворяется в воде, глюкоза усваивается как животными, так и микроорганизмами. Обработка молока и молочных изделий препаратами Р-галактозидазы позволяет обеспечить часть населения, страдающего лактазной недостаточностью, молочными продуктами, почти не содержащими лактозу [1].
Непереносимость молока встречается у 15-30 % населения земли и обусловлена дефицитом в организме человека фермента лактазы, который вырабатывается в тонком кишечнике и катализирует расщепление лактозы (молочного сахара) на глюкозу и галактозу, которые затем легко всасываются в кровь. Коррекция лактазной недостаточности может быть осуществлена двумя путями: использованием молочных продуктов с частично гидролизованной лактозой либо приемом лекарственных препаратов, содержащих фермент лактазу. Лактазу получают из различных источников: животных, растений и микроорганизмов (бактерии, грибы, дрожжи). Однако бактериальные ферменты небезопасны для применения в пищевой промышленности. Ферменты из животных и растительных источников дороги и неактивны. Наиболее пригодны для практического применения грибные и дрожжевые Р-галактозидазы [2].
В промышленности Р-галактозидаза имеет различные применения. Помимо производства безлактозных продуктов для людей с непереносимостью лактозы, Р -галактозидазы также используются для решения проблемы утилизации сыворотки в промышленных масштабах [3]. Лактоза гигроскопична и вызывает кристаллизацию в продуктах питания; следовательно, Р-галактозидазы используются для гидролиза лактозы для решения проблемы кристаллизации, связанной с лактозой, в замороженных концентрированных десертах. Такая процедура обычно снижает содержание лактозы в молоке, которое можно употреблять людям с индувидуальной непереносимостью лактозе
[4].
Р-галактозидаза катализирует гидролиз лактозы с образованием двух сахаров: галактозы и глюкозы [5]. Р-Галактозидаза (ЕС 3.2.1.2.3) участвует в углеводном обмене различных микроорганизмов, растений, животных и человека. Основная его функция в организме млекопитающих - это гидролиз молочного сахара (лактозы) на моносахариды, которые затем легко усваиваются в кишечнике [6]. Р -галактозидаза способна также выполнять трансферазную функцию, катализировать реакции трансгалактозилирования трансформируя лактозу в смесь галактоолигосахаридов различного состава [7].
Р -галактозидазы находят применение при решении экологических проблем, связанных с загрязнением окружающей среды отходами молочной промышленности [8]. Молочная сыворотка, побочный продукт сырной промышленности, обычно обрабатывают этим ферментом. Утилизация сыворотки стала серьезной экологической проблемой,
поскольку она сбрасывается в воду ручьев, тем самым вызывает сильное загрязнение воды [9]. ß-галактозидаза используется для обработки сыворотки с целью преобразования его в полезные продукты, такие как этанол и сладкий сироп, который имеет широкий спектр применения в кондитерской, хлебопекарной, и других отраслях [10].
Источники ß -галактозидазы.
Бактериальные источники. Активными продуцентами ß-галактозидаз являются бактерии Bac.subtilis, Bac. megaterium, Bac. coagulans, Bifidobacterium, а также архебактерии Т. sibiricus, A. saccharovorans [11]. Найдены ß-галактозидазы и у факультативно-анаэробных и анаэробных бактерий. Некоторые штаммы анаэробных бактерий способны к синтезу внеклеточных ß-галактозидаз. Способность выделять ß-галактозидазы в культуральную жидкость показана для таких анаэробных бактерий как Bifidobacterium bifidum [12], Clostridium thermosulfurogenes, Clostridium pasteurianum [13], Bifidobacterium longum subsp. longum JCM 7052 [11], Bifidobacterium animalis spp. lactis Bb12 [14], Bifidobacterium longum CCRC 15708 [15], Escherichia coli [16]. Однако для большинства других бактерий характерно присутствие наиболее активных ß-галактозидаз в их биомассе: Streptococcus thermophilus [17], Lactobacillus acidophilus ATCC 4356 [18], Pediococcus pentosaceus [19], Lactobacillus plantarum [20], Clostridium acetobutylicum [21], Clostridium cellulovorans, Clostridium perfringens [22].
ß-галактозидаза, экстрагированная из бактериальных источников, используется для гидролиза лактозы из-за ряда преимуществ включая их высокую активность, легкость ферментации и стабильность фермента. ß- галактозидаза, полученная из бифидобактерий (пробиотический организм) используются в пище и в продовольственных системах. Штаммы, такие как штамм Bifidobacterium infantis CCRC 14633, штамм Bifidobacterium longum CCRC 15708 и Bifidobacterium longum CCRC15708 показали самые высокие результаты по активности фермента [15]. Виды Lactobacillus и Bifidobacterium являются эффективными пробиотиками и, следовательно, они широко используются в качестве потенциальных источников ß-галактозидазы. Лактобактерии, выделенные из желудочно -кишечного тракта поросят также используются при производстве различных ферментированных молочных продуктов. Кроме того, ß-галактозидаза, штаммов лактобактерий, выделенных из свиней обладают способностью ферментировать лактозу в молоке крупного рогатого скота. У человека этот фермент в изобилии содержится в толстой кишке, где способствует расщеплению лактозы, ее ферментации, и ее активность измеряют, чтобы указать способность микробиоты толстой кишки ферментировать кишечную лактозу [23].
Дрожжи Kluyveromyces lactis являются одним из коммерчески важных источников ß-галактозидазы, которая повсеместно присутствует. Выделение ß-галактозидазы из дрожжей представляют интерес в связи с их использованием в производстве безлактозных молочных продуктов и молочных продуктов. Оптимальный pH дрожжевой ß-галактозидазы находится в пределах 6,0 и 7.0. Сообщается, что Kluyveromyces marxianus продуцирует гомологичные ферменты ß-галактозидазы и другие гетерологичные белки, которые, как было обнаружено, растут на ряде субстратов с лактозой в качестве единственного источника энергии. Кислая ß-галактозидаза, выделенная из штаммов психрофильных дрожжей, называемых Guehomycespullulans, используется в пищевой промышленности для получения гидролиза молочной сыворотки. Под влиянием присутствия ионов марганца,
натрия и магния повышается активность дрожжевых ß-галактозидаз Kluyveromyces lactis и Kluyveromyces fragilis, при этом наличие тяжелых металлов и кальция подавляет их активность ферментов [24].
Грибковые ß-галактозидазы обладают оптимальным кислым диапазоном pH:2.5-5.4, что делает их более эффективными для гидролиза лактозы, содержащейся в кислых веществах, таких как сыворотка. Грибы производят высокостабильные ферменты. Самые распространенные грибковые источники ß-галактозидаз - Kluyveromyces lactis, Kluyveromyces fragilis (Sacchoramyces fragilis), и некоторые виды Aspergillus, которые считаются «в целом признан безопасным» (GRAS). Aspergillus oryzae вырабатывает внеклеточную ß-галактозидазу, которая используется в коммерческих масштабах. ß-галактозидаза из Aspergillus oryzae, с оптимальным pH и температурой 5 и 50оС, была очищена и охарактеризована. Сообщалось, что фермент, происходящий из Aspergillus oryzae, более применим для использования сыворотки по сравнению с гидролизом лактозы. ß-галактозидаза, происходящая из Aspergillus niger, обычно участвует в удалении остатков галактозы из олигосахаридов и полисахаридов, полученных из растений, а не при гидролизе лактозы [25].
ß-галактозидазы также широко распространены в растениях, где они играют роль, способствуя росту растений, гидролизу лактозы и созреванию плодов. сообщается, что этот фермент участвуют в созревании хурмы - уменьшение содержания галактозила в клеточной стенке облегчает процесс созревания плодов. Галактозидазы из папайи вызывают гидролиз клеточной стенки и, как следствие, размягчение плодов в процессе созревания. Более того, показано, что ß- галактозидная активость обнаружена в клеточной стенке клеток земляники (Fragaria ananassa), где фрукты размягчаются из-за выделения свободных сахаров в процессе созревания. Более того, Смит и Гросс (2000) идентифицировали семейство из семи ß-галактозидаз томатов в процессе созревания плодов [26]. Кроме того, из плодов были выделены смягчающие ß-галактозидазы помидоров, яблок, дыни, авокадо, киви, кофе, манго и японской груши [27].
Недавно ß-галактозидазы были обнаружены в широком диапазоне органов и тканей растений. Была описана их способность гидролизовать концевые не восстанавливающие P-D-галактозильные остатки, присутствующие в ß -D-галактозидах [24]. Ферменты были получены из растительных источников, таких как куриный горох [28], миндаль [29], абрикосы [30], коровий горох (Vgna unguiculata) [31], семена абрикоса [32].
ß-галактозидаза является одним из промышленно важных ферментов, применяемых в широком спектре пищевых продуктов, пищевой промышленности и защиты окружающей среды. Дальнейшие исследования этого фермента помогут решить проблемы, связанные с пищевой и другими смежными отраслями. Производство новых галактоолигосахаридов проложило путь к разработке добавок с пребиотиками. Есть надежда, что регулярное использование этого фермента в молочной сыворотке уменьшит загрязнение воды и приведет к образованию ценных побочных продуктов, таких как этанол и сладкий сироп.
REFERENCES
1. Докучаева, Г.А. Рынок ферментов: в ожидании перемен [Электронный ресурс]. - URL: http://www.abercade.ru/research/analysis/1988. html
2. А.Н. Петров, А.С. Матвеенко, М.Н. Стрижко. Исследование штаммов микроорганизмов, обладающих Р-галактозидазной активностью, и их анализ//Техника и технология пищевых производств. 2013. №№ 1.
3. Karasova P, Spiwok V, Mala S, Kralova B, Russell NJ (2002) Beta- galactosidase activity in psychrophic microorganisms and their potential use in food industry. Czech J Food Sci 20:43-47
4. Champluvier B, Kamp HE, Rouxhet PG (1988) Immobilization ofb- galactosidase retained in yeast: adhesion of the cells on a support. Appl Microbiol Biotechnol 27:464-469
5. Jayashree, N. Isolation and Characterization of P-Galactosidase Producing Bacillus sp. from Dairy Effluent / C. Jayashree Natarajan, D.J. Christobell, Mukesh Kumar, M.D. Balakumaran, M. Ravi Kumar and P.T. Kalaichelvan // World Applied Sciences Journal -2012-. V.17. - (11).
- P.1466-1474
6. Gopalakrishnan, V. K. Screening and optimization of P-galactosidase from fungal strains by using agro residues / V. K. Gopalakrishnan, M.Palaniswamy , B. Vidya // World J. Pharmacy and Pharmaceutical Sc. -2014. - V. 3(6). -P.1809-1821
7. Liu, Y. Biochemical characterization of a novel P-galactosidase from Paenibacillus barengoltzii suitable for lactose hydrolysis and galactooligosaccharides synthesis / Y.Liu, Z. Chen, Z. Jiang, Q. Yan, S.Yang // International Journal of Biological Macromolecules. -2017. -V.104. -P.1055-1063
8. Maity, M. Studies on Isolation and Characterization of Lactase Produced from Soil Bacteria / M. Maity, S. Sanyal, J. Bhowal, D. K. Bhattacharyya //Research Journal of Recent Sciences.
- 2013. -Vol. 2(8). -P.92-94.
9. Brandao RL, Nicoli JR, Figueiredo AF. (1987) Purification and characterization of a beta-galactosidase from Fusarium oxysporum. J Dairy Sci 70:1331-1337
10. Zhou QZK, Chen XD (2001) Effects of temperature and pH on the catalytic activity of the immobilized b-galactosidase from Kluyveromyces lactis. Biochem Eng J 9:33-40
11. Saishin, N. Properties of P-galactosidase purified from Bifidobacterium longum subsp. longum JCM 7052 grown on gum arabic / N. Saishin, M. Ueta, A. Wada, I. Yamamoto// J. Biol. Macromol. -2010. -V.10 (1). -P.23-31
12. Mozumder, N. Study on Isolation and Partial Purification of Lactase (P-Galactosidase) Enzyme from Lactobacillus Bacteria Isolated from Yogurt / N. H. M. R.Mozumder, M. Akhtaruzzaman, M. A. Bakr and Fatema-Tuj-Zohra //J. Sci. Res. -2012. -V. 4(1). -P.239-249.
13. Букуру, Л.К. Биохимическая характеристика и частичная очистка внутриклеточной В-галактозидазы бактерии рода Clostridium // Л.К. Букуру, Т.В. Багаева // III Международная школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Материалы и технологии XXI века»/ г. Казань,29-31 октября 2018г. - C.114-11
14. Prasad, L. N. Extraction and characterisation of P-galactosidase produced by Bifidobacterium animalis spp. lactis Bb12 and Lactobacillus delbrueckii spp. bulgaricus ATCC 11842 grown in whey // International Food Research Journal. -2013. -P. 487-494
15. Hsu, C. A. Purification and characterization of a sodium-stimulated P-galactosidase from Bifidobacterium longum CCRC 15708 / C. A. Hsu, R. C.Yu, C.Chou // World Journal of Microbiology & Biotechnology. - 2006. -V.22. -P.355-361
16. Juers, D. H. LacZ B-galactosidase: Structure and function of an enzyme of historical and molecular biological importance / D. H. Juers, B. W. Matthews, R. E. Huber // proteinscience , -2012. - .V. 21. - P. 1792-1807
17. Princely, S. Biochemical characterization, partial purification, and production of an intracellular beta-galactosidase from Streptococcus thermophilus grown in whey // European Journal of Experimental Biology. -2013. -V.3 (2). -P.242-251
18. Milica, C. Optimization of P-galactosidase production from lactic acid bacteria / C. Milica, V.S. Maja, G. Sanja, S. Marija, M. Mladen, D. Aleksandra , B. Dejan //Scientific paper,- 2014.
19. Lee, J-Y. Microbial B-Galactosidase of Pediococcus pentosaceus ID-7: Isolation, Cloning, and Molecular Characterization// J. Microbiol. Biotechnol. -2017. -V27 (3). - P.598-609.
20. Singh B., Katiyar D., Chauhan R., Kharwar R., Milton Lall A. Influence of UV Treatment on P—galactosidase Produced by Lactobacillus plantarum// Journal of pure and applied microbiology, March 2013.Vol.7(1), p. 595-601.
21. Yang, Y. Analysis of the Mechanism and Regulation of Lactose Transportand Metabolism in Clostridium acetobutylicum ATCC 824// Applied and environmental microbiology. doi:10.1128., AEM.02082-06.- 2007-Vol. 73, No. 6. -P.1842-1850.
22. Shaikh, F. A. Mechanistic analysis of the blood group antigen-cleaving endo-beta-galactosidase from Clostridium perfringens / F. A. Shaikh, M. Randriantsoa, S. G. Withers // Biochemistry. -2009. -V. 48 (35). - P. 8396-404.
23. Jung SJ, Lee BH (2008) Production and application of galacto- oligosaccharides from lactose by a recombinant b-galactosidase of Bifidobacterium infantis overproduced by Pichia pastoris. Food Sci Biotechnol 17:514-518
24. Pivarnik LF, Senecal AG (1995) Hydrolytic and transgalactosylic activities of commercial beta-galactosidase (lactase) in food processing. Adv Food Nutr Res 38:1-102
25. Kazemi S, Khayati G, Faezi-Ghasemi M (2016) b-Galactosidase pro- duction by Aspergillus niger ATCC 9142 using inexpensive substrates in solid-state fermentation: optimization by orthogonal arrays design. Iran Biomed J 20:287-294
26. Smith D, Gross K.C. A Family of at Least Seven P-Galactosidase Genes Is Expressed during Tomato Fruit Development// Plant Physiol. 2000 Jul; 123(3): 1173-1184.doi: 10.1104/pp.123.3.1173
27. Seddigh S, Darabi M (2014) Comprehensive analysis of beta- galactosidase protein in plants based on Arabidopsis thaliana. Turk J Biol 38:140-150.
28. Kishore D, Kayastha AM (2012) A P-galactosidase from chick pea (Cicer arietinum) seeds: Its purification, biochemical properties and industrial applications. Food Chem 134: 11131122.
29. Pal A, Lobo M, Khanum F. Extraction, Purification and Thermodynamic Characterization of Almond (Amygdalus communis) P-Galactosidase for the Preparation of Delactosed Milk//, Food Technol. Biotechnol. 51 (1) 53-61 (2013)
30. Gulzar S, Amin Sh. Kinetic Studies on ^-Galactosidase Isolated from Apricots (Prunus armeniaca kaisa)// American Journal of Plant Sciences > Vol.3 No.5, May 2012
31. Suderio, F. B. et al. Purification and Characterization of cytosolic and cell wall P-galactosidase from Vigna unguiculata stems. Brazilian Journal of Plant Physiology, v. 23, n. 1, p. 5-14, 2011b.
32. Yossef HD, El Beltagey AED (2014) Extraction, Purification and Characterization of Apricot Seed P-Galactosidase for Producing Fre Lactose Cheese. J Nutr Food Sci 4: 270. doi: 10.4172/2155-9600.1000270
