МЕТОДЫ ИММОБИЛИЗАЦИИ β-ГАЛАКТОЗИДАЗ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В БИОСИНТЕЗЕ ЛАКТУЛОЗЫ

β-галактозидаза является одним из наиболее важных ферментов, используемых в пищевой промышленности, который может применяться в пищевой, технологической и экологической областях. Использование β-галактозидазы для гидролиза лактозы в молоке и сыворотке является одним из перспективных ферментативных применений в пищевой и молочной перерабатывающей промышленности. Фермент можно использовать как в растворимой, так и в иммобилизованной формах. Было обнаружено, что иммобилизация является удобным методом для придания ферменту термостабильности и предотвращения потери ферментативной активности. Целью данного обзора является обобщение и анализ информации о методах иммобилизации фермента β-галактозидазы и возможности его применения для биосинтеза лактулозы. Несмотря на то, что в большинстве отраслей промышленности по-прежнему гидролизуют лактозу свободным ферментом, иммобилизация β-галактозидазы представляет большой интерес из-за ее потенциальных преимуществ. Изучено, что иммобилизованные ферменты способны повысить их стабильность и устойчивость к условиям среды. Также иммобилизация фермента дает возможность использовать его повторно, и его можно легко отделить от продукта. Эти преимущества позволяют существенно снизить стоимость процесса. Различают следующие методы иммобилизации: физическая адсорбция, ковалентное связывание и метод захвата. Адсорбция является простейшим методом иммобилизации, основанный на слабых силах между матрицей и ферментами, к которым относятся силы Ван-дер-Ваальса, гидрофобные взаимодействия и водородные связи, а также более сильные ионные взаимодействия. Ковалентное связывание представляет собой удержание ферментов на поверхности носителя за счет образования ковалентной связи. Метод захвата заключается в физическом заключении ферментов в небольшом пространстве, например, в мембранах или матрицах. Необходимо правильно подобрать материал для иммобилизации, он должен обеспечивать возможность повторного использования и легкого извлечения фермента. Нанобиокатализаторы выступают как инновационная область, сочетающая биотехнологии и нанотехнологии с целью повышения стабильности ферментов в биотехнологических приложениях. Нанобиокатализаторы представлены в виде нанолистов, каркасов из нановолокон, нанотрубок и нанокомпозитов для получения наноматриц с большой площадью поверхности. Кроме того, их поверхность можно легко регулировать для введения лиганда для сборки ферментов. В настоящее время получение лактулозы в промышленных условиях основано на изомеризации лактозы в щелочных средах при высоких температурах. Недостатком таких технологий является дорогостоящее удаление катализаторов, оставшейся лактозы.

1. Рябцева С.А. Технология лактулозы. М: ДеЛи принт, 2003. – 232 с.

2. Рябцева С.А. Физиологические эффекты, механизмы действия и применение лактулозы / С.А. Рябцева, А.Г. Храмцов, Р.О. Будкевич, Г.С. Анисимов, А.О. Чукло, М.А. Шпак // Вопросы питания. 2020. № 2. С. 6–21. DOI: 10.24411/0042-8833-2020-10012.

3. Ait-Aissa A. Lactulose: production and use in functional food, medical and pharmaceutical applications. Practical and critical review / A. Ait-Aissa, M. Aider // International journal of food science and technology. 2014. vol. 49. P. 1245-1253. DOI:10.1111/IJFS.12465

4. Alshanberi A. M. Overviewing the Application of β-Galactosidase ―Immobilized on Nanoparticles‖ in Dairy Industries / A. M. Alshanberi, M. A. Al-Shaeri, S. A. Ansari // Brazilian archives of biology and technology. 2021. vol. 64. 13 p. DOI: 10.1590/1678-4324-2021180747

5. Ansari S. A. Lactose hydrolysis by β -galactosidase immobilized on concanavalin Acellulose in batch and continuous mode / S. A. Ansari, Q. Husain // Journal of molecular catalysis B - enzymatic. 2010. vol. 63, no. 1-2, P. 68-74. DOI:10.1016/J.MOLCATB.2009.12.010

6. Belhacene K. Simple eco-friendly β-galactosidase immobilization on functionalized magnetic particles for lactose hydrolysis / K. Belhacene, E. F. Grosu, A.C. Blaga, P. Dhulster, M. Pinteala, R. Froidevaux // Environmental engineering and management journal. 2015. vol. 14, no. 3, P. 631–638. DOI:10.30638/EEMJ.2015.070

7. Bolivar M. Biotransformations in microstructured reactors: More than flowing with the stream? / M. Bolivar, J. Wiesbauer, B. Nidetzky // Trends Biotechnol. 2011. vol. 29. P. 333-342. DOI: 10.1016/j.tibtech.2011.03.005

8. Budžaki S. Waste management in the agri-food industry: The conversion of eggshells, spent coffee grounds and brown onion skins into carriers for lipase immobilization / S. Budžaki, N. Velić, M. Ostojčić, M. Stjepanović, B. Bilić Rajs, Z. Šereš, N. Maravić, J.Stanojev, V. Hessel, I. Strelec // Foods. 2022. vol. 11. 16 p. DOI:10.3390/foods11030409

9. Chapman J. Industrial applications of enzymes: Recent advances, techniques, and outlooks / J. Chapman, A. E. Ismail, C.Z. Dinu // Catalysts. 2018. vol. 8. 26 p. DOI:10.3390/catal8060238

10. Chattopadhyay S. A comparative performance evaluation of jute and eggshell matrices to immobilize pancreatic lipase / S. Chattopadhyay, R. Sen // Process biochemistry. 2012. vol. 47, no. 5, P. 749–757.

11. Chen S. C. Production of galactooligosaccharides using β-galactosidase immobilized on chitosan-coated magnetic nanoparticles with Tris (hydroxyl-methyl) phosphine as an optional coupling agent / S. C. Chen, K. J. Duan. // International journal of molecular sciences. 2015. vol. 16. P. 12499-12512. DOI:10.3390/ijms160612499

12. Chen W. Immobilization of recombinant thermostable β-galactosidase from Bacillus stearothermophilus for lactose hydrolysis in milk / W. Chen, H. Chen, Y. Xia et al. // Journal of dairy science. 2009. vol. 92, no. 2, P. 491–498. DOI:10.3168/jds.2008-1618

13. de Albuquerque T.L. Immobilization of β-galactosidase in glutaraldehyde-chitosan and its application to the synthesis of lactulose using cheese whey as feedstock / T.L. de Albuquerque, S. Gomes, A.P. D‘Almeida, R. Fernández-Lafuente, L. Gonçalves, M. Rocha // Process Biochemistry. 2018. vol. 73. P. 65-73. DOI:10.1016/J.PROCBIO.2018.08.010

14. Gonawan N. Immobilized-β-galactosidase catalysed conversion of lactose on the membrane surface / N. Gonawan, A.H. Kamaruddin, M.Z.A. Bakar, K.A. Karim // Journal of physical therapy science. 2018. Vol. 29. P. 49-56. DOI:10.21315/JPS2018.29.S1.7

15. Haider T. Calcium alginate entrapped preparations of Aspergillus oryzae β galactosidase: its stability and applications in the hydrolysis of lactose / T. Haider, Q. Husain // International journal of biological macromolecules. 2007. vol. 41. no. 1. P. 72-80. DOI:10.1016/j.ijbiomac.2007.01.001

16. Haider T. Hydrolysis of milk/whey lactose by β galactosidase: a comparative study of stirred batch process and packed bed reactor prepared with calcium alginate entrapped enzyme / T. Haider, Q. Husain // Chemical engineering and processing: process intensification. 2009. vol. 48. no. 1. P. 576-580. DOI:10.1016/j.cep.2008.02.007

17. Haider T. Immobilization of β-galactosidase by bioaffinity adsorption on concanavalin A layered calcium alginate-starch hybrid beads for the hydrolysis of lactose from whey/milk / T. Haider, Q. Husain // International dairy journal. 2009. vol. 19. no. 3, P. 172-177. DOI:10.1016/J.IDAIRYJ.2008.10.005

18. Hassan M.E. Covalent immobilization of β-galactosidase enzyme onto modified alginate gel beads / M.E. Hassan, A.G. Ibrahim, H.A. El-Wahab, F.A. Hai, H. Mahmoud, G.E.A. Awad // Journal of materials and environmental science. 2018. vol. 9. P. 2483-2492.

19. Hua X. Dual-enzymatic synthesis of lactulose in organic-aqueous two-phase media / X. Hua, R. Yang, W. Zhang, Y. Fei, Z. Jin, BO. Jiang, // Food research international. 2010. vol. 43. no. 3. P. 716-722. DOI:10.1016/J.FOODRES.2009.11.008

20. Jesionowski T. Enzyme immobilization by adsorption: a review / T. Jesionowski, J. Zadarta, B. Krajewska // Adsorption. 2014. vol. 20. P. 801-821. DOI:10.1007/s10450-014-9623-y

21. Kessi E. Natural Waste Material as a Matrix for the Immobilization of Enzymes: Chicken Eggshell Membrane Powder for β-Galactosidase Immobilization / E. Kessi, J. Arias // Biotechnology and applied biochemistry. 2019. vol. 187. P. 101-115. DOI:10.1007/s12010-018-2805-4

22. Khan M. Graphene based magnetic nanocomposites as versatile carriers for high yield immobilization and stabilization of β-galactosidase / M. Khan, Q. Husain, A.H. Naqvi // RSC Advances. 2016. Issue 58. 11 p. DOI:10.1039/C6RA06960F

23. Khan M. Immobilization of β-galactosidase on surface modified cobalt/multiwalled carbon nanotube nanocomposite improves enzyme stability and resistance to inhibitor / M. Khan, Q. Husain, R. Bushra // International journal of biological macromolecules. 2017. vol. 105. P. 693-701. DOI:10.1016/j.ijbiomac.2017.07.088

24. Klein M.P. Effect of the support size on the properties of β-galactosidase immobilized on chitosan: advantages and disadvantages of macro and nanoparticles / M.P. Klein, M.R. Nunes, R.C. Rodrigues, E.V. Benvenutti, T.M.H. Costa, P.F. Hertz, J.L. Ninow // Biomacromolecules. 2012. vol. 13. P. 2456-2464. DOI:10.1021/bm3006984

25. Ladero M. Kinetic modeling of lactose hydrolysis with an immobilized β- galactosidase from Kluyveromyces fragilis / M. Ladero, A. Santos, and F. Garc´ıa-Ochoa, // Enzyme and microbial technology. 2000. vol. 27. no. 8. P. 583-592. DOI: 10.1016/s0141-0229(00)00244-1

26. Mateo C. Improvement of enzyme activity, stability and selectivity via immobilization techniques / C. Mateo, J.M. Palomo, G. Fernandez-Lorente, J.M. Guisan, R. Fernandez-Lafuente // Enzyme and microbial technology. 2007. vol. 40. P. 1451-1463. DOI:10.1016/j.enzmictec.2007.01.018

27. Meller K. Microfluidic reactors with immobilized enzymes – Characterization, dividing, perspectives/ K. Meller, M. Szumski, B. Buszewski // Sensors and actuators B: Chemical. 2017. vol. 244. P.84-106. DOI:10.1016/J.SNB.2016.12.021

28. Michon C. Display of recombinant proteins at the surface of lactic acid bacteria: Strategies and applications / C. Michon, P. Langella, V.G. Eijsink, G. Mathiesen, J.M. Chatel // Microbial cell factories. 2016. vol. 15. 16 p.

29. Neto C.A.C.G. The β-galactosidase immobilization protocol determines its performance as catalysts in the kinetically controlled synthesis of lactulose / C.A.C.G. Neto, N.C.G.E. Silva, T. de Oliveira Costa, T.L. de Albuquerque, L.R.B. Gonçalves, R. Fernandez-Lafuente, M.V.P. Rocha // International journal of biological macromolecules. 2021. vol. 176. P. 468-478. DOI:10.1016/j.ijbiomac.2021.02.078

30. Nguyen H.M. Display of a β-mannanase and a chitosanase on the cell surface of Lactobacillus plantarum towards the development of whole-cell biocatalysts / H.M. Nguyen, G. Mathiesen, E.M. Stelzer, M.L. Pham, K. Kuczkowska, A. Mackenzie, J.W. Agger, V.G. Eijsink, M. Yamabhai, C.K. Peterbauer et al. // Microbial cell factories. 2016. vol. 15. 14 p. DOI: 10.1186/s12934-016-0570-z

31. Panesar P. Potential Applications of Immobilized β-Galactosidase in Food Processing Industries. / P. Panesar, S. Kumari, R. Panesar // Enzyme research. 2010. 16 p. DOI:10.4061/2010/473137

32. Patent CN112481239 (A) Immobilized lactase with hydrophobic property and method for preparing lactulose by applying immobilized lactase/ Yang R., Wang M. ― 2021-03-12.

33. Pessela B. The immobilization of a thermophilic β-galactosidase on Sepabeads supports decreases product inhibition: complete hydrolysis of lactose in dairy products / B. Pessela, C. Mateo, M. Fuentes, A. Vián, J. García, A. Carrascosa, J. Guisán, R. Fernández-Lafuente // Enzyme and microbial technology. 2003. vol. 33. no. 2-3, P. 199-205. DOI:10.1016/S0141-0229(03)00120-0

34. Pham M.L. Immobilization of β-Galactosidases on the Lactobacillus Cell Surface Using the Peptidoglycan-Binding Motif LysM / M.L. Pham, A.M. Tran, S. Kittibunchakul, T.T. Nguyen, G. Mathiesen, T.H. Nguyen // Catalysts. 2019. vol. 9. 18 p. DOI: 10.3390/catal9050443

35. Pham M.L. Immobilization of β-galactosidases from Lactobacillus on chitin using a chitin-binding domain / M.L. Pham, T. Leister, H.A. Nguyen, B.C. Do, A.T. Pham, D. Haltrich, M. Yamabhai, T.H. Nguyen, T.T. Nguyen // Journal of agricultural and food chemistry. 2017. vol. 65. P. 2965-2976. DOI: 10.1021/acs.jafc.6b04982

36. Posthuma-Trumpie G.A. A low perfusion rate microreactor for continuous monitoring of enzyme characteristics: Application to glucose oxidase / G.A. Posthuma-Trumpie, K. Venema, W.J.H. van Berkel, J. Korf // Analytical and bioanalytical chemistry. 2007. vol. 389. P. 2029-2033. DOI: 10.1007/s00216-007-1596-1

37. Rodrigues R.C. Modifying enzyme activity and selectivity by immobilization / R.C. Rodrigues, O.A. Berenguer-Murcia, R. Torres, R. Fernandez-Lafuente // Chemical society reviews. 2013. vol. 42. P. 6290–6307. DOI:10.1039/c2cs35231a

38. Rudroff F. Opportunities and challenges for combining chemo- and biocatalysis / F. Rudroff, M.D. Mihovilovic, H. Gröger, R. Snajdrova, H. Iding, U.T. Bornscheuer // Nature catalysis. 2018. vol. 1. P. 12-22. DOI:10.1038/s41929-017-0010-4

39. Šalić A. Synergy of microtechnology and biotechnology: microreactors as an effective tool for biotransformation processes / A. Šalić, B. Zelić // Food technology and biotechnology. 2018. vol. 56. P. 464-479 DOI:10.17113/ftb.56.04.18.5673

40. Satar R. Role of glutaraldehyde in imparting stability to immobilized β-galactosidase systems / R. Satar, M.A. Jafri, M. Rasool, S.A. Ansari // Brazilian archives of biology and technology. 2017. vol. 60. P. 87-92. DOI:10.1590/1678-4324-2017160311

41. Serey M. Immobilization of Aspergillus oryzae β-galactosidase in cation functionalized agarose matrix and its application in the synthesis of lactulose / M. Serey, C. Vera, C. Guerrero, A. Illanes // International journal of biological macromolecules. 2021. vol. 167. P. 1564-1574. DOI:10.1016/j.ijbiomac.2020.11.110

42. Serri N.A. High reusability of lipase immobilized on eggshells for butyl butyrate synthesis under optimum condition / N.A. Serri, L.S. Mooi // ASM science journal. 2019. vol. 12. 10 p. DOI:10.32802/ASMSCJ.2019.247

43. Silvério S.C. Biocatalytic approaches using lactulose: End product compared with substrate / S.C. Silvério, E.A. Macedo, J.A. Teixeira, L.R. Rodrigues // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2016. vol. 15 P. 878-896. DOI:10.1111/1541-4337.12215

44. Sitanggang A.B. Recent advances on prebiotic lactulose production / A.B. Sitanggang, A. Drews, M. Kraume // World journal of microbiology and biotechnology. 2016. vol. 32. 10 p. DOI:10.1007/s11274-016-2103-7

45. Song Y. Batch and continuous synthesis of lactulose from whey lactose by immobilized β-galactosidase / Y. Song, H. Lee, C. Park, S. Kim // Food chemistry. 2013. vol. 136. P. 689-694. DOI:10.1016/j.foodchem.2012.08.074

46. Song Y. β-Galactosidase-immobilized microreactor fabricated using a novel technique for enzyme immobilization and its application for continuous synthesis of lactulose / S. Song, H. Shin, J. Lee, C. Park, S. Kim // Food chemistry. 2012. vol. 133. P. 611-617. DOI:10.1016/J.FOODCHEM.2012.01.096

47. Taqieddin E. Enzyme immobilization in novel alginate-chitosan core-shell microcapsules / E. Taqieddin, M. Amiji // Biomaterials. 2004. vol. 25. P. 1937-1942. DOI:10.1016/J.BIOMATERIALS.2003.08.034

48. Tavernini L.M. Development of a hybrid bioinorganic nanobiocatalyst: remarkable impact of the immobilization conditions on activity and stability of b-galactosidase / L.M. Tavernini, M.V. Olguín, M. Trench, R.A. Minervino // Molecules. 2021. vol. 26. 14 p. DOI:10.3390/molecules26144152

49. Thompson M.P. Biocatalysis using immobilized enzymes in continuous flow for the synthesis of fine chemicals / M.P. Thompson, I. Peñafiel, S.C. Cosgrove, N.J. Turner // Organic process research & development. 2019. vol. 23. P.9–18. DOI:10.1021/ACS.OPRD.8B00305

50. Torres R. A novel heterofunctional epoxy-amino sepabeads for a new enzyme immobilization protocol: Immobilization-stabilization of β-galactosidase from Aspergillus oryzae / R. Torres, C. Mateo, G. Fernandez-Lorente, C. Ortiz, M. Fuentes, J. Palomo, J. Guisán, R. Fernández-Lafuente // Biotechnology progress. 2003. vol. 19. no. 3. P. 1056-1060. DOI:10.1021/bp025771g

51. Verma M. Immobilization of β-D-galactosidase from Kluyveromyces lactis on functionalized silicon dioxide nanoparticles: Characterization and lactose hydrolysis / M. Verma, C.J. Barrow, J.F. Kennedy, M. Puri // International journal of biological macromolecules. 2010. vol. 50. P. 432-437. DOI:10.1016/j.ijbiomac.2011.12.029

52. Wu Z. Encapsulation of β- galactosidase from Aspergillus oryzae based on ―fish-in-net‖ approach with molecular imprinting technique / Z. Wu, M. Dong, M. Lu, Z. Li // Journal of molecular catalysis B: Enzymatic. 2010. vol. 63. no. 1-2. P. 75–80. DOI:10.1016/j.molcatb.2009.12.012

53. Wu Z. Improving the properties of β-galactosidase from Aspergillus oryzae via encapsulation in aggregated silica nanoparticles / Z. Wu, Z. Wang, B. Guan, X. Wang, Y. Zhang, Y. Xiao, B. Zhi, Y. Liu, Y. Li, Q. Huo // New journal of chemistry. 2013. vol. 37. P.3793-3797. DOI:10.1039/C3NJ00685A

54. Yovcheva T. Effect of immobilization conditions on the properties of β-galactosidase immobilized in xanthan/chitosan multilayers / T. Yovcheva, T. Vasileva, A. Viraneva, D. Cholev, I. Bodurov, M. Marudova, V. Bivolarski, I. Iliev // Journal of physics: conference series. 2012. vol. 794. P. 2456-2464. DOI:10.1088/1742-6596/794/1/012032