乳糖酶促氧化制备乳糖酸的反应放大与电渗析分离

乳糖酸是一种高价值有机酸，在食品、化妆品、制药及医疗行业具有多种应用。将乳制品副产物流中的乳糖通过酶法转化为乳糖酸，为其可持续高值化利用提供了一种方法。

本研究采用两种商业化酶制剂 LactoYIELD®（纤维二糖脱氢酶，cellobiose dehydrogenase）和 Catazyme®（过氧化氢酶，catalase），并结合过氧化氢（H₂O₂）进行生物转化，在3种不同反应尺度下开展测试。随后，在中试规模实验中，采用常规电渗析以及同步电渗析，对超滤渗透液中生成的乳糖酸进行分离。

研究人员使用 LactoYIELD®（纤维二糖脱氢酶）和 Catazyme®（过氧化氢酶）对超滤（UF）渗透液中的乳糖进行氧化。采用高效液相色谱法（HPLC）在氧化过程及电渗析过程中测定乳糖和乳糖酸含量。常规电渗析采用一套中试规模系统进行，该系统配置50对阴离子交换膜和阳离子交换膜。在所有电渗析实验中，均以50 L UF 渗透液作为稀释室（diluate tank）进料液，以10 L 反渗透（RO）水作为初始浓缩液流。

当反应体系由实验室规模（0.2 L）放大至25 L和50 L时，乳糖酸得率略有下降。顺序式电渗析工艺中，先完成乳糖酸的酶促生成，再进行电渗析分离，最终实现乳糖酸84.4%的去除率，浓缩液中乳糖酸终浓度达到67.56 mg/mL；同步工艺得到的乳糖酸浓度与之相近（74.13 mg/mL）。顺序式与同步式工艺不仅能耗较低〔0.37–0.38 kWh/kg LBA〕，而且电流效率也较低（26.5%–32.1%）。尽管如此，同步电渗析仍显示出用于工业乳制品废弃物流高值化的应用前景。

酶促转化与电渗析分离相集成的工艺，为乳制品工业副产物流制备乳糖酸提供了一种低能耗、可放大的技术路线。论文还对该酶促氧化-电渗析工艺的工业可行性与经济可行性进行了简要讨论。

该文发表于《International Journal of Dairy Technology》，围绕乳制品副产物流中乳糖的高值化利用展开，核心目标是建立乳糖酸（LBA，lactobionic acid）的可放大制备与分离工艺。乳糖酸是由半乳糖单元与葡糖酸基团构成的醛糖酸（aldonic acid），具有抗氧化、抑菌、金属离子螯合、稳定和保湿等多重功能，因此在食品、化妆品、医药及医疗领域具有较高应用价值。现有乳糖酸制备方法包括化学氧化、异相催化氧化和电化学氧化，但往往存在能耗高、金属催化剂昂贵、氧化剂毒性及副产物处理压力大等问题。相较之下，生物转化路线更符合绿色制造需求。已有研究表明，微生物法虽具有一定经济性，但纯化步骤复杂，工业实施难度较大。基于此，研究人员选择商业可得的酶体系 LactoYIELD® 与 Catazyme®，探索其在乳制品超滤渗透液中的应用，并进一步耦合电渗析分离，以推动乳制品副产物流增值利用。

目前该领域的关键问题主要体现在两个方面：其一，实验室条件下获得的高转化率能否在更大体积下保持稳定，即反应放大后的工艺鲁棒性；其二，乳糖酸生成后的分离纯化成本可能显著影响整体工艺经济性。电渗析（ED，electrodialysis）作为一种基于离子交换膜和外加电场的膜分离技术，可在较温和条件下实现离子型化合物的连续迁移与富集。由于乳糖酸的 pK_a 为3.8，在高于该 pK_a 的条件下主要以乳糖酸根（LB⁻）形式存在，因此具备通过阴离子交换膜迁移的基础，而未反应乳糖属于非离子化组分，理论上可与乳糖酸实现选择性分离。研究开展的必要性就在于验证：酶促氧化与电渗析能否构成一条兼具可放大性、低能耗与工业潜力的集成路线。

研究人员首先考察了酶促反应的放大效应，再比较了顺序式电渗析与同步式电渗析两种分离策略，并进一步测试了分次添加 H₂O₂ 的同步变体。总体结论显示，乳糖向乳糖酸的酶促转化可由0.2 L 成功放大至25 L 和50 L，且在无 pH 控制、无额外通气搅拌条件下仍维持较高得率。电渗析结果表明，同步式工艺在终产物浓度、能耗与电流效率方面与顺序式工艺相近，同时省去了单独的后续分离前停酶步骤，显示出更高的流程集成潜力。尽管电流效率偏低，但整体能耗处于较有利水平，说明该体系在工业乳制品副产物流增值方面具有实际应用前景。

研究采用的主要技术方法包括：以超滤（UF，ultrafiltration）渗透液为底物，使用 LactoYIELD®（纤维二糖脱氢酶）和 Catazyme®（过氧化氢酶）在30°C下进行乳糖酶促氧化，并设置0.2 L、25 L 和50 L 三种反应尺度；采用高效液相色谱（HPLC，high-performance liquid chromatography）连续监测乳糖酸与乳糖浓度；在中试规模电渗析装置中，利用50对阴/阳离子交换膜对50 L UF 渗透液进行分离，比较“先反应后电渗析”的顺序式工艺、“边反应边分离”的同步式工艺，以及分次补加 H₂O₂ 的同步改良工艺；并结合 pH、电导率、去矿化率（DR，demineralisation rate）、电流效率和单位产物能耗进行过程评价。样品来源方面，实验室小试 UF 渗透液由 University of Guelph 制备，放大和电渗析用 UF 渗透液由 Arla Innovation Centre 制备并分批用于不同实验。

在“Scale-up of enzymatic oxidation of lactose to lactobionic acid”部分，研究人员将乳糖氧化反应从0.2 L 放大至25 L 和50 L，并比较了不同尺度下乳糖酸生成情况。结果表明，实验室规模初始乳糖浓度较高，因此其终点乳糖酸浓度也更高；25 L 和50 L 体系的终点乳糖酸浓度略低，但两者之间无显著差异。统计结果显示，尺度和时间对乳糖酸浓度具有显著影响，但二者交互作用不显著。更重要的是，以乳糖酸形成为基础计算的得率在0.2 L、25 L 和50 L 之间无显著差异，分别约为89%、80%和80%，说明该酶促体系具备较好的放大适应性。论文据此指出，大尺度条件下乳糖酸浓度下降更可能与底物初始浓度较低有关，而非工艺本身因放大而失效。

在“Fractionation of LBA by electrodialysis”部分，论文系统比较了三种电渗析路径。顺序式工艺中，乳糖先完成120 min 酶促氧化，随后通过95°C、5 min 加热终止酶反应，再进入电渗析。同步式工艺则在电渗析开始前30 min 向稀释液加入酶和 H₂O₂，先释放由过氧化氢分解所产生的原位氧气，以避免设备内气体聚积造成泵停机，然后实现“产物生成—膜迁移”同步进行。第三种工艺将 Catazyme® 与 H₂O₂ 用量减半，并将 H₂O₂ 分16次逐步加入，目的是减少气体瞬时累积。

在“Migration of lactobionic acid”小节中，研究结果显示顺序式电渗析中乳糖酸在稀释液中持续下降、在浓缩液中稳步升高，说明乳糖酸根成功跨膜迁移，乳糖酸去除率达到84.8%，浓缩液终浓度为67.56 mg/mL。尽管这一去除率低于部分文献中基于标准混合物体系的结果，但考虑到本研究所处理的是成分更复杂的酶处理 UF 渗透液，该结果仍具有较强现实意义。同步式工艺中，乳糖酸在最初30 min 延迟阶段快速生成，之后随着电渗析进行而从稀释液迁移至浓缩液，最终浓缩液乳糖酸浓度达到74.13 mg/mL，与顺序式无显著差异。相比之下，分次添加 H₂O₂ 的同步工艺虽然解决了初始气体积聚问题，但浓缩液终浓度仅为38.50 mg/mL，稀释液中仍残留17.36 mg/mL 乳糖酸，表明其分离和转化表现较差。

同一部分还显示，三种工艺中乳糖总体上主要保留在稀释液中，仅有少量泄漏至浓缩液，说明电渗析对乳糖酸与非离子性乳糖的分离具有较好选择性。顺序式工艺中，电渗析240 min 内乳糖在两个流路中的变化都较小；同步式工艺中，乳糖先因酶促氧化下降，之后其行为与顺序式相近；分次加 H₂O₂ 工艺中乳糖下降更缓慢，也侧面反映出其酶促转化效率较低。

在“pH, conductivity and demineralisation rate”小节中，研究人员通过 pH 与电导率变化解释了离子迁移特征。所有实验中，浓缩液 pH 初期均迅速升高，随后因乳糖酸富集而逐渐降低；稀释液 pH 在顺序式和同步式中略有下降后轻微回升。电导率方面，浓缩液由初始 RO 水的低电导状态逐渐升高，而稀释液电导率相应下降，说明矿物离子和乳糖酸根持续向浓缩液迁移。顺序式与同步式的去矿化率分别为92.7%和92.9%，表明二者在矿物迁移和离子传输方面表现相近；而分次添加 H₂O₂ 的同步工艺去矿化率仅为80.4%，提示持续产气可能干扰膜过程的离子传输效率。作者还观察到乳糖酸向浓缩液迁移存在初始滞后，并将其与浓缩液起始电导率过低联系起来，提示提高初始浓缩液离子强度可能有助于缩短滞后阶段。

在“Electrodialysis performance”小节中，论文以电流效率（η）和单位产物能耗（E）评估电渗析实用性。结果表明，顺序式和同步式在电流效率、能耗及终点乳糖酸浓度方面均无显著差异，且均显著优于分次添加 H₂O₂ 的同步工艺。顺序式和同步式电流效率分别为26.5%和32.1%，分次添加 H₂O₂ 工艺仅为12.5%。虽然这一水平低于部分有机酸电渗析文献，但论文指出，初始浓缩液电导率低、膜界面可能发生水裂解（water splitting）、电极副反应以及其他离子竞争迁移，都可能导致电流效率下降。尽管如此，顺序式和同步式能耗仅为0.38 和0.37 kWh/kg LBA，明显低于多种其他有机酸电渗析报道值，体现出较好的节能潜力。分次加 H₂O₂ 工艺能耗升至0.61 kWh/kg LBA，也进一步表明持续补加 H₂O₂ 不利于整体过程表现。

在“Industrial and economic considerations”部分，论文从工业化角度讨论了该工艺的技术与经济约束。研究人员指出，电渗析虽具有较低能耗，但其放大仍受膜堆电阻、膜面积和设备资本成本影响；同时，膜污染尤其是乳制品体系中的有机污染，可能增加膜阻力、降低分离效率并提高清洗和运行成本。酶成本亦是必须考虑的因素，未来若能实现酶固定化或回收利用，将有助于改善经济性。同步式电渗析因将反应与分离耦合，有望降低工序负担，并通过持续移除乳糖酸缓解产物积累及 pH 变化带来的抑制效应，因此在流程集成方面具有优势，但其工业可行性仍取决于酶成本、膜寿命、运行维护及能耗之间的综合平衡。

综合讨论部分，论文的核心贡献在于证明了商业酶体系介导的乳糖氧化与电渗析分离可以形成一条面向乳制品副产物流的低能耗集成工艺。放大实验说明反应本身具有良好的可扩展性；电渗析实验说明同步式工艺可在不显著牺牲分离性能的前提下简化流程。论文也明确指出了工艺当前的限制，即电流效率偏低以及分次添加 H₂O₂ 策略效果不佳。总体而言，研究结果为超滤渗透液等乳制品副产物流的高值化利用提供了重要的工艺依据，也为后续围绕膜过程优化、离子强度调控及其他乳副产物流适配性的研究奠定了基础。

研究结论部分可概括为：该研究表明，乳糖酶促氧化生成乳糖酸并结合电渗析分离，是一种有前景的超滤渗透液及其他乳制品副产物流增值策略。该酶体系能够在无 pH 控制和无额外通气搅拌条件下，由实验室0.2 L 规模顺利放大至25 L 和50 L。电渗析结果表明，同步式工艺在乳糖酸浓度、能耗和电流效率方面与顺序式工艺相当，同时避免了单独设置酶反应步骤。尽管电流效率较低，顺序式和同步式实验的能耗仍处于有利水平。分次添加 H₂O₂ 的同步策略被证实无效，因此不建议采用。总体上，酶促转化与电渗析分离的集成工艺为乳制品副产物流制备乳糖酸提供了一种低能耗、可放大的技术路径，并仍有进一步优化电流效率的空间。