南京工科大学CEJ——3Dプリント酵素固定化フローリアクターが牛乳の乳糖を効率的に除去

出典: マテリアルピープル

牛乳には人体にとって必須の微量栄養素が含まれており、バランスの取れた食事に欠かせません。しかし、乳糖不耐症の人は、腸内に乳糖を加水分解するラクターゼがないため、乳糖を含む牛乳を摂取すると、膨満感、下痢、胃腸のけいれんなどの症状を経験します。食品業界では、膜分離、限外濾過、遊離β-ガラクトシダーゼの添加により、低乳糖牛乳や無乳糖牛乳の生産を実現していますが、生産工程が複雑で、生産工程中の資源の浪費により、コスト効率が低くなっています。その中で、β-ガラクトシダーゼは乳糖をグルコースとガラクトースに加水分解し、牛乳の栄養価に影響を与えずに牛乳乳糖を効果的に加水分解します。したがって、低乳糖牛乳および乳糖を含まない牛乳を生産するために、β-ガラクトシダーゼを固定化する効率的で操作上安定した安全な方法は非常に重要です。

この目標を達成するために、南京工科大学のHe Bingfang教授とGao Bingbing准教授は、低乳糖ミルクと無乳糖ミルクの生産のための3Dプリントβ-ガラクトシダーゼフローリアクターを開発しました（図1）。 3D プリントされたポリ乳酸スキャフォールドは、ポリエチレンイミンとヒアルロン酸ナトリウムの層ごとの自己組織化によって迅速に修正され、酵素固定化キャリアの修正プロセスが簡素化されました。ゲニピンは、効率的で安定した酵素固定化を確保するために、β-Gal を共有結合で固定するための架橋剤として使用されました。さらに、フローリアクターに統合された 3D プリントされた足場は、方向性のあるチャネルを通じてさまざまなリアクター内の流体をかき混ぜ、内部の物質移動を改善し、効率的な牛乳乳糖加水分解を実現します。このリアクターは酵素固定化効率が高く、触媒活性が安定しており、低乳糖牛乳や無乳糖牛乳の生産やその他の生体触媒分野で幅広い応用が期待されています。関連する結果は、トップクラスの国際ジャーナルであるChemical Engineering Journal（インパクトファクター15.1）に掲載されました。論文の第一著者は南京理工大学薬学部修士課程の学生であるShao Yun氏であり、責任著者は南京理工大学薬学部のHe Bingfang教授とGao Bingbing准教授である。この研究は、国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、江蘇省自然科学基金およびその他のプロジェクトによって資金提供されました。
図 1. 効率的な低乳糖および無乳糖牛乳生産のための 3D プリント β-ガラクトシダーゼフローリアクターこの研究では、研究者らは、内部に方向性チャネルと細孔を備えた 3D プリントポリ乳酸スキャフォールドを作製しました (図 2)。マイクロナノ粒子やハイドロゲルなどの従来の酵素固定化キャリアと比較して、3D プリントされたスキャフォールドは、パイプラインの詰まりや圧縮の問題を心配することなく、フローリアクターとより簡単に組み合わせることができます。さらに、ポリエチレンイミンとヒアルロン酸ナトリウムを層ごとに自己組織化して 3D プリントされた足場を改変し、酵素固定化キャリアの改変プロセスを簡素化しました。
図2. 3Dポリ乳酸スキャフォールドとポリエチレンイミンおよびヒアルロン酸ナトリウムの層ごとの自己組織化修飾プロセス。さらに、架橋剤としてのゲニピンは、酵素分子と修飾キャリアスキャフォールドの効率的な共有結合のために広く研究されてきました。さらに重要なのは、その細胞毒性が従来の架橋剤グルタルアルデヒドの5,000〜10,000倍低いことです。酸性条件下では、β-ガラクトシダーゼの第一級アミノ基がゲニピンのC3を攻撃し、ジヒドロピラン環を開いて芳香族アミノ基を形成します。研究者らは、条件を最適化することで、β-ガラクトシダーゼの効率的な固定化と安定した固定化酵素特性を実現しました（図3）。
図 3. 固定化条件の最適化と固定化酵素特性の研究。同時に、研究者らは 3D プリントされた β-ガラクトシダーゼスキャフォールドをフローリアクターと組み合わせ、スキャフォールドのさまざまな内部構造を設計することで、流体の乱れが酵素と基質の質量移動に与える影響を研究しました。さらに、COMSOL シミュレーションを使用して、原子炉内の流体の分布をさらに研究しました。フローリアクターに統合された 3D プリントされた足場は、方向性のあるチャネルを通じてさまざまなリアクター内の流体をかき混ぜ、内部の物質移動を改善し、高い触媒活性を達成しました (図 4)。
図 4. 3D プリントされた β-ガラクトシダーゼフローリアクターのラクトース加水分解性能。さらに、従来のキャリア修飾では、化学的方法を使用して官能基をグラフトします。官能基が占有されると、それ以上の修飾は複雑なプロセスになります。層ごとの自己組織化修飾は、キャリア表面上の水素結合またはイオン相互作用に依存し、酵素固定化のための官能基を便利かつ迅速に繰り返しグラフトすることができます。層ごとに自己組織化され、修正された 3D プリントされたポリ乳酸スキャフォールドは、β-ガラクトシダーゼを固定するために再利用できます。固定化された酵素が酵素活性を失った後に回収するだけで、その後、再び自己組織化され、修正されて酵素が固定されます (図 5a)。
図5. 繰り返し使用のためのキャリアの層ごとの自己組織化改質

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