乳糖 乳糖(Lactose)是一種由 葡萄糖 和 半乳糖 以β-1,4糖苷鍵結(jié)合而成的二糖, 又名1,4-半乳糖苷葡萄糖, 化學(xué)式為C??H??O??, 摩爾質(zhì)量 為342.30 g/mol,外觀呈白色結(jié)晶粉末,無特殊氣味,有甜味, 具有右旋光性。 乳糖有兩種同分異構(gòu)體,即 α-乳糖 和β-乳糖,α-乳糖密度為1.547 g/cm3(20 ℃),易溶于水,不溶于 乙醇 、 乙醚 、 氯仿 、 甲醇 ;β乳糖密度為1.59 g/cm3(20 ℃),易溶于水,微溶于乙醇,不溶于乙醚、氯仿。 α-乳糖和β-乳糖極易吸水,與一分子水結(jié)合后轉(zhuǎn)變?yōu)橐凰夕?乳糖。 乳糖受熱時(shí)可燃燒,具有還原性,可還原 斐林試劑 和 托倫試劑 ,在酸或酶的作用下可水解為半乳糖和葡萄糖,與堿共熱可轉(zhuǎn)化為 乳果糖 并分解為醛,還可與伯胺化合物發(fā)生美拉德縮合反應(yīng)生成棕色產(chǎn)物。
基本信息
英文名
Lactose, Milk Sugar, Lactobiose
CAS編號(hào)
14641-93-1(α-乳糖);63-42-3(β-乳糖)
發(fā)現(xiàn)者
法布里齊奧·巴托萊蒂(Fabrizio Bartoletti, 1576-1630)
性質(zhì)
密度
1.547 g/cm3(20 ℃)(α-乳糖);1.59 g/cm3(20 ℃)(β-乳糖)
熔點(diǎn)
223 ℃(α-乳糖);252.2 ℃(β-乳糖)
溶解性
易溶于水,不溶于乙醇、乙醚、氯仿、甲醇(α-乳糖);易溶于水,微溶于乙醇,不溶于乙醚、氯仿(β-乳糖)
乳糖主要來源于哺乳動(dòng)物的乳汁,且全部溶解于乳清中, 某些水果和 連翹屬 植物的花粉管內(nèi)也含有少量的乳糖。 乳糖可作為人體熱量的來源,也可促進(jìn)嬰兒智力發(fā)育,防治某些腸道疾病、肝昏迷、 佝僂病 等。 乳糖可在制藥領(lǐng)域作填充劑、稀釋劑等; 在食品工業(yè)領(lǐng)域用于生產(chǎn)嬰兒食品、作食品添加劑等; 在生物工程領(lǐng)域用作培養(yǎng)基、蛋白質(zhì)誘導(dǎo)劑等; 在化工領(lǐng)域用作化工原料,生產(chǎn)異構(gòu)乳糖、低聚半乳糖等。
發(fā)現(xiàn)歷史 1615年,意大利內(nèi)科醫(yī)生法布里齊奧·巴托萊蒂(Fabrizio Bartoletti, 1576-1630)首次發(fā)現(xiàn)了乳糖,他通過從牛奶中蒸發(fā)水分,然后反復(fù)溶解和凝固,分離出了一種白色鹽狀物質(zhì),便將其稱作“牛奶乳清中的的鹽(salt of milk whey)"; 1700年 ,威尼斯藥劑師洛多維科·泰絲蒂(Lodovico Testi, 1640-1707)在他出版的書中也提到了 乳糖,他稱其為“saccharum lac tis”;1780年,德國(guó)化學(xué)家 卡爾·威廉·舍勒 (Carl Wilhelm Scheele , 1742-1786)確認(rèn)乳糖為一種糖類,并首次分離和表征了包括乳糖在內(nèi)的許多有機(jī)化合物;1843年,法國(guó)化學(xué)家讓·巴普蒂斯特·安德烈·大仲馬(Jean Baptiste André Dumas, 1800-1884)將乳糖命名為“Lactose”,源于牛奶的拉丁語(yǔ)“Lac”,后綴-ose表示糖,該名沿用至今;1860年,法國(guó)化學(xué)家馬賽蘭·貝特洛(Marcellin Berthelot, 1827-1907)將乳糖命名為“milk sugar”;1894年,德國(guó)化學(xué)家埃米爾·菲舍爾(Emil Fischer, 1852-1919)提出乳糖具有α和β兩種異構(gòu)體。
天然來源 乳糖主要來源于哺乳動(dòng)物的乳汁,且全部溶解于乳清中。乳糖在哺乳動(dòng)物體內(nèi)是由乳腺泌乳細(xì)胞合成的特有化合物,是維持滲透壓的主要成分,其他器官無法合成。 人乳中含乳糖5%-8%,牛乳中含乳糖4%-6%。 牛乳中的甜味完全來自于乳糖。 乳糖在乳中存在三種型態(tài):α-乳糖、β-乳糖和少量醛型乳糖,絕大部以α-乳糖和β-乳糖兩種同分異構(gòu)體型態(tài)存在。 此外,某些水果和 連翹屬 植物的花粉管內(nèi)也含有少量的乳糖。
分子結(jié)構(gòu) 乳糖是由一分子D-葡萄糖和一分子D-半乳糖以β-1,4糖苷鍵結(jié)合而成的二糖。由于葡萄糖C?位置上的-OH基和-H基結(jié)合位置不同,導(dǎo)致乳糖中的葡萄糖部分有α型和β型之分,而半乳糖部分都是β型,從而構(gòu)成兩個(gè)環(huán)糖反向異構(gòu)體,含有α-D-(+)吡喃葡萄糖的稱為α-乳糖,含有β-D-(+)吡喃葡萄糖的稱為β-乳糖。 α-乳糖和β-乳糖極易吸水,與一分子水結(jié)合后轉(zhuǎn)變?yōu)橐凰夕?乳糖。 一水合α-乳糖在真空中緩慢加熱至100 ℃或在120-125 ℃迅速加熱時(shí)可失去結(jié)晶水形成α-乳糖,用乙醇使一水合α-乳糖水合物脫水也可形成α-乳糖。
生理作用 乳糖可作人體熱量的來源,1 g乳糖可生成16.72 kJ的熱量,牛乳中的總熱量的1/4都來自于乳糖。 其GI指數(shù)(血糖指數(shù))為46.0。 乳糖進(jìn)入人體后在胃中不被消化吸收,可直達(dá)腸道被小腸中的乳糖酶水解生成半乳糖和葡萄糖,半乳糖在酶催化下異構(gòu)化為葡萄糖,經(jīng)過代謝作用為人體提供能量。半乳糖還是構(gòu)成腦及神經(jīng)組織的糖脂質(zhì)的種成分,能促進(jìn)腦苷和黏多糖類的生成,對(duì)嬰兒的智力發(fā)育十分重要。 乳糖可在腸道中發(fā)酵產(chǎn)生 乳酸 ,促進(jìn)腸道乳酸桿菌繁殖,從而抑制腸道腐敗菌繁殖、促進(jìn)腸道蠕動(dòng),因此乳糖可以防治某些腸道疾病,乳酸的產(chǎn)生也可導(dǎo)致酸度增高,減少血氨,從而防治肝昏迷。乳糖還可促進(jìn)腸道中鈣、鎂及鐵等的吸收,防止 佝僂病 的發(fā)生。 由于成年人體中乳糖酶活性較低,所以嬰兒對(duì)乳糖吸收較好,成年人則較差。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì) 乳糖外觀呈白色結(jié)晶粉末,摩爾質(zhì)量為342.30 g/mol,無特殊氣味,具有甜味。 α-乳糖的甜度約為 蔗糖 的15%,而β-乳糖較α-乳糖甜度更大。 乳糖沒有吸濕性, 能把偏振光的振動(dòng)平面向右旋轉(zhuǎn),具有右旋光性,用(+)表示。 α-乳糖一水合物的比旋光度為+89.4°,α-乳糖為+86.0°,β-乳糖為+35.0°。 α-乳糖易溶于水,不溶于乙醇、乙醚、氯仿、甲醇,β乳糖易溶于水,微溶于乙醇,不溶于乙醚、氯仿。 α-乳糖溶于水后,會(huì)與β-乳糖互相轉(zhuǎn)化,直至兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止,由于α-乳糖逐漸變?yōu)棣?乳糖,而β-乳糖的溶解度比α-乳糖高,所以溶解度會(huì)隨之上升直至平衡。 此外,α-乳糖一水合物的的熔點(diǎn)為201-202 ℃,比熱容為1.25 KJ(kg·℃)?1;α-乳糖的密度為1.547 g/cm3,熔點(diǎn)為223 ℃;β-乳糖的密度為1.59 g/cm3,熔點(diǎn)為252.2 ℃,蒸氣壓為3.42×10?1? mmHg(25 ℃),比熱容為1.21 KJ(kg·℃)?1。
化學(xué)性質(zhì) 乳糖受熱時(shí),會(huì)先熔融后膨脹,最后燃燒,過程伴有焦糖臭并遺留多量炭質(zhì)。 乳糖在酸或酶的作用下可水解生成半乳糖和葡萄糖,反應(yīng)方程式如下。 乳糖具有還原性,可還原斐林試劑和托倫試劑。 乳糖可與伯胺化合物發(fā)生美拉德縮合反應(yīng),生成棕色產(chǎn)物。 向乳糖的飽和水溶液中加入氫氧化鈉溶液并加熱,乳糖可轉(zhuǎn)化為乳果糖,溶液呈黃色至紅棕色;再加入硫酸銅試液,乳糖可分解為 甲基乙二醛 和 甲醛 等與硫酸銅反應(yīng)生成 氧化亞銅 ,產(chǎn)生紅色沉淀。
制備方法
生物合成 乳糖可在生物體內(nèi)由葡萄糖合成。首先是葡萄糖的第6位磷酸化,再由變位酶催化使磷?;鶑牡?位轉(zhuǎn)移到第1位,生成的葡糖-1-磷酸與尿喘啶核苷三磷酸(UTP)結(jié)合形成尿嘧啶核苷二磷酸葡糖(UDP-葡糖),同時(shí)釋放出 焦磷酸 (PPi)。在表構(gòu)酶催化下UDP-葡糖可以變?yōu)閁DP-半乳糖,最后UDP-半乳糖在乳糖合成酶的存在下把半乳糖基轉(zhuǎn)移給葡萄糖受體,在半乳糖的第1位 碳原子 和葡萄糖的第4位碳原子之間以β糖苷鍵相連接形成乳糖,同時(shí)釋出UDP。反應(yīng)機(jī)理如下:
實(shí)驗(yàn)室制法 乳糖在實(shí)驗(yàn)室中可以牛奶為原料提取。將新鮮 脫脂牛奶 加熱,攪拌并加入稀醋酸溶液,靜置,傾出 上層清液 ,加入碳酸鈣粉末以除去過量的醋酸。繼續(xù)加熱使蛋白質(zhì)沉淀,抽濾后加入乙醇和 活性炭 ,因乳糖不溶于乙醇,故當(dāng)乙醇混入乳糖水溶液后可使乳糖結(jié)晶析出。乳糖結(jié)晶后濾出 母液 ,經(jīng)酒精洗滌后即得乳糖成品。
工業(yè)制法 乳糖的工業(yè)制法通常以干酪乳清為原料,采用結(jié)晶純化的方法制得乳糖。首先將乳清離心,分離出脂肪和酪蛋白顆粒后,蒸發(fā)濃縮去除部分固形物,然后轉(zhuǎn)移至結(jié)晶罐中,緩慢攪拌并降溫使其冷卻結(jié)晶。在93.5 ℃以下的水溶液中結(jié)晶干燥后可得α-乳糖,在93.5 ℃以上的水溶液中結(jié)晶干燥后可得β-乳糖。將結(jié)晶后的乳糖送入沉降式分離機(jī)使晶體分離出來在流化床上進(jìn)行干燥,經(jīng)碾磨和篩分達(dá)到理想粒度后包裝即得成品。分離出乳糖后的乳清含有蛋白質(zhì),可作為飼料使用,或進(jìn)一步脫鹽作為脫脂乳的替代物使用。若制備藥用級(jí)乳糖則需進(jìn)一步純化。將食用級(jí)乳糖繼續(xù)溶于熱水中,加入活性炭、磷酸鹽和過濾物質(zhì)后,泵入壓濾機(jī)中再次結(jié)晶,經(jīng)沉淀分離機(jī)進(jìn)行分離、干燥,再經(jīng)碾磨和篩分即得藥用級(jí)乳糖。
應(yīng)用領(lǐng)域
制藥領(lǐng)域 乳糖可用于制藥領(lǐng)域。因其不具有吸濕性,易壓縮成形且與多數(shù)藥物不起作用,所以可在片劑、散劑和膠囊劑生產(chǎn)中作填充劑和稀釋劑,也可作直接壓片的填充劑和賦形劑。 乳糖作稀釋劑在片劑生產(chǎn)過程中易 于掌握,制成的片劑光潔美觀。乳糖也可作載體或稀釋劑應(yīng)用于吸入劑和凍干制劑中,向凍干溶液中加入乳糖可增加其體積并有助于凍干塊狀物的形成。 乳糖也可在藥品生產(chǎn)中作甜味劑,或與蔗糖按比例混合制成糖衣。 地塞米松片、增效左旋多巴、硝基甘油和消炎痛膠囊等藥品中都有乳糖的存在。 此外,乳糖也可在獸藥中用作散劑、片劑和飼料添加劑的稀釋劑,也可與可溶性藥物配成溶液作動(dòng)物(尤其家禽)飲水用。
食品工業(yè)領(lǐng)域 乳糖可用于食品工業(yè)領(lǐng)域。由于乳糖特殊的營(yíng)養(yǎng)效果,所以可用于生產(chǎn)嬰兒食品。 中國(guó)GB 11674-2010《食品安全 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)乳清粉和乳清蛋白粉》中規(guī)定,乳糖含量應(yīng)≥61.0 g/hg;GB 10765-2010《 食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)嬰兒配方食品 》中規(guī)定,乳糖占碳水化合物總量應(yīng)≥90%。 此外,由于乳糖具有較強(qiáng)的吸附性,能夠吸附氣味和有色物質(zhì),所以可用作肉類食品風(fēng)味和顏色的保存劑;乳糖易與蛋白質(zhì)發(fā)生 美拉德反應(yīng) ,添加于烘焙食品中可形成誘人的金黃色; 一定比例的乳糖能消除糖果的甜膩感,所以可添加于蔗糖中用于生產(chǎn) 糖果 ; 乳糖可降低色素濃度,便于使用并降低貯藏期間的褪色,所以可用作粉狀食品色素的吸附分散劑。 乳糖還可用于生產(chǎn) 人造奶油 等食品,以防止結(jié)晶、降低甜度、防止粘結(jié)和增強(qiáng)香味等。
生物工程領(lǐng)域 乳糖可用于生物工程領(lǐng)域。其可用作培養(yǎng)基,如乳糖修飾的殼聚糖微載體,可用于培養(yǎng)肝細(xì)胞,因乳糖可與肝細(xì)胞膜上的無唾液酸糖蛋白受體作用,所以乳糖修飾的殼聚糖微載體更有利于肝細(xì)胞的貼附和生長(zhǎng)。 乳糖是乳糖操縱子的天然誘導(dǎo)物,因此可在大規(guī)模發(fā)酵誘導(dǎo)蛋白質(zhì)的表達(dá),生產(chǎn)重組蛋白,如誘導(dǎo)Monellin甜蛋白、 蛛絲蛋白等。 乳糖還可與蛋白質(zhì)反應(yīng),彌補(bǔ)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,形成具有較好的乳化性、穩(wěn)定性、抗氧化性等特性的蛋白質(zhì)-乳糖復(fù)合物,如將乳糖與大豆蛋白反應(yīng),可提高其溶解性、乳化性、穩(wěn)定性。 此外,乳糖還可用于冷凍保存豬 精液 ,對(duì)豬精子細(xì)胞膜起到保護(hù)作用。
化工領(lǐng)域 乳糖可用于化工領(lǐng)域,以乳糖為原料可制造 功能性低聚糖 ,如異構(gòu)乳糖、低聚半乳糖和低聚乳果糖等。它們具有 雙歧桿菌 增殖、低熱量、低齲齒、降低血液中的膽固醇、改善血脂、促進(jìn)鈣吸收等功能,可用作健康食品的配料。
檢測(cè)方法
氧化還原滴定法 乳糖可由氧化還原滴定法進(jìn)行檢測(cè)。試樣經(jīng)水洗后加入 乙酸鉛 、 草酸鉀 一 磷酸氫二鈉 溶液,靜置數(shù)分鐘后用濾紙過濾,棄去初濾液并注入 滴定管 中。將斐林試劑加熱至沸騰,滴入 亞甲基藍(lán) ,用濾液滴定至藍(lán)色完全褪盡即為終點(diǎn),記錄所用濾液體積,計(jì)算得乳糖含量。
其他方法 乳糖還可由高效液相色譜法、酶-分光光度法和 離子色譜法 等進(jìn)行檢測(cè)。
安全事宜
毒性 乳糖是天然食品,不具有毒性。
相關(guān)疾病
乳糖不耐受 乳糖不耐受是由于小腸中缺少 乳糖酶 或乳糖酶活性不夠,不能將乳糖分解為葡萄糖和半乳糖,而乳糖作為一種二糖,不能直接被小腸吸收,所以大量不被吸收的乳糖在腸道中被細(xì)菌發(fā)酵,產(chǎn)生大量氣體,從而引發(fā)腹部癥狀。乳糖不耐受分為四種類型,原發(fā)性乳糖不耐受、繼發(fā)性乳糖不耐受、后天性乳糖不耐受和先天性乳糖不耐受。原發(fā)性乳糖不耐受是由于嬰幼兒斷奶后隨年齡增長(zhǎng)乳糖酶水平逐漸下降 ;繼發(fā)性乳糖不耐受是由于小腸受損,如感染、腸炎等;后天性乳糖不耐受常見于早產(chǎn)兒中,可短時(shí)間內(nèi)改善;先天性乳糖不耐受是由于先天乳糖產(chǎn)生的少或不產(chǎn)生,是遺傳性疾病。乳糖不耐受最明顯的癥狀是攝入牛奶或奶制品后出現(xiàn) 腹部脹氣 、絞痛、腹瀉、惡心、腹鳴和嘔吐等,攝入的奶制品量越多,癥狀則越嚴(yán)重。
儲(chǔ)存與貯運(yùn) 乳糖應(yīng)于干燥處密封儲(chǔ)存。