乳糖酶的主要功能是乳糖消化，乳糖酶耐受性（lactase persistence，LP）是指乳糖酶在成年期的持续活性，在大多数哺乳动物断乳后显著降低。然而，世界上大多数人口仍然存在非持久性乳糖酶，因此作为成年人，他们受到不同程度的乳糖不耐受的影响。β-半乳糖苷酶在食品工业中很重要，因为它可以水解牛乳中的乳糖，减少乳糖不耐症患者消化不良的影响，有研究表明，几种成分可以改变β-半乳糖苷酶的结构，增强或减弱其催化活性。
叶酸（folic acid，FA）是指一组属于B族维生素的化合物。叶酸，也称为
VB
9
，是叶酸的合成形式。这种维生素存在于牛乳和蔬菜等食物中。叶酸对于核酸和蛋白质的生物合成也是必需的，它们参与组织生长，有助于
DNA
和
RNA
的产生，并促进红细胞的成熟。表没食子儿茶素没食子酸酯（
epigallocatechin gallate
，
EGCG
）是绿茶叶中常见的天然多酚之一，绿茶中富含，含有
8
个—
OH
基团，有利于与蛋白质间相互作用，可促进其功能特性。
EGCG
是一种具有高度药理活性的天然物质，具有强大的抗氧化和抗炎能力，在治疗多种炎症性疾病、高脂血症、糖尿病甚至肿瘤方面显示出优异疗效。叶黄素是一种含氧的天然类叶黄素物质，属于类胡萝卜素家族，具有很强的抗氧化能力，已被发现对多种慢性疾病具有预防和改善作用，已被允许添加为食品、饮料和保健食品中的食品补充剂。
乳糖不耐受的患者通常会提前购买一些乳糖酶产品，添加到乳制品中，以预防乳糖不耐受引起的一系列不良症状。如今，乳茶已经成为年轻人最喜爱的饮品，不少商家选择在乳茶中加入一些水果和蔬菜，以让乳茶的口味更加多元化。然而，如果在乳茶中添加乳糖酶，乳茶中含有的小分子物质会对β-半乳糖苷酶产生什么影响值得探究。
陕西师范大学物理学与信息技术学院、食品工程与营养科学学院的Lu Haonan等选取风味乳茶中比较典型的3 种小分子FA、EGCG和叶黄素，从微观角度研究它们对β-半乳糖苷酶结构及其功能的影响。紫外可见吸收光谱（UV–Vis）、荧光光谱、圆二色谱（circular dichroism spectrum，CD）、傅里叶变换近红外（Fourier transform near-infrared spectroscopy，FT-NIR）光谱、模拟体外消化实验、分子对接、密度泛函理论（density functional theory，DFT）分析和分子动力学模拟（dynamics simulation，MD），为消费者提供参考价值，对功能性乳糖酶的生产具有重要意义。
首先，FA对β-半乳糖苷酶有抑制作用，而EGCG和叶黄素则增强β-半乳糖苷酶的活性。
图1 FA（a）、EGCG（b）和叶黄素（c）含量对反应15 min时β-半乳糖苷酶活性的影响
在没有小分子存在的情况下，水解过程进入约45 min的平衡点。当FA浓度升高至150 μmmol/L时，平衡点位置提前至约40 min。然而，由于EGCG和叶黄素的作用，当小分子浓度升高至150 μmmol/L时，平衡点位置缩短至70 min或60 min。
β-半乳糖苷酶的荧光强度随着小分子浓度的增加而降低。且随着小分子浓度的增加，β-半乳糖苷酶的荧光强度显著降低，最大发射波长出现红移。
(a～c) CFA/EGCG/叶黄素：0、2×10−5 、4×10−5 、6×10−5 、8×10−5 、10×10−5 mol/L；Cβ-半乳糖苷酶＝2 mg/L。
图3 小分子β-半乳糖苷酶在298 K、
λ
ex
＝85 nm、pH 7.4下的荧光猝灭光谱
β-半乳糖苷酶与3 个小分子结合后，大多数蛋白质复合物的特征峰在1 500～1 100 cm−1内波动较为显著。
图4 小分子对β-半乳糖苷酶红外光谱的影响
未添加小分子的β-半乳糖苷酶的二级结构组成为18.5% α-螺旋、36.3% β-折叠、20.3% β-转角和24.9%无规卷曲。结果表明，小分子影响了蛋白质的二级结构。分析得出，添加
FA
和叶黄素后，样品的α-螺旋结构减少，β-折叠和β-转角结构组成增加，而添加EGCG的样品具有与其他2 种小分子相反的结构。
图5 FA（a）、EGCG（b）、叶黄素（c）对β-半乳糖苷酶的CD的影响
β-半乳糖苷酶在3 种小分子与乳糖酶形成的复合物中进入胃后可降低胃液中乳糖酶的消化率，其中EGCG降低乳糖酶消化率的作用更为显著。
图6 FA（a，红色）、EGCG（b，绿色）、叶黄素（c，蓝色）对胃中β-半乳糖苷酶（黑色）消化的影响
热力学计算表明，3 种小分子主要通过范德华力和氢键与蛋白质相互作用，这与分子对接模拟实验的结果一致。
图7 FA（a）、EGCG（b）、叶黄素（c）与β-半乳糖苷酶的分子对接
DFT分析的结果也证实了这些发现，并描述了小分子与β-半乳糖苷酶结合时比游离小分子更具弹性，这也证明了它们有更强的相互作用能力。
图8 游离EGCG、FA、叶黄素和通过几何优化获得的β-半乳糖苷酶-EGCG/FA/叶黄素复合物的FMO图
MD实验也证实了当β-半乳糖苷酶与3 种小分子结合时，小分子的结构灵活性顺序由低到高为β-半乳糖苷酶-EGCG、β-半乳糖苷酶-FA和β-半乳糖苷酶-叶黄素。
（a）均方根偏移（root-mean-square deviation，RMSD）；（b）均方根涨落（root mean square fluctuation，RMSF）；（c）回转半径；（d）
溶剂可及表面积
。
复合体结构的柔软度从高到低依次为β-半乳糖苷酶-叶黄素、β-半乳糖苷酶-FA、β-半乳糖苷酶-EGCG。
综上，研究发现叶黄素与β-半乳糖苷酶的结合能力最强，此外，叶黄素处于局部激发态，更加柔韧。这项研究帮助乳糖不耐症患者更好地使用乳糖酶，并且在后续的实验中，这3 种小分子与β-半乳糖苷酶结合后可以在细胞和人体中进行实验，确保其不具有生物毒性，也提供了科学依据。为今后开发具有社会经济价值和现实意义的功能性乳糖酶产品提供参考。
文章《Molecular mechanism and in vitro digestion of β-galactosidase binding to three small molecules in milk tea》发表于Journal of Molecular Structure 2023年1294卷
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2023.136467
新闻转载地址：https://mp.weixin.qq.com/s/F7X8CrzG-3D1f7HGzlzxpA
