半乳糖苷酶是指一类水解含半乳糖苷键物质的酶类，如乳糖（乳糖为一分子葡萄糖与一分子半乳糖经脱水缩合形成的二糖）。主要分为α-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷酶。α-半乳糖苷酶催化α-半乳糖苷键的水解，可将饲料及豆制食品中的抗营养因子α-半乳糖苷类转化分解，改善其营养成分。此外，该酶在制药、增稠剂处理和造纸工业也有一定应用。β-半乳糖苷酶不仅在食品工业中的用途越来越广泛，在生物技术领域如基因工程、酶工程、蛋白质工程等方面也都发挥着重要作用，并开始广泛应用于医药等领域。

α-半乳糖苷酶（α-galactosidase，α-gal，EC 3.2.1.22）是催化α-半乳糖苷键水解的一种外切糖苷酶，因能分解蜜二糖，又称蜜二糖酶，它能催化α-半乳糖苷键的水解。这一特点使得它可用于改善和消除饲料及豆制食品中的抗营养成分。此外，它在医学领域中能实现B→O血型转变、制备通用型血，以及在法布里病的酶替代治疗中也发挥了重要作用。α-半乳糖苷酶还可作用于含α-半乳糖苷键的复合多糖、糖蛋白和鞘糖。某些α-半乳糖苷酶在底物浓度高度富集的情况下还具有转半乳糖基作用，利用这一特点可用于低聚糖的合成及制备环糊精衍生物。开发嗜中性或具pH 稳定性的α-半乳糖苷酶，寻找高产酶量的微生物或植物，成为近几年的研究热点。许多耐热α-半乳糖苷酶也因其特殊性逐渐引起了科学家们的广泛兴趣，期望利用其热稳定性在工业方面发挥更大的利用价值，以及在科技工艺和医药领域显示出更广阔的应用前景。

α-半乳糖苷酶广泛存在于植物、微生物及动物中，属于糖苷水解酶第26和37家族。其中，第26家族的α-半乳糖苷酶只来源于真核生物，而第37家族的α-半乳糖苷酶则主要来源于原核生物。根据酶活和最适pH，α-半乳糖苷酶有酸性和碱性之分。对于植物来源的α-半乳糖苷酶的研究比较多，在植物种子、果实、叶子和块茎中都发现了该酶，且来源于种子和叶子的多是酸性α-半乳糖苷酶，属于糖苷水解酶第27家族。碱性α-半乳糖苷酶多具有合成酶作用，且属于糖苷水解酶第36家族。植物中研究的α-半乳糖苷酶有咖啡豆、无花果、豆芽、椰子、芋头块茎、黄瓜、葡萄、水稻、木瓜等；种子中有大豆、斑豆、蕃茄等；细菌中有链霉菌、脆弱芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、发酵乳杆菌、嗜热丝袍菌、双歧杆菌等；真菌中有葡酒色被孢霉、根霉、产紫青霉、里氏木霉、烟曲霉、草酸青霉、寄生曲霉、黑曲霉、臭曲霉、分枝犁头霉、米曲霉等。在各种哺乳动物组织的匀浆中也存在α－半乳糖苷酶，人和鼠的甲状腺、肾脏和脾脏酶的活性最高。随着分离纯化技术的发展，得到了越来越多的纯化酶，分子生物学的迅速发展也为α-半乳糖苷酶的研究开创了新的领域。通过基因工程技术，人们已经从动物器官、植物、细菌和真菌等生物体中克隆出许多α-半乳糖苷酶基因，许多α-半乳糖苷酶也因其耐热性而受到越来越多的关注。来源于布氏栖热菌的α-半乳糖苷酶能耐受的最高温度达93 ℃；从嗜热脂肪芽孢杆菌分离纯化α-半乳糖苷酶的最适温度为65℃。已研究较多的是具有热稳定性的α-乳糖苷酶菌株和嗜热菌、耐热梭状芽孢杆菌等。这些从嗜热或耐热微生物中获得的热稳定α－半乳糖苷酶可解决其应用过程中存在的热不稳定性问题，对该酶的推广和使用具有重要意义。

α-半乳糖苷酶的催化作用是移除底物末端α-连接的非还原性D-半乳糖，或通过转糖基作用将半乳糖基团以α-1,6糖苷键转移到受体C6位的羟基上。含有这一类糖苷键的底物和受体在自然界中分布广泛，因此，α-半乳糖苷酶在工业、食品、医疗和科学研究中有着广泛的应用，被认为是最有应用潜力的酶制剂之一。

玉米—豆粕型饲料因具有粗蛋白质含量高、氨基酸含量平衡且富含赖氨酸等营养特点，是很好的蛋白质饲料来源。但豆粕及杂粕类饲料中α-半乳糖苷糖类含量相对较高，在饲料中是一种抗营养因子，简单的加工方法难以将其分解，且单胃动物不能分泌消化该类物质的酶，只有通过微生物发酵后才能利用寡聚糖，而产生的挥发性脂肪酸和各种气体均能使动物肠胃胀气、腹痛、腹泻、恶心和厌食等。另外，这些低聚糖还能刺激肠道蠕动、提高饲料通过消化道的速度、减少食糜在消化道停留的时间，从而影响营养物质的消化和吸收用棉籽糖类喂养老鼠，结果发现多数老鼠发生腹泻，同时还在排泄物中发现了棉籽糖的残留物，于是首次提出了α-半乳糖苷的抗营养作用，之后进一步的研究相继证实这一结果。α-半乳糖苷被认为是动物摄入饲料之后引起肠道腹胀的主要因素；试验结果表明，豆科植物中α-半乳糖苷的量与肠道产氢量呈正相关，因此，分解去除饲料中的抗营养因子α－半乳糖苷显得尤为重要。在饲料中添加外源α-半乳糖苷酶制剂，可专一性的催化水解α-1，6糖苷键，使α-半乳糖苷分解得到低聚寡糖和单糖。研究结果表明，与未经处理的豆粕相比，用α-半乳糖苷酶处理后的豆粕饲喂鸡可使粪便中棉籽糖和水苏糖分别减少69%和54%，净代谢能和生长性能都有明显增加（P<0.05）；以α-半乳糖苷酶为主的复合酶添加于肉鸡玉米—豆粕型日粮中，结果发现饲料的效率提高了1%～10%，胴体产量提高了10%～20%，腹脂率降低了10%～20%，这表明α-半乳糖苷酶将抗营养因子消除之后，提高了营养物质分配效率；类胰岛素生长因子（IGF-I）分泌不受抑制，可节省蛋白质合成氨基酸，从而提高瘦肉率，降低饲料成本；在基础日粮中添加α-半乳糖苷酶，结果发现肉仔鸡的生长性能、能量和养分表观代谢率及消化酶的活性均有显著提高。

总之，α-半乳糖苷酶可有效降解饲料中存在的α-半乳糖苷等抗营养因子，降低食糜黏度，减少幼龄动物腹泻发病率；可摧毁植物细胞壁结构，促进细胞内营养物质释放，提高利用效率；节省蛋白质和合成氨基酸，提高瘦肉率；增强动物的免疫功能和抗病能力，减少饲料中抗生素的用量；减轻或避免消化器官代偿性增生和肥大，降低动物维持需要量，提高饲料能量效价；扩大饲料配方中原料使用种类，充分利用副产品等非常规饲料资源，降低配方成本等。

α-半乳糖苷酶还可用于糖类的合成。糖苷键的合成可以使用标准的化学合成方法，但通常需要一些繁琐复杂的保护与去保护步骤。由于酶的稳定性和低成本，通过酶法来合成显示出很好的前景，但其主要缺点是可选择性和产量都不高。α-半乳糖苷酶在造纸工业上也有一定应用。阿拉伯木聚糖和半乳葡聚甘露聚糖是软木中主要的半纤维素组分。α-半乳糖苷酶可以水解半纤维素类的半乳葡聚甘露聚糖，使α-半乳糖从其碳链骨架上分离下来。尽管单独使用α-半乳糖苷酶处理造纸加工过程中的软木纸浆对纸张的漂白无影响，但用木聚糖酶、甘露聚糖酶和α-半乳糖苷酶共同处理，则可以提高纸张的漂白效果。

β-半乳糖苷酶（EC 3.2.1.23）属于糖苷水解酶，存在多种微生物来源，除了水解活性，某些来源的 β-半乳糖苷酶也具有转糖基活性。来源不同的酶具有不同的特性，例如酶的最适 pH，最适温度，动力学常数Km会有所区别。此外，酶的来源不同，如克鲁维酵母、曲霉、芽孢杆菌、链球菌和隐球菌属和不同的反应条件，如温度和 pH，酶反应合成低聚半乳糖的聚合度、产率及形成糖苷键的类型也不同。

β-半乳糖苷酶由β-半乳糖苷酶基因（LacZ 基因） 编码，是由4 个亚基组成的四聚体，一般可催化乳糖分解为一分子的葡萄糖和一分子的半乳糖。从不同物种提取的β-半乳糖苷酶的蛋白质序列有着较高的同源性和相似性。β-半乳糖苷酶的分子质量在100~850 ku 之间，其中大肠杆菌的β-半乳糖苷酶分子质量最大，为520~850 ku。已有多种来源的β-半乳糖苷酶基因被克隆。

β-半乳糖苷酶的主要来源有：① 细菌、霉菌、酵母等微生物，其中细菌中的乳酸菌、大肠杆菌等，霉菌中的米曲霉、黑曲霉等，酵母中的脆壁克鲁维酵母、乳酸克鲁维酵母等，放线菌中的天蓝色链霉菌等；② 植物，尤其是杏、扁桃和苹果等；③ 哺乳动物，特别是幼小哺乳动物的小肠中。仅来源于微生物的β-半乳糖苷酶有工业应用价值，商业用酶源一般认为酵母（如乳酸克鲁维酵母、脆壁克鲁维酵母） 最为安全，其次为黑曲霉。

不同来源的β-半乳糖苷酶最适pH 在4.0~7.5之间不等。最适pH 不同决定了来源不同的β-半乳糖苷酶各自的用途不同，如霉菌所产生的β-半乳糖苷酶的最适pH 偏酸性（pH 2.5~5.0），适用于酸性乳清和干酪的水解（含大量乳糖）；而酵母和细菌所产生的β-半乳糖苷酶的最适pH 近中性（分别为pH 6~7 和pH 6.5~7.5），适于牛乳（pH 6.6）和鲜乳清（pH 6.1）的水解。β-半乳糖苷酶的最适作用温度范围较宽，在37~50 ℃之间。酵母β-半乳糖苷酶的最适作用温度在35 ℃左右；而霉菌的最适作用温度一般在50 ℃以上，最高可达60 ℃；环状芽抱杆菌可达65 ℃；嗜热水生菌则为80 ℃。耐高温微生物菌株使用时可避免杂菌污染，所以细菌尤其是嗜热细菌所产生的β-半乳糖苷酶正得到广泛的研究。迄今，大肠杆菌产生的β-半乳糖苷酶研究得最彻底，并已大量应用于生化分析。

β-半乳糖苷酶除了能够催化β-半乳糖苷化合物中的β-半乳糖苷键发生水解，还具有转半乳糖基的作用。早期的研究表明，β-半乳糖苷酶上的活性位点有两个功能团：Cys 的巯基和His 的咪唑基，它们对β-半乳糖苷酶水解乳糖起重要作用。据推测，硫基可作为广义酸使半乳糖苷的氧原子质子化，而咪唑基可作为亲核试剂进攻半乳糖分子第1个碳原子上的亲核中心，形成1 个含碳氢键的共价中间物。在被切割下咪唑基之后，巯基阴离子从水分子中抽取1个质子，从而形成-OH 进攻C。有研究认为乳糖酶的催化机制与溶菌酶类似。当半乳糖苷的受体是水时，发生的是水解；当受体是另外的糖或醇时，则发生转半乳糖苷作用；如受体是乳糖，则可以生成三糖的低聚半乳糖。

β-半乳糖苷酶应用的研究热点主要集中在固定化、生产低聚糖和使用基因工程技术生产乳糖酶等方面。

β-半乳糖苷酶在食品加工方面的应用主要包括以下几个方面：

1 解决乳糖不耐受患者的乳品消费问题

世界上平均约70%~90%的成年人（尤其是亚洲和非洲人）喝牛奶后会因缺乏β-半乳糖苷酶不能降解牛奶中大量的乳糖而产生乳糖不耐受，我国乳糖不耐受症的发生率为90%左右。用β-半乳糖苷酶水解牛乳中的乳糖，可将乳糖含量降低70%~80%，解决乳糖不耐受患者的乳品消费问题。

2 用于提高乳制品的甜度

乳糖的甜度较低，只有蔗糖的20%，水解后1分子乳糖生成1 分子葡萄糖和1 分子半乳糖，可以明显提高乳制品的甜度，减少甜味剂的用量。

3 防止乳制品冷冻时出现结晶

乳糖的溶解度较低，在制作冷冻乳制品时容易结晶析出，影响产品质量。在加工中添加25%~30%的乳糖水解乳，可防止这类问题的出现。

4 生产低聚半乳糖

低聚半乳糖是以牛乳或乳清中的乳糖为底物，经β-半乳糖苷酶催化生成的。低聚半乳糖的甜度为蔗糖的20%~40%，热稳定性较好，在酸性条件下也是如此，可作为双歧杆菌增殖因子，促进钙质吸收和有机酸生成、降低肠道pH、抑制外源菌生长和改善脂质代谢。

5 应用于发酵乳制品

用β-半乳糖酶水解乳制作酸乳比使用普通脱脂乳制备酸乳可以缩短乳凝固时间约15%~20%，且节省蔗糖用量，能改善酸乳的风味和口感。另外，由于乳酸菌生长快，菌数多，还能延长酸乳的货价期。

6 应用于乳清加工

乳清中含有乳清蛋白、乳糖、矿物质和维生素等营养成分，其中乳清蛋白是完全蛋白质。世界年产乳清约为9×107 t，其中50%当废水排放，不仅造成浪费，而且污染环境。用β-半乳糖苷酶将乳清中的乳糖水解，可去除乳清浓缩时乳糖结晶析出给加工带来的不便。另外，用此水解物还可生产乳清饮料、糖浆和食品添加剂等。

7 分析乳制品中的乳糖含量

将精制的β-半乳糖苷酶和其它酶（如过氧化物酶、葡萄糖氧化酶）联合使用，可以分析冰淇淋、干酪等乳制品中的乳糖含量。该法简便快捷，费用低廉，可以在样品不除去蛋白的情况下使用，适合在食品工业上应用。

8 促进果蔬软化和成熟

β-半乳糖苷酶普遍存在于各种植物中，一般在植物成熟期β-半乳糖苷酶的含量增加，它能降解含半乳糖苷的胞壁多糖，释放游离的半乳糖。可溶性半乳糖能促进胡椒成熟，促发番茄乙烯生成加快成熟。β-半乳糖苷酶已应用于梨、苹果、土豆、中国水粟等的软化和番茄、胡椒、甜瓜、樱桃、核果、牛油果等的促成熟。

β-半乳糖苷酶在免疫和检测方面的应用：

在免疫方面，Romanos 等将β-半乳糖苷酶与人体胞外淀粉状蛋白前体融合形成融合蛋白，作为Alzheimer 病的免疫源，并进一步制备了其单克隆抗体。在免疫检测方面，β-半乳糖苷酶经戊二醛一步标记抗人IgG，建立了ELISA 测定程序，已用于人IgG、人群破伤风抗体和单克隆抗体检测，并已获得了满意的结果。同时还用于孕酮、皮质醇半抗原标记，初步建立了该酶的液相竞争测定程序。近年来，又有报道合成了该酶的大分子底物，因此β-半乳糖苷酶不仅可用作超微量荧光酶联分析，而且还可以在酶放大免疫测定（EMIT）和底物标记荧光分析（SLFI-A）中进行应用。在环境检测方面，大肠杆菌β-半乳糖苷酶活性检测可快速分析浴场和渔场地区海水水体受排泄物污染程度。

β-半乳糖苷酶基因在基因工程中的应用：

β-半乳糖苷酶基因被广泛地应用于包括作为报告基因、构建载体、转基因研究和基因治疗等多个分子生物学研究领域。具体介绍如下：

1在载体构建中的应用

β-半乳糖苷酶可催化X-ga1（5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷） 水解，产物呈蓝色，易于检测和观察，基于这一特点，β-半乳糖苷酶基因常作为载体组分，广泛地应用于各类研究中。分子生物学研究使用的许多克隆载体一般都具有一段大肠杆菌β-半乳糖苷酶的启动子及其α 肽链的DNA序列，可通过蓝白选择方便地筛选出阳性重组载体。

2 作为报告基因的应用

β-半乳糖苷酶基因是动物和微生物基因工程中最常用、最成熟的一种报告基因。报告基因是一种编码可被检测的蛋白质或酶的基因，其表型应易于检测且易于与内源性背景蛋白相区别，利用其表达产物来标定目的基因的表达调控。β-半乳糖苷酶基因作为报告基因的应用主要有以下几个方面：① 用于研究启动子的效能和启动子不同位点突变对表达效能的影响；② 用于研究表达系统中增强序列等调控序列的功能；③ 用来衡量载体的表达特性和外源物质对表达调控的影响；④ 以融合基因的形式用于研究外源基因的表达及其规律。