生物技术在蔗糖深加工上的应用

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摘要概述运用生物技术以蔗糖原料或主要原料制备功能性新糖类或食品甜味剂的方法，并重点介绍异麦芽酮糖和蔗果低聚糖2种产品的生物技术法生产。

关键词生物技术；蔗糖；异麦芽酮糖；蔗果低聚糖；制备

蔗糖是植物界最常见的含量最高的双糖，是工业产量最大、纯净度最高的碳水化合物[1]，是由葡萄糖和果糖通过β-2-1糖苷键连接而成的二糖。蔗糖白色单斜菱形晶体，有甜味，非还原性，可被微生物利用。相对密度d4251.587，熔点为185～186℃（分解），具有光学活性，其当量溶液的比旋度为［α］D20+66.53，易溶于水，不溶于乙醚，pH值低于4时，受热易分解。

蔗糖本是一种含有较高热量的营养性甜味剂，既为生命活动提供能量，又给人以最容易辨别、最容易接受的味觉享受。蔗糖无论在甜味性性质和食品加工特性方面，都是很好的甜味品。但有相当一部分人不能食用蔗糖，如糖尿病人、肥胖等，同时随着科技发展和医学研究的不断深入，研究结果表明蔗糖具龋齿性，过多食用会引起肥胖、心脑血管疾病等。为了克服蔗糖的不足，科学工作者不断地采用化学、物理、生物技术等方法对蔗糖进行改性，使其既保持原有的甜味功能，又克服原有的缺点，同时新增别的功能性。特别是近年来随着生物技术迅速发展，蔗糖的深加工技术得到充分应用，推动了功能性新糖类行业快速发展，对人类健康做出了巨大的贡献。笔者对利用生物技术法以蔗糖为原料制备功能性新糖类进行综述。

1酶法制备蔗果低聚糖

蔗果低聚糖（fructooligsacchride，FOS）又名低聚果糖、寡果糖或蔗果三糖族低聚糖，分子式为G-F-Fn（n=1、2、3，G为葡萄糖，F为果糖），它是由蔗糖和1～3个果糖基通过β-1，2键与蔗糖中的果糖基结合而成的蔗果三糖（GF2）、蔗果四糖（GF3）和蔗果五糖（GF4）的一类碳水化合物总称。

1.1蔗果低聚糖特性

蔗果低聚糖是近年新开发出的功能性新糖类，具有优良生理功能和明确的生理成分。其主要特性为：低热量，纯度为50%的蔗果低聚糖的甜度只有蔗糖的0.6倍；难消化性，起到可溶性膳食纤维的作用；优良的双歧杆菌增殖因子，食用后人体肠道内的双歧杆菌在6～8h内增殖上百倍；同时具有降低胆固醇、促进人体对矿物质的吸收等作用。

1.2生产技术

1982年日本明治制果株式会社首先进行了工业化生产，并提出了商品名为“Neosugar”的蔗果低聚糖新产品以来，生产技术已经发展到第三代，也就是固定化酶法生产。

1.2.1液态深层发酵法。液态深层发酵法生产FOS的第一步是通过发酵产生菌丝体，然后将菌丝体连同培养基一起转入蔗糖溶液（浓度约为600g/L）中，在搅拌的同时通入无菌空气，发酵，待FOS含量达50%～55%左右停止反应，所得糖浆需经过去除杂质、脱色、过滤等工序之后才能得到成品。

1.2.2固定化细胞法。固定化细胞法可连续生产FOS，菌体内的酶被反复利用。日本、韩国的商品FOS糖浆都是采用该法来生产。日本人用海藻酸钙凝胶包埋黑曲霉菌体来固定细胞；韩国人采用同样方法，但所包埋的菌种是出芽短梗霉。固定化细胞通常装在柱状恒温反应塔中，浓度为600～800g/L的蔗糖溶液（温度约为50℃）流过反应塔后产生FOS，FOS糖浆经脱色、脱盐、浓缩等工序后得到FOS糖浆，在50℃下固定化细胞的稳定性为3个月左右。该生产方法可重复利用细胞内酶，减少了发酵生产菌体的费用，可降低生产成本。但是，保持固定化细胞反应器无菌，对周围环境及柱式生物反应器的条件要求十分苛刻，同时，增加糖液流速，以及去杂质和脱色脱盐是该生产方法需解决的主要问题。

1.2.3固定化酶法。固定化酶法是广西大学魏远安教授等发明的，其原理是将菌株发酵培养获得的产酶菌丝体进行破壁处理，提取胞内酶，经离心分离后，得到果糖基转移酶。在果糖基转移酶中加入固定载体和戊二醛、乙二胺等交联剂，游离酶和载体通过交联剂偶联固定，果糖基转移酶在交联剂的作用下，能较长时间地保持酶的活性。然后用固定化果糖基转移酶作用于35~50℃、pH值5～7、浓度为45%~60%的蔗糖溶液，反应18~36h后得到50%~60%的蔗果低聚糖。由于采用固定化酶法生产，后处理上不经脱色、离交脱盐工序就可获得高品质的产品（见图1）。

2酶法转化蔗糖制备异麦芽酮糖［2］

异麦芽酮糖（Isomaltulose，6-O-α-D-吡喃葡萄糖基D-果糖），俗称帕拉金糖，是一种结晶还原性双糖，其结晶含有1分子的水。含水异麦芽酮糖晶体的分子式为C12H22O11H2O，相对分子量为360.22，熔点为122~123℃，旋光度［α］D20=97.2，还原性是葡萄糖的52%。

2.1异麦芽酮糖特性

异麦芽酮糖具有与蔗糖类似的甜味特性，甜味纯正，无任何异味，其甜度是蔗糖的42%。在室温下，溶解度只有蔗糖的一半，随温度升高而升高，80℃时溶解度达到蔗糖的85%，异麦芽酮糖没有吸湿性，在酸性条件下较稳定。大多数细菌和酵母不能发酵利用异麦芽酮糖，在产品中其甜味得到长期保存。异麦芽酮糖水解速度慢，食用后不会引起血糖和血浆中胰岛素不平波动，是糖尿病人良好的甜味剂。此外，异麦芽酮糖具有低龋性、低热量等功能。

2.2酶法生产工艺

异麦芽酮糖的生产工艺可分为三类［3］：全混反应器连续操作、固定化细胞、固定化酶。这3种方法都是通过α-葡萄糖基转移酶（α-glucosyltranferase）转化蔗糖生成。产α-葡萄糖基转移酶的菌株为：Serratia Plymuthica，Protaminobacter Rubrum，Erwiniarhapontici。

2.2.1全混反应器连续操作。种子培养反应器内菌体增殖培养流加蔗糖，在一定条件下控制稀释率进行生物转化。菌种摇瓶培养产生小孢子后，转到反应器内，扩大培养到一定程度开始流加蔗糖进行转化生成异麦芽酮糖。

2.2.2固定化细胞［4］。高活性α-葡萄糖基转移酶的产生菌株为精朊杆菌或赛氏菌（SerratiaPlymuthica），在含有蔗糖的培养基上诱导产生高活性的α-葡萄糖基转移酶，然后离心分离发酵液，收集菌丝体并置于海澡酸钙凝胶中形成颗粒状，用2%的偏酸性聚二烯亚胺浸泡颗粒化细胞5min，再放入5℃的0.5%戊二醛溶液搅拌30mim即得到固定化细胞，然后在固定化细胞反应器内进行生物转化。

2.2.3固定化酶固定化酶反应器生产工艺：菌体培养发酵酶制备（将菌丝体分离、酶液提取或在菌体培养对数期后期加入表面活性剂使菌体自溶释放出酶）酶的固定化（加入载体和交联剂）在固定化酶反应器内进行生物转化。

2.3酶转化反应

将浓度在45%～55%、pH值为5.5～6、120℃杀菌后冷却至30℃的蔗糖液，以一定的速度通过装有固定化α-葡萄糖基转移酶的反应酶柱，可使85%以上蔗糖转化为异麦芽酮糖，对反应出液进行离交脱盐、浓缩、结晶、离心分离、干燥而得到纯度较高结晶异麦芽酮糖。

3低聚乳果糖酶法生产［3］

低聚乳果糖（Lactosucrose）（乳糖基古洛糖），O-β-D-Galactopyranosyl-（14）-O-α-D-glucopyranosyl-（12）-β-D-fructofuranoside，是由3个单糖组成。低聚乳果糖是一种非还原性低聚糖，甜度为蔗糖30%，甜味特性与蔗糖相似。

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3.1 低聚乳果糖特性

低聚乳果糖纯度为35%时其甜度与蔗糖相当，低聚乳果糖在中性条件下的的热稳定性与蔗糖相近，容易与氨基酸发生美拉德反应。低聚乳果糖很难被机体内消化吸收，能量值低，食用低聚乳果糖后能有效地促进双歧杆菌的增殖，抑制肠道内腐败菌的生长，降低肠道内pH值，改善胃肠道功能等。

3.2工艺简述

工艺流程是见图2。

低聚乳果糖的生产是以40%的蔗糖和乳糖混合液按1∶1配比为原料，在55℃，用β-呋喃果糖苷酶（节杆菌产生，Arthrobacter）催化10h以上，然后加热至90～100℃灭酶，过滤除菌体、活性碳脱色、浓缩、结晶出未反应的乳糖，再经过滤、离交脱盐、浓缩等得到低聚乳果糖产品，纯度在35%～55%。

4偶合糖（Coupling sugar）

偶合糖（Coupling sugar），或称吡喃葡萄基蔗糖［2］，化学名为α-麦芽糖基-β-D-呋喃果糖苷或4-α-D-吡喃葡萄糖基蔗糖。偶合糖结晶有2种形式，每摩尔的结晶偶合糖含有1moL或3moL的结晶水。含有3moL结晶水的称为Ⅰ型结晶偶合糖，含有1moL结晶水的称为Ⅱ结晶偶合糖。偶合糖的口感接近于蔗糖，甜味纯正，甜度只有蔗糖50%。偶合糖是一种低致龋齿性的三糖，可被肠道黏膜的二糖水解酶水解，是应用广泛的一种新型甜味剂。

偶合糖酶法制备方法工艺：偶合糖环糊精葡糖基转移酶法生产是以蔗糖和淀粉为原料，经环糊精葡糖基转移酶作用，在蔗糖分子的葡萄糖一侧以α（14）糖苷键形式结合一分子葡萄糖而得到。流程如下：淀粉+蔗糖环糊精溶液环糊精葡糖基转移酶糖混合液灭酶浓缩过滤脱色离交分馏结晶分离偶合糖。

35%玉米淀粉悬浮液混合0.2%的草酸于120℃下蒸煮，得到DE为20的溶液。用碳酸钙中和，过滤得到环糊，在环糊中加入相当于其固形物一半的蔗糖，加入15U/g淀粉的环糊精葡糖基转移酶，在pH值6.0和55℃的条件下反应40h，脱色、离交、浓缩得到无色透明液体。将β-环糊精和蔗糖质量比为2∶3制成水溶液，按20U/g β-环糊精比例加入环糊精葡糖基转移酶，在pH值为6.0、60℃下反应40h，然后加热至95℃恒温15min，冷却、浓缩至浓度为50%后过滤。滤液用活性碳脱色，用H-型和OH-型离子交换树脂离交，再浓缩至糖含量为50%，此时回收率约为93%，混合糖液中含偶合糖约为21%，其他有蔗糖、麦芽糖等。

5转化糖（invert sugar）

转化糖是蔗糖的水解后生成等量的葡萄糖和果糖总称，吸湿性，淡黄色黏稠性液体，甜度为蔗糖的70%～90%，呈左旋光性，比旋度为-45°，溶于水、甘油和乙二醇中，微溶于丙酮和乙醇中，有还原性，易被微生物发酵利用。主要用于营养甜味剂，在饮料、食品、果酒等中应用。

制法：40%～50%蔗糖溶液，调节pH值4.5~6，杀菌冷却至50～70℃，按每千克蔗糖加入1~3万活力单位的糖化酶（α-葡萄糖淀粉酶）搅拌下反应4～8h，过滤、脱色、离交、浓缩到70%～80%（干物质）即得含50%果糖的转化糖。

6结束语

蔗糖是食品配料的主要营养剂或食品添加剂中的甜味剂，利用生物技术处理蔗糖，其分子结构有了相应的改变，同时性能也随之改变，但仍保持蔗糖原有的甜味性，但大部分甜味比蔗糖低。而生物转化生成的新糖类其功能性大大优于蔗糖，克服了蔗糖原有功能不足之处，同时补充了新的特殊的功能，满足不同人群的需求，使得应用更加广泛。随着基因工程、发酵工程、酶工程、生化提取技术等飞速发展，很大程度上促进蔗糖深加工技术的多样化，使深加工技术得以较大提高和改善，推动品种更多、品质更高、功能更全面的功能性蔗糖衍生物产品问世，使蔗糖产业的产业链得到进一步的延伸，提高蔗糖附加值，有利推动蔗糖产业健康、合理地发展。

7参考文献

［1］ 梁智.蔗糖改性制备的甜味剂［J］．中国食品添加剂，2007（1）：100-104.

［2］ 郑建仙.功能性食品生物技术［M］.北京：中国轻工业出版社，2004.

［3］ 李勇.碳水化合物加工技术［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［4］ 郑建仙.功能性食品甜味剂[M].北京：中国轻工业出版社，1997.

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