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高纯度低聚果糖生产技术的探讨
摘要:低聚果糖是一种功能性低聚糖,用于特殊目的的低聚果糖必须具有很高的纯度。本文探讨了高纯度低聚果糖的生产技术。
关键词:低聚果糖果糖转移酶呋喃果糖苷酶葡萄糖氧化酶葡萄糖异构酶
0前言
低聚果糖(Fructo2oligosaccharide、FOS)是指在蔗糖分子的果糖残基上以β-(1-2)-2糖苷键连接1～3个果糖分子而形成的蔗果三糖(12Kestose,GF2)、蔗果四糖(Nystose,GF3)、蔗果五糖(1F2fructofuranosylnystose,GF4)及其混合物。
低聚果糖具有独特的生理功能(如双歧杆菌增殖因子作用、低热值、防龋齿等)、优良的物化性质及良好的食品加工特性,受到学者的重视。80年代日本对低聚果糖的代谢、组成、应用和工业化生产做了多方面的研究。1984年,日本明治制果株式会社用固定化增殖细胞实现了低聚果糖的工业化生产,推出了两种名为“明治低聚G(NeosugarG)”和“明治低聚P(NeosugarP)”的低聚果糖产品,表1显示两种产品的组成:
表1两种产品的组成(%,干基)

产品G+FGFGF2GF3GF4GF2～4
明治低聚G33122525555
明治低聚P535501095
注:G:葡萄糖;F:果糖;GF:蔗糖;GF2:蔗果三糖;GF3:蔗果四糖;GF4:蔗果五糖;
GF2～4:GF2+GF3+GF4
低聚果糖的生产主要涉及两种酶:果糖转移酶和具有高果糖转移活性的呋喃果糖苷酶。进入90年代以来,国内外学者对低聚果糖的生产工艺条件作了大量的
研究工作,取得了可喜的进展。用单一的果糖转移酶或呋喃果糖苷酶作用于蔗糖生产低聚果糖(单酶法),即使在最优条件下,由于副产物葡萄糖对呋喃果糖苷酶的抑制作用,蔗糖不可能完全转化,所以产物中低聚果糖的含量一般在50%～60%,还含有30%左右的葡萄糖和10%左右的蔗糖。为了特殊的目的如供糖尿病患者食用必须使用高纯度的低聚果糖如明治低聚P。目前获得高纯度低聚果糖的方法有两种:一是用单酶法制得含50%～60%低聚果糖的糖浆,然后用适当的方法去除其中的葡萄糖而得到高纯度的低聚果糖,可称为两步法;一是使用双酶法或混合酶系在蔗糖转化反应过程中同时消除葡萄糖的抑制作用使蔗糖充分转化,同时葡萄糖转化为其他较易除去的形式,再经过简单的分离纯化得到高纯度的低聚果糖,可称为一步法。其中两步法生产高纯度低聚果糖的成本高,资料显示明治低聚的价格是明治低聚的218倍。一步法还处于探索中,
但是探索新的生产工艺、提高酶反应过程中蔗糖的转化
率和低聚果糖的含量生产高含量的低聚果糖在经济性
上可能是有益的。
本文结合作者的部分研究工作及国内外学者已经
进行的高纯度低聚果糖的生产技术研究情况对高纯度
低聚果糖的可行生产工艺作一探讨。
1低聚果糖的生物合成机制
JongWonYun综述了不同来源的呋喃果糖苷酶或果糖转移酶催化蔗糖转化为低聚果糖的机制。不同来源的酶的催化作用机制不同,概括起来大多数微生物果糖转移酶的催化作用分两步进行:第一步形成酶-果糖复合物,释出葡萄糖;第二步该复合物将果糖转移给水或蔗糖生成果糖或三糖。低聚果糖的生物合成机制可表示如下:
G—F+Enz[F—Enz]+G⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)
[F-Enz]+H2O→F+Enz⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2)
[F-Enz]+GFn-1→GFn+Enz⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3)
(n=2，3，4）
其中Enz:呋喃果糖苷酶或果糖转移酶;GF:蔗糖;[F-Enz]:果糖-酶复合物;G:葡萄糖;F:果糖;GFn:低聚果糖。
在低聚果糖的生物合成两步反应中,第一步为快速可逆反应,第二步为不可逆反应,蔗糖既是果糖基的供体又是果糖基的受体。在反应(1)中,蔗糖在酶的作用
下分解成果糖基的葡萄糖,该反应为必须步骤,故酶反应产物中葡萄糖的存在是不可避免的;另外研究者发现葡萄糖抑制酶的果糖转移活性,0.9%～5.4%（W/V）的
葡萄糖即抑制黑曲霉ACTT20611呋喃果糖苷酶的果糖转移反应,Ki=0.12mol/L,所以蔗糖不能完全转化。为了提高蔗糖的转化率和产物中低聚果糖的含量就必须设法消除副产物葡萄糖的抑制作用,这是一步法高纯度低聚果糖生产技术的关键。在两步反应中可以看出,蔗糖(n=2)浓度较低时将主要发生反应(2),总的结果是蔗糖水解为葡萄糖和果糖,所以为了提高酶反应产物中低聚果糖的浓度就必须提高蔗糖浓度以抑制反应(2)的发生。
2酶源选择和产酶工艺条件优化
一个好的酶源是生产低聚果糖的保证,对产酶发酵工艺条件进行优化是使酶源的产酶能力得到最大程度的发挥,从而得到大量而廉价的呋喃果糖苷酶或果糖转移酶。
2.1酶源的选择
一个好的酶源应具有以下几个特征:(1)高的果糖转移活性；(2)果糖转移活性与蔗糖水解活性之比(即Ut